6.8. Критерии работоспособности и расчета

Основными напряжениями, определяющими работоспособность червячных передач, также как и для других типов зубчатых передач являются контактные напряжения и напряжения изгиба. Червячные передачи выходят из строя, как правило, вследствие механического изнашивания, изнашивания при заедании и усталостного изнашивания. Повышенное изнашивание червячных передач связано с большими скоростями скольжения и неблагоприятным направлением скольжения по отношению к линии контакта.

Механическое изнашивание ограничивает срок службы большинства червячных передач. Данный вид изнашивания в значительной мере зависит от следующих факторов:

– смазки;

– неточности монтажа передачи;

– частых пусков и остановов передачи, при которых условия смазки ухудшаются;

– загрязнения смазочного материала;

– повышенной шероховатости поверхности червяка.

Значительное изнашивание, а также погрешности изготовления могут привести к поломке зубьев червячного колеса.

Изнашивание при заедании зависит от материала червячного колеса. При мягком материале червячного колеса (оловянистые бронзы) данный вид изнашивания проявляется в постепенном “намазывании” материала колеса на червяк. В данном случае передача может работать продолжительное время. При твердых материалах колес (алюминевожелезистые бронзы, чугуны) изнашивание сопровождается задиром с последующим быстрым разрушением зубьев червячного колеса.

Усталостное изнашивание главным образом наблюдается в передачах с колесами, изготовленными из бронз, стойких против заедания. Усталостное изнашивание сопровождается выкрашиванием, как правило, зубьев червячного колеса.

При действии больших перегрузок может наблюдаться пластическое разрушение рабочих поверхностей зубьев червячного колеса.

Для предупреждения заедания ограничивают значения контактных напряжений и применяют специальные антифрикционные пары материалов: червяки изготавливают из сталей, колеса – из бронзы или чугуна. Интенсивность механического изнашивания также зависит от значения контактных напряжений. Поэтому расчет на контактную выносливость для червячных передач является основным расчетом. Расчет по напряжениям изгиба выполняется в виде проверочного расчета. Только для мелкомодульных передач с большим числом зубьев червячного колеса ( > 100) напряжения изгиба могут стать решающими.

6.9. Материалы и допускаемые напряжения

В связи с высокими скоростями скольжения и неблагоприятными условиями смазки материалы червячной пары должны обладать антифрикционными свойствами, износостойкостью и пониженной склонностью к заеданию.

Червяки изготавливают из углеродистых или легированных сталей. При передаваемой мощности до одного киловатта и малой длительности работы материал подвергается улучшению до твердости . При передаваемых мощностях > 1 кВт витки червяка подвергают термообработке до высокой твердости ( > 45) с последующим шлифованием.

Червячные колеса преимущественно изготавливают из бронзы, реже из латуни или чугуна. Выбор материала червячного колеса зависит от скорости скольжения, в зависимости от которой различают три группы материалов.

При высоких скоростях скольжения ( > 5 м/с) зубчатый венец червячного колеса изготавливают из оловянистых бронз типа БрО10Ф1, БрО10Н1Ф1. Необходимость в применении бронзы с высоким содержанием олова тем выше, чем больше скорость скольжения и относительная продолжительность работы передачи.

Безоловянистые бронзы, например, алюминиевожелезистые типа БрА9ЖЗЛ, обладают повышенными механическими характеристиками, но имеют пониженные противозадирные свойства. Их применяют в паре с твердыми ( > 45) шлифованными и полированными червяками при скоростях скольжения м/с.

При скоростях скольжения < 2 м/с применяют серые или модифицированные чугуны.

В передачах с червячными колесами из оловянистых бронз с пределом прочности < 300 МПа работоспособность ограничена контактной прочностью. В данном случае допускаемое напряжение, соответствующее эквивалентному числу циклов перемен напряжений определяется по формуле

,

где – при твердости материала червяка ; – при твердости материала червяка ; – коэффициент, зависящий от скорости скольжения.

Коэффициент определяется по формуле

.

Допускаемое контактное напряжение определяется по формуле

,

где – коэффициент долговечности по контактным напряжениям.

Коэффициент долговечности определяется по формуле

,

где – базовое число циклов перемен напряжений.

Эквивалентное число циклов перемен напряжений определятся по аналогии с цилиндрическими зубчатыми передачами (при постоянном режиме работы ). Если > , то принимается .

Работоспособность передач с червячными колесами из безоловянистых бронз и чугуна при > 300 МПа ограничена обычно заеданием. Для таких передач допускаемое напряжение определяется только от скорости скольжения:

– безоловянистые бронзы и латуни

,

где – цементируемый червяк; – червяк, закаленный токами высокой частоты (ТВЧ);

– чугуны

,

где – улучшенный червяк; – червяк, закаленный токами высокой частоты.

При изготовлении червячного колеса из материалов первой ( > 5 м/с) и второй ( м/с) групп допускаемое напряжение на выносливость при изгибе определяется по формулам:

– для нереверсивной передачи

;

– для реверсивной передачи

,

где – коэффициент долговечности по напряжениям изгиба, определяемый по формуле

,

где – базовое число циклов перемен напряжений.

Эквивалентное число циклов перемен напряжений определяется по аналогии с цилиндрическими зубчатыми передачами (при постоянном режиме работы ). Если , то принимают , если > , то принимают .

При изготовлении червячного колеса из материалов третьей группы ( < 2 м/с) допускаемое напряжение на выносливость при изгибе определяется по формулам:

– для нереверсивной передачи

;

– для реверсивной передачи

,

где – предел прочности материала при деформации изгиба.