16. Материалы червячных колес и червяков

Червячные передачи имеют повышенную склонность к заеданию и износу рабочих поверхностей из-за неблагоприятных условий для образования масляного клина в полюсе зацепления. Для устранения заедания и повышения износостойкости рекомендуется для червячных колес применять материалы с высокими антифрикционными свойствами, использовать для смазывания передачи противозадирные масла, повышать твердость (H  45HRC_э) и чистоту рабочих поверхностей витков червяка для сокращения времени приработки передачи. Червяки изготавливают из углеродистых и легированных сталей. Например: 40, 45, 50, Ст6, 40Х, 40ХН, 30ХГС, 35ХМ, 40Г2 (улучшение, нормализация H  350 HB или закалка до 45–55HRC_э); 15Х, 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ, 20ХН3А, 20Х2Н4А (цементация, закалка до 56– 62HRC_э) и др. (см. табл. 2.1; [4, с. 171]). Выбором стали во многом предопределяется вид термической и механической обработки, а также условия работы передачи – износостойкость, склонность к заеданию и др.

Нелинейчатые и эвольвентные червяки обычно подвергаются цементации или закалке (H  45HRC_э). Поверхности витков шлифуют и полируют. Высокая твердость и гладкость рабочих поверхностей витков червяка позволяет повысить износостойкость и контактную выносливость, уменьшить потери на трение и снизить возможность заедания. Подобные червяки применяют в ответственных и сравнительно нагруженных червячных передачах.

Рабочие поверхности витков архимедовых и конволютных червяков обычно не шлифуют.^¹ Применяют их в малонагруженных и неответственных червячных передачах. Такие червяки изготавливают из относительно мягких (H  350 HB) нормализованных или улучшенных сталей. Червяки с малой твердостью и нешлифованной рабочей поверхностью из-за повышенных потерь на трение имеют в 1,5 – 2 раза меньшую нагрузочную способность и более низкий к.п.д., чем червяки с высокой твердостью рабочих поверхностей (H  45HRC_э) и шлифованными витками.

Червячные колеса изготавливают чаще из бронзы, реже из латуни или чугуна. Материалы, применяемые для изготовления червячных колес, по убыванию их противозадирных и антифрикционных свойств можно условно подразделить на три группы, табл.16.1 [29; 39; 40, c. 111 – 113].

Выбор группы и материала осуществляют по ожидаемой скорости скольжения v_s(м /с) витков червяка по зубьям червячного колеса:

где n₁ – частота вращения червяка, об/мин;

T₂ – крутящий момент на валу червячного колеса, Н м.

Таблица 16.1

Группа	Наименование материала	Способ отливки^	Механические свойства, МПа				Рекомендуемый предел скорости скольжения v_s, м/с
Группа	Наименование материала	Способ отливки^	_b	_Т	_b_и – предел прочности материала на изгиб	Е – модуль упругости первого рода	Рекомендуемый предел скорости скольжения v_s, м/с
I	Бр ОНФ 10-1-1	Ц	290	170	–	110⁵	 35
	Бр ОФ 10-1	З К	230 250	140 200	– –	0,7510⁵	 25
	Бр СуН 7-2	К	180	90	–		 25
	Бр ОЦС 6-6-3	З К	180 200	90	–		 12
	Бр ОЦС 5-5-5	Ц	220	90	–		 12
II	Бр АЖ 9-4	З К Ц	400 500 500	200	–	110⁵	 5
	Бр А9ЖЗЛ	З К Ц	425 500 530	195 230 245
	Бр АЖН 10-4-4	К Ц	600 600	200
	Бр АЖМц 10-3-1,5	К	500	200
	ЛАЖМц 66-6-3-2	З К Ц	600 650 700	240	–
	ЛМцС 58-2-2	З	340	140	–
	ЛМцОС 58-2-2-2	К	500	380	–
III	СЧ 10 (143-229НВ) СЧ 15 (163-229НВ) СЧ 18 (170-241НВ)	З З З	– – –	– – –	274 314 358	110⁵	 2

^Примечание: З – в землю, К – в кокиль, Ц – центробежный.

 Группа I. Бронзы высокооловянистые (10 – 12 % Sn) с присадками фосфора и никеля считаются лучшим материалом для червячных колес, однако они дороги и дефицитны. Их применение ограничивают наиболее ответственными передачами с большими скоростями скольжения (v_sдо 25 м /с). Бронзы малооловянистые (3 – 6 % Sn) с присадками свинца и цинка и сурьмяно-никелевые обладают несколько худшими противозадирными свойствами и применяются при меньших окружных скоростях. Отличительная черта этих материалов – невысокая прочность (_В 300 МПа). Для этой группы материалов червяк, как правило, должен быть тщательно отшлифован и отполирован и иметь высокую твердость рабочих поверхностей – 45-62 HRC_э (см. табл. 18.3).

 Группа II. Бронзы безоловянистые и латуни используются как заменители оловянистых бронз при v_s до 3 – 5 м/с. При больших скоростях применение безоловянистых бронз и латуней становится неэффективным, т.к. необходимо снижать допускаемые контактные напряжения _НР для предупреждения ускоренного износа зубьев червячного колеса или задира рабочих поверхностей зубьев. При этом размеры передачи и расход материалов существенно возрастают. Механическая прочность безоловянистых бронз и латуней значительно выше, чем у оловянистых бронз (_В 350 – 700 МПа), а стоимость – ниже. Сравнительно низкие противозадирные и антифрикционные свойства ограничивают их применение при высоких скоростях скольжения. Во избежание заедания червяк рекомендуется подвергать термической обработке (45–50 HRC_э), а затем шлифовать и полировать. Допустимо применение нешлифованных червяков с Н 350НВ. Эксплуатационные возможности передачи при этом несколько снижаются.

 Группа III. Мягкие серые чугуны с твердостью 140 – 220 НВ по ГОСТ 1412 – 85 применяют при v_s 2 м/с в механических и ручных приводах. Использование серых чугунов при более высоких скоростях становится неэффективным из-за существенного увеличения габаритов и опасности появления заедания. Заготовки колес получают литьем (рис.16.1,а, б). При необходимости подвергают термообработке [40, с.112–113]. Твердость рабочих поверхностей нешлифованных витков червяков, как правило, менее 350 НВ.

В целях экономии сплавов I и II групп червячные колеса выполняют составными: венец из бронзы или латуни, а колесный центр из чугуна или стали. В бандажированной конструкции (a_w  80 – 200 мм) венец насаживается на центр с натягом и обычно закрепляется дополнительно 3–8 винтами (рис.16.1, в), чтобы компенсировать недостаток конструкции – зависимость натяга от температуры среды и коэффициентов линейного расширения материалов. В болтовой конструкции (a_w  200 – 600 мм) венец, имеющий фланец с отверстиями, крепится к центру колеса 4 – 8 призонными болтами, устанавливаемыми в отверстия без зазора (рис.16.1, г). Биметаллическую конструкцию (рис.16.1, д) чаще применяют в серийном производстве и получают путем заливки расплавленного металла в форму, куда предварительно устанавливается центр колеса.