5.3. Матеріали черв’ячних передач

Матеріали черв'ячної пари повинні володіти антифрикційними властивостями, тобто мати низькі коефіцієнти тертя, бути стійкими до спрацювання і мати малу схильність до заїдання.

Черв’яки. Для виготовлення їх застосовують вуглецеві та леґовані сталі (45, 40Х. 40ХН, З5ХГСА), загартовані до твердості 4555 HRC_e, або цементовані сталі (20Х, 12ХНЗА, І8ХГТ, І5ХФ) з твердістю 5663 HRC_e. Черв'яки вимагають після термообробки шліфування і полірування.

Вибір марки сталі залежить від призначеної термічної обробки черв'яка і його ґабаритів. Нелінійчасті та евольвентні черв'яки, як правило, виготовляють з твердими (≥45 HRC_e) цементованими або заґартованими по поверхні шліфованими і полірованими витками. Висока твердість і гладкість робочих поверхонь витків забезпечує максимальну стійкість зубців черв'ячних коліс в розумінні стійкості проти спрацювання та втомного викришування.

Архімедові та конволютні черв'яки, робочі поверхні витків яких, як правило, не шліфують (бокові поверхні витків таких черв’яків можуть шліфуватися лише спеціально спрофільованим по кривій шліфувальним кругом, що рентабельне лише у масовому виробництві), виготовляють з відносно м'яких (≤350 НВ) сталей, що піддаються термічному поліпшенню. Такі черв'яки завдяки підвищенню втрат на тертя і зниженню тримкості передачі не рекомендується застосовувати при потужності передачі більше 0,75...1 кВт.

Черв’ячні колеса. Матеріали, які застосовуються для черв’ячних коліс, відповідно до зниження їх антизадирних та антифрикційних властивостей можна умовно звести у три ґрупи:

Ґрупа 1. Бронзи з великим вмістом цини (10...12 % S_n) з присадками фосфору та нікелю, бронзи з малим вмістом цини (З...6% S_n), з присадками олива, і цинку, бронзи сурм'яно-нікелеві. Відмітна риса цієї ґрупи матеріалів – невисока міцність (σ_u,t<300 МПа).

Ґрупа 2. Бронзи безцинові і мосяжі використовуються як замінники бронзи з вмістом цини при v_s до З...10 м/с. При v_s>5 м/с застосування безцинових бронз і мосяжу стає неефективним за необхідності значного зниження допустимих контактних напруг σ з метою запобігання прискореного спрацювання зубців черв'ячного колеса або навіть задиру робочих поверхонь зубців. Механічна міцність безцинових бронз і мосяжів значно вища, ніж у бронзах з вмістом цини (σ_u,t350...700 МПa). З підвищенням механічної міцності антизадирні та антифрикційні властивості матеріалів цієї ґрупи погіршуються.

Ґрупа 3. М’які сірі чавуни з твердістю 170...190 НВ. Їх застосовують у механічних при v_s≤ 2...З м/с та в ручних приводах.

5.4. Основні критерії роботоздатності і розрахунку

У черв’ячній парі міцнішим елементом є черв’як, виготовлений зі сталі. Витки черв’яка значно міцніші бронзових, мосяжових або чавунних зубців черв’ячного колеса, а тому витки черв’яка на міцність не розраховують.

Як і зубчасті, черв’ячні передачі розраховують за контактними напругами і напругами згинання. Але на відміну від зубчастих, у черв’ячних передачах частіше спостерігається спрацювання і заїдання, а не викришування поверхонь зубців. Якщо матеріал зубців колеса м’який (цинові бронзи), то заїдання проявляється в так званому поступовому “намазуванні” бронзи на витки черв’яка, за яким передача може працювати ще тривалий час. Коли матеріал зубців твердий (алюмінієво-залізисті бронзи, чавуни тощо), то заїдання переходить у задир поверхні і, як результат, наступає швидке руйнування зубців колеса.

Досвід показує, що підвищене спрацювання і заїдання черв’ячних передач пов’язані з великими швидкостями ковзання і несприятливим напрямком вектора ковзання щодо лінії контакту, який утворює малий кут із напрямком лінії контакту витків черв’яка та зубців колеса.

Обмежити можливість виникнення заїдання в зачепленні можна не тільки вибором відповідних матеріалів пари черв’як-колесо, але й обмеженням контактних напруг, а інтенсивність спрацювання зубців черв’ячного колеса також залежить від величини контактних напруг. Тому для тривалої роботи передачі слід обмежити контактні напруги на активних поверхнях зубців колеса. Зауважимо, що ймовірність поломок зубців колеса від дії циклічних напруг згинання суттєва лише для маломодульних коліс.

Зазначимо, що усунення заїдання в черв’ячних передачах не усуває абразивного спрацювання зубців. Отже, розрахунок за контактними напругами для черв’ячних передач є основним, а розрахунок за напругами згинання виконується при цьому як перевірний. Лише для дрібномодульних коліс з числом зубців z₂ > 100 напруги згинання можуть виявитися вирішальними. А в передачах ручних приводів розрахунок за напругами згинання виконують як основний.

Розрахунок черв'яка на жорсткість. Правильність зачеплення черв'ячної пари забезпечується при достатній жорсткості черв’яка, яка визначається допустимою стрілою прогину f ^adm. Звичайно приймають

.

При симетричному розміщенні опор стрілу прогину можна визначити за формулою

≤ , (5.13)

де l=(0.9...1)d₂ – відстань між опорами; Е=2.1·10⁵ МПа – модуль пружності для сталі; Jзв – зведений момент інерції перерізу черв’яка:

. (5.14)

Тепловий розрахунок черв’ячного редуктора. У зв’язку з низьким ККД черв’ячної передачі в ній виділяється значна кількість тепла. При нагріванні редуктора до температури вище допустимої в’язкість мастила знижується, що призводить до порушення режиму змащення, заїдання і спрацювання вальниць.

Умова нормальної роботи редуктора полягає в тому, щоб перепад температури мастила і навколишнього середовища Δt був не більше допустимого Δt^adm ≈ 40…60⁰С:

Δt = t_м – t_n = . (5.15)

Тут Q₁ = Р₁ (l - η) – кількість тепла, яка виділяється в редукторі за секунду:

Р₁ – потужність на валі черв’яка, Вт;

η – ККД редуктора;

К_Т – коефіцієнт тепловіддачі корпуса редуктора, більші значення при добрій циркуляції і малій запиленості повітря;

А – площа поверхні тепловіддачі, що стикається з повітрям і омивається з середини мастилом; в цю площу входить 50 % ребер, а також днище, якщо воно обдувається повітрям. А визначається після ескізної компоновки редуктора.

Загальна поверхня А, м² охолодження корпуса редуктора наближено визначається залежністю

А ≈ 12,0 , (5.16)

де міжвісева відстань α_w, м.

За наявності вентилятора частина поверхні корпуса, яка обдувається, визначається як А_в ≈ 0,3А.

Для задовільної роботи редуктора, встановленого на металевій рамі або плиті, необхідно забезпечити умову:

а) редуктор без штучного охолодження

t_роб = 10³(l - η)Р₁/(К_тА(l + Ψ)) + t⁰ ≤ , (5.17)

де К_т = 12 18 – коефіцієнт тепловіддачі (більші значення при добрих умовах охолодження), Вт/(м^{2 0}С); t_роб – температура корпуса редуктора при усталеному режимі роботи;

t⁰ = 20⁰С – температура навколишнього повітря;

Ψ = 0.25…0,3 – коефіцієнт, що враховує відведення тепла від корпуса редуктора в металеву плиту або раму. При встановленні редуктора на бетонному або цегляному фундаменті Ψ = 0;

t^adm = 95⁰ – максимально допустима температура нагрівання оливи в мастильній ванні редуктора;

б) редуктор зі штучним охолодженням за допомогою вентилятора

t_роб = 10³(l - η)Р₁/((К_т(0,7 + Ψ) +0,3К_тв)А) + t₀ ≤ t , (5.18)

де К_тв – коефіцієнт тепловіддачі частини поверхні корпуса редуктора, яка обдувається вентилятором, залежно від n_в – частоти обертання вентилятора.