1.2 Черв’яки і колеса черв’ячних передач

Черв’яки виготовляють із якісних вуглецевих сталей 45, 50, 40Г2, а у передачах відповідального призначення – з легованих сталей (40Х, 40ХН, 35ХГСА). Термообробка до твердості Н₁ ≥ (45...55) HRC з подальшим шліфуванням та поліруванням робочих поверхонь витків черв’яка, що дозволяє суттєво підвищити несучу здатність та довговічність передачі, оскільки зменшується можливість заїдання робочих поверхонь у контакті. У допоміжних, невідповідальних та тихохідних передачах використовують черв’яки з твердістю витків Н₁ = (300...320) НВ.

У більшості випадків конструктивно черв’яки виготовляють з валом як одну деталь і лише в деяких випадках насадними.

Черв’ячні колеса, з метою економії кольорових металів, виготовляють з вінцем з антифрикційних матеріалів і стальним або чавунним центром (рис. 1.3а,б,в). При швидкості ковзання υ_s> 5 м/с виготовляють з олов’яних бронз Бр010Н1Ф1, Бр010Ф1 і ін. Більш дешеві безолов’яні бронзи БрА10Ж4Н4, БрА9ЖЗЛ та ін. застосовують при виготовленні коліс передач з швидкостями ковзання υ_s = (2...5) м/с. Для малонавантажених та тихохідних черв’ячних передач υ_s < 2 м/с можливе виготовлення черв’ячного колеса із чавуну СЧ15, СЧ18 або пластмас (текстоліту, поліамідів). Механічні характеристики матеріалів в таблиці 2.5.

Рисунок 1.3 – Типові конструкції зубчастих вінців черв’ячних коліс

Конструкція колеса (рис. 1.3а) проста в виготовленні і використовується для виготовлення коліс невеликих діаметрів в передачах не напружених в тепловому відношенні. Використання недоцільне в зв’язку з підвищеними витратами бронзи.

Болтову конструкцію (рис. 1.3б) використовують для виготовлення коліс великих і середніх діаметрів.

Найбільш раціональна конструкція (рис. 1.3в) – біметалева, бронзовий вінець, котрий відливають в форму с попередньо вставленим в неї центром. Цю конструкцію використовують в серійному виробництві редукторів.

1.3 Конструкції опор валів та особливості експлуатації черв’ячних передач

В черв’ячних редукторах, в конструкціях опор черв’яка і вала черв’ячного колеса, використовують підшипники кочення (рис. 1.2).

Черв’яки, з невеликою відстанню між опорами (а_w<160 мм) і ненапруженими в тепловому відношенні, та вали черв’ячних коліс допускається встановлювати на радіально-упорних підшипниках по одному в опорі – постановка «врозпір» (рис.1.4а).

Черв’яки, з великими відстанями між опорами (а_w>160 мм) і які експлуатуються в напруженому тепловому режимі, встановлюють в одній опорі плаваючий радіальний підшипник, а в другий – два радіально-упорних, або один здвоєний, що сприймають осьові навантаження в обох напрямках (рис. 1.4б).

Згідно з нормами точності черв’ячних передач при їх складанні вісь черв’яка розташовується у середній площині черв’ячного колеса. Можливість регулювання положення колеса щодо черв’яка забезпечується за рахунок прокладок різної товщини, що розміщуються під кришками підшипників. На практиці правильність зачеплення контролюють за розмірами та розташуванням відбитка контакту зубців колеса з витками черв’яка.

Конструкція опор валів повинна передбачати: можливість складання і розбирання всіх деталей вала; вільний прохід підшипників до посадочних місць і доступний монтаж і демонтаж їх на валу і в корпусі; можливість регулювання зубчастих зачеплень і щілин в самих підшипниках як при складанні, так і в процесі експлуатації.

Іноді в отвори корпусу для полегшення монтажу валів, осьової їх фіксації, уніфікації діаметрів розточок, регулювання зачеплення передач, зменшення спрацьовування отворів корпусу при повороті або осьовими зміщенні кілець підшипників встановлюють стакани (рис. 1.2) позиція 8. Недоліком опор з стаканами є підвищена вартість (лишня деталь) і зниження точності опори при недостатній якості виготовлення стаканів.

Корпуси великих редукторів виготовляють з верхньою кришкою, а малих – з боковою кришкою. Матеріали – чавун або алюміній.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) черв’ячної передачі (0,7...0,85) значно менший від зубчастих циліндричних (0,96...0,98). Пов’язано це з тим, що в зубчастих передачах, в зоні контакту зубців, конструктивно забезпечуються умови для гідростатичної теорії: клинова щілина розміщена вздовж лінії контакту зубців, а вектор швидкості ковзання направлений перпендикулярно (у прямозубих) і під невеликим кутом

Рисунок 1.4 – Типові конструкції черв’яків і їх опор

(у косозубих) передачах до лінії контакту зубців. В процесі роботи передачі мастило затягується в щілину і сприймає частково або повністю діюче навантаження. Як наслідок цього зменшується тертя в зоні контакту зубців і значно підвищується ККД циліндричної передачі.

Умови описаної вище гідродинамічної теорії, що забезпечують рідинне тертя і суттєво підвищують ККД циліндричної передачі; в черв’ячні передачі забезпечити майже не можливо. На рис. 1.5 показана швидкість ковзання υ_s, яка за значенням більша від колової швидкості черв’яка υ₁ і черв’ячного колеса υ₂. На рисунку заштриховано перетин зуба колеса.

Рисунок 1.5 – До визначення швидкості ковзання у черв’ячній передачі

Зона, у якій напрям швидкості ковзання υ_s співпадає з напрямком контактних ліній, заштрихована (рис. 1.6). Цифрами 1,2,3 відмічені контактні лінії в їх послідовному положенні в процесі зачеплення. Швидкості ковзання υ_s в деяких точках близькі за напрямком до колової швидкості черв’яка υ₁. Несприятливий напрям швидкості ковзання є причиною зниженого ККД черв’ячної передачі, підвищеного спрацьовування робочих поверхонь зубців колеса і схильності до заїдання.

Рисунок 1.6 – Положення контактних ліній на зубі колеса з архімедовим черв’яком.

В зв’язку з несприятливими умовами для виникнення рідинного тертя в черв’ячних передачах рекомендується використовувати мастил а з більшою в’язкістю, ніж в інших передачах. Наприклад, глибокоочищені індустріальні мастила ІГП в залежності від швидкості ковзання (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 – Мастила, рекомендовані для черв’ячних редукторів.

Швидкість ковзання, м/с	менше 1	1...4	3,5...6
Мастило ІГП	250; 182	182...152	152...114

В черв’ячних передачах для змащування робочих поверхонь витків черв’яка і черв’ячного колеса може використовуватися картерна схема (занурення витків черв’яка або зубців черв’ячного колеса). В швидкохідних потужних передачах з верхнім розміщенням черв’яка використовують примусове змащування від насоса безпосередньо в зону зачеплення.

Заходи з підвищення ККД черв’ячних передач:

• підвищення якості робочих поверхонь витків черв’яка, використовуючи шліфування і полірування;

• використання антифрикційних матеріалів (бронзи і ін.) для виготовлення вінців коліс ЧП;

• використання рекомендованих марок мастил в залежності від швидкості ковзання υ_s;

• збільшення кута підйому лінії витка черв’яка γ на ділильному діаметрі, шляхом збільшення числа заходів черв’яка z₁=1;2;4.

Черв’ячні передачі працюють з виділенням великої кількості тепла. Це може призвести до зменшення в’язкості мастила і втрати його захисної спроможності і небезпеки заїдання в передачі. Тому для ЧП при проектуванні обов’язковий тепловий розрахунок де повинна забезпечуватися умова – температура мастила при роботі передачі неповинна перевищувати допустиму [t_{м max}]≈95°. Ця умова може бути забезпечена шляхом: виконання ребер на корпусі редуктора (збільшується поверхня тепловіддачі); встановленням на валу черв’яка крильчатки для обдуву редуктора; охолодження мастила всередині корпусу редуктора (розміщення в масляній ванні трубчастих елементів де циркулює вода), або за його межами (наприклад, спеціальний охолоджувальний пристрій – радіатор і інш.).

Зменшення кількості мастила в редукторі внаслідок втрат через ущільнення, може також привести до підвищення температури мастила, а також недостатнього змащування робочих поверхонь витків черв’яка і черв’ячного колеса. Наслідок – вихід з ладу редуктора. Тому в конструкції редуктора передбачені пристрої контролю рівня мастила, підчас його експлуатації. Наприклад, маслопоказчик (рис. 1.2) позиція 12.