2.6. Червячные передачи

ВИДЫ ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ, ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ.

При изучении этой темы следует обратить особое внимание на различия в конст­рукции, материалах деталей и методах расчёта зубчатых и червячных передач, т.е. произвести сравнительный анализ указанных механизмов, а начинать сле­дует с усвоения геометрических параметров деталей передачи.

Червячные передачи изобретены Архимедом (цилиндрический чер­вяк) и усовершенствованы Леонардо да Винчи (глобоидный червяк). Лео­нардо да Винчи (1452...1519 гг.) - инженер, архитектор, конструктор и ху­дожник эпохи Возрождения - создал схемы зубчатых передач с перекре­щивающимися осями, червячной глобоидной передачи, предложил под­шипники качения, шарнирные цепи, разработал проекты парашюта и ле­тательного аппарата с машущими крыльями (вертолёт).

Червячная передача состоит из червяка и червячного колеса и относит­ся к передачам зацеплением с перекрещивающимися обычно под углом 90° осями вращения. Как правило, ведущим звеном является червяк, а ведомым -червячное колесо. Червяк по форме (см. рис. 40) похож на винт с трапецеи­дальной резьбой. Червячные передачи применяют в станках, грузоподъёмных устройствах, в транспортирующих и других машинах.

Рис. 40. Привод с червячным редуктором Рис 41. Схема передачи с цилиндриче­ским (а) и глобоидным (б) червяком

Классификация червячных передач: передачи с цилиндрическим (архи­медовым, эвольвентным или конволютным червяком) и глобоидным червяком - рис. 41; с однозаходным и многозаходным червяком; с верхним, нижним или боковым расположением червяка; открытые и закрытые.

Преимущества червячной передачи: большое передаточное отношение u - 8...80, плавность и бесшумность работы, компактность. Недостатки: срав­нительно низкий КПД, высокие требования к точности изготовления и монтажа передачи, большая стоимость материала венцов червячных колёс.

Кинематика: передаточное отношение червячной передачи u = n₁/n₂ = z₂/z₁. Здесь z₁ - число заходов червяка; z₂ = 1, 2, 3 или 4; z₂ — число зубьев колеса; z₂ = z₁ ∙u = 27...80. Окружная скорость червяка v₁ = πd₁n₁/60000 больше (рис. 42) окружной скорости колеса v₂ = πd₂n₂/60000, а скорость скольжения зуба колеса по витку червяка больше окружной скорости червяка v₁. Поэтому в передаче при работе выделяется большое коли­чество теплоты, а КПД передачи невысок - при числе заходов червяка z₁ = 1 величина η = 0,70...0,75.

Геометрические параметры передачи (рис. 43): главный параметр - модуль зацепления т, мм. Стандартный ряд модулей: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5 ... мм. Коэффициент диаметра червяка q = d₁/m, или q ≈ 0,25z₂; стан­дартный ряд коэффициентов диаметра червяка: 7,1; 8; 9; 10; 11,2; 12,5; 14; 16; 20... Значения первого ряда коэффициента диаметра выделены полужирным шрифтом.

Рис. 42. К определению скорости скольжения в червячной передаче

Размеры витков червяка и зубьев колеса: высота головки h_a = m; высота ножки h_f = 1,2m; вы­сота витка червяка или зуба колеса h = 2,2m.

Делительный диа­метр: червяка d₁ = q∙m, колеса d₂ = m∙z₂. Дру­гие диаметры: диаметр вершин d_а = d + 2m; впадин d_f=d-2,4m. Наибольший диаметр колеса

Рис.43. К расчёту геометрических параметров червячной передачи

Межосевое расстояние передачи a_w = 0,5{d_] +d₂)= 0,5m(q + z₂).

Длина нарезанной части червяка b₁ ≥ (11 + 0,06z₂)m при числе заходов червяка z₁ = 1 или 2; при числе заходов червяка z₁ = 4 значение b₁ ≥ (12,5 + 0,09z₂)m. Ширина венца колеса b₂ ≤ 0,75d_a1 при числе заходов червяка z₁ = 1 или 2; при числе заходов червяка z₁ = 4 значение b₂ ≤ 0,67d_a1.

Начальный угол подъема витков червяка γ = arctg(z₁ / q); угол контакта витка червяка и зуба червячного колеса 2δ ≈ 110°; угол профиля витка архиме­дова червяка в осевом сечении α = 20°.

Материалы червяков и червячных колёс, точность изготовления. Вследствие большого тепловыделения при работе червячной передачи для из­готовления червяков и венцов червячных колёс применяют разнородные материалы. Как правило, червяк изготовляют из легированной стали и подвергают термической обработке до высокой твёрдости, а венец колеса выполняют из цветного сплава или (при малой скорости v_ск) - из чугуна.

Основные марки материалов для изготовления деталей червячной пере­дачи приведены в таблице:

Детали передачи	Наименование материала	Марка материала и твёрдость Н
Червяк	Легированные стали (тер­мообработка + шлифование и полирование витков)	Сталь 18ХГТ (Н = 56...63 HRC3); 40ХН, 35ХГСА (Н = 45...55 HRC,); 38ХМЮА (Н = 50...56 HRC,)
Венец червячного колеса	Оловянистые бронзы	Бронза Бр.О10Ф1, Бр.ОНФ
	Безоловянистые бронзы	Бронза Бр.А9ЖЗЛ, Бр.А10Ж4Н4
	Чугуны	ЧугунСЧ15, СЧ20

ГОСТ 3675-81 предусматривает 12 степеней точности изготовления чер­ничных передач. В зависимости от величины скорости скольжения v_ск назнача­ют: 9-ю (пониженную) степень точности при v_ск до 2 м/с, 8-ю степень точно­сти при скорости 2...6 м/с и т.д. Пример обозначения: Ст. 8-СЬ ГОСТ 3675-81. Здесь С - боковой зазор (вид сопряжения), b - допуск на боковой зазор.

Действующая и расчётная нагрузка в передаче Усилие в червячном зацеплении F_n раскладывают (рис. 44) на три составляющие:

• окружную силу червяка F_t1, равную осевой силе колеса F_a2, т.е. F_t1 = F_a2 = 2000T₁/ d₁;

• окружную силу колеса F_t2, равную осевой силе червяка F_a1 т.е. F_t2 = F_al = 2000T₂/d₂;

• радиальную силу червяка и колеса F_r1 = F_r2 = F_t2∙tgα, где α угол профиля вит­ка архимедова червяка в осевом сечении. Окружная сила, если червяк является ведущим звеном передачи, направлена против направления его вращения, а на колесе - по направлению его вращения.

Рис. 44. К расчёту усилий в червячной передаче

Расчётная нагрузка в червячном зацеплении определяется произведени­ем поминальной нагрузки на коэффициент нагрузки К = К_β∙K_v = 1,1... 1,2, где К_β — коэффициент концентрации нагрузки (после приработки деталей пе­редачи К_β= 1); K_v = 1,1... 1,2 - коэффициент динамичности, учитывающий ошибки изго­товления деталей и зависящий от окружной скорости.

ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ И ВИДЫ РАСЧЁТОВ ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ. Причи­нами отказа передачи могут быть: усталостное выкрашивание на боковых поверхностях зубьев колеса для материалов, стойких к заеданию; износ зубьев колеса; заедание при твёрдых материалах колёс; пластическая деформация поверхностей зубьев колеса (при перегрузках); усталостная поломка зубьев колеса (в результате изнашивания).

Основное значение для червячных передач имеют расчёты на сопро­тивление усталостному выкрашиванию, износу и заеданию. В основу расчё­та, как и для зубчатых передач, положена формула Г. Герца. Искомый параметр — межосевое расстояние передачи a_w. При проектировочном расчёте

.

Обычно напряжения изгиба не определяют размеры передачи и являют­ся значимыми только при числе зубьев колеса z₂ > 90. Условие проверки проч­ности на изгиб зуба колеса имеет вид σ_f < [σ_f]. Допускаемые контактные на­пряжения для оловянистых бронз [σ_H] = 130... 160 МПа, а допускаемые изгибные напряжения для бронз [σ_f] = 35.. .75 МПа.

Значительное тепловыделение при работе червячной передачи приводит к нагреву масла, потере им защитных свойств и опасности заедания в передаче, поэтому проводят расчёт передачи на теплостойкость по условию

где t₀ - температура воздуха в помещении; обычно принимают t₀ = 20 °С;

N₁ - мощность на валу червяка, кВт;

η - КПД передачи;

К_т - коэффициент теплопередачи с поверхности корпуса; при естествен­ном охлаждении К_т = 12...18 Вт/(м²∙°С), при установке вентилятора на валу червяка К_т = 18...30 Вт/(м²∙°С), при охлаждении смазки в картере проточной водой К_т = 30...200 Вт/(м²∙°С);

S - поверхность теплопередачи корпуса (без учёта площади днища кор­пуса редуктора), м²;

ψ - коэффициент, учитывающий теплоотвод через днище корпуса редук­тора; при установке корпуса на бетонном основании ψ = 0, при установке корпуса на металлическом основании ψ = 0,3.3.