Червячные передачи

Червячная передача — это механизм для передачи вращения зацеплением с непосредственным контактом витков червяка и зубьев червячного колеса (рис. 45). Червяк 1 — это винт с трапецеидальной или близкой к ней по форме резьбой. Червячное колесо 2 является косозубым зубчатым колесом с зубьями особой дуговой формы. Такая форма зубьев обеспечивает увеличение длины и прочности зубьев на изгиб.

Рис. 45. Схема червячной передачи.

Червячные передачи применяют при необходимости передачи движения между перекрещивающимися (как правило, взаимно перпендикулярными) валами. При вращении червяка его витки плавно входят в зацепление с зубьями колеса и приводят его во вращение. Передачи используют в станках, автомобилях, подъемно-транспортных и других машинах.

Достоинства червячных передач: 1) возможность получения большого передаточного числа в одной ступени; 2) плавность и малошумность работы; 3) повышенная кинематическая точность.

Недостатки червячных передач: 1) низкий КПД; 2) необходимость изготовления зубьев колеса из дорогих антифрикционных материалов; 3) повышенные требования к точности сборки, необходимость регулировки; 4) необходимость специальных мер по интенсификации теплоотвода.

По форме тела червяки разделяют на: цилиндрические, глобоидные и тороидные. Наибольшее применение находят цилиндрические червяки как более простые в изготовлении и обеспечивающие достаточно высокую нагрузочную способность.

Профиль витков червяка можно варьировать, так как червячные колеса изготовляют инструментом, являющимся аналогом червяка. По форме боковой поверхности витка червяки подразделяют на архимедовы (обозначение ZA), конволютные (ZN), эвольвентные (ZJ), нелинейчатые с поверхностью, образованной конусом (ZK), и с вогнутым профилем витка (ZТ).

При невысоких требованиях к нагрузочной способности и ресурсу в условиях мелкосерийного производства применяют архимедовы и конволютные червяки. Витки архимедовых червяков имеют прямолинейный профиль в осевом сечении, в торцовом сечении витки очерчены архимедовой спиралью (рис.46, а, г). Витки конволютных червяков имеют прямолинейный профиль в сечении, нормальном к направлению витка, в торцовом сечении витки очерчены удлиненной эвольвентой (рис.46, б, д). Нарезают архимедовы и конволютные червяки на универсальных токарно-винторезных станках. Для шлифования архимедовых червяков требуется круг, очерченный сложной кривой в осевом сечении, что ограничивает их применение. Шлифование конволютных червяков конусными кругами с прямолинейными образующими на обычных резьбошлифовальных станках приводит к небольшому искривлению прямолинейного профиля витка, поэтому такие червяки называют нелинейчатыми. Червячные фрезы для нарезания червячных колес шлифуют тем же способом, поэтому получают правильное зацепление.

Эвольвентные червяки представляют собой косозубые колеса с малым числом зубьев и очень большим их углом наклона (рис. 46, в, е). Профиль зуба в торцовом сечении очерчен эвольвентой. Эвольвентные червяки с высокой твердостью поверхности шлифуют плоской стороной шлифовального круга. Червяки с вогнутым профилем витка шлифуют торовой поверхностью вращения.

Критерии работоспособности червячных передач:

Причины выхода из строя червячных передач (в порядке убывания частоты проявления отказов).

1. Износ зубьев колеса ограничивает срок службы большинства передач. Интенсивность износа увеличивается при загрязненном смазочном материале, при неточном монтаже зацепления, при повышенной шероховатости рабочей поверхности червяка.

2. Заедание при твердых материалах колес происходит в ярко выраженной форме со значительными повреждениями поверхностей и последующим быстрым изнашиванием зубьев частицами колеса, приварившимися к червяку. В случае применения мягких материалов колес заедание проявляется в менее опасной форме, возникает перенос («намазывание») материала колеса на рабочую поверхность червяка.

3 . Усталостное выкрашивание наблюдается только на поверхности зубьев колес, изготовленных из материалов, стойких к заеданию.

4. Пластическая деформация рабочих поверхностей зубьев колеса возникает при действии больших перегрузок.

5. Усталостная поломка зубьев колеса происходит в результате значительного их износа. Усталостная поломка витков или тела червяка и усталостный разрыв венца колеса по впадине зуба возникают редко.

Рис. 46. Основные типы червяков.

Материалы червяка и червячного колеса:

Изготовление и червяка, и колеса из твердых материалов не обеспечивает достаточной износостойкости и сопротивления заеданию. Поэтому одну из деталей передачи выполняют из антифрикционного материала, хорошо сопротивляющегося заеданию и износу.

Для червяка характерны относительно малый диаметр и значительное расстояние между опорами, его жесткость и прочность обеспечивают изготовлением его из стали. Поскольку при приработке червяк служит в качестве формообразующего элемента, прочность и твердость его поверхности должны быть выше соответствующих свойств колеса.

Материалы червяка делят на группы: 1) нетермообрабатываемые, 2) улучшаемые, 3) поверхностно-закаливаемые, 4) цементуемые под закалку, 5) подвергаемые азотированию и хромированию.

Наиболее применяемый материал — сталь 18ХГТ, твердость поверхности после цементации и закалки 56...63НRС_Э. Используют также стали 40Х, 40ХН, 35ХГСА с поверхностной закалкой до твердости 45...55НRС_Э. Во всех этих случаях необходимы шлифование и полирование червяка. Применение азотируемых сталей 38Х2МЮА, 38Х2Ю позволяет исключить шлифование червяка. Червяки, улучшенные и без термообработки применяют лишь во вспомогательных малонагруженных передачах.

Червячное колесо обычно выполняют составным: венец — из антифрикционных, относительно дорогих и малопрочных материалов; центр — из стали; при небольших нагрузках — из чугуна.

Материалы венцов червячных колес разделяют на группы (в порядке снижения сопротивляемости заеданию и усиленному износу): 1) оловянистые бронзы (БрО10Ф1, БрО10Н1Ф1, БрО5Ц5С6 и др.); 2) безоловянистые бронзы и латуни (БрА9ЖЗЛ, БрА10Ж4Н4Л, ЛАЖМц66-6-3-2 и др.); 3) чугуны (СЧ15, СЧ20 и др.). Чем выше содержание олова в бронзе, тем она дороже, но тем выше сопротивление заеданию.

Основные параметры, геометрия червячных передач:

Мощность p₁ на червяке при длительной работе обычно составляет около 30 кВт, при повторно-кратковременном режиме — до 200 кВт. Передаточные числа выбирают от 8 до 80, (в кинематических передачах - до 1000), а КПД не превышает 0,82.

Основные геометрические размеры червяка представлены на рис. 47. В червячных передачах угол профиля α обычно принимают равным 20°. У архимедовых червяков его определяют в осевом сечении, у конволютных и эвольвентных — в нормальном сечении (α_n =20°), у нелинейчатых α находят как угол конуса производящей поверхности. Для передач с вогнутым червяком угол профиля в осевом сечении витка червяка, измеренный на делительном диаметре, равен 22°.

Расстояние между одноименными точками боковых сторон смежных витков червяка, измеренное параллельно оси, называют шагом р червяка . Отношение р/п называют модулем т.

Червячные колеса нарезают фрезами, режущие кромки которых при вращении образуют поверхности, идентичные с поверхностью витков червяка. В целях сокращения номенклатуры зуборезного инструмента стандартизованы модули и коэффициенты диаметра червяка: q = d₁ / т.

Делительный диаметр червяка d₁ = q m.

Число заходов червяка z₁ выбирают из установленных ГОСТ значений 1, 2 или 4. Передачи большой мощности не выполняют с однозаходными червяками из-за низкого КПД.

Высота головки h_{a 1} и ножки h_{f 1} витков.

Угол γ подъема витка червяка на делительном диаметре

tg γ = p _Z1 / π d₁ = (p* z₁) / π d₁ = (m * z₁) / d₁ = z₁ / q

где p _Z1 = p* z₁ — ход витка червяка.

Диаметры вершин и впадин: d_{a 1} = d₁ + 2 h_{a 1}.; d_{f 1} = d₁ — 2 h_{f 1} .

Длину нарезанной части червяка b₁ определяют из условия нахождения в зацеплении максимально возможного числа зубьев колеса. Для шлифуемых и фрезеруемых червяков во избежание завалов на боковых поверхностях витков червяка на входе и выходе шлифовального круга (фрезы) из впадин длину нарезанной части увеличивают на 3т. У быстроходных червяков для исключения дисбаланса отношение b₁/(π*m) принимают равным целому числу.

Рис. 47. Геометрические параметры червяка. Рис. 48. Геометрические параметры червячного колеса.

Минимальное число зубьев червячных колес z_{2 min} составляет для кинематических передач 17, в силовых передачах z_2min = 28. Наиболее желательно для силовых передач z₂ = 30...90.

Делительный диаметр колеса (рис. 48) равен d ₂ = m* z₂.

Диаметры вершин d_a2 и впадин d_f2 определяют в среднем сечении колеса; для колес, нарезанных без смещения режущего инструмента, они равны:

d_a2 = d₂ + 2h^*_a1 m; d_f2 = d₂ — 2h^*_f1 m .

Ширина колеса b₂ < 0,75 d_al (при z₁ = 1 или z₁ = 2), b₂ < 0,67 d_al (при z₁ = 4). Увеличивать ширину червячного колеса нецелесообразно, так как длина контактных линий и передаваемая нагрузка увеличиваются при этом незначительно.

Межосевое расстояние передачи в общем случае обозначают через a_w, для передачи без смещения — через a. Можно выразить a через диаметры червяка d₁ и червячного колеса d₂

a = (d₁ + d₂ ) / 2 = 0,5m(q + z₂) .

Значения межосевых расстояний стандартизованы в целях унификации корпусных деталей.

Большинство передач выполняют со смещением режущего инструмента. Передачи со смещением выполняют для получения стандартного межосевого расстояния или изменения числа зубьев колеса (на 1-2 зуба). Положительное смещение приводит к увеличению межосевого расстояния:

a_w = а + т∙х, a_w = 0,5 т( q + z₂ + 2х).

При этом коэффициент смещения инструмента

x = a_w / т — 0,5(q + z₂).

Рекомендуется коэффициент смещения x принимать в диапазоне 0...1 (допускается x в пределах ±1). Предпочтительно использовать положительные смещений, при которых несколько повышается нагрузочная способность передачи. Для передач с вогнутым профилем витка червяка (ZT) назначают большие коэффициенты смещения (l,0  x  l,4), предпочтительно x = 1,1... 1,2 . Значительное положительное смещение для этих передач является дополнительным фактором повышения нагрузочной способности.

С илы в червячном зацеплении принимают приложенными в полюсе зацепления и направляют по трем взаимно перпендикулярным осям (рис. 49).

Окружная сила на колесе, равная по модулю осевой силе на червяке,

F_{t 2} = F_a1 = 2000 T₂ / d₂ .

Окружная сила на червяке равна осевой силе на колесе:

F_t1 = F_a2 = 2000 T₁ / d_w1 .

Радиальная сила, раздвигающая червяк и колесо,

F_rl = F_r2 = F_{t 2} tg α.

В этих зависимостях T₂ и T₁ — вращающие моменты на валах колеса, червяка, Н∙м; α — угол профиля витка червяка; d₂, d_w1 — линейные размеры, мм.

Рис. 49. Силы в червячном зацеплении.

3. Планетарные передачи, их характеристика и область применения. Основные параметры, достоинства и недостатки передачи.