Червячная передача относится к передачам зацепления с перекрещивающимися осями валов. Угол перекрещивания обычно равен 90. Движение в червячных передачах преобразуется по принципу винтовой пары.
Червячную передачу образуют два звена: червяк (винт с малым числом заходов z1 = 1…4) и червячное колесо с числом зубьев z2 28.
По форме делительной поверхности различают червяки: цилиндрические (рис. 3.36, а) и глобоидные (рис. 3.36, б). Цилиндрические червяки могут иметь в осевом сечении трапецеидальный (рис. 3.37, а) или выпуклый профиль, а в торцовом сечении – архимедову спираль (архимедов червяк ZA), удлинённую или укороченную эвольвенту (рис. 3.37, б) (конволютный червяк ZN) и эвольвенту (рис. 3.37, в) (эвольвентный червяк ZI). При одинаковом качестве изготовления форма профиля мало влияет на работоспособность передач. Решающим фактором при выборе профиля является технология изготовления червяка.
Архимедов червяк может быть нарезан на обычных токарных и резьбофрезерных станках, однако его шлифование затруднено. Поэтому они применяются в малонагруженных передачах при твёрдости червяка до 350 HB.
Эвольвентные червяки используют в высоконагруженных передачах, в которых требуется высокая твёрдость (свыше 45 HRC) и малая высота микронеровностей сопрягаемых поверхностей.
Основные преимущества червячной передачи: возможность получения больших передаточных отношений в одной паре (обычно u = 10…60 – в силовых и до 1000 – в кинематических передачах); высокая кинематическая точность; плавность и бесшумность в работе; возможность самоторможения.
Рис. 3.36. Передачи с цилиндрическим и глобоидным червяками
Рис. 3.37. Зацепление червячной передачи
Недостатки: значительное геометрическое скольжение в зацеплении и связанные с этим трение, повышенный износ, склонность к заеданию, нагрев передачи и сравнительно низкий КПД, необходимость применения для венцов дефицитных антифрикционных материалов, необходимость регулировки зацепления.
Червячные передачи применяют при небольших мощностях (не более 100 кВт) из-за низкого КПД и необходимости применения специальных мер для охлаждения. Червячные передачи во избежание их перегрева целесообразно использовать в приводах периодического, а не непрерывного действия, а также с целью получения малых и точных перемещений (делительные устройства станков, механизмы настройки, регулировки).
3.4.4.1. Геометрический расчёт цилиндрической червячной передачи
Основные геометрические параметры передачи с цилиндрическим червяком регламентированы ГОСТ 19650-74. В осевом сечении передачи (рис. 3.37) архимедов червяк имеет профиль трапецеидальной резьбы с профильным углом = 20. Воображаемый цилиндр диаметром, равным среднему диаметру резьбы, называют делительным:
d1 = mq, (3.137)
где m = p1 / – осевой модуль зацепления; q – коэффициент диаметра червяка. Значения m и q стандартизованы. С целью исключения слишком тонких червяков стандарт предусматривает увеличение q с уменьшением m.
Угол подъёма винтовой линии по делительному цилиндру
tg = mz1 / (d1) = z1 / q. (3.138)
Диаметры колеса вычисляют в среднем сечении при коэффициентах высоты головки ha = 1, ножки h f = 1 и радиального зазора c = 0,2.
Червячное колесо подобно косозубому цилиндрическому, с углом наклона зубьев = . Шаг зубьев колеса на делительном цилиндре равен шагу профиля червяка р1. Поэтому делительный диаметр колеса
d2 = mz2. (3.139)
Диаметры окружностей вершин:
da1 = m (q + 2);
da2 =m (z2 + 2 +2x). (3.140)
Диаметры окружностей впадин:
df1 = m (q – 2,4);
df2 = m (z2 – 2,4 + 2x), (3.141)
где x – коэффициент смещения режущего инструмента.
Наибольший диаметр червячного колеса
daM2 = d2 + d1 (1 – cos ) da2 + km, (3.142)
где k – коэффициент, значение которого назначают в зависимости от числа заходов червяка:
z1 1 2 4
k 2 1,5 1,
– половина угла обхвата червяка колесом. Обычно 2 = 100.
Межосевое расстояние
aw = 0,5m (q + z2). (3.143)
Межосевые расстояния редукторов стандартизованы. При заданном межосевом расстоянии aw червячное колесо нарезается со смещением. Коэффициент смещения
x = aw/m – 0,5 (q + z2). (3.144)
По условию неподрезания и незаострения зубьев значение коэффициента смещения выбирают в пределах: -1 х +1.
Длина нарезанной части червяка b1 принимается такой, чтобы обеспечивалось зацепление с возможно большим числом зубьев колеса. Ширина колеса b2 назначается из условия получения необходимого угла обхвата червяка колесом:
b1 (11 + 0,06 z2)m; b2 0, 75da1 при z1 = 1; 2. (3.145)
b1 (12,5 + 0,09 z2)m; b2 0,67da1 при z1 = 4. (3.146)
3.4.4.2. Кинематика червячных передач
За каждый оборот червяка сечение его витка смещается в осевом направлении на величину хода резьбы: t = p1z1, со скоростью 1 = p1z1n1. Червячное колесо имеет окружную скорость 2 = d2n2 = mz2n2. Так как 1 = 2, то z1n1 = z2n2 или z11 = z22. Следовательно, передаточное число
u = 1 /2 = n1 /n2 = z2 /z1. (3.147)
При движении витки червяка скользят по зубьям колеса так, как в винтовой паре. Скорость скольжения S (рис. 3.38, а) направлена по касательной к винтовой линии червяка. Как относительная скорость, она равна геометрической разности абсолютных скоростей червяка и колеса:
/
cos
.
(3.148)
На рис. 3.38 показаны контактные линии, лежащие на боковой поверхности зубьев цилиндрической (б) и глобоидной (в) передач, а также изображены проекции векторов скорости скольжения, которые по модулю и направлению близки к окружной скорости червяка.
Если угол наклона контактных линий к вектору скорости скольжения мал, то условия для гидродинамической смазки неблагоприятны. Если скорость скольжения направлена поперёк линии контакта, то создаются условия для образования масляного клина, обладающего значительной подъёмной силой, и возникает режим жидкостного трения. Поэтому нагрузочная способность глобоидных передач примерно в 1,5 раза выше цилиндрической.
Трение в червячном зацеплении подобно трению в клинчатом ползуне, поэтому оно характеризуется приведённым коэффициентом трения f
f = f / cos = tg , (3.149)
где – приведённый угол трения.
Рис. 3.38. Скольжение в червячных передачах: б – в цилиндрических; в – в глобоидных
С увеличением скорости скольжения S коэффициент трения уменьшается. Это связано с постепенным переходом от режима полужидкостного трения к жидкостному.