Детали машин





Червячные передачи



Что такое "червячная передача"?

Червячная передача – это зубчато-винтовая передача, движение в которой преобразуется по принципу винтовой пары с присущим ей повышенным скольжением.

Червячные передачи применяют для передачи вращательного движения между валами, оси которых перекрещиваются в пространстве. Наиболее часто угол перекрещивания Θ составляет 90°. Ведущим (в большинстве случаев) является червяк, представляющий собой зубчатое колесо с малым числом (z1 = 1...4) зубьев (витков), похожее на винт Архимеда с трапецеидальной или близкой к ней по форме резьбой.
Червячное колесо выполняется косозубым. Для увеличения длины контактных линий в зацеплении с червяком зубья червячного колеса в осевом сечении имеют форму дуги.

***

Классификация червячных передач

В зависимости от формы внешней поверхности червяка передачи бывают с цилиндрическим (Рис. 1,а, б) или с глобоидным (Рис. 1,в) червяком.
Качественные показатели глобоидной передачи выше, поскольку она имеет повышенный КПД и более высокую несущую способность. Однако, червячная передача с глобоидным червяком сложнее в изготовлении, сборке и очень чувствительна к осевому смещению червяка, вызываемому, например, изнашиванием подшипников. На практике чаще всего применяют передачи с цилиндрическими червяками.

классификация червячных передач

В зависимости от характера винтовой поверхности червяка различают линейчатые и нелинейчатые червяки.

Линейчатые винтовые поверхности образуются винтовым движением прямой линии, нелинейчатые – винтовым движением заданной кривой. Линейчатые винтовые поверхности проще в изготовлении, поэтому они распространены более широко.

В зависимости от профиля винтовой поверхности червяка червячные передачи бывают с эвольвентными, архимедовыми, конволютными и нелинейчатыми червяками. Получение того или иного вида винтовой поверхности у витков червяка зависит от способа нарезания.

Нарезание линейчатых винтовых поверхностей осуществляют на универсальных токарно-винторезных станках, когда прямолинейная кромка резца воспроизводит эвольвентную, конволютную или архимедову поверхность.

Эвольвентный червяк получают при установке прямолинейной кромки резца в плоскости, касательной к основному цилиндру с диаметром dh. Левую и правую стороны витка нарезают соответственно резцами.
В торцовом сечении (сечении, перпендикулярном оси червяка) профиль витка червяка очерчен эвольвентой, в осевом сечении – криволинейный (выпуклый).
Эвольвентный червяк представляет собой цилиндрическое косозубое колесо эвольвентного профиля с числом зубьев, равным числу витков червяка, и с большим углом наклона зубьев.

виды и типы червячных передач

С целью получения высокой поверхностной твердости витков и повышения тем самым качественных показателей передачи применяют термическую обработку с последующим шлифованием рабочих поверхностей витков. Эвольвентные червяки могут быть с высокой точностью прошлифованы плоской поверхностью шлифовального круга.
Производительные способы нарезания и простота шлифования обусловливают высокую технологичность эвольвентных червяков.

Архимедов червяк получают при расположении режущих кромок резца в плоскости, проходящей через ось червяка. Архимедовы червяки имеют в осевом сечении прямолинейный профиль с углом , равным профильному углу резца. В торцовом сечении профиль витка очерчен архимедовой спиралью.
Боковые поверхности витков архимедовых червяков могут быть прошлифованы только специально профилированным по сложной кривой шлифовальным кругом. Поэтому упрочняющую термообработку и последующее шлифование не выполняют и применяют архимедовы червяки с низкой твердостью в тихоходных передачах с невысокими требованиями к нагрузочной способности и ресурсу.

Конволютный червяк получают при установке режущих кромок резца в плоскости, касательной к цилиндру с диаметром dx (0<dx<db) и нормальной к оси симметрии впадины. В этой плоскости червяки имеют прямолинейный профиль впадины.
Конволютные червяки имеют в осевом сечении выпуклый профиль, в торцовом сечении профиль витка очерчен удлиненной эвольвентой.

Недостатком передач с конволютными червяками является сложная форма инструмента для шлифования червяков и невозможность получения точных фрез для нарезания зубьев червячных колес.
Передачи с конволютными червяками так же, как и с архимедовыми, имеют ограниченное применение, в основном в условиях мелкосерийного производства.

Нелинейчатые червяки нарезают дисковыми фрезами конусной или тороидальной формы. Витки таких червяков во всех сечениях имеют криволинейный профиль: в сечении, нормальном к оси симметрии впадины, выпуклый, в осевом сечении – вогнутый (рис. 3).

Рабочие поверхности витков нелинейчатых червяков с высокой точностью шлифуют конусным или тороидным кругом. Передачи с нелинейчатыми червяками характеризует повышенная нагрузочная способность, их считают перспективными.

Для силовых передач следует применять эвольвентные и нелинейчатые червяки.

В зависимости от направления линии витка червяка червячные передачи бывают с правым (предпочтительнее для применения) и левым направлением линии витка.

классификация червячных передач

Червячные передачи различаются, также, по расположению червяка относительно колеса – с нижним, верхним и боковым расположением.
Наиболее распространены передачи с нижним или верхним расположением червяка, при этом верхнее расположение червяка предпочтительнее в скоростных передачах, поскольку при такой конструкции меньше разбрызгивается смазка.
Червячные передачи с нижним расположением червяка обычно применяют при картерном способе смазывания и при окружной скорости червяка v1 ≤ 5 м/сек.
Боковое расположение червяка относительно колеса чаще всего диктуется рациональностью компоновки передачи.

Червячные передачи могут быть выполнены в закрытом и открытом исполнении. Открытые червячные передачи применяются в малоответственных узлах, ручных приводах, при невысоких скоростях и передаваемых нагрузках.

***



Достоинства червячных передач

К основным достоинствам червячных передач можно отнести возможность изменять в существенных интервалах величину передаваемого крутящего момента или частоты вращения валов, а также тормозящие свойства этой передачи, позволяющие использовать ее в различных лебедках и грузоподъемных механизмах без специальных тормозных устройств.

В целом можно отметить следующие положительные свойства червячных передач:

  • Возможность получения большого передаточного числа и в одной ступени (до 80 и более).
  • Компактность и сравнительно небольшая масса конструкции.
  • Плавность и бесшумность работы.
  • Возможность получения самотормозящей передачи, т.е. допускающей движение только от червяка к колесу и имеющей высокое сопротивление обратному движению. Самоторможение червячной передачи позволяет выполнить механизм без тормозного устройства, препятствующего вращению колес (например, под действием силы тяжести поднимаемого груза).
  • Возможность получения точных и малых перемещений (это свойство червячной передачи широко используется в приборостроении).

***

Недостатки червячных передач

Наиболее существенный недостаток червячных передач - значительные потери передаваемой мощности на трение и, соответственно, невысокий КПД и повышенный износ деталей.

К отрицательным свойствам червячных передач можно отнести следующее:

  • Сравнительно низкий КПД вследствие повышенного скольжения витков червяка по зубьям колеса и значительное в связи с этим выделение теплоты в зоне зацепления.
  • Необходимость применения для венцов червячных колес дорогих антифрикционных материалов (чаще всего – сплавы меди).
  • Повышенное изнашивание и склонность к заеданию.
  • Необходимость регулирования зацепления (средняя плоскость венца червячного колеса должна совпадать с осью червяка).

Качество и работоспособность червячной передачи во многом зависят от формы, твердости, шероховатости и точности изготовления винтовой поверхности витка червяка.

***

Применение червячных передач

Червячные передачи широко применяют в транспортных и подъемно–транспортных машинах при небольших и средних мощностях (механизм подъема лифта, лебедки, тали, трансмиссии транспортных машин и др.), а также с целью получения малых и точных перемещений (делительные устройства станков, механизмы настройки, регулировки и др.).
Применение червячных передач для передачи мощности более 200 кВт считается неэкономичным из-за сравнительно низкого КПД и необходимости в эффективном охлаждении червячной пары.

Вследствие отмеченных недостатков нерационально применять червячные передачи в условиях непрерывного действия при мощностях более 30 кВт. При работе в повторно–кратковременных режимах они могут оказаться эффективными и при больших мощностях.

***

Геометрия червячной передачи

Геометрические размеры червяка и колеса определяют по формулам, аналогичным формулам для зубчатых колес. В червячной передаче расчетным является осевой модуль червяка m, равный торцовому модулю червячного колеса. Значения осевого модуля червяка (в мм) выбирают из ряда: ...4; 5; 6,3; 8....

геометрические параметры червячных передач

Основными геометрическими размерами червяка являются (рис. 4):

делительный диаметр, т.е. диаметр такого цилиндра червяка, на котором толщина витка равна ширине впадины:

d1 = m q,

где:     q – число модулей в делительном диаметре червяка или коэффициент диаметра червяка. С целью сокращения номенклатуры зуборезного инструмента значения q стандартизованы: 8; 10; 12,5; 16; 20...

расчетный шаг червяка:

P = π m,

ход витка:

Ph = P z1,

где:     z1 – число витков червяка: 1, 2 или 4 (z1= 3 стандартом не предусмотрено);

угол профиля α: для эвольвентных, архимедовых и конволютных червяков α = 20°;
для червяков, образованных тором, α = 22°;

диаметр вершин витков:

1 = d1 + 2m,

диаметр впадин витков:

df1 = d1 – 2,4m,

делительный угол подъема витка червячной передачи

делительный угол подъема линии витка (см. рис. 5):

tg γ1 = Ph/(π d1) = π m z1/(π m q) = z1/q,

длина нарезанной части: –b1.

Для червяка в передаче со смещением дополнительно вычисляют:

диаметр начального цилиндра (начальный диаметр):

dw1 = m/(q + 2x),

где     х – коэффициент смещения.

угол подъема линии витка на начальном цилиндре:

tg γ1 = z1/(q + 2x),

где     х – коэффициент смещения.

***

Геометрические размеры венца червячного колеса

Зубья на червячном колесе чаще всего нарезают червячной фрезой, которая представляет собой копию червяка, с которым будет зацепляться червячное колесо. Только фреза имеет режущие кромки и несколько больший (на двойной размер радиального зазора в зацеплении) наружный диаметр.

Основные геометрические размеры венца червячного колеса определяют в среднем его сечении.
Делительный d2 и совпадающий с ним начальный dwi диаметр колеса при числе z2 зубьев (рис. 4):

d2 = dw2 = m z2,

Межосевое расстояние червячной передачи:

a = 0,5(d1 + d2) = 0,5(mq + mz2) = 0,5m(q + z2).

Червячные передачи со смещением выполняют в целях обеспечения стандартного или заданного значения межосевого расстояния. Осуществляют это, как и в зубчатых передачах, смещением на хm фрезы относительно заготовки при нарезании зубьев колеса (рис. 6):

aw = a + x m = 0,5m (q + z2 +2x).

Для стандартных редукторов aw: ...80, 100, 125, 140, 160,....

геометрия червячного зацепления

Для нарезания зубьев колес в передачах со смещением и без смещения используют один и тот же инструмент. Поэтому нарезание со смещением выполняют только у колеса.
При заданном межосевом расстоянии коэффициент смещения инструмента.
Значения коэффициента х смещения инструмента выбирают по условию неподрезания и незаострения зубьев. Предпочтительны положительные смещения, при которых одновременно повышается прочность зубьев колеса.

Рекомендуют для передач с червяком:
– эвольвентным 0 ≤ х ≤ 1 (предпочтительно х = 0,5);
– образованным тором 1,0 ≤ х ≤ 1,4 (предпочтительно x = 1,1–1,2).

Диаметр вершин зубьев (рис. 6):

da2 = d2 + 2m(1+x),

Диаметр впадин зубьев:

df2 = d2 – 2m(1,2 – x),

Наибольший диаметр червячного колеса:

dam2 ≤ da2 + 6m(z1 +k),

где     k = 2 для передач с эвольвентным червяком; k = 4 для передач, нелинейчатую поверхность которых образуют тором.

Ширина b2 венца червячного колеса зависит от числа витков червяка:

b2 = 0,355aw при z1 = 1 или 2
b2 = 0,315aw
при z1 = 4.

Червячное колесо является косозубым с углом yw наклона зуба.
Условный угол обхвата для расчета на прочность находят по точкам пересечения окружности диаметром (da1 – 0,5т) с линиями торцов венца червячного колеса.

***

Силы и напряжения в червячном зацеплении