Принцип действия и область применения. Червячная передача (рисунок 11.19) относится к передачам зацепления с перекрещивающимися осями валов. Угол перекрещивания обычно равен 90°. Движение в червячных передачах преобразуется по принципу винтовой пары или по принципу наклонной плоскости. Червячная передача состоит из винта, называемого червяком (рисунок 11.20), и зубчатого колеса, называемого червячным колесом (рисунок 11.22). При вращении червяка вокруг своей оси его витки перемещаются вдоль образующей своей цилиндрической поверхности и приводит во вращательное движение червячное колесо. Червяк и червячное колесо изготовляются методом нарезания зубьев при помощи специального инструмента из целых заготовок. В червячной передаче так же, как и в зубчатой, имеются диаметры делительных цилиндров (рисунок 11.19): d 1 – делительный диаметр червяка, d 2 – делительный диаметр червячного колеса. Точка касания делительных диаметров называется полюсом зацепления.
Рисунок 11.19 – Схема червячной передачи.
Достоинства червячных передач:
1. Возможность получения большого передаточного числа в одной ступени (i = 8 – 200).
2. Плавность и бесшумность работы.
3. Компактность (малые габариты).
4. Самоторможение (невозможность передачи вращающего момента от червячного колеса к червяку).
5. Демпфирующие свойства снижают уровень вибрации машин.
Недостатки червячных передач:
1. Значительное трение в зоне зацепления.
2. Нагрев передачи.
3. Низкий КПД.
Червячные передачи используются в устройствах с ограниченной мощностью (обычно до 50 кВт).
Рисунок 11.20 – Червяки.
Червячные передачи применяют в механизмах деления и подачи зуборезных станков, продольно-фрезерных станков, глубоко расточных станков, грузоподъемных и тяговых лебедках, талях, механизмах подъема грузов, стрел и поворота автомобильных и железнодорожных кранов, экскаваторах, лифтах, троллейбусах и других машинах.
Червяки. По форме поверхности, на которой нарезается резьба, различают – цилиндрические (рисунок 11.20, а) и глобоидные (рисунок 11.20, б) червяки. По форме профиля резьбы – с прямолинейным (рисунок 11.21, а) и криволинейным (рисунок 11.21, б) профилем в осевом сечении. Чаще применяют цилиндрические червяки. У червяков с прямолинейным профилем в осевом сечении в торцовом сечении витки очерчены архимедовой спиралью, поэтому называют архимедов червяк, который подобен ходовому винту с трапецеидальной резьбой.
Эвольвентные червяки имеют эвольвентный профиль в торцовом сечении и поэтому подобны косозубым эвольвентным колесам, у которых число зубьев равно числу заходов червяка. Основные геометрические параметры червяка: = 20° -профильный угол (в осевом сечении для архимедовых червяков и в нормальном сечении зуба с нарезкой эвольвентного червяка); р –
шаг зубьев червяка и колеса, соответствующий делительным окружностям червяка и колеса; т=
осевой модуль; z 1 . –
число заходов червяка; – коэффициент диаметра червяка; – угол подъема винтовой линии 
; d
1 =qm –
диаметр делительной окружности (здесь и далее см. рисунок 11.21); d a 1 = d 1 + 2m
– диаметр окружности выступов; d fl = d 1 –
2,4m
– диаметр окружности впадин; b 1 –
длина нарезанной части червяка, ее определяют по условию использования одновременного зацепления наибольшего числа зубьев колеса [при z 1
= 1...2 b 1 >(11 + 0,06z 2)m
при z 1
= 4 b 1 ≥
(12,5 + 0,09z 2)m
].
Рисунок 11.21 – Форма профиля резьбы червяка и основные геометрические параметры
Значения m и q стандартизованы.
Червячные колеса . При нарезании без смещения (рисунок 11.22):
d 2 = z 2 m – диаметр делительной окружности в главном сечении;
d a 2 = d 2 + 2m – диаметр окружности выступов в главном сечении;
d f 2 = d 2 – 2,4m – диаметр окружности впадин в главном сечении;
a w = 0,5(q + z 2)m – межосевое расстояние.
В таблице 11.3 размеры b 2 -- ширина червячного колеса и d aM 2 – наибольший диаметр колеса, соответствующие углу обхвата червяка колесом 2δ = 100° для силовых передач:
Таблица 11.3
Примечание. Число зубьев колеса из условия неподрезания принимают:
Точность изготовления. Для червячных передач стандартом предусмотрено двенадцать степеней точности. Для передач, от которых требуется высокая кинематическая точность, рекомендуют III, IV, V и VI степени точности; для силовых передач рекомендуют V, VI, VII, VIII и IX степени точности.
Рисунок 11.22 – Основные геометрические параметры червячного колеса
Передаточное отношение. В червячной передаче в отличие от зубчатой окружные скорости v 1 и v 2 не совпадают (см. рис. 11.23). Они направлены под углом 90° и различны по величине, относительном движении делительные цилиндры не обкатываются как у зубчатых цилиндрических и конических передачах, а скользят. При одном обороте червяка колесо повернется на угол, охватывающий число зубьев колеса, равное числу заходов червяка. Колесо сделает полный оборот при оборотов червяка, то есть
Так как z 1 может быть равным 1, 2 или 4 (чего не может быть у шестерни), то в одной червячной паре можно получить большое передаточное отношение.
Скольжение в зацеплении . При движении витки червяка скользят по зубьям колеса, как в винтовой паре. Скорость скольжения v s направлена по касательной к винтовой линии червяка. Как относительная скорость она равна геометрической разности абсолютных скоростей червяка и колеса, которыми являются окружные скорости v l и v 2 (см. рис. 11.19 и рис. 11.23); или , при этом
Рис. 11.23. Схема определения скорости скольжения
где – угол подъема винтовой линии червяка. Так как < 30°, то в червячной передаче v 2 меньше v 1 a v s больше Большое скольжение в червячных передачах служит причиной пониженного КПД, повышенного износа и склонности к заеданию.
КПД червячной передачи определяют по формуле (11.48). Различие только в определении потерь в зацеплении. По аналогии с винтовой парой К.П.Д. зацепления при ведущем червяке определяется по формуле:
КПД увеличивается с увеличением числа заходов червяка (увеличивается ) и с уменьшением коэффициента трения или угла трения ф. Если ведущим является колесо, то меняется направление сил и тогда получим
При ≤ , 3 = 0 передача движения в обратном направлении (от колеса к червяку) невозможна. Получаем самотормозящую червячную пару.
Экспериментально установлено, что коэффициент трения зависит от скорости скольжения. С увеличением v s снижается . Это объясняется тем, что повышение v s приводит к переходу от режимов полужидкостного трения к жидкостному трению. Значения коэффициента трения также зависят от шероховатости поверхностей трения и качества смазки.
Для предварительных расчетов, когда и v s не известны, КПД можно выбирать по средним значениям из таблицы 11.4.
Таблица 11.4
После определения размеров передачи КПД уточняют расчетом.
Силы в зацеплении. В червячном зацеплении (см. рис. 11.24) действуют: окружная сила червяка F t 1 , равная осевой силе червяка F a 2 ,
окружная сила колеса F t 2 , равная осевой силе червяка F a 1
радиальная сила
(11.71)
нормальная сила
(11.72)
В осевой плоскости силы F tz и F r являются составляющими F n = F n cos (проекция нормальной силы на осевую плоскость). Т 1 -- момент на червяке, Т 2 - момент на колесе:
Т 2 =Т (11.73)
Основные критерии работоспособности и расчета . Червячные передачи рассчитывают по напряжениям изгиба и контактным напряжениям. Здесь чаще наблюдается износ и заедание. Это связано с большими скоростями скольжения и неблагоприятным направлением скольжения относительно линии контакта. Для предупреждения заедания применяют специальные антифрикционные пары материалов: червяк - сталь, колесо - бронза или чугун.
Рис. 11.24. Силы в червячном зацеплении
Интенсивность износа зависит от контактных напряжений. Основной расчет ведут по контактным напряжениям. Расчет по напряжениям изгиба выполняется как проверочный.
Расчет по контактным напряжениям . Уравнение
(11.74)
применяют и для расчета червячных передач. Для архимедовых червяков радиус кривизны витков червяка в осевом сечении ρ 1 = . Тогда по формуле (11.8) с учетом уравнения (11.20) получим
По аналогии с косозубой передачей, удельная нагрузка червячных передач
где – суммарная длина контактной линии (см. рис. 11.22); α = 1,8...2,2 – торцовый коэффициент перекрытия в средней плоскости червячного колеса; ≈ 0,75 – коэффициент, учитывающий уменьшение длины контактной линии в связи с тем, что соприкосновение обеспечивается не по полной дуге обхвата 2δ. После подстановки в формулу (11.74) получим
НЕДОСТАТКИ, КЛАССИФИКАЦИЯ, МАТЕРИАЛЫ КОЛЕС
ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ: ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ, ДОСТОИНСТВА И
Червячная передача состоит из винта, называемого червяком, и червячного колеса, представляющего собой разновидность косозубого колеса. Оси валов передачи перекрещиваются, угол перекрещивания обычно равен 90 0 .
Рисунок 1
В отличие от косозубого колеса обод червячного колеса имеет вогнутую форму, способствующую некоторому облеганию червяка и соответственно увеличению длины контактной линии. Резьба червяка может быть однозаходной или многозаходной (2, 4).
Достоинства:
Возможность получения большого передаточного отношения;
Плавность и бесшумность работы;
Возможность получения самоторможения (при смене входа).
Недостатки:
Сравнительно низкий к.п.д. (при однозаходном червяке - 0,72; при двухзаходном - 0,8; при четырехзаходном - 0,9);
Необходимость применения для колеса дорогостоящих антфрикционных материалов;
Повышенный износ и нагрев.
Червячные передачи классифицируются по различным признакам:
1) по форме червяка:
С цилиндрическим червяком (рисунок 2а);
С глобоидным червяком (рисунок 2б);
Б) с глобоидным червяком
Рисунок 2
2) по форме профиля витка червяка:
С архимедовым червяком (по ГОСТ 19036-81 обозначается -ZA). В осевом сечении профиль зуба имеет форму трапеции, в торцовом сечении - форму архимедовой спирали (рисунок 3а);
С конволютным червяком, имеющим прямолинейные очертания витка в нормальном сечении (рисунок 3б);
Эвольвентным червяком (ZJ), представляющим косозубое колесо с малым числом зубьев и с большим углом наклона (в торцовом сечении зуб имеет эвольвентный профиль (рисунок 3в).
Рисунок 3
В связи с высокими скоростями скольжения материалы червячной пары должны обладать антифрикционными свойствами, износостойкостью и пониженной склонностью к заеданию.
Червяки изготовляют из углеродистых или легированных сталей. Наибольшей нагрузочной способностью обладают пары, у которых витки червяка термообработаны до высокой твердости с последующим шлифованием.
Червячные колеса изготавливают преимущественно из бронзы, реже из чугуна.
Оловянные бронзы типа ОФ10-1, ОНФ считаются лучшим материалом, однако они дороги и дефицитны. Применяют при больших скоростях V s =5…25 м/с.Безоловянистые бронзы, например алюминиево-железистые типа Бр.АЖ9-4, обладают повышенными механическими характеристиками, но имеют пониженные противозадирные свойства. Их применяют при V s <5m/c. Чугун применяют при V s <2м/с, преимущественно в ручных приводах.
В червячных передачах стандартный угол профиля принят равным 20°: у архимедовых червяков в осевом сечении, у конволютных - в нормальном сечении, у эвольвентных - в нормальном сечении косозубой рейки, сцепляющейся с червяком. Расстояние между одноименными точками соответствующих боковых сторон двух смежных витков червяка, измеренное параллельно оси, называют расчетным шагом и обозначают Р. Отношение P/π называют модулем. Модуль (m) - стандартный параметр: для червяка он является осевым, для червячного колеса -торцовым.
Состоящие из двух подвижных звеньев — червяка и зубчатого колеса и предназначенные для передачи и преобразования вращательного движения между ортогональными перекрещивающимися осями. Червяком называют звено, наружная поверхность которого имеет форму винта. Червячным колесом называется зубчатое колесо с косыми зубьями, которое зацепляется с червяком.
Виды червячных передач и червяков (по ГОСТ 18498-73):
1. по виду делительной поверхности червяка
Цилиндрические червячные передачи — червяк и колесо в передаче имеют цилиндрические делительные и начальные поверхности;
Глобоидные червячные передачи — делительная и начальная поверхности червяка образованы вращением отрезка дуги делительной или начальной поверхности парного червячного колеса вокруг оси червяка;
2. по виду теоретического торцового профиля витка червяка
Архимедов червяк (ZA) — профиль выполнен по архимедовой спирали;
Эвольвентный червяк (ZI) — профиль выполнен по эвольвенте окружности;
Конволютный червяк (ZN) — профиль выполнен по удлиненной эвольвенте.
(рис. 14.4)
Геометрия зацепления цилиндрической червячной передачи:
Расчет геометрии зацепления цилиндрической червячной передачи регламентируется ГОСТ 19650 — 74 . Связь между основными параметрами червяка — диаметром начального цилиндра d w1 , ходом винтовой линии pz1 и углом ее наклона bw — устанавливается следующим соотношением
(рис. 14.5)
Связь между ходом винтовой линии pz1 и шагом многозаходного винта p1
Расчет геометрии зацепления:
Исходные данные
m — модуль осевой;
q — коэффициент диаметра червяка;
z1 — число витков червяка;
aw — межосевое расстояние;
x — коэффициент смещения червяка;
u — передаточное число.
Параметры инструмента
h* = (h*w + c*1 ) — коэффициент высоты витка;
h*a — коэффициент высоты головки;
s* — коэффициент расчетной толщины;
r*f — коэффициент радиуса кривизны переходной кривой;
c*1,2 = 0.25 … 0.5 ; s* = 0.75 Ч p ; r*f = 0.3 … 0.45
(рис. 14.6)
Расчет геометрических параметров:
1. Число зубьев колеса
2. Коэффициент смещения (если задано межосевое расстояние)
*Межосевое расстояние (если задан коэффициент смещения)
3. Делительные диаметры
4. Начальные диаметры
5. Делительный угол подъема витка червяка
6. Начальный угол подъема витка червяка
7. Основной угол подъема витка червяка (только для червяков ZI)
и основной диаметр червяка
8. Высота витка червяка
9. Высота головки витка червяка
10. Диаметры вершин
витков червяка
зубьев червячного колеса в средней торцовой плоскости
11. Диаметры впадин
червячного колеса
12. Наибольший диаметр червячного колеса
13. Ширина венца червячного колеса
14. Длина нарезанной части червяка (при х= 0)
Геометрические показатели качества зацепления:
1. Подрезание зубьев червячного колеса отсутствует, если
(при малых углах подъема витка передача движения от вала червячного колеса к червяку становится невозможной )
Недостатки :
высокая скорость скольжения вдоль линии зуба, что ведет к повышенной склонности к заеданию (необходимы специальные смазки и материалы для зубчатого венца червячного колеса ), снижению КПД и более высокому тепловыделению .
Червячные зубчатые передачи – кинетическая пара, предназначенная для передачи крутящего момента. Состоит из червяка и колеса.
Обязательное условие – валы между собой образуют прямой угол. Отличается следующими преимуществами:
- увеличенные передаточные значения (до 300 и выше);
- плавный контакт и бесшумность;
- передаваемая мощность достигает 60 кВт.
Минус кинетической пары заключается в том, что деталь имеет довольно низкий КПД (0,7-0,92), а при сильном нагреве и продолжительной работе способна быстро выйти из строя. При этом стоимость бронзы, из которой производится колесо, достаточно высока.
Наша компания делает передачи по чертежам и готовым образцам мелкими и крупными партиями.