4.5. Червячная передача
Червячная передача – передача зацеплением со скрещивающимися осями валов. Передача движения происходит от червяка (однозаходного или многозаходного винта) к зубчатому колесу специальной формы и осуществляется по принципу винтовой пары (рис. 4.38).
Области применения червячных передач
Вследствие низкого КПД они применяются для небольших и средних мощностей – от долей киловатта до 200 кВт, как правило, до 60 кВт, для крутящих моментов до 5·105 Н·м. Передаточные отношения обычно принимают от 8 до 80, в отдельных случаях до 1000.
Рис. 4.38. Схема червячной передачи
Достоинства червячных передач:
возможность получения большого передаточного числа;
компактность и небольшая масса;
плавность и бесшумность в работе;
возможность самоторможения;
возможность точных делительных перемещений.
Основные недостатки:
низкий КПД;
необходимость применения для колеса дорогостоящих антифрикционных материалов.
Самоторможение – возможность передачи движения только от червяка к колесу; можно использовать механизм без тормозных устройств, препятствующих обратному движению колеса.
В передаче возникает значительное взаимное скольжение витков червяка по зубьям колеса, что вызывает повышенный износ и значительное выделение теплоты. Для уменьшения трения венцы червячных колес изготовляют из антифрикционных материалов (бронзы, реже чугуна).
Проводится тепловой расчет и определяются способы охлаждения. Зацепление требует периодических регулировок. Наибольшее распространение получили червячные передачи с цилиндрическим червяком.
Основные параметры червячной передачи.
Рассматривается передача без смещения (рис. 4.39).
Рис. 4.39. Схема геометрических параметров червячной передачи
Основным расчетным параметром
червяка является осевой модуль
.
Делительный диаметр червяка
d1 = q m, (4.123)
где q – коэффициент диаметра червяка.
Значения т и q стандартизированы. Число заходов червяка z1 = 1; 2; 4.
Делительный угол подъема витка червяка γ (рис. 4.40):
.
(4.124)
Рис. 4.40. Схема скольжения в червячной передаче:
υк – линейная скорость витка колеса; υr – линейная скорость витка червяка;
υs – скорость взаимного скольжения
Осевой модуль червяка равен торцовому модулю червячного колеса.
Диаметр делительной окружности колеса – d2 = m z2.
Диаметр вершин зубьев в среднем сечении – d a2 = d2 + 2m.
Диаметр впадин червячных колес в среднем сечении – d f2 = d2 – 2,4m.
Наибольший диаметр червячного
колеса –
.
Зубья колес имеют вогнутую форму и охватывают червяк по дуге с углом 2δ.
Ширина венца – b.
Межосевое расстояние передачи – a = 0,5(d1 + d2) = 0,5m(q + z2).
Число зубьев червячного колеса – z2.
Передаточное число червячной
передачи
;
z2
= 30 … 80; z1
= 1; 2; 4. Тогда u
= 8…80.
КПД червячной передачи
КПД червячной передачи учитывает потери в зубчато-винтовой паре, в подшипниках и потери на размешивание и разбрызгивание масла. КПД червячной передачи приближенно можно определить по формуле для КПД червячного зацепления при ведущем червяке:
,
(4.125)
где φ' – приведенный угол трения;
γ – угол подъема линии витка.
КПД червячной передачи в зависимости от числа заходов червяка:
z1 = 1; η = 0,7 ... 0,75;
z1 = 2; η = 0,75 ... 0,82;
z1 = 4; η = 0,87 ... 0,92.
Силы в зацеплении червячной передачи
Силу взаимодействия витка червяка с зубом колеса раскладывают на три составляющие (рис. 4.41): Ft, Fr, Fа.
Рис. 4.41. Схема сил в червячной передаче
Окружная сила на червяке равна осевой силе на колесе:
.
(4.126)
Осевая сила на червяке равна окружной силе на колесе:
.
(4.127)
Радиальные силы равны друг другу:
Fr1 = Fr2 = Ft 2 tgα, (4.128)
в обычной передаче α = 20º.
Вращающий момент на колесе:
T2 = T1uη. (4.129)
Виды разрушений червячных передач
В червячной паре слабым звеном является зуб червячного колеса. Могут происходить поверхностные повреждения: усталостное выкрашивание, износ поверхности, заедание. Крайне редко возникает поломка зуба. Зубчатые венцы чаще всего изготовляют из бронзы, выбор марки зависит от скорости скольжения в передаче.
В передачах с венцами колес из оловянно-фосфористых бронз при v ≥ 4 м/с (БрО10Н1Ф1, БрО10Ф1) наиболее опасно выкрашивание рабочих поверхностей, в колесах из безоловянных алюминиево-железистых бронз (БрА10Ж4Н4Л) и чугунов (СЧ15, СЧ20) чаще происходит заедание, переходящее в задир с изнашиванием поверхности.
По форме поверхности червяки подразделяются на цилиндрические и глобоидные (рис. 4.42).
Рис. 4.42. Формы червяков:
а) глобоидный, b) цилиндрический
Глобоидные червячные передачи могут передавать большие вращающие моменты, чем цилиндрические, за счет увеличения количества зубьев, находящихся в контакте, но они сложнее в изготовлении и поэтому реже применяются.
При невысоких требованиях к нагрузочной способности и ресурсу, который определяется износом червячного колеса, а также при мелкосерийном производстве используют архимедовы (ZA) и конволютные (ZN) червячные передачи (рис. 4.43, а .. д) с цилиндрическими червяками. Вид передачи соответствует характеру боковых поверхности червяка – архимедова поверхность или конволютная. Нарезание таких винтовых поверхностей червяка может производиться на универсальных токарно-винторезных станках. Наиболее технологичны в изготовлении эвольвентные (ZI) (рис. 4.43, в,е) червячные передачи. Червяки обычно выполняют из сталей 18ХГТ, 40Х, 35ХГСА, закаленных до значительной твердости, с последующим шлифованием и полированием рабочих поверхностей.
Рис. 4.43. Основные типы цилиндрических червяков