Червячные передачи

Общие сведения, устройство передачи, материалы, область применения, достоинства и недостатки.

Червячная передача (рис. 1) — механизм для передачи вращения между валами посредством винта (червяка 1) и сопряженного с ним червячного колеса 2.

 

Рис. 1. Червячные передачи: 1 — червяк; 2— червячное колесо

Геометрические оси валов при  этом скрещиваются под углом 90°. Ведущим  элементом здесь обычно является червяк (как правило, это винт с  трапецеидальной резьбой), ведомым  — червячное колесо с зубьями  особой формы, получаемыми в результате взаимного огибания с витками  червяка. При вращении червяка вокруг своей оси его витки перемещаются вдоль образующей своей цилиндрической поверхности и приводит во вращательное движение червячное колесо. Для увеличения длины контактных линий в зацеплении с червяком зубья червячного колеса имеют дугообразную форму.Червячные  передачи относят к передачам  зацеплением. Червячная передача —  это зубчато-винтовая передача, движение в которой осуществляют по принципу винтовой пары, которой, как известно, присуще повышенное скольжение.Различают  два вида червячных передач: цилиндрические (с цилиндрическими червяками, см. рис. 1, а, в); глобоидные (с глобоидньши  червяками, см. рис.1, б).

Червячную передачу, у червяка и  колеса которой делительные и  начальные поверхности цилиндрические, называют цилиндрической червячной  передачей.В зависимости от направления  линии витка червяка червячные  передачи бывают с правым (предпочтительнее для применения) и левым направлением линии витка.В зависимости от расположения червяка относительно колеса передачи бывают с нижним, верхним  и боковым червяками. Расположение червяка определяет общая компоновка изделия и принятый способ смазывания зацепления. При картерном способе  смазывания и окружной скорости червяка v1 < 5 м/с обычно применяют нижнее расположение червяка. При больших скоростях во избежание повышенных потерь на перемешивание и разбрызгивание масла применяют верхнее расположение червяка.

В зависимости от формы  профиля витка различают:

- архимедов червяк (ZA) (рис. 2, а) —  цилиндрический червяк, торцовый  профиль витка которого является  архимедовой спиралью. Этот червяк  подобен винту с трапецеидальной  резьбой;

- эвольвентный червяк (ZI) (рис. 2, 6); имеет эвольвентный профиль витка  в его торцовом сечении (как  у косозубого колеса);

                  а)                                              б)

Рис. 2. Конструкции цилиндрических червяков: а — архимедов; б —  эвольвентный

- конволютный червяк (ZN); торцовый  профиль витка является удлиненной  или укороченной эвольвентой.  В конволютном червяке режущий  инструмент (или наждачный круг) установлен вдоль оси спирали  зуба; это удобно при массовом  производстве червяков, так как  позволяет производить одновременную  шлифовку двух сторон профиля  зубьев.

В машиностроении из цилиндрических червяков наиболее распространены архимедовы червяки. Их можно нарезать на обычных  токарных или резьбофрезерных станках. Однако шлифование его витков затруднено, что снижает точность изготовления и нагрузочную способность червячной  передачи. Эвольвентные червяки можно  шлифовать, что повышает точность изготовления, обеспечивает более полный контакт  витков червяка с зубьями колеса, более высокую нагрузочную способность  передачи. Но для изготовления эвольвентных червяков требуются специальные  шлифовальные станки. Эвольвентные червяки  применяются сравнительно редко. Конволютные червяки шлифуют плоским торцом шлифовального круга на обычных резьбошлифовальных станках. Глобоидные червяки появились сравнительно недавно и вследствие повышенной нагрузочной способности получают все большее распространение, но в изготовлении и монтаже значительно сложнее и сильно нагреваются. Поэтому по-прежнему преимущественное распространение имеют цилиндрические червяки с прямолинейным профилем в осевом сечении.

Зубья на червячном колесе чаще всего  нарезают червячной фрезой, которая  представляет собой копию червяка, с которым будет зацепляться  червячное колесо. При нарезании  заготовка колеса и фреза совершают  такое же взаимное движение, какое  имеют червяк и червячное колесо при работе.

По числу витков червяки делят  на однозаходные и многозаходные, по направлению витка — левые  или правые. Наиболее распространено правое направление с числом витков червяка , зависящим от передаточного  числа ;  выбирают так, чтобы обеспечить число зубьев колеса :  .

Очевидно, что однозаходный червяк даёт наибольшее передаточное отношение. Однако, с увеличением числа заходов (витков) червяка угол подъема винтовой линии возрастает, что повышает КПД  передачи, что связано с уменьшением  трения за счёт роста угла трения. Поэтому  однозаходные (одновитковые) червяки  не всегда рекомендуется применять.

Для увеличения КПД передачи:

1) червяк должен иметь твердую,  очень чисто обработанную поверхность  зубьев (желательна полировка). Материалом  для червяков служат высокоуглеродистые  – калимые или малоуглеродистые  цементированные стали, например, Ст.У-7, У-8, Ст.50 или Ст.20Х, Ст.18ХГТ,  Ст.20ХНЗА;

2) венец червячного колеса должен  быть изготовлен из антифрикционного  материала - бронзы;

3) смазка должна быть обильной  в закрытом пыленепроницаемом  корпусе.

В большинстве случаев червяки  изготовляют за одно целое с валом, реже — отдельно от вала, а затем  закрепляют на нем.

Рис. 3. Основные разновидности  червяков и принцип образования  профиля: а — архимедов; б —  конвалютный; в — эвольвентный

Червячное колесо 2 (см. рис. 1, а) в отличие  от косозубых зубчатых колес имеет  вогнутую форму зуба, способствующую облеганию витков червяка.Направление  и угол подъема зубьев червячного колеса соответствуют направлению  и углу подъема витков червяка.

Червячные колеса нарезают червячными фрезами и в редких случаях  резцами, укрепленными на вращающейся  оправке (летучими резцами).

Червячные колеса изготовляют цельными (см. рис. 1, а, б) или сборными (на рис. 1, в показан венец червячного колеса). Минимальное число зубьев колеса определяют из условия отсутствия подрезания и обеспечения достаточной  поверхности зацепления. Для силовых  передач рекомендуется принимать , во вспомогательных кинематических передачах . Максимальное число зубьев не ограничено, но в силовых передачах  чаще принимают 50—60 (до 80). В кинематических передачах z2 может доходить до 600—1000.

Червячную передачу, показанную на рис. 4, называют глобоидной.

Рис. 4

Витки ее червяка расположены на глобоидной (торовой) поверхности. Эта  передача появилась сравнительно недавно, имеет повышенную нагрузочную способность (в 1,5—2 раза больше, чем у обычных  червячных передач), так как линия  контакта в глобоидных передачах  располагается благоприятно, что  улучшает условия для образования  масляных клиньев, и в зацеплении находится большее число зубьев колеса и витков червяка.Глобоидные передачи требуют повышенной точности изготовления и монтажа.

Червячные передачи, как и зубчатые, могут быть корригированными.

Корригирование червячных передач  осуществляется так же, как и зубчатых, т. е. радиальным смещением инструмента  относительно оси заготовки при  нарезании.Корригирование передачи осуществляют только за счет колеса. Корригированные  колеса нарезают на тех же станках  и тем же инструментом, что и  некорригированные. Корригирование в  основном применяют для вписывания передачи в заданное межосевое расстояние.В  машиностроении преимущественно применяют  некорригированные червячные передачи.

Материалы червячной передачи.

Материалы в червячной передаче должны иметь в сочетании низкий коэффициент трения, обладать повышенной износостойкостью и пониженной склонностью  к заеданию. Обычно это разнородные  материалы.Червяки изготовляют в  основном из сталей марок 40, 45, 50 (реже из сталей 35, Ст5) с закалкой до HRC 45-55; 15Х, 20Х, 40Х, 40ХН, 12ХНЗ, 18ХГТ с цементацией  и закалкой до HRC 58—63.Червячные колеса (или их венцы) изготовляют только из антифрикционных сплавов.При  скоростях скольжения до 2 м/с и  больших диаметрах колес для  их изготовления можно использовать чугуны марок СЧ15, СЧ20, СЧ25; до 6 м/с  — применяют алюминиево-железистые бронзы БрА9Ж4 (при этом червяк должен иметь твердость не менее HRC 45), до 25 м/с и длительной работе без  перерыва применяют оловяниетую  бронзу БрОЮФ, оловянно-никелевую бронзу БрОНФ.

Для получения высоких качественных показателей передачи применяют  закалку до твердости  HRCЭ, шлифование и полирование витков червяка. В  старых редукторах нашли применение эвольвентные червяки типа ZI, а перспективными  являются нелинейчатые: образованные конусом типа ZK или тором типа ZT (по изобретению проф. Г. Ниманна). Рабочие поверхности витков нелинейчатых червяков шлифуют с высокой точностью  конусным или тороидным кругом. Передачи с нелинейчатыми червяками характиризует  повышенная нагрузочная способность.Термообработку – улучшение применяют для  передачи малой мощности до 1,1 кВт.

Таким образом, для силовых передач  следует применять эвольвентные нелинейчатые червяки.

Конструктивные элементы червячной передачи.

В большинстве случаев червяк изготовляют  как одно целое с валом. При  конструировании червяка желательно иметь свободный выход инструмента  при нарезании и шлифовании витков (шероховатость рабочих поверхностей витков Rа < 0,63 мкм).С целью экономии бронзы зубчатый венец червячного колеса изготовляют отдельно от чугунного или стального центра. В зависимости от способа соединения венца с центром различают следующие конструкции червячных колес:

1. С напрессованным венцом —  бронзовый венец насажен на  стальной центр с натягом. Такую  конструкцию применяют при небольших  диаметрах колес в мелкосерийном  производстве.

2. С привернутым венцом —  бронзовый венец с фланцем  крепят болтами к центру. Фланец  выполняют симметрично относительно  венца для уменьшения деформаций  зубьев. Эту конструкцию применяют  при больших диаметрах колес  (  мм).

3. С венцом, отлитым на стальном  центре — стальной центр вставляют  в металлическую форму (кокиль), в которую заливают бронзу  для получения венца. Эту конструкцию  применяют в серийном и массовом  производстве.

Крепление венца к ступице должно обеспечивать фиксацию как от проворота (осевая сила червяка = окружной силе колеса), так и от осевого "снятия" венца (окружная сила червяка = осевой силе колеса).Во всех рассмотренных конструкциях чистовое обтачивание заготовки колеса и нарезание зубьев производят после закрепления венца на центре. Центр может состоять из диска и ступицы, размеры их элементов определяют по соотношениям, рекомендуемым для цилиндрических зубчатых колес.Червячное зацепление чувствительно к осевому смешению колеса. Поэтому в червячных передачах предусматривают регулирование положения средней плоскости венца колеса относительно оси червяка. Регулирование выполняют осевым перемещением вала с закрепленным на нем колесом. Перемещение вала осуществляют постановкой под фланцы привертных крышек подшипников набора тонких ( мм) металлических прокладок или применением винтов, воздействующих на подшипники через нажимные шайбы.

 

Достоинства червячных  передач:

- возможность получения больших  передаточных чисел (одной парой  — от 8 до 100, а в кинематических  передачах — до 1000);

- плавность и бесшумность работы;

- возможность выполнения самотормозящей  передачи (ручные грузоподъемные  тали);       

- демпфирующие свойства снижают  уровень вибрации машин;

- возможность получения точных  и малых перемещений;

- компактность и сравнительно  небольшая масса конструкции  передачи.

Недостатки:

- в отличие от эвольвентных  зацеплений, где преобладает контактное  качение, виток червяка скользит  по зубу колеса. Следовательно,  червячные передачи имеют "по  определению" один фундаментальный  недостаток: высокое трение в  зацеплении;

- сравнительно невысокий КПД  (0,7—0,92), в самотормозящих передачах  — до 0,5 вследствие больших потерь  мощности на трение в зацеплении;

- сильный нагрев передачи при  длительной работе вследствие  потерь мощности на трение, который  вызывает значительное выделение  тепла, которое необходимо отводить  от стенок корпуса. Это обстоятельство  ограничивает мощность практически  применяемых передач пределом 10-20 кВт, зато для малых мощностей  эти передачи нашли самое широкое  применение;

- необходимость применения для  колеса дорогих антифрикционных  материалов;

- повышенное изнашивание и заедание;

- необходимость регулировки зацепления.

Кроме того, помимо достоинств и недостатков, червячные передачи имеют важное свойство: движение передаётся только от червяка к колесу, а не наоборот. Никакой вращающий момент, приложенный  к колесу, не заставит вращаться  червяк. Именно поэтому червячные  передачи находят применение в подъёмных механизмах, например в лифтах. Там электродвигатель соединён с червяком, а трос пассажирской  кабины намотан на вал червячного колеса  во избежание самопроизвольного опускания или падения.Это свойство не надо путать с реверсивностью механизма. Ведь направление вращения червяка может быть любым, приводя либо к подъёму, либо к спуску той же лифтовой кабины.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.Червячные передачи во избежание их перегрева предпочтительно использовать в приводах периодического, а не непрерывного действия.

В червячной передаче имеет место  молекулярно-механическое изнашивание. При больших контактных напряжениях  или удельных давлениях происходит разрушение защитных плёнок и пластическое деформирование, в результате силы молекулярного сцепления приводят к схватыванию. Процесс возникновения  и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания в  технике называется заеданием. Ускоренное повышение температуры во время  схватывания прямо пропорционально  скорости скольжения, коэффициенту трения, контактному напряжению, а также  обратно пропорционально суммарной  скорости контактирующих точек относительно зоны контакта и приведённому радиусу  кривизны.