Червяк и червячное колесо

Зубчатые зацепления могут иметь оси валов в разных плоскостях Ведущая деталь – червяк, не имеет зубьев. Вместо них нарезается резьба с модулем, аналогичным шестерни. Червяк передает вращение на колесо червячное посредством давления поверхности резьбовой нити на эвольвенту зуба при скольжении плоскостей относительно друг друга. У червячного узла маленький КПД и невозможна понижающая передача. Большое сопротивление не позволяет колесу сдвинуть червяк. Это используется в подъемных механизмах и устройствах с точностью перемещения.

Конструкция

Червячная передача получила свое название по ведущей детали, передающей крутящий момент. Ведомая деталь имеет зуб с косой нарезкой. По ободу радиальное занижение поверхности. Это увеличивает линию контакта нити резьбы и зуба.

Оси вращение деталей располагаются под углом. Обычно это 90°, но может быть 45°. Применяется такое расположение деталей в сильно нагруженных тихоходных передачах, со скоростью движения точки на наружной поверхности менее 5 м/сек.

При взаимодействии передачи поверхность резьбы не толкает зубья в направлении вращения, а скользит по эвольвенте, как бы отодвигая ее. В результате возникает сильное трение и нагрев деталей в месте контакта.

Червячная пара должна хорошо смазываться, охлаждаться и обладать антифрикционными свойствами. Материал червяка изменять нельзя, он нарезается из хромистой стали и проходит закалку, шлифовку поверхности резьбы или шугаровку – обработку пластиной с малой глубиной реза. Инструмент скорее продавливает поверхность резьбы, чем режет ее. Создается на верхнем слое наклеп, упрочняющий рабочую поверхность, делающий ее гладкой.

Материал для венца

Венец зубчатого колеса выполняется из относительно мягкого материала с высоким сопротивлением стиранию. В основном применяются оловянные бронзы и латунь. Для низкоскоростных передач с ручным управлением можно делать венец из серого чугуна. В зависимости от скорости вращения зубчатый венец изготавливается из материала:

  • 5 – 25 м/сек – оловянистые бронзы ОФ10-1, ОНФ;
  • ≤ 5 м/сек – Бр.АЖ9-4, алюминиево-железистая бронза;
  • ≤ 2 м/сек – венец может быть из чугуна.

Бронза стоит значительно дороже стали и мягче. Полностью из нее делаются детали, размеры которых в пределах 160 мм. Большие детали вытачиваются из стали и бронзовый на них только венец. Он нагорячо сажается на вал и закрепляется штифтами по линии соединения, чтобы венец не прокручивался. После остывания производится чистовая обработка колеса и нарезается зуб.

Расчет диаметра

Диаметр колеса рассчитывается по средней линии зуба – ширины зуба и впадины равны. Наружный, используемый для изготовления и расчетов радиус, определяется теоретически. После завершения обработки, он находится за пределами фактического обода колеса.

Скольжение происходит по линии делительного диаметра – середина зуба по высоте. Он рассчитывается по формуле:

где d2 — делительный диаметр шестерни; m – модуль; z2 – количество зубьев колеса.

Наружный радиус зуба имеет один центр с осью червяка.

Ширина зубчатого венца

Ширину венца червячного колеса определяют по числу витков винта по формуле:

где b2 – ширина венца; 0,315 и 0,355 – расчетный коэффициент; Z1 – количество заходов винтовой резьбы; a – межцентровое расстояние; aw – расстояние с учетом смещения червяка относительно зубчатого колеса.

Расстояние смещения определяет размер зазора между рабочими элементами деталей.

Расчет передаточного числа червячной передачи

Ведущая деталь, передающая вращение – червяк, не имеет зубьев. На нем нарезается резьба с числом заходов: 1, 2, 4. Червяки с 3 витками ГОСТом не предусмотрены. Их можно рассматривать и рассчитывать только теоретически. При расчете передаточного числа вместо количества зубьев шестерни берется число заходов резьбы.

Рассчитать передаточное число червячной передачи, формула аналогична другим зубчатым зацеплениям:

где U – передаточное число; Z1 – число заходов на червяке; Z2 – количество зубьев на колесе.

Обратная передача крутящего момента от колеса на червячный вал невозможна. Из-за сильного трения зубьев и низкого КПД передачи колесо не может быть ведущим. Это позволяет не делать тормоза в подъемных механизмах. Достаточно регулировать вращение червячного вала.

Расчет передаточного отношения

Величина передаточного отношения червячной передачи рассчитывается по отношению скорости скольжения червяка и вала.

Где V1 – скорость скольжения червяка; V2 – скорость скольжения червячного колеса. Аналогично w1 и w2 угловые скорости; dδ1, dδ2 – диаметры.

Произведя подстановку формул значений скоростей скольжения, и математические сокращения получает формулу передаточного отношения червячной передачи:

Где i – передаточное отношение. В червячном зацеплении оно равно передаточному числу.

Характеристики червячных передач нормируются по ГОСТ 2144-76. Для червяка с 1 и 2 заходами передаточное число может иметь значение 8-80. Для 4-заходных червяков разбег значений меньше, в пределах 30-80.

Классификация

По направлению витка передачи в большинстве своем бывают правыми. Иногда встречается левое направление нити.

Червячные зацепления классифицируются по форме наружной поверхности червяка:

Вогнутая поверхность ведущей детали увеличивает количество зубьев, находящихся одновременно в зацеплении. В результате возрастает КПД и мощность передачи. Недостаток глобоидных червяков в сложности изготовления. Витки должны быть одинаковой высоты при вогнутой наружной поверхности.

По форме нити резьбы различают червяки:

  • архимедов;
  • конволютный;
  • нелинейный.

Архимедов червяк отличается прямой в сечении эвольвентой. У конволютного конфигурация выпуклая, близкая к форме обычной шестерни. Нелинейные профили имеют выпуклую и вогнутую поверхность.

Зубчатое колесо имеет зуб наклонный обратной конфигурации, по форме совпадающий с впадиной между нитями.

Расположение червяка относительно колеса может быть:

Верхнее оптимально подходит для скоростных передач. Боковое наиболее компактное. При картерном способе смазки – масло находится в поддоне и нижняя деталь, вращаясь, смазывает остальные, удобнее нижнее расположение червяка.

Читайте также:  Браширование древесины что это такое

Червячные колеса относятся к косозубым. Оси деталей располагаются обычно под углом 90°. В сильно нагруженных механизмах угол может быть 45°.

Зубчатые колеса по профилю зуба делят:

По типу они могут быть:

  • с непрерывным вращением – полные;
  • зубчатый сектор.

Сектор может быть разной величины, от половины круга, до рабочей длины короче червяка.

Достоинства и недостатки

Особенностью червячной передачи является наличие тормозящего момента и большой интервал передаточных чисел и крутящего момента. К положительным характеристикам относятся:

  • передаточное число в пределах 8–100;
  • работает тихо;
  • начало вращения и остановка происходят плавно;
  • высокая точность перемещений;
  • возможность смещения на малую величину;
  • компактность узла;
  • самотормозящая передача.

Передача движения в паре червяк и червячное колесо возможна только в одном направлении. При попытке ведомой детали провернуться, возникает тормозящий момент. Это используют в приводе поворота и подъемных механизмах.

Основной недостаток в потерях мощности, связанных с большим трением. Это приводит к быстрому износу деталей, особенно колеса. К недостаткам относятся:

  • низкий КПД;
  • трение;
  • сильный нагрев;
  • изготовление венца из дорогих материалов;
  • частое заедание;
  • быстрое изнашивание;
  • постоянная регулировка зацепления подтягиванием червяка;
  • сложное изготовление.

Червячное зацепление требует высокой точности изготовления винтового зацепления и чистоты обработки. Передача не переносит попадание в рабочую зону пыли и другого мусора. Требует интенсивной смазки и охлаждения.

Применение механизма

Червячный механизм способен при малых габаритах заменить многоступенчатый редуктор. Его передаточное число определяется значением 100, в отдельных узлах может быть значительно больше.

Применение червячной передачи целесообразно в механизмах, требующих высокой точности при небольшой скорости:

  • червячные редуктора;
  • в подъемниках;
  • лифтах;
  • лебедках;
  • рулевых механизмах;
  • точная доводка положения инструмента в станках;
  • корректировка в ЧПУ;
  • приборах.

В основном используется самоторможение и точность перемещения.

Нарезание червячных колес

При проектировании создается модель червячного колеса. По ней легко определится со способом нарезки:

Торцевой требует инструмента, в точности повторяющего червяк. Дает хорошую точность и чистоту обработки. Фрезу выставлять сложно, необходимо, чтобы в конце обработки она имела положение относительно колеса, в точности соответствующее червяку.

Нарезка зубьев на венце

По наружному диаметру червячное колесо имеет полукруглое углубление. Это позволяет лучше прилегать деталям по эвольвенте и смещать ось, увеличивая площадь контакта. Центр радиуса углубления должен совпадать с осью червяка.

Фрезы для нарезания червячного колеса должны быть с таким же наружным диаметром, как червяк. Внешне она повторяет форму ведущей детали, только вместо непрерывной линии резьбы ряды резцов. Режущая пластина по форме точно повторяет нитку резьбы, но шире нее на размер зазора. В результате конфигурация ответной детали – червячного колеса, точно повторяет формы резьбы, впадины совпадают с выступами нитей.

Фреза выставляется в плоскости оси червяка, касаясь его поверхности. Зубчатый венец вращается вокруг вертикальной оправки или собственного вала, обеспечивая тангенциальную подачу наружной поверхности относительно оси режущего инструмента. Нарезка червячных колес происходит при синхронном движении инструмента и детали, вращающихся вокруг своих осей. Отношение скорости вращения определяется передаточным числом. С каждым оборотом венец придвигается ближе к вращающейся фрезе.

Подача режущего инструмента возможна снизу и сверху. Но в большинстве случаев используют радиальную нарезку, как наиболее удобную и точную.

Ремонтная нарезка

Иногда надо сделать одну деталь, чтобы заменить ее в редукторе. В мастерской не всегда имеется полный набор фрез со всеми нормализованными диаметрами.

Если червячное колесо нарезать фрезой большим диаметром, чем радиус червяка, то прилегание будет хуже, пятно контакта меньше. Линия скольжения сместится к вершине зуба. При нарезке меньшим диаметром с таким же модулем, нагрузка будет на вершину нити резьбы. Погрешность можно компенсировать смещением инструмента и регулировкой расстояния между осями. Но трение и износ все равно будут больше, КПД упадет.

Нарезать червячное колесо фрезой с диаметром больше червяка можно для беззазорного сцепления. В этом случае используется специальная фреза с разными углами профиля для правой и левой стороны. Ось фрезы выворачивается в сторону увеличения наклона зуба. Обычные зубофрезерные станки надо переделывать для обработки беззазорного сцепления.

Из-за отсутствия зазора между рабочими элементами, поверхность быстро стирается и приходится постоянно производить регулировку. Беззазорные сцепления применяются при высокой точности и большой нагрузке с малой активностью пары, например, в прокатных станах для регулировки прижима валков – толщины прокатываемого металла.

Для изготовления одного или нескольких колес с нестандартными размерами может применяться оправка с одним резцом по форме впадины между зубьями. Инструмент вращается постоянно. Колесо вращается синхронно с инструментом. После каждого оборота реза проворачивается на размер модуля зуба и за полный оборот, подвигается к оправке с резцом на глубину реза.

Недостаток способа изготовления венца в длительности процесса. Один резец обрабатывает деталь в несколько раз дольше, чем фреза. Учитывая стирание резца, надо делать черновую и чистовую обработку.

Червячное колесо отличается от других своим внешним видом и способом обработки. Оно делается точно под определенный червяк.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Рис. 64. Червячная передача:

a — схема; б — осевое сечение архимедова червяка;
в — осевое сечение червяка с вогнутыми боковыми поверхностями

Основные параметры. Схема и основные элементы червячной передачи показаны на рис. 64.
Модули m цилиндрических червячных передач в мм, определяемые в осевом сечении червяка, приведены ниже:

1-й ряд: 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,15; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0;
2-й ряд: 1,5; 3,0; 3,5; 6,0; 7,0; 12,0;
3-й ряд: 1,125; 1,375; 1,75; 2,25; 2,75; 4,5; 9,0; 11,0; 14,0; 18,0; 22,0.

Читайте также:  Установка дверного звонка своими руками

Примечание. 1-й ряд следует предпочитать 2-му.
Модули 3-го ряда допускается применять в технически обоснованных случаях для нормализованных редукторов общемашиностроительного применения.
ГОСТ 19672 предусматривает m α х ;
— в нормальном сечении зуба рейки, сопряженной с червяком ZL — α n ;
— в нормальном сечении витка червяка ZN1 — α nT ;
в нормальном сечении впадины червяка ZN2 — α ns ;
— в нормальном сечении винтовой линии витка червяка ZN3 — α n ;
— производящего конуса для червяков ZK1, ZK2, ZK3 и ZK4 должны соответствовать 20°;
— в нормальном сечении витка червяка ZT1 и ZT2 должны соответствовать 22°.

Примечание. Допускается в технически обоснованных случаях (например, для локализации пятна контакта) корректировать угол профиля исходного производящего червяка.
Значения радиуса скругления рk10 кромки производящей поверхности, образующей боковые поверхности витков исходного производящего червяка, должны находиться в пределах от 0,2m до 0,3m.

126 а. Значения коэффициентов параметров витков исходного червяка

Числовое значение или формула для червяков

Высоты головки витка

Высоты ножки витка

Граничной высоты витка, не менее

Радиального зазора у поверхности впадин:

Расчетной толщины витка

Радиуса кривизны переходной кривой

Радиуса образующей дуги окружности шлифовального круга

Примечания:
1. Допускается изменять коэффициент расчетной толщины для червяков: ZA, ZL, ZK и ZN в пределах от 0,4 до 0,5 π ;
ZT в пределах от 0,3 π до 0,38 π .
2. В обоснованных случаях допускается изменение коэффициента радиального зазора у поверхности впадин червячного колеса в пределах от
0,15 до 0,3.
3. Для эвольвентных червяков и червяков с делительным углом подъема у не менее 26,565° принимать с1= 0,2 cosy.
4. Обязательное утонение расчетной толщины витка исходного червяка ∆ s по сравнению с расчетной толщиной витка исходного производящего
червяка не регламентируется.
5. Кромка головки витка исходного червяка притупляется радиусом рk = 0,05m или фаской соответствующего размера.
6. Значение коэффициента радиуса образующей дуги окружности шлифовального круга р * принимается в пределах от 4,8 до 6,0 из условия
отсутствия подрезания зуба червячного колеса.

126 б. Значения коэффициентов параметров витков исходного производящего червяка

Числовое значение или формула для червяков

Диаметра исходного производящего червяка

q * q(1. 1,5) q(1. 1,2)

Модуля исходного производящего червяка

m * =cosy/cosy0 ,
где y, y — делительные углы подъема исходного червяка и исходного производящего червяка

Высоты витка, не менее

Высоты головки витка, не менее

Высоты ножки витка, не менее

Граничной высоты ножки витка, не менее

Высоты головки до начала закругления, не менее

Расчетной толщины витка, не менее

s * s * cos(y-y)

Радиуса образующей дуги окружности шлифовального куга, не более

Примечания:
1. Большее значение коэффициента q * „ рекомендуется принимать при межосевых расстояниях aw не более 80 мм, модулях m не более 2 мм,
делительном угле подъема у исходного червяка не более 5°.
2. Значения всех параметров исходного производящего червяка получают умножением соответствующего коэффициента на модуль m исходного
червяка.
3. Значения делительного угла подъема исходного производящего червяка рассчитывают по формуле


где z10 —число витков исходного производящего червяка.

Передачи с однозаходным червяком вызывают большие потери на трение. Червяки с z1 = 1 применяют при кратковременных периодах работы в кинематических (отсчетных) передачах, так как однозаходные червяки точней многозаходных.
Направление витков следует назначать правое; левое направление витков применяют лишь в особых случаях.
Червячные колеса. Число зубьев червячного колеса z2 выбирают в зависимости от передаточного отношения и числа заходов червяка.
В силовых передачах надо стремиться к такой заходности червяка, чтобы z2 = 30÷70. При z2, близком к нижнему пределу, несколько уменьшаются габариты передачи; но одновременно снижается ее КПД, так как приходится ставить червяки с малым числом заходов z1, поэтому z2=30÷50 рекомендуется лишь при сравнительно небольших передаваемых мощностях. При больших мощностях надо стремиться повышать КПД, увеличивая z2 до 60÷70.
Применять z2 > 80 не рекомендуется, так как в этом случае обычно решающей становится прочность зубьев на изгиб (особенно для бронз с высокой износоустойчивостью). Брать z2 1, потребуется применять многозаходные летучие резцы (по одному на заход) или z1 раз сместить оправку с летучим резцом в направлении ее оси на величину осевого шага или же z1 раз повернуть заготовку колеса на один угловой шаг.
Число зубьев z2 стандартами не регламентируется. Их значения, приведенные в табл. 127, подобраны для нарезания колес червячными фрезами с учетом достижения по возможности одинаковых значений передаточных чисел u для соседних межосевых расстояний. В табл. 127 приведены сочетания основных параметров aw, u, m, q, z1, а также числа зубьев червячных колес z2, соответствующие принятым основным параметрам, коэффициенты смещения червяка x и фактические передаточные числа.

Рис. 66. Угол обхвата:
а и б — варианты конструкций венца в зависимости от угла 2 δ

Условный угол обхвата 2δ (рис. 66) определяют по формуле

Угол обхвата 2δ может быть принят для силовых передач 2δ= 90÷120°; для неотсчетных передач 2δ = 60÷90°; для не силовых отсчетных передач 2δ = 45÷60°.
При проектировании червячных цилиндрических передач следует пользоваться данными ГОСТ 2144-76 (в редакции 1992 г.).
ГОСТ 2144-76 распространяется на ортогональные цилиндрические червячные передачи для редукторов, в том числе и комбинированных (червячно-цилиндрических и др.), выполняемых в виде самостоятельных агрегатов, и устанавливает:
межосевые расстояния aw;
номинальные значения передаточных чисел uном.
Стандарт не распространяется на червячные цилиндрические передачи для редукторов специального назначения и специальной конструкции (изменяющийся шаг червяка, гарантированное обеспечение самоторможения и др.).
Межосевые расстояния aw, должны соответствовать значениям:

1-й ряд: 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400 мм.
2-й ряд: 45; 56; 71; 90; 112; 140; 180; 224; 280; 355; 450; 500 мм.

Читайте также:  Хореография занятия у станка

Примечание. Значения ряда 1 следует предпочитать значениям ряда 2.

127. Сочетание основных параметров ортогональных червячных передач

Передаточные числа uном

Межосевое расстояние аw , мм

Червячное колесо является неотъемлемой частью червячной передачи. Она состоит из всего двух деталей – червячного колеса и червяка. Данную пару принято называть червячной парой, она имеет массу преимуществ, а так же не лишена недостатков.

Червячная пара

Механическая червячная пара была изобретена давно, и родилось это изобретение, благодаря усилиям знаменитого и всем известного учёного и философа Архимеда. Изобретённая им деталь – червяк, значительно изменила и усовершенствовало не только технику того времени, но и повлияло на ход истории.

Червячная пара состоит всего из двух деталей:

  • Червяк;
  • Червячное колесо;

Червяк – является фактически видоизменённой шестернёй, где зубья из параллельного сечения преобразованы в продольно-круговое, то есть в витки. Форма червяка стала образом шурупов, болтов, винтов. Червяк используется в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Всем известная мясорубка имеет червячный рабочий вал, который и обеспечивает непрерывное поступление продуктов к ножу с сеткой. Не все знают, что во многих мясорубках задействован ещё один червяк, который находится внутри, то есть в редукторе мясорубки. Правда, в редукторе червяк работает в червячной передаче, которая понижает обороты двигателя, при этом значительно повышая мощность на выходном валу.

Червячное колесо, естественно, не используется без червяка. Червячные колёса могут изготавливаться из металла, пластика, композитных материалов (стеклопластик, эбонит). Металлические червячные колёса могут быть составные, то есть рабочая поверхность с зубьями изготавливается из антифрикционного металла – бронзы, а само колесо из стали (чугуна, нержавеющей стали), алюминия, или из пластика. Так же, чтобы повысить механическую прочность зубцов червячного колеса и самого червяка, после нарезки их закаливают, это относится непосредственно к шестерням из стали.

Чтобы увеличить площадь зацепления зубцов на червячном колесе и червяке, зубцы делают вогнутыми. Так же для увеличения различных вариантов создания червячной пары, зубцы могут располагаться не параллельно оси червячного колеса, а под некоторым углом.

Достоинства червячных передач

Технологические особенности червячной пары позволяют делать редукторы с большим передаточным соотношением. При этом данная передача остаётся компактной и выдерживает большие нагрузки. Основные достоинства червячной пары (передачи):

  • Высокое передаточное соотношение при использовании всего двух деталей. Оно может достигать 1:110, хотя такие передачи используются не так часто. Чтобы получить такое соотношение использую только цилиндрические устройства (шестерни), то для этого понадобится минимум передача из 3-х деталей (шестерён);
  • Компактность редуктора на основе червячной пары, опять же, благодаря червяку;
  • Высокая плавность хода, по сравнению с цилиндрическими системами;
  • Низкий уровень шума червячной передачи основан на том, что червяк плавно скользит по зубцам, в отличие от цилиндрических шестерёнчатых передач;
  • Червячная передача обладает так называемым эффектом самоторможения. Данное свойство приносит дополнительные положительные функции – отпадает необходимость использовать тормозное устройство. При этом червяк не даёт проворачиваться червячному колесу самостоятельно. Но это свойство может создавать дополнительные трудности, поэтому обязательно учитывается при создании механизмов на основе червячных пар.

Недостатки червячных пар

Естественно, множество механизмов, имея различные достоинства, не лишены многих недостатков. Червячная пара так же имеет некоторые недостатки, которые учитываются при создании редукционных систем и механизмов на её основе:

  • Низкий процент КПД, образуется в результате высокого коэффициента трения червяка с зубчатым колесом. На КПД так же влияет высокое передаточное соотношение. В среднем КПД зубчатых передач равен около 55%. Чтобы его повысить, для зубчатого колеса и поверхности червяка используют материалы с низким коэффициентом трения – бронзу, закалённую сталь. В некоторых системах используют пластики на основе капрона (и другие современные модификации), они обладают не только низким коэффициентом трения, но значительно снижают уровень шума.
  • Высокий нагрев редукторов на червячной паре. Опять же, всё из-за вездесущего трения. Поэтому для снижения трения используют специальные смазки, а так же дополнительное охлаждение, которое может производиться непосредственно подачей воздуха. Создание ребер охлаждения на корпусе редуктора, использование бронзовых червячных колёс – всё это делается для удаления излишков тепла и является отрицательной стороной червячной передачи.
  • Червячные передачи можно использовать для передачи мощности не более 60 кВт, при повышении этого порога используют глобоидные передачи. Правда, такие системы редкость, но всё же встречаются в некоторых промышленных механизмах. При этом берут во внимание непосредственно конкретные условия эксплуатации, где учитываются сотни факторов механизма и условий его работы, а так же экономическую эффективность и целесообразность.
  • Ещё один недостаток – это люфт выходного вала, который увеличивается при износе червячного колеса. Несмотря на это, на основе червячных систем создаются механизмы, которые используются в устройствах ЧПУ, роботизированных механизмах, и прецизионных устройствах.

Червячные пара в основном используются в самостоятельном исполнении, на её основе создаются различные классы редукторов. Несмотря на некоторые недостатки системы, в редукторах она используется как наиболее распространённая. По факту, червячные редукторы имеют больший износ и меньший ресурс эксплуатации, но это связанно не сколько от самой системы, а зависит непосредственно от режима эксплуатации. Использование редукторов на основе червячной пары имеет некоторые особенности, которые, как правило, указываются непосредственно в документах об их эксплуатации. При соблюдении описанных там правил, время работы червячных редукторов отвечает их гарантированным срокам.

Если у вас возникли вопросы или вы хотите узнать цены, обращайтесь в отдел сбыта по телефону:

+7 (4842) 75-10-21 (многоканальный)

Профессиональные сотрудники предоставят Вам дополнительную информацию и помогут оформить заявку.

Возникли вопросы?
Свяжитесь с нами по телефону +7 (4842) 75-10-21

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector