Укажите основной материал венца червячного колеса

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.

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 d_h . 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.

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 2α , 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 d_x (0 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.

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, рулевые механизмы автомобилей и др.), а также с целью получения малых и точных перемещений (делительные устройства станков, регулировочные устройства тормозных механизмов автомобилей, 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.

Основными геометрическими размерами червяка являются (рис. 4) :

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

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 :

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

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

диаметр вершин витков :

диаметр впадин витков :

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

длина нарезанной части: –b₁ .

Для червяка в передаче со смещением дополнительно вычисляют:

диаметр начального цилиндра ( начальный диаметр) :

где х – коэффициент смещения.

угол подъема линии витка на начальном цилиндре :

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 d_wi диаметр колеса при числе z₂ зубьев (рис. 4) :

Межосевое расстояние червячной передачи :

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) :

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

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) :

Диаметр впадин зубьев :

Наибольший диаметр червячного колеса :

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:

Червячное колесо является косозубым с углом y_w наклона зуба.
Условный угол 2δ обхвата для расчета на прочность находят по точкам пересечения окружности диаметром (d_a1 – 0,5т) с линиями торцов венца червячного колеса.

Червячные передачи имеют повышенную склонность к заеданию и износу рабочих поверхностей из-за неблагоприятных условий для образования масляного клина в полюсе зацепления. Для устранения заедания и повышения износостойкости рекомендуется для червячных колес применять материалы с высокими антифрикционными свойствами, использовать для смазывания передачи противозадирные масла, повышать твердость (H ³ 45HRC_э) и чистоту рабочих поверхностей витков червяка для сокращения времени приработки передачи. Червяки изготавливают из углеродистых и легированных сталей. Например: 40, 45, 50, Ст6, 40Х, 40ХН, 30ХГС, 35ХМ, 40Г2 (улучшение, нормализация H £ 350 HB или закалка до 45–55HRC_э); 15Х, 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ, 20ХН3А, 20Х2Н4А (цементация, закалка до 56– 62HRC_э) и др. (см. табл. 2.1; [4, с. 171]). Выбором стали во многом предопределяется вид термической и механической обработки, а также условия работы передачи – износостойкость, склонность к заеданию и др.

Нелинейчатые и эвольвентные червяки обычно подвергаются цементации или закалке (H ³ 45HRC_э). Поверхности витков шлифуют и полируют. Высокая твердость и гладкость рабочих поверхностей витков червяка позволяет повысить износостойкость и контактную выносливость, уменьшить потери на трение и снизить возможность заедания. Подобные червяки применяют в ответственных и сравнительно нагруженных червячных передачах.

Рабочие поверхности витков архимедовых и конволютных червяков обычно не шлифуют.[2] Применяют их в малонагруженных и неответственных червячных передачах. Такие червяки изготавливают из относительно мягких (H *

Механические свойства, МПа Рекомендуемый предел скорости скольжения v_s, м/с s_b s_Т s_bи – предел прочности материала на изгиб Е – модуль упругости первого рода I Бр ОНФ 10-1-1 Ц – 1×10 5 £ 35 Бр ОФ 10-1 З К – – 0,75×10 5 £ 25 Бр СуН 7-2 К – Бр ОЦС 6-6-3 З К – £ 12 Бр ОЦС 5-5-5 Ц II Бр АЖ 9-4 З К Ц – 1×10 5 £ 5 Бр А9ЖЗЛ З К Ц Бр АЖН 10-4-4 К Ц Бр АЖМц 10-3-1,5 К ЛАЖМц 66-6-3-2 З К Ц – ЛМцС 58-2-2 З – ЛМцОС 58-2-2-2 К III СЧ 10 (143-229НВ) СЧ 15 (163-229НВ) СЧ 18 (170-241НВ) З З З – – – – – – 1×10 5 £ 2

* Примечание:З – в землю, К – в кокиль, Ц – центробежный.

· Группа I. Бронзы высокооловянистые (10 – 12 % Sn) с присадками фосфора и никеля считаются лучшим материалом для червячных колес, однако они дороги и дефицитны. Их применение ограничивают наиболее ответственными передачами с большими скоростями скольжения (v_s до
25 м /с). Бронзы малооловянистые (3 – 6 % Sn) с присадками свинца и цинка и сурьмяно-никелевые обладают несколько худшими противозадирными свойствами и применяются при меньших окружных скоростях. Отличительная черта этих материалов – невысокая прочность (s_В £ 300 МПа). Для этой группы материалов червяк, как правило, должен быть тщательно отшлифован и отполирован и иметь высокую твердость рабочих поверхностей –
45-62 HRC_э (см. табл. 18.3).

· Группа II. Бронзы безоловянистые и латуни используются как заменители оловянистых бронз при v_s до 3 – 5 м/с. При больших скоростях применение безоловянистых бронз и латуней становится неэффективным, т.к. необходимо снижать допускаемые контактные напряжения s_НР для предупреждения ускоренного износа зубьев червячного колеса или задира рабочих поверхностей зубьев. При этом размеры передачи и расход материалов существенно возрастают. Механическая прочность безоловянистых бронз и латуней значительно выше, чем у оловянистых бронз (s_В » 350 – 700 МПа), а стоимость – ниже. Сравнительно низкие противозадирные и антифрикционные свойства ограничивают их применение при высоких скоростях скольжения. Во избежание заедания червяк рекомендуется подвергать термической обработке (45–50 HRC_э), а затем шлифовать и полировать. Допустимо применение нешлифованных червяков с Н£ 350НВ. Эксплуатационные возможности передачи при этом несколько снижаются.

· Группа III. Мягкие серые чугуны с твердостью 140 – 220 НВ по ГОСТ 1412 – 85 применяют при v_s £ 2 м/с в механических и ручных приводах. Использование серых чугунов при более высоких скоростях становится неэффективным из-за существенного увеличения габаритов и опасности появления заедания. Заготовки колес получают литьем (рис.16.1,а, б). При необходимости подвергают термообработке [40, с.112–113]. Твердость рабочих поверхностей нешлифованных витков червяков, как правило, менее 350 НВ.

В целях экономии сплавов I и II групп червячные колеса выполняют составными: венец из бронзы или латуни, а колесный центр из чугуна или стали. В бандажированной конструкции (a_w » 80 – 200 мм) венец насаживается на центр с натягом и обычно закрепляется дополнительно 3–8 винтами (рис.16.1, в), чтобы компенсировать недостаток конструкции – зависимость натяга от температуры среды и коэффициентов линейного расширения материалов. В болтовой конструкции (a_w » 200 – 600 мм) венец, имеющий фланец с отверстиями, крепится к центру колеса 4 – 8 призонными болтами, устанавливаемыми в отверстия без зазора (рис.16.1, г). Биметаллическую конструкцию (рис.16.1, д) чаще применяют в серийном производстве и получают путем заливки расплавленного металла в форму, куда предварительно устанавливается центр колеса.

l »3×d

»0,2×в1

Рис. 16.1. Конструктивные формы червячных колес

Так как червячная передача склонна к заеданию и износу, од­ну из деталей передачи выполняют из антифрикционного ма­териала, другую — из твердой стали.

Для червяка характерны относительно малый диаметр и значительное расстояние между опорами, жесткость и проч­ность обеспечиваются за счет изготовления его из стали. В ос­новном для червяков используется сталь 18ХГТ (твердость по­верхности после цементации и закалки (56. 63) НRС_Э), а так­же стали 40Х, 40ХН, 35ХГСА с поверхностной закалкой до твердости (45. 55) НRС_Э. Во всех этих случаях необходимы шлифование и полирование червяка. Применение азотируе­мых сталей 38Х2МЮА, 38Х2Ю позволяет исключить шлифо­вание червяка после термохимической обработки.

Червячное колесо обычно выполняют из антифрикцион­ных, относительно дорогих и малопрочных материалов, кото­рые разделяют на группы (в порядке снижения сопротивля­емости заеданию и износу): 1) оловянистые бронзы (БрО10Ф1, БрО5Ц5С6 и др.); 2) безоловянистые бронзы (БрАЭЖЗЛ и др.); 3) чугуны (СЧ15, СЧ20 и др.). Чем выше содержание олова в бронзе, тем она дороже, и тем больше сопротивление за­еданию.

60. Расчет зубьев червячных передач на сопротивление контактной и изгибной усталости. Понятие о расчетной нагрузке.

Основное значение для червячных передач имеют расчеты на сопротивление контактной усталости, износу и заеданию. Рас­чет передачи проводят по контактным напряжениям, причину выхода из строя (усталостное выкрашивание или заедание) учитывают при выборе допускаемых напряжений.

Несущая способность передач с цилиндрическими червяка­ми основных типов весьма близка (кроме передач с вогнутым профилем витка червяка). Поэтому расчеты для передач с ар­химедовым червяком распространяют на передачи с другими цилиндрическими червяками. В качестве исходной принима­ют формулу Герца для начального линейного контакта двух цилиндров по их образующим. Коэффициент Пуас­сона считают равным 0,3, тогда:

F_n– нормальная нагрузка в полюсе зацепления.

l – суммарная длина контактных линий.

— коэффициент нагрузки, и соответственно коэффициенты: учитывающий внутренние динамические нагрузки и учитывающий неравномерность распределения нагрузки.

b– ширина зуба, d_w1– начальный диаметр, 2δ – условный угол обхвата.

— суммарная длина контактных линий.

Радиус кривизны профиля червячного колеса: .

Суммарный радиус тогда

Учтем, что:

Подставим все в формулу Герца и получим:

Расчет зубьев на прочность при изгибе:

Расчет выполняется для зубьев червячного колеса, т.к. витки червяка значительно прочнее. За основу принят расчет косозубых цилиндрических колес.

Напряжения изгиба у основания зубьев:

Y_F– коэффициент формы зубьев, берется по тем же графикам с эквивалентным кол-вом зубьев,— коэффициент нагрузки, и соответственно коэффициенты: учитывающий внутренние динамические нагрузки и учитывающий неравномерность распределения нагрузки.

— максимальные напряжения изгиба.

61. Выбор допускаемых напряжений при расчете червячных передач.

Допускаемые контакт­ные напряжения при дли­тельной работе передачи опре­деляют для червячных колес в зави­симости от основной причины вы­хода из строя. Для материалов коле­са первой группы — оловянистыхбронз — определяющим условием является сопротивление контактной усталости. В этом случае при шлифованных чер­вяках с твердостью поверхности более 45НRСэ

— допускаемое напряжение при 10^7 циклов, C_v– коэффициент, учитывающий интенсивность износа, зависит от скорости скольжения.

Эквивалентное число циклов:

, вращающий момент на колесе, время работы при режиме i, частота вращения колеса в минуту при режимеi.

Для материалов второй и третьей групп:

При проверке на пиковую контактную нагрузку:

Оловянистые бронзы:

Безоловянистые бронзы:

Чугуны:

Допускаемые напряжения изгиба при длительной работе для бронзовых колес нереверсивных передач:

Эквивалентное число циклов:

Допускаемые напряжения: для чугунных колес при нереверсивной работе

При реверсивной работе допускаемые напряжения снижают на 20%.

Предельные допускаемые напряжения изгиба при проверке на пиковую нагрузку принимают:

Для бронз

Для чугунов