26. Червячные передачи. Общие сведения. Основные геометрические параметры и кинематика червячной передачи.

Червячная передача (зубчато-винтовая передача) — механическая передача, осуществляющаяся зацеплением червяка и сопряжённого с ним червячного колеса.

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.

Основные геометрические параметры:

Высота витка  ; высота зуба червячного колеса  ; высота головки винта  ; высота головки зуба  ; высота ножки витка  ; высота ножки зуба колеса  ; расчетная толщина витка  ; радиальный зазор  .

Делительные диаметры:  

червяка  ;

червячного колеса 

Диаметры вершин:

витков червяка   ;

зубьев червячного колеса  .

Диаметры впадин:

червяка  ;

червячного колеса  .

Межосевое расстояние  .

Условный угол обхвата червяка венцом 25 (см. рис. 5) определяется точками пересечения дуги окружности диаметром   с контуром венца;

Конструктивные элементы передачи: длину нарезной части червяка  , ширину венца колеса   и наружный диаметр колеса   определяют в за­висимости от числа витков червяка  , модуля т и числа зубьев колеса   

27. Усилия в червячной передаче.

28. Критерии работоспособности и расчет червячных передач.

29. Кпд червячной передачи и тепловой расчет. Материалы и допускаемые напряжения.

КПД закрытой червячной передачи должен учитывать потери в за­цеплении и подшипниках, а также потери на разбрызгивание, перемешивание масла и др. Роль смазывания в червячной передаче еще важнее, чем в зубчатой, так как в зацеплении происходит скольжение витков червяка вдоль кон­тактных линий зубьев червячного колеса. В случае несовершенства сма­зывания резко возрастают потери, возможно повреждение зубьев.

Червячная передача является зубчато-винтовой и имеет потери, свой­ственные как зубчатой передаче, так и передаче винт — гайка.

Среднее значение КПД при однозаходном червяке можно принимать равным 0,7 - 0,75; при двухзаходном 0,75 - 0,82; трех- и четырехзаходном 0,83 - 0,92. Общий КПД для закрытой червячной передачи можно опреде­лить по формуле (уточненный расчет)

где степень п — число пар подшипников;  — КПД, учитывающий потери в одной паре;   — КПД, учитывающий потери в подшипниках, на раз­брызгивание и перемешивание масла;  — КПД, учитывающий дополни­тельные потери в зацеплении аналогичны потерям в зубчатых передачах;  - КПД, учитывающий основные потери в зацеплении как в винтовой паре.

Значения угла   трения в зависимости от скорости скольжения   при­ведены в табл. 9. Они получены экспериментально для червячных передач на опорах с подшипниками качения, т.е. в этих значениях учте­ны потери мощности в подшипниках качения, в зубчатом зацеплении и на размешивание и разбрызгивание масла. Величина   значительно снижается при увеличении  , так как при больших скоростях в зоне контакта создаются благоприятные условия для образования масляного слоя, разделяющего витки червяка и зубья колеса и уменьшающего по­тери в зацеплении.

В червячной передаче имеют место сравнительно большие потери передаваемой мощности на трение, передача работает с большим тепловыде­лением.

Если отвод тепла будет недостаточен, передача перегреется. Так как смазочные свойства масла при нагреве резко ухудшаются, то возникает опасность заедания передачи и выхода ее из строя. При установившемся режиме работы червячного редуктора количество тепла, выделяемого в нем, равно количеству отводимого от него тепла. Этот тепловой баланс устанавливается при определенном перепаде температур между находящимся в редукторе маслом и окружающим корпус воздухом. Тепловой режим работы редуктора нормальный, если перепад температур находится в допустимых пределах. Для обеспечения нор­мальной работоспособности для червячных редукторов (закрытой переда­чи) производят тепловой расчет. Тепловой расчет червячной передачи при ус­тановившемся режиме работы производят на основе теплового баланса, т. е. приравнивания тепловыделения теплоотводу.

Условие нормального теплового режима:

                                                         (13)

где   — температура масла в корпусе редуктора;   — допускаемая темпе­ратура масла в корпусе редуктора. Допускаемое значение   зависит от сорта масла, его способности сохранять смазывающие свойства при повышении температуры. Для обычных редукторных масел допускают t1= 60...70°С, в исключительных случа­ях  = 90 °С;  - определяют из условия теплового баланса, а именно: выделяемое червячной парой тепло должно полностью отводиться в окружающую среду

 — количество теплоты, выделяемое передачей при непрерывной рабо­те;   — количество теплоты, отводимое свободной поверхностью корпу­са передачи за то же время.

Количество теплоты, выделяющейся в передаче в секунду, или тепловая мощность

                                                                          

где P1 – мощность на входном валу передаваемая червяком, Вт;   – КПД передачи

Количество тепла, отводимое через поверхность охлаждения корпуса редуктора,

                                                 

где А – площадь поверхности корпуса передачи, соприкасающаяся с воз­духом, м2. В площадь поверхности охлаждения А входит площадь наружной поверхности корпуса редуктора без днища. Если корпус снабжен охлаждающими ребрами, то учитывают только 50% площади их поверхности.;   – внутренняя температура редуктора или температура масла, °С;   – температура окружающей среды (воздуха), °С (при проектировании обычно принимают  = 20°С);   – коэффициент теплопередачи — количество теплоты, передаваемое в окружающую среду с единицы поверхности в 1 с при разности. температур в 1°С, Вт/(м2 °С). При нормальной циркуляции воздуха вокруг корпуса  = (14-17,5) Вт/(м2 0С), при плохой –  = (8-10,5) Вт/(м2 °С).

Итак, на основании теплового баланса можно определить температуру масла

                                       (14)

Тепловой расчет червячной передачи выполняют как проверочный.

При   необходимо предпринять меры от перегрева.

Способы предотвращения перегрева

1. изменение корпуса (ребра жесткости, которые выбирают из условия лучшего обтекания воздухом). При естественном охлаждении в соответствии с тем, что нагретый воздух идет вверх, ребра располагают вертикально;

2. установка вентилятора на валу червяка (ребра располагают вдоль направления потока);

3. установка масляного радиатора;

4. установка в масляную ванну змеевика, по которому пропускают проточную воду.

Глубина погружения колес в масло не должна превышать высоты зуба или витка червяка для быстроходных колес и 1/3 радиуса тихоходных колес. Рекомендуемое количество масла, заливаемого в корпус, 0,5...0,7 л на 1 кВт передаваемой мощности. Сорт масла выбирают по справочникам в зависимости от окружной скорости и нагруженности 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 эвольвентныечервяки 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.

Зубчатые венцы червячных колес изготовляют преимущественно из бронзы, реже из латуни или чугуна, причем выбор марки материала зависит от скорости скольжения  .

Материалы венцов червячных колес по мере убывания антизадирных и антифрикционных свойств и рекомендуемым для применения скоростям скольжения можно условно свести к трем группам.

Группа I. Оловянные бронзы (марок БрО10Ф1, БрО10Н1Ф1 и др.), применяют при высоких скоростях скольжения ( = 5...25 м/с). Обладают хорошими антизадирными свойствами, но имеют невысокую прочность.

Группа II. Безоловянные бронзы и латуни применяют при средних скоростях скольжения (  до 3...5 м/с). Чаще других применяют алюминиевую бронзу марки БрА9ЖЗЛ. Эта бронза имеет высокую механическую прочность, но обладает пониженными антизадирными свойствами, поэтому ее применяют в паре с закаленными (Н > 45 HRCэ) шлифованными и полированными червяками.

Группа Ш. Серые чугуны марок СЧ15, СЧ20 применяют при малых скоростях скольжения ( < 2...3 м/с).