ТЕМА МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ. ЛЕКЦИЯ 8. ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ (ЧП) Вопросы, изложенные в лекции 1 Определение, классификация ЧП. 2 Геометрия и кинематика ЧП. Усилия в зацеплении ЧП. 3 Материалы и изготовление ЧП. 4 Прочностной и тепловой расчет ЧП.

Червячная передача

Червячная передача. Общие сведения Достоинства: 1) компактность и относительно небольшая масса конструкции; 2) возможность получения больших передаточных чисел в одной ступени (стандартные передачи – u 80, специальные u 300 ); 3) высокая плавность и низкий уровень шума; 4) самоторможение при передаче движения в обратном направлении – невозможность передачи движения от червячного колеса к червяку. Недостатки : 1) низкий КПД и высокое тепловыделение; 2) повышенный износ и уменьшенный срок службы; 3) склонность к заеданию, что вызывает необходимость применения специальных антифрикционных материалов для зубчатого венца червячного колеса и специальных видов смазки с антизадирными присадками. Червячная передача (Рисунок 1) состоит из червяка (1) – винта с трапецеидальной резьбой и зубчатого червячного колеса (2) с зубьями соответствующей специфической формы. Имеет перекрещивающиеся оси валов, обычно под углом 90. Рисунок 1 – Червячная передача

1 по направлению линии витка червяка: 1.1 правые (при наблюдении с торца червяка и его вращении по часовой стрелке червяк вкручивается в пространство – уходит от наблюдателя); 1.2 левые (при наблюдении с торца червяка и его вращении по часовой стрелке червяк выкручивается из пространства – идёт на наблюдателя); 2 по числу заходов червяка: 2.1 с однозаходным червяком, имеющим один гребень; 2.2 с двух-, четырёх-, многозаходным червяком, имеющим соответственно 2, 4 или более одинаковых гребней, расположенных по винтовой линии, наложенной на делительный цилиндр червяка. Классификация: Червячная передача. Классификация 3. по форме делительной поверхности червяка: 3.1 с цилиндрическим червяком (образующая делительной поверхности – прямая линия) (рисунок 2 а); 3.2 с глобоидным червяком (образующая делительной поверхности – дуга окружности, совпадающая с окружностью делительной поверхности червячного колеса) (рисунок 2 б). Рисунок 2 – Форма внешней поверхности червяка: а) цилиндрическая; б) глобоидная

4 по положению червяка относительно червячного колеса (рисунок 3): 4.1 с нижним расположением червяка (рисунок 3 а); 4.2 с верхним расположением червяка (рисунок 3 б); 4.3 с боковым расположением червяка (рисунок 3 в). Червячная передача. Классификация Рис унок 3 – Схемы расположения червяка относительно колеса Рис унок 4 – Виды цилиндрических червяков 5 по форме боковой (рабочей) поверхности витка червяка (рисунок 4): 5.1 с архимедовым червяком (обозначается ZA), боковая поверхность его витков очерчена прямой линией в продольном сечении; 5.2 с конволютным червяком (обозначается ZN), боковая поверхность его ви-тков очерчена прямой линией в нормальном к направлению витков сечении; 5.3 с эвольвентным червяком (обозначается ZI), боковая поверхность его витков в продольном сечении очерчена эвольвентой.

Рисунок 5 – Установка резца при нарезании архимедовых (1), конволютных (2) и эвольвентных (3) червяков. Червячная передача. Классификация

Геометрия и кинематика ЧП Основным стандартизованным параметром червячной передачи является модуль m (мм), осевой для червяка и окружной (торцовый) для червячного колеса. Для определения делительного диаметра червяка вводится специальный коэффициент диаметра червяка q, показывающий число модулей, укладывающихся в делительный диаметр. Рисунок 6 – Размеры цилиндрического червяка Расстояние, измеренное между одноименными поверхностями двух соседних гребней нарезки червяка, называют расчетным шагом нарезки червяка Многозаходные червяки характеризуются еще ходом линии витка

Рисунок 7 – Параметры венца червячного колеса В виду того, что образующая делительной поверхности венца червячного колеса (рисунок 7) имеет дугообразную форму и, следовательно, в разных точках разное удаление от оси вращения колеса, все основные размерные показатели (делительный диаметр, высота зуба и др.) измеряются в серединной плоскости, проходящей через геометрическую ось червяка. Геометрия и кинематика ЧП Модуль с делительными диаметрами червяка (рисунок 6) и червячного колеса (рисунок 7) связан соотношениями: Диаметр вершин витков (внешний диаметр) червяка d a1 (рисунок 6) и диаметр вершин зубьев червячного колеса d a2 (рисунок 7) могут быть найдены как а диаметр впадин витков –

Отношение хода витка к длине начальной окружности червяка – величина тангенса угла подъёма винтовой линии нарезки червяка равна Геометрия и кинематика ЧП Межосевое расстояние для несмещенной червячной передачи составляет: Передаточное отношение червячной передачи находят как Угол трения в червячной кинематической паре, где f коэффициент трения для материалов витков червяка и зубьев червячного колеса: При передача движения от червячного колеса к червяку становится невозможной – происходит самоторможение. Свойство самоторможения обратного движения широко используется в лебёдках и грузоподъёмных механизмах.

В червячной передаче, в отличие от зубчатой, окружные скорости витков червяка v 1 и зубьев червячного колеса v 2 (рисунок 8) различны как по величине, так и по направлению. Витки червяка при его вращении получают скорость v 1, направленную по касательной к его начальной окружности, а зубья червячного колеса движутся совместно с винтовой линией параллельно оси червяка со скоростью v 2. Геометрическая сумма скоростей v 1 и v 2 равна скорости относительного движения витков червяка по отношению к зубьям колеса. План скоростей, построенный для зацепления, позволяет записать следующие зависимости: Рисунок 8 – Схема скоростей в червячной передаче Особенности рабочего процесса ЧП

В червячной передаче сила F n, действующая со стороны червяка, воспринимается, как правило, не одним, а несколькими зубьями колеса. Однако, также как и в зубчатых передачах, при выполнении расчетов эту силу принято располагать в полюсе зацепления (рисунок 9, а). Ее раскладывают на три взаимно перпендикулярных составляющих F t1, F r1 и F a1. Далее, согласно третьему закону Ньютона (рисунок 9, б): F t2 = F a1, F a2 = F t1 и F r2 = F r1. Рисунок 9 – Силы в червячной передаче Тангенциальные силы на червяке и червячном колесе наиболее удобно вычислить через вращающие моменты на соответствующих валах, тогда: Радиальные силы на червяке и колесе: Усилия в зацеплении ЧП

Витки червяка и зубчатый венец червячного колеса должны иметь достаточную прочность и составлять антифрикционную пару, обладающую высокой износостойкостью и сопротивляемостью к заеданию в условиях больших скоростей скольжения при значительных нормальных силах между контактирующими поверхностями. Для изготовления червяков применяют углеродистые стали 45, 40Х, 25ХГТ с упрочнением до твердости HRC 40…60. Червячные колеса изготавливают составными: колесный центр (маточина) – из стали; зубчатые венцы - литьём из чугуна или бронзы. Чугунный венец применяется в низкоскоростных передачах ( v s 2 м/с ) (серые чугуны СЧ15, СЧ20; ковкие чугуны КЧ15, КЧ20). Для средних скоростей скольжения ( 2 < v s 5 м/с ) зубчатые венцы червячных колес изготавливают из безоловянистых железоалюминиевых литейных бронз (Бр А9Ж3Л, Бр А10Ж4Н4Л) и латуни. Эти бронзы при высокой механической прочности обладают пониженными антизадирными свойствами, и их применяют в паре с червяками, имеющими шлифованную и полированную рабочую поверхность витков высокой твердости (HRC 1 45). Для передач с высокой скоростью скольжения (5 < v s 25 м/с) венцы червячных колёс изготавливают из оловянистых бронз (Бр О10Ф1, Бр О10Н1Ф1), обладающих в сравнении с безоловянистыми пониженной прочностью, но лучшими антизадирными свойствами. Материалы червячной пары

С целью выбора материала для изготовления зубчатого венца червячного колеса предварительно ожидаемую скорость скольжения v s определяют по эмпирическому выражению где v s – скорость скольжения, м/с; n 1 – частота вращения червяка, мин -1 ; T 2 – момент сопротивления на червячном колесе, Н м. Далее материал зубчатого венца червячного колеса выбирают в зависимости от скорости скольжения v s Материалы червячной пары

Виды отказов. Критерии работоспособности ЧП В червячном зацеплении наиболее слабый элемент это зуб червячного колеса. Для него возможны все виды разрушений и повреждений, характерных для зубчатых передач: поломка зубьев (ошибка изготовления); пластическое разрушение рабочих поверхностей зубьев (большие перегрузки); усталостное разрушение рабочих поверхностей зубьев (циклический характер нагрузок); износ зубьев (длительный срок службы); заедание (задир из-за непопадания масла – перегрев – заедание). Основным критерием работоспособности и расчета червячных передач является контактная прочность рабочих поверхностей зубьев колеса. Повышенный износ и заедание червячных передач обусловлены большими скоростями скольжения и неблагоприятным направлением скольжения относительно линии контакта витков червяка с зубьями червячного колеса (скольжение вдоль линии контакта на поверхности зуба).

Прочностной и тепловой расчет ЧП Прочностной расчет червячной передачи включает два основных этапа: 1) проектный расчет, целью которого есть определение основных геометрических, кинематических и силовых параметров передачи; 2) проверочный расчет, проводимый для проверки сохранения работоспособности передачи в течение заданного срока работы. При проектном расчете передачи, предварительно задавшись величиной коэффициента расчетной нагрузки K H = 1,1…1,4 (меньшие значения для передачи с постоянной нагрузкой, большие – для высокоскоростных передач и переменной нагрузки), определяют межосевое расстояние передачи: В зависимости от необходимого передаточного числа u назначают число витков (число заходов) червяка z 1 : при u 14 z 1 = 4; при 14 u 30 z 1 = 2; при u > 30 z 1 = 1. По выбранному числу заходов червяка z 1 и необходимому передаточному числу u вычисляют число зубьев червячного колеса:

Прочностной и тепловой расчет ЧП Расчет зубьев на изгиб производится как проверочный. Модуль зацепления (предварительный) определяют по зависимости Рисунок 10 – Основные параметры ЧП, полученные в результате прочностного расчета

Тепловой расчет червячной передаче базируется на соотношении где Q выд – тепловая мощность, выделяемая при работе передачи, Q отд – тепловая мощность, которую способно рассеять в окружающую среду охлаждающее устройство. Эти мощности могут быть вычислены по формулам: где P 1 – мощность, подводимая к червяку передачи, A охл – площадь, омываемая охлаждающим агентом (воздух, охлаждающая вода), K Т – коэффициент теплоотдачи охлаждаемой поверхности, t М и t 0 – температура масла в корпусе передачи и охлаждающего агента, соответственно. Тепловой расчет ЧП Рабочая температура масла: К.П.Д. червячной передачи:

Коэффициент полезного действия з червячного зацепления можно вычислить как КПД винтовой кинематической пары: Тепловой расчет ЧП При конвективном охлаждении свободным воздухом коэффициент теплоотдачи K T = 8…17 Вт/м 2 С, при охлаждении вентилятором (вентилятор обычно закрепляют на свободном конце вала-червяка) – K T = 20…28 Вт/м 2 С, при водяном охлаждении – K T = 70…100 Вт/м 2 С при ведущем червяке а при ведущем червячном колесе Условие работы передачи без перегрева: – допускаемая температура масла.

Конструкции червяков и червячных колес Рисунок 11 – Конструкции червячных колес при: а-в) единичное и мелкосерийное производство; г-з) серийное производство

Примеры чертежей червячной пары

Лекция окончена. Спасибо за внимание!