Л.5 Червячные передачи.
1. Общие сведения, устройство передачи, материалы, область применения, достоинства и недостатки.
2. Геометрическое соотношение размеров червячной передачи с архимедовым червяком.
3. Основные критерии работоспособности червячных передач и расчет их на прочность.
4. Тепловой расчет червячной передачи.
Чтобы сохранить идеальный размер упаковки, редуктор можно использовать для уменьшения скорости и увеличения крутящего момента для соответствия проектным параметрам. Вышеупомянутое «сладкое пятно» иллюстрирует точку, в которой оптимизируется соотношение размеров и скорости двигателя. Использование правильной коробки передач позволяет дизайнеру оптимизировать двигатель, сохраняя при этом требуемую скорость и крутящий момент.
Хотя есть множество вариантов коробки передач, будут выделены четыре конкретных типа: червячный прямоугольный угол, угловой скос, планетарный и параллельный вал. Каждый тип редуктора обладает уникальными атрибутами дизайна, которые будут определять производительность редуктора в приложении. Также важно учитывать компоненты редуктора при выборе коробки передач. Червячные, конические, шпоры и винтовые зацепления дополняют процесс восстановления в соответствии с их уникальными атрибутами конструкции, что способствует общей производительности коробки передач.
5. Последовательность проектировочного расчета червячных передач.
1. Общие сведения, устройство передачи, материалы, область применения, достоинства и недостатки.
Червячная передача (рис. 5.1, с. 131 Мархель) – механизм для передачи вращения между валами посредством винта червяка (червяка 1) и сопряженного с ним червячного колеса 2.
Подобно процессу выбора двигателя, важно построить матрицу редуктора, чтобы соответствовать надлежащей коробке передач с конкретным приложением. Ключевыми параметрами редуктора для заметок являются рабочий цикл, максимальная скорость ввода, максимальный крутящий момент, эффективность, шум, ограничения и обратная управляемость. Хотя это общие параметры и хорошо работают на начальном этапе сбора данных, есть много дополнительных элементов, которые следует учитывать до того, как будет сделан окончательный выбор коробки передач.
Следует отметить, что параметры, перечисленные в матрице выбора, являются общими рекомендациями по стандарту, вне готовых продуктов. Пользовательские конструкции могут быть настроены для работы вне обычных параметров. Рабочий цикл, максимальная входная скорость и максимальный крутящий момент являются тремя наиболее часто встречающимися параметрами, которые необходимо учитывать при выборе выбора коробки передач. Эти значения могут быть легко собраны из входов проектирования приложений и выходов двигателя.
Геометрические оси валов при этом скрещиваются под углом 90 0 . 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.
Различают два вида червячных передач: цилиндрическое (с цилиндрическими червяками, см. рис.5.1, а , в ); глобоидные (с глобоидными червяками, см. рис.5.1, б ).
Эффективность - это параметр, который становится критическим для соответствия спецификациям производительности при оптимизации размера пакета. На эффективность коробки передач влияет качество, соотношение, тип шестерни, смазка, типы подшипников и боковая нагрузка. Как правило, более высокая эффективность лучше, но высокая эффективность также может привести к снижению стоимости. Возвращаясь к критериям, перечисленным в таблице 2, шум является очень субъективным термином, на который в значительной степени влияют критерии среды и производительности, необходимые для конечного продукта.
Червячные передачи применяют при небольших и средних мощностях в разных отраслях машиностроения.
Вопрос : Какие из цилиндрических и конических зубчатых передач применяют для передачи вращения между валами, оси которых скрещиваются?
-Для передачи вращения между валами, оси которых скрещиваются, приемлемы цилиндрическая винтовая и коническая гипоидная передачи.
Дизайн, который считается очень тихим в громких промышленных условиях, может звучать шумно в домашнем или приглушенном состоянии. Одним из конечных параметров в таблице 2 являются ограничения. Понимание ограничений каждой коробки передач очень важно при выборе коробки передач. Рассматривая параллельные валы и скошенные угловые редукторы, эти конструкции ограничены выходным крутящим моментом механическим износом компонентов, известных как механическое ограничение. С другой стороны, выходной крутящий момент червячного редуктора ограничен теплом, который генерируется внутри редуктора, называемым термическим ограничением.
Червячную передачу, у червяка и колеса которой делительные и начальные поверхности цилиндрические, называют цилиндрической червячной передачей.
В зависимости от формы профиля витка различают:
Архимедов червяк (рис.5.2, а ) – цилиндрический червяк, торцовый профиль витка которого является архимедовой спиралью. Этот червяк подобен винту с трапецеидальной резьбой;
Это ограничение температуры напрямую связано с КПД и срок службы коробки передач. Выделение тепла вызывает преждевременные проблемы со смазкой, которая, в свою очередь, влияет на срок службы. Высокая температура также является признаком того, что коробка передач работает не так эффективно, как могла. Рассматривая червячный редуктор, его общая производительность показывает наименьшую эффективность всех номиналов коробки передач. Удивительно, но планетарный редуктор может иметь как термические, так и механические ограничения, хотя он имеет высокую эффективность.
Эвольвентный червяк (рис. 5.2, б ); имеет эвольвентный профиль витка в его торцовом сечении (как у косозубого колеса);
Конволютный червяк; торцовый профиль витка является удлиненной или укороченной эвольвентой.
В машиностроении из цилиндрических червяков наиболее распространены архимедовы червяки. Их можно нарезать на обычных токарных или резьбофрезерных станках.
Вопросы, которые часто возникают, - это «какой размер коробки передач следует использовать для заданного крутящего момента» и «насколько постоянный крутящий момент может составлять кубический дюйм объема коробки передач?». Измерение крутящего момента на объем коробки передач называется плотностью крутящего момента.
Например, червячная передача получит около 6 дюймов крутящего момента на кубический дюйм объема коробки передач, в то время как планета получает около 21 фунта крутящего момента на кубический дюйм - почти в 3 раза больше для данного выхода. Высокая плотность крутящего момента планетарной коробки передач указывает на то, что она может быть загружена с относительно высоким крутящим моментом в небольшой упаковке. Более высокие крутящие моменты будут создавать более высокие температуры в редукторе, поскольку в качестве теплоотвода меньше объема редуктора, рассеивающего тепло, которое накапливается в результате более высокого выходного крутящего момента.
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
.
Высокая плотность крутящего момента и небольшой размер упаковки означает, что планетарный редуктор иногда может быть ограничен температурой. Оценка плотности крутящего момента, размера упаковки и объема редуктора в приложении обеспечит эффективный выбор коробки передач, которая будет правильно соответствовать требуемому форм-фактору приложения.
В дополнение к критериям, приведенным в кратком справочном руководстве по коробке передач, существуют другие критерии проектирования, которые необходимо учитывать в процессе выбора мотор-редуктора, такие как радиальная нагрузка, размер конверта, стоимость, смазка и варианты монтажа. Оценка этих дополнительных спецификаций поможет разработчику определить конкретные ограничения, которые могут быстро устранить один или два типа редуктора. Например, если мотор-редуктор будет помещен в трубку внутри приложения, в качестве опции будет исключен прямоугольный червячный редуктор, поскольку его форм-фактор не работает хорошо в цилиндрическом пространстве.
С увеличением числа заходов (витков) червяка угол подъема винтовой линии возрастает, что повышает КПД передачи. Поэтому однозаходные (одновитковые) червяки без крайней необходимости применять не рекомендуется.
В большинстве случаев червяки изготавливают за одно целое с валом, реже – отдельно от вала, а затем закрепляют на нем.
Все это вместе. Существуют широкие диапазоны размеров двигателей и коэффициентов передачи, которые можно комбинировать для достижения определенного выходного крутящего момента и скорости. С таким количеством опций, как дизайнер определяет, какую комбинацию выбрать? Выбор должен основываться на основных ограничениях, указанных в приложении. Например, если стоимость является основной проблемой, то лучшим вариантом может быть двигатель меньшего размера. Но есть компромисс; меньший двигатель, работающий на более высоких скоростях, с редуктором с более высоким коэффициентом передачи может быть более шумным.
Червячное колесо (рис. 5.1,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.
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
может доходить до 600-1000.
Кроме того, имейте в виду, что некоторые типы редукторов имеют более высокие затраты при больших коэффициентах из-за дополнительных ступеней редуктора, в этих случаях стоимость коробки передач может перевесить экономию меньшего двигателя. Именно эти типы компромиссов необходимо оценивать при определении «идеального соответствия мотор-редуктора». Обычно оптимальный дизайн не находится ни на одном конце спектра с точки зрения размера двигателя и коэффициента передачи, а скорее где-то посередине. Крайне важно взвешивать конструктивные ограничения, чтобы найти приемлемое решение.
Вопрос : Какие передачи показаны на рис.5.2?
- На рис. 5.2 показаны цилиндрические червячные передачи.
Червячную передачу, показанную на рис. 5.4, называют глобоидной. 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 большое число зубьев колеса и витков червяка.
Как выбрать мотор-редуктор: два метода. Обзор Концептуально, двигатели и редукторы могут быть смешаны и подобраны по мере необходимости, чтобы наилучшим образом соответствовать приложению, но в конце концов, полный мотор-редуктор является движущим фактором. Хотя существуют огромные массивы различных двигателей и редукторов, не только любая комбинация будет работать для приложения. Будут определенные комбинации, которые будут более эффективными и экономически эффективными, чем другие. Знание приложения и наличие точных оценок для двигателя и коробки передач является основой для успешной интеграции мотор-редуктора в систему.
Глобоидные передачи требуют повышенной точности изготовления и монтажа, искусственного охлаждения. Эти передачи применяют реже, чем цилиндрические.
Вопрос: Чем в основном достигается повышенная нагрузочная способность глобоидных передач по сравнению с цилиндрическими червячными передачами?
- Червяк в глобоидной передаче охватывает колесо по дуге (сравните рис. 5.2 и рис.5.4), поэтому при одних и тех же габаритных размерах в зацеплении одновременно находится большое число зубьев, чем в обычной цилиндрической червячной передаче, поэтому глобоидные передачи могут передать при одних и тех же габаритных размерах большую мощность.
Выбор правильной комбинации мотор-редуктора требует, чтобы дизайнер знал приложение. Сбор информации в Контрольном списке приложений предоставит разработчику надлежащие знания фона для начала процесса выбора. Существует два способа выбора мотор-редуктора.
Выберите мотор и коробку передач отдельно, а затем соедините их вместе. Выберите предварительно сконструированный мотор-редуктор. Чтобы получить хорошо подобранный мотор-редуктор, начните с выбора коробки передач, которая обеспечит правильную скорость и крутящий момент для приложения, а затем выберите подходящий двигатель для достижения выходной мощности. После выбора двигателя необходимо произвести расчет фактической скорости, крутящего момента и эффективности. Чаще всего весь процесс может потребовать нескольких итераций для определения оптимальной комбинации мотор-редуктора.
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 изготавливают в основном из сталей марок 40,45,50 с закалкой до HRC 45-55 ; 15Х; 20Х; 40Х; 40ХН; 12ХН3, 18ХГТ с цементацией и закалкой до HRC 58-63 .
Определение требований к приложениям. Определите требуемую скорость и крутящий момент для приложения. Оцените оптимальную скорость работы, а затем определите, какой крутящий момент необходим для достижения требуемой производительности. Эта информация собирается как часть Контрольного списка приложений.
Шаг 2: Выберите коробку передач. Учитывая требования к производительности приложения, дизайнер должен начать сбор информации, чтобы выбрать подходящую коробку передач. Этот шаг часто требует, чтобы разработчик собирал множество листов данных от разных поставщиков, чтобы определить, какой дизайн лучше всего будет обрабатывать требуемый выходной крутящий момент. Количество крутящего момента, создаваемого коробкой передач, зависит от требований к выбору коробки передач.
Червячные колеса (или их венцы) изготавливают 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, до 25 м/с и длительной работе без перерыва применяют оловянистую бронзу БрО10Ф, оловянно-никелевую бронзу БрОНФ.
Требования к выбору коробки передач: кривая эффективности жизненной кривой Тепловая мощность Максимальная скорость ввода Спецификации редуктора будут использоваться, чтобы определить, ограничен ли выходной крутящий момент коробки передач тепловыми или механическими ограничениями. Эти кривые иллюстрируют нагрузку, которую коробка передач может выдерживать со временем, исходя из механической прочности ее компонентов. Диапазон времени на этих кривых будет варьироваться от производителя к производителю, в зависимости от типа коробки передач и протоколов испытаний.
Вопрос : Можно ли изготовить червяк из чугуна или бронзы?
- Не рекомендуется. Только для неответственных тихоходных передач для изготовления червяков применяют серый чугун, для экономии цветных сплавов в неответственных (несиловых) передачах с колесами большого диаметра червяк изготавливают из бронзы.
Вопрос : Назовите распространенные варианты сочетания материалов для червяка и червячного колеса:
Кривая срока службы дает предел текучести коробки передач, момент, при котором редуктор будет испытывать мгновенный сбой. Боковая нагрузка является основным фактором, который может повлиять на срок службы коробки передач. Кривая эффективности используется для понимания эффективности при заданном значении крутящего момента. Обратите внимание, что эффективность не всегда соответствует крутящему моменту; выбор коробки передач, которая слишком велика для приложения, заставит коробку передач работать в неэффективном диапазоне кривой.
Лучше всего выбрать коробку передач, которая будет работать с максимальной эффективностью в области непрерывного крутящего момента для приложения. Эффективность и крутящий момент используются для расчета крутящей способности коробки передач с тепловой точки зрения и являются неотъемлемой частью выбора правильного размера двигателя.
Сталь-чугун;
Чугун-чугун;
Бронза- сталь;
Сталь – бронза;
Чугун – бронза.
-Ответ: сталь – бронза.
Передаточное число червячной передачи u определяют из условия, что за каждый оборот червяка колесо поворачивается на число зубьев, равное числу витков червяка:
,
где
- число зубьев колеса червячной передачи;
- число витков
червяка.
Вопрос
:
Определите число зубьев колеса червячной
передачи, если число витков червяка
,
передаточное число
?
-Число зубьев колеса червячной передачи для данного примера .
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);
Компактность и сравнительно небольшая масса конструкции передачи.
Недостатки :
Сравнительно невысокий КПД (0,7-0,92), в самотормозящих передачах – до 0,5;
Сильный нагрев передачи при длительной работе;
Необходимость применения для колеса дорогих антифрикционных материалов;
Небольшие по сравнению с зубчатой передачей передаваемые мощности (до 200 кВт, чаще – до 50 кВт).
Теги; Червячные передачи, червячный вал, венец червячный, бронзовый червяк, винтовая передача, червячная передача, винт червячый, червячная шестерня, червяк редуктора червяк, шестерни, червячный венец, колесо червячное
Червячные передачи применяют для передачи вращательного движения между валами, у которых угол скрещивания осей обыч¬но составляет 0 = 90° (рис.2.5.1).
Рисунок 2.5.1. Червячная передача: 1 — червяк; 2 — венец червячного колеса.
В большинстве случаев веду¬щим является червяк, т. е. короткий винт с трапецеидальной или близкой к ней резьбой.
Для облегания тела червяка венец червячного колеса имеет зубья дугообразной формы, что увеличивает длину контактных линий в зоне зацепления.
Червячная передача — это зубчато-винтовая передача, дви¬жение в которой осуществляется по принципу винтовой пары.
6.1.2 Область применения червячных передач
Червячные передачи применяют при небольших и средних мощностях, обычно не превышающих 100 кВт. Приме¬нение передач при больших мощностях неэкономично из-за срав¬нительно низкого к. п. д. и требует специальных мер для охлажде¬ния передачи во избежание сильного нагрева. Червячные передачи широко применяют в подъемно-тран¬спортных машинах, троллейбусах и особенно там, где требуется высокая кинематическая точность (делительные устройства стан¬ков, механизмы наводки и т. д.). Червячные передачи во избежание их перегрева предпочти¬тельно использовать в приводах периодического (а не непрерыв¬ного) действия.
6.1.3 Достоинства червячной передачи
1) Плавность и бесшум¬ность работы.
2) Компактность и сравнительно небольшая мас¬са конструкции.
3) Возможность большого редуцирования, т. е. получения больших переда¬точных чисел (в отдельных случаях в не силовых передачах до 1000).
4) Возможность получе¬ния самотормозящей передачи, т. е. допускающей передачу дви¬жения только от червяка к колесу. Самоторможение червячной передачи позволяет выполнить механизм без тормозного устрой¬ства, препятствующего обратному вращению колеса.
5) Высокая кинематическая точность.
6.1.4 Недостатки червячной передачи
1) Сравнительно низкий к. п. д. вследствие сколь¬жения витков червяка по зубьям колеса.
2) Значительное выделе¬ние теплоты в зоне зацепления червяка с колесом.
3) Необходи¬мость применения для венцов червячных колес дефицитных ан¬тифрикционных материалов.
4) Повышенное изнашивание и склонность к заеданию.
6.1.5 Классификация червячных передач
В зависимости от формы внешней поверхности червяка (рис.2.5.2) передачи бывают с цилиндрическим (а) или с глобоидным (б) червяком.
Глобоидная передача имеет повышенный к.п.д., более высо¬кую несущую способность, но сложна в изготовлении и очень чувствительна к осевому смещению червяка, вызванному изнашиванием подшипников.
1. В зависимости от направления линии витка червяка чер¬вячные передачи бывают с правым и левым направлением линии витка.
2. В зависимости от числа витков (заходов резьбы) червяка передачи бывают с одновитковым или многовитковым червяком.
Рисунок 2.5.2. Схемы червячных передач
3. В зависимости от расположения червяка относительно колеса (рис. 2.5.3) передачи бывают: с нижним (а), боковым (б) и верхним (в) червяками. Чаще всего расположение червяка диктуется условиями компоновки изделия. Нижний червяк обыч¬но применяют при окружной скорости червяка u1?5 м/с во избежание потерь на перемешивание и разбрызгивание масла.
4. В зависимости от формы винтовой поверхности резьбы цилиндрического червяка передачи бывают: с архимедовым, конволютными и эвольвентным червяками. Каждый из них требует особого способа нарезания.
Рисунок 2.3.3 Виды расположения червяка
Эвольвентным червяк представляет собой цилиндрическое косозубое колесо с эвольвентным профилем и с числом зубьев, равным числу вит¬ков червяка.
Практика показала, что при одинаковом качестве изготовле¬ния форма профиля нарезки червяка мало влияет на работоспо¬собность передачи. Выбор профиля нарезки червяка зависит от способа изготовления и связан также с формой инструмента для нарезания червячного колеса.
Наибольшее распро¬странение получили архимедовы червяки рис. 2.5.4.
Рисунок 2.5.4 Архимедов червяк
6.1.6 Основные геометрические соотношения в червячной передаче
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 расчетных модулей m выбирают из ряда: 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20 мм.
6.1.7 Основные геометрические размеры червяка (рис. 2.5.6):
Рисунок 2.5.6 Геометрические параметры червяка
угол профиля витка в осевом сечении 2а = 40°
расчетный шаг червяка (2.5.1),
откуда расчетный модуль (2.5.2),
ход витка (2.5.3),
где z1 — число витков червяка;
- высота головки витка червяка и зуба колеса; 
- высота ножки витка червяка и зуба колеса;
- делительный диаметр червяка, 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.
Чтобы червяк не был слишком тонким, q
увеличивают с уменьшением m
. Тонкие червяки при работе получают большие прогибы, что нарушает правильность зацепления.
Значения коэффициентов диаметра червяка q выбирают из ряда: 7,1; 8,0; 9,0; 10,0; 11,2; 12,5; 14,0; 16,0; 18,0; 20,0; 22,4; 25,0.
Длина нарезанной части червяка зависит от числа витков.
6.1.8 Основные геометрические размеры червячного колеса
Рисунок 2.5.7 Геометрические параметры червячного колеса
диаметр вершин витков (2.5.4),
диаметр вершин витков (2.5.5),
делительный диаметр (2.5.6),
диаметр вершин зубьев (2.5.7),
диаметр впадин колеса (2.5.8)
межосевое расстояние — главный параметр червячной передачи
где -коэффициент смещения инструмента,
наибольший диаметр червячного колеса
Ширина венца червячного колеса зависит от числа витков червяка: В ГОСТе рекомендуются сочетания параметров z1, z2, q, m,обеспечивающие при стандартных межосевых расстояниях получение различных передаточных чисел u..
6.1.9 Конструктивные элементы червячной передачи
В большинстве случаев червяк изготовляют как одно целое с валом, для обеспечения жесткости червяка.
Для экономии бронзы зубчатый венец червячного колеса изготовляют отдельно от чугунного или стального диска:
1) колесо с напрессованным венцом. Эта конструкция применяется при небольшом диаметре колес в мелкосерийном производстве (рис. 2.5.8).
Рисунок 2.5.8 Колесо с напрессованным венцом
2) колесо с привернутым венцом. Такую конструкцию применяют при диметрах колеса более 400мм (рис.2.5.9)
Рисунок 2.5.9 Колесо с привернутым венцом
3) колесо с венцом, отлитым на стальном центре. Эту конструкцию применяют в серийном и массовом производстве (рис. 2.5.10)
Рисунок 2.5.10 колесо с отлитым венцом Теги; Червячные передачи, червячный вал, венец червячный, бронзовый червяк, винтовая передача, червячная передача, винт червячый, червячная шестерня, червяк редуктора червяк, шестерни, червячный венец, колесо червячное