Лекция 7. Общие сведения о червячных передачах.
Геометрические соотношения в червячной передаче. Скольжение в зацеплении червячной передачи. КПД передачи. Силы в зацеплении червячной передачи. Контрольные вопросы
7.1 Общие сведения о червячных передачах
7.1.1 Червячная передача (её называют еще зубчато-винтовой) представляет собой кинематическую пару, состоящую из червяка и червячного колеса (см. рисунок 2.5).
Червячную передачу можно представить себе как модификацию винтовой пары, иллюстрированную рисунком 7.1. Эта пара содержит винт 1 и весьма длинную гайку 2. Винт опирается на подшипники 3. Если гайку 2 разрезать вдоль оси на части и b и затем меньшую часть согнуть в кольцо резьбой наружу, то получится обод червячного колеса 5, который может войти в зацепление с тем же винтом, теперь уже червяком 4, и образовать червячную пару.
1, 2 − винт и гайка, образующие исходную винтовую пару; 3 − подшипник; 4, 5 − червяк и червячное колесо, полученные в результате модифицирования винтовой пары.
Рисунок 7.1 − Иллюстрация образования червячной передачи из винтовой пары
Червячная передача принадлежит к пространственным передачам с перекрещивающимися осями червяка и колеса. Ведущим звеном в передаче является, как правило, червяк, ведомым – колесо. Углы скрещивания осей могут быть самые различные, но преобладает угол 90°.
Червяк – это винт с резьбой (её называют еще нарезкой) специального профиля. Червячное колесо представляет собой разновидность косозубого цилиндрического колеса. Но в отличие от него обод червячного колеса имеет вогнутую форму (см. рисунки 2.5 и 7.1). Такая форма обеспечивает охват червяка колесом, что увеличивает длину контактных линий в зацеплении.
Направление и угол наклона зубьев червячного колеса такие же, как у червяка. Резьба червяка может быть однозаходной или многозаходной. (Различие этих резьб иллюстрирует рисунок 2.6). Наиболее распространена правая резьба с числом заходов .
7.1.2 По форме поверхности, на которой выполняется резьба червяка, различают передачи с цилиндрическими червяками − цилиндрические и передачи с глобоидными червяками − глобоидные. Оба типа передач иллюстрированы рисунком 7.2.
а)
б)
1 − червячное колесо; 2 − цилиндрический червяк; 3 − глобоидный червяк.
Рисунок 7.2 − Иллюстрация цилиндрической (а) и глобоидной (б) червячных передач
Цилиндрический червяк − это винт с резьбой, нарезанной на цилиндре. В зависимости от особенностей профиля резьбы различают следующие цилиндрические червяки:
архимедовы;
конволютные (Convolution − виток);
эвольвентные;
с вогнутым профилем витков.
Все они иллюстрированы рисунком 7.3. Архимедов червяк пред-ставляет собой винт с резьбой, имеющей в осевом сечении прямолинейные очертания профиля (трапецеидальная резьба). В поперечном сечении витки очерчены архимедовой спиралью, отсюда и название червяка. Архимедов червяк зачастую нарезают на токарно-винторезном станке фигурным резцом. Режущим кромкам резца придают очертания впадины между витками, что иллюстрируется рисунком 7.3а.
1, 2, 3 − положение резцов по отношению к заготовке при нарезании на токарно-винторезном станке соответственно архимедова, конволютного и эвольвентного червяков;
а, б, в, г − соответственно червяки архимедов, конволютный, эвольвентный и с вогнутым профилем витков.
Рисунок 7.3 − Иллюстрация различных типов цилиндрических червяков
Конволютный червяк отличается от архимедова тем, что прямолинейные очертания профиля резьбы он имеет не в осевом сечении, а в сечении нормальном к витку резьбы. Конволютный червяк, как и архимедов, может быть нарезан на токарно-винторезном станке, но резец при этом должен быть повернут под соответствующим углом к оси заготовки червяка, как показано на рисунке 7.3б. В торцевом сечении витки конволютного червяка имеют эвольвентные очертания.
Эвольвентные червяки представляют собой косозубые колеса с весьма малым числом зубьев (1...4, иногда больше) и очень большим углом их наклона. Профиль зуба (витка) эвольвентного червяка в поперечном сечении очерчен эвольвентой. Эвольвентная поверхность имеет прямолинейный профиль в сечении плоскостью, касательной к основному цилиндру червяка. Поэтому эвольвентные червяки могут в принципе нарезаться, как и предыдущие две разновидности, на токарно-винторезном станке (см. рисунок 7.3в). При этом обрабатываться должны правая и левая стороны впадины поотдельности, а резцы должны устанавливаться один выше оси заготовки, другой ниже, как показано на рисунке 7.3в.
Червяки с вогнутым профилем витков резьбы являются сравнительно новым и перспективным техническим решением, еще не получившим широкого распространения. В передачах с этими червяками линии контакта зубьев червячной пары располагаются более благоприятно, поэтому заметно повышается КПД и на 30...60% увеличивается нагрузочная способность по сравнению с другими цилиндрическими червячными передачами.
Нарезание резьбы червяка на токарно-винторезном станке малопроизводительно, особенно это касается эвольвентных червяков. Поэтому более распространено нарезание специальными модульными фрезами методами, сходными с методом копирования при нарезании цилиндрических зубчатых колес (см. пункт 5.1.2).
Практика показывает, что передачи с архимедовыми, конволютными и эвольвентными червяками по нагрузочной способности отличаются мало. Поэтому выбор того или иного типа передачи связан обычно с технологическими возможностями конкретного производителя передачи.
7.1.3 В передачах с архимедовыми, конволютными и эвольвентными червяками профили зубьев червячных колес эвольвентные. Следовательно, в сечении, проходящем через ось червяка и среднюю плоскость колеса, зацепление такой червячной передачи можно представить как эвольвентное зацепление зубчатого колеса с зубчатой рейкой. Это зацепление может быть нормальным, т. е. выполненным без смещения (без модифицирования) или со смещением. (О нарезании со смещением см. подробнее подраздел 5.3). В технике преобладают червячные передачи без смещения. К передачам со смещением обычно обращаются при необходимости вписаться в заданное межосевое расстояние. На практике такие передачи выполняют путем радиального смещения режущего инструмента (фрезы) относительно заготовки червячного колеса при его нарезании.
Нарезание зубьев червячного колеса, иллюстрированное рисун-ком 7.4, производится уже знакомым вам методом обкатки. Применяется при этом один и тот же инструмент, независимо от того, выполняется нарезание со смещением или без смещения. А так как и червяк и червячная фреза для нарезания зубьев колеса должны иметь строго взаимосвязанные размеры, то червячная передача со смещением выполняется только за счет колеса.
1 − фреза; 2 − заготовка червячного колеса.
Рисунок 7.4 − Схема нарезания зубьев червячного колеса
7.1.4 Глобоидные передачи (см. рисунок 7.2 б) по сравнению с распространенными широко передачами цилиндрическими имеют в 1,5...2 раза большую нагрузочную способность. Это достигается увеличенным числом зубьев в зацеплении за счет охватывающей формы червяка и более благоприятным расположением контактных линий в зацеплении. Последнее свойство улучшает условия смазывания и несколько понижает потери от трения. Преобладают глобоидные передачи с прямолинейными профилями зубьев колеса и витков червяка в центральной плоскости. Передачи этого типа стандартизованы.
Технология изготовления и сборки глобоидных передач существенно сложнее, чем передач цилиндрических. При сборке необходима точная регулировка и фиксация осевого положения не только червячного колеса (как в передачах цилиндрических), но и червяка. Поэтому области применения глобоидных передач довольно ограничены.
7.1.5 Червячные передачи имеют довольно широкое распространение в технике, так как позволяют получить компактный редуктор с большим передаточным отношением (до 50 и более) в одной ступени. К тому же их отличает плавность работы и низкий уровень шума.
Вместе с тем, КПД червячной передачи (см. ниже) значительно меньше, чем у аналогичной по передаточному отношению зубчатой передачи. Поэтому червячные передачи проектируют на малые и средние мощности, обычно до 20 кВт, и редко − до 50 кВт и более.