Червячное зубчатое колесо

Зубчатые зацепления могут иметь оси валов в различных плоскостях Ведущая деталь – червяк, не имеет зубьев. Взамен них режется резьба с модулем, подобным шестерни. Червяк передает вращение на колесо червячное при помощи давления поверхности резьбовой нити на эвольвенту зуба при скольжении плоскостей по отношению друг к другу. У червячного узла маленький КПД и невозможна понижающая передача. Серьезное сопротивление не дает возможность колесу сдвинуть червяк. Это используется в подъемниках и устройствах с точностью перемещения.

Конструкция

Зубчато-винтовая передача была названа по ведущей детали, передающей вращающий момент. Ведомая деталь имеет зуб с косой нарезкой. По ободу радиальное занижение поверхности. Это повышает линию контакта нити резьбы и зуба.

Оси вращение деталей находятся под угол. В большинстве случаев это 90°, но может быть 45°. Применяется подобное размещение деталей в сильно нагруженных тихоходных передачах, со скоростью движения точки на поверхности с наружной стороны менее пяти метров/сек.

При взаимном действии передачи поверхность резьбы не толкает зубья по направлению вращения, а скользит по эвольвенте, как бы отодвигая ее. В результате появляется сильное трение и нагрев деталей в месте контакта.

Червячная пара должна отлично смазываться, охлаждаться и владеть антифрикционными качествами. Материал червяка менять нельзя, он режется из хромистой стали и проходит закалку, шлифовку поверхности резьбы или шугаровку – обработку пластиной с небольшой глубиной реза. Инструмент скорее продавливает поверхность резьбы, чем режет ее. Создается на верхнем слое наклеп, упрочняющий поверхность для работы, делающий ее гладкой.

Материал для венца

Венец зубчатого колеса делается из относительно мягкого материала с высоким сопротивлением стиранию. По большей части используются оловянные бронзы и латунь. Для низкоскоростных передач с ручным управлением разрешено делать венец из серого чугуна. В зависимости от частоты вращения зубчатый венец делается из материала:

• 5 – 25 м/сек – оловянистые бронзы ОФ10-1, ОНФ;
• ? 5 м/сек – Бр.АЖ9-4, алюминиево-железистая бронза;
• ? 2 м/сек – венец может быть из чугуна.

Бронза стоит намного дороже стали и мягче. Полностью из нее выполняются детали, размеры каких в границах 160 мм. Большие детали вытачиваются из стали и бронзовый на них только венец. Он нагорячо сажается на вал и крепится штифтами по линии соединения, чтобы венец не прокручивался. После того как остынет выполняется чистовая обработка колеса и режется зуб.

Расчет диаметра

Диаметр колеса рассчитывается по средней линии зуба – ширины зуба и впадины равны. Внешний, используемый для производства и расчетов радиус, устанавливается в теории. После окончания обработки, он находится за границами фактического обода колеса.

Скольжение происходит по линии делительного диаметра – середина зуба по высоте. Он рассчитывается по формуле:

где d₂ — делительный диаметр шестерни; m – модуль; z₂ – кол-во зубьев колеса.

Внешний радиус зуба имеет один центр с осью червяка.

Ширина зубчатого венца

Ширину венца червячного колеса формируют по числу витков винта по формуле:

где то₂ – ширина венца; 0,315 и 0,355 – расчетный показатель; Z₁ – кол-во заходов винтовой резьбы; a – межцентровое расстояние; a_w – расстояние с учетом смещения червяка относительно зубчатого колеса.

Расстояние смещения определяет размер зазора между рабочими элементами деталей.

Расчет передаточного числа передачи червячным методом

Ведущая деталь, передающая вращение – червяк, не имеет зубьев. На нем режется резьба с числом заходов: 1, 2, 4. Червяки с 3 виточками ГОСТом не учтены. Их можно рассматривать и рассчитывать только в теории. При расчитывании передаточного числа взамен количества зубьев шестерни берется число заходов резьбы.

Высчитать передаточное число передачи червячным методом, формула аналогична иным зубчатым зацеплениям:

где U – передаточное число; Z₁ – число заходов на червяке; Z₂ – кол-во зубьев на колесе.

Обратная передача крутящего момента от колеса на червячный вал невозможна. Из-за сильного трения зубьев и невысокого КПД передачи колесо не может быть ведущим. Это дает возможность не делать тормоза в подъемниках. Достаточно настраивать вращение червячного вала.

Расчет передаточного отношения

Величина передаточного отношения передачи червячным методом рассчитывается в отношении скорости скольжения червяка и вала.

Где V₁ – скорость скольжения червяка; V₂ – скорость скольжения червячного колеса. Подобно w₁ и w₂ угловые скорости; d_?1, d_?2 – диаметры.

Произведя подстановку формул значений скоростей скольжения, и математические сокращения получает формулу передаточного отношения передачи червячным методом:

Где i – передаточное отношение. В червячном зацеплении оно равно передаточному числу.

Характеристики зубчато-винтовых передач нормируются по ГОСТ 2144-76. Для червяка с 1 и 2 заходами передаточное число как правило имеет значение 8-80. Для 4-заходных червяков разбег значений меньше, в границах 30-80.

Классификация

В направлении витка передачи в своем большинстве бывают правыми. Порой встречается левое направление нити.

Червячные зацепления классифицируются по форме поверхности с наружной стороны червяка:

Вогнутая поверхность ведущей детали повышает кол-во зубьев, присутствующих одновременно в зацеплении. В результате увеличивается КПД и мощность передачи. Минус глобоидных червяков в трудности изготовления. Витки обязаны быть одинаковой высоты при вогнутой поверхности с наружной стороны.

По форме нити резьбы отличают червяки:

• архимедов;
• конволютный;
• нелинейный.

Архимедов червяк выделяется прямой в сечении эвольвентой. У конволютного конфигурация выпуклая, близкая к форме обыкновенной шестерни. Нелинейные профиля имеют выпуклую и вогнутую поверхность.

Зубчатое колесо имеет зуб наклонный обратной формы, по форме схожий с впадиной между нитками.

Расположение червяка относительно колеса может быть:

Верхнее прекрасно подойдет для быстроходных передач. Боковое наиболее компактное. При картерном способе смазки – масло находится в поддоне и нижняя деталь, вращаясь, смазывает другие, удобнее нижнее расположение червяка.

Червячные колеса относятся к косозубым. Оси деталей находятся в большинстве случаев под угол 90°. В сильно нагруженных механизмах угол может быть 45°.

Зубчатые колеса по профилю зуба разделяют:

По типу они бывают:

• с непрерывным вращением – полные;
• зубчатый раздел.

Раздел может быть самой разной величины, от половины круга, до рабочей длины короче червяка.

Плюсы и минусы

Спецификой передачи червячным методом считается наличие тормозящего момента и большой интервал передаточных чисел и крутящего момента. К позитивным свойствам относятся:

• передаточное число в границах 8–100;
• работает тихо;
• начало вращения и остановка происходят медленно;
• большая точность перемещений;
• возможность смещения на малую величину;
• компактность узла;
• самотормозящая передача.

Передача движения в паре червяк и червячное колесо возможна только в одном направлении. При попытке ведомой детали провернуться, появляется тормозящий момент. Это применяют в приводе поворота и подъемных механизмах.

Главный минус в потерях мощности, которые связаны с большим трением. Это приводит к быстрому изнашиванию деталей, особенно колеса. К минусам относятся:

• невысокий КПД;
• трение;
• крепкий нагрев;
• изготовление венца из дорогого материала;
• регулярное заедание;
• быстрое изнашивание;
• систематическая регулировка зацепления подтягиванием червяка;
• не простое изготовление.

Червячное зацепление просит высокой правильности изготовления винтового зацепления и чистоты обработки. Передача не переносит попадание в зону для работы пыли и прочего мусора. Просит интенсивной смазки и охлаждения.

Использование механизма

Зубчато-винтовый механизм способен при малых габаритах заменить многоступенчатый редуктор. Его передаточное число устанавливается значением 100, в некоторых узлах может быть намного больше.

Использование передачи червячным методом имеет смысл в механизмах, требующих большой точности при маленькой скорости:

• червячные редуктора;
• в подъемных механизмах;
• лифтах;
• лебедках;
• рулевых механизмах;
• точная доводка положения инструмента в станках;
• корректировка в ЧПУ;
• приборах.

По большей части применяется самоторможение и точность перемещения.

Нарезание червячных колес

Во время проектирования создается модель червячного колеса. По ней легко сориентироваться с вариантом нарезки:

Торцевой просит инструмента, точно повторяющего червяк. Даёт хорошую точность и чистоту обработки. Фрезу ставить тяжело, нужно, чтобы в конце обработки она имела положение относительно колеса, точно подходящее червяку.

Нарезка зубьев на венце

По наружному диаметру червячное колесо имеет полукруглое углубление. Это дает возможность лучше примыкать деталям по эвольвенте и смещать ось, делая больше площадь контакта. Центр радиуса углубления должен быть одинаковым с осью червяка.

Фрезы для нарезки червячного колеса обязаны быть с подобным же наружным диаметром, как червяк. Внешне она повторяет форму ведущей детали, исключительно в качестве непрерывной линии резьбы ряды резцов. Режущая пластина по форме точно повторяет нитку резьбы, но шире нее на размер зазора. В результате конфигурация ответной детали – червячного колеса, точно повторяет формы резьбы, впадины совпадают с выступами нитей.

Фреза выставляется в плоскости оси червяка, касаясь его поверхности. Зубчатый венец крутится вокруг вертикальной оправки или своего вала, обеспечивая тангенциальную подачу поверхности с наружной стороны относительно оси инструмента для резки. Нарезка червячных колес происходит при синхронном движении инструмента и детали, крутящихся вокруг собственных осей. Отношение частоты вращения устанавливается передаточным числом. С каждым оборотом венец придвигается ближе к вращающейся фрезе.

Подача инструмента для резки возможна сверху и снизу. Но во многих случаях применяют радиальную нарезку, как самую удобную и точную.

Ремонтная нарезка

Порой нужно сделать одну деталь, чтобы ее заменить в редукторе. В мастерской не всегда есть полный набор фрез со всеми нормализованными диаметрами.

Если червячное колесо порезать фрезой большим диаметром, чем радиус червяка, то прилегание будет хуже, пятно контакта меньше. Линия скольжения сместится к вершине зуба. При нарезании меньшим диаметром с подобным же модулем, нагрузка будет на вершину нити резьбы. Погрешность можно возместить сдвигом инструмента и регулировкой расстояния между осями. Но трение и износ все равно будут больше, КПД упадет.

Порезать червячное колесо фрезой с диаметром больше червяка можно для беззазорного сцепления. В данном случае применяется специализированная фреза с различными углами профиля для правой и левой стороны. Ось фрезы выворачивается в сторону увеличения наклона зуба. Обыкновенные зубофрезерные станки нужно реконструировать для обработки беззазорного сцепления.

Из-за отсутствия зазора между рабочими элементами, поверхность быстро стирается и приходится часто делать регулировку. Беззазорные сцепления используются при большой точности и чрезмерной нагрузке с небольшой активностью пары, к примеру, в прокатных станах для регулировки прижима валков – толщины прокатываемого металла.

Для производства нескольких либо одного колес с нетрадиционными размерами может использоваться оправка с одним резцом по форме впадины между зубьями. Инструмент крутится регулярно. Колесо крутится синхронно с инструментом. После любого оборота реза проворачивается на размер модуля зуба и за полный оборот, подвигается к оправке с резцом на глубину реза.

Минус способа изготовления венца в продолжительности процесса. Один резец обрабатывает деталь во много раз длительнее, чем фреза. Взяв во внимание стирание резца, необходимо делать черновую и чистовую обработку.

Червячное колесо отличается от других собственным видом и способом обработки. Оно выполняется точно под конкретный червяк.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.