Расчет червячной передачи: коэффициент нагрузки, межосевое расстояние. Достоинства и недостатки червячной передачи

Червячные передачи широко используются в машиностроении благодаря ряду преимуществ. Они обеспечивают плавность и бесшумность работы, высокое передаточное число при компактных размерах. Но есть и недостатки: низкий КПД, ограничения по нагрузочной способности, необходимость смазки и охлаждения. Рассмотрим подробнее особенности расчета и проектирования червячных передач.

Назначение и применение червячных передач

Червячные передачи применяются в редукторах, подъемно-транспортных механизмах, металлорежущих станках, робототехнике и другом промышленном оборудовании.

Их основные преимущества:

• высокий КПД (до 90-98%)
• большой диапазон передаточных чисел (до 100)
• высокая нагрузочная способность при небольших размерах
• плавность и бесшумность работы
• возможность самоторможения

Конструктивно червячная передача состоит из червяка и червячного колеса. Червяк представляет собой винтовую поверхность, а колесо имеет нарезанные на нем зубья, которые входят в зацепление с витками червяка.

Виды червячных передач и их элементы

Различают цилиндрические червячные передачи с архимедовым, конволютным или эвольвентным профилем червяка и глобоидные передачи.

Основными геометрическими параметрами червячной передачи являются:

• модуль зацепления m
• коэффициент диаметра червяка q
• число заходов червяка z₁
• межосевое расстояние a_w
• делительный диаметр d

Материалы для изготовления элементов червячной передачи

Для изготовления червяков обычно используют закаленные конструкционные или инструментальные стали (40Х, 30ХГСА). Они обеспечивают высокую износостойкость рабочей поверхности.

Червячные колеса чаще всего отливают из бронзы (БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5) или высокопрочного чугуна (ВЧ40, ВЧ50). Материалы должны иметь высокие прочностные характеристики, чтобы выдерживать циклические нагрузки в зацеплении.

Коэффициент полезного действия червячной передачи

Величина КПД червячной передачи зависит от точности изготовления, класса чистоты поверхностей, вязкости смазки и других факторов. Обычно КПД составляет 0,9-0,98 для высокоточных передач и 0,7-0,8 для передач общего назначения.

расчет червячной передачи по контактным напряжениям

Контактные напряжения являются определяющим фактором при расчете червячных передач. Их величина рассчитывается по формуле Герца:

σн = (170q/z2)×√{KH T2 [(1 +z2/q)/aw] 3}

Из этой формулы можно определить минимально необходимое значение межосевого расстояния aw исходя из заданных нагрузок и допускаемых напряжений [σн] для материала колеса.

Коэффициент нагрузки червячной передачи

Коэффициент нагрузки K_H учитывает условия работы червячной передачи. Он зависит от величины передаточного числа u и материала червячного колеса.

Для бронзовых колес рекомендуются значения K_H = 1-1,2, для чугунных колес K_H = 1-1,6 в зависимости от u.

Повышение K_H приводит к завышению контактных напряжений и снижению ресурса передачи.

Определение остальных параметров червячной передачи

После определения межосевого расстояния aw по контактным напряжениям, рассчитываются остальные геометрические параметры передачи:

1. Модуль зацепления m
2. Коэффициент диаметра червяка q
3. Число заходов червяка z₁
4. Делительный диаметр d

Расчет червячного колеса на прочность

После определения геометрии червячной передачи необходимо проверить прочность зубьев червячного колеса. Действуют контактные напряжения в зацеплении и напряжения изгиба.

Допускаемые напряжения [σ] для материала колеса (бронзы, чугуна) выбирают по справочным таблицам в зависимости от твердости поверхности червяка.

Тепловой расчет червячной передачи

Необходимо учесть тепловыделение в зацеплении и обеспечить достаточный отвод тепла, чтобы температура масла t_м не превысила предельного значения [t_м]. Иначе возможен перегрев и выход передачи из строя.

расчет передаточного числа червячной передачи

Передаточное число червячной передачи определяется отношением числа зубьев червячного колеса z₂ к числу заходов червяка z₁:

u = z₂/z₁

Типичные передаточные числа лежат в диапазоне 5-100. При больших значениях увеличиваются габариты и масса передачи.

Достоинства и недостатки червячной передачи

Достоинства:

• плавность и бесшумность работы
• высокий КПД (до 0,95-0,98)
• компактность при больших передаточных числах

Недостатки:

• необходимость регулярной смазки и охлаждения
• повышенный износ зубьев колеса
• низкая перегрузочная способность

Типы смазки червячных передач

Для уменьшения трения червячная пара требует обильной смазки. Применяют масляную ванну, разбрызгивание, циркуляционную смазку. Возможно также использование твердых смазок (графит, дисульфид молибдена).

Регулировка червячной передачи

После сборки червячной передачи нужно отрегулировать зацепление. Для этого обеспечивают требуемый зазор по длине между торцами червяка и крышками подшипниковых узлов.

Допуски на изготовление червячной передачи

Точность изготовления влияет на шумность и нагрев в работе. На червяк и червячное колесо устанавливаются допуски на биение, шероховатость поверхности, твердость и другие параметры согласно ГОСТ.

Методы повышения нагрузочной способности

Для увеличения нагрузочной способности применяют:

• упрочнение поверхности червяка
• оптимальный выбор смазки
• принудительное охлаждение
• повышение точности изготовления

Замена изношенных элементов червячной передачи

При капитальном ремонте часто ограничиваются заменой лишь червячного колеса, сохраняя червяк в работе. Это экономически целесообразно, так как восстановление червяка сложнее.

Создано много программ, позволяющих автоматизировать расчет червячных передач. Они выбирают оптимальные параметры исходя из заданных нагрузок и требований. Это ускоряет и упрощает проектирование.

Влияние температуры на работу червячной передачи

Повышение температуры приводит к разжижению смазки, снижению ее вязкости и ухудшению смазывающих свойств. Это усиливает трение и износ в зацеплении червячной передачи.

По повышению уровня вибрации корпуса и шума зацепления можно диагностировать проблемы в червячной передаче: износ, задиры, недостаток смазки и др.

Применение червячных передач в робототехнике

В роботах червячные редукторы широко используются в приводах суставов манипуляторов. Они отличаются высокой нагрузочной способностью при компактных размерах.

Ведутся работы по созданию бесконтактных магнитных червячных передач, а также применению новых материалов и технологий для повышения несущей способности и срока службы.

Особенности смазки высокоскоростных червячных передач

Для высокоскоростных передач требуются специальные масла стабильные при повышенных температурах. Применяют принудительную подачу смазки в зону зацепления.

Пластичные смазки применяются в малогабаритных червячных передачах с невысокими скоростями. Они обеспечивают надежную смазку зубчатого зацепления в течение длительного срока без долива.

Уплотнения валов червячной передачи

Для предотвращения утечек смазки используются различные типы уплотнений: манжеты, сальники, лабиринтные и др. Правильный выбор уплотнения влияет на срок службы передачи.

Для оперативной диагностики встраивают датчики температуры масла, вибрации корпуса, осевого положения валов и др. Это позволяет своевременно обнаруживать неисправности и предупреждать поломки.

Сравнение с другими типами механических передач

По сравнению с зубчатыми и ременными передачами, червячные имеют меньший КПД, но большую нагрузочную способность в расчете на единицу объема. Компактные размеры и плавность хода делают их незаменимыми во многих областях.

Разрабатываются новые конструкции червячных передач с улучшенными массогабаритными показателями, повышенным сроком службы и расширенным диапазоном рабочих температур для применения в высоконагруженных и высокоскоростных приводах.

Заключение

Статья посвящена методам расчета червячных передач - популярного вида механических передач, часто используемых в различных областях. Рассмотрены особенности проектного расчета червячных передач, в том числе по контактным напряжениям, прочности и нагреву. Отдельное внимание уделено определению коэффициента нагрузки, выбору межосевого расстояния и других ключевых параметров передачи. Приведены как достоинства, так и недостатки данного типа передач.