Червячная передача: что такое и как работает

В данной статье мы подробно рассмотрим, что такое червячная передача и как она работает.

04.11.2024

В большинстве случаев параметры механической энергии от приводного двигателя не совпадают с требуемыми характеристиками оборудования. Для согласования работы силового агрегата и машины применяют механические передачи. Рассмотрим конструкцию, принцип работы, виды, достоинства и недостатки одного из самых распространенных механизмов для преобразования скорости, момента и направления движения – червячной передачи.

Конструкция и принцип действия

Червячная передача состоит пары: вал с винтовой резьбой (червяк) – зубчатое колесо. Элементы сопряжены под углом посредством зацепления зубьев шестеренке с резьбой червяка. Величина угла обычно составляет 900. Последний служит ведущим элементом, насаженное на выходной вал зубчатое колесо – ведомым.

Передача работает следующим образом. При передаче вращения валу с резьбой, ее витки начинают перемещаться вдоль поверхности. Движение передается находящемуся в зацеплении с червяком зубчатом колесу, которое начинает вращаться. При этом момент и угловая частота на ведущем и ведомом валу будут различаться.

Разницу определяет передаточное число червячной пары. Параметр равен отношению I=n1/n2 , где I – передаточные отношения, n1 – количество зубьев шестеренки, n2 – количество заходов витка резьбы червяка.

Валы с резьбой производят из среднеуглеродистой или легированной стали. Для увеличения твердости до 45 HRC и выше червяк подвергают закалке. Зубчатые колеса обычно изготавливают из 2 разных сплавов, центральную часть – из серого чугуна, зубчатый венец – из бронз или латуней различных марок.

Выбор материалов обусловлен распределением нагрузок при работе червячной передачи. Вал с резьбой подвергается значительным воздействиям изгиба, кручения, растяжения и сжатия, для их производства применяют твердые стали с термообработкой.

Венцы шестеренок могут повреждаться от трения при передаче вращения, особенно на средних или высоких скоростях. Чем больше скорость скольжения, тем выше должны быть антифрикционные свойства.

Зубчатые колеса для передач с небольшими скоростями скольжения меньше 2-3 м/с производят целиком из серого чугуна. Венцы шестеренок для устройств, рассчитанных на скорость 5-25 м/с изготавливают из оловянных бронз и латуней, венцы зубчатых колес на окружную скорость 3-5 м/с – из безоловяных сплавов на основе меди.

Таким образом, ведущий элемент передаточной пары производят из твердых материалов, ведомый – из антифрикционных сплавов.

Классификация

Червячные передачи различают по положению зубчатого колеса относительно винта, количеству заходов резьбы, конфигурации червяка, форме профиля резьбы, ее направлению, типу зубчатого колеса и другим параметрам.

В промышленных приводах применяют передачи с верхним, нижним или боковым положением винтового вала относительно зубчатого колеса. Механизмы с верхним положением червяка обычно рассчитаны на высокую скорость вращения, передачи с нижним положением – на низкую угловую частоту. Скорость не всегда определяет положение ведущего элемента относительно зубчатого колеса, в ряде случаев оно определяются компоновкой механизма.

По положению вала, на котором размещено зубчатое колесо различают:

• Передачи с вертикальным ведомым валом.
• Механизмы с горизонтальным ведомым валом.

По форме внешней поверхности червячного звена различают оборудование с цилиндрическими и глобоидными передачами. Сечение первых имеет форму рейки с прямо- или криволинейными сторонами. Осевое сечение вторых – радиусная рейка с прямыми боковыми сторонами. Глобоидные передачи дороже, сложнее в производстве, больше подвержены нагреву, однако за счет большей контактной длины и лучшей конфигурации контактных линий обладают более высоким КПД и способны выдержать нагрузку в 2-3 раза больше, чем механизмы с цилиндрическим червяком.

По конфигурации червячного звена выделяют:

• Передачи с трапециевидной резьбой. Профиль винта – трапеция.
• Механизмы с архимедовыми винтами. Поперечное сечение червяка представляет собой архимедову спираль.
• Передачи с конволютными червяками. Профиль витков такого вала – конволютная винтовая поверхность.
• Механизмы с эвольвентным винтами. Зубья червячного звена выполнены с очень большим углом наклона к образующей цилиндрического сечения.

Также выпускают механизмы с вогнутым профилем резьбы червячного звена.

В зависимости от направления резьбы бывают передачи с правым и левым винтом. В первых при вращении вала по часовой стрелке резьба визуально «отдаляется», во вторых – «приближается» к наблюдателю.

Передачи также различают по профилю зубьев шестеренки и ее типу. По второму признаку предусмотрена следующая классификация:

• Передачи с полным колесом. В таких механизмах вращение передается непрерывно. Применяется в транспорте, приводе промышленного оборудования.
• Механизмы с зубчатым сектором. Передача осуществляет поворот на определенный угол. Используется в исполнительных механизмах, органах регулирования.
• Передачи с вырожденным сектором. В механизмах рабочая длина сектора меньше аналогичного параметра червяка. Используются в приводах, где необходимо передать высокий момент.

По профилю зубьев шестеренчатого звена различают колеса:

• C прямым зубом. Контакт с винтовым валом осуществляется по точке. Такие передачи применяют в малонагруженных приводах и оборудовании.
• С вогнутым зубом. Венец шестерни охватывает червяк, контакт осуществляется по линии. Такая конструкция позволяет передавать большую мощность.
• С роликом. Зубья заменены роликом. Механизмы такого типа применяют в высоконагруженном оборудовании.

Количество заходов резьбы характеризует число винтовых линий вала с резьбой, по этому параметру различают одно-, двух-, трех-, четырехзаходные червяки. Первые имеют 1 гребень по линии винта, остальные по 2, 3 или 4 гребня соответственно.

По назначению различают:

• Силовые передачи. Положение вала и шестеренки в таких устройствах фиксированное, регулировка невозможна. Механизмы применяют в промышленном и грузоподъемном оборудовании.
• Кинематические червячные механизмы. Положения винта и зубчатого колеса от относительно друг друга может регулироваться. Кинематические передачи используют в транспортных средствах, спецтехнике, приводе станков.

ГОСТ 9774-81, ГОСТ 3675-81 устанавливают классификацию по степени точности. По этому признаку различают передачи 12 степеней точности. В приводе промышленных механизмов наиболее часто встречаются механизмы с 5 по 9 степень включительно. Для каждой установлены нормы окружной скорости, плавности, площади контакта витка резьбы и зуба, бокового зазора и других параметров. Требования возрастают в порядке убывания обозначающей цифры. Таким образом, самые высокие нормы установлены для механизмов 1 степени точности, самые низкие – для 12.

Преимущества

Червячные передачи широко применяют в транспорте и приводах различного оборудования. Устройства такого типа отличают следующие достоинства:

• Изменение направления движения. Оси вращения ведомого и ведущего валов расположены под углом 900. Это позволяет изменять направление передачи механической энергии, что часто требуется для оптимальной компоновки привода и оборудования.
• Большое передаточное число. Для одной червячной ступени передаточное число составляет до 6-80, для передаточных механизмов небольшой мощности до 120 и больше.
• Плавный ход. Особенности зацепления звеньев обеспечивают равномерное вращение выходного вала без рывков и ударов.
• Низкий уровень шума. Червячные редукторы работают намного тише цилиндрических и конических механизмов, что обусловлено особенностями зацепления.
• Кинематическая точность. Зубчатое колесо точно повторяет поворот червяка при отсутствии дефектов и износа резьбы.
• Самоторможение. При прекращении вращения входного вала винт останавливается, при этом обратная передача движения от ведомого звена блокируется благодаря особенностям конструкции. Это позволяет не применять в приводе дополнительные тормозные устройства.
• Небольшие размеры и масса. Червячные механизмы компактнее, чем передачи других типов аналогичной мощности.

Механизмы также имеют демпфирующие свойства. При передаче движения червячной передачей – уровень вибраций минимальный.

Недостатки

Недостатки червячных передач также обусловлены особенностями конструкции. При скольжении зубьев по витку возникает сильное трение в зацеплении, что:

• Уменьшает КПД до 0,92-0,7. Коэффициент полезного действия червячных передач с самоторможением еще ниже, он составляет 0,5.
• Значительный нагрев при работе. Вследствие этого возникает необходимость отвода тепла. Это достигается помещением механизма в ребристый корпус или обдувом воздухом.
• Применение в производстве дорогих материалов. Для снижения трения венцы шестеренчатого звена изготавливают из антифрикционных сплавов на основе меди, что существенно увеличивает стоимость устройств.
• Значительный износ и склонность к заеданию. Червячные механизмы изнашиваются быстрее, чем передачи других типов. Это часто приводит к заеданию и остановке вращения.
• Необходимость периодической регулировки. Для сохранения нормальных параметров зацепления положение винта и колеса относительно друг друга необходимо регулярно подстраивать.

Кроме того, невозможность передачи вращения в обратную сторону, делает невозможным применения червячных пар в реверсивных механизмах.

Недостатки механизмов можно несколько смягчить, уменьшив силу трения. Для этого уменьшают шероховатость поверхности зубьев и винта, применяют антифрикционные материалы и смазки.

Основные параметры

Параметры червячных механизмов разделяют на 2 группы: геометрические и механические. К первым относятся делительный диаметр, осевой модуль, диаметр впадин и вершин, длину нарезанной части виннового вала. Алогичные характеристики существуют для зубчатого колеса, за исключением нарезанной части.

К механическим параметрам относятся:

• Номинальный момент на входном и выходном валу. Червячные механизмы, применяемые в промышленном оборудовании, обычно увеличивают момент. Параметр характеризует подводимый и выходной рабочий момент.
• Скорость вращения ведущего и ведомого звена. Частота вращения входного вала должна отвечать характеристикам силового агрегата, выходного – требуемой угловой скорости оборудования.
• Передаточное число – отношение числа зубьев колеса к количеству витков на червячном винте. Величина показывает, насколько механизм изменяет момент или угловую скорость.
• Передаточное отношение — отношение частот вращения входного и выходного вала, либо крутящих моментов валов.
• Радиальная и осевая нагрузка – параметры характеризуют величину допустимых нагрузок, которые возникают в процессе эксплуатации.
• КПД. Характеристика определяется отношением подведенной механической мощности к выходной. Выражается в % или отвлеченной величине.

К основным характеристикам червячной передачи также относятся особенности конструкции: пространственное расположение валов, направление вращения каждого из них и другие параметры.

Область применения

Механизмы червячного типа чувствительны к ударным нагрузкам. Передачи применяют в оборудовании и приводах, работающих без частых включений, отключений, ударов и резкого изменения нагрузки.

Область применения устройств:

• Ленточные транспортеры и конвейеры.
• Станки для металлообработки.
• Грузоподъемные и тяговые лебедки.
• Подъемные краны.
• Лифты.
• Исполнительные механизмы.
• Манипуляторы.

Благодаря высокой кинематической точности червячные передачи также используются в точных приборах и оборудовании. Устройства также широко применяют в спецтехнике, автомобильном, водном транспорте.