Червячная передача.
План
1. Введение
2. Немного истории
3. Червячная передача сегодня\Общие понятия
4. Конструкция
4.1. Вал(червяк)
4.2. Колесо
5. Функционирование
6. Применение
7. Плюсы и минусы червячного редуктора
8. Заключени
1. Введение
Всякое новое – это хорошо забытое старое, как часто мы ловим себя на этой мысли глядя на «последний писк» моды или прослушав музыкальные произведения нынешних хит-парадов. Но сколько человек подумает также глядя на современные машины? Глупость – подумают многие и будут неправы, ведь первый самолет появился на чертежах Леонардо да Винчи появился за несколько веков до самолета братьев Райт.
И ведь таких «велосипедов» в современной механике, которые были открыты заново великое множество. Самолет, о котором говорилось раньше, танк (который, кстати, тоже нашел первое свое отражение в чертежах Леонардо) и это лишь капля в море. Все эти изобретения ждала участь «велосипеда», который открыли заново в начале-конце 19 века. Но сегодня хотелось бы рассказать об изобретении более древнем, чем первый самолет или первый танк Леонардо да Винчи.
Червячная передача – первое упоминание о которой можно встретить еще у древних египтян, живших почти 4000 лет назад, вот тема моего исследования.
2. Немного истории
2.1. Античность
Первое применение зубчатых передач началось несколько тысячелетий назад. В Древнем Египте на берегах Нила для орошения плодородных земель уже использовались оросительные устройства, состоявшие из деревянной зубчатой передачи и колеса с большим числом ковшей. Такое устройство приводилось в действие быком. Вода поднималась на более высокий уровень и по каналам доставлялась к потребителю.
Первоначально зубчатые колеса изготовлялись ремесленниками и имели самую простую форму. Вместо зубьев применяли деревянные цилиндрические или прямоугольные пальцы, которые устанавливали по периферии деревянных ободьев.
Сама по себе идея механической передачи восходит к идее колеса. Простейшая колесная передача работает следующим образом. Пусть два колеса с параллельными осями вращения плотно соприкасаются своими ободьями. Если одно из колес начинает вращаться (его называют ведущим), то благодаря трению между ободьями начнет вращаться и другое (ведомое). Причем пути, проходимые точками, лежащими на их ободьях, равны. Большее колесо будет делать, по сравнению со связанным с ним меньшим, во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его диаметр превышает диаметр последнего. Если ведомым будет меньшее колесо, мы потеряем на выходе в скорости, но зато крутящий момент этой передачи увеличится в два раза. Эта передача удобна там, где требуется «усилить движение» (например, при подъеме тяжестей). Таким образом, применяя систему из двух колес разного диаметра, можно не только передавать, но и преобразовывать движение. В реальной практике передаточные колеса с гладким ободом почти не используются, так как сцепления между ними недостаточно жесткие и колеса проскальзывают. Этот недостаток античными изобретателями был устранен - вместо гладких колес начали использовать зубчатые. Так и появились первые редукторы. Но широкое распространение они получили значительно позже.
2.2. Средние века
Главным вдохновителем для механики средних веков стал гений Эпохи возрождения – Леонардо да Винчи. Леонардо стал изобретателем многих вариантов зубчатых передач (к сожалению не востребованных при жизни гения) от простейших зубчатых, до весьма сложной глобоидной червячной, в которой поверхность ведущего элемента (винта или червяка) имеет вогнутую форму и охватывает ведомую шестерню под большим углом. Леонардо начертил эскизы устройств для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. Он сконструировал коническую и спиральную передачи, придумал роликовую цепь, которая и сегодня применяется в велосипедах, мотоциклах и множестве других механизмов. Конструирование сложных машин и их элементов привело Леонардо к созданию основ теории передаточных механизмов - пространственных и плоских зубчатых зацеплений, передач с гибкими звеньями и с переменными скоростями вращения. Оно послужило фундаментом, на котором спустя века выросла классическая инженерная механика, обретшая строгую математическую форму только в Новое время, когда индустриализация Европы востребовала все накопленное цивилизацией научное наследие.
2.3. Новое время
Промышленная революция ознаменовалась переходом от деревянных передач к металлическим. Современные (для того времени) движители могли создавать усилия, которые попросту не выдерживали деревянные детали. Промышленная революция ознаменовалась переходом от деревянных передач к металлическим. Ветряные и водяные движители уже могли создавать усилия, которые не выдерживали деревянные детали. Поиск новых источников энергии и создание механизмов, способных заменить ручной труд, явились одним из основных факторов промышленной революции. Только во Франции к началу 18 века имелось 80 тыс. мукомольных мельниц, 15 тыс. мельниц, используемых в промышленных целях, и 500 мельниц для измельчения железной руды. По сравнению со Средними веками, передаточные механизмы начали использоваться очень широко. От мельниц с помощью зубчатых и ременных передач приводились в движение токарные станки, сверлильные станки, роликовые станки для получения металлических листов и ротационные резаки для их разрезания, вентиляторы для шахт, шахтные подъемники и насосы для шахт с цепным приводом. Для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное с целью приведения в действие ударных устройств средневековые мастера стали применять кулачковый и кривошипный механизмы. Таким образом, механизированные фабрики Европы Нового времени в результате промышленной революции заменили ручной труд машинами, а также сконцентрировали большие мощности на относительно небольших площадях. Однако передаточные механизмы были в 17-18 веках достаточно громоздкими и неэффективными.
С появлением паровой машины возникла необходимость в передаче еще больших мощностей. Соответственно, потребовалось конструировать металлические редукторы. К 1850 году ткацкие станки с механическим приводом были уже втрое производительнее ручных станков. Более дешевая энергия дала возможность повысить быстродействие станков, и это укрепило их экономическое преимущество. Паровой двигатель был достаточно мощным, чтобы приводить в движение несколько текстильных станков, и соответствующие станки приходилось размещать вокруг двигателя. Паровой двигатель также сделал возможным размещение производств не только у воды, а там, где были уголь, рабочие руки, рынки сбыта и транспорт. Новое время проводило и селекцию самых оптимальных конструкций зубчатых передач – тиражироваться начинали именно те, что давали максимальный экономический эффект. К середине 19 века, по-видимому, следует отнести появление первых серийных редукторов. Ну а появление во второй половине 19 века электрического привода, бензиновых и дизельных двигателей означало разработку редукторов с заданными параметрами. Зубчатые механизмы предназначались для передачи вращательного движения от высокооборотных двигателей и преобразования (снижения) его параметров. Даже самые первые электродвигатели и ДВС обладали скоростью и моментом, как правило, не подходящим для использования в технологическом процессе.
Это сегодня трудно найти такую машину, в которой нет какой бы то ни было механической передачи. Они применяются практически во всех машинах, во всех разновидностях технологического оборудования. Но, как мы видим, механические передачи прошли многовековой путь развития.
3. Червячная передача сегодня\Общие понятия
Червячная передача (зубчато-винтовая передача) – один из видов механической передачи осуществляющаяся зацеплением червяка и сопряжённого с ним зубчатого колеса. Червячная передача служит для получения вращения между валами, пересекающимися в одной плоскости. Передача состоит из винта (червяка) и винтового колеса, которые находятся в зацеплении. При вращении червяка витки ведут зубцы колеса и заставляют его вращаться.
Обычно вращение от червяка передается колесу. Обратная передача почти не встречается из-за самоторможения. Благодаря большому передаточному числу червячная передача широко применяется в качестве механизма для снижения числа оборотов — редуктора.
С точки зрения геометрии и кинематики червячные передачи сочетают в себе свойства передач зацеплением (зубчатых) и винтовых пар. Сочетание признаков различных механизмов определяет особенности работы червячного зацепления и подходов к проектированию передачи. Изучение особенностей конструкций червячных редукторов и геометрии передач – это задача данной работы.
4. Конструкция
Изобретателем червячной передачи считается Архимед, и с тех времен т. н. «Архимедово колес» не претерпело особых конструктивных поправок. Червячная передача состоит из винта, называемого червяком, и червячного колеса, представляющего собой разновидность косозубого колеса.
Червячные передачи относятся к зубчато-винтовым. Если в зубчато-винтовой передаче углы наклона зубьев принять такими, чтобы зубья шестерни охватывали её вокруг, то эти зубья превращаются в витки резьбы, шестерня — в червяк, а передача — из винтовой зубчатой в червячную.
Ведущее звено червячной передачи в большинстве случаев — червяк, а ведомое — червячное колесо. Обратная передача зачастую невозможна — КПД червячного редуктора в совокупности с передаточным отношением вызывают самостопорение редуктора.
4.1. Вал(червяк)
Как говорилось ранее, червячная передача состоит из винта и червячного колеса. Рассмотрим первую деталь более подробно. Червяки различают по следующим признакам: по форме поверхности, на которой образуется резьба, – цилиндрические и глобоидные, по форме профиля резьбы – архимедовы и эвольвентные цилиндрические червяки.
Архимедов червяк имеет трапецеидальный профиль резьбы в осевом сечении, в торцевом сечении витки резьбы очерчены архимедовой спиралью.
Эвольвентный червяк представляет собой косозубое зубчатое колесо с малым числом зубьев и большим углом их наклона. Профиль витка в торцевом сечении очерчен эвольвентой.
Наибольшее применение в машиностроении находят архимедовы червяки, так как технология их производства проста и наиболее отработана. Архимедовы червяки обычно не шлифуют. Их используют, когда требуемая твердость материала червяка не превышает 350 НВ. При твердости 45 НRC и малой шероховатости рабочих поверхностей витков червяки делают эвольвентными, так как после термообработки шлифование их рабочих поверхностей по сравнению с архимедовыми червяками проще.
Профиль зубьев червячных колес в передачах эвольвентный. Поэтому зацепление в червячной передаче представляет собой эвольвентное зацепление зубчатого колеса с зубчатой рейкой. Угол наклона линии зуба червячного колеса β равен углу подъема γ линии витка червяка. Минимальное число зубьев колеса из условия отсутствия подрезания z2 = 24. Число витков (заходов) червяка определяется количеством ниток нарезки, отстоящих друг от друга на расстояние, называемое шагом, и начинающихся на торцах нарезной части червяка. Направление витков может быть правым или левым.
4.2. Колесо
Червячные колеса обычно делают составными (рис. 5), что позволяет снизить стоимость передачи. Ступицу колеса выполняют из серого чугуна(реже – из стали), а зубчатый венец – из антифрикционного материала (бронза, латунь, чугун). Выбор марки материала венца зависит от скорости скольжения в зацеплении и длительности работы. Чем выше скорость скольжения, тем более высокими антифрикционными и противозадирными свойствами должен обладать материал зубьев колеса. В машиностроении находят применение следующие типовые конструкции червячных колёс (см. рис. 5): а) бандажированная, б) болтовая и в) биметаллическая. Последняя – наиболее рациональная, её используют в машинах серийного производства
5. Функционирование
Передача предназначена для существенного увеличения крутящего момента и, соответственно, уменьшения угловой скорости. Ведущим звеном является червяк. Червячная передача без смазки и вибрации обладает эффектом самоторможения и является необратимой: если приложить момент к ведомому звену (червячному колесу), из-за сил трения передача работать не будет. Передаточные отношения i червячной передачи закладываются в пределах от 8 до 100, а в некоторых приложениях — до 1000
6. Применение
Червячная передача применяется в червячном редукторе, который в свою очередь используют везде, где необходимо увеличить крутящий момент и понизить частоту вращения при условии отсутствия ударных нагрузок и нечастой периодичности включения, и всё это с минимальными затратами. Тем самым червячный редуктор может быть использован в устройстве подъемного крана.
7. Плюсы и минусы червячного редуктора
Рассматривая червячную передачу необходимо рассмотреть такое как плюсы и минусы использования червячной передачи. Стоит отметить, что положительные и отрицательные качества червячного редуктора справедливы для червячной передачи и наоборот.
7.1. Плюсы
7.1.1. Так как выходной и входной валы червячного редуктора соединяются, то привод на его основе чаще всего удобнее компоновать в машине. Удобнее, потому что привод занимает не много места, в сравнении с цилиндрическим редуктором (конечно, если речь идет о редукторах с равносильной передаваемой мощностью и передаточным числом).
7.1.2. Передаточное число червячной пары доходит до 1:110 (в некоторых ситуациях бывает и больше). По этому, червячная передача имеет гораздо больший потенциал повышения крутящего момента и снижения частоты вращения, чем редукторы с иными типами передач. Получить подобные передаточные числа такого порядка с применением цилиндрических передач можно только в трёхступенчатом редукторе (или в планетарном). В червячном редукторе для получения такого числа, можно применять только одну ступень. Этот фактор обеспечивает сравнительно низкую стоимость и простоту червячных редукторов в сравнении с цилиндрическими редукторами (также, говорится о равносильных передаваемых мощностях и передаточных числах). Обратной стороной этого преимущества, есть понижение КПД червячной передачи, когда увеличивается ее передаточное число, подробнее будет сказано об этом в разделе недостатки.
7.1.3. Применять червячные редукторы в машинах с высоким уровнем требований к бесшумности дает малый уровень шума передачи, вытекающий из особенностей зацепления. Но все же, нужно помнить о шумах, исходящих из приводимых в движение механизмов и двигателя.
7.1.4. Плавность хода червячной передачи. Вследствие особенностей работы червячного зацепления, червячные редукторы имеют высокую плавность хода в сравнении с цилиндрическими редукторами.
7.1.5. Исключительный фактор червячной передачи – «самоторможение» (по другому этот фактор называется - «отсутствие обратимости»). Принцип его работы состоит в том, что при отсутствии движения ведущего вала (червяка) ведомый вал притормаживает, и его нельзя провернуть. Этот фактор начинает работать при передаточных числах от 35 и больше. Но правильнее было бы здесь учитывать не передаточное число, а угол подъёма червяка, который при уменьшении в определённый момент обеспечивает самоторможение. Полностью самоторможение возникает в передаче, в которой угол подъёма винтовой линии червяка - 3.5° или меньше. К сожалению, предприятия, выпускающие редукторы, очень редко дают информацию об этом параметре в своих каталогах, и потребителям необходимо опираться только на передаточное число. Не мало важно, что описанный фактор, учитывая область использования редуктора, может стать как достоинством, так и недостатком. К примеру, стало бы ошибкой разработчиков использовать червячный редуктор в приводе, допустим, закаточного устройства, при заправке которого необходимо вручную вращать бобину с закатываемым листовым материалом, потому что червячный редуктор, имея даже передаточное отношение не больше 25 очень трудно вращать за ведомый вал. Но будет совсем наоборот, если применить червячный редуктор (с большим числом червячной пары) в приводе подъёмника это даст возможность в большинстве случаев уйти от установки дополнительного тормозного устройства.
7.1.6. В производстве есть червячные редукторы с полым выходным валом. Такие модели редукторов (также могут называть “насадными”) дают возможность устанавливать редукторы прямо на валы исполнительных механизмов, не прибегая к использованию дополнительных механических передач или соединительных муфт. Такого рода сборка в комбинации с использованием фланцевых исполнений редуктора или так называемых “реактивных штанг” уменьшает габарит привода и делает конструкцию легче и проще.
Данное преимущество могут использовать не только червячные редукторы, но и другие типы редукторов, кроме, разве что соосных цилиндрических, где из-за конструктивных особенностей установка невозможна. Также нужно учесть, что порой отсутствие предохранительной муфты между валом приводимого в движение механизма и выходным валом редуктора может вызвать поломку редуктора из-за возникшей нештатной нагрузки на выходной вал, которая в разы превышает номинальный выходной момент редуктора. В этой ситуации основная задача конструктора – либо создать условия, при котором будут отсутствовать возможности приложения таких нагрузок, либо защитить от них привод, допустим, с помощью муфты. Относится сказанное по большей мере именно к червячным редукторам из-за их самоторможения.
7.2. Минусы
7.2.1. Сравнительно низкий КПД. Причиной этого является увеличение передаточного отношения. Оно влечет за собой потерю энергии - этот фактор, в наше время не нужно сбрасывать со счетов. К примеру, КПД червячного редуктора Ч-80 с передачей 1:80 российского выпуска равен 58%. Оставшиеся 42% - это потери на невозвратную потерю энергии. Такого рода недостаток вызван высоким в сравнении с другими видами передач трением скольжения витков червяка о зубья червячного колеса. В данном значении червячная передача имеет схожесть с передачей «винт-гайка скольжения», она также не отличается высоким КПД. Во время работы под нагрузкой в процессе приработки на временном отрезке 200…250 часов коэффициент полезного действия может составлять 90% от расчетного.
7.2.2. Нагрев. Вытекает из предыдущего недостатка. Не переданная кинетическая энергия червячной передачей, превращается в тепло. Неспроста на корпусах только червячных редукторов сделаны рёбра, придающие им вид батареи центрального отопления. Поставляются некоторые особо крупные червячные редукторы с вентиляторными крыльчатками на свободном торце быстроходного вала. В иных ситуациях необходимо принудительно организовывать дополнительный оборот масла в корпусе редуктора. Относится сказанное к редукторам с высокой передаваемой мощностью (свыше 4-5 кВт). В ситуациях с меньшей мощностью вспомогательные меры по отводу тепла, чаще всего, не требуются. Но все же, нагревание корпуса червячного редуктора во время его работы всегда возникает.
7.2.3. Самоторможение (подробнее рассказано в п. 5 «преимуществ»). Его применение в некоторых случаях вредно – к примеру, когда выходной вал необходимо вращать, не включая привод червячного редуктора.
7.2.4. Ограничения по передаваемой мощности. Опираясь на техническую литературу, не советуется применять червячную передачу при передаваемой мощности более 60 кВт (источник – , Справочник конструктора-машиностроителя, т. 2, стр. 606, издание 2001 г.). Червячных редукторов на более высокую мощность мало, однако они существуют. В основном это, глобоидные червячные редукторы, используемые в некоторых ситуациях, например, приводы подъемников и лифтов. Но все-таки, выбирая редуктор такой мощности, лучше всего приоритет отдать цилиндрическим видам редукторов. Насколько мы знаем, передовые иностранные предприятия по производству червячных редукторов в основном производят червячные редукторы на передачу мощности до 15 кВт.
7.2.5. Люфт выходного вала. Люфт такого типа присутствует в каждом из видов редукторов, однако, в червячных редукторах его показатели, как правило, заметно больше и увеличиваются по мере износа.
7.2.6. Обычно считают, что срок службы червячных редукторов меньше, чем цилиндрических. Это относительное утверждение, но из-за присутствия высокого, в сравнении с иными видами редукторов, трения скольжения в зацеплении, износ естественно присутствует. По данным отечественных изготовителей редукторов можно выделить следующие характеристики рабочего ресурса редукторов с разными типами передач:
Червячные - не меньше чемчасов;Цилиндрические редукторы - не меньше чемчасов (данные завода «Редуктор», Санкт-Петербург).
7.2.7. Работа червячного редуктора при неравномерных нагрузках на выходном валу, а так же при частых остановках-пусках не рекомендуется.
8. Заключение
Реду́ктор (механи́ческий) — механизм, передающий и преобразующий крутящий момент, с одной или более механическими передачами. Основные характеристики редуктора — КПД, передаточное отношение, передаваемая мощность, максимальные угловые скорости валов, количество ведущих и ведомых валов, тип и количество передач и ступеней.
Обычно редуктором называют устройство, преобразующее высокую угловую скорость вращения входного вала в более низкую на выходном валу, повышая при этом вращающий момент. Редуктор, который преобразует низкую угловую скорость в более высокую обычно называют мультипликатором.
Редуктор со ступенчатым изменением угловой скорости называется коробкой передач, с бесступенчатым — вариатор.
