ЧЕРВЯЧНАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 1999 года по МПК F16H1/16 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в машинах и механизмах, содержащих силовые и кинематические червячные передачи.

Червячные передачи широко применяются в приводах подъемно-транспортных машин, станков, судовых машинах и в других механизмах.

Широкое распространение червячных передач связано с возможностью получения больших передаточных чисел, высокой плавностью, бесшумностью работы и возможностью точных делительных перемещений.

При этом высокая скорость скольжения в зацеплении обуславливает в указанных червячных передачах наличие существенных недостатков, а именно:
- повышенный износ зубьев, что ограничивает срок службы большинства червячных передач;
- повышенную склонность к заеданию, что приводит к существенному ограничению передаваемой нагрузки, особенно в случае применения чугунов и безоловянистых высокопрочных бронз при скоростях скольжения больше 2 м/с;
заедание при твердых материалах колес происходит в ярко выраженной форме со значительными повреждениями поверхностей и последующим быстрым изнашиванием зубьев частицами материала колеса, приварившимися к червяку, а при мягких материалах колес (оловянных бронз) - материал колеса (бронза) "намазывается" на червяк;
- низкий КПД из-за больших потерь мощности в зацеплении.

Все это существенно ограничивает нагрузочную способность червячных передач.

Повышение нагрузочной способности червячной передачи осуществляется применением в сопряжении червяк - колесо антифрикционных пар материалов (высокотвердый стальной червяк и колесо из оловянистой бронзы) и оптимизацией геометрии зацепления.

Оптимизация геометрии зацепления ведется в направлении снижения контактных напряжений путем увеличения приведенного радиуса кривизны и увеличения суммарной длины контактных линий, а также в направлении обеспечения в зацеплении условий для возникновения масляного клина и перехода в передаче от граничного трения к жидкостному.

Последнее обеспечивается приданием червяку такой формы, чтобы контактные линии в передаче располагались под углами, близкими к 90^o к векторам скорости скольжения.

Наиболее полно указанные требования выполняются в глобоидных передачах, у которых расположение контактных линий является наиболее близким к идеальному, т.е. эти линии составляют с вектором относительной скорости скольжения угол, очень близкий к 90^o. Этим благоприятным расположением контактных линий объясняется очень высокая нагрузочная способность глобоидных передач (Решетов Д.Н. Детали машин. - М.: Машиностроение, 1989, с. 246-248).

Однако технология изготовления и сборки глобоидных передач сложна, требует дорогостоящего специального оборудования, т.к. эти передачи очень чувствительны к осевому сдвигу червяка, деформациям валов и подшипников и требуют выверки точного положения вдоль оси не только червячного колеса, но и червяка. Поэтому область применения глобоидных передач сильно ограничена.

Известны червячные цилиндрические передачи (типа ZT), имеющие нелинейчатую винтовую поверхность червяка с вогнутым профилем его витков в сочетании с выпуклыми зубьями колеса, описанные, например, в авт.св. СССР N 139531 на изобретение "Способ образования винтовой поверхности червяка" автор Литвина Ф. Л. с приоритетом от 26.01.1960 г., опубликованном в "Бюллетене изобретений" N 13 за 1961 г., а также описанные в книге Кривенко И. С. Новые типы червячных передач на судах (расчет и проектирование)". -Л.: Судостроение, 1967 г. (передачи с АДО- и КДО - червяками),
и типа CAVEX (Cavex: Schneckrad satze (Flender International.- S.n., 1968 - Katalog K889D/EN 3.88 - 595].

Применение червяка с вогнутой нелинейчатой винтовой рабочей поверхностью позволяет значительно уменьшить контактные напряжения благодаря увеличению приведенного радиуса кривизны, а также существенно улучшить условия для жидкостного трения, т.к. у такой передачи область малых значений угла между вектором относительной скорости и касательной к контактной линии значительно меньше, чем у обычных червячных передач.

Однако технология изготовления таких передач достаточно сложна и дорогостояща, так как требует шлифование червяка тороидальным кругом, что ограничивает практическое применение передач типа ZT.

Известны также цилиндрические червячные передачи с замкнутыми линиями контакта, например,
к авт. св. СССР N 257246 на изобретение "Червячная передача" (заявитель Московский станкоинструментальный институт, автор Коростелев Л.В.) с приоритетом от 25.10.1968 г., опубликованному 11.11.1968 г. в Бюллетене изобретений N 35,
а также к авт.св. СССР N 744169 на изобретение "Червячная передача" на имя того же института, автор Лагутин С.А., с приоритетом от 07.12.1977 г., опубликованному 30.06.1980 г. в Бюллетене изобретений N 24.

Эти червячные передачи выполнены таким образом, что в каждый момент зацепления линия контакта зуба колеса с витком червяка имеет замкнутый контур. При этом смазка оказывается заклиненной между ними и становится третьим телом, передающим усилия.

Контактные напряжения в зацеплении снижаются за счет распределения передаваемого усилия по всей площади, ограниченной периметром замкнутой линии контакта. КПД такой передачи повышается за счет обеспечения в ней чисто жидкостного трения.

Однако реализация этих достоинств требует высокой точности изготовления, в связи с чем указанные червячные передачи практически не используются.

Наиболее распространены цилиндрические передачи с линейчатой винтовой поверхностью витка червяка (с архимедовым, эвольвентным или конволютным червяками). Эти червяки достаточно просты в изготовлении, особенно если не требуется их шлифование. Червячные колеса нарезают червячными фрезами, огибающие режущих кромок которых идентичны поверхности витков червяка, в связи с чем сопряженный профиль колеса получался автоматически.

Наряду с простотой изготовления и достаточно высокими эксплуатационными параметрами, основными недостатками таких передач являются следующие особенности геометрии зацепления, которые обусловливают их невысокую нагрузочную способность:
- контакт происходит между двумя выпуклыми поверхностями с относительно малым приведенным радиусом кривизны;
- в любой точке контакта угол между вектором относительной скорости скольжения и касательной к контактной линии значительно отличается от 90^o, что крайне неблагоприятно для создания условий жидкостного трения между рабочими поверхностями витков червяка и зубцов колеса.

Нагрузочная способность перемещающихся одна по другой смазанных поверхностей может быть значительно повышена, если обеспечить между ними хотя бы на начальной части контакта клиновидный зазор в направлении относительной скорости. Для цилиндрических поверхностей с линейным начальным касанием это соответствует условию, что скорость перпендикулярна линии контакта или имеет значительную составляющую, перпендикулярную к этой линии.

При этом масло, затягиваемое в клиновой зазор, воспринимает частично или полностью действующую нагрузку, происходит переход от граничного трения металлов к жидкостному.

Если у цилиндрических поверхностей скольжение происходит вдоль линии контакта, масляный клин в контактной зоне образоваться не сможет.

У всех передач с обычным цилиндрическим червяком подавляющее большинство контактных линий расположено так, что среднее (по длине контактной линии) значение угла между касательной к контактной линии и вектором относительной скорости скольжения (угол γ) мало. Только у контактных линий, кратковременно находящихся в зоне входа в зацепление и выхода из зацепления, значение этого угла γ достигает 40 - 50^o. Столь неблагоприятная форма контактных линий является одной из причин того, что в большинстве контактных точек не выполняются условия перехода к жидкостному трению. Это обусловливает относительно большое значение коэффициента трения в передаче, приводит к уменьшению КПД, повышению износа, к заеданию, т.е. снижает эксплуатационные качества этих передачи, а следовательно, их нагрузочную способность.

Таким образом, чем больше зона расположения контактных линий с относительно большими значениями угла γ, тем ближе условия работы передачи к режиму жидкостного трения.

Идеальным следует считать такое расположение контактных линий, при котором по любой из них значение угла γ cоставляет 70 - 90^o.

В упомянутой книге Кривенко И.С. "Новые типы червячных передач на судах (расчет и проектирование)" (стр.74.) на рис. 30 приведены зоны благоприятных и неблагоприятных углов γ в рабочем поле зацепления:
а - для передач с АДО- или КДО - червяком (типа ZT);
б - для передач с архимедовым или эвольвентным червяком.

Из этого рисунка видно, что для всех типов червячных передач на входной и выходной зонах контакта зуба колеса контактные линии расположены под достаточно большим углом к векторам скорости скольжения, а в средней части зуба червячного колеса имеется зона, в которой скольжение происходит вдоль контактных линий (так называемая зона неблагоприятных углов γ ≤ 20^o).
При этом из сравнения рисунков 30-а и 30-б видно, что при прочих равных условиях протяженность средней неблагоприятной зоны контакта у обычных эвольвентных и архимедовых передач значительно больше, чем у передач типа ZT, и составляет более трети (30-40%) ширины зубчатого венца.

Из данных, приведенных там же, в табл. 5. "Относительные величины различных зон рабочей части поля зацепления", зона неблагоприятных углов γ для передач с архимедовым или эвольвентным червяком составляет 45 - 50% от общей площади вертикальной проекции поля зацепления.

Наличие неблагоприятной зоны служит причиной пониженного КПД червячной передачи, повышенного износа, склонности к заеданию и сниженной нагрузочной способности.

Известна также и наиболее близкая по технической сущности обычная червячная цилиндрическая передача, состоящая из архимедова, конволютного или эвольвентного червяка и сопряженного с ним червячного колеса с вырезанной средней зоной зубчатого венца (Решетов Д.Н. "Детали машин".- М.: Машиностроение, 1989, (с. 234), опыт ЦНИИТМАШ) - прототип.

При этом проточка в средней части зубьев червячного колеса с шириной, составляющей 30-50% ширины венца колеса, и с глубиной, превышающей высоту зуба червяка, удаляет зону неблагоприятных углов γ, где скольжение происходит вдоль контактных линий.

Такое решение способствует улучшению эксплуатационных параметров червячной передачи и повышает ее несущую способность. Однако это повышение несущественно, т. к. выполнение этой же проточки существенно сокращает длину контактных линий и уменьшает контактную прочность зубьев червячного колеса.

Заявляемое изобретение "Червячная цилиндрическая передача" направлено на решение задачи повышения несущей способности червячной передачи за счет создания благоприятных условий возникновения жидкостного режима трения в зацеплении, смещения зоны контакта в область повышенных значений радиуса приведенной кривизны и увеличения суммарной длины контактных линий.

Указанная задача решается за счет того, что в обычной червячной цилиндрической передаче, состоящей из архимедова, эвольвентного или конволютного червяка и сопряженного с ним червячного колеса, имеющего проточку в средней части зубчатого венца с шириной проточки 30 - 50% ширины этого венца и с глубиной, превышающей высоту зуба колеса, наибольший диаметр червячного колеса увеличен до 1.8 - 1.96 межосевого расстояния при ширине зубчатого венца, превышающем диаметр вершин витков червяка.

Такое увеличение наибольшего диаметра и ширины червячного колеса приводит к тому, что по сравнению с обычными червячными цилиндрическими передачами, в которых угол (δ) обхвата червяка колесом составляет 90 - 100^o, у заявляемой передачи этот угол увеличивается до 150 - 170^o.

При этом в работу включаются участки с благоприятными углами γ между контактными линиями и вектором скорости скольжения (γ близок к 90^o), а зона неблагоприятного их расположения удаляется путем создания проточки, ширина которой определяется из условия минимального значения угла (δ), равного ≈ 45, и составляет около 30 - 50% ширины зубчатого венца. Это способствует переходу от граничного трения металлов к жидкостному за счет затягиваемого смазочного материала в клиновой зазор между контактирующими зубьями.

При этом активная поверхность зуба располагается в зоне увеличения радиусов приведенной кривизны в зацеплении, площадь контактных зон, а следовательно длина контактных линий, даже при наличии проточки, превышает контактную площадь в обычной передаче без проточки.

Кроме того, результаты исследования показали, что увеличение наибольшего диаметра червячного колеса приводит к увеличению коэффициента перекрытия передачи до 4-4.5 по сравнению с обычными передачами, у которых этот коэффициент равен 2-2.5, что в свою очередь также существенно увеличивает суммарную длину контактных линий за счет одновременного контакта не менее 4-х зубьев колеса.

При этом зуб имеет заделку не только в радиальном направлении, как в обычной передаче, но и в осевом направлении (со стороны торца колеса), что существенно повышает изгибную прочность зуба.

Таким образом, в обычной червячной цилиндрической передаче, состоящей из архимедова, эвольвентного или конволютного червяка и сопряженного с ним червячного колеса с проточкой в средней части зубчатого венца, предложенное техническое решение, а именно увеличение наибольшего диаметра червячного колеса до размера почти двух межосевых расстояний при соответствующем увеличении ширины зубчатого венца, повышает угол обхвата червяка колесом, переносит активную поверхность зуба в область благоприятных углов γ, где граничное трение заменяется жидкостным трением, увеличивает суммарную длину контактных линий за счет увеличения их протяженности и увеличения коэффициента перекрытия передачи, а также смещает зоны контакта в область повышенных значений радиуса приведенной кривизны, что в свою очередь значительно повышает нагрузочную способность червячной цилиндрической передачи.

На фиг. 1 представлена цилиндрическая червячная передача:
а - заявляемая передача с увеличенным диаметром и шириной венца колеса;
б - прототип.

На фиг. 2 представлены положения контактных линий на зубе колеса:
а - входная часть зуба;
б - выходная часть зуба.

Заявляемая червячная цилиндрическая передача (фиг. 1) состоит из цилиндрического червяка 1 с линейчатой винтовой поверхностью витка (архимедовой, эвольвентной или конволютной) и червячного колеса 2.

При этом составляющие червячной передачи имеют следующие основные геометрические соотношения.

Диаметр вершин червячного колеса d_am2 составляет 90-98% удвоенного межосевого расстояния а_w, т.е.

d_am2 = (1.8 - 1.96) • a_w
Ширина зубчатого венца колеса b₂ больше диаметра вершин витков червяка d_a1, т.е.

b₂ > d_a1
В средней части зубчатого венца колеса выполнена проточка Ширина проточки b_пр составляет 30-50% ширины венца колеса, т.е.

b_пр = (0.3 - 0.5) • b₂
Диаметр проточки d_пр меньше диаметра впадин колеса, т.е.

d_пр < 2а_w - d_a1
Заявляемая червячная цилиндрическая передача работает как обычная передача: движение от червяка 1 передается червячному колесу 2.

При перечисленных выше параметрах угол обхвата червяка колесом (δ) составляет 150 - 170^o.

Контакт зубьев колеса с витками червяка происходит по контактным линиям 3, представленным на фиг. 2; а - на входной части зуба колеса, б - на его выходной части, которые получены путем математического моделирования процесса зацепления в заявляемой червячной передаче. При этом направления векторов скорости скольжения расположены по линиям 4, также представленным на фиг.2.

Как видно из фиг.2, углы между контактными линиями и векторами скольжения γ близки к 90^o, что создает условия для перехода от граничного трения металлов в зоне зацепления к жидкостному.

Шаг контактных линий 3 равен 1/4 углового шага зубьев колеса.

Каждая четвертая контактная линия на фиг.2 соответствует зубьям колеса, находящимся в одновременном зацеплении с соответствующими витками червяка. Как видно из фиг.2, число контактных линий на зубе превышает 16, т.е. коэффициент перекрытия передачи больше 4.

Форма зуба колеса такова, что он имеет заделку не только в радиальном (как в обычной передаче), но и в осевом (со стороны торца колеса) направлении, что существенно повышает изгибную прочность зуба.

Червячная цилиндрическая передача может быть изготовлена из обычных для данного вида передач материалов, на стандартном оборудовании с применением инструмента, применяемого для изготовления обычных цилиндрических червячных передач с линейчатой винтовой поверхностью витков червяка.

Заявляемая передача может быть выполнена, например, со следующими параметрами:
Межосевое расстояние - 63 мм
Модуль - 2 мм
Коэффициент диаметра червяка - 16
Число заходов червяка - 1
Число зубьев колеса - 53
Коэффициент смещения червяка - (-3)
Наибольший диаметр колеса - 118 мм
Ширина венца колеса - 40 мм
Ширина проточки - 6 мм
Диаметр проточки - 90 мм
Материал червяка - Сталь 12ХНЗА
Материал зубчатого венца колеса - Бронза БрО1ОФ1
Использование указанной передачи с вышеприведенными параметрами позволяет увеличить нагрузочную способность по сравнению с обычными цилиндрическими передачами, имеющими такое же передаточное число и осевое расстояние, в 1.5-1.8 раза.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в машинах и механизмах, содержащих силовые и кинематические червячные передачи. Червячная цилиндрическая передача составлена из архимедова, эвольвентного или конволютного червяка и сопряженного с ним червячного колеса. В средней части венца червячного колеса выполнена проточка шириной, составляющей 30-50% ширины этого венцами с глубиной, превышающей высоту зуба колеса. Наибольший диаметр червячного колеса увеличен до 1.8-1,96 межосевого расстояния при ширине зубчатого венца, превышающем диаметр вершин витков червяка. Такое выполнение повышает несущую способность червячной передачи за счет создания благоприятных условий возникновения жидкостного трения в зацеплении, смещения зоны контакта в области повышенных значений радиуса приведенной кривизны и увеличения суммарной длины контактных линий. 2 ил.

Червячная цилиндрическая передача, включающая в себя архимедов, эвольвентный или конволютный червяк и сопряженное с ним червячное колесо, имеющее в средней части зубчатого венца проточку с шириной 30 - 50% ширины этого венца и с глубиной, превышающей высоту зуба колеса, отличающаяся тем, что наибольший диаметр червячного колеса составляет 1,8 - 1,96 межосевого расстояния передачи при ширине зубчатого венца, превышающем диаметр вершин витков червяка.