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 от режима граничного трения к жидкостному. Последнее обеспечивается приданием червяку и колесу 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 и большим коэффициентом перекрытия зубьев объясняется очень высокая нагрузочная способность глобоидных передач (Решетов Д.Н. "Детали машин. Учебник для ВУЗов.", М, изд. Машиностроение, 1989 г., стр. 246-248).

Однако технология изготовления и сборки глобоидных передач сложна, требует дорогостоящего специального оборудования. 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 также цилиндрические спироидные передачи (Крайнев А.Ф. "Детали машин. Словарь-справочник", М, изд. Машиностроение, 1992 г., стр. 344-345), которые позволяют получать передаточные отношения до 300 и более, характеризуются высокой несущей способностью и кинематической точностью, позволяют регулировать боковой зазор в зацеплении осевым перемещением колеса.

Однако спироидным передачам присущи недостатки:
- большая длина вала червяка, а также ограничение его диаметра, вызванное необходимостью расположения вала над поверхностью вершин зубьев колеса обуславливают низкую жесткость червяка, что ограничивает несущую способность передач этого типа;
- они сложны в изготовлении и требуют специального инструмента для нарезки зубьев колеса;
- при увеличении передаточного отношения более 25, КПД передачи существенно уменьшается.

Вследствие перечисленных недостатков спироидные передачи широкого распространения не получили.

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 А.св. СССР N 139531 на изобретение "Способ образования винтовой поверхности червяка" автор (Литвина Ф.Л.) с приоритетом от 26.01.1960г" 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)" изд. Судостроение, Ленинград, 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 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 контактной линией значительно меньше, чем у обычных червячных передач.

Однако технология изготовления таких передач достаточно сложна и дорогостояща, так как требует шлифования червяка тороидальным кругом, что ограничивает практическое применение передач типа ZT и специального инструмента для нарезания колеса.

Известны также цилиндрические червячные передачи с замкнутыми линиями контакта, например, из описаний :
к А.св. СССР N 257246 на изобретение "Червячная передача" (заявитель Московский станкоинструментальный институт, автор Коростелев Л.В.) с приоритетом от 25.10.1968г" опубликованному 11.11.1968 г. в Бюллетене изобретений N 35,
а также к А. 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 (см. , например, Решетов Д.Н. "Детали машин. Учебник для ВУЗов" М, изд. Машиностроение, 1989 г.), которые являются наиболее близкими по технической сущности к заявляемой передаче - прототип.

Эти червяки достаточно просты в изготовлении. Червячные колеса нарезают червячными фрезами, режущие кромки которых лежат на поверхности, идентичной поверхности витков червяка, в связи с чем сопряженный профиль колеса получается автоматически.

Наряду с простотой изготовления и достаточно высокими эксплуатационными параметрами, основными недостатками таких передач являются следующие особенности геометрии зацепления, которые обуславливают 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 клиновидный зазор в направлении относительной скорости. Для цилиндрических поверхностей с линейным начальным касанием это соответствует условию, что вектор скорости перпендикулярен линии контакта или имеет значительную составляющую, перпендикулярную к этой линии. При этом смазочный материал затягивается в клиновой зазор и воспринимает частично или полностью действующую нагрузку. Происходит переход от граничного трение 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 обуславливает относительно большое значение коэффициента трения в передаче, приводит к уменьшению КПД, повышению износа, к заеданию, т.е. снижает эксплуатационные качества этих передач, 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) составляет 70-90^o.

В упомянутой выше книге Кривенко И.С. "Новые типы червячных передач на судах (расчет и проектирование)", на рис.30 (стр.74) приведены зоны благоприятных и неблагоприятных углов (γ) в рабочем поле зацепления:
а - для передач 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, 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 (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.

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

Известна также 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, изд. Машиностроение, 1989 г., стр. 234, опыт ЦНИИТМАШ).

При этом проточка в средней части зубьев червячного колеса с шириной, составляющей около трети ширины венца колеса, и с глубиной, превышающей высоту витка 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" направлена на решение задачи повышения несущей способности червячной передачи за счет смещения зоны контакта в область повышенных значений радиуса приведенной кривизны и создания благоприятных условий возникновения жидкостного режима трения в зацеплении.

Указанная задача решается за счет того, что в червячной цилиндрической передаче, состоящей из архимедова, эвольвентного или конволютного червяка и сопряженного с ним червячного колеса, это колесо выполнено полувенцовым, его наибольший диаметр составляет 1,8...2,0 межосевого расстояния передачи, один торец (дальний) этого колеса по отношению к главной плоскости передачи находится от нее на расстоянии, превышающем размер наружного радиуса червяка (радиуса вершин витков), а ширина червячного колеса выбрана таким образом, что его второй торец (ближний) по отношению к главной плоскости передачи находится от нее на расстоянии 0,2...0,4 наружного радиуса червяка.

Такое увеличение наибольшего диаметра червячного колеса при расположении его дальнего торца по отношению к главной плоскости передачи на расстоянии, превышающем размер наружного радиуса червяка, приводит к тому, что в работу включается участок с благоприятным углом (γ) между контактными линиями и вектором скорости скольжения (γ близок к 90^o). Это способствует переходу от граничного трения металлов к жидкостному за счет затягиваемого смазочного материала в клиновой зазор между контактирующими зубьями.

Кроме того, результаты исследования показали, что увеличение наибольшего диаметра червячного колеса приводит к увеличению коэффициента перекрытия передачи до 4-6 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.

В заявляемой передаче червячное колесо выполнено полувенцовым, т.е. представляет собой обычное полновенцовое колесо, разделенное пополам главной плоскостью червячной передачи.

Вследствие сложности точного изготовления боковых поверхностей витков червяка и зубьев колеса, в обычной червячной передаче без длительной приработки практически не удается обеспечить полного их контакта между собой по всей поверхности зубьев колеса.

В передаче с полувенцовым червячным колесом поверхность зубьев значительно меньше, в связи с чем в ней удается обеспечить более плотный первоначальный контакт зубьев червяка и колеса по сравнению с полновенцовым колесом.

При этом в заявляемой передаче ширина червячного колеса выбирается таким образом, что второй (ближний) торец червячного колеса не совпадает с главной плоскостью передачи, а располагается по отношению к ней на расстоянии 0,2... 0,4 наружного радиуса червяка. В результате удаляется зона неблагоприятных углов (γ), составляющая около трети ширины полновенцового червячного колеса, в которой скольжение происходит вдоль контактных линий.

В итоге в заявляемой передаче условный угол обхвата червяка колесом (δ) сохраняется таким же, как и в обычных червячных цилиндрических передачах, который в расчете на полувенец составляет 45-50^o.

Кроме того, заявляемая червячная передача обладает следующими преимуществами по отношению к передаче с полновенцовым червячным колесом:
- появляется возможность нарезать зубья червячного колеса при осевой подаче червячной фрезы (вдоль оси колеса), что позволяет ускорить процесс нарезания зубьев, т. к. рабочий ход фрезы не превышает 2,5 модуля, а также исключает необходимость применения тангенциальной подачи фрезы при нарезании колес для передач с большим углом подъема витка червяка без срезания части рабочих поверхностей зубьев;
- упрощается сборка передачи, т.к. при этом достаточно обеспечить возможность только осевого перемещения колеса;
- упрощается регулировка или выборка мертвого хода передачи путем осевого перемещения колеса;
- уменьшаются габариты передачи;
- уменьшается расход материала (оловянистой бронзы) на изготовление зубчатого колеса примерно в два раза, появляется возможность применения безоловянистой бронзы или чугуна;
- ускоряется приработка передачи;
- обеспечивается более равномерное распределение нагрузки вдоль контактных линий в зацеплении за счет уменьшения ширины зубчатого венца.

Таким образом, в червячной цилиндрической передаче, состоящей из архимедова, эвольвентного или конволютного червяка и сопряженного с ним червячного колеса, предложенное техническое решение, при котором в червячном полувенцовом колесе, его наибольший диаметр увеличен до размера почти двух межосевых расстояний, при одновременном расположении одного торца червячного колеса на расстоянии от главной плоскости передачи, превышающем наружный радиус червяка, а второго торца червячного колеса - на расстоянии 0,2...0,4 наружного радиуса червяка, активная поверхность зуба червячного колеса располагается в зоне увеличения радиусов приведенной кривизны в зацеплении.

При этом даже при полувенцовом колесе и при уменьшении длины его зубьев со стороны главной плоскости передачи, как указано выше, площадь благоприятных контактных зон, и, следовательно, длина контактных линий, не только не становится меньше этих показателей обычных червячных передач, но и несколько превышает их. Все это и приводит к увеличению нагрузочной способности заявляемой передачи по сравнению с обычными червячными цилиндрическими передачами.

На фиг. 1 представлена цилиндрическая червячная передача:
а) - заявляемая передача с увеличенным диаметром полувенцового колеса;
б) - прототип.

На фиг. 2 представлены положения контактных линий на поверхностях зуба колеса:
а) - поверхности, соответствующей входной зоне зуба аналогичной передачи с полновенцовым колесом;
б) - поверхности, соответствующей выходной зоне зуба аналогичной передачи с полновенцовым колесом.

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

При этом составляющие червячной передачи имеют следующие основные геометрические соотношения, приведенные ниже.

Диаметр вершин червячного колеса (d_am2) составляет 90-100% удвоенного межосевого расстояния (а_w), т.е. d_ам2 = (1.8-2.0)•a_w.

Расстояние от главной плоскости передачи до одного (дальнего) торца червячного колеса (h₁) превышает размер наружного радиуса червяка (r_a1), т.е. h₁ ≥ r_a1.

Расстояние от главной плоскости передачи до второго (ближнего) торца червячного колеса (h₂) составляет 20-40% наружного радиуса червяка, т.е. h₂ = (0.2-0.4)•r_a1.

Заявляемая червячная цилиндрическая передача работает как обычная передача: движение от червяка 1 передается червячному колесу 2.

При перечисленных выше параметрах условный угол обхвата червяка колесом (δ) в расчете на полувенец составляет 45-50^o.

Контакт зубьев колеса с витками червяка в зависимости от направления его вращения происходит по контактным линиям 3, представленным на фиг. 2 а) или б) соответственно, 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 а) и б).

Как видно из фиг.2, углы между контактными линиями и векторами скорости 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 а), б) 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.

Заявленная 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.

При этом зубья червячного колеса нарезаются при осевой подаче червячной фрезы, т. е. вдоль оси колеса, что ускоряет этот процесс. Нарезание зубьев колеса указанным способом исключает срезание части рабочих поверхностей зубьев, которое происходит при применении радиальной подачи фрезы.

Кроме того, в заявляемой передаче расход дорогого материала (оловянистой бронзы), идущего на изготовление венца колеса уменьшен примерно в два раза по сравнению с полновенцовым колесом аналогичной передачи. В заявляемой передаче зубчатое червячное колесо при сохранении всех рабочих характеристик передачи может быть выполнено также из более дешевого материала, чем оловянистая бронза, например чугунов и безоловянистых высокопрочных бронз.

Заявляемая передача может быть выполнена, например, со следующими параметрами:
межосевое расстояние - 63 мм
модуль - 2 мм
коэффициента диаметра червяка - 16
число заходов червяка - 1
число зубьев колеса - 53
коэффициент смещения червяка - (-3)
наибольший диаметр колеса - 118 мм
расстояние до дальнего торца колеса от главной плоскости передачи - 22 мм
ширина венца колеса - 8 мм
материал червяка - сталь 12ХНЗА
материал зубчатого венца колеса - бронза Бр010Ф1 (или чугун ВЧ-60)
Сборка такой передачи осуществляется проще, чем сборка передачи с полновенцовым червячным колесом, т.к. при этом для достижения требуемого сопряжения червяка с колесом, достаточно только осевого перемещения колеса.

С помощью осевого перемещения червячного колеса в указанной передаче обеспечивается также регулировка или выборка мертвого хода передачи.

Использование указанной передачи с вышеприведенными параметрами позволяет увеличить нагрузочную способность в 1,2 раза по сравнению с обычными цилиндрическими передачами с полновенцовым червячным колесом и имеющими такое же передаточное число и осевое расстояние.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в машинах и механизмах, содержащих силовые и кинематические червячные передачи. Червячная цилиндрическая передача содержит архимедов, эвольвентный или конволютный червяк и полувенцовое червячное колесо. Наибольший диаметр полувенца составляет 1,8 - 2,0 межосевого расстояния передачи. Один торец червячного колеса расположен от главной плоскости передачи на расстоянии, превышающем размер наружного радиуса червяка. Ширина червячного колеса выбрана таким образом, что его другой торец расположен от главной плоскости передачи на расстоянии 0,2 - 0,4 наружного радиуса червяка. Повышена нагрузочная способность передачи. 2 ил.

Червячная цилиндрическая передача, включающая в себя архимедов, эвольвентный или конволютный червяк и сопряженное с ним червячное колесо, отличающаяся тем, что червячное колесо выполнено полувенцовым, причем его наибольший диаметр составляет 1,3-2,0 межосевого расстояния передачи, один торец червячного колеса находится от главной плоскости передачи на расстоянии, превышающем размер наружного радиуса червяка, а ширина червячного колеса выбрана таким образом, что его другой торец расположен от главной плоскости передачи на расстоянии 0,2-0,4 наружного радиуса червяка.