Колесо червячное зубчатое: расчет, изготовление, материал

Модуль зубчатого колеса

Универсальным понятием, позволяющим определить геометрические параметры деталей, выступает модуль зубчатой передачи. Его значение равно длине дуги в миллиметрах, приходящейся на один зуб колеса. Конкретное значение определяется по делительной окружности. Ее численно подбирают таким образом, что бы значение модуля совпадало с одним из общепринятых значений, найти которые можно в специальной литературе. В отечественной практике стандартные модули зубчатых колес нормированы в ГОСТ 9563-60. При проектировании шестерен обычно задаются значением этого параметра, а от него легко рассчитают все множество других. Исходными данными для определения требуемого модуля зубчатого колеса выступают расчеты прочности, призванные обеспечить требуемую мощность механической передачи.

Модуль зубчатого колеса связан с целым набором производных параметров. Используя несложные формулы расчета и значение необходимого числа зубьев, можно получить окружной шаг, диаметры верши и впадин, толщину зуба и ширину впадины по делительной окружности.

В зарубежной литературе аналогом отечественного модуля выступает питч. По своей сути это обратная к модулю зацепления величина, приведенная к дюймовой системе измерений. Аналогично для питчей разработаны специальные таблицы, содержащие нормированные значения параметра.

Купить червячные шестерни

Компания МеталлСервис с 2006 года производит изделия из металла из различных марок сталей на собственном производстве, пользуясь своим парком станков. Соблюдая все требования соответствующие нормам госта. Это и является гарантом качества наших изделий и пользуется постоянным спросом у наших клиентов.

Для просчета стоимости отправляйте чертежи на почту или уточняйте информацию у технического специалиста. Все контактные данные вы найдете в разделе контакты.

После того как вы отправили заявку: позвоним для уточнения технических вопросов — рассчитаем стоимость и сроки — подготовка договора и счета — выполняем работы по изготовлению — отправка деталей.

1. Валы-шестерни

Недостатком объединенной конструкции является необходимость изготовлять вал из того же материала, что и шестерню, часто более высококачественного и дорогого, чем требуется. Кроме того, при замене шестерни, например, вследствие износа или поломки зубьев приходится заменять и вал. Несмотря на это, в редукторах шестерню часто выполняют заодно с валом и даже при толщине, значительно превышающей указанные нормы. Это объясняется большей жесткостью и прочностью, а также технологичностью вала-шестерни, что в конечном итоге оправдывает ее стоимость.

Рис. 1. Условия нарезания зубьев на вале-шестерне

В некоторых случаях зубчатый венец углубляется в тело вала. При углублении зуба в тело вала следует учитывать участки входа и выхода фрезы (табл. 1). Возможность выхода фрезы следует учитывать также при нарезании рядом расположенных венцов на вале-шестерне (рис. 1; а, б).

Таблица 1. Протяженность дорожки а, мм, для выхода фрезы (рис. 1)

m, мм, фрезы	2	3	4	5	≥ 6
a/m	15	14	13	12	10

Обычно зубья вала-шестерни располагаются на выступающем венце. В этом случае для возможности выхода фрезы рекомендуется выдержать следующее соотношение размеров внутреннего диаметра шестерни или червяка с посадочным диаметром под подшипники (рис. 2):

Остальные конструктивные элементы вала-шестерни определяют так же, как конструктивные элементы валов.

Рис. 2. Основные размеры для нарезания: вала-шестерни (а, б); червяка (в)

Применение шестерен

Оттого, насколько качественно было выполнено изготовление шестерен, зависит синхронность работы всего механизма и продолжительность его эксплуатации. Это изделие используется в механизмах зубчатой передачи и выполняет важную функцию – передает вращательное движение между валами. Дефекты при производстве могут привести к вибрации и потери синхронности функционирования всего устройства, вплоть до его выхода из строя.

Изготовление звездочек, зубчатых шкивов, червячных колес и других видов шестерен необходимо для применения в различных механизмах, которые используются в горнодобывающей и пищевой промышленности, в судостроении и машиностроении. Также шестерни активно применяются в автомобильных дифференциалах, буровых установках, лебедках, железнодорожных вагонах, подъемных кранах, танках, коробке передач, шестеренных гидромашинах – часах, насосах и прочих механизмах.

Важно отметить, что шестерни отличаются не только по способу нарезки зубьев, но и по форме, поэтому при их изготовлении учитывается и поверхность деталей, которая может быть:

конической;
цилиндрической.

Конструкция

Червячная передача получила свое название по ведущей детали, передающей крутящий момент. Ведомая деталь имеет зуб с косой нарезкой. По ободу радиальное занижение поверхности. Это увеличивает линию контакта нити резьбы и зуба.

Оси вращение деталей располагаются под углом. Обычно это 90°, но может быть 45°. Применяется такое расположение деталей в сильно нагруженных тихоходных передачах, со скоростью движения точки на наружной поверхности менее 5 м/сек.

При взаимодействии передачи поверхность резьбы не толкает зубья в направлении вращения, а скользит по эвольвенте, как бы отодвигая ее. В результате возникает сильное трение и нагрев деталей в месте контакта.

Червячная пара должна хорошо смазываться, охлаждаться и обладать антифрикционными свойствами. Материал червяка изменять нельзя, он нарезается из хромистой стали и проходит закалку, шлифовку поверхности резьбы или шугаровку – обработку пластиной с малой глубиной реза. Инструмент скорее продавливает поверхность резьбы, чем режет ее. Создается на верхнем слое наклеп, упрочняющий рабочую поверхность, делающий ее гладкой.

Материал для венца

Венец зубчатого колеса выполняется из относительно мягкого материала с высоким сопротивлением стиранию. В основном применяются оловянные бронзы и латунь. Для низкоскоростных передач с ручным управлением можно делать венец из серого чугуна. В зависимости от скорости вращения зубчатый венец изготавливается из материала:

5 – 25 м/сек – оловянистые бронзы ОФ10-1, ОНФ;
≤ 5 м/сек – Бр.АЖ9-4, алюминиево-железистая бронза;
≤ 2 м/сек – венец может быть из чугуна.

Бронза стоит значительно дороже стали и мягче. Полностью из нее делаются детали, размеры которых в пределах 160 мм. Большие детали вытачиваются из стали и бронзовый на них только венец. Он нагорячо сажается на вал и закрепляется штифтами по линии соединения, чтобы венец не прокручивался. После остывания производится чистовая обработка колеса и нарезается зуб.

Расчет диаметра

Диаметр колеса рассчитывается по средней линии зуба – ширины зуба и впадины равны. Наружный, используемый для изготовления и расчетов радиус, определяется теоретически. После завершения обработки, он находится за пределами фактического обода колеса.

Скольжение происходит по линии делительного диаметра – середина зуба по высоте. Он рассчитывается по формуле:

где d₂ — делительный диаметр шестерни; m – модуль; z₂ – количество зубьев колеса.

Наружный радиус зуба имеет один центр с осью червяка.

Ширина зубчатого венца

Ширину венца червячного колеса определяют по числу витков винта по формуле:

где b₂ – ширина венца; 0,315 и 0,355 – расчетный коэффициент; Z₁ – количество заходов винтовой резьбы; a – межцентровое расстояние; a_w – расстояние с учетом смещения червяка относительно зубчатого колеса.

Расстояние смещения определяет размер зазора между рабочими элементами деталей.

Классификация

По направлению витка передачи в большинстве своем бывают правыми. Иногда встречается левое направление нити.

Червячные зацепления классифицируются по форме наружной поверхности червяка:

цилиндрические;
глобоидные.

Вогнутая поверхность ведущей детали увеличивает количество зубьев, находящихся одновременно в зацеплении. В результате возрастает КПД и мощность передачи. Недостаток глобоидных червяков в сложности изготовления. Витки должны быть одинаковой высоты при вогнутой наружной поверхности.

По форме нити резьбы различают червяки:

архимедов;
конволютный;
нелинейный.

Архимедов червяк отличается прямой в сечении эвольвентой. У конволютного конфигурация выпуклая, близкая к форме обычной шестерни. Нелинейные профили имеют выпуклую и вогнутую поверхность.

Зубчатое колесо имеет зуб наклонный обратной конфигурации, по форме совпадающий с впадиной между нитями.

Расположение червяка относительно колеса может быть:

верхнее;
боковое;
нижнее.

Верхнее оптимально подходит для скоростных передач. Боковое наиболее компактное. При картерном способе смазки – масло находится в поддоне и нижняя деталь, вращаясь, смазывает остальные, удобнее нижнее расположение червяка.

Червячные колеса относятся к косозубым. Оси деталей располагаются обычно под углом 90°. В сильно нагруженных механизмах угол может быть 45°.

Зубчатые колеса по профилю зуба делят:

роликовые;
вогнутые;
прямые.

По типу они могут быть:

с непрерывным вращением – полные;
зубчатый сектор.

Сектор может быть разной величины, от половины круга, до рабочей длины короче червяка.

Нарезание червячных колес

При проектировании создается модель червячного колеса. По ней легко определится со способом нарезки:

заход фрезы снизу;
торцевой.

Торцевой требует инструмента, в точности повторяющего червяк. Дает хорошую точность и чистоту обработки. Фрезу выставлять сложно, необходимо, чтобы в конце обработки она имела положение относительно колеса, в точности соответствующее червяку.

Нарезка зубьев на венце

По наружному диаметру червячное колесо имеет полукруглое углубление. Это позволяет лучше прилегать деталям по эвольвенте и смещать ось, увеличивая площадь контакта. Центр радиуса углубления должен совпадать с осью червяка.

Фрезы для нарезания червячного колеса должны быть с таким же наружным диаметром, как червяк. Внешне она повторяет форму ведущей детали, только вместо непрерывной линии резьбы ряды резцов. Режущая пластина по форме точно повторяет нитку резьбы, но шире нее на размер зазора. В результате конфигурация ответной детали – червячного колеса, точно повторяет формы резьбы, впадины совпадают с выступами нитей.

Фреза выставляется в плоскости оси червяка, касаясь его поверхности. Зубчатый венец вращается вокруг вертикальной оправки или собственного вала, обеспечивая тангенциальную подачу наружной поверхности относительно оси режущего инструмента. Нарезка червячных колес происходит при синхронном движении инструмента и детали, вращающихся вокруг своих осей. Отношение скорости вращения определяется передаточным числом. С каждым оборотом венец придвигается ближе к вращающейся фрезе.

Подача режущего инструмента возможна снизу и сверху. Но в большинстве случаев используют радиальную нарезку, как наиболее удобную и точную.

Ремонтная нарезка

Иногда надо сделать одну деталь, чтобы заменить ее в редукторе. В мастерской не всегда имеется полный набор фрез со всеми нормализованными диаметрами.

Если червячное колесо нарезать фрезой большим диаметром, чем радиус червяка, то прилегание будет хуже, пятно контакта меньше. Линия скольжения сместится к вершине зуба. При нарезке меньшим диаметром с таким же модулем, нагрузка будет на вершину нити резьбы. Погрешность можно компенсировать смещением инструмента и регулировкой расстояния между осями. Но трение и износ все равно будут больше, КПД упадет.

Нарезать червячное колесо фрезой с диаметром больше червяка можно для беззазорного сцепления. В этом случае используется специальная фреза с разными углами профиля для правой и левой стороны. Ось фрезы выворачивается в сторону увеличения наклона зуба. Обычные зубофрезерные станки надо переделывать для обработки беззазорного сцепления.

Из-за отсутствия зазора между рабочими элементами, поверхность быстро стирается и приходится постоянно производить регулировку. Беззазорные сцепления применяются при высокой точности и большой нагрузке с малой активностью пары, например, в прокатных станах для регулировки прижима валков – толщины прокатываемого металла.

Для изготовления одного или нескольких колес с нестандартными размерами может применяться оправка с одним резцом по форме впадины между зубьями. Инструмент вращается постоянно. Колесо вращается синхронно с инструментом. После каждого оборота реза проворачивается на размер модуля зуба и за полный оборот, подвигается к оправке с резцом на глубину реза.

Недостаток способа изготовления венца в длительности процесса. Один резец обрабатывает деталь в несколько раз дольше, чем фреза. Учитывая стирание резца, надо делать черновую и чистовую обработку.

Червячное колесо отличается от других своим внешним видом и способом обработки. Оно делается точно под определенный червяк.

Червяные пары: червячные колеса и червяки

Червячная пара передает вращение по перекрещивающимся (но не пересекающимся, в отличие от конических шестерен) осям.

Червячная пара состоит из червячного колеса и червяка. Червячное колесо изготавливают из антифрикционного материала (чугун, бронза). Часто средняя часть червячного колеса делается из стали, а на нее одевается венец из бронзы (иногда чугуна). Червяк представляет из себя винт с особой «резьбой». Червяки изготавливают не только однозаходными, но и многозаходными (как, например, на рисунках выше).

Изготовление червячных колес и изготовление червяков весьма востребованная операция из-за широкого распространения червячных редукторов, что обусловлено целым рядом достоинств червячных пар:

большие передаточные отношения в одной паре и, как следствие, компактность редукторов;
часто, удобство компоновки вследствие перекрещивания осей валов;
плавность и бесшумность работы;
при небольшом угле подъема червяка обладают эффектом самоторможения, являясь необратимыми (нельзя вращать червяк, прикладывая усилие к червячному колесу).

Недостатки червячных пар:

повышенные потери на трение и, как следствие:высокие требования к качеству сборки; невысокий КПД;
тепловыделение;
высокий износ;

склонность к заеданию;
меньший ресурс червячного редуктора.

3. Сварные цилиндрические зубчатые колеса

По сравнению с литыми колесами сварные колеса в обычном исполнении издают больше шума. Для уменьшения шума целесообразно снабжать колеса ребрами. Зубчатые колеса малого диаметра изготовляют со ступицей, приваренной к торцу колеса или со сквозной втулкой (рис. 8, а). Большие колеса могут быть сварены из нескольких частей – ступицы, одного или двух дисков с ребрами и венца, который может быть поковкой из нужного металла (рис. 8, б).

Зубчатое сварное колесо обычной конструкции имеет диаметр ступицы (рис. 8, в) d₁=(1,55…1,7)d мм; диаметр ступицы с бортом d₁=d₁+10 мм; толщину венца (d_a–D)/2 мм; толщину венца с бортом (d_a–D)/2+5 мм; диаметр расположения отверстий в диске D₁=(D–d₁)/2 мм; диаметр отверстий в диске d₂ =(D – d₁ )/5 мм; толщину диска с ≈ 0,4d-2 мм; углубление ребра s=0,8c мм; фаску n=0,5m мм.

Рис. 8. Сварные цилиндрические зубчатые колеса