Лекция_Передача Винт-гайка, червячная передача

Тема. Механические передачи

ЛЕКЦИЯ Механические передачи специального назначения

1. Передача «винт-гайка» (общие сведения, конструкция и материалы, разновидности винтов, основы расчёта)
2. Червячные передачи (общие сведения, классификация и геометрия, кинематические параметры, силы в зацеплении, расчет червячных передач)

Учебные вопросы

1. Передача «винт-гайка»

Общие сведения

Передача «винт-гайка» предназначена для преобразования вращательного движения в поступательное движение. При этом как винт, так и гайка могут иметь либо одно из названных движений, либо оба движения одновременно.

Схема действия передачи винт-гайка

Общие сведения

Общие сведения

Общие сведения

Достоинства передачи «винт-гайка»

большой выигрыш в силе;
возможность получения медленного движения с высокой точностью перемещения;
компактность при высокой нагрузочной способности;
простота конструкции и изготовления;
плавность и бесшумность;
высокая надежность.

Недостатки передачи «винт-гайка»

повышенный износ резьбы, вызываемый большим трением;
низкий КПД;
требование высокой точности изготовления, сложность конструкции гайки;
требование хорошей защиты передачи от загрязнений.

Типы передач «винт-гайка»

передачи с трением скольжения;
передачи с трением качения.

Типы передач «винт-гайка»

Конструктивное исполнение

передачи с вращающимся винтом и ведомой, поступательно перемещающейся гайкой (наиболее распространенное исполнение);
с вращающимся и одновременно поступательно перемещающимся винтом при неподвижной гайке;
передачи с вращающейся гайкой и ведомым поступательно перемещающимся винтом;
дифференциальная винтовая передача, которая состоит из винта с двумя участками резьбы разных шагов (Р1 и Р2), но одного направления;
интегральная винтовая передача. Она устроена аналогично дифференциальной, но имеет различные направления резьбы на участках винта. Осевое перемещение гайки относительно стойки пропорционально сумме шагов (Р1 + Р2).

Конструктивное исполнение

Схема винтовой дифференциальной передачи

из винта с двумя участками резьбы разных шагов (Р1 и Р2), но одного направления.

При вращении винта 1 гайка 2 совершает два поступательных движения: относительно винта 1 и вместе с винтом 1 относительно стойки 3.

Полное поступательное перемещение гайки 2 относительно стойки 3 пропорционально разности шагов (Р1 – Р2).

обеспечивает малые линейные перемещения

В зависимости от назначения передачи винты бывают

1. Грузовые (создание больших осевых сил). При знакопеременной нагрузке – трапецеидальная резьба, при большой односторонней нагрузке – упорная.
2. Ходовые (для перемещений в механизмах подачи). Трапецеидальная многозаходная резьбу.
3. Установочные (для точных перемещений и регулировок). Метрическая резьба.

Основные характеристики передачи

Основные характеристики передачи

Основные характеристики передачи

Скорость поступательного перемещения гайки (винта)
v = z·p·n /60 = ω·ph /2·π,
где z – число заходов резьбы винта; р – шаг резьбы в мм; ph – ход винта, рh = p·z; n – частота вращения винта (гайки) в об/мин.

Основные характеристики передачи

Передаточное число передачи винт – гайка определяется по формуле:

u = π·D/ph,

где D – диаметр маховика; рh – ход винта.

Основные характеристики передачи

Ft = Ftg(ψ + φ).

На гайку действует осевая сила F и удерживает от проворота тангенциальная сила Ft.

Критерии работоспособности

Износостойкость резьбы
Резьбу проверяют на смятие. Рассчитывают среднее давление на поверхности витков из условия не выдавливания смазочного материала. Прочность тела гайки рассчитывают из условия прочности на растяжение. Винты проверяют на сжатие и устойчивость.
При определении размеров передачи исходят из расчета на износостойкость резьбы по допускаемому давлению [q]изн с последующей проверкой винта на прочность.

Критерии работоспособности

2. Червячные передачи

Общие сведения

Червячная передача относится к передачам зацеплением с непосредственным контактом между ведущим и ведомым звеном и позволяет передать вращение между валами, оси которых перекрещиваются. Угол перекрещивания обычно равен 90˚.
Конструктивно передача состоит из двух элементов: червяка и червячного колеса.

Общие сведения

Червяк – это винт с трапецеидальной или близкой к ней по форме резьбой.
Червячное колесо является зубчатым колесом с зубьями особой формы, которая обеспечивает увеличение их длины и прочность зубьев на изгиб.

Общие сведения

Достоинства червячных передач

компактность и относительно небольшая масса конструкции;
возможность получения больших передаточных чисел в одной ступени – стандартные передачи u ≤ 80, специальные – u ≤ 300;
высокая плавность и кинематическая точность;
низкий уровень шума и вибраций;
самоторможение при обратной передаче движения, т.е. невозможность передачи движения в обратном направлении – от ведомого червячного колеса к ведущему червяку.

Недостатки червячных передач

низкий КПД и высокое тепловыделение;
повышенный износ и уменьшенный срок службы;
склонность к заеданию, что вызывает необходимость применения специальных антифрикционных материалов для изготовления зубчатого венца червячного колеса и специальных видов смазки с антизадирными присадками.

Классификация червячных передач

1) По направлению линии витка червяка: правые; левые.

Классификация червячных передач

2) По числу заходов червяка:
с однозаходным червяком, имеющим один гребень, расположенный по винтовой линии, наложенной на делительный цилиндр червяка;
с двух-, трёх-, четырёх- и многозаходным червяком, имеющим соответственно 2, 3, 4 или более одинаковых гребней, расположенных по винтовой линии, наложенной на делительный цилиндр червяка.

Классификация червячных передач

3) По форме делительной поверхности червяка
с цилиндрическим червяком (образующая делительной поверхности – прямая линия);
с глобоидным червяком (образующая делительной поверхности – дуга окружности, совпадающая с окружностью делительной поверхности червячного колеса).
 

Классификация червячных передач

4) По положению червяка относительно червячного колеса:
с нижним расположением червяка;
с верхним расположением червяка;
с боковым расположением червяка.

5) По пространственному положению вала червячного колеса:
с горизонтальным валом червячного колеса;
с вертикальным валом червячного колеса.

Классификация червячных передач

6) По форме боковой (рабочей) поверхности витка червяка:
с архимедовым червяком (обозначается ZA);
с конволютным червяком (обозначается ZN);
с эвольвентным червяком (обозначается ZI).

Основные геометрические соотношения

Геометрические расчеты червячных передач с цилиндрическим червяком аналогичны расчетам зубчатых передач и регламентированы ГОСТ 19650 – 74.
В червячной передаче осевой модуль червяка m равен торцевому модулю червячного колеса.
Значения расчетных модулей m выбирают из ряда: 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20 мм. 

Основные геометрические соотношения

Зацепление червячной передачи

Диаметр делительной окружности
червяка

d1 = mq,
q - коэффициент диаметра червяка
(Значения коэффициентов диаметра червяка
стандартизованы.
С целью ограничения номенклатуры
инструмента для нарезания червячных колес
и червяков).

Основные геометрические соотношения

Делительный угол подъема винтовой линии γ на цилиндре d1 определяется из зависимости:

С увеличением γ растет КПД передачи,
поэтому для снижения потерь на трение
надо принимать большие значения z1
и меньшие q.
Но при уменьшении q снижается
изгибная жесткость червяка и
падает нагрузочная способность
передачи. q ≥ 0,25z2.

z1 = 1; 2; 4.

z2≥26. Оптимальным является z2 = 40...60.

Кинематические параметрычервячной передачи с цилиндрическим червяком

Передаточное отношение червячной передачи определяется из условия, что за один полный оборот червяка колесо поворачивается на число зубьев, равное числу витков червяка:


Окружные скорости червяка υ1 и червячного колеса υ2:

u = 10...80

Скольжение в червячной передаче

При вращении червяка его витки скользят по зубьям колеса. Скорость скольжения направлена по касательной к линии витка червяка

Основными являются потери в зацеплении, КПД определяют как для винтовой пары









КПД червячной передачи растет с увеличением скорости скольжения и числа заходов червяка.
С увеличением Vs снижается ρ. Это объясняется тем, что повышение Vs приводит к постепенному переходу
от режимов полусухого и полужидкого трения к жидкостному трению. Кроме скорости скольжения
величина коэффициента трения зависит от шероховатости поверхностей зацепления, а также качества смазки.
При проектировочных расчетах передачи, когда ее геометрия неизвестна, можно при z1 = 1 принять
η = 0,7… 0,75; при z1= 2 η = 0,75 … 0,82; z1= 4 η =0,87… 0,92..

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия

Если ведущим является колесо, то вследствие изменения направления сил получают η = tg (γ – ρ)/ tg γ.
При γ < ρ η = 0 передача движения в обратном направлении (от колеса к червяку) становится невозможной.
Получаем самотормозящую червячную пару. Свойство самоторможения червячных передач используют
в грузоподъемных и других механизмах.
К.п.д. самотормозящей передачи очень низок и всегда меньше 0,5.

Силы в зацеплении

Распределенную силу давления в зоне контакта червяка с колесом заменяют сосредоточенной, приложенной в полюсе зацепления, и раскладывают по трем взаимно перпендикулярным направлениям на составляющие

Критерии работоспособности

1) Контактной выносливости зубьев колеса σH≤[σH];
2) Изгибной выносливости зубьев колеса σF ≤ [σF];
3) Износостойкости;
4) Стойкости против заедания.

Материалы в червячной передаче должны составлять антифрикционную пару и иметь в сочетании низкий коэффициент трения, обладать повышенной износостойкостью и пони­женной склонностью к заеданию в условиях больших скоростей скольжения при значительных нормальных силах между контактирующими поверхностями.

Критерии работоспособности

Расчет червячных передач

Основным расчетом силовых червячных передач с машинным приводом является расчет на усталостную контактную прочность, а расчет на изгиб является проверочным.

Тепловой расчет червячных передач

Способы искусственного охлаждения

1. изменение корпуса (ребра жесткости, которые выбирают из условия лучшего обтекания воздухом). При естественном охлаждении в соответствии с тем, что нагретый воздух идет вверх, ребра располагают вертикально;
2. установка вентилятора на валу червяка (ребра располагают вдоль направления потока);
3. установка масляного радиатора;
4. установка в масляную ванну змеевика, по которому пропускают проточную воду.