Bilim.techО проекте

Червячные передачи

Как получить передаточное число 40 в одной ступени и почему червяк греется? Самоторможение, КПД и бронзовый венец.

01 Что это такое

Червяк это винт, а колесо это гайка, разрезанная и свернутая в кольцо. За один оборот червяка колесо поворачивается всего на z₁ зубьев, поэтому одна пара понижает обороты в 8-80 раз.

Оси червяка и колеса скрещиваются под 90°. Червяк похож на ходовой винт с одним, двумя или четырьмя заходами z1. Пока он делает оборот, виток проталкивает мимо себя z1 зубьев колеса. Значит, колесу с z2 зубьями нужно z2 / z1 оборотов червяка, чтобы сделать свой оборот: u = z2 / z1. У зубчатой пары из темы 6.1 для u = 40 колесо было бы в 40 раз больше шестерни, а тут хватает колеса с 40 зубьями.

Разверни виток на плоскость, и получится клин с углом подъема γ, как резьба болта в теме 7.1. Виток едет под зубом поперек, а зуб уходит вдоль оси медленно. Поэтому виток трется о зуб почти всей своей скоростью, а трение здесь главное. Оно съедает от 10 до 60 % мощности и греет масло. Зато при пологом витке трение не дает колесу провернуть червяк: передача сама держит груз. Чтобы пара не задиралась, венец колеса делают из бронзы, а червяк из закаленной стали.

ось колесаz₂ зубьевчервяк: винт с z₁ заходамиОси под 90°γπ · d₁ (оборот червяка)pz =z₁ π mзубклин едет, v₁Виток это клинразвернемv₁ витка, вдоль окружности червякаv₂vs скольженияскорость зуба колеса v₂ = v₁ · tg γскольжение vs = v₁ / cos γпри γ = 6° vs почти равна v₁:виток трет зуб всей своей скоростьюСкорости в полюсе
Виток червяка, развернутый на плоскость, становится клином (угол γ на рисунке увеличен). Клин едет под зубом колеса со скоростью v₁ и выталкивает зуб вдоль оси червяка со скоростью v₂ = v₁ tg γ. Скольжение между ними vs почти равно v₁.
u
Передаточное число, без единиц. u = z2 / z1 = n1 / n2. Однозаходный червяк и колесо с 40 зубьями дают u = 40: двигатель 1450 об/мин крутит колесо со скоростью 36 об/мин.
γ
Угол подъема витка, градусы. tg γ = z1 / q, где q коэффициент диаметра червяка (8-20). У однозаходного червяка 3-7°, у четырехзаходного 15-27°. Чем круче виток, тем выше КПД.
φ′
Приведенный угол трения, градусы. φ′ = arctg f′. В масле 1-3° на ходу и около 6° в покое, без смазки около 9°. Если γ меньше φ′, передача самотормозящая.
02 Опыт
Меняй заходы. Отключи двигатель под грузом. Перегрей масло. ЧЕРВЯК СТАЛЬНОЙ, ВЕНЕЦ БРОНЗОВЫЙ
ПЕРЕДАЧИ

Почему червяк так сильно понижает обороты, держит груз и греется?

Рис. 9.5
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Передаточное число
КПД редуктора
Температура масла

ⓘ Червяк архимедов, без смещения, оси под 90°. Размеры: d1 = q m, d2 = z2 m, высота витка 2,2 m, длина нарезки и ширина венца по обычным для проектирования соотношениям. Масштаб рисунка подбирается под размер передачи, отрезок внизу показывает настоящие миллиметры. Анимация замедлена так, чтобы червяк делал не больше половины оборота в секунду, отношение скоростей сохраняется точно. Силы показаны на червяке со стороны колеса, их длины пропорциональны величинам. Трение в масле взято из таблицы для стального червяка по оловянной бронзе и зависит от скорости скольжения. Температура масла считается по тепловому балансу при воздухе 20 °C, площадь корпуса оценивается по межосевому расстоянию.

03 Формулы по буквам

Передаточное число, КПД, самоторможение и нагрев

Во всех карточках числа из опыта. Меняй заходы, q, обороты и нагрузку и следи, как пересчитываются угол подъема, КПД и температура масла.

Во сколько раз червяк понижает обороты и как наклонен виток?

u = z2 / z1 = n1 / n2
tg γ = z1 / q

Число зубьев колеса делить на число заходов червяка. Тангенс угла подъема равен числу заходов, деленному на коэффициент диаметра: тонкий червяк с многими заходами дает крутой виток.

z1, z2
заходы червяка (1, 2 или 4) и зубья колеса (обычно 28-80)
q
коэффициент диаметра червяка: d1 = q m, стандартный ряд 8; 10; 12,5; 16; 20
m
модуль, мм, общий у червяка и колеса
γ
угол подъема витка на делительном цилиндре червяка

Сколько мощности доходит до колеса и когда передача держит груз сама?

η = tg γ / tg(γ + φ′)
самоторможение: γ ≤ φ′

КПД зацепления равен тангенсу угла подъема, деленному на тангенс того же угла, увеличенного на угол трения. Если виток положе угла трения, груз не может провернуть червяк. Платить за это приходится КПД меньше половины.

φ′
приведенный угол трения, φ′ = arctg f′; в покое φ′₀ больше, чем на ходу
f′
приведенный коэффициент трения: в масле 0,02-0,11, падает с ростом vs
vs
скорость скольжения, м/с: vs = v1 / cos γ, v1 = π d1 n1 / 60
0,96
множитель на потери в подшипниках и на перемешивание масла для всего редуктора

Сколько тепла выделяется и не перегреется ли масло?

Pпот = P1 (1 − η)
Δt = Pпот / (kt A)

Вся потерянная мощность становится теплом. Корпус отдает его воздуху тем быстрее, чем он больше и чем сильнее обдув. Масло нагревается, пока отдача не сравняется с потерями.

P1
мощность на валу червяка, Вт: P1 = T2 ω2 / η
kt
коэффициент теплоотдачи корпуса: 12-18 Вт/(м²·°C) без обдува, 20-28 с вентилятором
A
площадь наружной поверхности корпуса, м², примерно 20 a1,7 при a в метрах
Δt
перегрев масла над воздухом; масло не горячее 80-95 °C

Откуда берутся η и самоторможение

Шаг 1. Разверни один оборот витка на плоскость. Получится клин: основание π d1 (длина окружности червяка), высота ход pz = z1 π m (на столько виток уходит вдоль оси за оборот). Отсюда tg γ = pz / (π d1) = z1 / q, модуль сокращается.

Шаг 2. Зуб колеса лежит на клине, как брусок на наклонной плоскости из темы 2.5. Нагрузка колеса давит на зуб силой Ft2 вдоль оси червяка. Чтобы клин ехал под зубом и выталкивал его, червяк должен толкать с окружной силой Ft1 = Ft2 tg(γ + φ′): реакция витка отклонена от нормали на угол трения, как при затяжке гайки в теме 7.1.

Шаг 3. За оборот червяк совершает работу Ft1 · π d1, а колесо получает Ft2 · pz. Их отношение и есть КПД: η = Ft2 pz / (Ft1 π d1) = tg γ / tg(γ + φ′). При φ′ = 0 получилось бы ровно 1.

Шаг 4. Теперь пусть груз сам толкает зуб, а червяк свободен. Трение меняет знак, и окружная сила на червяке становится Ft2 tg(γ − φ′). Если γ ≤ φ′, она нулевая или отрицательная: клин заклинивает, колесо стоит. Подставь γ = φ′ в формулу КПД: η = tg φ′ / tg 2φ′, это чуть меньше 0,5. Поэтому самотормозящая передача всегда теряет больше половины мощности.

γπ d₁, виток едет влевоpzRφ′ от нормалиFt2 груз колесаFt1 = Ft2 · tg(γ + φ′)tg γ = pz / (π d₁) = z₁ π m / (π q m) = z₁ / qη = Ft2 pz / (Ft1 π d₁) = tg γ / tg(γ + φ′)
Клин витка едет влево под зубом и поднимает его против силы Ft2. Трение отклоняет реакцию R на угол φ′, поэтому толкать приходится сильнее: tg(γ + φ′) вместо tg γ.
04 Где и зачем это применяют

От лебедки до гитарного колка

Допущения модели+

Червяк архимедов, цилиндрический, без смещения, оси перекрещиваются под 90°; червяк и колесо абсолютно жесткие, без люфта. Приведенный коэффициент трения в масле взят из справочной таблицы для закаленного шлифованного червяка по оловянной бронзе и сглажен по скорости скольжения; в покое f′₀ = 0,11, без смазки 0,15 на ходу и 0,18 в покое, свое f′ одинаково на ходу и в покое. КПД редуктора принят 0,96 от КПД зацепления, это потери в подшипниках и на перемешивание масла. Радиальная сила посчитана как Ft2 tg 20° без учета трения. Площадь корпуса A ≈ 20 a1,7 м², коэффициент теплоотдачи 14 Вт/(м²·°C) без обдува и 24 с вентилятором, воздух 20 °C, допуск масла 90 °C; нагрев от солнца, ребра и масляные радиаторы не учтены. Прочность зубьев по контакту и износ не проверяются, предупреждения про подрезание, u и скорость скольжения только оценочные. Числа в готовых случаях примерные: ручная лебедка на 500 кг с барабаном 0,2 м, редуктор конвейера с двигателем около 4 кВт на 960 об/мин, гитарный колок с натяжением струны около 70 Н на валике диаметром 6 мм. Тема связана с темами 2.5, 7.1, 6.1 и 7.3: осевая сила червяка ложится на упорные подшипники.

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →