Конструкторско-технологические особенности червячной передачи с цилиндрическим червяком

_Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2_

УДК 621.833

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЧЕРВЯЧНОЙ ПЕРЕДАЧИ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ ЧЕРВЯКОМ

Г.В. Шадский, И.И. Феофилова

Рассмотрены вопросы проектирования червячных крупномодульных многоза-ходных ортогональных передач со шлифованным червяком, а также способы локализации пятна контакта. Показано, что рациональным является шлифование червяков и червячных фрез кругами с конической производящей поверхностью.

Ключевые слова: передача, привод, модуль, колесо, червяк, технология, зубона-резание, механизм.

Червячная передача - это механическое устройство, передающее вращение между скрещивающимися валами, чаще всего под прямым углом. [1, 2]. Червяк является цилиндрическим винтом со специальной резьбой одно-или многозаходной, а сопряженное с ним колесо имеет венец с зубьями дугообразной формы (рисунок).

Поверхности червячной ортогональной передачи: и ^2 - червяка и колеса; 1 и 2 - начальные окружности червяка и колеса

Если витки червяка располагаются на поверхности в виде тора, то такая передача называется глобоидной. Червяк, как правило, в передаче -ведущее звено, и только в редких случаях в повышающих передачах ведущим является червячное колесо.

Обычно передаточное число принимают в диапазоне 8 - 100 и только в редких конструкциях, например в приводах станочных столов большого диаметра, передаточное число принимают до 1000. Достоинствами червячных передач являются компактность, плавность и бесшумность в работе. Передачи могут быть самотормозящими, т. е. передающими вращение только от червяка к колесу, что иногда даёт возможность выполнить механизм без тормозного устройства.

Недостатком червячных передач является значительное относительное скольжение сопряженных элементов, т.е. витков червяка и зубьев колеса. Это вызывает усиленное тепловыделение, повышенный износ и склонность к заеданию. В итоге коэффициент полезного действия снижается до 0,7 - 0,75 - в однозаходной передаче, до 0,8 - 0,85 - в двухзаходной и до 0,86 - 0,92 - в четырехзаходной передаче. Для уменьшения износа и повышения сопротивляемости заеданию червячные колеса изготовляют из материалов с высокими антифрикционными свойствами, главным образом из бронзы. Червяки обычно изготовляют из качественных углеродистых или легированных сталей, термически обработанных до высокой твердости. Высокое качество поверхности червяки обеспечивают шлифованием и последующим полированием.

В соответствии с ГОСТ 18498-89 цилиндрические червяки разделяют на линейчатые и нелинейчатые.

Линейчатые червяки:

- конволютные: ZN1 - с прямолинейным профилем витка; ZN2 - с прямолинейным профилем впадины; ZN3 - с прямолинейным нормальным профилем витка;

- ZJ - эвольвентные, образованные прямой линией, касающейся винтовой линии на цилиндре, называемом основным;

- ZA - архимедовы, образованные прямой линией в осевом сечении червяка.

Нелинейчатые червяки:

- образованные конусом: ZK1, ось которых скрещивается с осью производящего конуса под углом, равным делительному углу подъема линии витков червяка; ZK2 - выполненные в виде пальцевого инструмента, где ось червяка пересекается с осью производящего конуса под прямым углом; ZK3 - выполненные в виде чашечного инструмента, где ось червяка пересекается с осью производящего конуса под прямым углом; ZK4 - выполненные в виде кольцевого инструмента, где ось червяка пересекается с осью производящего конуса под углом, равным делительному углу подъема линии витка червяка;

- образованные тором: ZT1, ось которых скрещивается с осью производящего тора под углом, равным делительному углу подъема линии витка червяка; ZT2, ось которых скрещивается с осью производящего тора под углом, при котором одно из плоских сечений главной поверхности червяка является дугой окружности, совпадающей с образующей производящего тора.

У нелинейчатых червяков винтовая поверхность ни в каком сечении не дает прямой линии. Технологически при чистовой обработке такие червяки шлифуют кругом, заправленным прямолинейно в осевом сечении. Установку круга на станке производят в соответствии с углом подъема винтовой линии.

С эксплуатационной точки зрения ни теоретические разработки, ни практика пока не дали основания предпочесть ту или иную форму червяка. В связи с этим при изготовлении шлифованных червяков наиболее предпочтительны нелинейчатые червяки, образованные дисковым кругом с конической производящей поверхностью.

Технологический процесс производства червячных передач существенно отличается от производства цилиндрических зубчатых передач. Это отличие заключается в следующем.

1. Цилиндрические зубчатые передачи составлены, как правило, из колес и 12 с поверхностями Е1 и Е2, нарезанными одним методом, чаще всего центроидным огибанием (см. рисунок) [3]. Производящие поверхности инструментов Е 01 и Е02 в сочетании с совокупностью подач используемого оборудования, необходимых для реализации обкатки, являются общими, т. е. Е01 °Е02 °Е0. Это реализуется инструментами, в основе которых лежит общая инструментальная рейка: гребенки, червячные фрезы, долбяки. Оба колеса могут быть нарезаны одним и тем же инструментом, на одном и том же станке. Задача синтеза рабочего и станочного зацеплений сводится к расчету поверхности, а при прямозубых колесах - профиля второго колеса по заданному первому, но с учетом межосевого расстояния в передаче и исключения интерференции зубьев. В этом случае зубчатые поверхности обоих колес являются сопряженными и исходными для расчета поверхности зуборезных инструментов.

Сокращение машинного времени зубофрезерования возможно при исключении подачи инструмента вдоль зубчатого венца, но фреза должна иметь увеличенный диаметр. Он рассчитывается из условия, что продольная погрешность зубьев колеса в виде вогнутости по боковым сторонам будет находиться в пределах припуска на чистовую зубообработку, например прикатыванием или шевингованием, а для закаленных венцов - чистовым зубофрезерованием или шлифованием. Вогнутость по дну впадин не должна превышать радиальный зазор в передаче. Это обеспечит наличие необходимого радиального зазора в станочном зацеплении с инструментом при чистовой зубообработке. Предварительное и окончательное зубофре-зерование возможно только на узковенцовых зубчатых колесах резцовыми головками [4] или червячными фрезами с нулевым углом профиля [5]. Общие производящие поверхности Е01 °Е02 °Е0 обеспечивают линейный контакт рабочих поверхностей колеса и сопрягаемой с ней шестерни.

При изготовлении червячных передач зубчатую поверхность колеса Е2 образуют инструментальной поверхностью Е02 °Е01 °Е0, полностью совпадающей с поверхностью червяка Е1. На зубообрабатывающем станке поверхности Е0 и Е2 должны иметь такое же относительное движение, какое имеют Е1 и Е2 в зубчатом механизме. С технологической точки

зрения червяк и червячное колесо нарезаются сопряженными, но конст-

318

руктивно разными инструментами. На обеспечение сопряженности влияют не только параметры инструмента, например падение затыловочной кривой у червячных фрез и запас на переточку, но и погрешности, возникающие при монтаже червячной передачи. В результате возникает необходимость локализации зоны контакта.

2. В паре цилиндрических колес 2Х и г2 с поверхностями Е и Е2 оба колеса имеют сопряженные не только профили, но и поверхности, несмотря на возможные погрешности изготовления и монтажа. Задачами синтеза зацепления являются расчет формы, количества и схемы расположения режущих кромок на производящей поверхности инструмента. Эти показатели определяют стойкость инструментов при принятых конструк-торско-технологических параметрах операции зубонарезания. В расчетах следует учитывать передние и задние углы режущей части, число заходов инструмента, скорость его продольной подачи. Несопряженность колеса и шестерни с линейным контактом поверхностей при монтаже компенсируется боковым и радиальным зазорами в передаче. Обеспечение радиального зазора при заданном межосевом расстоянии а^, осуществляется увеличенной по отношению к исходному контуру высотой производящего контура, но это может привести к раздельному или обоюдному подрезанию поверхностей Е и Е2 у основания. Подрезание зубьев у основания устраняется смещением производящей поверхности инструмента Е0 по отношению к центроиде колеса на величину тх2, где т - модуль, х2 - коэффициент смещения исходного контура. Простые центроиды у колеса и инструмента (окружность или прямая линия) упрощают кинематику в передаче и минимизируют количество применяемых инструментов.

Наличие линейного контакта наблюдается не только в зацеплении поверхностей Е и Е2, но и в зацеплении их с соответствующими поверхностями в станочных зацеплениях. Длина линии контакта определяется диаметром производящей поверхности, числом режущих кромок, расположенных на ней, и величиной срезаемого припуска.

В червячной передаче сопряженные поверхности в рабочем и станочном зацеплениях находятся на скрещивающихся осях, а вид передачи и червяка, исходя из технологических возможностей производства, часто определяет форма производящей поверхности инструмента для чистовой обработки червяка. Задача синтеза зацеплений сводится к выбору с технологической и эксплуатационной точек зрения вида червяка как основы проектирования сопряженного с ним червячного колеса, инструментов и средств контроля. Если червяк подвергается термообработке и дальнейшему шлифованию, например, на резьбошлифовальном станке дисковым коническим кругом с прямолинейной образующей, то в осевом сечении червяк получается нелинейчатым. Сложность профилирования червяка и фрезы возрастает с увеличением модуля и числа заходов передачи.

3. В цилиндрической передаче оба колеса изготовляют с одинаковыми физико-механическими свойствами, т. е. подвергают одинаковой термообработке и последующей чистовой зубообработке. В червячной передаче материалы червяка и колеса - различны. Скорость скольжения витков червяка превышает окружную скорость вращения колеса, а разная шероховатость трущихся поверхностей приводят к интенсивному изнашиванию червячного колеса.

При цилиндрической форме червяка и цилиндрической форме колеса в рабочем зацеплении их контакт точечный, что ограничивает передачу больших мощностей. Это ограничение в червячном зацеплении устраняется при нарезании зубьев червячного колеса фрезой, представляющей точную копию червяка, тогда соприкосновение червяка с колесом будет происходить по некоторой линии. Для увеличения длины линии соприкосновения венцу червячного колеса придается форма, охватывающая червяк.

Точки соприкосновения сопряженных профилей в червячной передаче образуют сложную линию зацепления, которая может быть построена при сечении передачи плоскостями, параллельными оси главного сечения, и рассмотрении полученного семейства реечных зацеплений [6]. В каждом сечении получается свой профиль рейки и свой профиль зубьев червячного колеса. Все сечения червяка в проекции на главное сечение при его вращении получают одну и ту же скорость поступательного-тангенциального движения, т. е. У1Х = (Р1Ха>1)/2р, где р1х - ход винтовой линии зубьев червяка; ю! - угловая скорость червяка. При этом все сечения колеса вращаются с одинаковой угловой скоростью Ю2, а зона окружных скоростей колеса, численно равных скоростям реечных сечений, образуется на начальном цилиндре колеса. Плоскость, касательная к делительному цилиндру колеса и параллельная оси червяка, представляет собой начальную плоскость всех реечных сечений червяка. Точки касания начального цилиндра и начальной плоскости определяют геометрическое место полюсов зацепления или ось зацепления в виде линии, перпендикулярной оси червяка и параллельной оси колеса. Таким образом, можно построить червячное зацепление по аналогии с реечным зацеплением, т. е. профили реек, определяемые формой винтовой поверхности червяка, и положение полюсов зацепления. Предложенный Н.И. Колчиным анализ червячного зацепления послужил основой для его совершенствования.

Повышение нагрузочной способности червячной передачи возможно, если активной поверхности червяка придать форму, линия мгновенного контакта которой с поверхностью зуба колеса образует замкнутую кривую [7], а ее периметр уменьшается в процессе зацепления. Эксплуатация такой передачи при обильной смазке способствует размещению смазочной жидкости, передающей усилие от витка червяка зубу червячного колеса. Уменьшение периметра замкнутой линии контакта обеспечивает передаче увеличение нагрузочной способности и повышение КПД.

Сопряженность поверхностей колеса и червяка достигается в основном производящей поверхностью червячной фрезы, которая должна быть идентична винтовой поверхности червяка. При этом вид производящей поверхности должен быть таким же, как и у рабочего червяка, а станочная наладка должна копировать рабочее зацепление.

Изготовление и монтаж элементов передачи приводят к погрешностям, нарушают контакт винтовых поверхностей колеса и червяка и смещают пятно контакта к одному из торцов. Устранение смещения обеспечивают локализацией пятна контакта и превращением его из теоретического линейного в точечный. Для этого применяется несколько способов [3].

1. Подача червячной фрезы в направлении оси червячного колеса. При малой величине продольной подачи на оборот колеса поступательно перемещение фрезы можно считать мало зависящим от ее вращения и рассматривать это перемещение как второй независимый параметр по отношению к параметру, определяющему вращение фрезы и колеса. Передача в этом случае будет нечувствительной к погрешностям установки червяка в направлении оси червячного колеса и менее чувствительной к другим первичным ошибкам, вызывающим появление циклических погрешностей.

2. Использование двух жестко связанных производящих поверхностей, например, для передачи на основе червяка 7К1 - шлифовального круга с конической производящей поверхностью и винтовой поверхности червячной фрезы. Если поверхности червяка Х1 придать отклонения по отношению к производящей поверхности Е01 червячной фрезы и при касании поверхности шлифовального круга Е02 по винтовой линии Е линии касания производящих поверхностей с обрабатываемыми поверхностями имеют общую точку, то производящая поверхность фрезы и поверхность колеса будут находиться в линейном контакте, а поверхности червяка и нарезанного колеса в точечном контакте. Это реализуется нарезанием червячного колеса фрезой большего диаметра, чем диаметр червяка.

3. Нарезание колеса радиальным врезанием червячной фрезы за три установки (это - вариант первого способа). При первой установке для ортогональной передачи фрезу перемещают в плоскости межосевого перпендикуляра, т.е. в средней плоскости венца, а при второй и третьей установках -выше и ниже этой плоскости, что позволяет срезать участки зуба колеса, приводящие к кромочному контакту.

Перспективным является вариант локализации пятна контакта модификацией профиля зубьев колеса, при котором после нарезания венца червячной фрезе сообщают вращательное движение с малой круговой подачей. Подача осуществляется вокруг межосевого перпендикуляра в пределах угла, обеспечивающего срезание части зубьев у торцов колеса.

321

Список литературы

1. Детали машин. Расчет и конструирование: справочник. Т.3 / В.Н. Беляев, Т.П. Болотовская, А.А. Готовцев [и др.]; под ред. Н.С. Ачеркана. М.: Машиностроение 1969. 471 с

2. Муха Т.И., Януш Б.В., Цупиков А.П. Приводы машин: справочник. Л., 1975. 334 с.

3. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. М.: Наука, 1968. 584 с.

4. Коганов И.А., Федоров Ю.Н., Валиков Е.Н. Прогрессивные методы изготовления цилиндрических зубчатых колес. М.: Машиностроение, 1981. 136 с.

5. Обработка модифицированного профиля зубьев цилиндрических колес фрезами червячного типа с нулевым углом профиля / Н.Д. Феофи-лов, В.В. Птицын, В.И. Нагорных [и др.] // Исследования в области технологии машиностроения и сборки машин. Тула: Изд-во ТулПИ, 1987. С.127 - 130.

6. Зубчатые зацепления / под ред. Х.Ф. Кетова М.: ВНИТОЧМАШ, 1947. 215 с.

7. Лагутин С. А. Червячные передачи с замкнутой линией контакта. // Машиноведение. 1970. №6. С. 41 - 46.

Шадский Геннадий Викторович, д-р техн. наук, проф., chiefgennadiischadscky@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Феофилова Инна Ивановна, ассистент, feofilovndayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DESIGN AND TECHNOLOGICAL FEATURES OF THE WORM GEAR WITH

CYLINDRICAL SPIRAL

G. V. Shadskij, I.I. Feofilova

Considered design issues worm coarse-grained multistart orthogonal transmission with brushed alloy, as well as ways to contact localization. It is shown that the rational is grinding worms and worm milling circles with tapered surface produces.

Key words: transmission, drive module, wheel, worms, technology, gear-cutting machinery.

Shadskij Gennadiy Victorovich, doctor of technical sciences, professor, chiefgenna-diischadscky@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Feofilova Inna Ivanovna, assistant, feofilovnd@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University