Какво е червячна предавка? Пълно техническо ръководство

Парадоксът на самозаключващия се механизъм - Защо е полезна предавка, която се съпротивлява на движението

Зъбен комплект, който блокира въртенето в една посока, звучи като конструктивен недостатък. В повечето механични системи, съпротивлението на движението е нещо, за което инженерите полагат усилия да го елиминират. Но в приложения, вариращи от ръчни подемници до слънчеви тракери и хирургически роботизирани стави, задвижване, което активно предотвратява обратното въртене - без външна спирачка, без ток на задържане на двигателя, без пружини или тресчотки - е точно това, което изисква дизайнът. комплект червячни зъбни колела предоставя това свойство като геометрично следствие, а не като допълнителен механизъм.

Разбирането на причините изисква разбиране на ъгъла на водеща част. А разбирането на ъгъла на водеща част изисква да се започне с основната геометрия на това как червячната резба се зацепва с червячно колело. Това ръководство изгражда това разбиране от нивото на компонента нагоре, като обхваща физиката на самозаключването, причината за сдвояването на материала на бронзовото колело, механиката на контакта, която определя товароносимостта, и компромиса за ефективност, който всеки инженер, който определя червячно задвижване, трябва да вземе предвид при изчисляването на размера на двигателя си.

Техническа таблица

Анатомия на червячна предавка — компоненти и терминология

А комплект червячни зъбни колела Състои се от точно два компонента. Червякът е задвижващият елемент - цилиндричен вал с една или повече спирални резби, изрязани в повърхността му, наподобяващи голям винт или резбована пръчка. Червячното колело (наричано още червячна предавка или просто колело) е задвижваният елемент - зъбно колело, чиито зъби са извити във вдлъбната дъга по ширината на зъбната повърхност, за да обхванат частично червячния цилиндър. Двата вала са ориентирани на 90 градуса един спрямо друг в най-често срещаната конфигурация, въпреки че са възможни и други ъгли на пресичане в специализирани конструкции.

Геометрията на резбата, която определя всичко останало

Ъгълът на изпреварване не е просто число на чертеж — това е параметърът, който физически свързва предавателното число, самоблокиращото се поведение и ефективността на трансмисията в една единствена кохерентна система. Всяко друго свойство на червячната предавка произтича от ъгъла на изпреварване, поради което разбирането му е по-полезно от запомнянето на спецификации.

Помислете какво се случва при контакта между резбата на червяка и зъба на червячното колело. Червякът се върти и повърхността на резбата се плъзга по повърхността на зъба на колелото. Това е по същество плъзгащ контакт, а не търкалящ се контакт на цилиндрични, спирални или конусни зъбни колела. Посоката на плъзгане е по спиралата на червяка, под ъгъл спрямо посоката на предаване на мощност към колелото. Компонентът на контактната сила, който предава въртящ момент към колелото, се определя от косинуса на ъгъла на водещо движение; компонентът, който генерира триене (и следователно топлина), се определя от ъгъла на водещо движение и коефициента на триене на материалната двойка.

При малък ъгъл на водеща точка (плитка спирала — каквато се среща при едноходовите червяци с високо предавателно число), по-голямата част от контактната сила избутва зъба на колелото настрани в триене, вместо да го движи напред. Ето защо червячните задвижвания с високо предавателно число имат ниска ефективност — геометрията по своята същност е неефективна при преобразуването на входното движение в изходен въртящ момент. При голям ъгъл на водеща точка (стръмна спирала — каквато се среща при многоходовите червяци с ниско предавателно число), по-голяма част от контактната сила отива в полезно предаване на въртящия момент и ефективността се подобрява. Едноходов червяк 10:1 може да постигне ефективност 80–881 TP3T; триходов червяк 4:1 може да постигне ефективност 93–961 TP3T.

Самозаключване — Физиката зад най-неразбраното свойство

Самоблокиране възниква, когато червячното колело не може да задвижва червяка — прилагането на въртящ момент към изходния вал на колелото създава триене в контактната зона, което надвишава тангенциалната сила, необходима за завъртане на червяка. Условието за самоблокиране е: ъгълът на водеща част λ е по-малък от ъгъла на триене ρ'. Във формула: λ е по-малко от arctg(μ ÷ cos α).

За типичен стоманен червяк срещу колело от калаен бронз със смазване с масло, коефициентът на триене μ е приблизително 0,05–0,10. При ъгъл на натиск от 20 градуса, ρ' = arctan(0,07 ÷ cos 20°) ≈ 4,3 градуса. Всеки червяк с ъгъл на водещост под приблизително 4,3 градуса ще се самоблокира при тези условия на смазване. Едноходов червяк при съотношение 40:1 със стандартен диаметър на цилиндъра обикновено има ъгъл на водещост от 2–3 градуса — удобно самоблокиращ се със смазване с масло.

От тази физика следват три практически последици, които често се пренебрегват в спецификациите:

■ Самозаключването зависи от вискозитета на смазочния материал. С повишаване на температурата вискозитетът на смазочния материал спада, ефективният коефициент на триене в зацепването намалява и ъгълът на триене намалява. Задвижване, което надеждно се самоблокира при 20°C с минерално масло, може да не се самоблокира при 75°C с напълно синтетично трансмисионно масло - същото задвижване, същият комплект зъбни колела, различни работни условия. За приложения, където самоблокирането е изискване за безопасност (телфери, слънчеви тракери, позициониращи механизми, които трябва да задържат товар, когато двигателят е изключен), условието за самоблокиране трябва да се провери при максималната работна температура със специфицирания смазочен материал, а не да се приема от общ номинален ъгъл на водещо движение.

■ Многоходовите червяци обикновено не са самозаключващи се. Двуходен червяк при съотношение 20:1 има ъгъл на водещост приблизително два пъти по-голям от едноходен червяк при същото съотношение. По-големият ъгъл на водещост може да надвишава ъгъла на триене, което елиминира самозаключването. Когато е необходимо самозаключване, стандартната спецификация са едноходови червяци със съотношения над 15:1–20:1. Под това съотношение или при многоходови червяци може да е необходима външна спирачка или задържащ механизъм.

■ „Самозаключване“ не е същото като „безопасно при откази“. Самозаключването предотвратява въртенето, инициирано от изходния вал под статично натоварване. То не предотвратява въртенето, инициирано от динамични натоварвания — вибрации, ударни импулси или осцилиращи натоварвания, които за момент обръщат посоката на силата, могат да доведат до пълзене на самозаключващото се задвижване с течение на времето. За критични приложения за безопасност, самозаключването трябва да се третира като допълнителна функция за безопасност, а не като основен механизъм за задържане на товара.

Контактна механика — Защо зъбът на червячното колело се извива навътре

Зъбната повърхност на червячното колело не е плоска по цялата си ширина като зъб на цилиндрично зъбно колело. Тя е вдлъбната – извита навътре в дъга, която съответства на диаметъра на стъпалния цилиндър на червяка. Тази кривина се получава чрез използване на червячна отрезна плоча (режещ инструмент, чийто профил съответства на геометрията на резбата на червяка) за рязане на зъбите на колелото. Резултатът е, че когато червякът и колелото са сглобени на правилното централно разстояние, контактът между тях е линия, а не точка.

Този линеен контакт е ключът към предимството в товароносимостта на правилно произведен червячен комплект зъбни колела в сравнение с обикновена кръстосана спирална зъбна предавка (където стандартна спирална зъбна предавка е сдвоена с червяк, което води до само точков контакт). Контактното напрежение в зацепването е контактната сила, разделена на контактната площ. Линейна контактна зона, покриваща 15–30 мм от ширината на челото на зъба, разпределя същата сила върху площ, 5 до 10 пъти по-голяма от точковата контактна зона, намалявайки контактното напрежение със същия коефициент. По-ниското контактно напрежение означава по-дълъг живот на повърхностна умора, по-висок устойчив непрекъснат въртящ момент и по-добра устойчивост на внезапно претоварване.

Практическото последствие за купувачите: червячно колело, нарязано с червячна фреза, е коренно различен продукт от това, нарязано със стандартна спирална фреза - дори ако модулът, броят на зъбите, диаметърът на отвора и външните размери са идентични. Първото има линеен контакт и висока товароносимост; второто има точков контакт и ниска товароносимост. Няма визуален начин да се различат от външната страна. Единствената надеждна проверка е тестът за контактна зона: сглобете червяка и колелото на правилното разстояние между центровете, търкаляйте под маркировъчната паста и проверете дали контактната зона покрива поне 60–70% от ширината на челото на зъба. Korea Ever-Power извършва този тест на всички съвпадащи двойки и включва снимка на контактната зона в документацията за доставка.

Защо колело от калаен бронз срещу закален стоманен червей - трибологичната причина

Стандартното сдвояване на материалите за червячни зъбни колела — червяк от закалена стомана срещу колело от калаен бронз — не е произволна конвенция. Това следва от специфичния характер на плъзгащия контакт в зацепването на червяка и режима на повреда, който това сдвояване предотвратява.

Плъзгащият контакт между две стоманени повърхности, дори със смазване, генерира адхезивно износване - процес, при който изпъкналите места на едната повърхност се заваряват за кратко с изпъкналите места на другата под контактното налягане и температура, след което се разкъсват, докато плъзгането продължава. Разкъсаните фрагменти се превръщат в абразивни частици в масления филм, ускорявайки износването експоненциално. Този процес, наречен ожулване или износване, е доминиращият режим на повреда, когато стоманата се движи в стомана със скорости на плъзгане, типични за контактите на червячни зъбни колела (0,5–15 m/s).

Калаеният бронз (ZCuSn10Pb1) предотвратява този режим на повреда чрез специфичен механизъм: под въздействието на комбинацията от контактно налягане и плъзгане по мрежата, бронзовата повърхност образува тънък, самообновяващ се трансферен слой от богат на цинк бронз върху закалената стоманена червячна резба. Този трансферен слой действа като жертвен твърд лубрикант - той има по-ниска якост на срязване от който и да е от основните метали, така че плъзгането се осъществява преференциално в рамките на слоя, вместо да причинява адхезия между основните материали. Слоят непрекъснато се попълва от повърхността на бронзовото колело, докато се изразходва. Резултатът е стабилна, износоустойчива плъзгаща повърхност, която може да издържи милиони контактни цикли без износване.

Изискването за твърдост на повърхността на червячния вал (55–62 HRC за производствени червяци с CNC клас) е свързано с този механизъм: колкото по-твърда е повърхността на резбата на червяка, толкова по-гладка е първоначалната повърхностна обработка, която се постига след шлайфане, и толкова по-пълно се формира трансферният слой по време на разработването, а не на грапави издатини, които генерират абразивни частици. Меката или грапава повърхност на резбата на червяка нарушава образуването на трансферния слой и води до преждевременно износване от адхезия, независимо от това колко добър е материалът на бронзовото колело.

Цилиндрични срещу глобоидни червячни зъбни колела - когато типът има значение

В производството съществуват две фундаментално различни геометрии на червяците. цилиндричен червей (най-разпространеният тип) има червячен вал с еднакъв диаметър по цялата си полезна дължина — резбата е нарязана на цилиндър с постоянен диаметър. Този тип е лесен за производство, лесен за проверка на размерите и може да бъде изработен в класове на точност по DIN със стандартно шлифовъчно оборудване. По-голямата част от индустриалните червячни зъбни колела — включително всичко в каталога на Korea Ever-Power — са цилиндрични червячни зъбни колела.

The глобоиден червей (наричан още червей тип „пясъчен часовник“ или червей „Хиндли“) има червячен вал, който е по-тесен в центъра, отколкото в краищата – червеят се извива в радиална посока, за да обхване частично колелото. Тази кривина позволява повече зъби на колелото да бъдат в едновременен контакт с червея във всеки един момент, което теоретично подобрява товароносимостта и ефективността. Практическите недостатъци са съществени: червеят е значително по-труден за производство с тесни допуски, по-труден за проверка на размерите и не може да се регулира аксиално, за да се компенсира хлабината по начина, по който може цилиндричният червей. Глобоидните червеи се използват в специализирани приложения с високо натоварване, като например задвижвания за завъртане на строителни кранове и големи военни кули, където обосновката за плътността на натоварване е достатъчно силна, за да приеме сложността на производството.

За огромното мнозинство от индустриалните приложения – въртящи се оси на CNC машини, конвейерни задвижвания, слънчеви тракери, селскостопанска техника, опаковъчно оборудване, медицински изделия и автомобилни задвижващи механизми – цилиндричният червяк е правилната спецификация. Глобоидният тип предлага предимства само когато контактното натоварване на единица обем на корпуса е толкова екстремно, че стандартната конструкция на цилиндричен червяк не може да постигне необходимия експлоатационен живот в рамките на ограниченията на монтажното пространство.

Често срещани терминологични грешки — какво казват хората срещу какво имат предвид

Терминологията, използвана за компонентите на червячните предавки, е непоследователна в различните индустрии, региони и инженерни традиции. Таблицата по-долу изяснява най-често срещаните източници на объркване, срещани при дискусиите за обществени поръчки:

Къде е мястото на червячните предавки - и къде не

Червячната предавка е правилното механично решение, когато приложението комбинира едновременно две или повече от следните характеристики: изисква се правоъгълно разположение на вала; необходимо е високо предавателно число в един етап; необходимо е самозаключващо се задържане на позицията без отделна спирачка; шумът трябва да бъде сведен до минимум в сравнение с други видове предавки; и компактното опаковане при високо предавателно число е важно.

Когато тези условия отсъстват — особено когато основната цел е висока ефективност на предаване на мощност, когато разположението на валовете е успоредно или когато е необходимо ниско предавателно число — трябва да се оценят алтернативи като спирални зъбни колела, планетарни скоростни кутии или конусни зъбни колела. Намаляването на ефективността на червячната предавка (което може да достигне 30–40% входна мощност като топлина при високи предавателни числа) е реален експлоатационен разход, който трябва да се отчете в общия енергиен бюджет на системата и в изчислението на топлинното натоварване на двигателя.

За цялостни затворени задвижващи системи, комбиниращи червячна предавка с корпус, лагери, уплътнения и фланец за монтаж на двигателя, компактни червячни редуктори се предлагат като готови за монтаж единици. За голи компоненти на зъбните колела, където корпусът е част от конструкцията на рамката на машината, отделни комплекти червяци и колела в пълната гама от модули, материали и класове на прецизност са налични от Korea Ever-Power. 

Често задавани въпроси