Где применяется червячная передача в автомобиле

Червячные передачи



Что такое «червячная передача»?

Червячная передача – это зубчато-винтовая передача, движение в которой преобразуется по принципу винтовой пары с присущим ей повышенным скольжением.

Червячные передачи применяют для передачи вращательного движения между валами, оси которых перекрещиваются в пространстве. Наиболее часто угол перекрещивания Θ составляет 90°. Ведущим (в большинстве случаев) является червяк, представляющий собой зубчатое колесо с малым числом (z₁ = 1…4) зубьев (витков), похожее на винт Архимеда с трапецеидальной или близкой к ней по форме резьбой.
Червячное колесо выполняется косозубым. Для увеличения длины контактных линий в зацеплении с червяком зубья червячного колеса в осевом сечении имеют форму дуги.

***

Классификация червячных передач

В зависимости от формы внешней поверхности червяка передачи бывают с цилиндрическим (Рис. 1,а, б) или с глобоидным (Рис. 1,в) червяком.
Качественные показатели глобоидной передачи выше, поскольку она имеет повышенный КПД и более высокую несущую способность. Однако, червячная передача с глобоидным червяком сложнее в изготовлении, сборке и очень чувствительна к осевому смещению червяка, вызываемому, например, изнашиванием подшипников. На практике чаще всего применяют передачи с цилиндрическими червяками.

В зависимости от характера винтовой поверхности червяка различают линейчатые и нелинейчатые червяки.

Линейчатые винтовые поверхности образуются винтовым движением прямой линии, нелинейчатые – винтовым движением заданной кривой. Линейчатые винтовые поверхности проще в изготовлении, поэтому они распространены более широко.

В зависимости от профиля винтовой поверхности червяка червячные передачи бывают с эвольвентными, архимедовыми, конволютными и нелинейчатыми червяками. Получение того или иного вида винтовой поверхности у витков червяка зависит от способа нарезания.

Нарезание линейчатых винтовых поверхностей осуществляют на универсальных токарно-винторезных станках, когда прямолинейная кромка резца воспроизводит эвольвентную, конволютную или архимедову поверхность.

Эвольвентный червяк получают при установке прямолинейной кромки резца в плоскости, касательной к основному цилиндру с диаметром d_h. Левую и правую стороны витка нарезают соответственно резцами.
В торцовом сечении (сечении, перпендикулярном оси червяка) профиль витка червяка очерчен эвольвентой, в осевом сечении – криволинейный (выпуклый).
Эвольвентный червяк представляет собой цилиндрическое косозубое колесо эвольвентного профиля с числом зубьев, равным числу витков червяка, и с большим углом наклона зубьев.

С целью получения высокой поверхностной твердости витков и повышения тем самым качественных показателей передачи применяют термическую обработку с последующим шлифованием рабочих поверхностей витков. Эвольвентные червяки могут быть с высокой точностью прошлифованы плоской поверхностью шлифовального круга.
Производительные способы нарезания и простота шлифования обусловливают высокую технологичность эвольвентных червяков.

Архимедов червяк получают при расположении режущих кромок резца в плоскости, проходящей через ось червяка. Архимедовы червяки имеют в осевом сечении прямолинейный профиль с углом 2α, равным профильному углу резца. В торцовом сечении профиль витка очерчен архимедовой спиралью.
Боковые поверхности витков архимедовых червяков могут быть прошлифованы только специально профилированным по сложной кривой шлифовальным кругом. Поэтому упрочняющую термообработку и последующее шлифование не выполняют и применяют архимедовы червяки с низкой твердостью в тихоходных передачах с невысокими требованиями к нагрузочной способности и ресурсу.

Конволютный червяк получают при установке режущих кромок резца в плоскости, касательной к цилиндру с диаметром d_x (0<d_x<d_b) и нормальной к оси симметрии впадины. В этой плоскости червяки имеют прямолинейный профиль впадины.
Конволютные червяки имеют в осевом сечении выпуклый профиль, в торцовом сечении профиль витка очерчен удлиненной эвольвентой.

Недостатком передач с конволютными червяками является сложная форма инструмента для шлифования червяков и невозможность получения точных фрез для нарезания зубьев червячных колес.
Передачи с конволютными червяками так же, как и с архимедовыми, имеют ограниченное применение, в основном в условиях мелкосерийного производства.

Нелинейчатые червяки нарезают дисковыми фрезами конусной или тороидальной формы. Витки таких червяков во всех сечениях имеют криволинейный профиль: в сечении, нормальном к оси симметрии впадины, выпуклый, в осевом сечении – вогнутый (рис. 3).

Рабочие поверхности витков нелинейчатых червяков с высокой точностью шлифуют конусным или тороидным кругом. Передачи с нелинейчатыми червяками характеризует повышенная нагрузочная способность, их считают перспективными.

Для силовых передач следует применять эвольвентные и нелинейчатые червяки.

В зависимости от направления линии витка червяка червячные передачи бывают с правым (предпочтительнее для применения) и левым направлением линии витка.

Червячные передачи различаются, также, по расположению червяка относительно колеса – с нижним, верхним и боковым расположением.
Наиболее распространены передачи с нижним или верхним расположением червяка, при этом верхнее расположение червяка предпочтительнее в скоростных передачах, поскольку при такой конструкции меньше разбрызгивается смазка.
Червячные передачи с нижним расположением червяка обычно применяют при картерном способе смазывания и при окружной скорости червяка v₁ ≤ 5 м/сек.
Боковое расположение червяка относительно колеса чаще всего диктуется рациональностью компоновки передачи.

Червячные передачи могут быть выполнены в закрытом и открытом исполнении. Открытые червячные передачи применяются в малоответственных узлах, ручных приводах, при невысоких скоростях и передаваемых нагрузках.

***



Достоинства червячных передач

К основным достоинствам червячных передач можно отнести возможность изменять в существенных интервалах величину передаваемого крутящего момента или частоты вращения валов, а также тормозящие свойства этой передачи, позволяющие использовать ее в различных лебедках и грузоподъемных механизмах без специальных тормозных устройств.

В целом можно отметить следующие положительные свойства червячных передач:

• Возможность получения большого передаточного числа и в одной ступени (до 80 и более).
• Компактность и сравнительно небольшая масса конструкции.
• Плавность и бесшумность работы.
• Возможность получения самотормозящей передачи, т.е. допускающей движение только от червяка к колесу и имеющей высокое сопротивление обратному движению. Самоторможение червячной передачи позволяет выполнить механизм без тормозного устройства, препятствующего вращению колес (например, под действием силы тяжести поднимаемого груза).
• Возможность получения точных и малых перемещений (это свойство червячной передачи широко используется в приборостроении).

***

Недостатки червячных передач

Наиболее существенный недостаток червячных передач — значительные потери передаваемой мощности на трение и, соответственно, невысокий КПД и повышенный износ деталей.

К отрицательным свойствам червячных передач можно отнести следующее:

• Сравнительно низкий КПД вследствие повышенного скольжения витков червяка по зубьям колеса и значительное в связи с этим выделение теплоты в зоне зацепления.
• Необходимость применения для венцов червячных колес дорогих антифрикционных материалов (чаще всего – сплавы меди).
• Повышенное изнашивание и склонность к заеданию.
• Необходимость регулирования зацепления (средняя плоскость венца червячного колеса должна совпадать с осью червяка).

Качество и работоспособность червячной передачи во многом зависят от формы, твердости, шероховатости и точности изготовления винтовой поверхности витка червяка.

***

Применение червячных передач

Червячные передачи широко применяют в транспортных и подъемно–транспортных машинах при небольших и средних мощностях (механизм подъема лифта, лебедки, тали, трансмиссии транспортных машин, рулевые механизмы автомобилей и др.), а также с целью получения малых и точных перемещений (делительные устройства станков, регулировочные устройства тормозных механизмов автомобилей, механизмы настройки, регулировки и др.).

Применение червячных передач для передачи мощности более 200 кВт считается неэкономичным из-за сравнительно низкого КПД и необходимости в эффективном охлаждении червячной пары.
Вследствие отмеченных недостатков нерационально применять червячные передачи в условиях непрерывного действия при мощностях более 30 кВт. При работе в повторно–кратковременных режимах они могут оказаться эффективными и при больших мощностях.

***

Геометрия червячной передачи

Геометрические размеры червяка и колеса определяют по формулам, аналогичным формулам для зубчатых колес. В червячной передаче расчетным является осевой модуль червяка m, равный торцовому модулю червячного колеса. Значения осевого модуля червяка (в мм) выбирают из ряда: …4; 5; 6,3; 8….

Основными геометрическими размерами червяка являются (рис. 4):

делительный диаметр, т.е. диаметр такого цилиндра червяка, на котором толщина витка равна ширине впадины:

d₁ = m q,

где:     q – число модулей в делительном диаметре червяка или коэффициент диаметра червяка. С целью сокращения номенклатуры зуборезного инструмента значения q стандартизованы: 8; 10; 12,5; 16; 20…

расчетный шаг червяка:

P = π m,

ход витка:

P_h = P z₁,

где:     z₁ – число витков червяка: 1, 2 или 4 (z₁= 3 стандартом не предусмотрено);

угол профиля α: для эвольвентных, архимедовых и конволютных червяков α = 20°;
для червяков, образованных тором, α = 22°;

диаметр вершин витков:

dα₁ = d₁ + 2m,

диаметр впадин витков:

d_f1 = d₁ – 2,4m,

делительный угол подъема линии витка (см. рис. 5):

tg γ₁ = P_h/(π d₁) = π m z₁/(π m q) = z₁/q,

длина нарезанной части: –b₁.

Для червяка в передаче со смещением дополнительно вычисляют:

диаметр начального цилиндра (начальный диаметр):

d_w1 = m/(q + 2x),

где     х – коэффициент смещения.

угол подъема линии витка на начальном цилиндре:

tg γ₁ = z₁/(q + 2x),

где     х – коэффициент смещения.

***

Геометрические размеры венца червячного колеса

Зубья на червячном колесе чаще всего нарезают червячной фрезой, которая представляет собой копию червяка, с которым будет зацепляться червячное колесо. Только фреза имеет режущие кромки и несколько больший (на двойной размер радиального зазора в зацеплении) наружный диаметр.

Основные геометрические размеры венца червячного колеса определяют в среднем его сечении.
Делительный d₂ и совпадающий с ним начальный d_wi диаметр колеса при числе z₂ зубьев (рис. 4):

d₂ = d_w2 = m z₂,

Межосевое расстояние червячной передачи:

a = 0,5(d₁ + d₂) = 0,5(mq + mz₂) = 0,5m(q + z₂).

Червячные передачи со смещением выполняют в целях обеспечения стандартного или заданного значения межосевого расстояния. Осуществляют это, как и в зубчатых передачах, смещением на хm фрезы относительно заготовки при нарезании зубьев колеса (рис. 6):

a_w = a + x m = 0,5m (q + z₂ +2x).

Для стандартных редукторов a_w: …80, 100, 125, 140, 160,….

Для нарезания зубьев колес в передачах со смещением и без смещения используют один и тот же инструмент. Поэтому нарезание со смещением выполняют только у колеса.
При заданном межосевом расстоянии коэффициент смещения инструмента.
Значения коэффициента х смещения инструмента выбирают по условию неподрезания и незаострения зубьев. Предпочтительны положительные смещения, при которых одновременно повышается прочность зубьев колеса.

Рекомендуют для передач с червяком:
– эвольвентным 0 ≤ х ≤ 1 (предпочтительно х = 0,5);
– образованным тором 1,0 ≤ х ≤ 1,4 (предпочтительно x = 1,1–1,2).

Диаметр вершин зубьев (рис. 6):

d_a2 = d₂ + 2m(1+x),

Диаметр впадин зубьев:

d_f2 = d₂ – 2m(1,2 – x),

Наибольший диаметр червячного колеса:

d_am2 ≤ d_a2 + 6m(z₁ +k),

где     k = 2 для передач с эвольвентным червяком; k = 4 для передач, нелинейчатую поверхность которых образуют тором.

Ширина b₂ венца червячного колеса зависит от числа витков червяка:

b₂ = 0,355a_w при z₁ = 1 или 2
b₂ = 0,315a_w при z₁ = 4.

Червячное колесо является косозубым с углом y_w наклона зуба.
Условный угол 2δ обхвата для расчета на прочность находят по точкам пересечения окружности диаметром (d_a1 – 0,5т) с линиями торцов венца червячного колеса.

***

Силы и напряжения в червячном зацеплении



Передача червячного типа представляет собой небольшой зубчато-винтовой механизм, который обеспечивает передачу движений по принципу винтовой пары.

Применяется для передачи усилий вращательных движений между валами, угол пересечения которых составляет 90о.

Другими словами, червячная передача используется в системах, где требуется обеспечение передачи энергии между валами, расположенными под прямым углом по соотношению друг к другу.

Особенности конструкции

Ведущим звеном конструкции механизмов данного плана выступает «червяк», то есть небольшой винт с трапециевидной резьбой. На основе такой передачи построен мотор редуктор червячный.

Устройство червячной передачи отличается сравнительной простотой. Здесь имеется всего лишь несколько механизмов, главным из которых выступает червячный винт.

На поверхности данного элемента имеются дуговидные зубы, которые увеличивают значение контактных линий.

Достоинства и недостатки червячной передачи

Мотор редукторы червячные являются наиболее распространенными агрегатами, в которых используется передача подобного плана.

В целом же, все приборы, построенные на основе данной технологии, отличаются бесшумной и в то же время очень плавной работой.

Устройства, функционирующие на основе червячной передачи, в своем большинстве, характеризуются компактными размерами, за счет чего имеют относительно незначительную массу.

Решение мотор редуктор червячный купить, можно назвать рациональным при необходимости получения внушительных передаточных чисел.

Применение такого прибора в данном случае станет эффективным за счет высокой кинематической точности хода.

Впрочем, недостатком червячных мотор редукторов и прочих агрегатов с червячным типом передачи станет относительно низкий коэффициент полезного действия.

Снижение показателя объясняется некоторым скольжением червячных винтов по зубьям колеса. Этому сопутствует определенная потеря энергии.

Более того, червячная передача отличается склонностью к заеданию, в результате чего снижается срок эксплуатации механизма.

Применение

Если говорить о применении червячной передачи, то чаще всего используются такие механизмы в области автомобильной промышленности, в основном, при производстве троллейбусов.

Кроме того, широко востребованы агрегаты с червячной передачей в некоторых промышленных установках, подъемно-транспортных машинах.

Как правило, область применения червячной передачи ограничивается мощностью устройств. Номинальная мощность систем, в которых возможно использование червячного привода составляет не более 100 кВт.

На функционирование в системах повышенной мощности червячная передача не рассчитана. Главной причиной является низкий КПД и вероятность частых перегревов в ходе эксплуатации, что требует применения дополнительных систем охлаждения.

Червячная передача – механизм, использующийся в машиностроении для преобразования вращательного движения в перемещение, обладающий преимуществами, но также имеющий некоторые недостатки, и широко применяемый в различных устройствах.

From Wikipedia, the free encyclopedia

A worm drive is a gear arrangement in which a worm (which is a gear in the form of a screw) meshes with a worm wheel (which is similar in appearance to a spur gear). The two elements are also called the worm screw and worm gear. The terminology is often confused by imprecise use of the term worm gear to refer to the worm, the worm wheel, or the worm drive as a unit.

The worm drive or «endless screw» was invented by either Archytas of Tarentum, Apollonius of Perga, or Archimedes, the last one being the most probable author.^[1] The worm drive later appeared in the Indian subcontinent, for use in roller cotton gins, during the Delhi Sultanate in the thirteenth or fourteenth centuries.^[2]

Explanation[edit]

A gearbox designed using a worm and worm wheel is considerably smaller than one made from plain spur gears, and has its drive axes at 90° to each other.
With a single-start worm, for each 360° turn of the worm, the worm wheel advances by only one tooth. Therefore, regardless of the worm’s size (sensible engineering limits notwithstanding), the gear ratio is the «size of the worm wheel — to — 1».
Given a single-start worm, a 20-tooth worm wheel reduces the speed by the ratio of 20:1. With spur gears, a gear of 12 teeth must match with a 240-tooth gear to achieve the same 20:1 ratio. Therefore, if the diametrical pitch (DP) of each gear is the same, then, in terms of the physical size of the 240 tooth gear to that of the 20 tooth gear, the worm arrangement is considerably smaller in volume.

Types[edit]

Types of worm drives[edit]

The entire drive (both worm and wheel) can be classified as follows:

Non-throated worm drives

These don’t have a throat, or groove, machined around the circumference of either the worm or worm wheel.

Single-throated worm drives

The worm wheel is throated.

Double-throated worm drives

Both gears are throated. This type of gearing can support the highest loading.^[3]

Types of worms[edit]

These classifications refer to the worm itself:

Enveloping worm (hourglass worm)

The worm has one or more teeth, and increases in diameter from its middle portion toward both ends.^[4]: 3

Double-enveloping worm

The worm’s gearing comprises enveloping worms mated with fully enveloping worm wheels. It is also known as globoidal worm gearing.^[4]: 4

Direction of transmission[edit]

Unlike with ordinary gear trains, the direction of transmission (input shaft vs output shaft) is not reversible when using large reduction ratios. This is due to the greater friction involved between the worm and worm wheel, and is especially prevalent when a single-start (one spiral) worm is used. This can be an advantage when it is desired to eliminate any possibility of the output driving the input. If a multi-start worm (multiple spirals) is used, then the ratio reduces accordingly, and the braking effect of a worm and worm wheel may need to be discounted, as the wheel may be able to drive the worm.

Worm drive configurations in which the wheel cannot drive the worm are called self-locking. Whether a worm drive is self-locking depends on the lead angle, the pressure angle, and the coefficient of friction.

Applications[edit]

In early 20th century automobiles prior to the introduction of power steering, the effect of a flat or blowout on one of the front wheels tended to pull the steering mechanism toward the side with the flat tire. The use of a worm drive reduced this effect. Further worm drive development led to recirculating ball bearings to reduce frictional forces, which transmitted some steering force to the wheel. This aids vehicle control, and reduces wear that could cause difficulties in steering precisely.

Worm drives are a compact means of substantially decreasing speed and increasing torque. Small electric motors are generally high-speed and low-torque; the addition of a worm drive increases the range of applications that it may be suitable for, especially when the worm drive’s compactness is considered.

Worm drives are used in presses, rolling mills, conveying engineering, mining industry machines, on rudders, and circular saws. In addition, milling heads and rotary tables are positioned using high-precision duplex worm drives with adjustable backlash. Worm drives are used on many lift/elevator and escalator drive applications, due to their compact size and their non-reversibility.

In the era of sailing ships, the introduction of a worm drive to control the rudder was a significant advance. Prior to its introduction, a rope drum drive controlled the rudder. Rough seas could apply substantial force to the rudder, often requiring several men to steer the vessel—some drives had two large-diameter wheels so that up to four crewmen could operate the rudder.

Worm drives have been used in a few automotive rear-axle final drives (though not the differential itself). They took advantage of the location of the worm being at either the very top or very bottom of the differential crown wheel. In the 1910s, they were common on trucks; to gain the most clearance on muddy roads, the worm was placed on top. In the 1920s, the Stutz firm used them on its cars; to have a lower floor than its competitors, the worm was located on the bottom. An example circa 1960 was the Peugeot 404. The worm drive protects the vehicle against rollback. This ability has largely fallen from favour, due to the higher-than-necessary reduction ratios.

A more recent exception to this is the Torsen differential, which uses worm wheels and planetary worms, in place of the bevel gearing of conventional open differentials. Torsen differentials are most prominently featured in the Humvee and some commercial Hummer vehicles, and as a centre differential in some all-wheel drive systems, such as Audi’s quattro. Very heavy trucks, such as those used to carry aggregates, often use a worm drive differential for strength. The worm drive is not as efficient as a hypoid gear, and such trucks invariably have a very large differential housing, with a correspondingly large volume of gear oil, to absorb and dissipate the heat created.

Worm drives are used as the tuning mechanism for many musical instruments, including guitars, double basses, mandolins, bouzoukis, and many banjos (although most high-end banjos use planetary gears or friction pegs). A worm drive tuning device is called a machine head.

Plastic worm drives are often used on small battery-operated electric motors, to provide an output with a lower angular velocity (fewer revolutions per minute) than that of the motor, which operates best at a fairly high speed. This motor-worm-drive system is often used in toys and other small electrical devices.

A worm drive is used on Jubilee-type hose clamps or Jubilee clamps. The tightening screw’s worm thread engages with the slots on the clamp band.

Occasionally a worm drive is designed to run in reverse, resulting in the worm shaft turning much faster than the input. Examples of this may be seen in some hand-cranked centrifuges, blacksmithing forge blower, or the wind governor in a musical box.

Left-hand and right-hand worm[edit]

A right-hand helical gear or right-hand worm is one in which the teeth twist clockwise as they recede from an observer looking along the axis. The designations, right-hand and left-hand, are the same as in the long-established practice for screw threads, both external and internal. Two external helical gears operating on parallel axes must be of opposite hand. An internal helical gear and its pinion must be of the same hand.

A left-hand helical gear or left-hand worm is one in which the teeth twist anticlockwise as they recede from an observer looking along the axis.^[4]: 72

Manufacture[edit]

Worm wheels are first gashed to rough out the teeth, and then hobbed to the final dimensions.^[5]

See also[edit]

• List of gear nomenclature
• Gear
• Linear actuator, some forms occasionally also referred to as worm gear or worm drive
• Rack and pinion
• Slewing drive

References[edit]

Bibliography[edit]

• Oberg, Erik (1920). «Spiral and worm gearing». The Industrial Press.

External links[edit]

• Kinematic Models for Design Digital Library (KMODDL)
  Movies and photos of hundreds of working mechanical-systems models at Cornell University. Also includes an e-book library of classic texts on mechanical design and engineering.
• Formulae & Calculations for Worm Drive
• Various Metric Gears downloadable design specifications, 2D-3D models and catalogues
• Various Worm Gearboxes, 3D models
• Machining of Worm Shaft and Worm Gears

Передавать полезную нагрузку внутри механизма на его элементы бывает не так-то просто. Это для нас, жителей современного мира, механические устройства с различного рода передачами, уменьшающими, или наоборот увеличивающими крутящие моменты, являются чем-то само собой разумеющимся. Но в годы технического развития, когда тяжёлые паровые машины снабжались примитивными рычажными и зубчатыми устройствами, нередко имеющими комбинированное исполнение, такое решение для модификации усилия, как зубчатая передача, решала огромные задачи, имеющие в основном функцию управления различными режимами работы оборудования, и сегодня она имеет не меньшую популярность в качестве редуктора на http://moltechsnab.ru/reduktora за счёт простоты исполнения и функциональности.

С момента изобретения червячной передачи прошло немало лет, целое столетие назад она совершила настоящую революцию в машиностроении и не только. Предприятия, заводы и фабрики снабжали свои механизмы этим новомодным приспособлением, позволяющим снять нагрузку с силового агрегата и значительно усилить полезную работу на выходе из него. Несмотря на более поздние изобретения многих других видов передач, именно червячная передача сохранила за собой эксклюзивное право использоваться там, где ей до сих пор сложно найти замену даже современными техническими средствами.

Области применения червячной передачи

Применений для использования червячной передачи множество, и хотя многие из них заменены более современными зубчатыми, или гидравлическими механизмами, сфера применения именно червячной передачи остаётся достаточно обширной и по сей день. Вот только некоторые области, где применение зубчатой передачи осталось неизменным :

• Рулевое управление автомобиля. Несмотря на то, что сегодня повсеместно внедряется гидравлическое, или электроуправление рулевым механизмом автомобиля, оба этих варианта являются ни чем иным, как сложной модификацией червячной передачи. Посредством которой осуществляется поворот колёс на заданный угол;
• До сих пор ручные лебёдки оснащаются червячными передачами как единственно возможными механическими приспособлениями для осуществления тяговой нагрузки, значительно превышающую человеческое усилие;
• Не обошла стороной червячная передача и музыкальную сторону вопроса. Так на современных гитарах всё ещё можно увидеть элементы натяжки струн, исполненные в виде именно червячной передачи, а не какой-нибудь другой;
• Во многих видах технологического оборудования пищевой, лёгкой или тяжелой промышленности червячная передача выполняет функцию изменения крутящего момента рабочего вала в несколько раз, что не только снижает нагрузку с оборудования, но и позволяет в разы увеличить мощность на выходе, снизив показатели износа оборудования до минимальных пределов.

Главная уникальность червячной передачи, которая сохранила актуальность её применения по сей день, это возможность выполнения работы только в одностороннем порядке, то есть ведомый вал не сможет как-то повлиять на работу ведущего за счёт особой функциональной особенности невозврата, которой может обладать только червячная передача.