ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 3, 2010
УДК 621
© 2010 г. Попов В.А.
ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ С ПОВЫШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
Предложены две конструкции червячных передач с повышенными эксплуатационными свойствами: с масляной "подушкой" между активными поверхностями витков червяка и зубьев колеса и с масляным "карманом" на боковых поверхностях зубьев колеса.
Цилиндрическая червячная передача с масляной "подушкой" [1] разработана с помощью метода взаимодействия активных поверхностей червячной передачи через посредство третьего "звена" передачи в виде ограниченного по периметру объема масла — масляной подушки [2, 3]. Целью разработки является максимально возможное сохранение исходной геометрии и плавности работы в процессе естественной эксплуатации передачи, повышение нагрузочной способности и КПД червячной передачи.
Схема червячной передачи с масляной подушкой показана на рис. 1. На первый взгляд она напоминает глобоидную передачу. Однако в соответствии с ГОСТ 18498-73 она является цилиндрической червячной передачей, так как делительные и начальные поверхности являются цилиндрическими. Червячная передача с масляной подушкой содержит червяк 1 с постоянным осевым шагом и червячное колесо 2; 3 — глобоидная поверхность витков червяка; 4 — поверхность впадин червячного колеса; Kl — K2 — рабочий участок линии зацепления передачи. Поверхность 3 вершин витков червяка 1, выполненная в форме глобоида, сопряжена с поверхностью 4 впадин колеса в средней плоскости передачи по ходовой посадке при температуре около 90° масла в редукторе, соответствующей номинальной нагрузке передачи.
На рис. 2 изображена схема трансформации масляной подушки во время работы передачи. Ширину венца червячного колеса выполняют не менее длины проекции контактной линии 5—5 на ось вращения колеса 2. Во время работы передачи контактная линия 5—5 отсекает объем масла, который оказывается, практически, замкнутым между боковыми поверхностями витка червяка и зуба колеса. Зазор между поверхностями 3 и 4, сопряженными по ходовой посадке, незначителен и часть масла, выдавливаемого за весьма короткий промежуток времени, имеет несущественный объем. При вращении червяка контактная линия 5—5 перемещается от точки Kl к корню зуба колеса и занимает последовательно положения на зубе колеса, представленные на рис. 2. В связи с тем, что масло, практически, не сжимается под давлением, оно разделяет активные сопряженные поверхности передачи и выдавливается через весьма незначительный радиальный зазор между поверхностью вершин витков червяка и поверхностью впадин зубьев колеса, а также под контактные линии.
В результате активные поверхности витка червяка и зубьев колеса, разделенные масляной подушкой, имеют существенно большую площадь, через которую передается нагрузка от червяка колесу, в сравнении с площадкой при линейном контакте. Контактные напряжения в червячной передаче с масляной подушкой существенно сниже-
Рис. 1
Рис. 2
ны в сравнении с напряжениями при линейном контакте активных поверхностей базовой передачи. Поэтому существенно повышена нагрузочная способность червячной передачи и устойчивостью исходной геометрии активных поверхностей передачи, которые разделены масляной подушкой.
В работе Крылова Н.Н. [3], которая выполнялась в содружестве с автором, аналитически определены контактные линии на боковой поверхности зубьев колеса и построены поля зацеплений для передач с а = 20° и а = 15°. В результате этих исследований установлено следующее.
1. Условия для образования масляной подушки более благоприятные при профильном угле а = 15°, благодаря большему коэффициенту перекрытия в средней плоскости колеса, чем при а = 20°. В результате снижаются контактные напряжения на активных поверхностях передачи и возрастает нагрузочная способность червячной передачи. В таблице представлено влияние угла профиля на коэффициент перекрытия ^ в передаче с масляной подушкой.
2. Глобоидная форма поверхности вершин витков червяка увеличивает поле зацепления на 44% (вариант 2) и на 34,3% (вариант 1). На рис. 3 в масштабе 2 : 1 представлены ортогональные проекции полей зацепления по первому (1 при а = 15°) и второму (2 при а = 20°) вариантам исполнения архимедовой червячной передачи с масляной
Номер варианта Угол профиля, а0 Коэффициент перекрытия ^
В передаче В средней плоскости колеса
1 20 3,5 2
2 15 4,5 3,2
Рис. 3
подушкой: а = 160 мм, zl = 1, z2 = 50, т = 5,28 мм, р = 16,588 мм. Модуль передачи принят дробным числом для сравнения по нагрузочной способности с модифицированной глобоидной передачей по результатам сравнительных стендовых испытаний.
3. Протяженность масляной подушки определяет длина поля зацепления в средней плоскости колеса. Коэффициент перекрытия при а = 20° составляет ^ = 2, а при а = 15° равен ^ = 3,2 (рис. 3).
Это означает, что нагрузка от червяка колесу передается через посредство масляной подушки от ^ = 2 до ^ = 3,2 осевых шагов витков червяка, а в базовых передачах соответственно от ^ = 1,375 до ^ = 2,563 осевых шагов витков червяка. "Разорванные" контактные линии поля зацепления червячной передачи с масляной подушкой работают при существенно пониженных контактных напряжениях, так как масляная подушка воспринимает большую часть передаваемой нагрузки и при существенно большем коэффициенте перекрытия. В связи с этим существенно снижено изнашивание входного и выходного участков боковой поверхности зубьев колеса червячной передачи, на которых расположены "разорванные" контактные линии.
Следовательно, червячная передача с МП масляной подушкой обладает повышенной устойчивостью исходной геометрии, плавностью работы и остальными повышенными эксплуатационными свойствами.
Передачи с а = 20°, а = 160 мм, z^ = 1, г2 = 50, т = 5,28 мм выдержали длительные стендовые сравнительные испытания в ЦНИИТМАШ [4]. Передачи с а = 15°, а = 900 мм, = 1, 12 = 39, т = 36 мм успешно внедрены в базовых корпусах нажимных устройств 6, 7, 8 и 9 клетей чистовой группы листопрокатного стана 2000 на ОАО "НЛМК" (г. Липецк) взамен глобоидных передач с завалами на червяке и успешно эксплуатируются более 20 лет без каких-либо замечаний. При этом долговечность базовых глобоидных передач не превышала одного года.
Вторая конструкция червячной передачи с масляным "карманом" разработана путем исключения из зацепления мало изнашивающихся участков активных поверхностей передачи. На исключенных участках выполнены углубления для масляных карманов.
Целью разработки передачи с масляным карманом является повышение ресурса устойчивости исходной геометрии и плавности работы червячной передачи, а также повышение долговечности и надежности червячных передач.
Передача с масляным карманом отличается от цилиндрической червячной передачи по ГОСТ 19036-94 тем, что на боковых поверхностях зубьев колеса, примерно в середине зубьев, выполнены углубления — масляные карманы. Эта передача обладает повышенной нагрузочной способностью, устойчивостью исходной геометрии и плавностью работы. Такой эффект объясняется с одной стороны исключением участков контактных линий, которые определяют опасную по заеданию зону [5, 6] на боковой поверхности зубьев колеса. С другой стороны витки червяка, пройдя входной участок зуба, нагрелись до высокой температуры и в значительной мере утратили смазку перед вступлением в контакт с выходным участком зуба, а благодаря масляному карману витки червяка охлаждаются и дополнительно смазываются.
На рис. 4, а схематически представлен зуб колеса базовой передачи. На его боковой поверхности минимально изношенная зона a'fdq, опасная с точки зрения заедания [5, 6], ограничивает нагрузочную способность передачи; a'fdq — минимально изношенный участок боковой поверхности зуба колеса базовой передачи, так как на нем наиболее
Рис. 4
благоприятные условия для режима жидкостного трения. Здесь угол между касательной и контактной линией и направлением движения контактной линии практически равен 90°. На рис. 4, б представлено расположение масляного кармана аа'й'й на зубе колеса в виде углубления на боковой поверхности зуба; аа'й 'й — контур масляного кармана, охватывающий зону, наиболее опасную по заеданию активных поверхностей базовой передачи.
На рис. 4, в изображены глубина и длина масляного кармана.
Обозначения: 8 = 35°—40° — угол между горловым сечением колеса и прямой qй [6]; О — ось вращения червяка; Ь2 — ширина венца колеса; х0у — система координат; г1 — делительный радиус червяка; га1 — радиус поверхности вершин витков червяка в средней плоскости передачи; г0 — делительный радиус масляного кармана; г — максимальная глубина кармана; Ь3 — длина кармана; у' — угол обхвата червяка колесом на диаметре йа1; V — угловая протяженность кармана; V — угол между средней плоскостью колеса и выходным краем кармана; V'' — угол между средней плоскостью колеса и входным краем кармана; V,, — угол между средней плоскостью колеса и осью симметрии кармана; ю1 — угловая скорость червяка; О0 — ось вращения летучей фрезы, с по-
мощью которой нарезают масляные карманы; r0 — вылет резца летучей фрезы; b = 0,5b3; x0 — координата оси вращения летучей фрезы.
Передачу червячного типа с масляным карманом можно выполнить как с базовым червяком, так и с червяком, имеющим глобоидную форму поверхности вершин витков с постоянным осевым шагом. Определение расположения кармана на боковой поверхности зубьев колеса представим на примере конкретной передачи для нажимных устройств прокатного стана 2500 ОАО "НЛМК" (г. Липецк). Исходные данные передачи с масляным карманом: a = 1250 мм, m = 36 мм, zi = 1, z2 = 58, dl = 396 мм, da1 = 446,4 мм, b2 = 345 мм, x = +0,2222 — коэффициент смещения червяка.
Масляные карманы располагают в зоне минимально изнашивающегося участка боковой поверхности зубьев, поэтому принимают линию dd' (рис. 4, а), проходящую через ось O червяка, и точку d в качестве границы кармана на входном участке боковой поверхности зуба колеса. В качестве границы выходного края кармана на выходном участке боковой поверхности зуба колеса принимают линию aa', отстоящую от в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.