Червячная передача: устройство, КПД и материалы

Пока вал с червяком делает полный оборот, колесо успевает сдвинуться всего на зуб-другой. На этом и держится главное достоинство червячной пары — огромная редукция в одном компактном узле. Поэтому её ставят там, где нужно сильно снизить скорость и поднять момент в компактном корпусе, — в подъёмниках, конвейерах, мешалках, поворотных механизмах, задвижках, станочных делительных устройствах. За компактность приходится платить трением: КПД у червячной пары ниже, чем у зубчатой, и тепло приходится отводить. Разберём, как она устроена, какие параметры задаёт стандарт, от чего зависит КПД, когда передача самотормозящая, из чего делают червяк и колесо и что учесть при заказе.

Как устроена червячная передача

Ведущая деталь — червяк, вал с одним или несколькими винтовыми витками почти трапециевидного профиля. Ведомая — колесо, у которого зубья по ширине вогнуты дугой, чтобы обнимать червяк. Валы расположены крест-накрест, под 90°, и друг с другом не пересекаются. Вращаясь, виток толкает зуб так же, как винт двигает гайку. У шестерён зубья больше перекатываются друг по другу, а здесь контакт идёт со скольжением — поэтому столько внимания трению, бронзе и маслу.

Передаточное число

Число витков червяка называют числом заходов z1. Однозаходный червяк за оборот продвигает колесо на один зуб, двухзаходный — на два:

u = z2 / z1, где z2 — число зубьев колеса.

Стандартные числа заходов — 1, 2 и 4. Колесо обычно делают не меньше чем с 28 зубьями, чтобы зубья не подрезались. Так одна ступень даёт передаточные числа примерно от 8 до 80: например, колесо с 40 зубьями и двухзаходный червяк — u = 20, тот же червяк с однозаходным витком — u = 40.

Основные параметры по ГОСТ 2144-76

Геометрию червячной пары определяют модуль m, число заходов z1, число зубьев колеса z2 и коэффициент диаметра червяка q — отношение делительного диаметра червяка к модулю. Стандарт увязывает их так, чтобы под каждое сочетание можно было изготовить инструмент; для q предпочтительны значения 8, 10, 12,5, 16 и 20.

Параметр	Формула	Пример: m = 4, q = 10, z1 = 2, z2 = 40
Делительный диаметр червяка	d1 = q · m	40 мм
Делительный диаметр колеса	d2 = z2 · m	160 мм
Межосевое расстояние	a = m · (q + z2) / 2	100 мм
Угол подъёма витка	tg γ = z1 / q	tg γ = 0,2, γ ≈ 11,3°
Передаточное число	u = z2 / z1	20

Межосевые расстояния силовых редукторов тоже стандартизированы — 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160 мм и далее, — поэтому при подборе замены сначала смотрят именно на него и на передаточное число. О самом модуле и стандартном ряде значений — в статье о модуле зубчатого колеса.

КПД червячной передачи

Потери в паре определяются углом подъёма витка γ и трением в контакте. Упрощённо КПД зацепления оценивают как η ≈ tg γ / tg (γ + φ′), где φ′ — приведённый угол трения, зависящий от материалов, смазки и скорости скольжения. Отсюда главный вывод: чем больше заходов при том же q, тем круче виток и выше КПД.

Число заходов червяка	КПД зацепления ориентировочно	Комментарий
1	0,70–0,75	наибольшее передаточное число, наибольшие потери, возможно самоторможение
2	0,75–0,82	распространённый компромисс
4	0,87–0,92	малые передаточные числа, высокий КПД

Значения — для закалённого шлифованного червяка, бронзового колеса и хорошей смазки. С незакалённым червяком, плохой смазкой или при пуске КПД ниже. Всё, что не дошло до выходного вала, уходит в нагрев, поэтому для червячных редукторов делают тепловой расчёт: корпус с рёбрами, вентилятор на валу червяка, а при большой мощности — циркуляционная смазка с охлаждением масла.

Самоторможение

Когда виток лежит совсем полого — его наклон меньше угла трения, — со стороны колеса червяк уже не провернуть: передача тормозит сама. Обычно этим свойством обладают однозаходные червяки с малым углом подъёма, и его используют в подъёмниках, воротах, задвижках, чтобы груз не опускался сам. Но полагаться на самоторможение как на тормоз опасно: при вибрации, износе и разогретом масле трение падает, и передача может «поехать». В грузоподъёмных механизмах наряду с червячной парой ставят отдельный тормоз.

Виды червяков

Вид	Особенность	Где применяют
Архимедов (ZA)	прямой профиль витка в осевом сечении, нарезается обычным резцом на токарном станке	передачи общего назначения, единичное производство
Конволютный (ZN)	прямой профиль в нормальном сечении витка	многозаходные червяки
Эвольвентный (ZI)	профиль позволяет шлифовать витки плоской стороной круга	закалённые шлифованные червяки, серийные редукторы
Глобоидный	червяк охватывает колесо по дуге, в контакте больше зубьев	тяжело нагруженные передачи, где важна несущая способность

Материалы червяка и колеса

Пару подбирают так, чтобы червяк был твёрдым и гладким, а колесо — из антифрикционного материала, который не задирается при скольжении по стали.

• Червяк — стальной: чаще всего 40Х, 40ХН или 45 с закалкой витков и последующей шлифовкой, а для тяжёлых режимов — 18ХГТ или 20Х, которые цементируют. Незакалённые червяки применяют только в малонагруженных и тихоходных передачах;
• Венец колеса — материал зависит от того, как быстро виток скользит по зубу: на больших скоростях нужна оловянная бронза (БрО10Ф1, БрО10Н1Ф1), на средних хватает алюминиевой — БрАЖ9-4, а для медленных и слабо нагруженных механизмов годится даже серый чугун;
• Ступица колеса — у колёс средних и больших размеров венец делают бронзовым, а ступицу — стальной или чугунной: так дорогая бронза идёт только туда, где нужна. Венец соединяют со ступицей посадкой с натягом с винтами по стыку или болтами.

Скорость скольжения считают как окружную скорость червяка, делённую на cos γ. Подробно о бронзах для пар трения — в статье о бронзе для втулок скольжения, о различиях меди, латуни и бронзы — в статье о медных сплавах.

Смазка и износ

Для червячных редукторов применяют специальные масла с противозадирными и антифрикционными присадками. Масло подбирают по скорости скольжения и температуре: чем ниже скорость и выше нагрузка, тем выше вязкость. Основной вид износа — истирание зубьев бронзового колеса; при перегреве и неподходящей смазке возможен задир — налипание бронзы на витки червяка, после которого пара быстро выходит из строя. Новая пара требует приработки: первые часы работы с неполной нагрузкой выравнивают контакт.

Пятно контакта на зубьях колеса проверяют при сборке по краске: оно должно располагаться посередине зуба и смещаться к выходу витка. Неправильное положение пятна говорит о смещении колеса вдоль оси червяка или о перекосе осей — передача будет греться и шуметь.

Тепловой режим редуктора

Мощность, которую не передала пара, превращается в тепло: при КПД 0,75 и мощности на входе 5 кВт в корпусе выделяется около 1,25 кВт — как от небольшого обогревателя. Это тепло корпус отдаёт в воздух через свою поверхность. Если её не хватает, масло перегревается: оно разжижается, плёнка между витками и зубьями рвётся, начинается задир, и износ бронзы резко растёт. Ориентир для большинства червячных редукторов — температура масла не выше 80–90 °C при длительной работе.

Если тепловой расчёт не проходит, идут по пути, известному из практики редукторостроения: увеличивают площадь корпуса рёбрами, ставят вентилятор на конец вала червяка, применяют змеевик с водой в масляной ванне или выносной теплообменник с циркуляцией масла. Менее очевидный путь — повысить КПД: перейти на многозаходный червяк, шлифованный закалённый червяк и качественное червячное масло.

Сборка и регулировка

• Межосевое расстояние выдерживают расточкой корпуса — оно определяет боковой зазор и правильность зацепления;
• Положение колеса вдоль оси червяка регулируют прокладками или гайками так, чтобы средняя плоскость колеса совпала с осью червяка;
• Пятно контакта проверяют по краске: на новой паре оно должно занимать среднюю часть зуба и смещаться к стороне выхода витка — так при приработке образуется масляный клин;
• Подшипники червяка воспринимают большую осевую силу, поэтому вал червяка ставят на радиально-упорные или конические подшипники с регулировкой осевого зазора;
• Приработка — первые часы работы при пониженной нагрузке с последующей заменой масла, в котором остаются продукты приработки.

Когда менять пару

Признаки износа — растущий люфт выходного вала, металлическая бронзовая взвесь в масле, стук при пуске и реверсе, повышенный нагрев. Износ зубьев колеса до трети и более от их толщины, задиры на витках червяка, выкрашивание поверхности — повод менять пару. Ремонт обычно сводится к замене венца колеса — если ступица отдельная, это дешевле — и изготовлению нового червяка по размерам старого. Червяк и колесо после ремонта снова прирабатывают вместе.

Червячная или зубчатая передача

Показатель	Червячная	Цилиндрическая зубчатая
Какую редукцию даёт одна пара	десятки, вплоть до 80 и выше	как правило, не больше 6–8
КПД	0,70–0,92	0,97–0,98
Шум	низкий, работа плавная	зависит от точности
Самоторможение	возможно	нет
Нагрев	значительный, нужен тепловой расчёт	умеренный
Материалы	требуется бронза для колеса	сталь для обеих деталей
Расположение валов	скрещиваются под 90°	параллельны

Где ставят червячные передачи

Применение	Почему червячная пара	На что обратить внимание
Конвейеры, мешалки, смесители	большое передаточное число в одной ступени, компактный редуктор	длительная работа — тепловой режим и смазка
Подъёмники, лебёдки, ворота	большой момент на выходе, плавность, частичное самоторможение	обязательный отдельный тормоз
Запорная арматура, задвижки	большой выигрыш в усилии на маховике, удержание положения	работа эпизодическая, допустим чугунный или бронзовый венец попроще
Делительные головки, поворотные столы станков	точное и плавное деление угла	высокая точность пары, выбор зазора
Рулевые механизмы, приводы с реверсом	плавность и малые габариты	износ при реверсе, регулировка зазора

Как подобрать замену червячному редуктору

Если редуктор нужно заменить без переделки привода, совпадать должны: межосевое расстояние, передаточное число, взаимное расположение валов — червяк сверху, снизу или сбоку колеса, — диаметры и шпонки выходных концов валов, присоединительные размеры лап или фланца, а также допускаемый момент на выходном валу и тепловая мощность при вашей продолжительности включения. Если стандартный редуктор не подходит по размерам, изготавливают новую червячную пару в старый корпус: для этого нужны размеры корпуса, межосевое расстояние и, лучше всего, изношенная пара как образец.

Что указать при заказе червячной пары

• межосевое расстояние и передаточное число — с них начинают подбор;
• модуль и q либо прямо делительный диаметр червяка;
• сколько заходов у червяка и в какую сторону закручен виток;
• сколько зубьев у колеса;
• тип червяка — архимедов, эвольвентный и т. д.;
• из чего сделан червяк и как он упрочнён, из какой бронзы или чугуна венец;
• степень точности, посадочные размеры, шпоночные пазы или шлицы;
• для замены без чертежа — обе детали пары: червяк и колесо изнашиваются вместе, и по одной детали восстановить геометрию сложнее.

Миф: червячная передача самотормозящая, поэтому отдельный тормоз механизму не нужен. Самоторможение возникает только при малом угле подъёма витка — как правило, у однозаходных червяков — и зависит от трения в контакте. При вибрации, разогретом масле, износе и приработке трение заметно падает, и передача, которая держала груз в статике, может начать проворачиваться под нагрузкой. Поэтому в подъёмных механизмах и на наклонных конвейерах самоторможение считают дополнительным, а не единственным средством удержания груза.

Частые вопросы

Как рассчитать передаточное число червячной передачи?

Разделить число зубьев колеса на число заходов червяка: u = z2 / z1. Колесо с 40 зубьями и однозаходный червяк дают 40, двухзаходный — 20.

Какой КПД у червячной передачи?

Ориентировочно 0,70–0,75 для однозаходного червяка, 0,75–0,82 для двухзаходного и 0,87–0,92 для четырёхзаходного при закалённом червяке и бронзовом колесе. С ростом числа заходов КПД растёт.

Почему червячное колесо делают из бронзы?

Витки червяка скользят по зубьям колеса, и пара сталь — сталь быстро задирается. Бронза хорошо работает по закалённой стали, прирабатывается и удерживает смазку. Для тихоходных малонагруженных передач допустим чугун.

Когда червячная передача самотормозящая?

Когда угол подъёма витка меньше угла трения — обычно у однозаходных червяков с малым углом. Это свойство ненадёжно при вибрации и нагреве, поэтому для удержания груза ставят отдельный тормоз.

Почему червячный редуктор греется?

Из-за скольжения витков по зубьям часть мощности теряется на трение и превращается в тепло. При длительной работе с большой нагрузкой корпус без рёбер и вентилятора не успевает отводить тепло, масло перегревается, растёт износ.

Можно ли заменить только колесо?

Можно, если червяк не изношен и его геометрия известна. Но обычно витки и зубья прирабатываются друг к другу, поэтому при значительном износе меняют пару целиком.

Червяк: пара из червяка и колеса на скрещённых под 90° валах даёт u = z2 / z1, вплоть до 80 без промежуточных ступеней; её геометрию задают модуль, коэффициент диаметра червяка q, число заходов и зубьев по ГОСТ 2144-76, межосевое расстояние равно m · (q + z2) / 2; КПД растёт с числом заходов — от 0,70–0,75 у однозаходного до 0,87–0,92 у четырёхзаходного червяка, — а потери превращаются в тепло; червяк делают из закалённой стали, венец колеса — из оловянной или алюминиевой бронзы, и на самоторможение как на тормоз не полагаются.

Практика МТМ: изготавливаем червячные пары, шестерни и валы по чертежу или образцу — токарная обработка и нарезание витков, зубонарезание, термообработка червяков и шлифовка. На складе — бронзовый пруток для венцов и стальной круг для червяков. Пришлите чертёж или изношенную пару через форму на сайте или позвоните по телефону +7 (812) 409-45-58.