Учебный курс Детали машин и основы конструирования

Конспекты
Начертательная
Решение задач
Графика

Тепловой расчет и смазывание червячных передач.

Механическая энергия, потерянная в передачах, переходит в тепловую, вызывающую нагрев деталей и масла. Ввиду невысокого КПД червячные передачи работают с большим тепловыделением. Однако нагрев масла до температуры свыше 95° приводит к резкому снижению его вязкости и защитных свойств и, следовательно, к появлению опасности заедания передачи. Поэтому температура масла в картере передачи не должна превышать допускаемую [tм] = 70...90 °С в зависимости от сорта масла.

Для нормальной работы передачи необходимо обеспечение теплового баланса, т. е. чтобы количество теплоты, выделяющееся в результате превращения механической энергии в тепловую, не превышало количество теплоты, отводимой от передачи естественным или искусственным путем.

Количество теплоты Q1, выделяющейся в передаче,

  (3.83)

где Р — мощность на ведущем валу; η — КПД передачи.

Количество теплоты Q2, отводимой через стенки редуктора в окружающую среду естественным путем,

  (3.84)

где А — площадь поверхности охлаждения корпуса редуктора (без учета днища); КT = 8... 17 Вт/(м2·град) — коэффициент теплоотдачи стенок (большие значения при хорошей циркуляции воздуха в помещении); tM — температура масла; t0 = 20 °С — расчетная температура окружающей среды.

Площадь А поверхности охлаждений корпуса редуктора определяется по формуле (см. рис. 3.27; в и рис 3.28):

 (3.85)

где — высота корпуса; — длина корпуса;

 — ширина корпуса.

Если , то естественного охлаждения достаточно, в противном случае надо увеличить поверхность охлаждения, сделав стенки корпуса ребристыми (в этом случае при расчете учитывают 50% площади поверхности ребер).

При достаточном естественном охлаждении соблюдается следующее условие:

  (3.86)

Если естественного охлаждения недостаточно, т. е. , то применяется искусственное охлаждение, при котором коэффициент теплоотдачи значительно повышается.

Для зубчатых и маломощных червячных передач обычно достаточно
естественного охлаждения; для червячных передач большой мощности с невысоким КПД и для всех глобоидных передач применяют искусственное охлаждение.

Основные способы искусственного охлаждения показаны на рис. 3.31.

 а — воздушное охлаждение с помощью вентилятора, встроенного в кор-

Рис. 3.31

пус редуктора (коэффициент теплоотдачи при этом способе КТ = 20...28 Вт/(м2·град); б — водяное охлаждение с помощью змеевика с проточной водой, встроенного в корпус редуктора (коэффициент теплоотдачи при этом способе КТ = 70... 100 Вт/(м2-град); в — циркуляционное охлаждение масла с применением специальных холодильников. Следует заметить, что при последних двух способах интенсивность охлаждения зависит не только от площади поверхности охлаждения корпуса редуктора, поэтому применять вышеприведенные формулы для теплового расчета нельзя.

В червячных передачах возможно интенсивное изнашивание активных поверхностей зубьев червячного колеса, а также возникновение заедания и его опасной формы — задира. Поэтому в этих передачах рекомендуется применять нефтяные масла повышенной вязкости с добавлением (для улучшения противозадирных свойств) растительного масла, либо применять синтетические масла, например эфирные и т.д.

§ 3.4.5. Материалы и допускаемые напряжения

Ранее было установлено, что кинематической паре червяк—червячное колесо свойственны большие скорости скольжения, превышающие окружную скорость червяка, и, как следствие, механическое изнашивание, в частности изнашивание при заедании и усталостное изнашивание. Поэтому при выборе материалов червячной пары необходимо обеспечить хорошие антифрикционные и противозадирные свойства. Наилучшие результаты достигаются при сочетании высокотвердой стальной поверхности с антифрикционным материалом, обладающим необходимой объемной прочностью, например бронзой.

В малоответственных передачах червяк делают из среднеуглеродистых сталей (например, марок 45, 40Х и др.), подвергнутых нормализации или улучшению, причем твердость активных поверхностей витков Н < 320 НВ. Более высокая нагрузочная способность передачи получается, если червяк из среднеуглеродистой стали (например, марок 45Х, 40ХН, 35ХГСА и др.) подвергнуть поверхностной или объемной закалке до твердости Н ≥ 45HRC3. Наилучшие результаты достигаются, если червяк изготовить из низкоуглеродистой стали (например, марок 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА и др.) с последующей цементацией и закалкой до твердости Н ≥ 56HRC3, шлифованием и полированием витков. Червяки из азотируемых сталей (38Х2МЮА, 38Х2Ю и др.) не требуют шлифования витков, а только полируются. Для передач с колесами очень больших диаметров целесообразно червяки делать бронзовыми, а червячные колеса — чугунными.

Конструктивно червяки чаще всего изготовляют заодно целое с валом и лишь в редких случаях — насадными.

В целях экономии цветных металлов червячные колеса чаще всего делают составными: на чугунный или стальной центр насаживается брон-зовый венец по прессовой посадке.

Для неответственных, слабонагруженных и тихоходных передач при скоростях скольжения υs < 2 м/с возможно изготовление червячного колеса из чугуна или пластмасс (текстолит, полиамиды). В случае применения стальных хромированных червяков и чугунного червячного колеса предельная скорость скольжения может быть увеличена.

 Наилучшими антифрикционными и противозадирными свойствами обладают оловянные бронзы (например, БрОФ10-1, БрОНФ и др.), однако они дороги и дефицитны, и поэтому применяются только для ответственных передач с высокими скоростями скольжения (υs > 7 м/с). Нагрузочная способность передач с червячными колесами из оловянных бронз лимитируется усталостным изнашиванием и от скорости скольжения практически не зависит, поэтому верхний предел этой скорости для таких передач не ограничивают, а допускаемые контактные напряжения от нее не зависят. Наряду с этим срок службы венцов червячных колес в значительной степени зависит от способа отливки заготовок (в песок, в кокиль, центробежная), поэтому допускаемые напряжения зависят от способа отливки, и кроме того, от твердости активной поверхности витков червяка. Значения допускаемых контактных напряжений [σН0] для червячных колес из оловянных бронз и стальных червяков при базе испытаний  циклов нагружения приведены в табл. 3.13. Для определения значения допускаемого контактного напряжения [σН] при заданном числе циклов NK, отличном от базы испытаний, в расчет вводится коэффициент долговечности ZN, тогда

  (3.87)

 Здесь ; , где п — частота вращения червячного колеса; Lh— заданная долговечность передачи, ч.

Таблица 3.13

Материал и способ отливки

[σН0], МПа, при твердости поверхности витков червяка Н, HRC3

< 45

≥ 45

БрОФ10-1, в песок БрОФ10-1, в кокиль БрОНФ, центробежная

130 190 210

160

225 250

Более высокими механическими характеристиками, но существенно худшими (по сравнению с оловянными бронзами) противозадирными свойствами обладают безоловянные бронзы (например, БрАЖ9-4, БрАЖЬН 0-4-4 и др.), поэтому их применяют для менее ответственных передач при скоростях скольжения υs < 7 м/с. Нагрузочная способность передач с червячными колесами из безоловянных бронз (а также из чугунов) лимитируется изнашиванием при заедании и зависит от скорости скольжения. Значения допускаемых контактных напряжений [σн] для червячных колес из чугуна или безоловянной бронзы и стальных червяков выбирают независимо от числа циклов нагружений по табл. 3.14.

Таблица 3.14

Материал

[σН], МПа, при скорости скольжения, м/с

червяка

червячного колёса

0,25

0,5

1

2

3

4

6

Сталь 20; 20Х, цементированная (Н > 45HRC,) Сталь 45, Ст.6

Сталь закаленная

СЧ15, СЧ18

СЧ15, СЧ18 БрАЖ9-4

160

140

130

110

250

115

90

230

90

70

 210

180

160

120

Допускаемые напряжения изгиба [σF] для зубьев червячного колеса устанавливаются в зависимости от материала, способа отливки и характера нагружения (реверсивное, нереверсивное). Значения [σF0] при базе испытаний NHlim =106  циклов нагружений приведены в табл. 3.15. Для определения значения допускаемого напряжения изгиба при расчетном числе циклов NК табличное значение [σF0] следует умножить на коэффициент долговечности YN, равный

 ;

если , то его принимают равным базе испытаний ; если , то принимают .

Механические передачи Детали машин