Все, что нужно знать о Червячные Передачи и преимуществах сотрудничества с производителем

Что такое червячная передача? (Определение)

Червячная передача , также называемая червячной передачей или червячной коробкой передач , когда она выполнена в виде редуктора, представляет собой зубчатую систему, которая передает движение и мощность между двумя непараллельными, непересекающимися валы, почти всегда под прямым углом 90°. Состоит из двух компонентов:

• Червяк — вал с непрерывной винтовой резьбой, по сути, винт. Это входной элемент и обычно управляющий элемент.
• Червячное колесо (червячная передача) — зубчатое колесо, криволинейные зубья которого сопряжены со спиральным профилем червяка. Это выходной элемент. (Примечание: в некоторых источниках термин “червячная передача” используется только для обозначения колеса; в этой статье червячная передача означает полную сборку.)

Поскольку валы перпендикулярны и смещены, червячная передача всегда изменяет направление вращения на 90° — геометрическое свойство, присущее только одноступенчатой редуктор выполнен в такой компактной оболочке. Идея древняя: Архимед описал винтовой механизм примерно в 250 году до нашей эры, и “архимедов червяк” по-прежнему является базовой формой сегодня.

Три числа определяют любой червячный редуктор на самом фундаментальном уровне:  передаточное число (насколько замедляется производительность),  крутящий момент на выходе (постоянное усилие, которое может обеспечивать мощность) и межосевое расстояние (расстояние между двумя осями вала, которое задает физический размер). Все остальное в спецификации — тепловые характеристики, коэффициент полезного действия, люфт, монтаж — вытекает из них.

Почему инженеры выбирают червячные передачи

• Высокое одноступенчатое передаточное число: от 5:1 до 100:1 за одну ступень, когда цилиндрическим шестерням требуется две или три ступени для достижения одинакового передаточного числа.
• Опция самоблокировки: при высоких передаточных числах выходная мощность механически блокируется при остановке двигателя – тормоз не требуется.
• Тихое, плавное движение: зубья постепенно входят в зацепление на большой площади контакта; типичные 55-62 дБ по сравнению с 62-75 дБ для спиральных узлов.
• Компактный прямоугольный корпус: малый размер для передаваемого крутящего момента.
• Устойчивость к ударным нагрузкам: соответствующий контакт (линия / площадь) хорошо распределяет нагрузку.

Компромисс заключается в эффективности и теплопередаче. Сетка в основном представляет собой скользящий контакт, поэтому значительная доля передаваемой мощности переходит в тепло — единственный наиболее непонятый и неправильно заданный параметр при выборе червячной передачи.

Как работает червячная передача: пошагово

Действие червячной передачи лучше всего понимать как вращение винта в колесе, но физика заключается в зацеплении винтовой передачи, а не в чистом нарезании резьбы.

1. Червяк вращается как входной сигнал. Его винтовая резьба является приводной поверхностью. Вращая его на один полный оборот, червячное колесо продвигается ровно на количество витков резьбы.
2. Резьба наталкивается на зубья колеса. Когда червяк вращается, его боковая часть соприкасается с зубом колеса, скользит вдоль него, полностью входит в зацепление и высвобождается — непрерывное, поступательное зацепление. Направление спирали и угол прижатия червяка должны соответствовать колесу, а осевой шаг червякадолжен равняться круговому шагу колеса, иначе комплект не будет зацепляться.
3. Скорость уменьшается за счет количества зубьев. Червяк с одним запуском продвигает колесо на один зуб за оборот; таким образом, 40-зубчатое колесо обеспечивает соотношение 40:1. Два старта дают 20: 1 с одного и того же колеса. Передаточное отношение задается исключительно геометрией: i = Z₂ / Z₁ (зубья колеса – запуск червяка).
4. Крутящий момент умножается. За счет сохранения мощности (без учета потерь) более медленная мощность обеспечивает пропорционально больший крутящий момент:  T_out = T_in × i × η. Вот почему небольшой червяк может выдерживать большой груз.
5. В контакте преобладает скольжение. В отличие от цилиндрических / винтовых передач, которые вращаются, червячная резьба скользит по поверхности колеса. Это скольжение создает высокое трение, более низкую эффективность, нагрев и — при малом угле опережения — самоблокирующийся механизм.
6. Самоблокирующийся механизм появляется, когда угол наклона достаточно мал. Если угол хода червяка (γ) меньше угла трения сетки (ρ’), колесо не может толкать червяк назад; выход блокируется при обесточивании двигателя.

Одиночный против Червяки с несколькими пусками

Количество пусков (головок с резьбой, Z₁) является основным рычагом как для передаточного числа, так и для эффективности:

• Одиночный пуск (Z₁ = 1): малый угол хода, высокое передаточное число, надежная самоблокирующаяся система, но низкий КПД (40-50%).
• Двойной пуск (Z₁ = 2): умеренный угол опережения, меньшее самоблокирование, эффективность 50-78%.
• Многократный запуск (Z₁ = 3-4): крутой угол поворота, высокая эффективность (78-92%), но, как правило, не самоблокирующийся.

Сравниваемые типы червячных передач

Червячные комплекты классифицируются по тому, как червяк и колесо “оборачиваются” друг вокруг друга. Форма оболочки определяет площадь контакта, грузоподъемность и стоимость.

стандартный обертывающий червяк имеет цилиндрический червяк с двойным обертыванием:  колесо с горловиной.  С двойным охватом (например, с коническим приводомs Envex®) сужает оба элемента, чтобы зубья поддерживали равномерный контакт через сетку — самая высокая грузоподъемность, но самая требовательная к обработке. Для большинства промышленных редукторов класса NMRV предпочтительным соотношением цены и производительности является одинарный привод.

Червячная передача по сравнению Другие типы зубчатых передач

Выбор червячной передачи в пользу цилиндрической, винтовой, конической или планетарной зависит от передаточного отношения, эффективности, самоблокирующейся передачи и огибающей.

правило: выберите червячные, когда вам нужен большой угол снижения, низкий уровень шума, или собственн-фиксируя в один этап. Подбирайте прямозубые / винтовые / планетарные, когда преобладают эффективность и непрерывная тепловая нагрузка (например, высокоскоростные конвейеры, тяговое усилие). Смотрите также наше руководство по сравнению коробки передач с мотор-редуктором .

Коэффициент полезного действия червячной передачи по коэффициенту полезного действия

Эффективность монотонно падает с увеличением передаточного числа, потому что более высокое передаточное число приводит к уменьшению угла опережения. Таблица объединяет методологию AGMA / ISO 14521 с данными приемочных испытаний производителя (установка для обкатки, масло при температуре ~ 40 ° C, синтетический PAO — наиболее благоприятное нормальное состояние). При холодном запуске работает на 5-10% меньше.

Сочетание материалов: Червяк из закаленной стали + бронзовое колесо

Червяк и колесо намеренно имеют разную твердость. Соединение твердого стального червяка с более мягким бронзовым кругом предотвращает износ клея (истирание): бронза медленно разрушается, защищая более дорогой червяк. Вот почему замена бронзового колеса является наиболее распространенным основным видом обслуживания (обычно 6-10 лет непрерывной работы).

Технические характеристики червячной передачи: Формулы & amp; Ограничения

Это уравнения, которые инженер фактически использует при определении червячного привода. Все они соответствуют стандарту AGMA 6034-B92 (ANSI/AGMA 6034) и методологии ISO 14521.

1. Передаточное число

i = Z2 / Z1 — зубья колеса (Z₂) ÷ запуск червяка (Z₁). Удерживайте Z₂ & gt; 28, чтобы избежать подрезания.

2. Угол опережения

γ = arctan( Z1 · m/ d1 ) = arctan( Z1 / q ) — где m – осевой модуль, d₁  – диаметр шага червяка, а q = d₁/m – коэффициент диаметра. Угол опережения является единственной наиболее важной переменной эффективности.

3. Эффективность (червячный привод)

η = tan γ / tan(γ + ρ' ), где виртуальный угол трения ρ' = arctan ( μ / cos αn ), μ – коэффициент трения сетки (устанавливается скоростью скольжения, смазкой, материалом, температурой), а α_n  – нормальный угол давления (обычно 20 °, поэтому cos α_n ≈ 0,940).

Также полезна практичная форма заднего хода:

назад = загар( γ − ρ' ) / загар γ

4. Условие самоблокировки

Самоблокировка при γ < ρ' (эквивалентно, при λ < φ – эквивалентный угол трения). При угле поворота примерно 5 ° большинство комплектов самоблокируются. Помните об обмене: тот же небольшой угол, который обеспечивает самоблокировку, также дает наименьший КПД (часто < 50%).

5. Выходной крутящий момент

Tout = Tin × i × η – всегда включайте

; при соотношении 50: 1/55% вы теряете 45% входного крутящего момента из-за трения.,,6. Межосевое расстояние

a = m ( q + Z2 + 2x) / 2 — где x – коэффициент дополнения-модификации. Межосевое расстояние задает размер устройства и фиксируется корпусом; неправильное его определение приводит к износу при несоосности.

7. Температурный предел (номинальная мощность, которая действительно критична)

Номинальная мощность AGMA основана на 10 часах непрерывной равномерной нагрузки и определяется стойкостью к образованию язв / износу и тепловыделением. Поддерживайте температуру масла ≤ 80-90 °C; при превышении этой температуры вязкость смазки снижается, и сетка может выйти из строя из-за задиров. Допустимая тепловая мощность составляет Pth = k с  · A · ( T масла − Tокружающей  среды).

Отработанный пример — почему эффективность – это тепловая проблема, а не сноска

Рассмотрим привод конвейера мощностью 3 кВт при соотношении 50:1, непрерывный 18 ч /сут. При КПД 75% потеря мощности = 3 × 0,25 =  0,75 кВт  тепла непрерывно. При 55% КПД (однократный запуск, самоблокирующийся) потеря мощности = 3 × 0,45 =  1,35 кВт. Разница в 0,6 кВт ведет себя как обогреватель мощностью 600 Вт, герметизированный внутри корпуса, повышая температуру масла на 15-20 ° C, снижая вязкость ~ на 40% и вызывая самоусиливающийся отказ от задиров месяцами спустя. Исправлением является червяк с многократным запуском (выше γ, выше η) или принудительное / более мощное охлаждение, а не двигатель большего размера.

Наилучшие применения для червячных передач

Червячные приводы находят свое место везде, где значительное уменьшение угла наклона, бесшумный ход или самоблокирующаяся система имеют большее значение, чем максимальная эффективность.

Для движения, критичного к аккумулятору или эффективности, когда потери червяка неприемлемы, наши двигатели BLDC в паре с планетарными редукторами являются обычной альтернативой.

Как выбрать червячную передачу: пошагово

1. определите передаточное отношение. Исходя из требуемой выходной скорости: i = n_входов /n_{выходов}. Червячные пары покрывают 5:1-100:1 за один этап.
2. Определите выходной крутящий момент. Крутящий момент нагрузки × коэффициент полезного действия. Затем рассчитайте необходимый входной крутящий момент: T_{на входе} = T_{на выходе} / ( i × η ).
3. Выберите количество пусков (Z₁). Нужна самоблокировка? Используйте однократный пуск. Нужна эффективность для непрерывной работы? Используйте двойной / многократный запуск. Это ключевой рычаг эффективности.
4. Отрегулируйте межосевое расстояние. Выбирайте наименьшее стандартное межосевое расстояние, тепловая и питтинговая способность которого, рассчитанная AGMA, превышает вашу постоянную мощность при рабочем соотношении. Не рассчитывайте только пиковый крутящий момент.
5. Выберите пару материалов. Червяк из закаленной стали + колесо из фосфорной бронзы для обычных условий эксплуатации; алюминиевая бронза для тяжелых условий эксплуатации / заднего хода; чугун только для легких условий эксплуатации.
6. Укажите смазку и охлаждение. ISO VG220 PAO синтетический в стандартной комплектации; VG320 для реверсирования с высоким циклом; PAG для высоких температур. При постоянной высокой нагрузке убедитесь, что корпус может отводить потерянное тепло (P_th).
7. Подтвердите самоблокировку (при необходимости). Проверьте значение γ & lt; ρ’ при вашей рабочей температуре — обратите внимание, что горячая смазка снижает значение μ и может нарушить самоблокирующуюся конструкцию на граничных конструкциях.
8. Проверьте монтаж и центровку. Подберите фланец двигателя (IEC B5 / B14 или NEMA C-face), затем обеспечьте соосность, перпендикулярность и правильное межосевое расстояние при установке, чтобы избежать износа эксцентрика.

Распространенные ошибки при проектировании червячных передач

• Расчет по максимальному крутящему моменту без учета тепловых характеристик. Номинальный срок службы AGMA составляет 10 часов непрерывной работы, определяемый температурой. Устройство, рассчитанное на 2-минутный пик, будет готовить при 18-часовой непрерывной загрузке. Всегда проверяйте P_th.
• Предполагается высокая эффективность. При соотношении 50: 1 самоблокирующийся червяк эффективен на ~ 55%; вы теряете ~ 45% входного крутящего момента и ~ 1,3 кВт из 3 кВт в виде тепла. Соответственно экономьте мощность двигателя и охлаждение.
• Предполагая, что он может быть с обратным приводом. Самоблокирующиеся комплекты (однократный запуск, высокое передаточное число) не могут быть отменены нагрузкой. Использование такого тормоза там, где требуется движение назад, является ошибкой конструкции, и полагаться на самоблокировку, поскольку единственный предохранительный тормоз может выйти из строя при прогреве масла.
• Используется неправильная смазка. Для червячных сеток требуется масло EP worm (ISO VG220 / 320), а не обычное моторное или трансмиссионное масло. Неправильное масло увеличивает μ, снижает эффективность и приводит к образованию задиров.
• Неправильная центровка / межосевое расстояние. Смещенный от центра или неперпендикулярный монтаж создает эксцентричную нагрузку и плохую сетку, ускоряя износ и повышая уровень шума.
• Неправильный выбор количества пусков. Указание однократного запуска, когда важна эффективность (непрерывный конвейер), или многократного запуска, когда самоблокирующийся конвейер имеет решающее значение для безопасности. Сначала определите Z₁ из расчета эффективности / самоблокировки.

Устранение неполадок червячной передачи: Проблема → Причина → решение