Червячная передача

Червя́чная переда́ча (зубчато-винтовая передача) — механическая передача, осуществляющаяся зацеплением червяка и сопряжённого с ним червячного колеса^[1] (для преобразования угловой скорости и усилия вращения) или гайки (для линейных перемещений). Червячный привод или «бесконечный винт» был изобретён Архитом Терентским, Аполлонием Пергским или Архимедом, причём последний из них считается наиболее вероятным автором^[2]. Червячный двигатель позже появился на Индийском субконтиненте, где он использовался в хлопкоочистительных машинах во времена Делийского султаната в тринадцатом или четырнадцатом веках^[3]. Одним из основных преимуществ червячных приводов является то, что они могут передавать движение под углом 90 градусов, и при этом обеспечивает большие передаточные отношения при малой металлоёмкости.

Разводной ключ имеет червячную передачу

Конструкция

Червяк представляет собой винт со специальной резьбой, в случае эвольвентного профиля колеса форма профиля резьбы близка к трапецеидальной.^[4] На практике применяются однозаходные, двухзаходные и четырёхзаходные червяки.^[4] Чаще всего входной вал и червяк представляют собой единую деталь — вал-червяк. Чаще всего материалами для таких деталей служат твёрдые стали, легированные хромом, такие как 40Х или 45Х, подвергнутые специальной термообработке с поверхностным упрочением.

Червячное колесо представляет собой зубчатое колесо со специальной формой зубьев, "обнимающих" червяк. В технологических целях червячное колесо, как правило,^[4] изготавливают составленным из двух материалов: венец — из дорогого и не слишком мягкого антифрикционного материала (например, из бронзы), а сердечник — из более дешёвых и прочных сталей или чугунов, но в небольших механизмах часто детали изготавливаются полностью из бронзы, как показано на фото в статье. Венец может быть припаян к колесу, либо быть закреплённым на нём с помощью болтовых соединений, либо с помощью винтов, также может быть соединён с помощью посадки с натягом.

Входной и выходной валы передачи скрещиваются, в подавляющем большинстве случаев (но не всегда) под прямым углом.

Червячный редуктор чаще всего имеет нижнее расположение входного вала (вала-червяка), при этом, извлечь его можно через отверстие, из которого предварительно извлекаются подшипники или стаканы с ними, и манжетные уплотнения, корпус имеет горизонтальный фланцевый разъем в плоскости оси вала червячного колеса, что позволяет легко извлечь узел тихоходного вала вместе с подшипниками и колесом. В корпус редуктора заливается масло для обеспечения смазки и охлаждения мест зацепления, на входном валу находятся разбрызгиватели в виде небольших колёс с лопатками, которые разбрызгивают масло на зубья колеса. Для контроля уровня масла может быть предусмотрен щуп (как в автомобильном картере), либо смотровое окошко в корпусе. В нижней части корпуса есть сливная пробка для слива масла.

Червячная передача с четырёхзаходным червяком и зубчатым колесом

Функционирование

Передача предназначена для существенного увеличения крутящего момента и, соответственно, уменьшения угловой скорости. Ведущим звеном является червяк. Червячная передача без смазки и вибрации обладает эффектом самоторможения и является необратимой: если приложить момент к ведомому звену (зубчатому колесу), из-за сил трения передача работать не будет. Однако это свойство начинает проявляться при передаточных числах от 35 и выше. Хотя более корректно говорить не о передаточном числе, а об угле подъёма червяка, при уменьшении которого в определённый момент возникает самоторможение. Полное самоторможение достигается в передаче, в которой угол подъёма винтовой линии червяка равен или меньше 3,5°. При большем угле, если начать вращать червячное колесо, то оно начнёт проворачивать и сам червяк.^[5]

Передаточные отношения червячной передачи закладываются в пределах от 8 до 100, а в некоторых случаях — до 1000.^[1]

Достоинства и недостатки

Червячная передача обладает эффектом самоторможения и является необратимой, что делает её идеальной для тяжёлых рулевых механизмов, как показано здесь, на старом паровом грузовике Foden

Механический счётчик имеет червячную передачу

Гитарные колки также имеют червячную передачу

• Достоинства:
  • Плавность работы;
  • Малошумность;
  • Большое передаточное отношение одной ступени, — червячные редукторы с большим передаточным числом значительно компактнее и легче, чем обладающие тем же передаточным отношением цилиндрические, и менее материалоёмки;
  • Самоторможение — при некоторых передаточных отношениях;
  • Повышенная кинематическая точность.
• Недостатки:
  • Повышенные требования к точности сборки, необходимость точной регулировки, необходимость конструктивно предусматривать возможность такой регулировки.
  • При некоторых передаточных соотношениях передача вращения возможна только в одном направлении — от червяка к колесу (для некоторых механизмов может считаться достоинством).
  • Существенное взаимное проскальзывание рабочих поверхностей, отсюда:
    • Высокие требования к геометрической точности и прочности поверхностей трения;
    • Сравнительно низкий КПД (целесообразно применять при мощностях менее 100 кВт);
    • Большие потери на трение с тепловыделением, необходимость специальных мер по интенсификации теплоотвода - в некоторых случаях требуется конструктивно предусмотреть наличие вентилятора на быстроходном валу, оребрённый корпус, использовать датчики температуры;
    • Повышенный износ и склонность к заеданию;
    • Высокая чувствительность к абразивным частицам в смазочном материале, что приводит к очень быстрому износу венца колеса, выполненного из мягкого антифрикционного материала;
    • Необходимость компенсации осевых усилий, возникающих в опорах червячного вала - применение роликовых конических подшипников качения.

Указанные недостатки обусловлены связанной с геометрией передачи невозможностью получения жидкостного трения.^[6]

Классификация

Червяки различают по следующим признакам:

• по форме образующей поверхности:
  • цилиндрические;
  • глобоидные.
• по направлению линии витка:
  • правые;
  • левые.
• по числу заходов резьбы:
  • однозаходные;
  • многозаходные.
• по форме винтовой поверхности резьбы:
  • с архимедовым профилем;
  • с конволютным профилем;
  • с эвольвентным профилем;
  • трапецеидальный.

Зубчатые колёса различают по следующим признакам:

• по профилю зуба:
  • прямой — (контакт по точке, малонагруженные передачи);
  • вогнутый — «охватывающий» червяк (контакт по линии);
  • роликовый — зубья вырожденного сектора заменены гребневым роликом.
• по типу зубчатого колеса:
  • полное колесо (с передачей непрерывного вращения);
  • зубчатый сектор (с поворотом сектора на ограниченный угол);
  • вырожденный сектор с роликом (в паре с глобоидальным червяком — рабочая длина сектора меньше рабочей длины червяка, возможна передача большого момента).

Применение

Основная статья: Червячный редуктор

Червячная передача главным образом применяется в червячных редукторах.

Достаточно часто червячные передачи используются в системах регулировки и управления — самоторможение обеспечивает фиксацию положения, а большое передаточное отношение позволяет достичь высокой точности регулирования (управления) и (или) использовать низкомоментные двигатели. Весьма распространенное применение пары типа «глобоидальный червяк с роликовым сектором» — рулевое управление автомобилей.

Благодаря этим же характеристикам червячные передачи и червячные редукторы широко применяются в подъёмно-транспортных машинах и механизмах (например, лебёдках, а также для лифтов).

Часто в виде червячной пары изготавливаются механизмы натяжения струн (колковая механика) музыкальных инструментов, например, гитары.^[7] В данном применении полезным оказывается эффект самоторможения (необратимость).

См. также

• Механический редуктор
• Глобоидная передача
• Мультипликатор
• Мотор-редуктор
• Циклоидальная передача