Изучение конструкции червячного редуктора

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО КПД

Цель работы: изучение конструкции червячного редуктора; аналитическое и экспериментальное определение коэффициентов полезного действия привода лабораторного стенда и входящего в его состав червячного редуктора.

Оборудование: образцы червячных редукторов лабораторный стенд ДМ 41 (рис. 12.1), технические характеристики которого даны в табл. 12.1.

Теоретические основы работы

1.1. Особенности конструкции червячного редуктора

Червячный редуктор представляет собой червячную передачу, заключённую в корпус. Основными элементами передачи являются червяк 7 и червяное колесо 11 (рис. 12.1), оси вращения которых перекрещиваются обычно под углом 90^о. Движение в редукторе, как правило, передается от червяка к червяному колесу и преобразуется по принципу винтовой пары.

Рис. 12.1. Кинематическая схема лабораторного стенда ДМ 41

для исследования червячного редуктора

1 – электродвигатель типа А02-22 4/2; 2 – вал электродвигателя; 3, 4 – подшипниковые опоры вала электродвигателя; 5 – муфта; 6 – червячный редуктор; 7 – червяк; 8 – вал червяка; 9, 10 – подшипниковые опоры вала червяка; 11 – червячное колесо; 12 – вал червячного колеса; 13, 14 – подшипниковые опоры вала червячного колеса; 15 – двухколодочный тормоз; 16 – тормозной шкив; 17, 18 – тормозные колодки; 19 – регулировочный винт тормоза; 20, 21 – часовые индикаторы для измерения вращающих моментов на входном и выходном валах установки

Достоинством червячных редукторов является возможность передачи движения под прямым углом, а также реализация одной червячной парой (ступенью) большего передаточного отношения (до 80) по сравнению с зубчатой передачей (до 10). При этом червячная передача вследствие хорошей приработке трущейся пары работает более бесшумно и плавно, чем зубчатая передача.

Таблица 12.1

Технические характеристики стенда ДМ 41 [1]

Наименование параметров	Обозначение величины	Значение
Число заходов червяка	z 1
Число зубьев червячного колеса	z 2
Коэффициент диаметра червяка	q
Осевой модуль, мм	m
Максимальный тормозной момент, Нм	T 2ma x
Мощность электродвигателя, кВт	P э	1 / 1,4
Частота вращения ротора электродвигателя и червяка редуктора, мин^-1	n э	1450 / 2850

К недостаткам червячных передач относится тот факт, что при скольжении витков червяка по зубьям червячного колеса выделяется много тепла и происходит интенсивный износ трущихся пар. Поэтому в червячных редукторах надо отводить тепло.

Для этого червяки изготавливают из углеродистых или легированных сталей. Их витки шлифуют и полируют. Зубья же червячных колёс, чаще всего, выполняют из бронзы. Самые лучшие антифрикционные свойства у пары стальной червяк – оловянная бронза типа БрО10Ф1. Однако, оловянные бронзы дороги и дефицитны и их применяют для изготовления зубьев червячных колес при скорости скольжения в передаче 5... 25 м/с. Безоловянные бронзы типа БрА9Ж4 дешевле оловянных бронз, менее дефицитны и их применяют для изготовления червячных колес, при скорости скольжения в передаче 2...5 м/с. При скорости скольжения меньше 2 м/с применяют серый или модифицированный чугун.

Для уменьшения расхода дорогостоящей бронзы при изготовлении червячного колеса его делают составным: зубчатый венец изготовляют из бронзы, а ступицу – из чугуна или стали.

В зацеплении червячной передачи возникают большие радиальные и осевые силы, поэтому на валы передачи устанавливают радиально-упорные шариковые или роликовые конические подшипники, воспринимающие эти нагрузки.

Основным отличием редуктора от передачи является наличие корпуса, который служит опорой для валов с подшипниками и деталями червячной передачи, ограждает их от вредного влияния окружающей среды и позволяет организовать смазку трущихся элементов передачи: червячного колеса, червяка и подшипников.

Корпус червячного редуктора так же, как и корпус зубчатого редуктора, имеет сложную конфигурацию и изготавливается при серийном производстве литьём из серого чугуна или алюминиевых сплавов. При индивидуальном производстве корпус может быть выполнен в виде стальной сварной конструкции.

Для удобства монтажа корпус червячного редуктора имеет большие боковые крышки (при межосевом расстоянии передачи ) или горизонтальную плоскость разъёма (при ).

На корпусе червячного редуктора предусмотрены следующие специальные приливы: лапы для установки редуктора на опорную раму или плиту, бобышки или гнезда для установки в корпус валов с подшипниками, проушины для подъёма и транспортировки редуктора или его корпусных деталей и фланцы для крепления крышек к корпусу. Оребрение корпуса увеличивает площадь поверхности его теплообмена с окружающим холодным воздухом и служит для дополнительного охлаждения передачи. С этой же целью в случае необходимости дополнительно ставят вентилятор на валу червяка для увеличения скорости теплообмена.

Для заливки масла в редуктор и периодического контроля состояния элементов червячной передачи в корпусе есть смотровой люк с крышкой. Для слива отработанного масла в нижней части корпуса предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой. Уровень масла в редукторе контролируется с помощью маслоуказателя.

В целом, червячные редукторы дороже и сложнее зубчатых, поэтому их применение оправдано там, где невозможно или нерационально использовать зубчатые редукторы.

1.2. Аналитическое определение КПД установки с червяным редуктором

Известно, что общий КПД любой машины определяется произведением КПД всех входящих в её состав узлов [1]. Тогда для исследуемой установки (рис. 12.1) имеет место выражение

, (12.1)

где – аналитическое значение КПД установки; – КПД опор электродвигателя; – КПД муфты; – КПД опор тормоза; – КПД демпфера; – КПД червячного редуктора, определяемый как

, (12.2)

где, в свою очередь: – КПД одной пары подшипниковых опор валов редуктора; – КПД масла; – КПД червячной передачи, рассчитываемый по формуле

, (12.3)

где – угол подъема винтовой линии червяка; – приведенный угол трения, зависящий от скорости скольжения V_S витков червяка по зубьям червячного колеса (табл. 12.2).

Таблица 12.2

Зависимость при стальном червяке и колесе из бронзы

VS, м/с	0,5		1,5		2,5
, град	3,17 3,67	2,5 …3,17	2,33 …2,83	2,0 …2,5	1,67 …2,33	1,5 …2,0	1,33 …2,67	1,0 …1,5	0,92 …1,33
Примечание: значения даны с учётом гидравлических потерь и потерь в подшипниковых опорах качения валов передачи

Скорость скольжения V_S зависит от окружной скорости червяка и вычисляется как

, (12.4)

где – частота вращения червяка; – диаметр его делительной окружности.

Делительный диаметр червяка и угол подъема винтовой линии определяются из выражений

и , (12.5)

где – коэффициент диаметра червяка; – число его заходов; – модуль зацепления.

1.3. Экспериментальное определение КПД установки

КПД любой установки представляет собой отношением полезной работы W на выходе к затраченной энергии на входе E. Тогда с учётом известных соотношений между работой (энергией) и мощностью , а также мощностью, вращающим моментом и круговой частотой вращения вала получаем

, (12.6)

где – время; индексы 1 и 2 относятся к параметрам входного (ведущего) и выходного (ведомого) валов установки; - передаточное отношение установки.

Для экспериментального определения КПД исследуемой установки с червячным редуктором (рис. 12.1) формулу (12.6) можно преобразовать к виду

, (12.7)

где – передаточное отношение червячного редуктора.

Порядок выполнения работы

1. Изучают теоретические основы работы.

2. Используя выражения (12.1)…(12.5), а также данные табл.12.1 и 12.2, рассчитывают теоретическое значение КПД исследуемой лабораторной установки для заданного режима работы двигателя, например, при .

3. Изучают конструкцию лабораторного стенда ДМ 41 для исследования червячного редуктора и зарисовывают его кинематическую схему.

4. Определяют экспериментальное значение КПД исследуемой установки по формуле (12.7) с учётом данных табл. 12.1.

Для этого с помощью регулировочного винта 19 тормоза (рис. 12.1) ступенчато увеличивают момент торможения (нагрузку) на выходном валу установки. Показания и индикаторов 20 и 21 измерительной системы, соответствующие значениям вращающих моментов на входном и выходном валах установки, записывают в табл.12.3. Эксперимент проводят при заданном режиме работы двигателя, например при .

Таблица12.3

Таблица данных эксперимента

№ п/п	Измеряемые параметры	Расчетные параметры
делений	делений	, Нм	, Нм
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Примечание: и , где и – коэффициенты пропорциональности.

5. Строят графики зависимостей и , пример которых дан на рис. 12.2, и сравнивают результаты аналитических и экспери-ментальных значений КПД установки.

Рис.12.2. Пример графиков зависимостей и

Выводы

В выводах указывают основные результаты работы, сравнивают полученные результаты с данными учебной литературы [1, 2] и дают оценку корректности проведённых исследований.

4. Контрольные вопросы

1. К какой группе механических передач относится червячная передача и по какому принципу в ней передаётся движение?

2. В чем заключаются достоинства и недостатки червячных передач?

3. Из каких материалов изготовляют червяки и зубчатые венцы червячных колеса, и от чего зависит выбор материала зубчатого венца колеса?

4. Как вычисляют КПД червячной передачи, и какие факторы влияют на КПД?

5. Каким образом можно рассчитать передаточное отношение червячной передачи, и какова его максимально возможная величина?

6. Какие силы действуют в зацеплении червячной передачи и как они направлены?

7. В чем состоит отличие червячного редуктора от червячной передачи?

8. Какого типа подшипники целесообразно использовать в червячном редукторе и почему?

9. Каким образом осуществляется смазка передачи и подшипников в червячном редукторе?

10. Какие конструктивные элементы выполняют на корпусе червячного редуктора, и каковы их функции?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13