Разработка Комплексной Методологии Технической Экспертизы Червячного Колеса на Основе Нормативных Документов (ГОСТ) и Анализа Работоспособности

Введение в Проблематику Технической Диагностики Червячных Передач

Червячные передачи, благодаря своей компактности, высокому передаточному отношению и свойству самоторможения (при определенных условиях), остаются незаменимыми элементами во многих отраслях машиностроения. Однако именно высокая нагруженность и сложная геометрия зацепления обуславливают их особую чувствительность к погрешностям изготовления и монтажа, а также к эксплуатационным дефектам. Качество червячного колеса, как наиболее нагруженного элемента пары (особенно его венец, выполненный из мягких антифрикционных сплавов), определяет долговечность всей передачи.

Для редукторов общего машиностроительного применения, включая автомобилестроение и тяжелую промышленность, типовыми являются червячные передачи 7-й и 8-й степеней точности, регламентируемые ГОСТ 3675-81. Нарушение этих норм, даже на микроны, критически снижает КПД, увеличивает шум и вызывает преждевременный износ, что делает процесс контроля качества и диагностики одним из важнейших этапов жизненного цикла машины.

Целью данной работы является разработка исчерпывающей и методологически корректной системы технической экспертизы (анализа, контроля качества и диагностики) червячного колеса.

Задачи исследования:

1. Систематизировать теоретические основы нормирования точности червячных колес согласно действующим ГОСТ.
2. Определить оптимальный набор средств и методов метрологического контроля геометрических параметров.
3. Разработать методику анализа конструкционных материалов и их соответствия условиям эксплуатации.
4. Сформулировать числовые диагностические критерии для оценки ремонтопригодности и выбраковки.
5. Представить унифицированный пошаговый алгоритм комплексной технической экспертизы.

Настоящая методология послужит основой для выполнения курсовой работы по дисциплине «Метрология и стандартизация» или «Детали машин» и обеспечит системный подход к оценке технического состояния червячных колес.

Теоретические Основы и Нормативная База Точности Червячных Колес

Основой для любой технической экспертизы в машиностроении является нормативная документация. В Российской Федерации требования к точности червячных цилиндрических передач и колес строго регламентируются рядом Государственных стандартов.

Классификация и Основные Параметры (ГОСТ 19650-97)

Ключевым звеном в экспертизе является подтверждение номинальных геометрических параметров, которые определяют кинематику и прочность передачи. Расчет номинальных размеров червячных цилиндрических передач осуществляется в соответствии с ГОСТ 19650-97.

Основные геометрические параметры, подлежащие контролю:

Параметр	Обозначение	Нормативное значение
Осевой модуль червяка (торцовый модуль колеса)	$m_{x}$ (или $m_{t}$)	Должен соответствовать стандартному ряду модулей.
Число зубьев колеса	$z_{2}$	Определяет передаточное отношение $u = z_{2} / z_{1}$.
Коэффициент диаметра червяка	$q$	Отношение делительного диаметра червяка $d_{1}$ к осевому модулю $m_{x}$. Выбирается из стандартного ряда (6,3; 8; 10; 12,5 и т.д.).
Угол профиля	$\alpha$	Стандартное значение для червяка типа ZA (архимедов) — $20^\circ$.

Для червячных колес наиболее распространенным является зацепление с Архимедовым червяком (ZA), который имеет прямолинейный профиль витка в осевом сечении. В экспертизе принципиально важно не только подтвердить номинальные размеры, но и установить фактический тип профиля, поскольку от этого зависят методы контроля и интерпретация результатов. Ошибка на этом этапе приводит к неверной трактовке погрешностей, что, по сути, делает всю последующую экспертизу бессмысленной.

Степени Точности и Комплексы Норм (ГОСТ 3675-81)

Точность изготовления червячных колес определяется ГОСТ 3675-81. Данный стандарт устанавливает двенадцать степеней точности, которые обозначаются от 1 (наивысшая точность, лабораторные приборы) до 12 (наименьшая, черновые передачи). Для редукторов общего назначения, как правило, используются 7-я и 8-я степени точности.

Для каждой степени точности устанавливаются три независимых комплекса норм, которые необходимо проверить в процессе экспертизы:

1. Нормы Кинематической Точности (К): Определяют точность деления и равномерность вращения колеса. Контролируется кинематическая погрешность (отклонение угла поворота) и накопленная погрешность окружного шага ($F_{p}$).
2. Нормы Плавности Работы (П): Определяют динамические характеристики и уровень шума. Контролируется циклическая погрешность и колебание измерительного межосевого расстояния ($F_{i}$).
3. Нормы Контакта Зубьев (КН): Определяют качество приработки и несущую способность. Контролируется расположение и площадь пятна контакта.

Пример обозначения точности: Если червячная передача имеет 8-ю степень по кинематической точности, 7-ю по плавности работы и 6-ю по контакту, ее обозначение будет выглядеть как 8-7-6-Ва. Степень точности передачи в целом определяется наименее точным элементом, что подчеркивает необходимость комплексного контроля.

Анализ Конструкционных Материалов и Критерии Работоспособности

Материаловедческий анализ является неотъемлемой частью экспертизы червячного колеса, поскольку его работоспособность в первую очередь зависит от пары трения: твердый, закаленный червяк (сталь) и мягкий, антифрикционный венец колеса (бронза). Недостаточная твердость или неправильный химический состав бронзы могут свести на нет идеальную геометрию.

Требования к Материалам Червяка и Венца Колеса

Выбор материала для венца червячного колеса прямо зависит от скорости скольжения ($v_{s}$) в зацеплении и требований к износостойкости.

Скорость скольжения ($v_{s}$)	Материал венца червячного колеса	Характеристика
Высокая ($v_{s}$ = 5…25 м/с)	Оловянистые бронзы (БрО10Ф1, БрО10Н1Ф1)	Обладают лучшими антифрикционными свойствами и высоким сопротивлением заеданию. Дорогие.
Средняя ($v_{s}$ = 2…5 м/с)	Безоловянистые бронзы (БрА9Ж3Л), Латуни	Применяются с червяками высокой твердости ($\ge 45$ HRC). Дешевле оловянистых.
Низкая ($v_{s}$ < 2 м/с)	Серый чугун (СЧ15, СЧ20)	Используется только для малонагруженных и тихоходных передач.

Червяки, как правило, изготавливаются из цементуемых сталей, таких как 18ХГТ или 20Х, с последующей цементацией и закалкой, что позволяет достичь поверхностной твердости в пределах 56–63 HRC. В менее нагруженных случаях применяют улучшаемые стали (например, 40Х) с поверхностной закалкой до 45–55 HRC. Качество этой термообработки критически важно: если твердость червяка недостаточна, произойдет быстрое абразивное изнашивание бронзового венца. Для повышения качества венцов рекомендуется применение центробежного литья, обеспечивающего плотную структуру материала и мелкозернистость, что напрямую влияет на износостойкость.

Методы Контроля Качества Материала

В ходе экспертизы необходимо не только установить марку материала, но и подтвердить его фактические механические свойства.

1. Контроль Твердости (Ключевой Показатель)

Твердость является основным показателем сопротивления материала износу.

Методика:

• Для бронзового венца (относительно мягкий материал) используется метод Бринелля (НВ). Измерение проводится на нерабочей поверхности зуба или специально подготовленном участке.
• Полученное фактическое значение твердости сравнивается с нормативным требованием для данной марки бронзы. Например, для БрО10Ф1 требуется твердость в диапазоне 65–80 НВ. Снижение твердости, особенно вызванное перегревом в процессе эксплуатации, является прямым критерием для выбраковки, так как это снижает сопротивление заеданию и износу.

2. Спектральный и Химический Анализ

Если нет уверенности в марке материала, или имеются признаки критического заедания, проводится спектральный анализ (например, с использованием оптико-эмиссионного спектрометра). Это позволяет подтвердить химический состав сплава, особенно содержание олова (для оловянистых бронз), а также выявить недопустимые примеси, которые могли попасть в сплав при литье, что критически влияет на антифрикционные свойства.

3. Микроструктурный Анализ

Микроструктурный анализ необходим при выявлении следов заедания или выкрашивания. Он позволяет оценить качество литья (пористость, размер зерна) и выявить наличие зон структурных изменений (например, разупрочнение или формирование хрупких фаз) в приповерхностном слое, вызванных перегревом в процессе работы. Но не стоит ли задуматься, что даже при идеальной твердости, неправильный монтаж сведет на нет все усилия по подбору материалов?

Методы и Средства Измерения Геометрических Параметров

Контроль геометрических параметров является наиболее сложным этапом экспертизы, так как требует специализированного метрологического оборудования, регламентированного ГОСТ 9776-82.

Контроль Радиального Биения ($F_{r}$)

Радиальное биение зубчатого венца ($F_{r}$) — это мера неточности расположения зубчатого венца относительно оси вращения колеса. Его превышение может быть вызвано либо погрешностью изготовления, либо деформацией ступицы при эксплуатации. Этот параметр критически важен, поскольку его отклонение напрямую ведет к переменному межосевому расстоянию в процессе работы.

Методика измерения $F_{r}$:

1. Червячное колесо устанавливается на контрольную оправку, опирающуюся на базовые поверхности (например, опорные шейки вала или ступицы).
2. В качестве измерительного элемента используются калиброванные ролики или проволочки, которые поочередно устанавливаются во впадины зубьев.
3. Индикатор часового типа (с ценой деления 0,001 мм) устанавливается таким образом, чтобы измерительный наконечник касался поверхности ролика.
4. Колесо медленно проворачивается на полный оборот, а индикатор фиксирует максимальное и минимальное отклонение. Разность этих показаний и есть фактическое радиальное биение $F_{r}$.

Пример нормирования: Для червячного колеса 7-й степени точности с делительным диаметром $d_{2}$ в диапазоне 125–250 мм, допуск на радиальное биение $F_{r}$ согласно ГОСТ 3675-81 составляет не более 45 мкм (0,045 мм).

Контроль Кинематической Точности и Колебания Межосевого Расстояния ($F_{i}$)

Кинематическая точность и плавность работы являются интегральными показателями качества зацепления. Их контроль требует применения специализированных зубоизмерительных машин.

Колебание измерительного межосевого расстояния ($F_{i}$)

Параметр $F_{i}$ является ключевым показателем плавности работы и измеряется при парном обкате (имитации зацепления) червячного колеса с контрольным червяком (измерительной шестерней).

Методика:

1. Колесо и контрольный червяк устанавливаются на универсальную зубоизмерительную машину (например, прибор по ГОСТ 9776-82).
2. Один из элементов (чаще колесо) фиксируется, а другой (червяк) закрепляется на подвижной каретке, которая нагружена постоянной силой (имитация прижатия).
3. В процессе медленного обката колеса и червяка индикатор или электронный датчик фиксирует изменения межосевого расстояния.
4. Величина $F_{i}$ — это максимальная разность между наибольшим и наименьшим межосевым расстоянием, зафиксированная за один оборот колеса.

Этот параметр отражает суммарное влияние погрешностей профиля, шага и радиального биения. Превышение допуска $F_{i}$ является прямым свидетельством ухудшения плавности работы, повышенного шума и вибрации.

Контроль накопленной погрешности окружного шага ($F_{p}$)

Этот параметр, относящийся к нормам кинематической точности, измеряется специализированными приборами-самописцами, которые фиксируют отклонения шага зубьев от идеального теоретического шага.

Типовые Дефекты и Числовые Диагностические Критерии Выбраковки

Техническая экспертиза не только констатирует факт отклонения от номинальных размеров, но и выявляет характер эксплуатационных повреждений, которые классифицируются на основе их механизма возникновения.

Классификация Эксплуатационных Дефектов

Основными причинами выхода из строя червячных колес являются износ и усталостное разрушение:

1. Усталостное Выкрашивание (Питтинг): Возникает на рабочих поверхностях зубьев, особенно в зоне выхода зацепления, из-за многократно повторяющихся контактных напряжений. Питтинг наиболее характерен для оловянистых бронз и выглядит как мелкие ямки или каверны.
2. Заедание (Схватывание): Проявляется при нарушении режима смазки или перегрузке, когда происходит локальный прорыв масляной пленки. Характеризуется микросваркой и последующим сдиранием материала венца (бронзы) с его намазыванием на витки червяка. Это приводит к быстрому изменению профиля зуба и катастрофическому износу.
3. Абразивное Изнашивание: Возникает из-за попадания в смазку твердых частиц (пыли, продуктов износа). Приводит к равномерному, но быстрому уменьшению толщины зуба.
4. Поломка Зубьев: Редкое, но критическое повреждение, связанное с внезапной перегрузкой или наличием значительных внутренних дефектов материала (раковин, трещин).

Критерии Принятия Решения по Точности

Диагностические критерии для принятия решения о ремонте или выбраковке основаны на сравнении фактических показателей с предельными допусками, установленными ГОСТ 3675-81.

1. Критерий по Геометрическим Параметрам

Критерием выбраковки является превышение установленных допусков на ключевые параметры:

• Радиальное биение ($F_{r}$): Если фактическое $F_{r}$ превышает допуск, установленный для номинальной степени точности (например, $45 \mu m$ для 7-й степени), это указывает на смещение венца или его деформацию, что требует выбраковки колеса.
• Колебание измерительного межосевого расстояния ($F_{i}$): Превышение допуска $F_{i}$ более чем на 10-15% от номинального значения (для 7-й ст. точности) является признаком критического износа профиля зуба, что приводит к недопустимому снижению плавности работы.

2. Критерий по Пятну Контакта

Контроль пятна контакта проводится методом окрашивания (обычно тонким слоем краски, нанесенным на зубья червяка). Пятно контакта должно соответствовать двум условиям, которые нормируются ГОСТ: расположение и площадь.

Для передачи 8-й степени точности, которая часто встречается в общепромышленном оборудовании, минимальный размер суммарного пятна контакта должен составлять не менее 55% по высоте зуба (с допустимым отклонением -15%). Соблюдение данного требования обеспечивает равномерное распределение нагрузки и предотвращает краевой износ.

Степень Точности (ГОСТ 3675-81)	Минимальная Площадь Контакта (по высоте зуба)
4-я	75%
7-я	65%
8-я	55%

Если пятно контакта значительно смещено к краям зуба (что указывает на перекос или неточность сборки) или его площадь упала ниже критического порога, колесо подлежит выбраковке или регулировке.

3. Критерий по Повреждениям Поверхности

• Питтинг: Если площадь, пораженная питтингом, превышает 30-40% рабочей поверхности, колесо считается неработоспособным.
• Заедание: Наличие явных следов намазывания металла (схватывания) является безусловным критерием выбраковки, поскольку это свидетельствует о нарушении целостности профиля и резком падении несущей способности.

Алгоритм Комплексной Технической Экспертизы Червячного Колеса

Представленная ниже методология является пошаговым руководством для проведения комплексной экспертизы, объединяющей все этапы контроля и анализа. Благодаря такому структурированному подходу минимизируется риск ошибки и повышается объективность заключения.

Этап	Шаг	Цель и Методы Контроля	Критерии Оценки
Шаг 1. Входной контроль и Визуальная Диагностика	1.1. Документационное Обеспечение	Идентификация номинальных параметров ($m_{x}, z_{2}, q$) и степени точности (например, 7-я) по чертежам и технической документации.	Соответствие фактического колеса чертежам.
	1.2. Визуальный Осмотр	Выявление явных дефектов: сколов, трещин, следов перегрева (изменение цвета венца), следов заедания, чрезмерного износа по торцам.	Наличие критических дефектов (трещины, сколы) → Немедленная выбраковка.
Шаг 2. Геометрический Контроль (Метрология)	2.1. Измерение Основных Параметров	Измерение модуля ($m_{x}$), делительного диаметра ($d_{2}$) и шага ($p$) с использованием универсальных средств (штангенциркуль, микрометр, калибры).	Подтверждение номинальных размеров по ГОСТ 19650-97.
	2.2. Контроль Радиального Биения ($F_{r}$)	Измерение с помощью калиброванных роликов и индикатора на контрольной оправке.	Сравнение фактического $F_{r}$ с допуском ГОСТ 3675-81 (например, $\le 45 \mu m$).
	2.3. Контроль $F_{i}$ и $F_{p}$	Измерение колебания измерительного межосевого расстояния ($F_{i}$) и накопленной погрешности шага ($F_{p}$) на зубоизмерительной машине (ГОСТ 9776-82).	Сравнение $F_{i}$ и $F_{p}$ с предельными значениями для заданной степени точности.
	2.4. Контроль Пятна Контакта	Проверка расположения и площади пятна контакта методом окрашивания (нагрузочным или без нагрузки).	Минимальная площадь контакта должна соответствовать ГОСТ (например, $\ge 55\%$ для 8-й ст. точности).
Шаг 3. Материаловедческий Анализ	3.1. Контроль Твердости	Измерение твердости венца (НВ) и червяка (HRC) для оценки их износостойкости.	Твердость венца должна соответствовать марке бронзы (например, БрО10Ф1: 65-80 НВ).
	3.2. Спектральный и Микроструктурный Анализ	Подтверждение марки материала и оценка качества литья/термообработки (при наличии следов заедания).	Отсутствие критических примесей и структурных дефектов.
Шаг 4. Оценка Соответствия и Выработка Заключения	4.1. Анализ Дефектов	Оценка площади и глубины усталостного выкрашивания, степени заедания.	Площадь питтинга $\le 30\%$, отсутствие следов схватывания.
	4.2. Комплексное Заключение	Сведение всех фактических показателей (геометрия, материал, дефекты) с предельными допусками ГОСТ и критериями ремонтопригодности.	Вывод: Пригодно к эксплуатации / Требует ремонта / Выбраковка.

Заключение

Разработанная методология представляет собой исчерпывающий и структурированный подход к технической экспертизе червячного колеса, полностью соответствующий нормативным требованиям Российской Федерации (ГОСТ 3675-81, ГОСТ 19650-97, ГОСТ 9776-82).

В рамках экспертизы была обоснована критическая важность не только номинальных геометрических параметров (модуль $m_{x}$, число зубьев $z_{2}$), но и интегральных показателей точности, таких как радиальное биение $F_{r}$ и колебание измерительного межосевого расстояния $F_{i}$, которые напрямую влияют на плавность работы и ресурс передачи. Четко определены критерии выбраковки, основанные на числовых допусках (например, $45 \mu m$ для $F_{r}$ 7-й ст. точности) и минимальной площади пятна контакта. Кроме того, подчеркнута необходимость материаловедческого контроля твердости и химического состава бронзового венца, так как снижение этих показателей является ключевым фактором отказа.

Полностью пошаговый алгоритм экспертизы, начиная с входного контроля и заканчивая выдачей заключения, позволяет студенту технического вуза провести глубокий и объективный анализ технического состояния червячного колеса, что полностью подтверждает достижение целей курсовой работы.

Список использованной литературы

1. Лнухин, В. И. Допуски и посадки. Выбор и расчет, указание на чертежах : учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Санкт-Петербург : Изд-во СГ16ГТУ, 2001. 219 с.
2. Муслина, Г. Р. Измерение и контроль геометрических параметров деталей машин и приборов : учебное пособие / Г. Р. Муслина, Ю. М. Правиков ; под общ. ред. Л. В. Худобина. Ульяновск : УлГТУ, 2007. 220 с.
3. Белкин, И. М. Средства линейно-угловых измерений. Справочник. Москва : Машиностроение, 1987. 368 с.
4. ГОСТ 24643-81 (СТ СЭВ 636-77). Допуски формы и расположения поверхностей. Числовые значения. Москва : Изд-во стандартов, 1981.
5. ГОСТ 18367-93. Калибры-скобы штампованные для диаметров свыше 10 до 180 мм. Размеры. Москва : Изд-во стандартов, 1993.
6. Марочник сталей и сплавов / М. М. Колосков, Е. Т. Долбенко, Ю. В. Каширский [и др.] ; под обшей ред. А. С. Зубченко. Москва : Машиностроение, 2001. 672 с.
7. ГОСТ 9776-82 (СТ СЭВ 3003-81). Приборы для измерения цилиндрических червяков, червячных колес и червячных передач. Типы и основные параметры. Нормы точности. Москва : Изд-во стандартов, 1982.
8. ГОСТ 19650-97. Передачи червячные цилиндрические. Расчет геометрических параметров. Москва : Изд-во стандартов, 1997.
9. ГОСТ 3675-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи червячные цилиндрические. Допуски. Москва : Изд-во стандартов, 1981.
10. Контроль червячных передач. [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/preview/6090595/page:27/ (дата обращения: 29.10.2025).
11. Компьютерный контроль точности сборки и приработки червячных передач. [Электронный ресурс] // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kompyuternyy-kontrol-tochnosti-sborki-i-prirabotki-chervyachnyh-peredach (дата обращения: 29.10.2025).
12. Точность сборки червячной передачи. [Электронный ресурс]. URL: https://chiefengineer.ru/articles/tochnost-sborki-chervyachnoy-peredachi/ (дата обращения: 29.10.2025).
13. ГОСТ 9774-81 (СТ СЭВ 1913-79 и СТ СЭВ 1162-78). Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи червячные цилиндрические мелкомодульные. Допуски. Москва : Изд-во стандартов, 1981.
14. Материалы червяка и червячного колеса. [Электронный ресурс]. URL: https://reductory.ru/poleznye-materialy/12-4-materialy-chervjaka-i-chervjachnogo-kolesa.html (дата обращения: 29.10.2025).
15. Материалы червяков и червячных колес. Назначение твердости и термообработки. [Электронный ресурс]. URL: https://studme.org/20703/tehnika/materialy_chervyakov_chervyachnyh_koles_naznachenie_tverdosti_termoobrabotki (дата обращения: 29.10.2025).
16. Кинематика червячной пары. Материалы червячной пары. Критерии работоспособности червячной передачи. [Электронный ресурс]. URL: https://cncnc.ru/detali-mashin/105-kriterii-rabotosposobnosti-chervyachnoy-peredachi.html (дата обращения: 29.10.2025).