Как определить тихоходный или быстроходный редуктор

Редуктор – это механизм, который позволяет получить момент и скорость вращения на выходном валу, отличающиеся от момента и скорости на входном. Момент на выходном валу редуктора может быть как больше входного момента – это собственно редуктор, так и меньше – это мультипликатор. Один из главных и ответственных элементов редуктора – это вал, а в простейшем случае два отдельных вала – входной и выходной, соединенные зубчатыми шестернями. В общем случае у редуктора могут быть входной, выходной и промежуточные валы.

Классификация редукторов

Редуктор общемашиностроительного назначения. Этот тип оборудования представляет собой самостоятельный агрегат, используемый в приводах машин. Его технические характеристики отвечают общим для разных применений требованиям. Конструктивно общемашиностроительные редукторы могут отличаться.

Специальные редукторы разработаны для автомобильной, авиационной и других узкоспециализированных отраслей. Из названия понятно, что агрегаты этой группы должны соответствовать специфике и параметрам конкретного применения.

Редукторы можно классифицировать по следующим признакам:

• По типам передач и числу ступеней;
• По расположению осей входного/выходного валов в пространстве и относительно друг друга;
• По способу крепления.

1.1 Количество ступеней и расположение валов

У двух- и трехступенчатых редукторов развернутых и раздвоенных схем (в случае с двухступенчатыми моделями еще и соосных схем) есть ряд преимуществ перед агрегатами других типов — прежде всего это высокий КПД и устойчивость к нагрузкам. Соосные цилиндрические редукторы могут комплектоваться тихоходной ступенью с внутренним зацеплением. Планетарные и волновые агрегаты с соосным расположением осей валов также обеспечивают высокую производительность и широкий диапазон передаточных чисел.

При комплектации машин и механизмов, требующих пересекающегося расположения валов, будут эффективны двух- и трехступенчатые конические (коническо-цилиндрические) редукторы.

Агрегаты с червячными (червячно-цилиндрическими, цилиндрическо-червячными) передачами характеризуются высоким передаточным числом и низким уровнем шума. Однако КПД у таких моделей ниже, чем у цилиндрических аналогов.

Вертикальное расположение выходных валов требует меньшего пространства. В механизмах, где необходима подобная компоновка, чаще используются червячные или конические редукторы. Удобство заключается в том, что ось двигателя находится в горизонтальном положении.

Таблица 1. Классификация редукторов по расположению осей валов

1.2 Типы используемых передач

1.2.1 Червячные редукторы

Червячный редуктор — наиболее распространенный тип редукторов. Привод имеет компактные размеры (в сравнении с цилиндрическими агрегатами). Передаточное отношение червячной пары может достигать 1-100 (иногда и выше).

Потенциал увеличения крутящего момента при снижении частоты вращения вала у червячных редукторов выше, чем у оборудования с другими типами передач. Передаточное число того же порядка можно получить при эксплуатации трехступенчатого цилиндрического редуктора. В червячных агрегатах для решения этой задачи достаточно одной ступени. Еще одно преимущество — простота и низкая стоимость червячных редукторов. Использование червячного зацепления позволяет снизить уровень шума передачи, обеспечить высокую плавность хода.

Функция самоторможения присутствует только в червячных редукторах. Ее принцип основан на торможении ведомого вала при отсутствии движения на ведущем валу (червяке). Самоторможение в передаче осуществляется в тот момент, когда угол подъема ведущего вала меньше или равен 3,5 градусам.

При выборе червячного редуктора следует учитывать тот факт, что при увеличении передаточного числа снижается КПД червячной передачи. Отсюда — потери энергии вследствие трения червяка об зубья колеса.

Ресурс червячных приводов составляет, в среднем, 10 тысяч часов.

1.2.2 Червячный глобоидный редуктор

Винт глобоидного червячного редуктора имеет выпуклую форму (в других червячных передачах он цилиндрический). Эта конструктивная особенность увеличивает передачу крутящего момента и мощность привода.

Глобоидные редукторы предназначены для использования в условиях, предполагающих высокую надежность, отсутствие обратного проскальзывания и динамических толчков на выходном валу. Чаще всего редукторы этого типа применяются в барабанных приводах лифтов: глобоидная пара адаптирована к переменным нагрузкам, возникающим при подъеме и торможении кабины, в состоянии поддерживать нормальную реверсивность при эксплуатации.

Таблица 2. Допустимые нагрузки для червячных глобоидных редукторов типа ЧГ

1.2.3 Цилиндрические редукторы

В цилиндрических редукторах устанавливаются цилиндрические зубчатые передачи. Комплектация таких приводов может отличаться положением входного/выходного валов и количеством ступеней. Одноступенчатые цилиндрические агрегаты классифицируются только по расположению валов. Передаточные числа варьируются в диапазоне 1,6-6,3.

Схемы исполнения цилиндрических пар:

• развернутая узкая;
• развернутая;
• раздвоенная;
• соосная.

Наиболее распространена развернутая схема. Она позволяет выпускать унифицированные колеса, валы и шестерни, которые подходят для производства редукторов разных типоразмеров. Этот фактор является определяющим для серийного производства, т.к. способствует снижению себестоимости выпускаемой продукции.

С той же целью выбирается левое направление зуба шестерни и правое направление колеса для всех ступеней редуктора. При индивидуальной комплектации единичного редуктора целесообразнее использовать следующую схему: левое направление зуба шестерни на первой ступени, правое — на второй ступени. Такая комплектация снизит осевую нагрузку на опоры.

Форма редукторов, проектируемых по развернутой схеме, удлиненная. Вес такого агрегата будет на 15-20% больше приводов, сконструированных по раздвоенной схеме.

Раздвоенная схема применима для тихоходной и быстроходной ступеней. Во втором варианте она наиболее рациональна, так как промежуточный вал может быть изготовлен по принципу вала-шестерни, а быстроходный вал становится «плавающим».

При соосной схеме оси быстроходного и тихоходного валов совпадают. Вес и габариты редуктора, собранного по соосной схеме, аналогичны моделям с развернутой схемой. Стоимость обоих типов агрегатов практически одинакова.

Одна из основных технических характеристик соосного редуктора — увеличенная мощность быстроходной ступени, что достигается за счет снижения нагрузки на нее. Однако конструктивно такие агрегаты более сложные.

Ресурс цилиндрического редуктора — 25 тысяч часов и более.

Таблица 3. Допустимые нагрузки для цилиндрических редукторов ЦУ (одноступенчатых горизонтальных)

Таблица 4. Технические параметры цилиндрических редукторов Ц2С (двухступенчатых соосных)

1.2.4 Конические редукторы

Конструкцией конического редуктора предусмотрены колеса с прямыми и круговыми зубьями. Направления наклона линии зуба и вращения колеса должны совпадать. Соблюдение этого условия позволяет предотвратить затягивание шестерни в зацепление, возникающее под действием отрицательной осевой силы на шестерне.

Передаточное отношение конического редуктора — 1-5.

Зубчатое колесо устанавливается между опорами редуктора. Шестерни монтируются консольно.

1.2.5 Коническо-цилиндрические редукторы

Данный тип механизмов представляет собой гибрид цилиндрического одноступенчатого и конического редукторов. Соответственно, этой группе оборудования присущи все достоинства и недостатки агрегатов обоих типов.

Все коническо-цилиндрические редукторы имеют быстроходную коническую ступень. Такая конструктивная особенность объясняется невысокой нагрузочной способностью и, соответственно, большими габаритами агрегата. С целью уменьшения размеров привода и используется быстроходная коническая ступень.

Коническая передача может использоваться в тихоходных и промежуточных ступенях, что оправдано необходимостью снижения ее чувствительности к погрешностям при производстве и установке, минимизацией их влияния на механизм в целом.

Направление зуба в косозубой цилиндрической паре должно быть выбрано с учетом возможности вычитания осевых сил на промежуточных валах.

Таблица 5. Коэффициент режима эксплуатации коническо-цилиндрических редукторов (двухступенчатых и трехступенчатых)

1.2.6 Насадные редукторы

Насадными редукторами называются агрегаты с полым выходным валом. Они монтируются непосредственно на вал — без дополнительных соединений и передач. Преимущество насадных редукторов заключается в более компактных габаритах и сравнительно невысоком весе.

Насадный способ монтажа, как правило, применим к червячным и некоторым другим типам редукторов. Исключение составляет цилиндрическая соосная группа оборудования, конструктивные особенности которой затрудняют такую установку.

При резкой динамике нагрузки на выходной вал (чаще всего при нештатных ситуациях) отсутствие соединительной муфты может стать причиной преждевременного выхода из строя приводного оборудования. Поэтому эксплуатация редуктора требует создания условий эксплуатации при равномерной нагрузке. Как вариант – дополнительная защита привода.

1.2.7 Планетарные редукторы

Планетарные (дифференциальные) редукторы состоят из центральной шестерни (солнечной), расположенной в центре редуктора, вспомогательных шестерней одинакового размера (сателлитов), установленных вокруг центральной шестерни, и фиксатора (водила), обеспечивающего их надежное крепление. Конструкцией планетарного редуктора также предусмотрена кольцевая шестерня, внешне напоминающая зубчатое колесо. Ее предназначение – обеспечение сцепления с сателлитами. Центральная шестерня является ведущим элементов, сателлиты — ведомыми. Кольцевая шестерня всегда неподвижна.

Конструктивно исполнения планетарных редукторов могут отличаться. Модели классифицируются по количеству ступеней (одно-, двух- и трехступенчатые), кинематической схеме планетарной передачи. Тип подшипников также отличается. Подшипники качения предназначены для режимов эксплуатации на низкой скорости. В свою очередь, подшипники скольжения рассчитаны на режим высоких скоростей. Основная сфера использования планетарных редукторов — машиностроение.

Планетарные агрегаты МПО классифицируются как универсальное приводное оборудование. Они широко используются в приводах перемешивающих механизмов медицинской, химической, микробиологической промышленностях, а также в приводах общепромышленного назначения. Редукторы серии МПО могут эксплуатироваться в режиме 24 часа в сутки при постоянной и переменной нагрузках.

К планетарным редукторам предъявляются жесткие требования. Производство такого оборудования требует высокой точности, чтобы зубцы плотно соприкасались между собой, но при этом легко приводились в движение.

Таблица 6. Технические параметры планетарных редукторов Пз (зубчатые одноступенчатые)

1.3 Способы крепления редукторов

Крепление на лапах часто используется с легкосплавными корпусами, чтобы максимально облегчить конструкцию агрегата. В корпусе предусмотрены специальные зоны для быстрого крепления редуктора к основанию.

При использовании фланцевых креплений редуктор устанавливается с помощью фланца, расположенного на корпусе. Выходной вал проходит через этот фланец.

Крепление насадкой связывает редуктор с рабочим механизмом посредством полого выходного вала. Этот вал насаживается на окончание вала рабочего механизма.

Таблица 7. Классификация редукторов по способу крепления

Какие функции выполняет в сборке

Вал редуктора выполняет 2 основные задачи:

• передает крутящий момент от источника энергии ее потребителям;
• запускает элементы привода, которые должны вращаться.

Обе функции требуют от валов мотор-редуктора постоянного движения (запускается вместе с оборудованием и находится в непрерывном вращении), устойчивости к деформации. На решение первой задачи работает схема размещения в связке с запускающим устройством. Второе требование выполняется через грамотный подбор материала и продуманную сборку, которую формируют 3 блока:

• опорный;
• промежуточный;
• концевой.

Валы редукторов промышленного назначения в 99% случаев выполняют на прямой оси. Это позволяет добиться их повышенной прочности, устойчивости к деформациям при работе подключаемой техники и долговечности службы.
Форма может отличаться (гладкие, ступенчатые, совмещенные вал-червяк или вал-шестерня). В частности, вал редуктора привода выполняется с подготовленными зонами для будущей «насадки» на него колес зубчатой передачи, соединенных с шестерней промежуточной или тихоходной ступени.

Смазка редукторов

С целью профилактики преждевременного износа комплектующих редуктора и сокращения потерь мощности в результате трения используется смазка подшипников и зацеплений.

В редукторах небольшой мощности и невысокой скорости зацепления смазка производится методом разбрызгивания либо с использованием масляной ванны. В то же масло, которое заливается в корпус, частично погружаются червяк, колесо (зубчатое или червячное) и разбрызгивающее кольцо.

Для смазки быстроходного оборудования высокой мощности масло в зону зацепления подается насосом из масляной ванны. Для подшипников используется смазка жидкой или густой консистенции.

Мощность привода

Правильно рассчитанная мощность привода помогает преодолевать механическое сопротивление трения, возникающее при прямолинейных и вращательных движениях.

Элементарная формула расчета мощности [Р] – вычисление соотношения силы к скорости.

При вращательных движениях мощность вычисляется как соотношение крутящего момента к числу оборотов в минуту:

P = (MxN)/9550

где M – крутящий момент; N – количество оборотов/мин.

Выходная мощность [P2] вычисляется по формуле:

P2 = P x Sf

где P – мощность; Sf – сервис-фактор (эксплуатационный коэффициент).

ВАЖНО!

Значение входной мощности всегда должно быть выше значения выходной мощности, что оправдано потерями при зацеплении:

P1 > P2

Нельзя делать расчеты, используя приблизительное значение входной мощности, так как КПД могут существенно отличаться.

Корпуса редукторов

Главные требования к корпусу редуктора — жесткость и прочность, исключающие вероятность перекоса валов. В современном производстве редукторов выпускаются два типа корпусов — разъемные и неразъемные.

Конструкция разъемного корпуса включает в себя основание и съемную крышку. Отдельные модели вертикальных цилиндрических редукторов имеют разъемы по 2-3 плоскостям. Чтобы предотвратить протекание масла, разъемы корпуса редуктора обрабатывают герметиком. Устанавливать прокладки между крышкой и основанием не рекомендуется, так как при фиксации крепежных болтов они деформируются. Как следствие, посадка подшипников может быть нарушена.

Неразъемный корпус чаще используется для червячных редукторов и других типов оборудования, имеющих легкий вес. В такой конструкции предусмотрена съемная крышка.

Для производства корпусов редукторов используется, главным образом, чугун марок СЧ 10-15. Листовая сталь применяется реже, как правило, при комплектации габаритного приводного оборудования по индивидуальному заказу. У стального сварного корпуса толщина стенок примерно на треть меньше, чем у чугунных редукторов. В последнее время для производства корпусов все чаще используются алюминиевые сплавы.

Передаточное число [I]

Передаточное число редуктора рассчитывается по формуле:

I = N1/N2

где N1 – скорость вращения вала (количество об/мин) на входе; N2 – скорость вращения вала (количество об/мин) на выходе.

Полученное при расчетах значение округляется до значения, указанного в технических характеристиках конкретного типа редукторов.

Таблица 2. Диапазон передаточных чисел для разных типов редукторов

ВАЖНО! Скорость вращения вала электродвигателя и, соответственно, входного вала редуктора не может превышать 1500 об/мин. Правило действует для любых типов редукторов, кроме цилиндрических соосных со скоростью вращения до 3000 об/мин. Этот технический параметр производители указывают в сводных характеристиках электрических двигателей.

Модернизация редукторов — стабильная тенденция

В модельном ряду производителей представлены стандартные и модернизированные решения. В усовершенствованных агрегатах сохраняются прежние габариты и размеры присоединений.

Основу модернизации составляют:

• Стандарты ISO.
• Блочно-модульные конструкции.
• Усовершенствованные механизмы защиты редукторов.
• Модификации зубчатых зацеплений.
• Модернизация корпусов редукторов, ориентированная на производство монолитных конструкций небольшого веса, характеризующихся высокой теплоотдачей.
• Применение технологии литья под давлением при производстве корпусов из алюминиевых сплавов.
• Использование синтетического масла для всего периода эксплуатации редуктора.
• Отсутствие необходимости в техническом обслуживании приводных механизмов в процессе их эксплуатации.

Непрерывный процесс модернизации способствует улучшению технических характеристик редукторов, расширению их функциональности и вариативности исполнений. Сегодня продукция крупных российских производителей не уступает по качеству иностранным аналогам.

Романов Сергей Анатольевич, руководитель отдела механики компании Техпривод

Расположение и тип передачи

Если при размещении заказа на производство мотор-редуктора схема валов шестерни редуктора задается типом требуемого оборудования, то при его ремонте действует обратная закономерность. Тип передачи определяется по размещению. Примеры:

• если компоненты установлены параллельно, значит, мастер имеет дело с цилиндрической зубчатой передачей;
• пересекающиеся валовые оси указывают на червячную, гипоидную или зубчато-винтовую передачу.

В комбинированных системах (когда в корпус редуктора установлено несколько видов передач) валы устанавливают соосно, выдерживая заданное расстояние между их осями (для этого нужны высокоточные опоры).

Коэффициент полезного действия (КПД)

Расчет КПД рассмотрим на примере червячного редуктора. Он будет равен отношению механической выходной мощности и входной мощности:

ñ [%] = (P2/P1) x 100

где P2 – выходная мощность; P1 – входная мощность.

ВАЖНО!

В червячных редукторах P2 < P1 всегда, так как в результате трения между червячным колесом и червяком, в уплотнениях и подшипниках часть передаваемой мощности расходуется.

Чем выше передаточное отношение, тем ниже КПД.

На КПД влияет продолжительность эксплуатации и качество смазочных материалов, используемых для профилактического обслуживания мотор-редуктора.

Таблица 4. КПД червячного одноступенчатого редуктора

Таблица 5. КПД волнового редуктора

Таблица 6. КПД зубчатых редукторов