Андрей Смирнов
Время чтения: ~12 мин.
Просмотров: 0

Мотор-редуктор: устройство и назначение

Устройство редуктора

Основными элементами редуктора являются:

1. Прошедшие обработку зубчатые колеса с зубьями высокой твердости. Материалом обычно служит сталь марки (40Х, 40ХН ГОСТ 4543-71). В планетарных редукторах шестерни и сателлиты изготовлены из стали марки 25ХГМ ГОСТ 4543-71. Зубчатые венцы из стали 40Х. Червячные валы изготавливаются из стали марки ГОСТ 4543-71 – 18ХГТ, 20Х с последующей цементацией рабочих поверхностей. Венцы червячных редукторов изготавливают из бронзы Бр010Ф1 ГОСТ 613-79. Гибкое колесо волнового редуктора изготовлено из кованой стали 30ХГСА ГОСТ 4543-71.
2. Валы (оси) быстроходные, промежуточные и тихоходные. Материалом является — сталь марки (40Х, 40ХН ГОСТ 4543-71). В зависимости от варианта сборки выходные валы могут быть одно- и двухконцевыми, а также полыми со шпоночным пазом. Выходные валы планетарных редукторов изготовлены заодно с водилом последней ступени. Материалом служит чугун или сталь.
3. Подшипниковые узлы. Используются подшипники качения воспринимающие большие осевые и консольные нагрузки. Применяются обычно конические роликоподшипники.
4. Шлицевые, шпоночные соединения. Шлицевые соединения чаще применяются в червячных редукторах (выходной полый вал). Шпонки применяются для соединения валов с зубчатыми колесами, муфтами и другими деталями.
5. Корпуса редукторов. Корпуса и крышки редукторов выполняются методом литья. В качестве материалов используется чугун марки СЧ 15 ГОСТ 1412-79 или сплав алюминия АЛ11. Для улучшения отвода тепла корпуса редукторов снабжаются ребрами.

Эксплуатационный коэффициент (сервис-фактор)

Сервис-фактор (Sf) рассчитывается экспериментальным методом. В расчет принимаются тип нагрузки, суточная продолжительность работы, количество пусков/остановок за час эксплуатации мотор-редуктора. Определить эксплуатационный коэффициент можно, используя данные таблицы 3.

Таблица 3. Параметры для расчета эксплуатационного коэффициента

Тип нагрузки

К-во пусков/остановок, час

Средняя продолжительность эксплуатации, сутки

Плавный запуск, статичный режим эксплуатации, ускорение массы средней величины

Умеренная нагрузка при запуске, переменный режим, ускорение массы средней величины

Эксплуатация при тяжелых нагрузках, переменный режим, ускорение массы большой величины

Одноступенчатые цилиндрические редукторы

Этот тип редуктора отличается от прочих положением валов в корпусе и числом ступеней. Одноступенчатые цилиндрические редукторы могут быть вертикальными и горизонтальными. Шестеренки этих устройств могут иметь косые и прямые, а также шевронные зубья. Корпуса производят из стали сварным способом или из чугуна путем литья. Монтаж валов зачастую производится в подшипники скольжения или качения. Первые зачастую устанавливаются в тяжелых редукторах.

Состав и возможности компоновки одноступенчатого редуктора ограничены. Главной чертой, которая отличает их друг от друга, является расположение валов и осей в пространстве. При этом передаточное число этих агрегатов колеблется в диапазоне от 1,6 до 6,3. Угол наклона передач, выполненных с использованием косозуба, находится в диапазоне от 8 до 200 градусов.

Максимальное передаточное число, которые способен обеспечить агрегат равно 12,5, но при этом редукторы с максимальным передаточным числом применяются редко. Зачастую используются те, которые имеют передаточное число, не превышающее цифру 6.

Какое расположение редуктора выбрать — вертикальным или горизонтальным? Все зависит от необходимости удобств общей компоновки этого передаточного устройства. В частности имеет значение, как расположен агрегат, который производит механическое движение, его рабочий вал и т.д.

Особенности редукторов по виду механических передач

Мировой промышленностью выпускается огромное количество редукторов и редукторных механизмов различающихся по типу передачи, вариантам сборки и т.д. Рассмотрим основные типы механических передач, их особенности и преимущества.

Цилиндрическая передача – является самой надежной и долговечной из всех видов зубчатых передач. Данная передача применяется в редукторах, где требуется высокая надежность и высокий КПД. Цилиндрические передачи обычно состоят из прямозубых, косозубых или шевронных зубчатых колёс.

а) Прямозубая цилиндрическая передача

б) Косозубая цилиндрическая передача

в) Шевронная цилиндрическая передача

г) Цилиндрическая передача с внутренним зацеплением

Конические передачи – обладают всеми преимуществами цилиндрических зубчатых передач и применяются в случае перекрещивания входного и выходного валов.

а) Коническая зубчатая передача с прямым зубом

б) Коническая зубчатая передача с косым зубом

в) Коническая зубчатая передача с криволинейным зубом

г) Коническая гипоидная передача

Червячная передача – позволяет передавать кинетическую энергию между пересекающимися в одной плоскости валами. Основными преимуществами данной передачи является высокий показатель передаточного отношения, самоторможение, компактные размеры. Недостатками являются низкий КПД, быстрый износ бронзового колеса, а также ограниченная способность передавать большие мощности.

Гипоидная передача – она же спироидная состоит из конического червяка и диска со спиральными зубьями. Ось червяка значительно смещена от оси конического колеса, благодаря чему число зубьев одновременно входящих в зацепление в несколько раз больше чем у червячных передач. В отличие от червячной пары в гипоидной передаче линия контакта перпендикулярна к направлению скорости скольжения, что обеспечивает масленый клин и уменьшает трение. Благодаря этому КПД гипоидной передачи выше, чем у червячной передачи на 25%.

а) Червячная передача с цилиндрическим червяком

б) Червячная передача с глобоидным червяком

в) Спироидная передача

г) Тороидно-дисковая передача

д) Тороидная передача внутреннего зацепления

Волновая передача – прототипом является планетарная передача с небольшой разницей количества зубов сателлита и неподвижного колеса. Волновая передача характеризуется высоким показателем передаточного отношения (до 350). Основными элементами волновой передачи являются гибкое колесо, жесткое колесо и волновой генератор. Под действием генератора гибкое колесо деформируется и происходит зацепление зубьев с жестким колесом. Волновые передачи широко применяются в точном машиностроении благодаря высокой плавности и отсутствия вибраций во время работы.

1) Зубчатое колесо с внутренними зубьями

2) Гибкое колесо с наружными зубьями соединенное с выходным валом редуктора

3) Генератор волн

Проектирование конических редукторов

Особое внимание при проектировании конического редуктора уделяется прочным и долговечным подшипниковым опорам. Для установки валов конического редуктора чаще всего применяют конические роликоподшипники или шарикоподшипники с глубоким желобом, в зависимости от исполнения

Для специальных версий применяются радиально-упорные шарикоподшипники для снижения температуры или усиленные подшипники для очень высокой нагрузки на вал. Срок службы подшипников рассчитан на 20 000 часов работы.

При проектировании корпусов конических редукторов и подшипниковых опор необходимо следить за тем, чтобы во время работы не происходило чрезмерного смещения валов

Не менее важно, чтобы корпус и детали, подлежащие установке с точки зрения параллельности, перпендикулярности, посадки и концентричности, изготавливались в пределах установленных допусков

  • Допустимое отклонение расположения отверстий конического редуктора: ± 0,02 мм
  • Допустимое отклонение оси от угла 90°: ± 2 угловых минуты

Чтобы правильно выбрать конструкцию подшипниковых опор, необходимо знать величину и направление сил в зубчатом зацеплении и любых внешних дополнительных сил. Для конических зубчатых колес со спиральными зубьями осевые усилия, возникающие в результате осевых составляющих контакта зубьев, должны учитываться для подшипников. Направление этих сил зависит от направления спирали конических зубчатых колес и направления вращения. В стандартных конических зубчатых передачах шестерня левосторонняя, а зубчатое колесо правостороннее.

Важным параметром редуктора является люфт в коническом зацеплении. Конические зубчатые колеса предназначены для работы с предварительно заданным люфтом. Величина люфта зависит от модуля зацепления. Если люфт установлен слишком большой или слишком маленький, может возникнуть шум и преждевременный износ. Редуктор в специальном исполнении с уменьшенным люфтом так же доступен по запросу заказчика.

Уровень шума при работе конического редуктора составляет около 75 дБ, и зависит от качества зубчатой передачи. Максимально допустимая температура поверхности корпуса редуктора 80°C.
Уплотнения валов конического редуктора могут быть с пылезащитной кромкой или без нее, согласно DIN 3760. Материал уплотнений — NBR или Витон.

Сплошные валы спроектированы со шпонками по DIN 6885/1 и центральными отверстиями по DIN 332/2. Полые валы редуктора имеют шпоночный паз в соответствии с DIN 6885.
В дополнение к стандартной конфигурации конического углового редуктора могут поставляться редукторы с несколькими выходными валами, общим числом до 6-ти. Доступна специальная версия конического редуктора с валами из нержавеющей стали или хромированными. Конструктивно конические редукторы могут оснащаться сплошными или полыми валами, фланцем под установку двигателя или фланцем на стороне выходного вала.

Стандартный ряд доступных конических редукторов подразделяется на достаточное число типоразмеров, определяющих габарит редуктора и соответствующие ему показатели передаваемого крутящего момента. Так же конические редукторы отличаются передаточным числом стандартно от 1 до 6, влияющим на показатели скорости и мощности конкретного редуктора. Конические редукторы с передаточными отношениями, отличными от стандартных, возможны по запросу. Конический редуктор может использоваться в качестве как понижающей, так и повышающей (максимально до 2х) зубчатой передачи.

Для правильного выбора конического редуктора рабочие параметры, необходимые для соответствующего привода, должны быть определены в соответствии с надлежащими расчетами. В частности, необходимо учитывать различные варианты нагрузки, время работы и условия окружающей среды. Возможности привода на основе конического редуктора не безграничны, поэтому, все рабочие факторы, перечисленные в таблицах, должны соблюдаться. Нормальными условиями работы являются указанные значения мощности, постоянная нагрузка при устойчивой работе, малые инерционные массы и 8 -10 часов работы в день при температуре окружающей среды 20°C.

Как рассчитать передаточное число

Шестерня и колесо имеют разное количество зубов с одинаковым модулем и пропорциональный размер диаметров. Передаточное число показывает, сколько оборотов совершит ведущая деталь, чтобы провернуть ведомую на полный круг. Зубчатые передачи имеют жесткое соединение. Передающееся количество оборотов в них не меняется. Это негативно сказывается на работе узла в условиях перегрузок и запыленности. Зубец не может проскользнуть, как ремень по шкиву и ломается.

Расчет без учета сопротивления

В расчете передаточного числа шестерен используют количество зубьев на каждой детали или их радиусы.

u 12 = ± Z 2 /Z 1 и u 21 = ± Z 1 /Z 2 ,

Где u 12 – передаточное число шестерни и колеса;

Z 2 и Z 1 – соответственно количество зубьев ведомого колеса и ведущей шестерни.

Обычно положительным считается направление движения по часовой стрелке. Знак играет большую роль при расчетах многоступенчатых редукторов. Определяется передаточное число каждой передачи отдельно по порядку расположения их в кинематической цепи. Знак сразу показывает направление вращения выходного вала и рабочего узла, без дополнительного составления схем.

Вычисление передаточного числа редуктора с несколькими зацеплениями – многоступенчатого, определяется как произведение передаточных чисел и вычисляется по формуле:

u 16 = u 12 ×u 23 ×u 45 ×u 56 = z 2 /z 1 ×z 3 /z 2 ×z 5 /z 4 ×z 6 /z 5 = z 3 /z 1 ×z 6 /z 4

Зубчатое зацепление жесткое. Детали не могут проскальзывать относительно друг друга, как в ременной передаче и менять соотношение количества вращений. Поэтому на выходе обороты не изменяются, не зависят от перегруза. Верным получается расчет скорости угловой и количества оборотов.

КПД зубчатой передачи

Для реального расчета передаточного отношения, следует учитывать дополнительные факторы. Формула действительна для угловой скорости, что касается момента силы и мощности, то они в реальном редукторе значительно меньше. Их величину уменьшает сопротивление передаточных моментов:

  • трение соприкасаемых поверхностей;
  • изгиб и скручивание деталей под воздействием силы и сопротивление деформации;
  • потери на шпонках и шлицах;
  • трение в подшипниках.

Для каждого вида соединения, подшипника и узла имеются свои корректирующие коэффициенты. Они включаются в формулу. Конструктора не делают расчеты по изгибу каждой шпонки и подшипника. В справочнике имеются все необходимые коэффициенты. При необходимости их можно рассчитать. Формулы простотой не отличаются. В них используются элементы высшей математики. В основе расчетов способность и свойства хромоникелевых сталей, их пластичность, сопротивление на растяжение, изгиб, излом и другие параметры, включая размеры детали.

Что касается подшипников, то в техническом справочнике, по которому их выбирают, указаны все данные для расчета их рабочего состояния.

При расчете мощности, основным из показателей зубчатых зацепления является пятно контакта, оно указывается в процентах и его размер имеет большое значение. Идеальную форму и касание по всей эвольвенте могут иметь только нарисованные зубья. На практике они изготавливаются с погрешностью в несколько сотых долей мм. Во время работы узла под нагрузкой на эвольвенте появляются пятна в местах воздействия деталей друг на друга. Чем больше площадь на поверхности зуба они занимают, тем лучше передается усилие при вращении.

Все коэффициенты объединяются вместе, и в результате получается значение КПД редуктора. Коэффициент полезного действия выражается в процентах. Он определяется соотношением мощности на входном и выходном валах. Чем больше зацеплений, соединений и подшипников, тем меньше КПД.

Классификация, основные параметры редукторов

В зависимости от типа зубчатой передачи редукторы бывают цилиндрические, конические, волновые, планетарные, глобоидные и червячные. Широко применяются комбинированные редукторы, состоящие из нескольких совмещенных в одном корпусе типов передач (цилиндро-конические, цилиндро-червячные и т.д.).

Конструктивно редукторы могут передавать вращение между перекрещивающимися, пересекающимися и параллельными валами.
Так, например цилиндрические редукторы позволяют передать вращение между параллельными валами, конические — между пересекающимися, а червячные — между пересекающимися валами.

Общее передаточное число может достигать до нескольких десятков тысяч, и зависит от количества ступеней в редукторе. Широкое применение нашли редукторы, состоящие из одной, двух или трех ступеней, при чем они могут, как описывалось выше, совмещать разные типы зубчатых передач.

Ниже представлены наиболее популярные виды редукторов, серийно выпускаемые промышленностью.

Обслуживание и ремонт

Сложность рассматриваемого механизма определяет то, что возникает необходимость в своевременном обслуживании и проведении ремонта

Для начала уделим внимание тому, каким образом проводится расчет планетарного редуктора. Среди особенностей этого процесса отметим следующие моменты:

Определяется требуемое число передаточных ступеней. Для этого применяются специальные формулы.
Определяется число зубьев и расчет сателлитов. Зубчатые колеса могут иметь самое различное число зубьев

В рассматриваемом случае их число довольно много, что является определяющим фактором.
Уделяется внимание выбору наиболее подходящего материала, так как от его свойств зависят и основные эксплуатационные характеристики устройства.
Определяется показатель межосевого расстояния.
Делается проверочный расчет. Он позволяет исключить вероятность допущения ошибок на первоначальном этапе проектирования.
Выбираются подшипники

Они предназначены для обеспечения плавного вращения основных элементов. При выборе подшипника уделяется внимание тому, на какую нагрузку они рассчитаны. Кроме этого, не рекомендуется использовать этот элемент без смазки, так как это приводит к существенному износу.
Определяется оптимальная толщина колеса. Слишком большой показатель становится причиной увеличения веса конструкции, а также расходов.
Проводится вычисление того, где именно должны быть расположены оси шестерен. Это проводится с учетом размеров зубчатых колес и некоторых других моментов. Как правило, в качестве основы применяется чертеж, который можно скачать из интернета. Самостоятельно разработать проект по изготовления планетарного редуктора достаточно сложно, так как нужно обладать навыками инженера для проведения соответствующих расчетов и проектирования.

Изготовить самостоятельно рассматриваемую конструкцию достаточно сложно, как и провести ремонт планетарных редукторов. Среди особенностей этой процедуры отметим следующее:

  1. Процедура достаточно сложна, так как механизм состоит из большого количества различных элементов. Примером можно назвать то, что сразу после разбора все иголки могут высыпаться практически моментально.
  2. Многие специалисты рекомендуют доверять рассматриваемую работу исключительно профессионалам, так как допущенные ошибки становятся причиной быстрого износа и выхода из строя механизма.
  3. Ремонт зачастую предусматривает замену шестерен, которые со временем изнашиваются. Примером можно истирание зубьев, изменение размеров посадочного гнезда и многие другие дефекты. Самостоятельно изготовить подобные изделия практически невозможно, так как для этого требуется специальное оборудование.

Чаще всего обслуживание предусматривает добавление масла. Смазка планетарного редуктора позволяет существенно продлить срок службы конструкции, так как соприкосновение и трение металла становится причиной его истирания. Рекомендуется смазывать механизм периодически, так как масло выступает еще в качестве охлаждения. В продаже встречаются специальные смазывающие вещества, которые характеризуются определенными эксплуатационными качествами.

Сегодня ремонтом редукторов занимаются компании, которые специализируются на предоставлении соответствующих услуг. Признаком того, что механизм начинает выходить из строя становится появление сильного шума, вибрации, рывков, нагрев и многое другое. Со временем процесс износа существенно ускоряется, так как металл, находящийся в масле попадает в зацепление шестерен. В большинстве случаев ремонт предусматривает замену всех элементов на новые.

В заключение отметим, что планетарный редуктор характеризуется весьма привлекательными свойствами. Примером можно назвать отсутствие большого количества крепежных элементов, а также равномерное распространение нагрузки. Как ранее было отмечено, редуктор применяется при создании различных узлов транспортных средств.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации