Устройство червячного редуктора

Червячный редуктор относится к наиболее популярным типам механических передаточных систем, что обусловлено целым рядом технических и эксплуатационных преимуществ. Рассмотрим, что представляет собой червячный редуктор, устройство и принцип работы данного устройства.

Конструкция и геометрические размеры

Устройство редуктора червячного типа включает два основных элемента образующих зацепление — винт или «червяк» и червячное колесо. Последнее является разновидностью косозубого колеса. В данной паре винт является ведущим звеном, колесо — ведомым. Одним из основных отличий от цилиндрического и прочих типов редукторов является большая плоскость зацепления и высокое передаточное отношение, что приводит к самоторможению устройства. В зависимости от того, в каких механизмах применяется данное устройство, данная конструктивная особенность может быть как достоинством, так и недостатком.

Теперь о том, как работает червячный редуктор. Передаваемое на входной вал с червяком крутящее усилие приводит к вращению винта. В свою очередь винт толкает зубчатое колесо, обеспечивая передачу крутящего момента. В отличие от цилиндрических и конических передач, данная связка работает со значительным уменьшением угловой скорости (передаточное отношение до 110 на одной ступени) и увеличением крутящего усилия.

При одинаковом принципе работы червячных редукторов они значительно различаются по передаточному числу и геометрии зацепления. Оси винта и колеса расположены под прямым углом относительно друг друга.

По конфигурации поверхности с резьбой червяки подразделяются на цилиндрические и глобоидные. По форме профиля они делятся на:

• Архимедовы червяки. Имеют прямолинейный трапециидальный профиль в осевом сечении. В торцевом очерчены архимедовой спиралью.
• Конволюнтные — прямолинейный профиль в сечении, нормальный к виткам червяка.
• Эвольвентные. Червяк в торцовом сечении имеет эвольвентный профиль.

Винт может иметь один или несколько заходов, их количество выбирается в зависимости от передаточного отношения. Стандартным количеством заходов является 1, 2 и 4.

Сфера применения редукторов

Конструктивные особенности и принцип работы червячного редуктора обусловили его сферу применения. В первую очередь, это необходимость снижения частоты вращения привода и значительного увеличения крутящего момента. Главным же ограничением является отсутствие больших ударных нагрузок и малая периодичность включений.

В целом применение червячного редуктора должно соответствовать следующим рекомендациям:

• Если механизму не требуется работать с самоторможением и при передаточном числе менее 25 во многих случаях оптимальным вариантом будет применение редукторов. Они обладают большим КПД, имеют более высокий ресурс работы и позволяют сэкономить электроэнергию.
• Учитывайте ударную нагрузку. Сам принцип работы червячного редуктора и его конструкция обуславливают высокую чувствительность к ударам, что приводит к перегреву и значительному снижению ресурса работы устройства.
• Во многом работа червячного редуктора зависит от схемы его расположения в пространстве. Базовым и наиболее рекомендуемым вариантом является размещение оси винта внизу, а оси зубчатого колеса вверху.

Применение редуктора червячного типа — это низкая шумность и высокая плавность работы, большое передаточное число, что позволяет значительно сэкономить пространство. Последнее особенно важно при проектировании мотор редукторов и обеспечивает широкое применение червячных устройств в современных машинах и механизмах.

Червячный редуктор

Подписка на рассылку

Этот тип редукторов получил свое название по типу зубчатой передачи, используемой для снижения высокой скорости вращения входного вала и повышения крутящего момента на выходном (тихоходном) валу. В механизмах с червячной передачей входной и выходной валы расположены под прямым углом друг к другу, в отличие от цилиндрических и планетарных редукторов, у которых они параллельны или лежат на одной оси.

Работа червячного редуктора

Рабочая часть входного вала (червяк) напоминает винт, профиль резьбы которого имеет трапецеидальную форму. Витки резьбы винта находятся в зацеплении с косозубым зубчатым колесом, имеющим специальный профиль. Соединение «червяк – зубчатое колесо» получило название червячная пара. Вращение вала приводного двигателя передается входному валу редуктора, в результате чего витки резьбы рабочей части начинают перемещаться вдоль оси винта. Благодаря такому поступательному движению зубчатое колесо начинает крутиться в том же направлении. В зависимости от профиля винта и зубьев на венце колеса червячная пара может быть цилиндрической и глобоидной:

Расстояние между осями вращения колеса и тихоходного вала является одной из главных характеристик редуктора, определяющей его габарит. В зависимости от количества червячных пар, объединенных в одном корпусе, выпускаются модели в одноступенчатом и двухступенчатом исполнении.

Двухступенчатый червячный редуктор может быть собран из двух моделей одноступенчатого исполнения, соединенных специальной переходной муфтой.

Передаточные числа

Чтобы правильно подобрать нужный типоразмер червячного редуктора под необходимые условия эксплуатации, помимо межосевого расстояния червячной пары, необходимо учитывать кратность снижения частоты оборотов выходного вала к скорости вращения вала приводного двигателя. Этот параметр называется передаточное число червячного редуктора и зависит от соотношения числа зубьев на рабочем колесе к количеству витков резьбы на червяке. В зависимости от конструкции редуктора и количества ступеней коэффициент редукции колеблется от 5 у одноступенчатых моделей до 4000 в двухступенчатых механизмах.

Преимущества и недостатки червячных редукторов

Благодаря перекрестному расположению валов механизмы этой группы более компактны по сравнению с цилиндрическими моделями, которые имеют сравнимые передаточные числа и номинальные крутящие моменты. Это позволяет более рационально компоновать их с приводимым механизмом, особенно в условиях недостатка свободного пространства. Червячные редукторы в процессе работы издают гораздо меньше шума, чем модели с цилиндрической, планетарной и конической передачей, а также имеют более плавный ход.

Но главным отличием от всех других видов редукторов является отсутствие обратимости вращения валов, называемое еще «самоторможением». Оно выражается в том, что в механизмах с передаточным отношением более 35 отсутствует возможность провернуть выходной вал вручную. Это свойство особенно полезно для механизмов, используемых для поднятия и перемещения грузов. При отключении питания приводного двигателя не будет происходить обратное вращение барабана лебедки или опускание ковшей элеватора. Таким образом, нет необходимости устанавливать на них дополнительный электромагнитный тормоз.

К сожалению, КПД червячного редуктора ниже, чем у цилиндрической передачи. Особенно это проявляется в редукторах с большими передаточными числами. Снижение полезной работы происходит в результате более высокой силы трения скольжения витков червяка об зубья рабочего колеса. Помимо падения КПД потеря энергии приводит к повышению температуры. Чтобы избежать перегрева, на корпусе редуктора предусмотрены ребра охлаждения. В крупногабаритных типоразмерах дополнительно применяется принудительная циркуляция масла в поддоне либо внешний обдув от вентиляторной крыльчатки, устанавливаемой на втором конце входного вала. Кроме этого, редукторы этого типа имеют повышенный люфт выходного вала по сравнению с моделями с цилиндрической и планетарной передачей.

Применение червячных редукторов

Червячные редукторы востребованы во всех отраслях тяжелой и легкой промышленности. Они используются для комплектации приводов ворот, конвейерных лент, лифтов и других подъемных механизмов, различных насосов и размешивающих устройств. Некоторые модели устанавливаются на деревообрабатывающих и металлообрабатывающих станках.

При выборе нужной модели для комплектации механизма следует учитывать его компоновку. Базовым исполнением является червячный редуктор с нижним расположением червяка. Такое положение входного вала характерно для окружной скорости червяка, которая не превышает 5 м/с.

В том случае, когда условия эксплуатации требуют более высоких скоростей вращения входного вала, требуется червячный редуктор с верхним расположением червяка.

Кроме того, нужно помнить, что редукторы этой группы нельзя использовать, если эксплуатация подразумевает ударные нагрузки, неравномерность вращающего момента на тихоходном валу, а также частые запуски и остановы приводимого механизма.

Мотор-редуктор: устройство и назначение

Любой промышленный механизм требует для своей работы источник механической энергии. В качестве такового наибольшее распространение получил электродвигатель. Необходимость согласования с конечным механизмом возникает только по двум параметрам – скорости и моменту на валу двигателя. Общепромышленные варианты электромоторов обеспечивают относительно высокую скорость и небольшой момент. Напротив, механизмы обычно требуют больших моментов при невысоких скоростях. Одним из способов разрешения этого противоречия может стать применение редуктора. Выступая как отдельное устройство, он обеспечивает согласование режимов работы целевого механизма с источником вращающего момента. Связка мотора и редуктора нашла широкое применение в промышленной технике. С целью снижения общей стоимости конечных устройств и упрощения конструкции, производители объединили два этих элемента в единый агрегат, получивший название мотор-редуктор. Благодаря моноблочной конструкции такие узлы обладают множеством преимуществ перед раздельным исполнением и завоевали большую популярность у проектировщиков.

Устройство и принцип работы

Конструкция мотор-редуктора представляет собой соединенные в единый блок механический редуктор и электрический двигатель. Благодаря этому, в технологической установке требуется закладывать одно место установки, вместо двух. Также не придется обеспечивать сносность валов двигателя и редуктора, подбирать и монтировать муфту, передающую вращение. Общая конструкция мотор-редуктора имеет некоторые отличия от раздельных вариантов. Корпус передачи изготавливается с необходимым запасом прочности, обеспечивающим надежное функционирование устройства с закрепленным тяжелым мотором. Для монтажа двигателя на корпусе выполняются специальные посадочные места. В конструкции ведущей шестерни редуктора предусматриваются цилиндрические отверстия, используемые для установки вала приводного мотора. На корпусе дополнительно предусматривают элементы крепления для монтажа мотор-редуктора в технологическую установку. В качестве электропривода мотор-редуктора допускается применять любые типы электродвигателей. Наиболее часто встречаются модели, использующие стандартные асинхронные электродвигатели. Для реализации моноблочного исполнения выбирают модели фланцевого типа.

Принцип действия мотор редуктора не отличается от работы классического редукторного электропривода. Момент вращения двигателя передается на ведущую шестерню, фактически установленную на валу мотора. Благодаря зубчатому зацеплению, вращающий момент преобразуется одним или несколькими ведомыми элементами, которые в свою очередь оказывают воздействие на вал технологического механизма.

Выходная скорость вращения зависит от параметров двигателя и передаточного отношения редуктора. Для получения повышенного коэффициента преобразования используются многоступенчатые модели. При необходимости коррекции скорости, мотор-редукторы легко интегрируются в системы с регулировкой оборотов посредством управляемых преобразователей.

Виды мотор-редукторов

Сегодня разработано большое число вариантов мотор-редукторов, различающихся типом двигателя, принципом построения механической части и общей геометрией. Практически все возможные комбинации присутствуют в каталогах производителей.

Классификация готовых устройств ведется по нескольким признакам. В первую очередь принято выделять тип редуктора.

По виду механического зацепления подразделяют цилиндрические, конические, червячные и планетарные модели. По взаимному расположению входного и выходного валов рассматривают соосные, параллельные и угловые варианты. Исходя из передаваемых мощностей выделяют модули обычного размера и мини мотор-редукторы. По типу присоединения к процессу, встречаются варианты с одно- и двухсторонним валом, а также с полым выходным валом.

Цилиндрические мотор-редукторы

Агрегаты, использующие классические цилиндрические редукторы получили большое распространение, благодаря простоте, надежности и универсальности механической части устройства. Их использование возможно в широком спектре оборудования. В зависимости от общей конструкции, цилиндрические мотор-редукторы выполняются с соосными или параллельными валами. Количество ступеней может варьироваться от одной до шести.

По способу расположения шестерен и общей компоновке выделяют горизонтальные и вертикальные модели. Такие устройства характеризуются высоким КПД, долговечностью и относительно невысокой стоимостью. В отличие от многих других вариантов, цилиндрические редукторы обычно не допускают произвольного расположения в пространстве, что значительно ограничивает их область применения.

Конические мотор-редукторы

Устройства, собранные на основе конических шестерен, позволяют построить угловой конический мотор-редуктор. Его главной особенностью будет перпендикулярное расположение входного и выходного валов. Это ориентирует их на использование в устройствах, требующих смены направления осей. Также конические модели выгодно устанавливать в конструкциях, предъявляющих ограничение по одному из габаритных размеров устройства. Редукторы данного типа отличаются более высокой стоимостью, в виду значительной сложности изготовления отдельных деталей. Передаточное отношение конических моделей обычно невелико. Для его повышения, коническую и цилиндрическую передачи часто комбинируют, результатом чего становится коническо-цилиндрический мотор-редуктор.

Червячные модели

Сегодня, огромную популярность приобрели червячные одноступенчатые мотор-редукторы. В качестве механической передачи в них используется червячная пара. Она обеспечивает высокое передаточное отношение при сравнительно небольших габаритах. Благодаря этому стоимость червячных моделей ниже аналогов с иной конструкцией. Среди других особенностей следует выделить перпендикулярное расположение валов и самостоятельное затормаживание механизма при отсутствии внешнего поступления энергии.

В отличие от цилиндрических и конических моделей, приложение усилия к выходному валу не приведет к проворачиванию механизма. Благодаря этому такие редукторы часто используют в ответственных решениях и подъемно-транспортных устройствах. Червячные редукторы обычно не требовательны к положению установки. Благодаря герметичному корпусу их можно располагать произвольным образом, вследствие чего эти модели активно применяются для модернизации привода станков, промышленных линий и других механизмов. Среди недостатков червячных моделей обычно выделяют небольшой КПД и повышенное тепловыделение.

Планетарные и волновые мотор-редукторы

Благодаря компактности и высоким рабочим моментам, планетарные мотор-редукторы нашли широкое использование в небольших устройствах привода. Высокое передаточное отношение и способность работать с большими нагрузками, ориентирует их на использование совместно с серводвигателями промышленных роботов и других автоматических устройств. Встречаются планетарные модели и общепромышленного применения. Благодаря особенностям конструкции зубчатой передачи, данные модели мотор-редукторов выполняются с соосными валами. Это позволяет их использовать для привода практически любых механизмов.

Дальнейшим развитием планетарных передач стали волновые редукторы. Они обеспечивают большое передаточное отношение, плавность хода и высокую точность позиционирования выходного вала. Благодаря этому такие модели стали основой построения промышленных роботов. Наряду с высокими характеристиками, данные типы передач отличаются высокими требованиями к изготовлению, а, следовательно, и высокой стоимостью, что существенно сдерживает распространение данных моделей.

Технические характеристики

Технические характеристики мотор-редуктора составляют комплекс из отдельных параметров механической части и электродвигателя. Важнейшей характеристикой становятся режим работы механизма. В зарубежной литературе используется подобный параметр, называемый сервис-фактором. Он определяет частоту и уровень механических нагрузок и задается на основе характеристик технологического процесса. Принцип действия редуктора и его передаточное число, позволяют подобрать модель с требуемым типом двигателя для конкретных условий работы. Схема расположения валов позволяет наилучшим образом расположить приводной модуль на оборудовании. Тип выходного вала обеспечивает простоту установки. Важным параметром становится способ крепления мотор-редуктора к технологическому устройству. Встречаются модели с установкой на лапы, фланцевого и комбинированного исполнения.

С целью определения конкретных скоростей выходного вала используют номинальную скорость вращения электромотора. В зависимости от нее, один и тот же редуктор будет обеспечивать разные характеристики. Мощность двигателя определяет нагрузки технологического механизма.

Применение мотор-редуктора

Область применения мотор-редукторов практически полностью перекрывает варианты, использующие связку отдельных электродвигателя с редуктором. В большинстве случаев применение моноблочных моделей дает дополнительную выгоду по массе, габаритам и стоимости. Преимущества раздельного исполнения ограничены случаем использования демпфирующих муфт. Такие муфты способны расцеплять вал двигателя от вала редуктора при значительных динамических нагрузках. В мотор-редукторах скачки нагрузок с большой долей вероятности приведут к разрушению конструктивных элементов. Поэтому при выборе конкретных моделей следует учитывать запас по динамической прочности. Среди недостатков следует учитывать и меньшую ремонтопригодность. При выходе из строя механической части потребуется заменить весь агрегат, а не отдельную часть. Выход из строя электродвигателя менее критичен, так как его замена допускается большинством конструкций редукторов.

В некоторых случаях единая конструкция становится незаменимой. В миниатюрных устройствах автоматики и роботах, использование отдельных привода и механической передачи способно значительно усложнить и укрупнить конструкцию, понизить ее надежность. Конечной целью таких устройств является не поддержание требуемой скорости, а точное позиционирование отдельных элементов. В таких системах большое распространение нашли малогабаритные мотор-редукторы. В качестве привода в них используются шаговые, либо бесколлекторные двигатели, обеспечивающие высокую точность работы.

Выбор и обслуживание

Подбор мотор-редуктора выполняется на основе режима работы, требуемой мощности и числа оборотов технологического механизма. Также учитывается расположение валов и отдельных частей устройства. Полный расчет мотор-редуктора в отечественной практике ничем не отличается от классических вариантов расчета требуемой передачи. С целью упрощения данной операции, большинство производителей приводят готовые входные и выходные параметры, позволяющие выполнить подбор без сложных вычислений.

Внедрение и эксплуатация мотор-редуктора не представляют большой сложности. Правильно подобранное оборудование имеет большой срок службы и не требует частого внимания, при работе в рекомендуемых условиях окружающей среды.

Главный параметр, который следует контролировать в механической части – уровень масла в корпусе редуктора. Также следует обращать на механическую целостность деталей, уровень шума и нагрев поверхностей агрегата. Эксплуатация электродвигателя ничем не отличается от других вариантов его использования.