Конические шестерни используются в машиностроении в приводах и станках. Этот механизм наиболее подходит для позиционирования во вращающихся механизмах, где требуется перпендикулярное выравнивание ведущего и ведомого валов.
Передачи: концепции ступеней и передач
Шестерня или червячная передача, помещенная в отдельный корпус, называется трансмиссией. Его основная функция – увеличение крутящего момента на пониженной скорости. Коробка передач передает увеличенный крутящий момент от двигателя к оборудованию, приводимому в движение двигателем.
Редуктор имеет простую конструкцию и состоит из следующих рабочих частей
- Корпус с крышкой;
- Комплект подшипников;
- Входной/выходной вал и промежуточный вал;
- элементы, обеспечивающие передачу энергии (червяк, зубчатое колесо).
В зависимости от типа механической передачи существуют различные виды зубчатых колес, которые используются в различных отраслях промышленности: металлургии, строительстве, нефтегазовой промышленности, подъемных машинах и механической обработке. Спектр применения зубчатых передач неограничен. Это обусловлено широким разнообразием конфигураций редукторов, которые можно классифицировать в зависимости от типа используемого редуктора и области применения.
Эти шестерни обязаны своим названием не своей цилиндрической форме, а типу используемой в них передачи. Зубчатый вал является главным валом такой коробки передач. Благодаря своей конструкции, этот тип редуктора чаще всего используется в горизонтальном положении, где КПД редуктора наиболее высок. КПД этого типа редуктора составляет до 98% в зависимости от передаточного числа. Благодаря высокому КПД отсутствует эффект рассеивания энергии, передаваемой через редуктор, что позволяет избежать нагрева всех частей механизма. Цилиндрические редукторы выпускаются в одно-, двух-, трех- и четырехступенчатом исполнении. Однако чаще встречаются многоступенчатые редукторы или редукторы, в которых сочетаются цилиндрические и конические передачи. Используется в цилиндрический редуктор в основном в машиностроении и тяжелой промышленности.
Классификация редукторов
Редукторы выпускаются в виде конических, цилиндрических, червячных, планетарных и червячных редукторов. Они также могут быть одно-, двух- или трехступенчатыми системами. Однако двухступенчатые и трехступенчатые редукторы могут иметь различные типы передач. Помимо разделения по типам зубчатых колес, зубчатые колеса можно также разделить по их конструкции.
Типы редукторов По этому принципу они делятся на механические редукторы и мотор-редукторы.
Механические редукторы – это просто механические шестерни, а мотор-редукторы – это шестерня и электродвигатель, объединенные в одном корпусе. Редукторы делятся на горизонтальные и вертикальные в зависимости от их положения в пространстве.
Чтобы сделать редукторы действительно эффективными, в них используется набор зубчатых колес, расположенных ступенчато. Эти устройства называются ступенчатыми передачами. Первая пара преобразует крутящий момент в одно значение, за ней следует другая и так далее. Конечно, такая схема всегда влечет за собой снижение надежности и простоты ремонта. Такие устройства могут иметь различные размеры, даже довольно компактные, несмотря на большое количество деталей.
Что такое коробка передач, как она работает и для чего используется?
Механические коробки передач позволяют осуществлять обратное изменение угловой скорости и крутящего момента. Эти величины выражаются в передаточных числах. Поэтому крутящий момент на входе в механизм передачи выше, чем на выходе. Это приводит к увеличению угловой скорости после прохождения через устройство. Именно этот тип механизма обычно подразумевается под определением “передача”. Передаточное число этого устройства всегда больше единицы.
Существует также концепция “повышения передач”. Это относится к устройствам с противоположными направлениями действия, которые способны увеличивать прилагаемую силу. В официальной литературе этот термин не используется, но в ГОСТах применяется термин “подъемная передача”, происхождение которого говорит об использовании именно этого типа механизма.
Сам механизм простейшей передачи состоит из сцепления двух шестеренок разного диаметра. Ведущая шестерня, на которую действует вращательное усилие, имеет меньший диаметр, а ведомая шестерня – больший. Например, если последний имеет в 2 раза больше зубьев, то если первый сделает один оборот вокруг своей оси, то ведомый, соединенный с ним, повернется только наполовину. Это увеличит тяговое усилие на его валу в 2 раза по сравнению с тем, что дает источник вращения.
В целом, механизм классического редуктора состоит из следующих частей
- Жилье.
- Передачи.
- Валы.
Конструкция может включать более двух передач. Более сложные могут иметь возможность перемещать приводные элементы для получения крутящего момента с определенной переменной выходной мощностью и угловой скоростью. По такому принципу работает коробка передач автомобиля. В конструкцию редуктора также может быть включена система смазки или принудительного охлаждения.
Для работы редуктора важно, чтобы ведомый, ведущий и промежуточный элементы входили в зацепление друг с другом. Для этого у них есть одинаковые зубы. Они одинаковы по размеру, форме и наклону.
Источником крутящего момента трансмиссии может быть двигатель внутреннего сгорания, лопасти ветровой турбины, гидравлическая силовая установка, электродвигатель или приводная рукоятка. Создаваемое ими усилие может быть недостаточным для конкретной подключенной машины, или им может не хватать скорости. В этом случае используются редукторы с необходимым передаточным числом.
В коробках передач увеличение скорости всегда сопровождается уменьшением крутящего момента и наоборот. По этой причине важно рассчитать правильное передаточное число для конкретного применения. Передаточное число рассчитывается путем деления числа зубьев ведомой шестерни на число зубьев ведущей шестерни. Например, для блока с 40 и 20 зубьями она равна 2.
Например, если двигатель будет использоваться для подъема груза путем наматывания каната на барабан, требуется низкая скорость с низким крутящим моментом. В этой ситуации используется коробка передач. Он изменяет выходные характеристики для создания оптимального баланса между мощностью и скоростью. Эта ситуация хорошо иллюстрируется на примере велосипеда. Примером простой коробки передач является ее шестерни, соединенные роликовой цепью. Однако, поскольку связь между ними осуществляется через цепь, они имеют одинаковое направление вращения. Таким образом, велосипедист вырабатывает ограниченную мощность. Изменяя комбинацию звездочек при переключении передач, он может регулировать нагрузку на педали. Чем больше ведущая звездочка, тем быстрее едет велосипед, но тем труднее крутить педали.
Типы передач
В современных коробках передач используются различные типы зубчатых колес. Они классифицируются по нескольким параметрам:
- Тип трансмиссии.
- Количество этапов.
- Тип передачи.
- Расположение валов.
Все эти параметры являются важными элементами, которые необходимо учитывать при выборе редуктора для конкретного применения. Некоторые передачи имеют тенденцию нагреваться на высоких оборотах, некоторые изменяют угол передачи крутящего момента, некоторые компактны и т.д.
Типы передач
Шестерни делятся на 4 типа в зависимости от типа передаточного числа:
- Червячные передачи.
- Передачи.
- Зубастый.
- Планетарный.
Тип червя.
Состоит из червячного вала с винтовой накаткой и шестерни с коническими зубьями. Используется для увеличения крутящего момента при уменьшении числа оборотов привода. Червячные передачи используются в различных областях. Они устанавливаются, например, в автоматических приводах ворот, металлообрабатывающих станках и электрических лифтах. Устройство характеризуется приемлемой эффективностью. Он поставляется как в компактном, так и в большом промышленном исполнении. Размер коробки передач влияет только на ее механическую прочность. Перегрузка компактного механизма приведет к деформации вала или повреждению зубьев на редукторе. Чем больше коробка передач, тем меньше вероятность возникновения такой ситуации.
Червячные редукторы имеют относительно низкий уровень шума. Они обладают эффектом самоблокировки. Они быстро останавливаются и не тормозят при прекращении поворота. Особенностью червячных передач является то, что ведущий вал находится под прямым углом к ведомому валу. Это связано с особенностью совместной работы червяка и зубчатого колеса.
Цилиндрический
Состоит исключительно из зубчатых колес с корпусом, установленных на валах. При этом направление передачи крутящего момента не меняется, как в случае с червячными передачами. Этот тип устройства может использоваться как для увеличения, так и для уменьшения крутящего момента. Часто в их конструкции используются промежуточные шестерни для более точной корректировки передаточного отношения.
Чтобы быть действительно эффективными, редукторы используют набор зубчатых колес, расположенных ступенчато. Эти устройства называются ступенчатыми передачами. Первая пара преобразует крутящий момент в одно значение, после чего оно передается второй и так далее. Конечно, такая схема всегда влечет за собой снижение надежности и простоты ремонта. Устройства выпускаются различных размеров, даже довольно компактные, несмотря на большое количество деталей.
Планетарная коробка передач
Планетарные редукторы значительно отличаются от обычных зубчатых и червячных передач. Его особенностью является выравнивание входящего и исходящего потока мощности. Внутри корпуса редуктора находятся зубья. Эта деталь называется коронной шестерней. Это обеспечивает соединение трех, четырех или более спутников. Они, в свою очередь, подключаются через контроллер. При вращении они поворачивают центральную шестерню, называемую солнечной шестерней.
Существуют различные конфигурации планетарных редукторов, в которых в качестве опорного элемента используется солнечная шестерня:
- Коронная шестерня.
- Солнечное оборудование.
- Водитель.
На практике в качестве ведущей и ведомой шестерен может использоваться любая комбинация планетарных передач. Однако, в зависимости от используемого варианта, производительность механизма варьируется. Они используются в гусеничных машинах, коммерческих автомобилях, больших лебедках и пусковых установках.
Обратное движение
Механика коробки передач подразумевает, что когда ведущая шестерня вращается в одном направлении, зубчатое колесо вращается в противоположном направлении. Во многих случаях это не имеет значения или решается путем дальнейшего совершенствования механизма, принимающего передаваемый крутящий момент.
Если движение задним ходом не допускается, коробка передач имеет промежуточную шестерню, которая решает эту проблему. Он соединен с главной передачей, и эффект его действия заключается во вращении ее в противоположном направлении. Затем он уже сопрягается с зубчатым колесом, вращая его в противоположном направлении. Это гарантирует, что направление вращения на выходе редуктора совпадает с направлением вращения на входе.
Использование шестерни-звездочки не влияет на конечное передаточное число, если оно было рассчитано правильно. Кроме того, регулируя количество зубьев на них, можно изменять фактические параметры зацепления, уменьшая ведомую шестерню для придания механизму компактности.
Нередко в непарных конструкциях встречается целый ряд промежуточных шестерен, хотя на практике достаточно одной шестерни. Увеличение числа передач вызвано необходимостью удлинения редуктора, например, когда ведомый вал должен быть расположен на большем выступе относительно ведомого вала.
В редукторах также может использоваться большее количество промежуточных шестерен разного размера для достижения определенной угловой скорости от каждой передачи. Это необходимо для работы вспомогательных механизмов. Например, одна из шестерен может принимать вращение от одной из шестерен для работы масляного насоса с принудительной смазкой и т.д.
Иллюстрация: Исаков Сергей / edu.ascon.ru
Кто ездит на нефти
Недавно европеец Оскар ван Девентер напечатал в 3D редуктор с чрезвычайно высоким передаточным числом 11373076. Изобретатель объединил в этом механизме две планетарные передачи. Увеличив число зубьев шестерен, используемых в механизме, можно увеличить передаточное число до 1141624705. Ван Девентер не объяснил, для чего можно использовать такую коробку передач, сказав лишь, что с ее помощью можно привести в движение локомотив с помощью простой стоматологической бормашины. Однако на очень низкой скорости. Вдохновленные развитием Европы, мы решили рассмотреть основные типы механических трансмиссий.
Редуктор – это механизм, позволяющий передавать и преобразовывать крутящий момент с одного вала на другой. Если такой механизм преобразует большую угловую скорость ведущего вала в меньшую угловую скорость ведомого вала, то он называется демультипликатором, а если наоборот, то мультипликатором. На самом деле, термин демультипликатор используется редко, а устройство, которое уменьшает угловую скорость, называется просто редуктором. В зависимости от типа, такой механизм может состоять из нескольких видов шестеренок, червяков и валов.
Основными характеристиками коробки передач являются передаваемая мощность, угловая скорость и количество валов, а также передаточное число. Все коробки передач снижают передаваемую мощность из-за потерь при механической передаче крутящего момента – вызванных трением, массивностью конструкции, нагрузками на валы. Угловые скорости на ведущем и ведомом валах могут отличаться в десятки, сотни или тысячи раз из-за передаточного числа.
Передаточное число – это соотношение между количеством зубьев шестерни на ведущем валу и количеством зубьев шестерни на ведомом валу. Он записывается в виде целого или дробного числа и показывает, сколько раз должен повернуться приводной вал, чтобы ведомый вал совершил один полный оборот. В случае с коробкой передач Van Deventer приводной вал должен быть повернут 11 миллионов 373 тысячи 76 раз. Только в этом случае приводной вал совершит один полный оборот.
В целом, редукторы позволяют увеличить усилие на ведомом валу, передавая при этом часть мощности на ведомый вал и снижая скорость. Эта функция используется при необходимости работы с большими нагрузками, например, при использовании двигателя относительно небольшой мощности для управления тяжелым транспортным средством. Например, двигатель тягача КамАЗ-65225 мощностью 400 л.с. через коробку передач (вариант с многоступенчатым редуктором) может перемещать грузовик общей массой до 75 тонн.
Сегодня редукторы используются во многих отраслях промышленности: в автомобилях, самолетах и вертолетах, поездах, станках, велосипедах, то есть везде, где необходимо передать крутящий момент от одного узла к другому. Механизмы для передачи крутящего момента с одного вала на другой обычно делятся на пять наиболее распространенных основных классов: цилиндрические, конические, червячные, планетарные и комбинированные. Последние могут сочетать в себе несколько типов передач.
Иллюстрация: Чабанный Александр / edu.ascon.ru
Цилиндрический редуктор – это механизм, в котором ведущий и ведомый валы находятся в параллельных плоскостях. Передача мощности в них осуществляется от большей шестерни с прямыми или косыми зубьями к меньшей, имеющей цилиндрическую форму. Эти передачи делятся на несколько подтипов: вертикальные (валы укладываются друг на друга) и горизонтальные. Цилиндрические редукторы могут быть одно-, двух-, трех- или четырехступенчатыми, в зависимости от количества шестерен, установленных между ведущим и ведомым валами.
Цилиндрические редукторы характеризуются очень высоким КПД – до 98%, что означает, что потери мощности при передаче крутящего момента с одного вала на другой относительно невелики. Благодаря высокому КПД цилиндрических редукторов практически отсутствует рассеивание передаваемой энергии, а это значит, что рабочие элементы редукторов практически не нагреваются.
Эти шестерни в основном используются в различных станках, деревообрабатывающих станках, измельчителях, бетономешалках и мельницах. Цилиндрические редукторы не очень чувствительны к рывковым нагрузкам и могут выдерживать большое количество пусков и остановок. В то же время они не имеют самоблокировки, что означает возможность вращения приводного вала путем приложения определенного усилия к выходному валу. В то же время такие редукторы шумны в конструкции и имеют низкие передаточные числа.
Иллюстрация: Мануэль Нойер / grabcad.com
Конические шестерни используются для передачи крутящего момента от ведущего вала к опорному, если плоскости их осей пересекаются. В них используются конические шестерни. Эти передачи менее надежны, чем косозубые, но имеют относительно высокий КПД – до 95 процентов. Благодаря конструкции конических редукторов они могут иметь несколько выходных валов, оси вращения которых могут быть совмещены, напр. в форме креста.
Современные конические редукторы обычно используют круговое соединение – внутри них на концах валов установлены конические шестерни, которые своими конусами упираются в другую шестерню. Плоскость последнего находится в одной плоскости с плоскостями валов. В этом случае, если соединение колес одинарное, ведомый и ведущий валы будут вращаться в одном направлении. Конические редукторы часто используются для изменения направления передачи.
Как правило, передаточные числа в конических передачах варьируются от одного до пяти, при этом угол наклона оси ведомого вала к ведущему валу может меняться. Как и косозубые, конические шестерни чаще всего используются в различных станках, например, сверлильных. Как и косозубые передачи, конические передачи являются обратимыми, т.е. вращая ведомый вал, можно вращать ведомый вал. Однако из-за своей конструкции конические шестерни иногда могут заклинивать.
Иллюстрация: Исаков Сергей / edu.ascon.ru
Червячные редукторы получили свое название от типа используемой в них передачи. В простейшем варианте эти механизмы состоят из червячного колеса (шестерни с косыми зубьями) и самого червяка. Последний представляет собой цилиндр со скульптурой, которая при вращении напоминает червяка. В такой коробке передач приводной вал приводит в движение червяк, резьба которого перемещает зубья червячной передачи, заставляя ее вращаться.
Червячные передачи были изобретены как альтернатива механизмам с обычными зубчатыми колесами, например, косозубым. Они имеют гораздо меньшие размеры, но большие передаточные числа. Например, для червяка с двойным входом (он имеет две параллельные резьбы) и червячного колеса со 100 зубьями соотношение будет равно 50. Это означает, что приводной вал должен совершить 50 полных оборотов, чтобы ведомый вал повернулся один раз.
Червячные передачи имеют очень высокий коэффициент самоторможения. Это означает, что приложение силы к выходному валу не приведет к его вращению. Кроме того, червячные передачи имеют относительно низкий КПД (от 70 до 92 процентов) и очень чувствительны к смазке. Они используются для передачи небольшой мощности в тех случаях, когда не хватает места для косозубых или конических передач. Чаще всего червячные редукторы используются для привода конвейеров или ворот.
Иллюстрация: Филимонов Илья / edu.ascon.ru
Планетарный редуктор – это уже более сложное механическое устройство, название которого происходит от способа расположения шестерен привода, редуктора и ведущей шестерни. Механизм состоит из солнечной шестерни, расположенной в центре конструкции, сателлитов (меньших шестерен) и эпицикла (заводной шестерни), расположенных на периферии. Вращение заводной шестерни осуществляется солнечной шестерней через спутники. Последние механически соединены с помощью драйвера, который представляет собой кольцо со штырями, на которых закреплены спутники.
Особенностью планетарного редуктора является то, что обороты можно подавать на любой из его элементов и снимать с любого другого. Третий элемент в этом случае должен быть остановлен. Например, вращение может быть подано на один из сателлитов и снято с коронной шестерни. В этом случае солнечная шестерня должна быть неподвижной. Когда вращение подается на солнечную шестерню и снимается с коронной шестерни, привод остается неподвижным в коробке передач. В некоторых коробках передач контроллер отсутствует.
Изменяя привод и отсоединяя детали, можно изменять передаточные числа в очень широком диапазоне без изменения самой коробки передач. По этой причине планетарные редукторы могут иметь самые большие передаточные числа среди всех других классов редукторов. Коэффициент самоблокировки планетарных редукторов зависит от передаточного числа, но вращение ведомого вала все равно может вызвать вращение ведомого вала.
Планетарные редукторы приводят в движение шестерни в ступице заднего колеса велосипеда.
Сегодня редуктор рассматривается как устройство, которое используется для изменения скорости вращения вала по отношению к выходу приводного механизма. Он также может использоваться для увеличения крутящего момента или для обеспечения очень низкой скорости при очень больших усилиях. Редукторы можно классифицировать в зависимости от их конструкции:
Общие особенности и дополнительные характеристики
Как упоминалось ранее, коробки передач практически не встречаются в чистом виде. Например, вертикальные цилиндрические редукторы обычно имеют несколько конических шестерен, расположенных горизонтально. В червячных передачах используются двухступенчатые червяки с дополнительным выходным валом. Кроме того, все редукторы могут быть изготовлены в двух вариантах: чисто механические редукторы и мотор-редукторы. Последние являются наиболее распространенными и представляют собой единое устройство, объединяющее электродвигатель, редуктор и различные вспомогательные компоненты.
Кольцевая шестерня планетарного редуктора неподвижна, вращение от входного вала передается на солнечный редуктор, который находится в зацеплении со всеми спутниками. Сателлиты вращаются в неподвижной кольцевой передаче, передавая энергию вращения на контроллер, а затем на выходной вал редуктора. Планетарные редукторы могут быть одно-, двух- или трехступенчатыми, а передаточное число зависит от количества зубьев на каждой шестерне.
Как выбрать коробку передач?
Выбор редуктора должен осуществляться компетентным специалистом, так как просчеты могут привести к повреждению редуктора или сопутствующего оборудования. Правильный выбор коробки передач позволит избежать дальнейших затрат на ремонт и покупку нового привода. Как уже упоминалось выше, основными параметрами при выборе редуктора являются тип передачи, размер, передаточное число и кинематическая диаграмма.
Максимальные значения крутящего момента для каждого типоразмера редуктора указаны в каталоге. Крутящий момент, действующий на коробку передач, определяется следующим выражением:
где:
M2 – выходной крутящий момент на валу редуктора (Н/М)
P1 – входной крутящий момент на валу редуктора (кВт)
Rd – динамический КПД редуктора (%)
n2 – Скорость вращения свободного вала (об/мин)
Частота вращения свободного вала n2 может быть определена по коэффициенту передачи iа также скорость вращения более быстрого вала n1.
где:
n1 – скорость вращения высокоскоростного вала (об/мин)
n2 – скорость вращения тихоходного вала (об/мин)
i – передаточное число
Еще одним важным фактором, который необходимо учитывать при выборе коробки передач, является значение – коэффициент обслуживания (s/f). Коэффициент обслуживания sf – отношение максимально допустимого крутящего момента M2 макс указанные в каталоге, до номинального крутящего момента M2 которая зависит от мощности двигателя.
где:
M2 макс – максимально допустимый крутящий момент (паспортное значение)
M2 – Номинальный крутящий момент на валу редуктора (в зависимости от мощности двигателя)
Значение коэффициента обслуживания (с/ф) напрямую связан со сроком службы редуктора и зависит от условий эксплуатации привода.
Если редуктор работает при нормальной нагрузке и количество запусков не превышает 60 запусков в час, можно выбрать коэффициент обслуживания: sf = 1.
При средней нагрузке, когда количество пусков не превышает 150 пусков в час – выбирается сервисный коэффициент: sf = 1,5.
В случае высокой ударной нагрузки с возможным заклиниванием вала редуктора выбирается коэффициент обслуживания: sf = 2 или больше.
Читайте далее:- Мотор-редукторы – где они используются и как они работают?.
- Шаговые двигатели: свойства и практические схемы управления. Часть 2.
- Векторное и скалярное управление преобразователями частоты – принцип работы, система управления.
- Рабочие характеристики асинхронного двигателя; Школа для электриков: электротехника и электроника.
- Редукторы для кран-балок.
- Тест. Тест по основам электропривода.
- Как рассчитать крутящий момент электродвигателя – таблица, формула.