Принцип работы червячного редуктора

Червячный редуктор — устройство, преобразующее угловую скорость и момент двигателя, используя червячную передачу.

Содержание

Червячный редуктор [ править | править код ]

Редуктор червячный — один из классов механических редукторов. Редукторы классифицируются по типу механической передачи. Редуктор называется червячным по виду червячной передачи, находящейся внутри редуктора, передающей и преобразующей крутящий момент. Винт, который лежит в основе червячной передачи, внешне похож на червяка, отсюда и название. Червячный редуктор может быть с одной или более механическими планетарными передачами.

В червячном редукторе увеличение крутящего момента и уменьшение угловой скорости выходного вала происходит за счет преобразования энергии, заключенной в высокой угловой скорости и низком крутящем моменте на входном валу.

Двигатель со встроенным червячным редуктором называют червячным мотор-редуктором.

Наиболее распространены одноступенчатые червячные редукторы. При больших передаточных числах применяют либо двухступенчатые червячные редукторы, либо комбинированные червячно-зубчатые или зубчато-червячные редукторы. В одноступенчатых червячных редукторах червяк может располагаться под колесом, над колесом, горизонтально сбоку колеса и вертикально сбоку колеса. Выбор схемы червячного редуктора определяется требованиями компоновки. Червячные редукторы с нижним расположением червяка применяют при v₁ 5 м/с. В червячных редукторах с боковым расположением червяка смазка подшипников вертикальных валов затруднена.

В червячных редукторах для повышения сопротивления заеданию применяют более вязкие масла, чем в зубчатых редукторах. При скоростях скольжения V_ск Червячная передача [ править | править код ]

В червячных редукторах используется червячная передача. Червячная передача состоит из винта, называемого червяком, и червячного колеса, представляющего собой разновидность косозубого колеса.

Червячные передачи относятся к зубчато-винтовым. Если в зубчато-винтовой передаче углы наклона зубьев принять такими, чтобы зубья шестерни охватывали её вокруг, то эти зубья превращаются в витки резьбы, шестерня — в червяк, а передача — из винтовой зубчатой в червячную.

Ведущее звено червячной передачи в большинстве случаев — червяк, а ведомое — червячное колесо. Обратная передача зачастую невозможна — КПД червячного редуктора в совокупности с передаточным отношением вызывают самостопорение редуктора.

Преимущество червячной передачи по сравнению с винтовой зубчатой в том, что начальный контакт звеньев происходит по линии, а не в точке. Угол скрещивания валов червяка и червячного колеса может быть каким угодно, но обычно он равен 90°. В отличие от косозубого колеса обод червячного колеса имеет вогнутую форму, способствующую некоторому облеганию червяка и соответственно увеличению площади контактных поверхностей. Направление и угол подъёма зубьев червячного колеса такие же, как и у витков резьбы червяка. Резьба червяка может быть однозаходной или многозаходной, а также правой или левой. Наиболее распространена правая резьба с числом заходов z1=1…4.

Различают два основных вида червячных передач: цилиндрические, или просто червячные, передачи (с цилиндрическими червяками) и глобоидные (с глобоидными червяками).

По сравнению с обыкновенными зубчатыми передачами, передаточное отношение (передаточное число) червячного редуктора может быть значительно большим. Так, например, при однозаходном червяке (z1=1) и червячном колесе с z2=100 передаточное число передачи u =100. При одном и том же передаточном числе червячный редуктор гораздо компактнее обыкновенной зубчатой передачи. Возможность осуществления большого передаточного числа при одной ступени передачи, компактность, плавность и бесшумность работы — основные достоинства редукторов с червячной передачей. Благодаря этим достоинствам червячные передачи широко применяют в подъёмно-транспортных машинах, различных станках и некоторых других машинах. Передаточное число червячной передачи принимают обычно в пределах u = 8…90, но в специальных установках оно доходит до u=1000 и более.

В червячной передаче помимо потерь передаваемой мощности, свойственных зубчатой передаче, имеются потери мощности, свойственные винтовой паре. Следовательно, к. п. д. червячного редуктора значительно меньше, что является основным недостатком червячных передач. К недостаткам относятся также склонность витков резьбы червяка и зубьев колеса к заеданию и необходимость применения для венцов червячных колёс дорогих антифрикционных материалов. Из-за этих недостатков червячные редукторы применяют значительно реже зубчатых и только для передачи небольших и средних мощностей, обычно до 50 кВт и реже — до 200 кВт.

Червячный мотор-редуктор [ править | править код ]

Благодаря своей конструкции, мотор-редукторы с червячной передачей характеризуются плавностью и бесшумностью работы. К достоинствам червячного мотор-редуктора также можно отнести компактность — червячный мотор-редуктор будет значительно меньшего размера по сравнению с аналогичным мотор-редуктором с зубчатой передачей с одним и тем же передаточным числом редуктора. Характерной особенностью червячного мотор-редуктора является свойство самоторможения.

Червячные мотор-редукторы имеют развернутое под 90 градусов расположение выходного вала, что бывает удобно в случае, когда нет возможности (например, по габаритам) расположить весь мотор-редуктор с соосным расположением вала.

Различные устройства и механизмы для трансформации крутящего момента и изменения его направления используются с древних времён, но только современные редукторы способны справляться с теми нагрузками, которые необходимо преобразовывать человеку в 21 веке. Червячный редуктор является одним из таких «приспособлений» используемых для изменения передаточного числа вращения вала.

Данное устройство имеет достоинства и недостатки, но по сравнению с деревянными шестернями используемыми в Древнем Египте для орошения полей, червячный редуктор является совершенным устройством, во всех отношениях.

Преимущества червячных редукторов

Среди преимуществ этого механизма по трансформации крутящего момента можно выделить следующие достоинства:

Высокое передаточное число

Червячный редуктор позволяет передавать крутящий момент с соотношением до 1000/1, что практически невозможно реализовать при других технических решениях.

Компактность

Червячный одноступенчатый редуктор имеет небольшие габариты, поэтому данный механизм и двигатель могут быть объединены в одном корпусе.

Бесшумность

В сравнении с другими редукторами, червячный механизм производит меньший уровень шума во время работы.

Плавность хода

Передача крутящего момента посредством червячного редуктора, позволяет добиться идеальной плавности хода подключённых к данному устройству механизмов.

Отсутствие обратного хода

Если передаточное число червячного редуктора превышает значение 35/1, полностью отсутствует эффект «обратного хода». Ведущее колесо в этом случае невозможно провернуть и при небольшом угле подъёма червяка. Если данный показатель будет слишком мал, то блокировка обратного хода произойдёт и при меньшем передаточном соотношении.

Недостатки червячных редукторов

Данный механизм имеет и недостатки, которые накладывают значительные ограничения на использование червячной передачи, если мощность агрегата превышает 60 кВт. К недостаткам редуктора этого типа относятся:

Низкий КПД

В сравнении с другими устройствами по трансформации крутящего момента, КПД червячного редуктора значительно ниже, поэтому там, где не требуется высокая плавность хода и низкий уровень шума, данные механизмы не применяются по экономическим соображением.

Нагрев

Несмотря на то, что червячная передача находится в рабочей смазке в течение всего срока эксплуатации, все равно происходит значительный нагрев в результате трения металлического червяка и ведомой шестерни.

Особенно сильно этот нежелательный эффект проявляется, если мощность агрегата превышает 16 кВт.

Невозможно применить данную конструкцию, если мощность передаваемого крутящего момента слишком велика

Особенности конструкции, а также низкий КПД не позволяют использовать данное устройства для мощных установок. Наиболее распространённые механизмы, в которых реализованный способ червячной передачи крутящего момента не превышает значения 15 кВт.

Большой люфт между валами

Данная проблема проявляется при значительном износе червячного привода и имеет большее значение, чем в других видах передаточных механизмов.

Виды червячных редукторов

Червячные редукторы могут существенно отличаться в зависимости от области применения механизма.

Основные отличия, которые могут использоваться в конструкции:

• Разное число заходов;
• Материал детали;
• Направление резьбы;
• Профиль резьбы;
• Типами применяемого винта.

Данные отличия могут присутствовать в различных сочетаниях. Какие виды червячных редукторов использовать решает инженер на стадии проектирования и разработки устройств и механизмов, использующих такие типы передачи крутящего момента.

Проектирование червячного редуктора

Смастерить червячный редуктор своими руками практически невозможно. Расчёт червячного механизма должен осуществляться квалифицированным специалистом. Когда чертёж будет сделан, все детали по нему изготавливаются только из материалов надлежащего качества, иначе зубчатый механизм может выйти из строя после непродолжительной работы. Сборка червячного редуктора, также должна осуществляться опытным мастером. Несоблюдение этого правила может значительно снизить эксплуатационный ресурс детали, ведь кроме правильной установки валов, понадобится тщательная регулировка червячного механизма.

Если необходимо применение червячного редуктора для того чтобы установить самодельный механизм по передаче крутящего момента, то в это случае лучше использовать уже готовые б/у изделия от техники, в которой используется подобный вид передачи крутящего момента. В том случае, когда осуществляется самостоятельная разработка новых устройств, которые будут запатентованы, проектирование червячного редуктора следует заказать в конструкторском бюро, занимающемся подобными разработками.

Принцип работы

Основой всего передаточного механизма является червеобразный ведущий винт, в «честь» которого данные типы редукторов и получили своё название. Червячный винт взаимодействует с шестерней, осевой вал которой расположен под прямым углом. В результате такой сцепки происходит трансформация высокой скорости вращения входного вала с низким крутящим моментом, на вращение выходного вала с небольшой частотой, но значительно большим усилием. Компоновка червячного редуктора может быть различной. Если вал червячного редуктора вращается со скоростью ниже 5 м/с, то червяк располагается снизу, если скорость выше — то устанавливается редуктор с верхним червяком.

Большинство механизмов этого типа используются с одной передаточной ступенью, но иногда для регулирования соотношения может применяться двухступенчатый червячный редуктор.

Если скорость вращения вала более 10 м/с подшипники и гипоидные передачи должны смазываться под давлением. Если мотор тихоходный, то достаточно естественной циркуляции масла при вращении передачи.

Масло для червячных редукторов должно быть высокой вязкости, иначе процесс износа наиболее нагруженных частей редуктора значительно ускорится.

Ремонт редуктора

Несложный ремонт червячного редуктора можно осуществить собственными силами. Если мотор и привод объединены в одном корпусе, то следует аккуратно разобрать механизм.

Часть общего картера, в которой находится привод, также подлежит разбору. Если конструкция червячного привода изготовлена под высокоскоростной мотор, то, прежде чем приступать к разбору редуктора, необходимо слить трансмиссионное масло из корпуса.

В редукторе этого типа применяются высококачественные подшипники, поэтому наиболее часто необходимость ремонте возникает если шестерня и червяк изношены свыше предельных значений. Рабочая пара всегда подлежит одновременной замене на полный ремкомплект, который прежде чем поступить в торговую сеть, должен быть правильно подобран и испытан на специальном стенде.

Если износ червячной пары незначительный, то зазор можно ликвидировать, используя специальные шайбы-прокладки на ведомом валу.

Конструкция червячного редуктора также позволяет осуществить регулировку зацепления шестерни с червяком без разбора корпуса. Для этой цели используется болт, который встроен в корпус. Если имеется чертёж устройства, то можно без труда определить, где шестерня регулируется. Если чертёж отсутствует, то косвенным признаком регулировочного болта, будет наличие на нём контргайки, которая используется для фиксации отрегулированного зазора между червяком и зубчатым колесом. Крайне редко подшипники редуктора требуют замены. Обычно привод оснащается качественными шарикоподшипниками, которые не требуют замены или ремонта в течение всего эксплуатационного срока детали. Подшипники могут быть испорчены только в том случае, когда привод долгое время использовался без смазки или с применением некачественных смазочных материалов.

Рекомендация профессионалов

Профессиональные механики, а также инженеры занимающимися проектированием такого вида редукторов, не рекомендуют использовать червячный привод, если передаваемая мощность превышает 200 кВт. Конструкция червячного редуктора не позволяет справляться с таким нагрузками, по причине чрезмерного нагрева во время работы. Если мощность устройства находится в диапазоне от 60 до 200 кВт, то в этом случае также необходимо разработать чертёж, на котором будут обозначены принудительное охлаждение масла, и правильный подбор материалов, из которых будет изготовлены червяк и шестерня передаточного механизма.

Кинематическая система устройства должна быть изображена таким образом, чтобы вращение ведомого зубчатого колеса было расположено под прямым углом к вращению входного вала червяка. Также необходимо сделать точное описание каждой детали, которая используется в передаточном механизме. Подшипники следует также указать на схеме, а чертёж должен отображать диаметр посадочного места для них.

Работа червячного редуктора возможна в любых погодно-климатических условиях, но при эксплуатации устройства в северных районах страны, необходимо использовать специальные масла и смазочные материалы, которые не застывают при низких температурах.

Червячный редуктор — малогабаритный тихоходный механизм, поэтому если необходимо сэкономить рабочее пространство при значительном показателе передаточного соотношения, то данный агрегат будет вне всякой конкуренции среди других моделей редукторов.

Слово «редуктор» происходит от английского “reduce”, означающего «уменьшать» или «снижать». Таким образом, любой редуктор предназначен для уменьшения некоего параметра. Устройства, использующие принцип червячной передачи, уменьшают угловую скорость, за счет этого существенно увеличивая крутящий момент.

Что такое «червяк», или общие принципы работы

Червячная передача и построенные на этом принципе механические устройства-редукторы названы так из-за того, что основной их элемент — цилиндрический вал с глубокой трапецеидальной резьбой — внешне похож на червяка.

Функционально червячная передача — один из видов механической передачи. Принцип ее работы заключается в следующем: червяк, или вал с резьбой, механически сопряжен с зубчатым колесом так, что вращение вала автоматически приводит к вращению колеса. За счет того, что вал обычно обладает небольшим диаметром, но крутится с высокой скоростью, он передает колесу (диаметр которого в несколько раз больше, чем у вала) значительно увеличенный крутящий момент, но при этом в обратной пропорции падает скорость вращения вала на выходе.

Такая система, заключенная в герметичный корпус, заполненный специальным вязким маслом (в некоторых случаях может присутствовать еще и система охлаждения), и называется редуктором. Устройство, входной вал которого напрямую соединен с двигателем (например, электрическим), именуется мотор-редуктором.

Особенности червячных редукторов

Основная особенность таких редукторов — необратимость передачи. Это означает, что, вращая зубчатое колесо, заставить прокручиваться червяк невозможно. Благодаря действию сил трения возникает эффект самоторможения — система самостопорится. Это правило работает для большинства червячных редукторов, хотя в некоторых из них передаточное число может быть подобрано так, что эффект необратимости нивелируется или снижается. Но такие системы являются редкостью.

Обратите внимание: эффект необратимости — самостопор — в разных случаях может являться как достоинством, так и недостатком. Например, это выгодное техническое решение для лебедки или иного погрузочного блока — оно не позволяет устройству раскручиваться самостоятельно.

К числу следующих особенностей червячных редукторов можно отнести:

1. Очень большой диапазон передаточных значений — от 8 до 100. Для особых целей конструируются редукторы с передаточным числом до 1000.
2. Передаточное число зависит от количества индивидуальных каналов резьбы на червяке. Большинство редукторов с небольшим передаточным числом — однопроходные, с числом выше 10 — двухпроходные или четырехпроходные. Последние конструктивно самые сложные.
3. Большая нагрузка на зубчатое колесо приводит к необходимости делать его композитным. В лучших редукторах, к примеру, STM и GSM производства ARS (Италия) сердечник колеса производится из твердой стали или чугуна, а венец — верхняя часть с зубьями — из специального антифрикционного материала, обладающего заниженным коэффициентом трения.
4. Различный угол скрещивания входного и входного валов (чаще всего — 90 градусов).
5. Расположение червяка и колеса относительно друг друга. Существует большое разнообразие компоновочных схем, особенно для наиболее простых однопроходных редукторов. Червяк может располагаться над колесом, под колесом, горизонтально или вертикально сбоку.
6. Система смазки. Из-за особенностей механизма червячные редукторы более требовательны к смазке, чем другие системы зубчатой передачи.

Обратите внимание: боковое расположение червяка может затруднять смазку подшипников.

Схема компоновки диктуется конструктивными особенностями механизма, в составе которого будет применяться редуктор. Так, например, если скорость вращения червяка составляет менее 5 м/с, то может применяться нижнее расположение червяка, если свыше 5 м/с, то рекомендуется верхнее.

Система смазки редуктора

Основной «враг» редуктора с червячной передачей — сила трения. Благодаря трению обеспечивается эффект самостопорения, теряется значительная часть полезной мощности, а также с течением времени выходят из строя зубцы на зубчатом колесе.

Бороться с трением призвана система смазки. Ее наличие и функциональность — один из основных факторов, отличающих качественные (а значит — долговечные) редукторы. Хорошим пример служат системы от итальянской компании ARS. Для редукторов из разных модельных рядов этой компании разработано специальное машинное масло (при работе в соответствующих условиях — не требующее замены), которое заливается в корпус редуктора в заводских условиях в оптимальном количестве.

Фактически система смазки может быть реализована разными способами. Все зависит от скорости вращения червяка. Общее требование — применение масла повышенной вязкости. Так, например, в одноступенчатых редукторах, имеющих скорость скольжения до 10 м/с, червяк и точка сопряжения с колесом либо находятся в масляной ванне (при нижнем расположении), либо на червячном валу расположены крыльчатки — масляные разбрызгиватели, которые «зачерпывают» масло из нижней части редуктора и орошают им червяк и колесо. Такая схема характерна для малоскоростных редукторов с верхним расположением червячного вала.

Мощные редукторы со скоростью скольжения свыше 10 м/с снабжаются принудительной системой смазки, которую обеспечивают масляный насос и фильтр.

Достоинства и недостатки

Подобно любым механизмам, червячные редукторы имеют ряд преимуществ, но также и некоторое количество недостатков, вызванных типом их конструкции.

К их преимуществам относятся:

• большое передаточное число, что позволяет использовать маломощные двигатели;
• компактность (по сравнению с, например, зубчатыми редукторами);
• высокая кинематическая точность;
• плавность хода;
• низкий уровень шума;
• начальный контакт звеньев — по линии, а не по точке.

Основными недостатками являются:

• повышенная склонность к износу, заеданию, ломке зубьев и т. п. из-за сил трения;
• не самый высокий КПД;
• потери энергии на трение;
• выделение тепла при работе (отсюда — необходимость в системе теплоотвода или охлаждения);
• необходимостью очень точного расчета конструкции, сборки и регулировки, а также компенсации усилий, передаваемых на червячный вал.

Области применения и стоимость

Область применения червячных редукторов и мотор-редукторов очень широка — от различных промышленных объектов до ручных лебедок. Даже рулевое управление автомобиля смонтировано на червячной передаче особого — глобоидного — типа. Она отличается тем, что вал имеет специфическую вогнутую форму, радиус изгиба которой совпадает с радиусом изгиба колеса.

Проще сказать, в какой области червячные редукторы не применяются. Из-за перечисленных выше недостатков, которые определяются конструктивными особенностями, такие редукторы редко используют в паре с мощными, свыше 100 кВт, двигателями — это нецелесообразно с технической точки зрения.

Так, можно перечислить следующие области, в которых наиболее часто встречается этот тип техники:

1. Различные транспортеры — лифты, элеваторы, эскалаторы.
2. Электрические ворота и двери.
3. Насосы.
4. Строительная техника.
5. Машиностроение.
6. Пищевая промышленность, т. д.

Червячный редуктор — универсальное устройство, которое можно встретить в составе практически любого технически сложного агрегата или комплекса, от легкового автомобиля до комплекта оборудования завода.

Стоимость этих устройств зависит от качества используемых материалов, точности сборки, его технических характеристик (крутящий момент на выходе, масса, передаточное число и т. д.), от наличия или отсутствия в комплекте электродвигателя и других параметров. Минимальный ценовой порог на редукторы малых размеров начинается от 5 тысяч рублей, максимальный — несколько десятков тысяч на сверхмощные устройства.

Обратите внимание: редуктор — не тот элемент, на котором можно экономить. Он постоянно трудится под большой нагрузкой, испытывая холод, жару, воздействие вибраций и других негативных факторов, поэтому материалы, из которых он сделан, и общее качество выполнения имеют решающее значение. Ремонтировать редукторы сложно, а в некоторых случаях и вовсе невозможно. Сэкономленные на дешевом устройстве 2-3 тысячи могут обернуться миллионными потерями, если по его вине встанет, к примеру, конвейерная линия. Обратите внимание на редукторы модельных линий STM и GSM от производителя ARS из Италии — они отличаются наилучшим качеством материалов и сборки при адекватной стоимости.

Расчеты для лучшего выбора

Прежде чем приобретать такое устройство, необходимости провести предварительные расчеты, включающие в себя точное определение класса механизма, требуемого вам передаточного числа, мощности и типа мотора, с которым он будет работать, массы, места установки (от него зависит выбранное компоновочное решение), и т. д. Расчеты следует доверять профессиональным конструкторам, т. к. от этого зависит, проработает ли редуктор весь положенный срок — для червячного он составляет 7 лет — или выйдет из строя через день от непомерной нагрузки.

В общем виде алгоритм таков:

1. Выбор конструктивного типа редуктора.
2. Определение требуемого передаточного числа.
3. Определение количества ступеней.
4. Определение массы и габаритов.
5. Определение максимального времени работы в сутки (постоянно, периодично и т. п.).

Также стоит обратить внимание на климатическую зону, для работы в которой исполняется устройство.