Червячные передачи и редукторы.

Редукторы червячные служат для передачи вращения между скрещивающимися (обычно под прямым углом) валами посредством червяка и сопряжённого с ним червячного колеса.

 

Червячный редуктор получил свое название благодаря наличию в его конструкции червячной передачи, которая состоит из винта, называемого червяком, и червячного колеса, представляющего собой разновидность косозубого колеса.

Применяется червячный редуктор для передачи крутящего момента между перпендикулярно скрещивающимися осями. Оси в свою очередь могут занимать любое положение в пространстве.

Червячные передачи относятся к зубчато-винтовым. 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

Преимуществ, которыми обладает червячный редуктор достаточно много и они существенны.

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.

По сравнению с обыкновенными зубчатыми передачами, передаточное отношение (передаточное число) червячной передачи может быть значительно большим. Так, например, при однозаходном червяке (z₁=1) и червячном колесе с z₂=100 передаточное число u =100. При одном и том же передаточном числе редуктор, использующий червячную передачу, гораздо компактнее обыкновенной зубчатой передачи. Передаточное число червячной передачи принимают обычно в пределах u = 8...90, но в специальных установках оно доходит до u=1000 и более.

Червячный редуктор обладает исключительной бесшумностью, плавностью хода, компактностью и эффектом самоторможения при определенных передаточных числах. Таким образом, червячный редуктор позволяет исключить из конструкции привода дополнительное тормозное устройство. Именно поэтому червячный редуктор, используют как составную часть мотор-редукторов устанавливаемых в троллейбусах, турбинах, металлорежущих станках, подъемниках, т.е. везде, где плавная остановка привода принципиально важна.

Большое значение имеет и то, что червячный редуктор имеет малую стоимость, небольшие габариты и незначительный вес. Плюс ко всему, червячный редуктор конструктивно достаточно простое устройство, что является залогом высокой надежности и возможности предельно длительного использования без поломок и сбоев. 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.

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

На сегодняшний день червячный редуктор считается одним из самых востребованных типов привода в подавляющем большинстве отраслей промышленности.

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.

Цилиндрическо-червячный редуктор в разрезе

Выбор схемы червячного редуктора определяется требованиями компоновки. Червячные редукторы с нижним расположением червяка применяют при v₁< 5 м/с, с верхним - 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<7...10м/с смазку червячных передач редукторов осуществляют окунанием червяка или колеса в масляную ванну. При нижнем расположении червяка уровень масла в ванне должен проходить по центру нижнего шарика или ролика подшипника качения, а червяк должен быть погружен в масло примерно на высоту витка. Если уровень масла устанавливают по подшипникам и червяк не окунается в масло, то на валу червяка устанавливают маслоразбрызгивающие кольца (крыльчатки), которые и подают масло на червяк и колесо. В червячных редукторах V_ск>7... 10 м/с применяют циркуляционно-принудительную смазку, при которой масло от насоса через фильтр и холодильник подаётся в зону зацепления.

Для тяжелонагруженных приводов рекомендуется использовать червячные глобоидные редукторы, так как их несущая способность при тех же габаритах в 1,2—1,3 раза больше, чем червячных цилиндрических. Конструкция, габаритные и присоединительные размеры глобоидных редукторов регламентированы нормалью машиностроения МН 4228—63, содержащей типоразмеры с межосевыми расстояниями от 80 до 250 мм и передаточными числами от 9 до 60. Глобоидные редукторы в зависимости от межосевого расстояния изготавливаются либо в универсальном исполнении РГУ (межосевые расстояния 80, 100 и 120 мм), либо в исполнении с нижним расположением червяка с воздушным охлаждением (ребристый корпус) или без него (межосевые расстояния 150, 180, 210 и 250 мм). Фактические значения передаточных чисел глобоидных редукторов для межосевого расстояния от 80 до 250 мм следующие: 9,25; 11,75; 14,75; 18,5; 23,5; 29,5; 37,0; 47,0; 59,0. Задача повышения качества, надежности и долговечности изделий требует регламентации объективных критериев для их оценки.

Поэтому, если проанализировать некоторые проблемы изготовления, ремонта и эксплуатации глобоидных редукторов, можно заметить следующее:

- большие трудности, возникающие при сборке редуктора и получении требуемого пятна контакта в глобоидном зацеплении;

- повышенный нагрев редуктора,

- износ зубьев колеса и увеличенный боковой зазор в глобоидной передаче редуктора.

Решая задачу преодоления этого отставания, НТЦ "Редуктор", усовершенствовал технологию изготовления типовых редукторов путем применения в них модифицированных червячных передач (взамен глобоидных). Эти передачи более совершенны по своим свойствам, так как при их изготовлении используются новейшие результаты научных исследований области зубчатых зацеплений, обеспечивающие им:
- высокую точность, простоту сборки, плавность работы, присущие цилиндрическим червячным передачам;
- сохранение повышенного коэффициента перекрытия зацепления, как у глобоидных передач.
Введение в технологические процессы изготовления таких передач чистовых и отделочных операций, применение более качественных материалов, позволяют добиваться существенного повышения их работоспособности и долговечности. При этом, наиболее существенный эффект дают работы по модификации зубьев червячных передач редукторов и усовершенствованию технологии их обработки. Речь идет, прежде всего, об оптимизации расположения начального пятна контакта в зацеплении, а также параметров модификации поверхностей витка червяка и зубьев колеса.
Эти технологические нововведения дают усовершенствованным редукторам важные эксплуатационные преимущества перед редукторами, изготавливаемыми по упрощенным технологиям:
- повышенный КПД (более чем на 7%);

- пониженный нагрев редуктора;

-пониженный темп износа зубьев передачи;
- повышенная долговечность редуктора (более чем в 1,6 раза);
- возможность ввода редуктора в эксплуатацию сразу под полную нагрузку, т.е. без его ступенчатой приработки.

Сложные задачи повышения эксплуатационных характеристик редукторов (таких как долговечность, точность, износостойкость) в сочетании со снижением их веса, в необходимых случаях, решаются нами также путем применения специальных передач с вогнутым профилем витков червячного вала (червяк типа ZT по ГОСТ19036-94).

Конструктивные отличия этой передачи от эвольвентной показаны на рис. Основные эксплуатационные преимущества передачи ZT:

- повышенная долговечность, в 2...3 раза; - повышенный КПД, на 10...30%, и экономия электроэнергии;

- эффект безызносности, а поэтому повышенная эксплуатационная точность;

- способность воспринимать повышенные нагрузки, в 1,4...2,0 раза (при сохранении эффекта безызносности), а поэтому возможность более надежной работы в интенсивных режимах эксплуатации;

- возможность уменьшить вес редуктора, в 1,3...1,5 раза (при неизменных нагрузках).

С целью увеличения срока службы редуктора, улучшения динамики работы НТЦ "Редуктор" разработал специальную червячную передачу, конструкция которой позволяет производить регулировку ее бокового зазора (вплоть до полного устранения зазора) как на этапе изготовления редуктора, так и в ходе его длительной эксплуатации (см. рис).

Редукторы червячные одноступенчатые имеют скрещенные под прямым углом оси валов (входных и выходных). Редукторы червячные двухступенчатые имеют параллельное расположение осей валов (входных и выходных). Сами валы находятся в разных горизонтальных плоскостях.

Применение червячных передач.

Червячные передачи во избежание их перегрева предпочтительно использовать в приводах периодического (а не непрерывного) действия.

Червячные передачи различают по числу витков (заходов) червяка- одно, двух, трех- и многозаходные;

по расположению вала червяка относительно червячного колеса с верхним, нижним и боковым расположениями.

Условия и области применения червячных редукторов:

1. Температурный диапазон окружающей среды от - 40 до +40 С.

2. Максимально допустимая температура поверхности редуктора 135 С.

3. Редукторы хорошо себя зарекомендовали в машиностроении, металлургии и в составе конвейеров (ленточных, цепных, роликовых), подъемных устройств, экструдеров, приводов летучих пил и ножниц, приводов транспортирующих тележек, приводов поворотных механизмов, приводов ходовых винтов.

Комбинированные редукторы.

Комбинированные редукторы представляют собой сочетание зубчатых (цилиндрических и конических) и червячных передач, например, коническо-цилиндрический или червячно-цилиндрический редукторы и т.п. При выборе того или иного типа редуктора необходимо, прежде всего, опираться на данные нагрузки – усилия, масса, момент инерции, время работы, количество включений в час.

По числу пар передач редукторы делятся на одноступенчатые и многоступенчатые.

Одноступенчатый цилиндрический редуктор обычно применяют при передаточном числе u ≤ 7. Одноступенчатый редуктор наиболее прост и надежен в работе. Он применяется для мощностей до 40 кВт. Из редукторов данного вида наиболее распространенным является – горизонтальный. Корпуса чаще выполняют литыми чугунными, реже сварными алюминиевыми. При серийной производстве целесообразно применять литые корпуса. Валы монтируют на подшипниках качения или скольжения. Подшипники скольжения обычно применяют в тяжелых редукторах. Для удобства совместной компоновки привода (абсолютным расположением двигателя и рабочего вала приводимого в движение устройства и т.д.), отдают предпочтение либо горизонтальной, либо вертикальной схеме редуктора.

Двухступенчатые цилиндрические редукторы обычно применяются при передаточных числах u ≤ 40. Первая (быстроходная) ступень редуктора во многих случаях имеет косозубые колеса; тихоходная ступень может быть выполнена с прямозубыми колесами. Не менее часто применяют редукторы, у которых обе ступени имеют колеса одинакового типа (прямозубые, косозубые и шевронные). Наиболее распространены двухступенчатые горизонтальные, выполненные по развернутой схеме. Эти редукторы отличаются простотой, но из-за несимметричного расположения колес на валах повышается концентрация нагрузки по длине зуба. Поэтому в этих редукторах следует применять жесткие валы.

Трехступенчатый цилиндрический редуктор обеспечивает передаточное число u ≤ 150 и выше. Достоинство данной схемы симметричное расположение зубчатых колес всех ступеней.

Коническо-цилиндрический двухступенчатый редуктор – это разновидность редуктора по конструктивному выполнению рабочих элементов. Он, как и все редукторы, предназначен для изменения скорости вращения при передачи вращательного движения от одного вала к другому валу. Именно редукторный привод один из наиболее распространенных видов приводов нынешних механических систем общепромышленного применения. В таких редукторах коническая пара может иметь прямые, косые или криволинейные зубья. Цилиндрическая пара также может быть либо прямозубой, либо косозубой.

Цилиндрически – червячные двухступенчатые редукторы серийно изготовляемые у нас в стране могут иметь передаточное отношение от 16 до 630; частота вращения выходного вала может быть от 3 до 94 об/мин; номинальный крутящий момент – от 8 до 3000 Н∙м.