какой механизм называется редуктором
Редуктор. Виды и устройство. Применение и работа. Особенности
Редуктор – механическое преобразовывающее устройство, предназначенное для передачи крутящего момента с изменением его направления, скорости и тяговой силы в зависимости от необходимого значения. В классическом исполнении состоит из шестерен разного диаметра. В зависимости от соотношения размера ведущей и ведомой зубчатки может ускорять крутящий момент на ведомом валу, или наоборот делать его более медленным, но тяговым.
Что такое редуктор, как он работает, зачем используется
Механические редукторы позволяют взаимообратно изменять угловую скорость и крутящий момент. Эти величины выражаются передаточным отношением. Так, крутящий момент на входе в механизм редуктора выше, чем при выходе. При этом угловая скорость после прохождения устройства получается выше. Именно механизм такого типа обычно и подразумевается под определением «редуктор». Передаточное число данного устройства всегда больше единицы.
Также существует понятие «повышающих редукторов». Под ним подразумеваются устройства противоположного направления действия, которые способны повышать прикладываемое усилие. Такой термин не применяется в официальной литературе, однако в ГОСТах используется понятие «повышающая передача», образование которой и подразумевает использование механизма такого типа.
Сам механизм простейшего редуктора подразумевает сцепление двух шестерней разного диаметра. Ведущая, на которую оказывается вращательное усилие, имеет меньший диаметр, а ведомая больший. К примеру, если в последней количество зубцов выше в 2 раза, то если первая сделает один оборот вокруг своей оси, то соединенная с ней ведомая обернется только наполовину. При этом тяговая способность на ее валу повысится в 2 раза, против того, что выдает источник вращения.
В целом механизм классического редуктора состоит из таких деталей:
В конструкции может предусматриваться не два, а больше шестерен. Более сложные могут иметь возможность переключения ведомых элементов, чтобы получать на выходе крутящий момент с определенной изменяемой мощностью и угловой скоростью. По этому принципу работает коробка переключения передач автомобиля. Также в конструкции редуктора может предусматриваться система смазки или принудительного охлаждения.
Чтобы редуктор мог работать, важно, сцепление ведомого, ведущего и промежуточных элементов между собой. Для этого у них предусматриваются одинаковые зубья. Они идентичны по размеру, форме и шагу.
В качестве источника крутящего момента редуктора может применяться двигатель внутреннего сгорания, лопасти ветряка, гидростанции, электромотор или приводная ручка. Развиваемое ими усилие может быть недостаточным для конкретного подключенного механизма, или же ему недостает скорости. В таком случае применяются редукторы с необходимым передаточным числом.
При использовании редукторов всегда повышение скорости сопровождается снижением мощности крутящего момента и наоборот. В связи с этим важно высчитать необходимые значения передаточного числа для конкретного потребителя. Передаточное число редуктора рассчитывается в результате деления количества зубьев ведомой шестерни на ведущей. К примеру, у устройства со значениями 40 и 20 зубьев, оно составляет 2.
К примеру, если требуется использовать мотор для подъема груза путем намотки троса на барабан, то требуется невысокое вращение с малым крутящим моментом. В такой ситуации используется редуктор. Он меняет выходные характеристики, создавая оптимальный баланс между мощностью и скоростью. Хорошо эту ситуацию показывает пример велосипеда. Его звездочки соединенные роликовой цепью являются примером простого редуктора. Однако за счет того, что связка между ними происходит через цепь, то они имеют одинаковое направление вращения. Так, велосипедист выдает ограниченную мощность. Меняя сочетание ведомых звездочек при переключении передач, он может регулировать нагрузку при вращении педалей. Чем на большую ведомую звездочку выполняется переход, тем быстрее едет велосипед, но при этом крутить педали становится сложнее.
Виды редукторов
В современных механизмах применяют различные типы редукторов. Их классификация выполняется по нескольким параметрам:
Все эти параметры являются важными составляющими, которые нужно учитывать при подборе редуктора для решения конкретных задач. Одни механизмы склонны к нагреву при высоких оборотах, другие меняют угол передачи крутящего момента, третьи отличаются компактностью и т.д.
Типы передачи
По типу передачи выполняется разделение редукторов на 4 вида:
Червячный тип
Состоит из червячного вала с винтовой накаткой, подобной резьбе, и зубчатого колеса с косыми зубами. С его помощью выполняется увеличение крутящего момента с уменьшением количества оборотов привода. Червячные редукторы получили распространение в разных сферах. К примеру, их устанавливают на привод автоматических ворот, станки по обработке металлов, электроподъемники. Устройство отличается приемлемым КПД. Оно встречается как в компактном исполнении, так и в виде больших промышленных механизмов. Размер редуктора влияет сугубо на механическую прочность. Перегрузка компактного механизма приводит к деформации вала или повреждению зубьев на шестерни. Чем крупнее редуктор, тем ниже такая вероятность.
Червячные редукторы отличаются сравнительно низким уровнем шума. Они имеют эффект самоторможения. При прекращении вращения они быстро останавливаются, а не оборачиваются по инерции. Специфика использования червячных редукторов заключается в том, что в них приводной вал располагается под прямым углом относительно ведомого. Это обусловлено особенностью стыковки червячного винта с шестерней.
Цилиндрический
Состоит только из шестерен в корпусе, насаженных на валы. За счет этого направление передачи крутящего момента не изменяется, как в червячном механизме. Устройства этого типа могут применяться как для повышения, так и снижения крутящего момента. Зачастую в их конструкции применяются промежуточные шестерни, чтобы пройти более точную коррекцию передаточного числа.
Чтобы зубчатые редукторы были действительно эффективными, в них применяется набор шестерен, расположенных ступенями. Такие устройства называют ступенчатыми. Первая пара выполняет преобразование крутящего момента в одно значение, после нее оно передается с другим и т.д. Естественно подобные сложения всегда влекут за собой снижение надежности и простоты ремонта. Подобные устройства могут иметь различные габариты, даже весьма компактные, несмотря на большой набор деталей
Планетарный редуктор
Имеет существенные отличия от обычного зубчатого и червячного. Его особенность в соосности входящего и выходящего потока мощности. Внутри корпуса редуктора имеются зубья. Данная деталь называется корончатая шестерня. Это обеспечивает сцепку с тремя, четырьмя или более сателлитными зубчатками. Те в свою очередь соединяются между собой водилом. При вращении они раскручивают центральную шестерню, называемую солнечной.
Существуют различные конфигурации планетарного редуктора, у которых в качестве опорного звена применяется:
На практике можно использовать в качестве ведущего и ведомого любое звено планетарного редуктора. Однако в зависимости от применяемого варианта, рабочие качества механизма меняются. Такие устройства используются на гусеничной технике, грузовых машинах, больших лебедках, в конструкции автомобильного стартера.
Реверсивное движение
Специфика механики работы редуктора подразумевает, что при раскручивании ведущей шестерни в одну сторону, ведомая вращается в противоположную. Во многих случаях это не имеет никакого значения, или решается дальнейшей модернизацией механизма, принимающего передаваемый крутящий момент.
Если реверсивное движение является неприемлемым, для решения этой проблемы редуктор предусматривает промежуточную шестерню. Она сцепляется с ведущей, и в результате воздействия оборачивается в противоположном направлении. После этого уже в паре с ведомой крутит ее наоборот. Таким образом, направление вращения на выходе с редуктора получается такое же, как и на входе.
Применение промежуточной шестерни никак не влияют на конечное передаточное число, при условии их правильного расчета. Также при корректировке на них количества зубьев, можно менять фактические параметры редуктора, уменьшая ведомую зубчатку для компактности механизма.
Нередко в конструкции редукторов можно встретить целый ряд из промежуточных шестерен в непарном количестве, хотя на практике достаточно одной зубчатки. Увеличение их количества вызвано необходимостью удлинения передачи, к примеру, если требуется, чтобы ведомый вал расположился с большим выносом в сторону относительно ведущего.
Также в редукторах может использоваться увеличенное количество промежуточных шестерен разного размера с целью отбора от каждой из них крутящего момента с определенной угловой скоростью. Это требуется для функционирования вспомогательных механизмов. К примеру, с одной из зубчаток может сниматься вращение для работы маслонасоса принудительной смазки и т.д.
Кто в масле катается
Обзор основных классов механических редукторов
Иллюстрация: Яковлев Артем / edu.ascon.ru
Недавно европеец Оскар Ван Девентер напечатал на 3D-принтере редуктор с экстремально высоким передаточным числом — 11373076. В этом механизме изобретатель соединил два планетарных редуктора. При увеличении количества зубцов шестеренок, использованных в механизме, передаточное число можно увеличить и до 1141624705. Чем такой редуктор может быть полезен, Ван Девентер не объяснил, рассказав только, что при его помощи обычной стоматологической бормашиной можно сдвинуть локомотив. Правда, с очень небольшой скоростью. Вдохновившись разработкой европейца мы решили разобраться в основных типах механических редукторов.
Редуктор представляет собой механизм, позволяющий передавать и преобразовывать крутящий момент с одного вала на другой. Если такой механизм преобразует высокую угловую скорость ведущего вала в более низкую ведомого, его называют демультипликатором, а если наоборот — мультипликатором. Впрочем, так сложилось, что термин демультипликатор используется крайне редко, а устройство, понижающее угловую скорость, называют просто редуктором. В зависимости от типа такой механизм может состоять из нескольких типов шестерен, червяков и валов.
Основными характеристиками редукторов являются передаваемая мощность, угловые скорости и количество валов, а также передаточное число. Любые редукторы уменьшают передаваемую мощность за счет потерь на механическую передачу крутящего момента — из-за трения, массивности конструкции, нагрузок на валах. Угловые скорости на ведущем валу и ведомом могут различаться в десятки, сотни и тысяч раз благодаря передаточному числу редуктора.
Передаточным числом называется соотношение количества зубьев шестеренки на ведущем валу к их числу у шестеренки на ведомом. Оно записывается целым или дробным числом и фактически обозначает, сколько именно раз должен провернуться ведущий вал, чтобы ведомый совершил один полный оборот. В случае с редуктором Ван Девентера, ведущий вал необходимо повернуть 11 миллионов 373 тысячи 76 раз. Только тогда ведомый вал совершит один полный оборот.
В целом редукторы позволяют увеличить усилие на ведомом валу, при этом потратив часть мощности на ведущем и уменьшив скорость вращения. Эту особенность используют тогда, когда необходимо работать с большими нагрузками, например, при помощи относительно маломощного мотора приводить в движение большой по массе транспорт. Например, двигатель седельного тягача КамАЗ-65225 мощностью 400 лошадиных сил может через коробку передач (многоступенчатая разновидность редуктора) сдвигать автопоезд полной массой до 75 тонн.
Сегодня редукторы используются во многих отраслях: на автомобилях, в самолетах и вертолетах, в поездах, станках, велосипедах, то есть везде, где нужно передавать вращательный момент с одного агрегата на другой. Механизмы, позволяющие передавать крутящий момент с одного вала на другой, принято делить на пять наиболее распространенных основных классов: цилиндрические, конические, червячные, планетарные и комбинированные. В последних могут сочетаться несколько типов редукторов.
Иллюстрация: Чабанный Александр / edu.ascon.ru
Цилиндрический редуктор представляет собой механизм, в котором ведущий вал и ведомый находятся в параллельных плоскостях. Передача в них осуществляется с большей шестеренки с прямыми или косыми зубцами на меньшую, по своей форме напоминающую цилиндр. Такие редукторы делятся на несколько подтипов: вертикальные (валы находятся друг над другом) и горизонтальные. Цилиндрические редукторы бывают одно-, двух-, трех- и четырехступенчатыми в зависимости от количества шестерен, установленных между ведущим и ведомым валами.
Цилиндрические редукторы имеют очень высокий коэффициент полезного действия, который может достигать 98 процентов, то есть потеря мощности при передаче вращательного момента с одного вала на другой будет относительно небольшой. Благодаря высокому коэффициенту полезного действия в цилиндрических редукторах практически отсутствует эффект рассеивания передаваемой энергии, а значит рабочие элементы редуктора практически не нагреваются.
Такие механизмы используются преимущественно в различных металлорежущих станках, станках для обработки древесины, измельчителях и бетономешалках, на мельницах. Цилиндрические редукторы малочувствительны к рывковым нагрузкам, выдерживают большое количество пусков и остановок. При этом они лишены самоторможения, то есть, приложив определенное усилие на ведомый вал, можно провернуть ведущий. При этом конструкция таких редукторов достаточно шумная, а сами они обладают низким передаточным числом.
Иллюстрация: Manuel Neuer / grabcad.com
Конический редуктор используется для передачи вращательного момента с ведущего вала на ведомый в случае, если плоскости их осей пересекаются. В них используются конические шестеренки. Такие механизмы имеют меньшую надежность по сравнению с цилиндрическими, но обладают довольно высоким коэффициентом полезного действия, который может достигать 95 процентов. Благодаря конической конструкции шестерен таких редукторов, они могут иметь несколько выходных валов, оси вращения которых, например, можно расположить в виде креста.
В современных конических редукторах как правило используется колесное соединение — внутри них на концах валов установлены конические шестеренки, которые своими конусами опираются на другую шестеренку. Плоскость последней находится в одной плоскости с плоскостями осей валов. В этом случае, если колесное соединение одно, ведомый и ведущий валы будут вращаться в одном направлении. Конические редукторы нередко используются для изменения направления передачи.
Как правило диапазон передаточных чисел в конических редукторах составляет от одного до пяти, но углы наклона оси ведомого вала к ведущему могут быть самыми разнообразными. Такие механизмы, как и цилиндрические, чаще всего используются в различных станках, например, сверлильных. Как и цилиндрические, конические редукторы обратимы, то есть вращая их ведомый вал, можно провернуть ведущий. Однако, из-за особенностей своей конструкции, конические редукторы могут иногда заедать.
Иллюстрация: Исаков Сергей / edu.ascon.ru
Червячные редукторы получили название от типа используемой в них передачи. В самом простом исполнении эти механизмы состоят из червячного колеса (шестеренки с косыми зубцами) и самого червяка. Последний представляет собой цилиндр с нанесенной на него резбой, которая при вращении напоминает червяка. В таком редукторе ведущий вал приводит в движение червяка, резьба которого сдвигает косые зубья червячного колеса, заставляя его вращаться.
Редукторы с червячной передачей придумали как альтернативу механизмам с обыкновенной зубчатой передачей, например, цилиндрическим. Они обладают гораздо меньшими размерами, но имеют большее передаточное число. Например, при двухзаходном червяке (имеет две параллельных резьбы) и червячном колесе с сотней зубьев передаточное число составит 50. Это означает, что ведущий вал должен будет совершить 50 полных оборотов, чтобы ведомый вал повернулся один раз.
Червячные редукторы имеют очень высокий коэффициент самоторможения. Это означает, что приложив усилие к ведомому валу провернуть ведущий скорее всего не удастся. Кроме того, червячные редукторы имеют относительно невысокий коэффициент полезного действия (от 70 до 92 процентов) и крайне чувствительны к смазке. Их используют для передачи малой мощности в условиях, когда нет достаточного места для размещения цилиндрического или конического редукторов. Чаще всего червячные редукторы используют для привода конвейеров или ворот.
Иллюстрация: Филимонов Илья / edu.ascon.ru
Планетарный редуктор — это уже более сложное механическое устройство, получившее свое название из-за способа размещения ведущей, передаточных и ведомой шестерен. Механизм состоит из солнечной шестерни, расположенной в центре конструкции, сателлитов (меньших шестеренок) и эпицикла (коронной шестерни), расположенной на периферии. Вращение коронной шестерни осуществляется солнечной через сателлиты. Последние механически соединяются водилом, кольцом со штырями, на которые и крепятся сателлиты.
Особенностью планетарного редуктора является то, что вращение можно подводить к любому из его элементов и снимать с любого другого. При этом третий элемент необходимо остановить. Например, вращение можно подвести к одному из сателлитов, а снимать его с коронной шестерни. В этом случае солнечная шестерня должна быть неподвижной. При подведении вращения к солнечной шестерне и снятия его с коронной в редукторе неподвижным остается водило. В некоторых редукторах водила нет.
Благодаря изменению схемы подвода и снятия вращения можно не меняя сам редуктор изменять его передаточные числа в очень широком диапазоне. Именно по этой причине, планетарные редукторы, пожалуй, могут иметь наибольшие передаточные числа среди таких механизмов других классов. Коэффициент самоторможения у планетарных редукторов зависит от их передаточного числа, но при вращении ведомого вала все же можно добиться и вращения ведущего.
Планетарные редукторы коробки переключения передач во втулке заднего колеса велосипеда.
Что такое редуктор
Помещенную в отдельном корпусе зубчатую или червячную передачу называют редуктором. Его прямое назначение – увеличение крутящего момента при сниженной частоте вращения. Редуктор от двигателя передает увеличенный крутящий момент на оборудование, которые приводится в действие мотором.
Устройство редуктора имеет простую конструкцию и включает такие рабочие элементы:
В зависимости от типа механической передачи существуют разные типы редукторов, которые применяются в разных отраслях промышленности: в металлургии, строительстве, нефтегазовой отрасли, в грузоподъемных механизмах и обрабатывающих машинах. Область применения редукторов неограниченная. Это связано с большим разнообразием конфигураций редукторов, которые можно классифицировать по различным признакам: по типу используемой передачи, по назначению.
Виды редукторов
При выборе механизма и для оценки его рабочих параметров применяют такие технические характеристики редуктора:
Существуют редукторы с разным числом ступеней, работающие с одной или несколькими передачами: многоступенчатые, двухступенчатые и одноступенчатые. Различие в конструкции таких редукторов заключается в параллельном размещении осей валов. Ступенью принято считать одну пару зубчатые колес, которые и являются передачей, обеспечивающей преобразование крутящего момента и частоты вращения. Количество ступеней в редукторе приравнивается к количеству валов, уменьшенному на один.
В зависимости от технических характеристик и особенностей конструкции выделяют разные виды редукторов: механические и турбинные.
Механические редукторы предназначены для уменьшения количества оборотов двигателя с одновременным повышением крутящего момента, который обеспечивает привод в промышленном оборудовании. Простейший пример редуктора – пара цилиндрических шестеренок, которые взаимодействуют, цепляясь зубьями. В таком случае ведущим колесом выступает шестеренка меньшего диаметра, а ведомой – большая.
Турбинные редукторы косозубной передачи представляют собой модульную конструкцию в чугунном корпусе. Принцип работы механизма заключается во взаимодействии косозубной шестерни и турбинного колеса. Универсальность конструкции позволяет обеспечить точный показатель крутящего момента и использовать данный тип редуктора на любых промышленных установках. Механизм работает тихо, имеет низкую себестоимость и позволяет максимально снизить затраты на обслуживание.
Мотор-редуктор
Мотор-редуктор совмещает в одном корпусе механический узел и электрический двигатель. Такой тип редуктора отличается небольшими габаритами, занимает минимум пространства, прост в монтаже и обслуживании, а также имеет высокий показатель коэффициента полезного действия. Мотор-редуктор незаменим для работы промышленного оборудования, где нужно обеспечить низкую скорость вращения. К такому оборудованию относится строительная техника, бетономешалки, конвейеры, элеваторы, дозаторы.
В зависимости от способа монтажа в промышленных машинах может быть использован: горизонтальный, вертикальный, наклонный или угловой редуктор.
Горизонтальные применяют в промышленных машинах, они выдерживают высокие рабочие нагрузки, имеют широкий диапазон крутящего момента и передаточного числа, высокий показатель КПД и низкую стоимость. Тип сцепления шестеренок в таком механизме может быть косозубным, прямозубным или шевронным.
Вертикальные используются в подъемных механизмах, устойчивы к нагрузкам переменного типа и вращаются в любом направлении, обеспечивая реверс.
Угловые модели позволяют изменить направление движения вращающегося вала под заданным углом. При этом число оборотов может оставаться неизменным или уменьшаться в несколько раз.
Типы редукторов
Типы редукторов в соответствии с классификацией по ГОСТу классифицируют по типу механической передачи и выделяют:
Учитывая технические характеристики редуктора каждого типа рассмотрим их принцип действия и особенности более детально.
Цилиндрический редуктор
Планетарный редуктор
Планетарный редуктор работает на основании передачи крутящего момента планетарным способом. Планетарная передача предполагает наличие солнечной шестерни, расположенной в центре, коронной шестерни на периферии, а также сателлитов и водила. Три сателлиты располагаются между коронной и солнечной шестеренками. Водила соединяет между собой сателлиты, которые вращаются на его осях. Крутящий момент во время движения будет увеличен во столько раз, во сколько меньше число зубьев на солнечной шестеренка в сравнении с коронной.
Конический редуктор
Конический редуктор обеспечивает передачу вращательного движения с одного вала на другой при помощи зубчатой передачи и муфт. Механизм незаменим в тех случаях, когда конструктивно требуется расположить ведомый и ведущий валы в перпендикулярном положении относительно друг друга. Показатель крутящего момента и угловая скорость регулируются при помощи изменения размеров зубчатых колес или муфты. Существуют узкие и широкие типы конических редукторов. Механизм имеет в сравнении с цилиндрическим меньший КПД и более частое заедание зубьев во время движения.
Червячный редуктор
Червячный редуктор за счет уникальной конструкции допускает вращение вала в разные стороны. Такая особенность вызывает перегрев при повышенных нагрузках, самоторможение и заедание, поэтому механизм должен эксплуатироваться при средней загруженности, не доходя до граничных показателей мощности.
Среди преимуществ выделим высокий показатель КПД до 94%, большое передаточное число при использовании одной ступени, отсутствует шум во время движения и устойчивость к неблагоприятным условиям работы.
Волновой редуктор
Волновой редуктор конструкционно отличается от других типов и включает неподвижное зубчатое колесо, гибкий элемент с зубьями и генератор волны в центре механизма. Во время вращения внутреннего элемента, гибкая шестеренка зубьями одновременно захватывает несколько зубьев зафиксированной шестерни, что создает высокую жесткость при малых люфтах. Механизм обеспечивает высокое передаточное число, имеет компактные размеры, высокая точность кинематики и плавный ход, устойчивость к повышенным рабочим нагрузкам.
Сферы применения редукторов
Редукторы применяются в тех случаях, когда в рабочем механизме требуется изменить показатель угловой скорости вращения, передающегося от привода, а также в случае, когда нужно повысить крутящий момент. В зависимости от специфики техники, где требуется использование данного механизма, применяют разные виды редукторов. Мотор-редуктор устанавливается на строительную и землеройную технику, применяется на цементных заводах, используется в машинах горнодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности и в других сферах.
Червячный редуктор незаменим в механизмах, требующих обеспечения плавного движения. Такое устройство используется в лифтах, строительной технике и насосах. Во время работы достигается нужный показатель увеличения крутящего момента без создания лишнего шума во время движения рабочих узлов.
Цилиндрический редуктор наиболее распространен и применяется практически во всех сферах промышленной деятельности, включая машиностроение, робототехнику и строительство. Причиной такой популярности является высокий показатель КПД механизма и его экономичность во время эксплуатации и обслуживания.
Конический редуктор используется в машиностроении в приводах, а также в станках. Наиболее удобен механизм для расположения в поворотных механизмах, где требуется размещение ведущего и ведомого валов перпендикулярно.
Рекомендации по выбору редуктора
Выбирая редуктор, нужно учитывать основы нетехнические характеристики узла и его совместимость с имеющимся оборудованием, на которое он будет установлен. Детальная техническая характеристика и кинематическая схема редуктора предоставляются каждым производителем, чтобы обеспечить потребителя нужной информацией о принципе действия механизма и его особенностях.
Во время выбора редукторов учитывается:
Подбор нужного редуктора сводится к математическим расчетам предполагаемой рабочей нагрузки и условий эксплуатации агрегата. Учитывая указанные в технической документации параметры, выбор осуществляется поэтапно:
Чтобы не выполнять математические расчеты и исключить вероятность ошибки, можно воспользоваться помощью специалистов. Любая ошибка в вычислениях приведет неизбежному выходу из строя редуктора или работающего вместе с ним оборудования, что повлечет за собой затраты на дорогостоящий ремонт. Только детальные расчеты, соблюдение правильного поэтапного подхода к выбору агрегата поможет сохранить его работоспособность длительное время и исключить преждевременный выход из строя.