Тихоходный и быстроходный вал что это

3.1 Определение геометрических параметров ступеней валов

Редукторный вал представляет собой ступенчатое цилиндрическое тело, количество и размеры ступеней которого зависят от количества и размеров установленных на вал деталей.

3.1.1 Быстроходный вал

Диаметр вала под шкив

где Т_К=45Нм – крутящий момент на валу

Учитывая стандартный ряд размеров, принимаем d₁=24мм

Длина участка под шкив

Диаметр вала под подшипник

где t=2,8мм – высота буртика для данного диаметра

Учитывая стандартный ряд размеров, принимаем d₂=30мм

Длина участка равна:

Диаметр вала под шестерню

где r=2,2мм – координата фаски подшипника

Учитывая стандартный ряд размеров, принимаем d₃=38мм

Длина участка определяется из построения.

3.1.2 Промежуточный вал

Диаметр вала под подшипник определяем по формуле

где Т_КР=174,5Нм – вращающий момент

Учитывая стандартный ряд размеров, принимаем d₂=30мм

Диаметр вала под шестерню равен

где r=2,4мм – координата фаски подшипника

Учитывая стандартный ряд размеров, принимаем d₃=38мм

3.1.3 Тихоходный вал

Диаметр вала под звездочку

где Т_КР=846,2Нм – крутящий момент на валу

Учитывая стандартный ряд размеров, принимаем d₁=45мм

Длина участка под полумуфту равна

Диаметр вала под подшипник

где t=3,2мм – высота буртика для данного диаметра

Учитывая стандартный ряд размеров, принимаем d₂=55мм

Длина участка равна:

Диаметр вала под колесо равен:

где r=2,6мм – координата фаски подшипника

Учитывая стандартный ряд размеров, принимаем d₃=65мм

Длина участка определяется из построения.

3.1.4 Приводной вал

Диаметр вала под полумуфту

где Т_КР=836Нм – крутящий момент на валу

Учитывая стандартный ряд размеров, принимаем d₁=45мм

Длина участка под полумуфту равна

Диаметр вала под подшипник

где t=3,2мм – высота буртика для данного диаметра

Учитывая стандартный ряд размеров, принимаем d₂=55мм

Длина участка равна:

Диаметр вала под звездочку равен:

где r=2,6мм – координата фаски подшипника

Длина участка определяется из построения.

3.2 Предварительный выбор подшипников качения.

Выбор наиболее рационального вида и типа подшипника для данных условий работы редуктора весьма сложен и зависит от ряда факторов: передаваемая мощность редуктора, типа передачи, соотношение сил в зацеплении, частоты вращения внутреннего кольца подшипника, требуемого срока службы, схемы установки.

По рекомендации [1] для незначительной осевой силы стр.107 для быстроходного вала применяем радиальные шарикоподшипники легкой серии 206 ГОСТ 8338-81.

Схема установки подшипников «враспор»

Для промежуточного вала применяем радиальные шарикоподшипники средней серии 306 ГОСТ 8338-81.

Схема установки подшипников «враспор»

Для тихоходного вала применяем радиальные шарикоподшипники средней серии 311 ГОСТ 8338-81.

Схема установки подшипников «враспор»

Для приводного вала применяем радиальные шарикоподшипники средней серии 311 ГОСТ 8338-81.

Схема установки подшипников «враспор»

3.3 Эскизная компоновка редуктора.

Эскизная компоновка устанавливает положение колес редукторной пары, элементами открытой передачи и муфты относительно опор подшипников определяет расстояние между точками приложения реакций подшипников быстроходного, тихоходного, промежуточного валов, а также точки

приложения силы давления элемента открытой передачи и муфты.

По известным геометрическим размерам зубчатых передач а_{w ,} d_a1, d_a2, b_1, b_2, диаметры валов и подшипников (определенных при проектном расчете).

Для предотвращения заедания поверхностей колес за внутренние стенки корпуса, контур стенок провести с зазором x=8…10мм; такой же зазор предусматриваем между (стр.111 [1]) подшипниками и контуром стенок.

Расстояние у между дном корпуса и поверхностью колес принимаем из условия

Вычерчиваем ступени вала на соответствующих осях по размерам d и L, полученных в проектном расчете валов (табл.16).

Ступени начинаем вычерчивать стой, на которой установлена шестерня, длина этой ступени получается конструктивно.

Ступени валов под подшипники вычерчивается соответственно размерам подшипника d, D, В.

Определяем расстояние L_б, L_п, L_т между точками приложения реакций подшипников валов.

Радиальную реакцию подшипника R считаем приложенной в точке пересечения нормали к середине поверхности контакта наружного кольца и тела качения подшипника с осью вала.

Для радиальных подшипников точка приложения реакции лежит в средней плоскости подшипника.

Справочная информация по выбору редуктора

Редукторы (латинского слова reductor) получили широкое распространение во всех отраслях промышленного и аграрного хозяйства, поэтому их производство с каждым годом увеличивается, появляются новые модификации, совершенствуются уже существующие модели.

Редуктор служит для снижения частоты вращения тихоходного вала и увеличения усилия на выходном валу. Редуктор может иметь одну или несколько ступеней, цель которых увеличение передаточного отношения. По типу механической передачи редукторы могут быть червячными, коническими, планетарными или цилиндрическими. Конструктивно редуктор выполнен как отдельное изделие, работающее в паре с электродвигателем и установленное с ним на одной раме.

Промышленностью сегодня выпускаются редукторы общего и специального назначения.
Редукторы общего назначения могут применяться во многих случаях и отвечают общим требованиям. Специальные же редукторы имеют нестандартные характеристики подходящие под определенные требования.

Классификация, основные параметры редукторов

В зависимости от типа зубчатой передачи редукторы бывают цилиндрические, конические, волновые, планетарные, глобоидные и червячные. Широко применяются комбинированные редукторы, состоящие из нескольких совмещенных в одном корпусе типов передач (цилиндро-конические, цилиндро-червячные и т.д.).

Конструктивно редукторы могут передавать вращение между перекрещивающимися, пересекающимися и параллельными валами.
Так, например цилиндрические редукторы позволяют передать вращение между параллельными валами, конические — между пересекающимися, а червячные — между пересекающимися валами.

Общее передаточное число может достигать до нескольких десятков тысяч, и зависит от количества ступеней в редукторе. Широкое применение нашли редукторы, состоящие из одной, двух или трех ступеней, при чем они могут, как описывалось выше, совмещать разные типы зубчатых передач.

Ниже представлены наиболее популярные виды редукторов, серийно выпускаемые промышленностью.

Цилиндрические редукторы

Цилиндрические редукторы являются самыми популярными в машиностроении. Они позволяют передавать достаточно большие мощности, при этом КПД достигает 95%. Вращение передается между параллельными или соосными валами. Передаваемая мощность зависит от типоразмера редуктора. В цилиндрических редукторах применяются передачи, состоящие из прямозубых, косозубых или шевронных зубчатых колес. Количество цилиндрических передач напрямую влияет на передаточное отношение. Например, одноступенчатый редуктор может иметь передаточное число 1,5 до 10, две ступени — от 10 до 60, а три ступени — от 60 до 400.

Кинематические схемы наиболее распространенных видов цилиндрических редукторов представлены на рисунке ниже:

А) — Простой одноступенчатый цилиндрический редуктор
Б) – Двухступенчатый редуктор цилиндрический с несимметричным расположением зубчатых колес
В) – Трехступенчатый цилиндрический редуктор, входной вал быстроходной передачи изготовлен с двумя шестернями
Г) – Соосный цилиндрический редуктор
Д) — Соосный цилиндрический редуктор с симметричным расположением опор относительно тихоходной передачи
Е) — Соосный цилиндрический редуктор с шевронной быстроходной передачей
Ж) — Соосный цилиндрический редуктор с раздвоенной передачей
З) — Соосный цилиндрический редуктор с посаженными на быстроходный вал двумя косозубыми шестернями с противоположенным наклоном зубьев
И) – Трехступенчатый цилиндрический редуктор с раздвоенной быстроходной и тихоходной передачей

Червячные редукторы

Червячные редукторы получили большую популярность в виду своей простоты и достаточно низкой стоимости. Из всех видов червячных редукторов наиболее распространены редукторы с цилиндрическими или глобоидными червяками. Как и многие другие типы редукторов червячные могут состоять из одной или нескольких ступеней. На одноступенчатом редукторе передаточное отношение может быть в пределах 5-100, а на двух ступенях может достигать 10000. Основными достоинствами редукторов червячного типа являются компактные размеры, плавность хода и самоторможение. Из недостатков можно отметить не очень высокий КПД и ограниченная нагружаемая способность. Основными элементами являются зубчатое колесо и цилиндрический червяк. Цилиндрический червяк представляет собой винт с нанесенной на его поверхности резьбой определенного профиля. Число заходов зависит от передаточного отношения, и может составлять от 1 до 4. Вторым основным элементом редуктора является червячное колесо. Оно представляет собой зубчатое колесо из сплава бронзы, количество зубьев также зависит от передаточного отношения и может составлять 26-100.

В ниже приведенной таблице представлена зависимость передаточного отношения от количества зубов колеса и заходов винта.

Кинематические схемы одноступенчатых червячных редукторов представлены ниже:

А) Редуктор с нижним расположением червяка
Б) Редуктор с верхним расположением червяка
В) Редуктор с боковым расположением червяка (ось червяка расположена горизонтально)
Г) Редуктор с боковым расположением червяка (ось червяка расположена вертикально)

Редукторы червячные двухступенчатые позволяют получить моменты в диапазоне 100 – 2800Нм. Конструкция представляет собой жесткую скрутку двух редукторов. Между собой редукторы соединены с помощью фланца. Цилиндрический вал первой ступени установлен в полый вал второй ступени.
Вариант расположения червячных пар представлен на рисунке ниже:

Расположение входного и выходного вала зависит от варианта сборки. Существуют следующие сборки: 11, 12, 13, 16, 21, 22, 23, 26.

Планетарные редукторы

Планетарные редукторы нашли широкое применение в тяжелом машиностроении, так как обладают рядом преимуществ перед редукторами другого типа. На редукторах планетарного типа можно получить достаточно большие передаточные числа, при этом габариты редуктора будут намного меньше чем у червячного или цилиндрического редуктора. Конструкция редуктора представляет собой планетарный механизм. Основными элементами редуктора являются сателлиты, солнечная шестерня, кольцевая шестерня и водило.

Внешний вид устройства планетарного редуктора представлен ниже:

А) сателлиты
Б) солнечная шестерня
В) водило
Г) кольцевая шестерня

Кольцевая шестерня планетарного редуктора находится в неподвижном состоянии, Вращение от входного вала передается на солнечную шестерню находящеюся в зацеплении со всеми сателлитами. Сателлиты вращаются внутри неподвижной кольцевой шестерни передавая энергию вращения на водило, а далее на выходной вал редуктора. Планетарный механизм может быть одно-, двух- и трехступенчатым, передаточное отношение зависит от количества зубьев на каждой шестерне.

Свое название планетарный редуктор получил благодаря тому, что зубчатые колеса вращаются подобно планетам солнечной системы. Планетарные редукторы могут быть одно-, двух- и трехступенчатыми. Передаточное отношение может быть в пределах 6 – 450. Редукторы планетарного типа обладают высоким КПД, и позволяют передавать большие мощности без потерь на нагрев. Для удобства монтажа планетарные редукторы выпускаются на лапах или на опорном фланце, а также возможен комбинированный вариант.

В настоящий момент на Российском рынке приводной техники пользуются популярностью редукторы серии 3МП и МПО.

Конические и цилиндро-конические редукторы

Конические и цилиндро-конические редукторы передают момент между пересекающимися или скрещивающимися валами. В редукторах применяются шестерни в виде конуса с прямыми или косыми зубами. Конические редукторы имеют большую плавность зацепления, что позволяет им выдерживать большие нагрузки. Редукторы могут быть одно-, двух- и трехступенчатыми. Большое распространение получили цилиндро-конические редукторы, где общее передаточное отношение может достигать 315. Быстроходный и тихоходный валы редуктора могут располагаться горизонтально и вертикально. По типу кинематической схемы конические и цилиндро-конические редукторы могут быть развернутые или соосные.

На рисунке ниже представлены кинематические схемы конических редукторов:

А) Реверсивный конический редуктор. Смена направления вращения достигается установкой зубчатого колеса с противоположенной стороны конической шестерни.

Б) Реверсивный конический редуктор. Конические шестерни вращаются в разных направлениях. Подключение тихоходного вала к одной из конических шестеренок происходит за счет кулачковой муфты.

В) Двухступенчатый коническо-цилиндрический редуктор. Быстроходный и тихоходный валы находятся под прямым углом в одной плоскости.

Г) Двухступенчатый коническо-цилиндрический редуктор. Входной и выходные валы перекрещиваются и лежат в разных плоскостях.

Д) Трехступенчатый коническо-цилиндрический редуктор. Быстроходный и тихоходный валы находятся под прямым углом в одной плоскости.

Е) Трехступенчатый коническо-цилиндрический редуктор. Промежуточная и тихоходная цилиндрическая передача собраны по соосной схеме.

Конические редукторы широко используются в изделиях, где требуются передать высокий момент под прямым углом. В отличие от червячных редукторов, конические редукторы не имеют быстро изнашиваемого бронзового колеса, что позволяет работать им в тяжелых условиях длительное время. Также важным отличием является обратимость, возможность передавать вращение от тихоходного вала к быстроходному валу. Обратимость позволяет разгрузить редукторный механизм в отличие от червячного редуктора, что позволяет использовать конический редуктор в установках с высокой инерцией.

Классификация редукторов в зависимости от вида передач и числа ступеней:

Конструкция и назначение редуктора

Механизм, служащий для понижения угловой скорости и одновременно повышающий крутящий момент, принято называть редуктором. Энергия вращения подводится на входной вал редуктора, далее в зависимости от передаточного отношения на выходном валу получаем пониженную частоту и увеличенный момент.

В состав редуктора в зависимости от типа механической передачи обычно входят зубчатые или червячные пары, центрирующие подшипники, валы, различные уплотнения, сальники и т.д. Элементы редуктора помещаются в корпус, состоящий из двух частей – основания и крышки. Рабочие механизмы редуктора при работе непрерывно смазываются маслом путем разбрызгивания, а в отдельных случаях применяется принудительный насос, помещенный внутрь редуктора.

Существует огромное количество различных типов редукторов, но наибольшую популярность получили цилиндрические, планетарные, конические и червячные редукторы. Каждый тип редуктора имеет свои определенные преимущества и недостатки, которые следует учитывать при конструировании оборудования. Основными же критериями для подбора редуктора являются определение необходимой мощности или момента нагрузки, коэффициента редукции (передаточного отношения), а также монтажного расположения источника вращения и рабочего механизма.

Особенности редукторов по виду механических передач

Мировой промышленностью выпускается огромное количество редукторов и редукторных механизмов различающихся по типу передачи, вариантам сборки и т.д. Рассмотрим основные типы механических передач, их особенности и преимущества.

Цилиндрическая передача – является самой надежной и долговечной из всех видов зубчатых передач. Данная передача применяется в редукторах, где требуется высокая надежность и высокий КПД. Цилиндрические передачи обычно состоят из прямозубых, косозубых или шевронных зубчатых колёс.

а) Прямозубая цилиндрическая передача

б) Косозубая цилиндрическая передача

в) Шевронная цилиндрическая передача

г) Цилиндрическая передача с внутренним зацеплением

Конические передачи – обладают всеми преимуществами цилиндрических зубчатых передач и применяются в случае перекрещивания входного и выходного валов.

а) Коническая зубчатая передача с прямым зубом

б) Коническая зубчатая передача с косым зубом

в) Коническая зубчатая передача с криволинейным зубом

г) Коническая гипоидная передача

Червячная передача – позволяет передавать кинетическую энергию между пересекающимися в одной плоскости валами. Основными преимуществами данной передачи является высокий показатель передаточного отношения, самоторможение, компактные размеры. Недостатками являются низкий КПД, быстрый износ бронзового колеса, а также ограниченная способность передавать большие мощности.

Гипоидная передача – она же спироидная состоит из конического червяка и диска со спиральными зубьями. Ось червяка значительно смещена от оси конического колеса, благодаря чему число зубьев одновременно входящих в зацепление в несколько раз больше чем у червячных передач. В отличие от червячной пары в гипоидной передаче линия контакта перпендикулярна к направлению скорости скольжения, что обеспечивает масленый клин и уменьшает трение. Благодаря этому КПД гипоидной передачи выше, чем у червячной передачи на 25%.

а) Червячная передача с цилиндрическим червяком

б) Червячная передача с глобоидным червяком

в) Спироидная передача

г) Тороидно-дисковая передача

д) Тороидная передача внутреннего зацепления

Волновая передача – прототипом является планетарная передача с небольшой разницей количества зубов сателлита и неподвижного колеса. Волновая передача характеризуется высоким показателем передаточного отношения (до 350). Основными элементами волновой передачи являются гибкое колесо, жесткое колесо и волновой генератор. Под действием генератора гибкое колесо деформируется и происходит зацепление зубьев с жестким колесом. Волновые передачи широко применяются в точном машиностроении благодаря высокой плавности и отсутствия вибраций во время работы.

1) Зубчатое колесо с внутренними зубьями

2) Гибкое колесо с наружными зубьями соединенное с выходным валом редуктора

3) Генератор волн

Количество ступеней редуктора

Число ступеней редуктора напрямую влияет на передаточное отношение. В червячных редукторах наиболее распространены одноступенчатые пары. Цилиндрические же редукторы, состоящие из одной ступени, применяются реже, чем двух- или трехступенчатые редукторы. В производстве редукторов все чаще применяются комбинированные передачи, состоящие из разных типов передач, например коническо-цилиндрические редукторы.

Входные и выходные валы редукторов

В редукторах обычно применяются обычные прямые валы, имеющие форму тел вращения. На валы редукторов действуют внешние нагрузки, консольные нагрузки и усилия преодоления зацеплений. Крутящий момент на валу определяется рабочим крутящим моментом редуктора или реактивным крутящим моментом привода. Консольная нагрузка определяется способом соединения редуктора с двигателем, зависит от радиального или осевого усилия на вал. В ряде машин, к которым предъявляются особые требования в отношении габаритов или веса используются редукторы с полым валом. Полый вал редуктора позволяет располагать вал исполнительного механизма внутри редуктора, тем самым отпадает необходимость использовать переходные полумуфты и т.п.

Срок службы редуктора

Срок службы редуктора зависит от правильных расчетов параметров действующей нагрузки. Также на длительность работы влияет своевременное профилактическое обслуживание редуктора, замена масла и сальников. Регулярный профилактический осмотр позволит избежать незапланированного ремонта или замену редуктора. Уровень масла контролируется через смотровое окно в редукторе и при необходимости доливается до нужного уровня.

Ниже приведена таблица зависимости срока службы редуктора от типа передачи:

Устройство редуктора

Основными элементами редуктора являются:

1. Прошедшие обработку зубчатые колеса с зубьями высокой твердости. Материалом обычно служит сталь марки (40Х, 40ХН ГОСТ 4543-71). В планетарных редукторах шестерни и сателлиты изготовлены из стали марки 25ХГМ ГОСТ 4543-71. Зубчатые венцы из стали 40Х. Червячные валы изготавливаются из стали марки ГОСТ 4543-71 – 18ХГТ, 20Х с последующей цементацией рабочих поверхностей. Венцы червячных редукторов изготавливают из бронзы Бр010Ф1 ГОСТ 613-79. Гибкое колесо волнового редуктора изготовлено из кованой стали 30ХГСА ГОСТ 4543-71.
2. Валы (оси) быстроходные, промежуточные и тихоходные. Материалом является — сталь марки (40Х, 40ХН ГОСТ 4543-71). В зависимости от варианта сборки выходные валы могут быть одно- и двухконцевыми, а также полыми со шпоночным пазом. Выходные валы планетарных редукторов изготовлены заодно с водилом последней ступени. Материалом служит чугун или сталь.
3. Подшипниковые узлы. Используются подшипники качения воспринимающие большие осевые и консольные нагрузки. Применяются обычно конические роликоподшипники.
4. Шлицевые, шпоночные соединения. Шлицевые соединения чаще применяются в червячных редукторах (выходной полый вал). Шпонки применяются для соединения валов с зубчатыми колесами, муфтами и другими деталями.
5. Корпуса редукторов. Корпуса и крышки редукторов выполняются методом литья. В качестве материалов используется чугун марки СЧ 15 ГОСТ 1412-79 или сплав алюминия АЛ11. Для улучшения отвода тепла корпуса редукторов снабжаются ребрами.

Монтажное исполнение

Соосный редуктор — входной и выходной вал находятся на одной оси

Червячный редуктор — входной и выходной вал находятся под прямым углом

Цилиндрический редуктор — входной и выходной вал находятся на параллельных осях

Коническо-цилиндрический редуктор — входной и выходной вал перекрещиваются

Монтажное положение соосных цилиндрических или планетарных редукторов

Монтажное положение и вариант сборки червячных одноступенчатых редукторов

Монтажное положение и вариант сборки червячных двухступенчатых редукторов

Монтажное положение и вариант сборки цилиндрических редукторов

Методика выбора редуктора в зависимости от нагрузки

Методика выбора редуктора заключается в грамотном расчете основных параметров нагрузки и условий эксплуатации.

Технические характеристики описаны в каталогах, а выбор редуктора делается в несколько этапов:

• выбор редуктора по типу механической передачи
• определение габарита (типоразмера) редуктора
• определение консольных и осевых нагрузок на входной и выходной валы
• определение температурного режима редуктора

На первом этапе конструктор определяет тип редуктора исходя из заданных задач и конструктивных особенностей будущего изделия. На этом же этапе закладываются такие параметры как: передаточное отношение, количество ступеней, расположение входного и выходного валов в пространстве.

На втором этапе следует определить межосевое расстояние. Исходные данные на каждый тип редуктора можно найти в каталоге. Следует помнить, что межосевое расстояние влияет на способность передать момент от двигателя к нагрузке.

Консольные и осевые нагрузки определяются уравнениями, а потом сравниваются со значениями в каталоге. В случае превышения расчетных нагрузок, на какой либо вал, редуктор выбирается на типоразмер выше.

Температурный режим определяется во время работы редуктора. Температура не должна превышать + 80° гр. при длительной работе редуктора с действующей нагрузкой.

Как выбрать редуктор?

Выбор редуктора должен производить квалифицированный сотрудник т.к. неправильные расчеты могут привести к поломке редуктора или сопутствующего оборудования. Грамотный выбор редуктора поможет избежать дальнейшие затраты на ремонт и покупку нового привода. Основными параметрами для выбора редуктора как было сказано выше, являются: тип редуктора, габарит или типоразмер, передаточное отношение, а также кинематическая схема.

Определить габарит редуктора можно с помощью каталога, где указаны максимальные значения крутящего момента для каждого типоразмера. Момент действующей нагрузки на редуктор определяется следующим выражением:

где:
M2 — выходной момент на валу редуктора (Н/М)
P1 — подводимая мощность на быстроходном валу редуктора (кВт)
Rd — динамический КПД редуктора (%)
n2 — частота вращения тихоходного вала (об/мин)

Частоту вращения тихоходного вала n2 можно определить, зная значения передаточного отношения редуктора i, а также значения скорости быстроходного вала n1.

где:
n1 — частота вращения быстроходного вала (об/мин)
n2 — частота вращения тихоходного вала (об/мин)
i — передаточное отношение редуктора

Еще одним важным фактором, который следует учитывать при подборе редуктора, является величина – сервис фактор (s/f). Сервис фактор sf – это отношение максимально допустимого момента M2 max указанного в каталоге к номинальному моменту M2 зависящего от мощности двигателя.

где:
M2 max — максимально допустимый момент (паспортное значение)
M2 — номинальный момент на валу редуктора (зависит от мощности двигателя)

Значение сервис фактора (s/f) напрямую связан с ресурсом редуктора и зависит от условий работы привода.

При работе редуктора с нормальной нагрузкой, где число стартов не превышает 60 пусков в час — сервис фактор может выбираться: sf = 1.

При средней нагрузке, где число стартов не превышает 150 пусков в час — сервис фактор выбирается: sf = 1,5.

При тяжелой ударной нагрузке с возможностью заклинивания вала редуктора сервис фактор выбирается: sf = 2 и более.

Передаточное отношение и как его определить?

Основное назначение любого редуктора понижение угловой скорости подводимой на его входной вал. Значения выходной скорости определятся передаточным отношением редуктора. Передаточное отношение редуктора — это отношение скорости входного вала к скорости выходного вала.

Что такое вал редуктора?

Unfortunately, you are using an outdated browser. Please update your browser to improve performance, quality of the displayed material, and improve security.

Вал – одна из самых прочных и самых нагружаемых деталей редукторного устройства. Он постоянно находится в движении и служит для передачи крутящего момента с одновременной регулировкой угловой скорости вращения.

Обычно выполняется из усиленной легированной стали (марка 40 или импортный аналог) в форме цилиндра. Диаметр трубки может меняться по всей длине. В конструкции предусматривают пазы в местах посадки или соединения с рабочими элементами (зубчатого колеса, шестерни) на шпонках.

Какие функции выполняет в сборке

Вал редуктора выполняет 2 основные задачи:

• передает крутящий момент от источника энергии ее потребителям;
• запускает элементы привода, которые должны вращаться.

Обе функции требуют от валов мотор-редуктора постоянного движения (запускается вместе с оборудованием и находится в непрерывном вращении), устойчивости к деформации. На решение первой задачи работает схема размещения в связке с запускающим устройством. Второе требование выполняется через грамотный подбор материала и продуманную сборку, которую формируют 3 блока:

• опорный;
• промежуточный;
• концевой.

Форма может отличаться (гладкие, ступенчатые, совмещенные вал-червяк или вал-шестерня). В частности, вал редуктора привода выполняется с подготовленными зонами для будущей «насадки» на него колес зубчатой передачи, соединенных с шестерней промежуточной или тихоходной ступени.

Классификация

В механизмах используют три вида элементов, отличные по назначению:

• Ведущий, быстроходный или входной вал редуктора. В стандартных устройствах (наращивание крутящего момента + понижение угловой скорости – количества оборотов на выходе) деталь соединяется непосредственно с приводом.
• Ведомый. Он же тихоходный или выходной вал редуктора. Работает в прямой связке с приводом в мультипликаторах (механизмах, которые передают крутящий момент, одновременно повышая скорость вращения).
• Промежуточный (его еще называют среднескоростным, делает регулировку скоростей плавной).

В большинстве конструкций ведомые и ведущие валы редуктора присоединяются к приводу с муфтой. Кроме назначения, они делятся по способу исполнения.

Здесь 2 варианта – цельная и полая модель. Вторая используется в системах, когда элемент необходимо располагать строго внутри короба. Полый ведущий и ведомый вал редуктора обладает меньшей прочностью, зато позволяет снизить вес оборудования и сократить количество соединений.

Расположение

Расположение бывает вертикальным или горизонтальным. Вертикальный вал редуктора позволяет сэкономить пространство для горизонтального размещения оси двигателя, что для многих устройств важно. Такое конструктивное решение свойственно редукторам на червячной или конической передаче.

Относительно друг друга (осей) детали располагают параллельно, под прямым углом, перекрестно. Выбор схемы зависит от типа редукторного оборудования:

• в цилиндрических передачах чаще используют параллельное расположение;
• в червячных зубчатых передачах (комбинированных червячно-цилиндрических) оси тихоходных и быстроходных валов редуктора сходятся под прямым углом (обеспечивают малую шумность и большие передаточные числа, но уступают аналогам по КПД); и 2–3-ступенчатые конические редукторы требуют пересекающегося расположения.

В привязке к другим элементам сборки схема бывает сосной, раздвоенной или развернутой. Первые два решения более технологичны для 2–3-ступенчатых механизмов, поскольку дают хороший КПД и износостойкость устройства (способность переносить повышенные нагрузки, не снижая крутящего момента вала редуктора).

То же относится к 2-ступенчатым механизмам с зубчатой передачей и соосным размещением, которое используется в цилиндрических и планетарных моделях. При этом в соосном цилиндрическом редукторе часто устанавливается выходная ступень с прямым зацеплением.

Расположение и тип передачи

Если при размещении заказа на производство мотор-редуктора схема валов шестерни редуктора задается типом требуемого оборудования, то при его ремонте действует обратная закономерность. Тип передачи определяется по размещению. Примеры:

• если компоненты установлены параллельно, значит, мастер имеет дело с цилиндрической зубчатой передачей;
• пересекающиеся валовые оси указывают на червячную, гипоидную или зубчато-винтовую передачу.

Установка

Первоначально в коробе устройства предусматривают технологические выемки (посадочные места) – так называемые постели для установки входного и тихоходного вала редуктора. В них деталь монтируется на подшипниках при сборке и устанавливается во время замены.

Проектирование быстроходного вала

Редуктор – это механизм, который позволяет получить момент и скорость вращения на выходном валу, отличающиеся от момента и скорости на входном. Момент на выходном валу редуктора может быть как больше входного момента – это собственно редуктор, так и меньше – это мультипликатор. Один из главных и ответственных элементов редуктора – это вал, а в простейшем случае два отдельных вала – входной и выходной, соединенные зубчатыми шестернями. В общем случае у редуктора могут быть входной, выходной и промежуточные валы.

Назначение вала редуктора

Вал редуктора – основной элемент передачи крутящего момента. На валу располагаются практически все детали редуктора – шестерни, звездочки, также валы сочленяются с внешними механизмами, для этого концы валов выполняются со шпоночными пазами или коническими. В корпусе вал редуктора устанавливается в подшипниковые гнезда. Выходной вал редуктора обеспечивает момент и скорость для основного рабочего механизма, входной вал сочленен с исходным механизмом (двигателем) и воспринимает его момент и скорость. В некоторых источниках выходной вал называют ведущим валом редуктора, а входной именуется ведомым валом редуктора.

Валы редуктора несут на себе существенную нагрузку, как от собственного веса, деталей самого редуктора, так и нагрузку со стороны исходного и основного механизмов, она может быть и осевой и радиальной. При проектировании особое внимание уделяется тщательным расчетам прочности валов на кручение, изгиб для обеспечения нормальной работы продолжительное время. В процессе расчетов выбираются необходимые диаметры валов редуктора, как главного геометрического параметра, определяющего его работоспособность, его форма и другие размеры, также возможно различное взаимное расположение валов относительно друг друга.

Редуктор цилиндрический, устройство, принцип действия

Создание двигателей внутреннего сгорания привело к резкому возрастанию количества и многообразия, разработанных инженерами механизмов, обеспечивающих преобразование крутящего момента, соответствующего некоторой скорости вращения, в крутящий момент с другой скоростью. В результате было создано такое устройство, как редуктор, и в том числе одна из его разновидностей — цилиндрический редуктор, который сегодня является очень популярным механизмом в машиностроении. При этом редуктор, позволяющий ступенчато изменять передаточное число получил название коробки передач.

Применение этого механического агрегата в автомобилях позволяет передавать мощность с вала двигателя другим вращающимся элементам с очень высоким КПД, достигающим в зависимости от конструкции 95—98 %.

При его работе используется механическая система, называемая цилиндрической передачей из-за того, что с ее помощью вращение может передаваться от одного вала к другому, только если эти валы соосны или параллельны друг другу.

Классификация валов редукторов

Вал редуктора относят к валам передач. Классификация их довольно условна, но можно выделить следующие типы

• Ступенчатые валы. Это основной тип валов редукторов. У вала несколько ступеней с различными диаметрами и длинами под посадку необходимых элементов. Это соединение с механизмом (электродвигатель или исполнительное устройство), посадочное место под подшипник, под звездочку или шестерню.
• Вал-шестерня редуктора. Вал шестерня редуктора это, как правило, входной (ведомый вал) цилиндрического или коническо-цилиндрического редуктора. Вал-шестерню можно считать сборной конструкцией, так как в нем два элемента – собственно вал и шестерня. Эта конструкция может быть изготовлена как из единой заготовки, так и из отдельных, которые затем соединяются между собой шлицевым соединением или другими способами. Первый вариант будет прочным, но есть ограничение по диаметру шестерни – не более двух диаметров вала. У сборного вала можно сделать шестерню с большими диаметрами.
• Вал червячного редуктора. Особенность этого вала в том, что на прямо нем формируется червячное зацепление. Оси валов в ней перпендикулярны.
• Эксцентриковый вал. Используется в планетарных редукторах. На валу закрепляется эксцентрик, который заставляет перемещаться по сложной траектории основной элемент редуктора – циклоидный диск.
• Полый вал. Применяется в насадных редукторах (червячные и некоторые другие типы), в которых сочленение с основным механизмом осуществляется насадкой редуктора на вал механизма, такие редукторы компактны и немного весят. Но они требуют довольно равномерной нагрузки во избежание поломки приводного устройства или дополнительных защитных мер.
• Торсион. Используется в качестве промежуточного вала редуктора, когда нужна компенсация неточности зацепления зубьев. Редукторы с такими валами используются достаточно редко, когда требуется передача больших моментов при небольших габаритах самого редуктора.
• Вал с зубчатой полумуфтой. Вал с предустановленной на него зубчатой полумуфтой для жесткого соединения с внешним механизмом. От проворота полумуфта фиксируется шпонкой на валу.
• Вал-водило. Используется в редукторах с планетарной передачей, передает движение от сателлитов редуктора на выходной вал.

Технические характеристики, описывающие параметры устройства включают:

• максимальный вращающий момент на входном валу (Мвх);
• частота вращения на входном валу (пвх);
• максимальный вращающий момент на выходном валу (Мвых);
• частота вращения на выходном валу (пвых);
• передаточное отношение (i);
• коэффициент полезного действия.

Технические характеристики определяют максимально допустимые нагрузки на валы редуктора и позволяют рассчитать его параметры – момент и скорость выходного вала по следующим зависимостям:

Мвых =Мвх i ; пвых = пвх/i.

Цилиндрические редукторы

Редуктором (цилиндрическим) называют механизм, который преобразует высокую угловую скорость вращения входного вала в низкую на выходном валу. При этом крутящий момент на выходном валу возрастает пропорционально уменьшению скорости вращения.

Редуктор (цилиндрический) состоит из корпуса, в котором расположены зубчатые колеса, валы, подшипники валов, системы их смазки и др. Наличие корпуса обеспечивает безопасность, хорошую смазку и, следовательно, высокий КПД, в сравнении, например, с открытыми передачами.

Цилиндрический редуктор – самый распространенный тип редукторов за счет простоты передачи и максимального КПД. Основу редуктора составляют зубчатые передачи – прямозубые цилиндрические или конические или косозубые. Редуктор может состоять из одной или нескольких ступеней. Число ступеней выбирается исходя из требуемого передаточного отношения – чем оно выше, тем большее число ступеней необходимо.

Описание и принцип работы:

Цилиндрический редуктор представляет собой одну или несколько последовательно соединенных цилиндрических передач, заключенных в общий корпус. Редуктор имеет входной и выходной валы, которые посредством муфт или иных соединительных элементов соединяются с двигателем и рабочей машиной соответственно. В свою очередь цилиндрическая зубчатая передача представляет собой пару зубчатых колес, находящихся в зацеплении друг с другом.

Когда к входному валу прикладывается вращающий момент, он, как и закрепленное на нем зубчатое колесо, приводится в движение. Посредством цилиндрической передачи усилие передается от колеса входного вала к колесу, находящемуся с ним в зацеплении. Колеса изготавливаются разных диаметров и с разным количеством зубьев, причем колесо с меньшим числом зубьев называется шестерней, а с большим – колесом. Вращающий момент последовательно передается с входного вала на промежуточный, а с промежуточного на выходной (в случае двухступенчатого редуктора).

Основные характеристики редукторов

Основные характеристики редукторов: КДП, частота вращения входного и выходного валов, передаточное отношение, передаваемая мощность, количество ступеней и тип передач.

Передаточное отношение – это отношение скоростей вращений входного к скорости вращения выходного вала.

КПД редуктора определяется отношением мощности на входном валу к мощности на выходном валу

Классификация цилиндрических редукторов:

Цилиндрические редукторы могут классифицироваться по различным признакам, таким как количество ступеней, виды колес, виды резьбы и т.д. Рассмотрим основные варианты классификации.

В зависимости от типов зубьев колес:

• прямозубые
• косозубые
• криволинейные
• шевронные

Прямозубые колеса наиболее просты в изготовлении, однако именно они являются наиболее шумными по сравнению с косозубыми и шевронными. Кроме того, из-за постоянных ударов при контакте пар зубьев создается вибрация, являющаяся причиной повышенного износа.

Косозубые колеса более сложны по сравнению с прямозубыми, однако эксплуатационные характеристики у них выше, что выражается в меньшей шумности, меньшем износе и повышенной плавности работы. За это приходится расплачиваться возникновением осевой силы, негативные воздействия необходимо компенсировать. Последующим улучшением косозубого колеса можно считать колесо с криволинейными зубьями. У таких колес эксплуатационные характеристики еще выше, но вместе с тем возрастает сложность изготовления такого типа колес, для чего требуется специальное оборудование.

Недостаток косозубых колес в виде возникающей осевой силы может быть решен путем установки на валу второго такого же колеса, но имеющего противоположный наклон зубьев. Тем самым достигается взаимная компенсация осевых сил двумя половинками колеса, которое получило название шевронное. С их помощью можно достигнуть крайне высокой плавности хода. У шевронных колес угол зубьев, как правило, больше, чем у косозубых.

По взаимному расположению валов:

• С параллельными осями валов
• С перекрещивающимися осями валов

Большинство цилиндрических редукторов имеют параллельное расположение валов. В случае если оси входного и выходного вала редуктора совпадают, то такой редуктор называют соостным. Соостный редуктор должен состоять минимум из двух передач, чтобы было возможным размещение входного и выходного вала на одной оси. Если необходима компоновка цилиндрического редуктора с перекрещивающимися осями валов, то используются специальные винтовые колеса.

По количеству ступеней:

• Одноступенчатые
• Двухступенчатые
• Трехступенчатые
• Многоступенчатые

Выбор необходимого количества ступеней обуславливается передаточным числом, которое должен обеспечивать цилиндрический редуктор. Различной компоновкой ступеней в редукторе можно добиться различного положения относительно друг друга входного и выходного валов.

Варианты исполнения цилиндрических передач:

• развернутая;
• раздвоенная;
• соосная.

Развернутая схема

самая распространенная за счет рациональной унификации деталей редуктора. Например, одни и те же шестерни и зубчатые колеса можно использовать в разных редукторах, что приводит к удешевлению продукции в серийном производстве.

Также с целью унификации принимают левое направление зубьев для шестерни и правое для колеса. Однако в единичном производстве удобней принимать левое расположение для шестерни и правое для колеса второй ступени из-за того, чтобы уравновесить осевые силы на промежуточном валу и снизить осевые нагрузки на опоры.

Развернутую схему используют при межосевом расстоянии до 800 мм. Редукторы, изготовленные по развернутой схеме, имеют удлиненную форму, что приводит к перерасходу металла до 20% по сравнению с редуктором с раздвоенной схемой.

Раздвоенная схема

может применяться для тихоходной и для быстроходной ступеней. Более рациональной является вариант с быстроходной ступенью, так как при нем возможно изготовить промежуточный вал как «вал-шестерню» и плавающий быстроходный вал.

Раздвоеная схема «разносится» за счет использования косозубых передач, фактически получая шевронную передачу.

Соосная схема

предусматривает расположение входного и выходного вала на одной оси. Такие редукторы имеют массу и габариты близкие к редукторам с развернутой схемой. В данной схеме быстроходная ступень является недонагруженной, а тихоходная наоборот – перегруженой.

Двухступенчатые цилиндрические редукторы в среднем имеют диапазон передаточных отношений от 6,3, до 70.

Ресурс цилиндрических редукторов – 25 тысяч часов.

Достоинства и недостатки:

Они обладают рядом достоинств, обуславливающих столь широкое их применение:

• Высокий КПД

Цилиндрические редукторы позволяют передавать усилие с высокой эффективностью, что обеспечивает их КПД в районе 98-99%. Во многом это обуславливается незначительными силами трения, возникающими в процессе работы. Это преимущество делает цилиндрические редукторы весьма экономичными, что способствовало их широкому распространению.

• Низкое тепловыделение

Высокий КПД приводит к тому, что лишь малая часть передаваемой энергии теряется безвозвратно. Следствием этого является то, что лишь малая часть энергии идет на нагрев деталей передачи, что и обуславливает низкое тепловыделение. Это преимущество позволяет обходиться без установки на редукторы каких-либо дополнительных систем охлаждения, а также увеличивает эксплуатационную надежность редуктора.

• Способность передавать высокие мощности

Из-за особенностей конструкции цилиндрические редуктора не склонны к заеданиям, высокому КПД и незначительному тепловыделению цилиндрические редукторы хорошо подходят для передачи больших мощностей. Если в отдельных случаях потерями можно пренебречь, когда использование другого типа редукторов более выгодно или единственно применимо, то в крупных агрегатах вопрос энергоэффективности выходит на первое место.

• Надежность работы даже в условиях продолжительных период с частыми пусками-остановами

Данное преимущество во многом обусловлено небольшим трением скольжения в цилиндрической передаче, за счет чего обеспечивается малый износ рабочих деталей. В отличие от червячных редукторов цилиндрические также достаточно надежны в условиях режима работы с частыми пусками и остановами или пульсирующей нагрузкой, так как подобный режим не приводит к чрезмерному увеличению скорости износа.

• Малый люфт выходного вала

В сравнении с червячными редукторами цилиндрические обладают значительно меньшим люфтом выходного вала, за счет чего достигается их высокая относительно других типов редукторов кинематическая точность, что позволяет использовать цилиндрические редуктора в системах, предъявляющих повышенные требования к точности, таких как приводы устройств позиционирования.

• Возможность вращения валов в любую сторону

Данную особенность можно отнести как достоинствам, так и к недостаткам в зависимости от условий применения редуктора. Полная обратимость может быть как полезна, когда необходимо проворачивать выходной вал, так и нежелательна, если, к примеру, рассматривать подъемный механизм, в устройстве которого может возникнуть необходимость дополнительно устанавливать тормозной механизм.

Из недостатков цилиндрических редукторов обычно выделяют следующие пункты:

• Ограничение по передаточному числу

Передаточное отношение одной ступени зубчатой цилиндрической передачи не рекомендуется делать больше 6,3. Соответственно, если от редуктора требуется большее передаточное число, то приходится вводить дополнительные ступени. Это влечет за собой непомерное увеличение габаритов цилиндрического редуктора и возрастание его металлоемкости. В большинстве случаев применение громоздких цилиндрических редукторов с большим передаточным числом является нерациональным.

• Повышенная шумность

При работе цилиндрического редуктора линия контакта не постоянна, а возникает вновь при вхождении в контакт очередной пары зубьев. Это приводит к тому, что показатели шумности у цилиндрических редукторов оказываются выше, чем у аналогичных червячных редукторов.

Сфера применения:

Цилиндрические редукторы являются одним из наиболее распространенных типов редукторов. Сложно назвать область, где бы они ни применялись в большей и меньшей степени. Начиная от строительства и машиностроения, заканчивая робототехникой и военно-промышленным комплексом. Во многом такая распространенность объясняется тем, что цилиндрические редукторы чаще всего используются в электроприводах машин или входят в состав моторов-редукторов. Как упоминалось выше, одной из основных причин такого распространения является высокий КПД цилиндрических редукторов, что делает его использование наиболее экономически выгодным.

Расчет цилиндрического редуктора:

Как правило, перед началом проектирования часть характеристик редуктора уже задана. Положим, что передаточное число и вращающий момент на шестерне известны.

Предварительно определяется ориентировочное значение межосевого расстояния:

aw1 – предварительное межосевое расстояние, мм K – поправочный коэффициент, зависящий от твердости зубьев колеса и шестерни u – передаточное число редуктора Tш – вращающий момент на шестерне, H·м ∓1 – знак плюс соответствует внешнему зацеплению, знак минус – внутреннему

Далее рассчитывается окружная скорость:

v – окружная скорость, м/с aw1 – предварительное межосевое расстояние, мм n1 – частота вращения шестерни, с-1 u – передаточное число редуктора ∓1 – знак плюс соответствует внешнему зацеплению, знак минус – внутреннему

Полученное значение проверяется по таблицам допустимой окружной скорости в зависимости от степени точности передачи.

После этого производят уточнение значения межосевого расстояния:

aw — уточненное межосевое расстояние, мм K1 – поправочный коэффициент (прямозубые колеса – 540; косозубые и шевронные — 410), МПа1/3 u – передаточное число редуктора ±1 – знак плюс соответствует внешнему зацеплению, знак минус – внутреннему KН – поправочный коэффициент нагрузки Tш – вращающий момент на шестерне, H·м [δ] – допустимое напряжение, МПа ψab – коэффициент ширины, зависящий от ширины колес

Полученное значение межосевого расстояния используют для нахождения предварительных геометрических размеров колес.

Рассчитывается минимальное (из условий прочности) и максимальное (из условия неподрезания зубьев) значение модуля передачи:

Km – поправочный коэффициент (прямозубые колеса – 3400; косозубые — 2800) KF – коэффициент нагрузки σF – допустимые напряжения изгиба зубьев колеса или шестерни, МПа

Искомое значение модуля передачи выбирается из полученного диапазона, берется минимальное из стандартного ряда.

Полученное значение модуля зацепления используется для расчета минимального необходимого угла наклона зубьев (в случае косозубых или шевронных колес).

Для косозубых колес:

Для шевронных колес:

Также с помощью модуля зацепления определяется общее число зубьев:

Полученное значение округляется в меньшую сторону, и с его помощью находится истинное значение угла наклона зубьев:

А также число зубьев шестерни и колеса

Полученное значение не должно быть меньше минимального. Для прямозубых колес оно составляет 17, а для косозубых и шевронных находится по формуле zмин=17·(cosβ)3. В случае, если получившееся значение оказывается меньше минимального, то передачу изготавливают со смещением, чтобы предотвратить подрез зубьев в ходе эксплуатации. Коэффициент смещения рассчитывается по следующей формуле:

Число зубьев колеса:

Фактическое передаточное число определяется на основе полученных чисел зубьев:

Получившееся значение не должно отличаться от первоначального более чем на 3% (в случае одноступенчатых), на 4% (в случае двухступенчатых) и 5% (в случае многоступенчатых).

Конечные геометрические параметры зубчатых колес:

Делительный диаметр шестерни:

Делительный диаметр колесf:

«+» – для внутреннего зацепления «-» – для внешнего зацепления

В завершение проводится проверочный расчет на прочность.

Корпуса редукторов

Цилиндрический редуктор при его серийном производстве снабжается, как правило, литым корпусом стандартизованного размера с использованием литейного чугуна или литейных сталей. Спецификация на эти материалы приведена в соответствующих регламентирующих отраслевых документах и ГОСТ. В тех случаях, когда требуется получить конструкцию небольшого веса, применяют корпуса из легких сплавов.

При штучном производстве чаще всего используют корпуса сварные, что позволяет реализовывать конструктивные решения, расчет и проектирование которых проводились по индивидуальному заказу.

Это интересно: Инструкция по тюнингу ГБЦ

На корпусах редукторов, как правило, имеются места для крепления в виде «ушей» и/или «лап», с помощью которых их можно передвигать и крепить по месту установки, используя сборочный чертеж на автомобиль. На выходной части валов устанавливают уплотнения для того, чтобы исключить вытекание масла. С внешней стороны корпуса редукторов могут иметь дополнительные конструкционные элементы, препятствующие увеличению внутреннего давления редуктора, которое может возникать при его нагреве в процессе работы.

Как работает устройство

Цилиндрический редуктор для дровокола, шредера, грузоподъёмника работ преобразует крутящий момент двигателя за счёт зубчатой передачи. Каждое сопряжение колёс — отдельная ступень, повышающая мощность мотора. Для лучшего сцепления используют валы с прямыми и косыми зубьями, а также с шевронной передачей.

По количеству ступеней механизмы бывают:

• одноступенчатыми;
• двухступенчатыми;
• трёхступенчатыми.

По пространственному положению устройства делят на горизонтальные и вертикальные. Валы, за счёт которых понижается крутящий момент, могут располагаться параллельно друг другу или соосно. В последнем случае механическое преобразование возможно при наличии как минимум двух ступеней. «КранДеталь» производит цилиндрические редукторы всех серий по ГОСТ 20373-94.

Достоинства и недостатки передач в зависимости от типа зубьев

А. Колеса прямозубые

Это наиболее распространенная разновидность зубчатых колес. Их зубья располагаются в плоскостях перпендикулярных по отношению оси вращения, а линия соприкосновения зубьев у шестерни проходит, наоборот, параллельно этой оси. Колеса с прямыми зубьями обладают наименьшей стоимостью, но они обеспечивают крутящий момент, максимальное значение которого немного меньше, чем могут создавать косозубые или шевронные. Кроме того, шестерни с такими зубьями больше шумят, чем шестерни с более сложными по форме зубьями.