Виды редукторов: их назначение, устройство, характеристики

Редуктор – механизм для преобразования величины крутящего момента и угловой скорости. О том, где используются редукторы и каких видов они бывают, расскажем в данной статье

Виды редукторов

Чаще всего редукторы применяются для увеличения момента за счет снижения частоты вращения. Они широко применяются в приводах различного оборудования и машин, как качестве отдельного узла, так и в составе мотор-редукторов с уже подключенным двигателем.

Редукторы различаю по следующим признакам:

• Типу передач.
• Количеству ступеней понижения (повышения) скорости или момента.
• Положению осей входного и выходного вала относительно друг друга.
• Способу крепления.

Рассмотрим классификацию редукторов, особенности конструкции, достоинства и недостатки каждого вида механизмов подробнее.

Классификация по виду передачи

Механическая передача – главный узел любого редуктора. Его функции – передача вращения с изменением момента и скорости от силового агрегата (двигателя) к исполнительному органу. В редукторах передача осуществляется взаимно зацепленными деталями. Согласно ГОСТ 29067-91 по типу передачи различают 10 типов редукторов.

Червячные редукторы

Передаточный механизм состоит из винта с трапецеидальной резьбой (червяка) и колеса с косыми зубьями. Червяк служит ведущим элементом, колесо – ведомым. При вращении винта, зубчатое колесо так же начинает вращаться, передача осуществляется через зубья, сцепленные с резьбой. Угловая скорость и момент ведомого элемента зависят от частоты вращения винта, шага резьбы и количества зубьев.

Форма ведущего винта – цилиндрическая или выпуклая.

Механизмы с выпуклым червяком называют глобоидными. Устройства такой конструкции более устойчивы к динамическим нагрузкам. В таких условиях работы отсутствует обратное проскальзывание и рывки на выходном валу.

Червячный редуктор – один из самых распространенных механизмов в приводе. Устройства обладают следующими преимуществами:

• Широкий интервал передаточных отношений. Механизмы могут изменять скорость и момент в пределах 1:100, в устройствах с небольшой нагрузкой – до 200 и больше.
• Невысокий уровень шума при работе. Зацепление резьбы ведущего звена и зубьев ведомого осуществляется плавно, перемещение кинематических элементов не сопровождается громким звуком.
• Высокая кинематическая точность. Максимальная погрешность угла поворота ведомого звена относительно ведущего – относительно небольшая.
• Самоторможение. При отсутствии вращения червяка ведомое колесо тормозит. То есть вращение редуктора в обратную сторону в червячном механизме исключено.

К недостаткам устройств относят большие потери мощности на скольжение зацепленных поверхностей, которые возрастают при увеличении передаточного отношения. Применение механизмов также ограничивает значительный нагрев и износ кинематических элементов при значительной нагрузке. Зацепление также необходимо периодически регулировать, с увеличением износа передаточной пары растет люфт выходного вала. Средний рабочий ресурс червячных редукторов составляет 10 тысяч часов.

Цилиндрические редукторы

В качестве передачи в таких механизмах применяют прямо-, косозубые, шевронные цилиндрические шестерни. Преобразование момента и скорости осуществляется за счет разного диаметра и различного количества зубцов передаточных колес. Шестерня на входном валу называется ведущей, зубчатое колесо на выходном – ведомым.

 

К преимуществам цилиндрических редукторов относятся:

• Высокий КПД. Зубчатая передача обеспечивает низкие потери мощности.
• Небольшой нагрев. При работе механизма 98% энергии передается выходному валу, величина мощности, которая превращается в тепло – незначительна.
• Возможность реверса. Пара зубчатых шестерен может вращаться в любом направлении, независимо от передаточного отношения.
• Стабильная работа при частых остановках, пусках, переменной нагрузке. Работа в повторно-кратковременном режиме не вызывает ускоренного износа механизма.

К недостаткам цилиндрических редукторов относят невысокие передаточные отношения, которые составляют до 1:10. Для расширения интервала изменения скорости и момента приходится добавлять вторую, третью и даже четвертую ступень, что существенно увеличивает габариты механизмов. Цилиндрические устройства более шумные, чем червячные. Это связанно с особенностями зацепления зубчатых шестерен.

Конические редукторы

Механизм состоит из пары зубчатых колес в форме усеченного конуса. Зубья могут быть прямые и круговые. Одно из колес посажено на входной вал, его называют ведущим. Зацепленное с ним колесо на выходном валу называют ведомым. Принцип действия конического редуктора аналогичен работе цилиндрических механизмов. Ведомое колесо обеспечивает изменение скорости и момента за счет меньшего или большего диметра.

Различают 2 типа конических редукторов:

• Широкие. Ширина зубчатого кинематического элемента – 1/4 от наружного конусного расстояния. Количество зубьев у колес – 20-23. Передаточное число составляет до 5.
• Узкие. Ширина зубчатого колеса составляет 2/5 от наружного конусного расстояния. Количество зубьев – до 28. Передаточное число – до 2,5.

В конусных редукторах возможно расположить входной и выходной вал перпендикулярно. Передача кинематической энергии также может осуществляться под прямым углом. Механизмы устойчивы к динамической нагрузке, могут применяться в приводе самого различного оборудования. К недостаткам конических редукторов относят небольшое передаточное число, небольшой КПД, риск заклинивания колес.

Коническо-цилиндрические редукторы

Механизмы такой конструкции – двухступенчатые. Одна их ступеней – коническая, вторая – цилиндрическая.

Редукторы сочетают достоинства цилиндрических и конических устройств:

• Возможность работы с постоянной и изменяющейся нагрузкой.
• Расположение выходного вала под углом к входному.
• Разнонаправленное вращение.

Для уменьшения размеров редукторов быстроходная ступень выполнена конической, тихоходная – цилиндрический. Для оборудования с высокими требованиям к низкой чувствительности к погрешности тихоходные передачи могут выполняться коническими, однако размеры таких редукторов значительно больше.

Планетарные редукторы

Механизмы этого типа состоят центральной (солнечной) шестерни, нескольких вспомогательных зубчатых элементов (сателлитов), скрепленных между собой водилом, кольцевой (коронной) шестерней.

К входному валу может быть подключено водило, солнечная или коронная шестерня. К выходному, в зависимости от схемы – также могут подключаться один из трех кинематических элементов.

При работе редуктора центральная, кольцевая шестерня или водило остается неподвижным. Преобразование момента и скорости за счет разности диаметров движущихся и неподвижных элементов.

Планетарные редукторы отличают:

• Небольшие размеры в сравнении с механизмом с аналогичным передаточным числом и мощностью.
• Значительный интервал передаточных отношений в пределах 1:600 для одной ступени.
• Меньшая масса по сравнению с редукторами другой конструкции с такими техническими параметрами.
• Увеличенный рабочий ресурс за счет равномерного распределения нагрузки между вспомогательными шестернями.
• Небольшая нагрузка на опоры за счет компенсации сил благодаря симметричному расположению деталей.
• Низкий уровень шума.

К недостаткам относят высокую цену, высокие требования к точности размеров комплектующих, сложность конструкции, значительный нагрев при работе с высокой нагрузкой. КПД планетарных редукторов составляет 90-95%.

Волновые редукторы

Механизм состоит из кинематической пары: неподвижного относительно корпуса передачи колеса с внутренними зубьями, гибкого упругого зубчатого колеса с наружными зубьями, механизма, растягивающего гибкий элемент (генератора волн).

Последний соединен с входным валом, гибкий элемент – с выходным. При вращении генератора волн, гибкое колесо деформируется, его зубья зацепляются с зубьями жесткого элемента. Таким образом, скорость и момент вращения выходного вала изменяется в зависимости от частоты волн деформации.

Волновые редукторы:

• Обеспечивают передаточные отношения 75 – 320.
• Имеют КПД от 90%.
• Выдерживают высокие нагрузки.

Механизмы также отличает высокая кинематическая точность, плавный ход, небольшие габариты. К недостаткам относятся высокое напряжение гибкого элемента и генератора волн, что приводит к уменьшению рабочего ресурса. Кроме того, волновые устройства имеют пониженную крутильную жесткость.

Комбинированные механизмы

Различают также двухступенчатые редукторы комбинированного типа:

• Цилиндрическо-планетарные устройства.
• Коническо-планетарные механизмы.
• Червячно-планетарные редукторы.

Устройства совмещают достоинства и недостатки планетарных и других зубчатых передач.

Классификация по другим параметрам

Ступенью передачи называют сопряженную кинематическую пару или узел. Например, червяк-червячное колесо, зацепленная пара цилиндрических зубчатых колес, коническая и цилиндрическая шестерня. Редуктор с одной парой или узлом называют одноступенчатым.

Для увеличения передаточных отношений добавляют одну или несколько ступеней. Это несколько усложняет конструкцию, но позволяет значительно повысить момент или скорость на выходном валу.

По количеству ступеней различают:

• Одноступенчатые механизмы.
• Двухступенчатые редукторы.
• Трехступенчатые устройства.
• Четырехступенчатые механизмы.

Передачи в различных ступенях могут быть однотипные и разнотипные. Комплектация разными передачами позволяет получить требуемые для тех или иных условий технические характеристики. Например, коническо-цилиндрические редукторы совмещают достоинства обоих типов передач.

По расположению входного и выходного вала различают:

• Соосные редукторы. Входной и выходной вал расположены на одной оси. Валы таких механизмов могут располагаться вертикально и горизонтально.
• Механизмы с параллельными осями. Валы устройств размещены один под другим, в одной горизонтальной плоскости, в одной наклонной плоскости вертикально или горизонтально.
• Редукторы с пересекающимися осями. Оба вала могут быть расположены горизонтально или входной вал – горизонтально, выходной вал – вертикально или горизонтально выходной вал, входной – вертикально.
• Устройства со скрещивающимися осями. Валы могут скрещиваться в одной горизонтальной плоскости или располагается следующим образом: входной вал в горизонтальной оси и выходной – в вертикальной или входной вал в вертикальной оси, выходной – в горизонтальной.

Редукторы также различают по способу крепления. Устройства фиксируют на лапы или плиту, фланцы или насадной на вал силового агрегата. Для крепления на лапы и плиту предусмотрены отверстия под болты. Такой способ требует точной подгонки под высоту валов двигателя и исполнительного механизма. Для этого используют прокладки, которые подкладывают под крепежные приспособления.

Фиксация на фланцы более проста и не требует регулировки. При этом соединяют корпусы редуктора и оборудования. Такой способ не требует регулировки, однако точность совпадения осей зависит от соответствия фланца заданным размером. При фиксации этим методом нагрузка распределится неравномерно, со стороны силового агрегата она больше.

Соединение насадкой не увеличивает размеры за счет крепежных элементов. Выходной вал редуктора выполнен в виде втулки с пазом. Его соединяют с валом оборудования и фиксируют шпонкой, после чего закрепляют корпус механизма к опорной плите. Фиксация при этом осуществляется в 2 плоскостях.