Редукторы. Их применение

В приводах производственных машин частота вращения элементов исполнительного органа, как правило, не равна частоте вращения выходного вала двигателя. Для согласования энерго – кинематических параметров «входа – выхода» привода применяют узлы, преобразующие движение, композиция которых определяется передаточной функцией привода.

В случае, когда эта функция направлена на понижение частоты вращения, узел называется редуктором (от лат. reductor – отводящий назад, понижающий).

В редукторах применяют различные типы передач: цилиндрические (прямозубые, с наклонным зубом, шевронные), конические, червячные и другие.

Цилиндрическая зубчатая передача (рисунок 1) осуществляет движение между параллельными осями. Колеса, ее образующие, имеют начальные и делительные поверхности в виде цилиндров.

Рисунок 1. – Передача цилиндрическая:

1 – колесо ведущее; 2 – колесо ведомое

(d_w1, d_w2 – диаметры начальных окружностей;d_а1, d_а2 – диаметры окружностей выступов; d_f1, d_f2 – диаметры окружностей впадин; а_w – межосевое расстояние ; w – полюс зацепления)

Коническая зубчатая передача (рисунок 2) осуществляет передачу движения между пересекающимися осями. У зубчатых колес конической передачи начальные и делительные поверхности – конусы.

Рисунок 2. – Передача коническая: 1 – колесо ведущее; 2 – колесо ведомое

(d_m1, d_m2 – средние делительные диаметры; d_е1, d_e2 – внешние делительные диаметры; d_ae1, d_ae2 – внешние диаметры вершин зубьев; R_m, R_е – среднее и внешнее конусные расстояния; d₁ , d₂ – углы делительных конусов колес; d_а1 , d_f1 – углы вершин и впадин; q_а, q_f - углы головки и ножки зуба соответственно; b – ширина зубчатого венца; S - межосевой угол).

Передача червячная передает движение между валами со скрещивающимися осями. Передача состоит из червяка и червячного колеса (рисунок 3).

Рисунок 3. – Передача червячная: 1 – червяк; 2 – колесо червячное

(d_w1, d_w2, d_а1, d_а2, d_f1, d_f2 – диаметры окружностей делительных, выступов и впадин червяка и червячного колеса соответственно; dа_М2 – наибольший диаметр колеса; a_w – межосевое расстояние; b₁ – длина нарезанной части червяка; b₂ – ширина венца колеса; a - угол профиля; g - угол подъема линии витка червяка; 2d - угол обхвата червяка колесом)

Червячные передачи дают возможность получения большого передаточного отношения, плавность и бесшумность работы, а также возможность самоторможения. Различают передачи с цилиндрическими (делительная поверхность червяка – цилиндрическая) и глобоидными (делительная поверхность червяка является частью вогнутой поверхности тора) червяками.

При передаче движения червячное колесо вступает в зацепление с витками червяка. Угол наклона зуба червячного колеса равен углу подъема g линии витков червяка.

Опоры валов (рисунок 4) служат для их поддержания и обеспечения стабильной работы передачи.

Подшипники обеспечивают перемещение вала в опоре.

Рисунок 4. – Вал с опорами: 1– вал–шестерня; 2 – колесо; 3 – шпонка;

4 – подшипник; 5 – крышка подшипника

Элементы зацепления в силовых передачах выполняют из сталей, чугунов, сплавов цветных металлов, а также неметаллических конструкционных материалов (металлокерамика, пластмассы и т.д.).

Распространение получили передачи со стальными колесами, поверхности которых подвергнуты упрочнению. Для ответственных, тяжело нагруженных с ограниченными габаритами передач рабочие поверхности зубьев упрочняют до твердости НВ>400. При этом сердцевина остается более мягкой, пластичной.

Упрочнение поверхности производится: закалкой токами высокой частоты (колеса с m>5 HRC 45…55), цементацией (HRC 50…62), нитроцементацией (HRC >56) и азотированием (HRC 50…60).

Закалка токами высокой частоты (т.в.ч.) по контуру зуба более производительна, чем цементация и азотирование, но технологически сложнее.

Цементация, нитроцементация и азотирование позволяют получать колеса с большей нагрузочной способностью, но при этом повышается хрупкость материала и снижается сопротивление ударам.

Малоответственные передачи без ограничения габаритов колеса подвергают объемной закалке с высоким отпуском (зубья имеют по всему сечению одинаковую твердость НВ£350). Применяется также поверхностная закалка (HRC 40…50), отжиг (НВ£350), нормализация (НВ£350) и улучшение (НВ£350).

Твердость рабочих поверхностей зубьев ведущего колеса должна быть больше на (30…50) единиц НВ во избежание заедания.

В малоответственных открытых передачах возможно применение чугунных колес, которые имеют меньшую склонность к заеданию и дешевле остальных. Но чугунные колеса не выдерживают ударных нагрузок.

Для венцов червячных колес используют сплавы цветных металлов (оловянные и безоловянные бронзы, а также латунь и серый чугун).

Для изготовления валов применяют среднеуглеродистые легированные конструкционные стали. Рабочие тела подшипников качения (шарики и ролики) изготавливают из специальных подшипниковых сталей, обладающих повышенной износостойкостью и прочностью при переменных напряжениях (твердость поверхности после термообработки 62…66 HRC).

Литые детали (корпусы, крышки, шкивы) изготавливают из литейных сталей, сплавов цветных металлов и чугунов.

Крепежные и другие метизные изделия выполняют из углеродистых сталей и цветных сплавов.

При передаче движения зубчатыми колесами усилия от одного элемента к другому передается посредством зубьев, последовательно вступающих в зацепление.

Выход из строя колес из-за разрушения рабочих поверхностей зубьев происходит в том случае, когда фактические напряжения в зоне контакта превышают допускаемые величины для данного материала колес.

Контактное напряжение s_Н (МПа) в полюсе зацепления равно

s_Н =s_Н0×(К_Н)^1/2, (1)

где s_Н0 – контактное напряжение без учета дополнительных нагрузок (динамических и от неравномерности распределения), МПа; К_Н – коэффициент нагрузки.

Величину контактного напряжения s_Н0 (МПа) в зависимости от: окружного усилия F_t (Н) на делительном цилиндре в торцовом сечении, делительного диаметра d₁ ведущего элемента, рабочей ширины b_w венца контактирующих элементов и передаточного числа устанавливают по следую-щей зависимости

s_Н0=Z_E×Z_H×Z_e×Z_b×[ F_t×(u+1)/(b_w×d₁×u)]^1/2, (2)

где Z_E – коэффициент, учитывающий механические свойства материалов сопряженных зубчатых колес; Z_H – коэффициент, учитывающий форму сопряженных поверхностей зубьев в полюсе зацепления (влияние радиусов кривизны боковых поверхностей и переход от окружной силы на делительном цилиндре на нормальную на начальном цилиндре); Z_e – коэффициент, учитывающий суммарную длину контактных линий; Z_b – коэффициент, учитывающий наклон зуба.

Окружное усилие F_t (Н) равно

F_t =0,5×Т×d , (3)

где Т– вращающий момент, Н×м.

Коэффициент нагрузки К_Н равен

К_Н = К_Нv × К_Нb × К_Нa, (4)

где К_Нv – коэффициент, учитывающий внутреннюю динамическую на-грузку; К_Нb – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по длине контактных линий; К_Нa – коэффициент, учитывающий распределение нагрузки между зубьями.

Допускаемое контактное напряжение s_НР (МПа), не вызывающее опасной контактной усталости материала при минимальном запасе прочности S_Hmin, равно

s_НР =s_Нlim× Z_L×Z_R×Z_v×Z_w×Z_X/S_Hmin, (5)

где s_Нlim – предел контактной выносливости поверхностей зубьев, МПа;

Z_L – коэффициент, учитывающий влияние вязкости смазочного материала; Z_R – коэффициент, учитывающий шероховатость поверхностей зубьев;

Z_v – коэффициент, учитывающий влияние окружной скорости;

Z_w – коэффициент, учитывающий влияние твердости поверхностей зубьев; Z_X – коэффициент, учитывающий размер зубчатого колеса.

Нагрузочная способность передачи характеризуется мощностью Р (кВт), которую она может передать. Мощность устанавливают на основании частоты вращения n (об/мин) ведомого элемента передачи и вращающего момента Т (Н×м) на нем.

При работе механизма происходят потеря мощности, которая отражается коэффициентом полезного действия h _м.

Потери обуславливают превышение требуемой мощности Р_тр по отношению к потребляемой (рабочей) P_р

Р_тр= P_р/h_м , (6) где P_р= 105×10^-6 ×Т× n

Зависимость между частотами вращения входного вала передачи n_вх и выходного вала n_вых определяет передаточное отношение i передачи

i = n_вж/ n_вых (7)