Общие сведения о цилиндрических и конических редукторах

Редуктором называется закрытая зубчатая передача, предназначенная для понижения угловой скорости ведомого вала по сравнению с ведущим. Уменьшение угловой скорости сопровождается увеличением крутящего момента на ведомом валу. Для редуктора значения передаточного отношения и передаточного числа совпадают. На схемах редукторов будем обозначать: входной – быстроходный вал, к которому присоединяется вал двигателя, цифрой 1, а выходной – тихоходный вал – цифрой 2.

Редукторы бывают одно- и многоступенчатые. Передаточное число многоступенчатого редуктора равно произведению передаточных чисел отдельных ступеней

i_n=i₁i₂i₃…i_n.

Передаточное число редуктора с одной ступенью в виде цилиндрической пары колес обычно не превышает i_max=8. Для конических косозубых передач i_max=5–6. Двухступенчатые редукторы имеют большие передаточные числа, но не выше i=18. При i от 31,5 до 400 делают трехступенчатые редукторы. Редукторы с числом степеней больше трех встречаются довольно редко.

Редукторы проектируют или специально для данной машины, или используют серийно выпускаемые, предназначенные для установки в самых различных машинах.

Серийные редукторы выбирают по каталогам заводов-изготовителей в соответствии с передаваемым моментом и передаточным числом.

Использование редукторов с меньшим числом ступеней предпочтительнее, но одноступенчатые редукторы имеют большие размеры по сравнению с многоступенчатыми, что видно из сравнения схем двух редукторов с передаточным числом i=8 одинакового передаваемого момента (рис. 112).

Двухступенчатые редукторы выполняют по развернутой схеме (рис. 113, а, в) или по схеме (рис. 113, б). Здесь оси входного и выходного валов совпадают, образуя одну линию. Поэтому такие

Рис. 112

Рис. 113

редукторы называются соосными. Их преимущество – меньшая длина по сравнению с редукторами, выполненными по первой схеме.

Несимметричное расположение зубчатых колес относительно опор (рис. 113, а)приводит к неравномерному распределению передаваемой силы по длине зуба. В схеме с раздвоенной ступенью (рис. 113, в) более нагруженное тихоходное колесо расположено относительно опор симметрично. Для равномерного распределения нагрузки между параллельно работающими колесами тихоходной ступени винтовые линии зубьев колес, установленных на одном валу, делают противоположного направления. Устройство опор в этом случае должно позволять некоторое осевое смещение одного из двух валов.

Редукторы выпускают в горизонтальном (рис. 112) и в вертикальном (рис. 114) исполнении или с наклонным расположением плоскости осей валов.

В тех случаях, когда необходимо передавать крутящий момент между валами со взаимно перпендикулярным расположением осей, применяют одно- или двухступенчатые конические редукторы (рис. 115, а).

Рис. 114

Рис. 115

Передаточные числа таких редукторов с прямозубыми коническими колесами не превышают i=4, а при косых и криволинейных зубьях – не более i=5 (в редких случаях i=6). При больших передаточных числах применяют коническо-цилиндрические редукторы (рис. 115, б). Конструкция редуктора (схема расположения колес и валов, общее передаточное число и др.) определяется в каждом частном случае его назначением.

Планетарные зубчатые передачи

Планетарными называют передачи, имеющие колеса с перемещающимися геометрическими осями.

Простейшая четырехзвенная планетарная зубчатая передача (рис. 116) состоит из центрального крутящегося колеса 1 с неподвижной геометрической осью; сателлитов 2, оси которых перемещаются; неподвижного колеса 3 с внутренними зубьями; вращающегося водила h, на котором установлены сателлиты. Очевидно, что при

Рис. 116

работе планетарной передачи сателлиты 2 совершают сложное (плоскопараллельное) движение.

Если в планетарной передаче освободить неподвижное колесо 3 и сообщить ему дополнительное вращение, то рассматриваемый механизм превратится в дифференциальный, передаточное отношение которого будет одновременно зависеть от угловых скоростей двух звеньев.

Планетарные передачи могут быть одно- и многоступенчатыми.

Достоинства планетарных передач заключаются в малой массе и габаритах конструкций по сравнению с непланетарными зубчатыми передачами, а также в возможности получения больших передаточных чисел (до 1000 и более). Использование в передаче нескольких равномерно расположенных сателлитов распределяет передаваемую мощность на несколько потоков и позволяет уравновесить радиальные нагрузки на валы и их опоры.

Недостатки планетарных передач: повышенные требования к точности изготовления и сборки конструкции, а также сравнительно невысокий КПД у многоступенчатых передач.

Планетарные зубчатые механизмы широко распространены в машиностроении и приборостроении.

Передаточное отношение изображенной на рис. 116 передачи определяется по формуле

i=w₁/w_h=1+z₃/z₁,

где w₁ – угловая скорость ведущего звена передачи (зубчатого колеса 1), w_h – угловая скорость водила, z₁, z₃ – числа зубьев центрального и неподвижного колес.

В подавляющем большинстве случаев на практике применяют планетарные передачи (с постоянным передаточным отношением), составленные из цилиндрических зубчатых колес. Конические зубчатые колеса используют преимущественно в дифференциальных механизмах.

Конический дифференциал широко используется в автомобилях, тракторах, металлорежущих станках, счетно-решающих устройствах. Автомобильный дифференциал (рис. 117) состоит из конических зубчатых колес 6 и 7, которые насажены на ведущие полуоси автомобиля и сцепляются с сателлитом 4, свободно сидящим на оси, закрепленной во вращающемся водиле h. Водило приводится в движение от двигателя с помощью конической зубчатой пары 3 и 2.

Если автомобиль движется по прямой и ровной дороге и силы сцепления колес 1 и 5 с дорогой одинаковы, то угловые скорости полуосей также будут одинаковы и равны угловой скорости водила. При движении автомобиля на закруглениях колесо, движущееся по внешней кривой, проходит больший путь, чем колесо, движущееся по внутренней кривой. Если оба колеса автомобиля закрепить на одной

Рис. 117

оси, то неизбежно скольжение покрышек по дороге и их повышенный износ. При наличии дифференциала сателлит 4 обкатывает колеса 6 и 7 и одновременно вращается вокруг своей оси, в результате чего угловые скорости полуосей и ведущих колес автомобиля окажутся различными и скольжение покрышек по дороге будет предотвращено.

Волновые передачи

Волновыми называют механические передачи, содержащие контактирующие между собой гибкое и жесткое звенья и обеспечивающие передачу и преобразование движения путем деформирования гибкого звена. Волновые передачи бывают фрикционные, зубчатые и винтовые.

Рассмотрим две схемы (рис. 118) фрикционного варианта волновой передачи, состоящей из жесткого колеса b, гибкого колеса g и роликового генератора волн h, причем наружный диаметр недеформированного гибкого колеса несколько меньше внутреннего диаметра жесткого колеса; охватывающий размер по роликам сделан таким, чтобы деформированное гибкое колесо было прижато роликами к жесткому колесу. В схеме а с ведомым валом соединено жесткое колесо, а в схеме б – гибкое; в обеих схемах с ведущим валом соединен двухволновой генератор. При вращении генератора волны контакта перемещаются по окружности гибкого колеса, прижимают его к жесткому колесу и за счет сил трения вызывают вращение ведомого звена. Если обкатка гибкого колеса по жесткому происходит без проскальзывания, то за один оборот генератора

Рис. 118

ведомое звено повернется на угол, соответствующий разности длин окружностей контактирующих поверхностей жесткого и гибкого колеса, то есть передаточное число будет равно отношению длины окружности ведомого звена к разности длин окружностей колес (отношение длин окружностей в дальнейшем заменим отношением диаметров). У волновой передачи по схеме рис. 118, а направления вращения ведущего и ведомого звеньев совпадают, по схеме рис. 118, б – противоположны.

У зубчатых волновых передач гибкие колеса имеют наружные, а жесткие колеса – внутренние зубья. В настоящее время такие передачи имеют основное распространение.

Достоинства волновых зубчатых передач заключаются в возможности получения значительных передаточных чисел, небольшой массе и габаритах конструкции, высокой кинематической точности передачи, являющейся результатом многопарного зацепления зубьев. Волновые зубчатые передачи долговечны и имеют более низкий уровень шума по сравнению с обычными зубчатыми передачами.

К недостаткам волновых зубчатых передач следует отнести сложную технологию изготовления деталей и отсутствие конструкций, у которых оси пересекаются или скрещиваются.

Волновые передачи в наше время начинают применять в станкостроении, подъемно-транспортных машинах, химическом машиностроении, авиационной и ракетной технике, промышленных роботах и др.

В волновой фрикционной передаче передаточное отношение зависит от разности диаметров жесткого и гибкого колес и равно отношению диаметра ведомого колеса к разности диаметров колес. Заменяя отношение диаметров колес отношением чисел их зубьев, получим передаточное отношение i для волновой зубчатой передачи: при ведомом жестком колесе

i=w_h/w_b=z_b/(z_b–z_g);

при ведомом гибком колесе

i=w_h/w_g=z_g/(z_b–z_g);

где z_b, z_g – числа зубьев жесткого и гибкого колес.

Очевидно, что для увеличения передаточного отношения разность чисел зубьев колес должна быть возможно меньшей, причем она должна быть равной или кратной числу волн деформации генератором гибкого колеса во избежание интерференции (наложения) зубьев.

Элементы зацепления.Качество зацепления волновых зубчатых передач в основном зависит от профиля зубьев, формы генератора и размера деформации гибкого колеса.

Исследования прочности гибкого колеса показали, что напряжения в его ободе существенно уменьшаются с увеличением ширины впадины по окружности впадин.

Наиболее распространенными являются зубья эвольвентного профиля с уменьшенной высотой и широкой впадиной у гибкого колеса, причем зубья жесткого колеса нарезаются стандартным инструментом, а зубья гибкого колеса – модифицированным инструментом, отличающимся от стандартного только высотой головки зуба. Такой профиль принят в нашей стране для стандартных волновых редукторов общего назначения.

Наиболее стабильную деформацию гибкого колеса обеспечивает кулачковый генератор волн h. Эти конструкции генераторов просты, технологичны и обеспечивают требования взаимозаменяемости.

Для уменьшения трения между кулачковым генератором и гибким колесом g располагают тела качения, например гибкий шариковый подшипник.

Гибким называется подшипник с тонкостенными кольцами, допускающий радиальную деформацию колец, соизмеримую с их толщиной, и обеспечивающий передачу вращательного движения при деформированных кольцах.

Основные размеры и обозначения радиальных шариковых гибких подшипников для кулачковых генераторов зубчатых волновых передач общего назначения регламентированы ГОСТом.

Волновые зубчатые редукторы. ГОСТ устанавливают основные параметры волновых зубчатых одноступенчатых редукторов общего назначения типа Вз с крутящими моментами на тихоходном валу от 22,4 до 6300 Н-м и передаточными отношениями от 80 до 315. КПД стандартных волновых редукторов от 0,9 до 0,72 и уменьшается с увеличением передаточного отношения.

Технический ресурс волновых зубчатых редукторов 10 000 ч.

Диапазон номинальных передаточных отношений для таких редукторов от 80 до 250, допускаемый крутящий момент на тихоходном валу от 710 до 1000 Н·м, масса редуктора не более 56 кг, КПД не менее 0,81.

Основными критериями работоспособности волновых передач являются прочность гибкого колеса и прочность гибкого подшипника генератора. Разрушение гибкого колеса и гибкого подшипника происходит, как правило, в результате усталости материала или при перегрузках.

Волновые передачи можно применять как редуктор, дифференциальный механизм и как вариатор скорости.