Что такое редуктор

Редукторы предназначены для передачи крутящего момента в различном промышленном, транспортном и грузоподъемном оборудовании. Широкое применение имеют только понижающие редукторы. Связано это с тем, что все используемые двигатели (электромоторы, ДВС, турбины) имеют высокий КПД только при большом числе оборотов. Для промышленных задач это число необходимо понижать. Если же механизм может работать на высоких оборотах, то его привод делается без редуктора, так как в любом, даже самом точно изготовленном редукторе, будет теряться часть механической энергии. КПД у редукторов различного типа отличается в разы, поэтому выработана схема, определяющая правила подбора приводных систем под конкретную производственную задачу.

Классификация редукторов

Редукторы общемашиностроительного назначения. Изготавливаются унифицированными сериями, когда одна и та же модель редуктора используется для установки во множество промышленных машин. Универсальность — весомый фактор снижения стоимости, как самого редуктора, так и запасных частей для его последующего ремонта.
Специальные редукторы. Универсальными не являются, разрабатываются под конкретную задачу, например: вертолетный редуктор, раздаточная коробка автомобиля определенной марки. Также редукторы классифицируют по следующим признакам:

1. Число передаточных ступеней и валов.
2. Способ крепления: на платформе или фланцевый торцевой.
3. Расположение валов и ступеней в пространстве относительно друг друга.
4. По зубчатым передачам: цилиндрический, коническо-цилиндрический, червячный.
5. По передаточному числу: общепромышленные до 80 и специальные с передаточным числом свыше 80-и.

Многоступенчатые редукторы имеют отличную устойчивость к нагрузкам. Передаточное отношение в них определяется шестеренчатыми парами, причем, передаточное число первой ступени не суммируется, а умножается на последующие. Например, трехступенчатый коническо-цилиндрический редуктор может обеспечить передаточное число 200-300. При средней скорости вращения для промышленных электродвигателей 3000 об/мин, на выходном валу обеспечивается 10-30 об/мин, что необходимо для большого числа промышленных механизмов.
Коническо-цилиндрические редукторы оправданно применять, когда требуются компактные габариты и когда необходимо пересечение валов под углом 90. Если же двигатель и приводной механизм можно расположить по параллельным осям, то целесообразнее установка более простого цилиндрического редуктора. Необходимое число ступеней определяется передаточным отношением.
Червячные редукторы обладают самым простым устройством при большом передаточном числе. Например, для П/О 50 в червячном редукторе будет всего две подвижные детали, чего нельзя обеспечить ни к каком другом типе зубчатой передачи. Для увеличения нагрузочной способности сейчас получают распространение глобоидные редукторы, что является усовершенствованной разновидностью червячных.

У червячных редукторов высокая нагрузочная способность, низкий уровень шума и простая конструкция, но из-за более низкого КПД их не применяют в постоянно работающих механизмах под большой нагрузкой. Такая неправильная эксплуатация приводит к перегреву и вскипанию масла в картере. Они хороши лишь для циклических работающих механизмов. В таком цикле червячные редукторы могут выдерживать значительную нагрузку.

Таблица 1. Классификация редукторов по расположению осей валов

Червячные редукторы

Благодаря простоте устройства и в разы более низкой стоимости (в соотношении с цилиндрическими редукторами с таким же передаточным отношением и нагрузкой) червячная схема является одной из наиболее распространенных. Типовое передаточное отношение — от 1:1 до 1:100, а иногда еще выше. При большом передаточном отношении нужно учитывать, что КПД снижается.
Особенно выгодно применение червячных редукторов с большим передаточным отношением. Например, при числе 1:100 это равно сложному и дорогому трехступенчатому цилиндрическому редуктору. Еще одни плюс — значительное снижение шума. Например, для привода сложного оборудования, за которым работают люди, червячный редуктор предпочтителен из-за малошумности.

Наконец третий плюс червячных редукторов — самоторможение. Функция самоторможения есть только в червячных и в их варианте в глобоидных редукторах. Никакие другие типы передач такой функцией не обладают. Даже установка храпового механизма обеспечит самоторможение только в одну, а не в обе стороны вращения.

Червячный глобоидный редуктор

Являются вариантом обычного червячного редуктора, но с усовершенствованной формой червяка. Применение глобоидных редукторов оправданно только под большой нагрузкой, или, когда недопустимо проскальзывание и люфт в механизме. Если же их устанавливать на место червячных, то увеличенная площадь контакта червяка с колесом окажется бесполезной и будет приводить только к лишнему нагреву.

Глобоидные редукторы необходимо устанавливать, когда нужна повышенная надежность, например, подъем кабины оператора, привод манипуляторов в помещениях, где работают люди, привод сложного оборудования с переменной и толчковой нагрузкой, например, сортировочных барабанов.

Таблица 2. Допустимые нагрузки для червячных глобоидных редукторов типа ЧГ

Цилиндрические редукторы

Главное преимущество цилиндрического редуктора — высокий КПД. Из всех типов зубчатых передач самый высокий КПД только у цилиндрической и ее варианте — планетарной. В промышленном оборудовании, где нет высоких требований к массогабаритным показателям приводных машин, используют цилиндрические редукторы. Они отличаются многообразием вариантов исполнений по передаточному числу, передаваемому крутящему моменту, могут быть комбинированными с другими зубчатыми передачами, например, коническо-цилиндрический редуктор. Перспективная схема компоновки, обеспечивающая экономию материалов и снижение стоимости, — мотор-редуктор. Используется несколько типов зубчатых пар:

• Соосная зубчатая пара;
• Кособузбая;
• Развернутая узкая;
• Раздвоенная;
• Развернутая.

В одном редукторе с несколькими ступенями используется несколько типов зубчатых пар. Например, выходная ступень с наибольшим крутящим моментом комплектуется косозубыми шестернями, а на первой ставятся обычные прямозубые узкие шестерни.

Развернутая схема шестерен имеет преимущество в унификации, когда на одном и том же зуборезном станке можно изготавливать унифицированные модели различного размера. Это важнейший фактор снижения себестоимости оборудования. Также выбирается одинаковое направление зубьев (левое или правое) для ступеней редуктора. Дополнительно это снижает нагрузку на опоры.
Тихоходные и быстроходные редукторы могут изготавливаться по раздвоенной схеме. Промежуточный вал имеет форму вала-шестерни. Соосное расположение валов упрощает проектирование и изготовление. Если ресурс червячного редуктора около 5-10 тыс, ч, то цилиндрический прослужит 25 тыс часов и более.

Таблица 3. Допустимые нагрузки для цилиндрических редукторов ЦУ (одноступенчатых горизонтальных)

Таблица 4. Технические параметры цилиндрических редукторов Ц2С (двухступенчатых соосных)

Конические редукторы

Применение конического редуктора целесообразно тогда, когда нужно обеспечить изменение оси вращения на 90 градусов. Сделать это проще всего с помощью конических шестерен. Причем используется не отдельная коническая пара, а встроенный модуль в общий картер редуктора. Такая схема носит название «Коническо-цилиндрические редукторы».

Они целесообразны при большом передаточном числе. Если оно небольшое, то хорошо работает просто коническая схема, без дополнительных цилиндрических ступней. Пример конического редуктора — главная передача автомобильного моста. Ее передаточное число 3-4. Для промышленных редукторов конической схемы передаточное число не превышает 5.

Коническо-цилиндрические редукторы

Конструкционная схема с комбинацией цилиндрических и конических шестеренчатых пар имеет множество преимуществ. Такая схема оптимальна для мотор-редукторов. Электродвигатель имеет фланцевое крепление. Первая ступень с коническими шестернями изменяет ось вращения на 90 и обеспечивает замедление на 3-5 раз. Последующие цилиндрические ступени доводят общее передаточное отношение до 100-300.

Шум конической передачи больше, чем цилиндрической, поэтому она ставится на быстроходной ступени с небольшой нагрузкой. Это решение необязательно. Есть редукторы, где сначала с помощью обычных шестерен вращение замедляется в 3-5 раз, а потом угол изменяется конической парой на 90 и опять замедляется уже косозубыми шестернями. При проектировании предусматривается вычитание осевых сил на промежуточном валу.

Таблица 5. Коэффициент режима эксплуатации коническо-цилиндрических редукторов (двухступенчатых и трехступенчатых)

Насадные редукторы

В категорию насадных редукторов относят компактные устройства для изменения крутящего момента, устанавливаемые на валу. Соединение с электродвигателем — фланцевое, для комплектации необходимы электромоторы с торцевым креплением. Соединение с выходным валом — с помощью пустотелого вала без дополнительных приспособлений, отсюда и название — насадные редукторы. Такая конфигурация упрощает их подбор для нестандартного оборудования, например, при модернизации технического парка станков, без их полной замены.

Насадные редукторы нельзя использовать в оборудовании, где может возникнуть резкое превышение нагрузки на выходной вал. В этом случае будет разрушена конструкция редуктора, в то время как в классической схеме от этого защищает соединительная муфта. Типы передач, используемые в насадных редукторах — обычные цилиндрические и косозубые.

Планетарные редукторы

Планетарная схема редуктора обладает самым выгодным соотношением веса и габаритов, притом, что КПД у нее такой же как и у цилиндрических шестеренчатых пар. Самый простой одноступенчатый планетарный редуктор имеет как минимум три-четыре шестерни: ведущая (так называемая солнечная шестерня), орбитальная и две-три шестерни-сателлиты. Так же как и цилиндрическая, планетарная передача может быть многоступенчатой. Передаточное число каждой ступени умножается на последующую и может быть доведено до очень большого значения. Число шестерен в таких редукторах — 10-15. По планетарной схеме изготавливаются только осевые колеса большого диаметра. Все остальные шестерни — стандартные из обычных редукторов, что снижает себестоимость производства.
Благодаря выгодному соотношению мощности и веса планетарные редукторы применяются в авиации, например, как вертолетные редукторы. Также их применяют в автомобильном транспорте: колесные редукторы, мотор-колеса, редукторы для спецтехники с гидродвигателем (дорожные катки, экскаваторы), но основная сфера их применения — машиностроение. Для привода металлообрабатывающих станков это очень удобный вариант из-за компактности и совпадения входной и выходной оси вращения. Компактный планетарный редуктор просто соединяется с электродвигателем и без изменения положения оси обеспечивает увеличение крутящего момента в 3-50 раз.

Планетарный мотор редуктор — универсальное приводное оборудование, используемое в разнообразных станках. Популярна серия МПО (Мотор-Редуктор Планетарный), которая выпускается большими сериями, а также на заказ в любом варианте мощности и оборотов, в рамках стандартных технологических решений и материалов.
Компоненты планетарного редуктора требуют повышенной точности изготовления. Используемый материал (легированная абразивостойкая сталь для шестерен и конструкционный чугун для корпуса) имеют одинаковый коэффициент теплового расширения. Комбинация различных материалов, например, легкого корпуса как в вертолетном редукторе требует специальных решений для компенсации неравномерностей при нагреве и в общепромышленном приводе не применяется.

Таблица 6. Характеристики планетарных одноступенчатых редукторов общепромышленного назначения

Способы крепления редукторов

Наиболее часто используется либо торцевое крепление редуктора, либо на лапах на ровной поверхности. Торцевой фланцевый способ обеспечивает компактность механизма. Крепление на плоской поверхности более универсально, но привод получается более громоздким. В производственных условиях это далеко не всегда имеет значение.
В мотор-редукторах используется сразу оба вида крепления: фланцевое для соединения с электродвигателем и на лапах для соединения привода с механизмом. Такую же схему имеют специальные коническо-цилиндрические редукторы с передаточным числом 100-300. Лапы рассчитаны на болтовое соединение. При модернизации оборудования устанавливаются различные устройства для совмещения нестандартного редуктора. В любом случае, при креплении необходимо обеспечить строгую соосность валов.
Соединение редуктора с валом выполняется с высокой точностью. На практике точность этого соединения зависит от точности установки самого редуктора. Используются соединительные муфты обычные или с дополнительными устройствами. Например, чтобы избежать поломки дорогостоящего приводного оборудования используют муфты со сцеплением. Их установка целесообразна только в оборудовании, характеризующимся наличием рывков и толчков.

Основные способы крепления

Смазка редукторов

Редукторы не могут работать без смазки. Если в промышленности встречаются узлы трения, работающие без смазки, например, безмаслянные компрессоры, то к редукторам это не относится ни в каком виде. Смазываются даже не несущие нагрузки шестеренчатые передачи в радиооборудовании, например в дисководах. Самая лучшая система смазки — маслозаполняемый герметичный картер. Именно такой вариант используется для редукторов общепромышленного назначения.
Наполнение масла картером делается не доверху. Если масло так перелить, то снижается КПД редуктора, так как много энергии начинает уходить на размешивание масла, вязкость которого постоянно повышается из-за загрязнения металлическими частицами. Эффективная схема с заливкой 1/7-1/5 картера. Оптимальный уровень обозначается на внутренней стороне картера, также указывается в руководстве по эксплуатации. Для распределения масла по шестерням устанавливается разбрызгивающее кольцо. На малогабаритных моделях кольцо сделано из пластика, на мощных — из металла.
Большое значение имеет сорт масла. Общепромышленные приводы смазываются обычным минеральным маслом с минимальным количеством добавок. Такой вариант дешев и доступен, что важно для снижения себестоимости производства. Если редуктор имеет климатическое исполнения У2 и У1, то требуется заливка морозостойкого сорта масла. Повышение вязкости с низкой температурой при редких запусках оборудования не так критично, так как его температура очень быстро восстанавливается при включении механизма.
Редукторы привода клапанов, рулевых машин, сервоприводов автоматика управления заправляются специализированными маслами, в том числе и полностью синтетическими композициями для получения высокой надежности и независимости от внешних температурных условий.
Мощные редукторы (например, привод прокатного стана) комплектуются специальной системой смазки. Используются все те же функциональные модули, что и в автомобилях: фильтры грубой и тонкой очистки, магнит для удаления частиц металла, масляный радиатор для охлаждения.

Корпуса редукторов

Для общепромышленных редукторов оптимален корпус из конструкционного чугуна. Этот материал дешевле стали, очень прочный, корпуса имеют большую толщину и хорошо противостоят коррозии. Правилами эксплуатации предусмотрена их двухсторонняя защита: внутреннее заполнением маслом и наружная покраска. У конструкционного чугуна есть еще одно преимущество — коэффициент теплового расширения равен легированной стали, из которой сделаны шестерни. В результате зазоры не изменяются в процессе нагрева редуктора до рабочей температуры (может достигать 70-100 С).

Распространены корпуса из алюминиевых сплавов. Авиационные редукторы комплектуются титановыми корпусами. Алюминиевый сплав часто используется в планетарных редукторах, в приводах, где нужна компактность и легкий вес. Алюминиевые корпуса имеют сложную форму. Благодаря текучести специальных алюминиевых сплавов при отливке возможно получение такой конфигурации, которую из чугуна отлить невозможно. Алюминиевым корпусам не требуется антикоррозийная защита.