Мотор-редуктор: устройство и назначение

Преимущества червячных редукторов и построенных на них приводов:

1. Поскольку входной и выходной валы червячного редуктора скрещиваются, привод на его основе обычно лучше компонуется в машине, занимая меньше места по сравнению с цилиндрическим редуктором (речь идет о редукторах с эквивалентными передаточным числом и передаваемой мощностью).

2.Передаточное число червячной пары может достигать 1:110 (в специальных случаях — ещё больше). Таким образом, червячная передача обладает гораздо большим потенциалом снижения частоты вращения и повышения крутящего момента по сравнению с другими видами передач. Достижение передаточных чисел такого порядка с использованием цилиндрических передач возможно только в трёхступенчатом редукторе (или в планетарном). В червячном для этого может быть использована только одна ступень. Это обстоятельство обуславливает относительную простоту и дешевизну червячных редукторов по сравнению с цилиндрическими (опять же речь идёт о сравнимых передаточных числах и передаваемых мощностях). Оборотной стороной этого преимущества, однако, является снижение КПД червячной передачи при увеличении её передаточного числа, об этом подробнее — см. раздел «недостатки».

3. Низкий уровень шума передачи, определяющийся особенностями зацепления, позволяет использовать червячные редукторы в машинах с высокими требованиями к бесшумности привода. Здесь, однако, нельзя забывать о шумах, производимых двигателями и приводимыми в движение механизмами.

4. Плавность хода червячной передачи. Благодаря особенностям работы червячного зацепления червячные редукторы обладают большей плавностью хода по сравнению с цилиндрическими.

5. Уникальное свойство червячной передачи – «самоторможение» (другой термин, обозначающий это явление – «отсутствие обратимости»). Суть его в том, что при отсутствии вращения ведущего вала (червяка) ведомый вал затормаживается, и его невозможно провернуть. Это свойство начинает проявляться при передаточных числах от 35 и выше. Более корректно было бы здесь говорить не о передаточном числе, а об угле подъёма червяка, при уменьшении которого в определённый момент возникает самоторможение. Полное самоторможение достигается в передаче, в которой угол подъёма винтовой линии червяка равен или меньше 3.5°. Однако производители редукторов далеко не всегда предоставляют информацию об этом параметре в своих каталогах, и разработчикам приходится оперировать именно передаточными числами. Описанное свойство, в зависимости от области применения редуктора, может быть как достоинством, так и недостатком. Например, было бы конструкторской ошибкой применять червячный редуктор в приводе, скажем, закаточного устройства, при заправке которого требуется вручную поворачивать бобину с закатываемым листовым материалом, так как червячный редуктор даже с передаточным отношением меньше 25 довольно тяжело провернуть за ведомый вал. Наоборот, применение червячного редуктора (с большим передаточным числом червячной пары) в приводе подъёмника позволяет во многих случаях отказаться от установки дополнительного тормозного устройства.

6. Существуют исполнения червячных редукторов с полым выходным валом. Эти варианты редукторов (называемые также “насадными”) позволяют устанавливать редукторы непосредственно на валы исполнительных механизмов без применения соединительных муфт или дополнительных механических передач. Такая установка в сочетании с применением так называемых “реактивных штанг” или фланцевых исполнений редуктора упрощает конструкцию и уменьшает габарит привода:

Описанным преимуществом могут обладать не только червячные редукторы, но и другие типы редукторов, за исключением, пожалуй, соосных цилиндрических, где такая установка невозможна из-за их конструктивных особенностей. Здесь следует отметить, что иногда отсутствие предохранительной муфты между выходным валом редуктора и валом приводимого в движение механизма может привести к поломке редуктора из-за приложения нештатной нагрузки к выходному валу, превышающей номинальный выходной момент редуктора. В таких случаях задача конструктора – либо обеспечить отсутствие вероятности приложения таких нагрузок, либо защитить от них привод, например, с помощью муфты.

Сказанное в большей степени относится именно к червячным редукторам из-за их самоторможения.

Принцип работы редукторов

Так как в основе работы редуктора лежит передача и преобразование крутящего момента, основной характеристикой механических редукторов является тип механической передачи, которая в них используется.

Типы передач:

• Цилиндрическая зубчатая передача – один из самых надежных и долговечных типов передач, обеспечивающий высокий ресурс использования. Как правило, применяется в редукторах с особо сложным режимом работы. Этот тип передач подразделяется на прямозубные передачи, косозубчатые и шевронные передачи;
• Коническая зубчатая передача – в отличие от предыдущей имеет оси входных и выходных валов, которые пересекаются друг с другом. Роторы с такой передачей используются когда необходимо изменить направление передаваемой кинетической энергии;
• Червячная передача – это механическая передача от винта («червяка») к зубчатому колесу. Имеют достаточно высокое передаточное отношение и относительно низкое КПД. Бывают однозаходные и многозаходные;
• Гипоидная передача (спироидная) – использует для передачи конические колёса со скрещивающимися осями (колеса могут иметь косые или криволинейные зубья). Такой тип передачи отличается низким шумом работы, плавностью хода и высокой нагрузочной способностью;
• Цепная передача – как понятно из названия, использует гибкую цепь для передачи механической энергии. Состоит из двух звёздочек (ведущей и ведомой) и цепи, состоящей, в свою очередь, из подвижных звеньев. Это один из самых универсальных, простых и экономичных типов передач;
• Ремённая передача – передача энергии при помощи гибкого ремня за счет силы трения или сил зацепления (в случае с зубчатыми ремнями). Состоит из ведущего и ведомого шкивов, а также приводного ремня. К преимуществам можно отнести недорогую стоимость, бесшумность и плавность работы, а также легкий монтаж и компенсацию перегрузок за счет проскальзывания;
• Винтовая передача – преобразует поступательное движение во вращательное, и наоборот. Как правило, представляет собой конструкцию, состоящую из винта и гайки. Бывает передача качения и скольжения. Эта передача чаще используется не для перемещения, а для закрепления. Применяется в регулировочных винтах, приводах исполнительных органов механизмов, различных инструментах;
• Волновая передача – относительно новый тип передач, характеризующийся очень высоким передаточным отношением. Работает за счёт генерирования волн на гибком колесе, оснащенным меньшим количеством зубьев чем жесткое колесо, и смещения колесо относительно друг друга на разницу зубьев за один оборот. Среди достоинств – малый вес, высокая кинематическая точность, способность передачи момента через герметичные стенки.

Число ступеней редуктора

Как правило, редукторы, состоящие только из одной передачи, встречаются крайне редко. Такой тип редукторов называется одноступенчатым. Куда больше распространение получили двух-трех и многоступенчатые редукторы, причем в таких редукторах могут встречаться как передачи одного типа, так и несколько различных передач, комбинированных между собой. Общее передаточное отношение редуктора напрямую зависит от типа используемой передачи и количества ступеней. В некоторых механизмах количество ступеней может до десятков и сотен тысяч.

Валы редуктора

Размещение различных передач в одном корпусе редуктора позволяет разместить опоры валов с очень точно соблюдённой соосностью и строго выдержанными межосевыми расстояниями. Передача крутящего момента может осуществляться между параллельными, пересекающимися и даже перекрещивающимися валами. Взаимное расположение валов определяет, какой именно тип передачи будет использоваться в данном редукторе. Так, например, для передачи вращения между валами, расположенными параллельно используются цилиндрические зубчатые передачи. Если валы пересекаются – применяют конические зубчатые передачи, а в случае с перекрещивающимися валами оптимальным будет применение червячных, зубчато-винтовых и гипоидных передач. По количеству возможных скоростей выходного вала редукторы можно разделить на механизмы с постоянным показателем передаточного отношения (односкоростные редукторы), а также на двух – и многоскоростные редукторы, с возможностью изменения передаточного отношения.

Виды мотор-редукторов

Сегодня разработано много вариантов мотор-редукторов, различающихся типом мотора, принципом построения механической части и общей геометрией. Фактически все допустимые конфигурации присутствуют в каталогах изготовителей.

По виду механического зацепления разделяют цилиндрические, конусообразные, червячные и планетарные модели. По обоюдному расположению входного и выходного валов рассматривают соосные, параллельные и угловые варианты. Исходя из передаваемых мощностей выделяют модули обыкновенного размера и мини мотор-редукторы. По типу присоединения к процессу, можно встретить варианты с одно- и двухсторонним валом, а еще с пустотелым выходным валом.

Цилиндрические мотор-редукторы

Агрегаты, применяющие традиционные цилиндрические редукторы приобрели огромное распространение, за счёт простоты, надежности и многофункциональности механической части устройства. Их применение возможно в большом спектре оборудования. В зависимости от всей конструкции, цилиндрические мотор-редукторы делаются с соосными или параллельными валами. Кол-во ступенек может изменяться от одной до 6-ти.

По методу расположения шестерен и общей компоновке выделяют вертикальные и горизонтальные модели. Данные устройства отличаются большим коэффициентом полезного действия, долговечностью и практически небольшой стоимостью. В отличии от многих иных вариантов, цилиндрические редукторы как правило не допускают произвольного расположения в пространстве, что существенно уменьшает их область использования.

Конусообразные мотор-редукторы

Устройства, собранные на основе конусообразных шестерен, дают возможность построить угловой конусообразный мотор-редуктор. Его основной особенностью будет перпендикулярное расположение входного и выходного валов. Это ориентирует их на применение в устройствах, требующих смены направления осей. Также конусообразные модели выгодно ставить в конструкциях, предъявляющих ограничение по одному из больших размеров устройства. Редукторы этого типа отличительны более большой ценой, в виду существенной трудности изготовления некоторых деталей. Передаточное отношение конусообразных моделей в большинстве случаев невелико. Для его увеличения, конусообразную и цилиндрическую передачи часто сочетают, результатом чего становится коническо-цилиндрический мотор-редуктор.

Червячные модели

Сегодня, большую популярность получили червячные одноступенчатые мотор-редукторы. В качестве механической передачи в них применяется червячная пара. Она обеспечивает высокое передаточное отношение при сравнительно малых габаритах. Из-за этого стоимость червячных моделей ниже заменителей с иной конструкцией. Среди остальных особенностей необходимо отметить перпендикулярное расположение валов и самостоятельное затормаживание механизма при отсутствии внешнего поступления энергии.

В отличии от цилиндрических и конусообразных моделей, приложение усилия к выходному валу не приводит к проворачиванию механизма. Из-за этого такие редукторы нередко применяют в ответственных решениях и подъемно-транспортных устройствах. Червячные редукторы как правило не требовательны к положению установки. Благодаря герметичному корпусу их можно располагать произвольным образом, благодаря чему данные модели широко используются для модернизации привода станков, промышленных линий и прочих механизмов. Из минусов червячных моделей в большинстве случаев выделяют маленькой КПД и очень высокое тепловыделение.

Планетарные и волновые мотор-редукторы

Благодаря компактности и высоким рабочим моментам, планетарные мотор-редукторы нашли большое применение в маленьких устройствах привода. Высокое передаточное отношение и способность работать с чрезмерными нагрузками, ориентирует их на применение одновременно с серводвигателями промышленных роботов и прочих автоматизированных устройств. Встречаются планетарные модели и общепромышленного использования. Благодаря конструкционным особенностям зубчатой передачи, эти модели мотор-редукторов делаются с соосными валами. Это дает возможность их применять для привода фактически любых механизмов.

Будущим развитием планетарных передач стали волновые редукторы. Они предоставляют большое передаточное отношение, мягкий ход и большую точность позиционирования выходного вала. Из-за этого подобные модели стали основой построения промышленных роботов. Вместе с высокими свойствами, такие типы передач отличительны большими требованиями к изготовлению, а, поэтому, и большой ценой, что значительно сдерживает распространение таких моделей.

Применение цилиндрических редукторов

Назначение редуктора – понижение числа оборотов двигателя и увеличение мощности на выходном валу. Сборка цилиндрического редуктора не представляет сложности. По центру отверстий проходит разъем корпуса и крышки. Подшипники насаживаются на валы, устанавливаются в заготовленные гнезда и подпираются снаружи крышками.

Колеса и шестерни крепятся на валы с помощью шпонок.

Для регулировки межосевого расстояния необходимо с большой точностью делать расточку корпуса.

Техобслуживание редукторов простое. Надо регулярно доливать масло, периодически менять его. Детали, расположенные внутри, рассчитаны на длительную эксплуатацию в течение как минимум 10 лет.

Прокатное и кузнечно-прессовое оборудование не сможет работать без редукторов. В этой отрасли востребовано много разновидностей редукторов. Прямозубые стоят на кранах. Мощные шевронные вращают кривошипные прессы, вальцы, манипуляторы, подающие металл.

Прокатные т-правильные станы работают исключительно благодаря клетям, передающим вращение двигателя на валки и рабочие узлы.

Под каждым капотом прячется коробка скоростей. На каждом станке имеется редуктор или несколько. Маленькие передачи установлены в электроинструменте и регулируют скорость вращения шпинделя дрели, болгарки и фрезера.

Применение мотор-редуктора

Область применения мотор-редукторов практически полностью перекрывает варианты, использующие связку отдельных электродвигателя с редуктором. В большинстве случаев применение моноблочных моделей дает дополнительную выгоду по массе, габаритам и стоимости. Преимущества раздельного исполнения ограничены случаем использования демпфирующих муфт. Такие муфты способны расцеплять вал двигателя от вала редуктора при значительных динамических нагрузках. В мотор-редукторах скачки нагрузок с большой долей вероятности приведут к разрушению конструктивных элементов. Поэтому при выборе конкретных моделей следует учитывать запас по динамической прочности. Среди недостатков следует учитывать и меньшую ремонтопригодность. При выходе из строя механической части потребуется заменить весь агрегат, а не отдельную часть. Выход из строя электродвигателя менее критичен, так как его замена допускается большинством конструкций редукторов.

В некоторых случаях единая конструкция становится незаменимой. В миниатюрных устройствах автоматики и роботах, использование отдельных привода и механической передачи способно значительно усложнить и укрупнить конструкцию, понизить ее надежность. Конечной целью таких устройств является не поддержание требуемой скорости, а точное позиционирование отдельных элементов. В таких системах большое распространение нашли малогабаритные мотор-редукторы. В качестве привода в них используются шаговые, либо бесколлекторные двигатели, обеспечивающие высокую точность работы.

Конструктивные особенности взрывозащищённых мотор-редукторов

Отдельный класс мотор-редукторов.

Они состоят из редуктора, взрывозащищённого электродвигателя или из редуктора, взрывозащищённого электродвигателя и взрывозащищённого тормоза, а также, могут изготовлены быть под частотное регулирование.

Мотор-редукторы данного вида подбираются по климатическому исполнению, классу взрывоопасной зоны, классу взрывоопасной смеси. 

Характеристики мотор-редуктора по умолчанию

• на 380 Вольт,
• климатическое исполнение У3 (электродвигатель У2),
• степень защиты 1ЕхdIIBT4(класс взрывоопасной зоны 2).

Всё отличное от этого оговаривается при заказе.

Отличия от общепромышленного мотор-редуктора

1. Главным отличием от общепромышленного мотор-редуктора является факт нормирование температуры нагрева корпуса, как электродвигателя, так и редуктора. Для температурного класса Т4 это 135 градусов, для температурного класса Т5 — 100 градусов, для температурного класса Т6 — 85 градусов. При этом указанные температуры должны быть при верхнем значении рабочей температуры окружающей среды. По этой причине червячные мотор-редукторы и фрикционные мотор-вариаторы в оборудовании с классом T6 не применяются, так как они могут нагреваться до 90-95 градусов. Температурный класс определяется как температура вспышки взрывоопасной смеси  минус 50 . В большинстве случаев хватает температурного класса Т4.
2. Если общепромышленный электродвигатель комплектуется только одним типом кабельного ввода, то взрывозащищённый комплектуется несколькими типами в зависимости от типа кабеля и наличия металлорукава:
   • • для обычного кабеля,
     • для бронированного кабеля,
     • для трубной прокладки,
     • для металлорукава.

   По умолчанию электродвигатель поставляется с кабельным вводом для обычного кабеля. Для зарубежных электродвигателей необходимо указывать тип кабеля, так как они комплектуются кабельным вводом сборщиком мотор-редуктора.

3. Ещё одно отличие при заказе мотор-редуктора с тормозом. Тормоз может быть как в электродвигателе, так и отдельной единицей. Если тормоз является отдельной единицей, то он может крепиться между электродвигателем и редуктором, или на второй  входной конец вала редуктора (если это позволяет редуктор). Когда тормоз является отдельной единицей —  электродвигатель может быть российского производства. Когда тормоз отдельная единица, то температура эксплуатации мотор-редуктора может быть минус 50 градусов (без подогрева).
4. Мотор-редуктор с электродвигателем, имеющем защиту 1ExdIICT4, может применяться и там, где требуется взрывозащита 1ExdIIBT4 (но, не наоборот). Мотор-редуктор с электродвигателем, имеющем защиту 1ExdIIBT4, может применяться там, где требуется взрывозащита  1ExdIIAT3 (но, не наоборот).

Работа от преобразователя частоты

Все мотор-редукторы с взрывозащищёнными электродвигателями могут работать от преобразователя частоты с диапазоном регулирования от 35 до 50 Гц без дополнительных опций. Работа в диапазоне регулирования от 5 до 50 Гц приводит к снижению мощности электродвигателя (или увеличению размеров электродвигателя при той же  мощности), или его оснащению дополнительными опциями, например, вентилятором.

Так, 3 кВт электродвигатель превращается в 1,9 кВт. Дополнительные опции в электродвигателях российского производства появляются в электродвигателях 132 габарита и выше. Электродвигатель с дополнительными опциями (вентилятор принудительного охлаждения) может работать и на частотах от 1 Гц. Если у вас диапазон регулирования 5-50 Гц, то момент редукторной части рассчитывается по мощности сетевого питания,то есть, по большей мощности с коррекцией (уменьшением) на 0,05 коэффициентов. В любом случае, момент на редукторе не должен быть выше 1,6 табличного во всех режимах работы мотор-редуктора. В противном случае, мотор-редуктор очень быстро выйдет из строя.

Следует отметить, что обдув редукторной части в мотор-редукторах имеющих крыльчатку на втором конце вала быстроходной ступени, с уменьшением частоты вращения электродвигателя также падает, что может привести к перегреву редуктора. Решением может быть только установка электровентилятора (взрывозащищённого) со стороны редукторной части.

Принцип работы редукторов

Так как в основе работы редуктора лежит передача и преобразование крутящего момента, основной характеристикой механических редукторов является тип механической передачи, которая в них используется.

Типы передач:

• Цилиндрическая зубчатая передача – один из самых надежных и долговечных типов передач, обеспечивающий высокий ресурс использования. Как правило, применяется в редукторах с особо сложным режимом работы. Этот тип передач подразделяется на прямозубные передачи, косозубчатые и шевронные передачи;
• Коническая зубчатая передача – в отличие от предыдущей имеет оси входных и выходных валов, которые пересекаются друг с другом. Роторы с такой передачей используются когда необходимо изменить направление передаваемой кинетической энергии;
• Червячная передача – это механическая передача от винта («червяка») к зубчатому колесу. Имеют достаточно высокое передаточное отношение и относительно низкое КПД. Бывают однозаходные и многозаходные;
• Гипоидная передача (спироидная) – использует для передачи конические колёса со скрещивающимися осями (колеса могут иметь косые или криволинейные зубья). Такой тип передачи отличается низким шумом работы, плавностью хода и высокой нагрузочной способностью;
• Цепная передача – как понятно из названия, использует гибкую цепь для передачи механической энергии. Состоит из двух звёздочек (ведущей и ведомой) и цепи, состоящей, в свою очередь, из подвижных звеньев. Это один из самых универсальных, простых и экономичных типов передач;
• Ремённая передача – передача энергии при помощи гибкого ремня за счет силы трения или сил зацепления (в случае с зубчатыми ремнями). Состоит из ведущего и ведомого шкивов, а также приводного ремня. К преимуществам можно отнести недорогую стоимость, бесшумность и плавность работы, а также легкий монтаж и компенсацию перегрузок за счет проскальзывания;
• Винтовая передача – преобразует поступательное движение во вращательное, и наоборот. Как правило, представляет собой конструкцию, состоящую из винта и гайки. Бывает передача качения и скольжения. Эта передача чаще используется не для перемещения, а для закрепления. Применяется в регулировочных винтах, приводах исполнительных органов механизмов, различных инструментах;
• Волновая передача – относительно новый тип передач, характеризующийся очень высоким передаточным отношением. Работает за счёт генерирования волн на гибком колесе, оснащенным меньшим количеством зубьев чем жесткое колесо, и смещения колесо относительно друг друга на разницу зубьев за один оборот. Среди достоинств – малый вес, высокая кинематическая точность, способность передачи момента через герметичные стенки.

Число ступеней редуктора

Как правило, редукторы, состоящие только из одной передачи, встречаются крайне редко. Такой тип редукторов называется одноступенчатым. Куда больше распространение получили двух-трех и многоступенчатые редукторы, причем в таких редукторах могут встречаться как передачи одного типа, так и несколько различных передач, комбинированных между собой. Общее передаточное отношение редуктора напрямую зависит от типа используемой передачи и количества ступеней. В некоторых механизмах количество ступеней может до десятков и сотен тысяч.

Валы редуктора

Размещение различных передач в одном корпусе редуктора позволяет разместить опоры валов с очень точно соблюдённой соосностью и строго выдержанными межосевыми расстояниями. Передача крутящего момента может осуществляться между параллельными, пересекающимися и даже перекрещивающимися валами. Взаимное расположение валов определяет, какой именно тип передачи будет использоваться в данном редукторе. Так, например, для передачи вращения между валами, расположенными параллельно используются цилиндрические зубчатые передачи. Если валы пересекаются – применяют конические зубчатые передачи, а в случае с перекрещивающимися валами оптимальным будет применение червячных, зубчато-винтовых и гипоидных передач. По количеству возможных скоростей выходного вала редукторы можно разделить на механизмы с постоянным показателем передаточного отношения (односкоростные редукторы), а также на двух – и многоскоростные редукторы, с возможностью изменения передаточного отношения.

Процесс проектирования одноступенчатого цилиндрического редукторов

Перед тем как приступать к изготовлению этого устройства производится проектный расчет:

• подбора материалов;
• выбор максимально допустимого напряжения на качение;
• вычисление чистого полезного кручения вала.

В рамках произведения работ осуществляется подготовка  эскизной компоновки редуктора.

Расчет размеров валов этого устройства производится в 2 этапа:

1. приблизительный подсчет количества оборотов чистого кручения;
2. точный расчет прочностных показателей напряжения изгиба и кручения.

Для производства подобных агрегатов рекомендуется использовать термически обработанную легированную сталь. Расчет валов при составлении проекта осуществляется в зависимости от напряжения кручения, концентрации напряжения, его циклов

Если планируется установка валов быстрого хода, то для расчета берутся во внимание меньшие значения, тихого хода — большие

Для достижения сбалансированности и соосности расположения разнообразных элементов этого устройства разрабатываются кинематические схемы одноступенчатых редукторов. Они представляют собой изображения в разных разрезах корпуса и деталей, из которых состоит редуктор, отражают их взаимное расположение, пропорции, места сопряжения и т.д.

Компоновка одноступенчатого редуктора может быть разной. Он может иметь дополнительные, существенно улучшающие его работу элементы. Например, масляный насос, который осуществляет принудительную смазку в местах, куда не попадает жидкость при вращении маховика звездочки или в редукторе червячного типа.

Создать такое устройство можно и самому, но для этого потребуется приобрести необходимые запасные части. Важным элементом редуктора, который влияет на его характеристики, является корпус и размер звёздочек, диаметр червячного механизма. Для человека, не имеющего в этом деле опыта, потребуется терпение и усердие, но достичь желаемой цели — создать редуктор с необходимыми параметрами все же можно.

Сборка устройства в этом деле является самой легкой работой, а самой ответственной и сложной — это проектирование и подбор необходимых элементов, запасных частей и деталей.