2. Обзор конструкций редукторов

В машиностроении накоплен значительный опыт проектирования, производства и эксплуатации различных передач. Процесс проектирования передач, как правило, начинается с обзора уже существующих работоспособных конструкций и подбора среди них подходящего аналога. В дальнейшем выбранный аналог дорабатывается с учетом требований предъявляемых к конкретному разрабатываемому устройству. Такой путь позволяет, сохранив достоинства и предусмотрев недостатки известных конструкций, существенно сократить трудозатраты на разработку нового устройства. Поэтому прежде чем приступить непосредственно к проектированию передач рассмотрим их конструкции.

Зубчатые редукторы – это механизмы, служащие для понижения угловых скоростей и увеличения крутящих моментов и выполняемые в виде отдельных агрегатов. Редукторы широко применяют в различных областях машиностроения, особенно в подъемно-транспортном, металлургическом, химическом машиностроении, автомобилестроении, судостроении и т. д.

Р едуктор (рис. 2.1) состоит из корпуса 1 с крышкой 2, зубчатых колес 3, валов 4, подшипниковых опор 5, уплотнительных устройств 6, элементов систем смазки вентиляции. Как правило, различные редукторы имеют сходную конструкцию многих сборочных единиц. Редукторы классифицируются по типам, типоразмерам и исполнениям.

Т и п редуктора определяется составом передач, порядком их размещения в направлении от быстроходного вала к тихоходному и положением осей валов в пространстве.

2.1. Зубчатые редукторы

Наиболее распространенные типы зубчатых редукторов показаны на кинематических схемах (рис. 2.1), где входной (быстроходный) вал обозначен Б, а выходной (тихоходный) – Т.

Цилиндрические редукторы. Самый простой одноступенчатый цилиндрический зубчатый редуктор (рис.2.1, а) применяют при передаточном числе u ≤ 8. Наиболее распространенной схемой двухступенчатых редукторов является развернутая (рис. 2.1, б). В ней каждая ступень состоит из одной пары зубчатых колес. Преимущество этой схемы: малая ширина редуктора и высокая технологичность изготовления. Недостаток конструкции заключается в том, что вследствие несимметричного расположения зубчатых колес относительно опор: подшипники нагружены неравномерно; в результате деформаций изгиба и кручения валов возникает повышенная концентрация нагрузки по длине зубьев. Поэтому такие редукторы требуют жестких валов.

Для передачи момента от ведущего вала к ведомому, имеющих одну общую ось, применяют соосную схему редуктора (рис. 2.1, в). Соосные редукторы имеют меньшие габариты по длине, позволяют получить более высокое передаточное число и в ряде случаев более удобную компоновку машины в целом.

Для улучшения условий работы зубчатых колес и получения равномерной нагрузки на подшипники применяют редукторы с раздвоенной быстроходной парой (рис. 2.1, г). Для обеспечения равномерной нагрузки обеих зубчатых пар быстроходной ступени их делают косозубыми. Колеса одной пары имеют левые зубья, а колеса другой пары – правые зубья. Один из валов редуктора должен допускать осевую самоустановку. Деформации валов тихоходной ступени не вызывают какой-либо существенной концентрации нагрузки по длине зубьев вследствие симметричного расположения колес. Редуктор с раздвоенной ступенью более компактны, имеют массу на 20% меньше, чем редукторы с развернутой схемой, однако изготовление его более трудоемко. Область применения этой схемы - машины, работающие с большими перегрузками.

Для передачи очень больших вращающих моментов применяются многопоточные редукторы (рис. 2.1, д). В них за счет разделения силового потока уменьшается нагрузка на зубья, радиальный габарит и масса редуктора по сравнению с однопоточным редуктором. Однако многопоточные редукторы значительно сложнее конструктивно, чем обычные редукторы, так как требуют устройств для выравнивания нагрузки между потоками или высокой точности изготовления.

Конические редукторы. При необходимости взаимной перпендикулярности входного и выходного валов и небольшом передаточном отношении (u ≤ 6,3) применяют конические редукторы, а при больших передаточных отношениях – комбинированные коническо-цилиндрические редукторы (рис. 2.1, е). Конические передачи сложнее цилиндрических в изготовлении и сборке. Для нарезания зубьев конических колес требуются специальные станки и инструмент, а при сборке редуктора необходимо обеспечить совпадение вершин конусов. Поэтому для обеспечения совпадения вершин конусов вводят регулирование осевого положения колес во время сборки. Точность положения конических колес контролируют по расположению пятна контакта. Из условия компоновки редуктора коническую шестерню обычно размещают на консоли ведущего вала, что ухудшает равномерность распределения нагрузки по длине зуба. Коническую пару в многоступенчатых передачах целесообразно компоновать в качестве быстроходной, как имеющей более низкую нагрузочную способность. При такой компоновке, осевые нагрузки на опоры конической пары меньше. Если редуктор нереверсивный, то цилиндрическую пару делают косозубой. При этом направление зубьев согласуют с направлением вращения колес так, чтобы осевые силы на промежуточном вале от конической и цилиндрической зубчатых пар были направлены в противоположные стороны.

Планетарные и волновые редукторы. Ранее были рассмотрены редукторы с простыми зубчатыми передачами, у которых оси зубчатых колес неподвижны. Передачи, включающие зубчатые колеса с перемещающимися осями, называют планетарными (рис.2.1, ж). Сателлиты q обкатываются по центральным колесам (солнечному – a и эпициклическому – b), имеющим внешнее или внутреннее зацепление. Оси сателлитов закреплены в водиле h и вращаются вместе с ним вокруг центральной оси. Планетарные зубчатые редукторы по сравнению с простыми зубчатыми отличаются большей компактностью и меньшей массой при одинаковых передаточных отношениях и вращающих моментах на выходных валах. Эти преимущества объясняются следующими причинами: а) распределением нагрузки между сателлитами, благодаря чему нагрузки на зубьях уменьшаются в несколько раз; б) большим передаточным отношением в одной ступени, что часто позволяет не прибегать к сложным многоступенчатым передачам; в) наличием внутреннего зацепления, обладающего повышенной несущей способностью; г) меньшей нагруженностью валов, так как при симметричном расположении сателлитов входные и выходные валы нагружены только вращающим моментом и опоры этих валов разгружены от радиальных нагрузок. Зато планетарные передачи требуют повышенной точности изготовления, имеют, как правило, большее число деталей и сложнее в сборке, чем передачи с неподвижными осями.

Волновая передача (рис. 2.1, з) состоит из трех основных звеньев: неподвижного жесткого колеса b с внутренними зубьями, гибкого колеса q, представляющего собой упругий тонкостенный стакан, основание которого соединено с ведомым валом (на образующей открытого торца гибкого колеса выполнен зубчатый венец), и генератора волн h, деформирующего в радиальном направлении гибкое колесо. Разновидность волновых редукторов определяется главным образом конструкции генератора и гибкого колеса. Генераторы волн часто выполняют в виде кулачка с гибким подшипником или двух дисков, установленных на эксцентриковом валу. Конструкции гибких колес волновых редукторов бывают в виде стакана, трубы и кольца. Передаточное отношение волнового редуктора i = 80…300 и более. Это основной качественный показатель волновых передач, выгодно отличающий их от других зубчатых передач, в том числе и планетарных. К тому же отметим, что в зацеплении у волновой передачи находится одновременно 25...30% зубьев от общего числа зубчатой пары колес. Это обеспечивает высокую кинематическую точность и нагрузочную способность на единицу массы. Однако малая долговечность гибкого колеса ограничивает область применения передачи преимущественно приводами кратковременного действия.