4. Комбинированные редукторы

Комбинированные редукторы представляют собой сочетание зубчатых (цилиндрических и конических) и червячных передач, например, коническо-цилиндрический или червячно-цилиндрический редукторы и т.п. При выборе того или иного типа редуктора необходимо, прежде всего, опираться на данные нагрузки – усилия, масса, момент инерции, время работы, количество включений в час.

По числу пар передач редукторы делятся на одноступенчатые и многоступенчатые.

Одноступенчатый цилиндрический редуктор обычно применяют при передаточном числе u≤7. Одноступенчатый редуктор наиболее прост и надежен в работе. Он применяется для мощностей до 40 кВт. Из редукторов данного вида наиболее распространенным является горизонтальный. Корпуса чаще выполняют литыми чугунными, реже сварными алюминиевыми. При серийном производстве целесообразно применять литые корпуса. Валы монтируют на подшипниках качения или скольжения. Подшипники скольжения обычно применяют в тяжелых редукторах. Для удобства совместной компоновки привода (абсолютным расположением двигателя и рабочего вала приводимого в движение устройства и т.д.), отдают предпочтение либо горизонтальной, либо вертикальной схеме редуктора.

Двухступенчатые цилиндрические редукторы обычно применяются при передаточных числах u ≤ 40. Первая (быстроходная) ступень редуктора во многих случаях имеет косозубые колеса; тихоходная ступень может быть выполнена с прямозубыми колесами. Не менее часто применяют редукторы, у которых обе ступени имеют колеса одинакового типа (прямозубые, косозубые и шевронные). Наиболее распространены редукторы двухступенчатые горизонтальные, выполненные по развернутой схеме. Эти редукторы отличаются простотой, но из-за несимметричного расположения колес на валах повышается концентрация нагрузки по длине зуба. Поэтому в этих редукторах следует применять жесткие валы.

Трехступенчатый цилиндрический редуктор обеспечивает передаточное число u≤150 и выше. Достоинство данной схемы симметричное расположение зубчатых колес всех ступеней.

Коническо-цилиндрический двухступенчатый редуктор – это разновидность редуктора по конструктивному выполнению рабочих элементов. Он, как и все редукторы, предназначен для изменения скорости вращения при передаче вращательного движения от одного вала к другому валу. Именно редукторный привод один из наиболее распространенных видов приводов нынешних механических систем общепромышленного применения. В таких редукторах коническая пара может иметь прямые, косые или криволинейные зубья. Цилиндрическая пара также может быть либо прямозубой, либо косозубой.

Цилиндрически – червячные двухступенчатые редукторы, серийно изготовляемые у нас в стране, могут иметь передаточное отношение от 16 до 630; частота вращения выходного вала может быть от 3 до 94 об/мин; номинальный крутящий момент – от 8 до 3000 Нм.

5. Фрикционные передачи

Фрикционная передача относится к передачам трения и служит для передачи вращательного момента за счет сил трения, возникающих между колесами, насаженными на валы и прижимаемыми один к другому. Простейшая фрикционная передача включает в себя ведущий 1 и ведомый 2 катки и две опоры 3 и 4, одна из которых может смещаться для создания начального прижатия катков (рис.2.16, а).

Рис. 2.16. Схемы фрикционных передач:

1 – ведущий каток; 2 – ведомый каток; 3, 4 – опора;

Фрикционные передачи классифицируют по следующим признакам:

• по назначению – с нерегулируемым передаточным числом; с бесступенчатым регулированием передаточного числа (вариаторы) без промежуточного и с промежуточным валом;

• по взаимному расположению осей валов – цилиндрические (рис.2.16 а, в) или конусные с параллельными осями; конические (рис. 2.16 б) и лобовые с пересекающимися осями; торовые соосные;

• для преобразования вращательного движения ведущего катка 1 в поступательное движение ведомого звена 3 (рис.2.16 г).

С помощью катков можно образовать механизм (передачу) с изменяемым (переменным) передаточным отношением – вариатор. На рис. 2.17 показан лобовой вариатор, в котором ведущий каток 1 может перемещаться по своему валу (вдоль оси) в осевом направлении (как показано стрелками). Передаточное отношение этого вариатора будет непрерывно изменяться по мере изменения радиуса R. Если каток 1 будет на «оси» катка 2, то последний будет неподвижным. При переводе катка 1 в левую часть катка 2 изменится направление вращения ведомого катка (реверсивное движение).

Рис. 2.17. Лобовая фрикционная передача (вариатор):

1 – ведущий каток; 2 – ведомый каток.

Р аспространены вариаторы: конусные (рис 2.18 а), многодисковые (рис. 2.18 б), шаровые (рис. 2.18 в, е), торовые (рис. 2.18 г,д) и другие.

Рис. 2.18. Типы вариаторов:

а) конусный многодисковый; б) многодисковый; в) шаровой; г) торовый; д) торовый; е) шаровой.

Конусные многодисковые вариаторы (рис.2.18, а) имеют тела качения – пакеты конических раздвижных дисков и пакеты раздвижных дисков с коническими поясками.

Регулирование частот вращения осуществляется смещением осей промежуточных валов, в результате чего меняется расстояние от оси вращения до площадок контакта конических дисков с сопряженными дисками; диапазон регулирования до 5.

Среди фрикционных вариаторов с жесткими телами качения многодисковые вариаторы являются наиболее перспективными.

Шаровые соосные сдвоенные вариаторы (рис 2.18 в, е) имеют тела качения в виде двух соосно-расположенных на входном и выходном валах конусных чашек и шаров. Регулирование частот вращения достигается поворотом геометрических осей шаров, благодаря чему одновременно увеличивается радиус качения шаров по одной чашке и уменьшается радиус качения по другой чашке.

Диапазон регулирования вариатора 10…12.

Торовый вариатор (рис. 2.18 г, д) имеет на входном и выходном валах торовые чашки, между которыми вращаются два или три ролика. Рабочий профиль чашек очерчен дугами окружности с общим центром кривизны. Частота вращения регулируется изменением угла наклона осей вращения роликов.

Преимущественно применяемые материалы тел качения – сталь по тексталитуц (обод ролика). Вариатор имеет начальное касание по линии и работает без смазывания. Диапазон регулирования вариатора 4…6.

В зависимости от условий работы различают: открытые, работающие всухую (без смазки); и закрытые, работающие при наличие смазочного материала. При работе всухую передача обладает большей нагрузочной способностью (коэффициент трения велик), но при проскальзывании возможен значительный нагрев в области контакта и повреждение рабочих поверхностей при перегрузках.

Наличие смазочного материала стабилизирует работу передачи, хотя и снижает коэффициент трения. Для таких передач характерна большая долговечность и надежность. В зоне контакта из-за высоких контактных давлений повышается вязкость масла, а тем самым и сопротивление сдвигу слоев масляной пленки, разделяющей рабочие тела. В результате этого возможна передача значительных касательных усилий через масляную пленку в зоне контакта. Для смазывания фрикционных передач следует применять специальные высокотяговые масла, увеличивающие коэффициент трения в контакте. К ним относятся зарубежные масла Santotrac – 50, отечественные аналоги ВТМ-1 и ВТМ-2 и другие, у которых коэффициент трения в среднем в 1,2…1,5 раз выше, чем у минеральных масел, и может достигать значений f =0,10…0,20.

Достоинства фрикционных передач заключаются в следующем:

• простота конструкции, большие кинематические возможности;

• бесступенчатое регулирование скорости, включение, выключение, реверс на ходу;

• преобразование вращательного движения в поступательное;

• предохранительные свойства за счет пробуксовки (проскальзывания) при перегрузках;

• бесшумность, плавность (безударность) работы.

Недостатками фрикционных передач является:

• непостоянство передаточного числа из-за проскальзывания;

• большие нагрузки на валы и их опоры, они приводят к громоздкости конструкций и большим потерям энергии на преодоление сил трения;

• сравнительно низкий КПД в открытых передачах;

• повышенный и неравномерный износ при буксовании;

• необходимость специальных нажимных устройств для прижатия одного тела качения к другому.

Фрикционные передачи и вариаторы применяются в широком диапазоне мощностей. Максимальная передаваемая мощность 10…20 кВт для открытых передач и 200…300 кВт для закрытых передач, работающих в масле. Окружные скорости силовых открытых передач из-за значительного нагрева не должна превышать 7…10 м/с.

Рабочие тела фрикционных передач должны обладать рядом особых свойств, обусловленных спецификой работы передачи. К таким свойствам можно отнести:

• высокий коэффициент трения;

• высокий модуль упругости для обеспечения значительных сил прижатия;

• высокую контактную усталостную прочность;

• высокую износостойкость.

Закаленная сталь по закаленной стали обеспечивает наименьшие габариты и высокий КПД передачи, но требует точного изготовления и высокого качества отделки поверхностей трения. К таким материалам можно отнести шарикоподшипниковую сталь ШХ-15 с твердостью рабочих поверхностей 62…65 НRС. При ее применении следует обращать особое внимание на точность состава химических компонентов, так как при наличии касательных сил в контакте неметаллические включения плохо сопротивляются их воздействию, что приводит к снижению ресурса передачи в несколько раз. Передачи с рабочими телами, изготовленными из закаленных сталей, работают, как правило, в масле.

Для материалов сталь – пластмасса требуется менее высокая точность изготовления и отделки контактирующих поверхностей. Передача работает без смазки. В связи с большим коэффициентом трения на валы действуют меньшие силы, чем при металлических телах качения. Специальные фрикционные пластмассы с целлюлозным наполнителем (16Л, 24А, КФ-3), коэффициент трения которых может достигать 0,5, являются наиболее перспективными. Текстолит широко применяется при работе без смазочного материала. Поскольку он обладает высоким коэффициентом трения и малым модулем упругости.

Перспективно применение пар закаленная сталь – спеченные сплавы, из которых хорошими свойствами обладает металлокерамика ФАБ-П на основе алюминиевой бронзы. Применяют обрезиненные тела качения, обеспечивающие высокий коэффициент трения, однако падающий с увеличением влажности воздуха.

Приводим средние значения коэффициентов трения различных пар материалов, работающих всухую:

• закаленная сталь – закаленная сталь 0,10…0,18;

• текстолит – сталь 0,20…0,25;

• фрикционная пластмасса – сталь 0,35…0,45.

Рабочие поверхности металлических катков фрикционных передач, работающих в масле при жидкостном трении, разрушаются из-за усталостного выкрашивания под действием переменных контактных напряжений, вызванных силой нажатия. При этом темп нарастания площади поврежденной поверхности катков оказывается пропорциональным величине максимального контактного напряжения , т. е. долговечность катков связана с максимальным контактным напряжением , определяемым по формуле Герца-Беляева:

,

где q – погонная нагрузка (нагрузка на единицу длины),

- приведенный модуль упругости для материалов катков;

r_пр – приведённый радиус кривизны поверхностей катков в точке контакта, .

Здесь Е_i, r_i – модуль упругости и радиус кривизны соответствующего катка в точке контакта.

В передачах, работающих без смазывания или при смазывании, но без обеспечения режима жидкостного трения, выход катков из строя происходит из-за их изнашивания, интенсивность которого пропорциональна величинам σ_н и коэффициента трения f.

Таким образом, контактная прочность и износостойкость являются основными критериями работоспособности катков передачи.

Поэтому расчёт передач выполняют на основе условия контактной прочности: .

Для рабочих тел из закаленной высоколегированной стали, подвергнутой цементации и закалке до 59…63 HRC, предел контактной выносливости можно принимать следующим:

МПа – при работе со смазочным материалом;

МПа – при работе без смазочного материала.

Для фрикционных передач, рабочие тела которых выполнены из улучшенных сталей (средняя твердость материала НВ≤ 320), , где в МПа, а для катков из текстолита при работе без смазывания оно равно 80... 100 МПа.

При проектном расчёте в качестве первого расчётного параметра для передач с гладкими цилиндрическими катками принимают межосевое расстояние, мм:

где К – коэффициент запаса сцепления, принимаемый в пределах 1,25 – 1,5 в силовых передачах и К=3 в приборах;

T₂ – вращающий момент ведомого катка, Н м,

u – передаточное отношение передачи,

– коэффициент ширины катка;

f – коэффициент трения:

f = 0,5 для пары катков из стали и чугуна при работе в масле,

f = 0,15...0,2 для той же пары при работе всухую,

f = 0,1...0,35 для пары сталь-текстолит или чугун-текстолит при работе всухую.

Диаметр катков: ; .

Ширина катков: .

При расчёте конической фрикционной передачи из условия контактной прочности определяется средний диаметр меньшего катка:

,

где – коэффициент ширины катка по диаметру,

Ψ_bd = 0,2...0,6 для открытых передач, для точных закрытых передач Ψ_bd=0,8...1,2.

Средний диаметр большого катка: d₂= d₁ u, ширина катков: b = d₁ Ψ_bd

Остальные размеры катков принимаются конструктивно.

Необходимая для работы сила прижатия катков:

F_r = K F_t/ f = K T₂ / f r₂,

где Т₂ – момент сопротивления на ведомом катке;

r₂ – радиус ведомого катка,

К= 1,2 – коэффициент запаса сцепления.

При проектировании вариаторов или проверке правильности назначаемых их размеров и других параметров целесообразно максимально использовать накопленный опыт: табличные данные из каталогов, данные эксплуатации по одному типоразмеру вариатора с последующим использованием методов подобия.

Основные тенденции совершенствования конструкций и расчета вариаторов: выполнение вариаторов с самозатягиванием, т.е. силы прижатия тел качения растут пропорционально передаваемому моменту; применение специальных высокотяговых масел; применение многопоточности передачи энергии.