Раздел 5.Редкуторы и мультипликаторы

5.1. Редукторы. Назначение и типы. Основные характеристики. Конструкция.

Редукторы

 

Редуктор— передаточный механизм, служащий для понижения частоты вращения, увеличения вращающего момента и изменения пространственной ориентации элементов, выполненный в виде отдельного агрегата. Редукторы нашли широкое применение в промышленности. Редуктор является промежуточным звеном между входным звеном — двигателем и выходным звеном — исполнительным органом, которым может быть колесо, рука робота, винт, шнек и др. Назначение редуктора — обеспечить согласование параметров (кинематических, силовых и геометрических) между двигателем и исполнительным органом. Механизмы, повышающие частоту вращения, называются мультипликаторами.

На рис. 103, а показана схема привода, состоящего из редуктора Р с электродвигателем Д, где n _б, n _т — частота вращения быстроходного и тихоходного валов. Редуктор соединен с двигателем с помощью муфты М. Вращающий момент от двигателя к выходу передается через муфту М, цилиндрические зубчатые колеса z_i и валы. Валы B_i передач имеют опоры, которыми являются подшипники качения или скольжения П. В передачи входят колеса с числом зубьев z_i. При необходимости получения поступательного движения выходного звена можно использовать другой вариант последней ступени — передачу винт—гайка (рис. 103, ж, где 1 — винт, 2 — гайка).

Существуют различные типы редукторов, которые получили название в зависимости от того, какие передачи они имеют и от используемого числа ступеней. Одна ступень состоит из пары зубчатых колес. На рис. 103, б приведен цилиндрический редуктор (с цилиндрическими зубчатыми колесами), на рис. 103, в — конический (с коническими зубчатыми колесами), на рис. 103, г — червячный (с червяком и червячным колесом) и комбинированный, например коническо-цилиндрический редуктор (рис. 103, д).

При малых передаточных отношениях (у цилиндрических с i < 6,3…8) используются одноступенчатые редукторы (с одной парой зубчатых колес, рис. 103, б), а при больших (у цилиндрических с 6,3 < i < 64) — двухступенчатые (с двумя парами колес, рис. 103, е). Применение в последнем случае вместо двухступенчатой передачи одноступенчатой привело бы к увеличению массы редуктора. При больших значениях передаточных отношений находят применение передачи с большим числом ступеней. На рис. 103, а показан редуктор развернутой схемы, а на рис. 103, е — соосной, когда оси валов I и III совпадают. Редукторы соосной схемы более компактны по сравнению с развернутой. Масса и габариты передачи уменьшаются при применении многопоточных передач, что используется, например, в планетарных механизмах.

 

Рис. 103. Типы редукторов.

 

Основные характеристики редуктора включают в себя передаточное число и = n _б / n _т, номинальный вращающий момент на тихоходном (выходном) валу, КПД, габариты и массу.

Имеются стандартные редукторы, характеристики которых приведены в справочниках. Технический уровень редуктора характеризуется коэффициентом массового совершенства γ = т / Т_ВЫХ, [кг/Нм] — отношением массы редуктора m к вращающему моменту на выходе Т_ВЫХ.

В промышленности при низком уровне совершенства γ ≥ 0,2, а при высоком уровне γ < 0,06. У широко распространенных редукторов, рабочая поверхность зубьев колес которых упрочнена (цементацией, азотированием и др.), γ = 0,03...0,05.

В авиационных редукторах γ = 0,006...0,009. Такой высокий показатель γ у авиационных редукторов достигается применением рациональных конструкций с использованием высокопрочных материалов и изготовлением корпусов из легких сплавов (алюминиевых и магниевых).

Для получения надежной и совершенной конструкции редуктора следует выполнить следующие требования:

- применять наиболее рациональные и надежные схемы редукторов, обеспечивающие необходимую прочность и жесткость конструкций, изготовленных из материала с высокой удельной прочностью σ_в/ρ и с упрочненной рабочей поверхностью зубьев колес при больших нагрузках;

- снижать материалоемкость за счет компактности конструкций и выбора рациональной формы деталей;

- обеспечить надежное стопорение резьбовых соединений и фиксацию деталей от смещения;

- применять унификацию, стандартные детали и добиваться полной взаимозаменяемости элементов конструкций;

- минимизировать энергопотребление при эксплуатации уменьшением потерь на трение и повышением КПД;

- использовать закрытые корпуса, предотвращающие попадание внутрь пыли и влаги;

- выбирать необходимую смазку и создать защиту деталей от возникновения коррозии;

- гарантировать стойкость к механическим и климатическим воздействиям;

- достигнуть максимальной технологичности деталей и узлов при изготовлении, сборке и разборке;

- обеспечить легкое и удобное обслуживание с максимальной автоматизацией.

Выполнение сформулированных требований обычно приводит к снижению себестоимости редуктора. Для оценки редуктора можно использовать экономический критерий — относительную себестоимость β = с/т (с — себестоимость).

В машиностроении одним из путей совершенствования конструкции является переход от стальных и чугунных корпусов к корпусам из легких сплавов (алюминиевых, магниевых), неметаллических или композиционных материалов, что особенно важно в редукторах малой мощности. В таких корпусах толщина стенки, определяемая технологическими возможностями литья, больше толщины стенки, необходимой из условия прочности. В маломощных редукторах (Р £ 0,5 кВт) из металла необходимая толщина стенки δ ≈ 2 мм. При литье в землю легких сплавов минимальная толщина стенки δ = 3...4 мм, при более совершенных способах литья (литье в кокиль, по выплавляемым моделям или под давлением) и того меньше. Литье корпусов из чугуна имеет толщину стенок не менее 6 мм. Даже при одинаковой геометрии корпуса переход от чугуна или стали (ρ = 7,8 г/см³) к алюминиевому сплаву (ρ = 2,7 г/см³) снижает массу корпуса примерно в 3 раза, а с учетом получения меньшей толщины стенки, изготовляемой с применением совершенной технологии литья, еще больше.

Например, если масса стального корпуса составляет 30% от массы редуктора, то замена его материала на алюминиевый сплав снижает массу всего редуктора примерно на 20%, Такая замена недопустима в конструкциях, где требуется высокая жесткость, например в станкостроении. Замена стали на алюминиевый сплав снижает жесткость приблизительно в 3 раза. Корпуса из литейных алюминиевых и магниевых сплавов широко используются в авиации, ракетостроении и на транспорте и редко в других отраслях промышленности. Еще большее снижение массы дает использование неметаллов и композиционных материалов, которые широко используются в бытовой технике.

Упрочнение рабочей поверхности зубьев колес существенно уменьшает массу редуктора. Например, изменение твердости рабочей поверхности зубьев колес с НВ 250 на НRС_Э 60 снижает массу двухступенчатого цилиндрического редуктора примерно на 40%. Обычно снижение массы корпуса уменьшает габариты и стоимость редуктора.

Конструкция редуктора. Для удобства сборки и разборки корпус редуктора делают составным, обычно из двух частей: основания О и крышки К. Крышка на корпусе фиксируется штифтами и закрепляется на нем с помощью резьбовых деталей (болтов, шпилек, гаек).

Редукторы бывают с осевой (продольной) и радиальной (поперечной) сборкой (рис. 104). При осевой сборке разъем корпуса производят по плоскости, перпендикулярной осям валов (рис. 104, а, рис. 107). Такая конструкция более технологичная и жесткая (проще отливка, удобна механическая обработка). Недостатки: сложная сборка и осмотр внутренних частей. При радиальной сборке разъем корпуса выполняют по плоскости, проходящей через оси валов (рис. 104, б, рис. 106), что облегчает сборку, разборку и осмотр внутренних полостей. Недостатки: изготовление корпуса сложнее, неодинаковая жесткость (асимметрия корпуса), сложнее герметизация (уплотнение по фигурному стыку). На практике осевую сборку применяют для создания прочных и легких конструкций в авиации, ракетостроении, на транспорте. Однако это вызывает некоторые эксплуатационные неудобства. Радиальную сборку ради удобства эксплуатации применяют в том случае, когда нет ограничений по массе и допускается повышенная стоимость изготовления. Такие конструкции получили наибольшее распространение в общем машиностроении. На космических аппаратах широко используются приводы с быстроходными двигателями (п = 6000...12 000), так как они более экономичны и имеют меньшую массу, чем тихоходные высокомоментные двигатели.

 

Рис. 104. Сборка редуктора: а) осевая; б) радиальная. Рис. 105. Схемы соединения приводов:

а) с помощью муфты; б) через ременную передачу.

 

Две распространенные схемы приводов общего машиностроения приведены на рис. 105. На рис. 105, а показана схема соединения электродвигателя Д с редуктором Р с помощью муфты М, а на рис. 105, б с помощью ременной передачи PП. При малых мощностях шестерня может устанавливаться на валу двигателя. Такая конструкция используется в мотор-редукторах, состоящих из электродвигателя и зубчатого редуктора. Масса и габариты мотор-редукторов значительно меньше, чем конструкций, приведенных на рис. 105.

В редукторах с большим ресурсом работы предусматривается непрерывная смазка, обычно жидким смазочным материалом. Для этого часть колеса погружают в масло (картерное смазывание) или подают масло с помощью струи (струйное смазывание). Для подачи масла используется гидравлическая система. Смазывание подшипников часто осуществляется разбрызгиванием масла зубчатыми колесами.

При необходимости малого количества жидкого или пластичного смазочного материала (малый ресурс, малые скорости и нагрузки) он подается периодически с помощью масленок или ручного шприца. Иногда используется ресурсная смазка - одноразовая смазка за весь ресурс (например, на ракетах).

Типичный для общего машиностроения двухступенчатый редуктор с цилиндрическими колесами приведен на рис. 106. Корпус редуктора литой из чугуна, В редукторе используется радиальная сборка. Корпус редуктора состоит из основания 5 и съемной крышки 4. Крышка с основанием соединена с помощью болтов 6 и штифтов 9, которые точно фиксируют крышку редуктора на основании. На крышке 3 находится отдушина 2 для осмотра и заливки жидкого масла, пробка 8 предназначена для слива масла, маслоуказатели 7 используются для определения уровня масла в редукторе. Рым-болты 1 служат для переноса редуктора подъемным краном. Другие детали на рис. 106: 10 — зубчатое колесо, 11 — тихоходный вал, 12 — крышка подшипника, 13 — подшипник, 14 — промежуточный вал, 15 — быстроходный вал с нарезанными зубьями.

 

Рис. 106. Двухступенчатый редуктор с цилиндрическими колесами.

 

Новые разработки:

Разработана принципиально новая кинематическая схема передаточного механизма, названного редуктором-подшипником (РП), без традиционных зубчатых колес, шкивов и ремней, обладающая целым рядом технических и экономических преимуществ (любой редуктор в размере двухрядного подшипника качения). Одним из главнейших достоинств схемы является резкое уменьшение массы и габаритов передаточного механизма при передаче одинаковой мощности. Схема позволяет разработать унифицированный ряд передаточных механизмов различного назначения.

На базе РП спроектирован двигатель внутреннего сгорания (ДВС) у которого удельно-весовые показатели в 5-10 раз лучше ныне существующих ДВС с кривошипно-шатунным механизмом.

Существует проект гидро-, пневмо- и электропривода на основе РП.

С помощью РП можно создать новое оборудование для МЧС, легкое, транспортабельное и значительно облегчающее ручной труд при ликвидации различных аварийных ситуаций.

Огромные перспективы открываются при использовании РП в трубопроводной запорной и регулирующей аппаратуре. Это малогабаритные, надежные приводы задвижек, кранов для водо-, нефте-, газопроводов, для тепловых и атомных станций.

Соединяя стандартные фланцевые электродвигатели с РП, получим стандартный ряд мотор-редукторов, обладающих более высокими технико-экономическими показателями. Устанавливая РП в электродвигателе взамен шарикоподшипников, получаем электромеханический двигатель с пониженными оборотами и увеличенным моментом на выходном валу (мотор редуктор с минимальными массогабаритными характеристиками).

С помощью РП можно значительно снизить стоимость, повысить КПД и надежность ветроэнергетических установок, что сделает их востребованными в условиях нынешней Российской экономики.

Применение РП в автомобилестроении позволит создать компактную, дешевую коробку передач с увеличенным числом скоростей, электроусилитель руля, электроусилитель тормозов, совмещенный стартер-генератор, электролебедку. Очень перспективно применение РП в только что зарождающемся классе гибридных автомобилей, сочетающих работу двигателя внутреннего сгорания с электродвигателем, как в автомобилях ToyotaYaris (признан лучшим автомобилем 1999 года), Chrysler ESX3, Renault Koleos и др. Использование РП в приводе колес позволит снизить требования к карданному валу и сильно уменьшить его размеры и массу (заменить на быстроходный низко моментальный гибкий вал).

 

5.2. Мультипликаторы. Назначение и конструкция. Алгоритм расчета привода.

 

Мультипликаторы

 

Механическими передачами называются механизмы, передающие энергию от двигателя к исполнительному органу машины, как правило, с преобразованием скоростей, сил и моментов, а иногда характера и закона движения. Механическая передача предназначается для согласования вида, параметров движения и расположения двигателя и исполнительного органа, когда скорости движения рабочих органов машины отличаются от скоростей стандартных двигателей, т. е. на рабочий орган необходимо передать больший или меньший, чем на валу двигателя, вращающий момент. В отдельных случаях необходимо также изменить пространственную ориентацию элементов передачи.

По способу передачи движения от ведущего звена к ведомому различают передачи:

трением — это фрикционные, с непосредственным контактом, и ременные — с гибкой связью;

зацеплением. Это зубчатые, червячные и винт—гайка — с непосредственным контактом и цепные — с гибкой связью. Зубчатые передачи бывают цилиндрические, конические, планетарные, волновые и др.

Зубчатые передачи всюду получили наибольшее распространение благодаря их достоинствам по сравнению с другими механическими передачами. Передача вращающего момента в зубчатой передаче осуществляется вследствие давления находящихся в зацеплении зубьев одного колеса на зубья другого.

Механические передачи различаются по взаимному расположению валов. Они могут быть с параллельными (у цилиндрических, цепных и ременных передач), пересекающимися (у конических передач)и со скрещивающимися (у червячных передач)осями. По характеру движения валов различают механизмы с неподвижными и подвижными осями валов у планетарных и волновых передач. В планетарных передачах движение колес-сателлитов, установленных на подвижных валах, похоже на движение планет.

Механические передачи по передаточному числу делят на:

с постоянным передаточным числом (редукторы, мультипликаторы);

с переменным передаточным числом — ступенчатые (коробки передач) и бесступенчатые (вариаторы). В ступенчато-регулируемых коробках передач настраивается ряд частот вращения выходного вала, а вариаторы позволяют плавно изменять передаточное отношение. В ряде конструкций механизмов предусматривается возможность фиксировать неподвижность выходного звена под нагрузкой или при отсутствии движения на входе. Такое свойство называется необратимостью движения, или самоторможением. Соответствующие устройства используются в грузоподъемных машинах.

В последнее время стало развиваться новое направление — мехатроника. В нем силовые механические узлы сочетаются с электрическими и электронными устройствами, обеспечивающими управление и связь между элементами всей системы. Электроника преобразует входной сигнал от системы управления, а силовая электроника выдает команды на исполнительный орган: электромеханический, гидравлический и др. Последние преобразуют поступающие сигналы в механическое движение. В таких системах целесообразно использовать готовые элементы в виде модулей. Применение мехатроники позволяет получить приводы малой массы с высокой точностью движения выходного звена и большим КПД. Такие устройства уже используются в робототехнике и на летательных аппаратах в системах управления полетом. Перспективно их применение и в других отраслях техники.

Устройство для приведения в действие машин и механизмов называется приводом. Он состоит из двигателя (источник энергии), передаточного механизма и системы управления (СУ), которая управляет работой привода и обычно включает электротехнические и электронные устройства. В дальнейшем будем рассматривать лишь две части привода — передаточный механизм с двигателем.

Мультипликатор (лат. multiplicare — множить, приумножать, увеличивать) — передаточный механизм, служащий для повышения частоты вращения, выполненный в виде отдельного агрегата. Этот механизм является промежуточным звеном между входным звеном — двигателем и выходным звеном — исполнительным органом, которым может быть колесо, рука робота, винт, шнек и др. Назначение мультипликатора такое же, как и у редуктора — обеспечить согласование параметров (кинематических, силовых и геометрических) между двигателем и исполнительным органом.

Конструкция мультипликатора аналогична конструкции редуктора. Здесь рассмотрим порядок расчета привода.

Исходные данные для расчета должны быть указаны в ТЗ (техническом задании). К ним относятся кинематическая схема, циклограмма нагружения (изменение нагрузки по времени), Т, ω — вращающий момент и угловая скорость (вместо ω можно задавать частоту вращения п) вала на выходе. В другом случае, если на выходе стоит передача, преобразующая вращательное движение в поступательное, например передача винт—гайка, то задают силу F и скорость v перемещения винта на выходе.

Порядок расчета привода

Выбор двигателя:

1. Определение мощности на выходе привода.

2. Расчет потребной мощности двигателя.

3. По каталогу выбирается двигатель, и находятся его характеристики.

Кинематический расчет передачи:

1. Определение приближенного значения общего передаточного числа и разбивка его по ступеням.

2. Выбор числа зубьев каждого колеса в паре.

3. Определение частоты вращения каждого вала.

Силовой расчет:

1. Вычисление номинального вращающего момента двигателя.

2. Определение расчетного вращающего момента на каждом валу.

 

Демультипликатор — дополнительная коробка передач, в которой поток мощности делится на две или три ветви. В ней больше зубчатых колёс, которые имеют меньшие размеры, а, следовательно, меньшие моменты инерции и окружные скорости. Такая конструкция повышает срок службы трансмиссии при большой передаваемой мощности.