Что такое зубчатые колеса для передачи энергии? Краткое техническое описание для инженеров-конструкторов

Обновлено в феврале 2020 года || Функция зубчатой передачи состоит в том, чтобы взаимодействовать с другими передачами для передачи измененного крутящего момента и вращения. Фактически, зубчатая передача может изменять скорость, крутящий момент и направление движения от источника питания.

Когда две шестерни с неравным числом зубьев входят в зацепление, механическое преимущество приводит к тому, что их скорости вращения и крутящие моменты различаются.

В простейших установках шестерни имеют плоские цилиндрические зубья (с кромками, параллельными валу), а вал входной передачи параллелен валу выходной. Цилиндрические шестерни в основном вращаются в зацеплении, поэтому эффективность их работы на каждой ступени редуктора может достигать 98% или более. Однако между поверхностями зубьев происходит некоторое скольжение, и первоначальный контакт зуба с зубом происходит сразу по всей ширине зуба, вызывая небольшие ударные нагрузки, которые вызывают шум и износ. Иногда смазка помогает устранить эти проблемы.

В несколько более сложных установках зубчатые колеса с параллельной осью имеют косозубые передачи, которые входят в зацепление под углом от 90° до 180°, что обеспечивает больший контакт зубьев и более высокий крутящий момент. Винтовые редукторы подходят для применения в системах с более высокой мощностью, где долгосрочная эффективность работы важнее первоначальных затрат. Зубья винтовых передач постепенно входят в зацепление по торцам зубьев, что обеспечивает более тихую и плавную работу, чем цилиндрические передачи. Они также, как правило, обладают более высокой нагрузочной способностью.

Одно предостережение: угловой контакт зубьев создает нагрузку, которую должна выдерживать рама станка.

Независимо от типа, большинство зубчатых колес с параллельными осями имеют зубья с индивидуальными эвольвентными профилями — индивидуальные варианты накатки по окружности с помощью воображаемой нити. В данном случае сопряженные зубчатые колеса имеют окружности с тангенциальным шагом для плавного зацепления при качении, что сводит к минимуму проскальзывание. Связанная с этим величина, точка подачи, — это точка, в которой одна передача первоначально соприкасается с точкой подачи другой.

Эвольвентные зубчатые колеса также имеют траекторию движения, которая проходит через точку наклона по касательной к базовой окружности.

Помимо редукторов с параллельными осями, существуют непараллельные и прямоугольные редукторы. Они имеют входной и выходной валы, выступающие в разных направлениях, что предоставляет инженерам больше возможностей для монтажа и проектирования. Зубья таких зубчатых колес могут быть коническими (прямыми, спиральными или нулевыми), червячными, гипоидными, косозубыми или с перекрещивающимися осями. Наиболее распространенными являются конические зубчатые колеса с зубьями, вырезанными по угловой или конической форме.

Гипоидные зубчатые колеса во многом похожи на спирально-конические, но оси входного и выходного валов не пересекаются, что упрощает установку опор. В отличие от них, зубчатые колеса zerol имеют изогнутые зубья, которые совмещены с валом для минимизации осевых нагрузок.

Зубчатые редукторы, называемые редукторами скорости, являются компонентом многих механических, электрических и гидравлических двигателей. По сути, это шестерня или ряд шестерен, объединенных таким образом, чтобы изменять крутящий момент двигателя. Как правило, крутящий момент увеличивается прямо пропорционально уменьшению числа оборотов в единицу времени.

Редукторы скорости бывают двух видов: устанавливаемые на основании и на валу. Редукторы, устанавливаемые на валу, выпускаются в двух вариантах. Один из них действительно установлен на валу благодаря тому, что входной вал приводного двигателя поддерживает его с помощью специальной муфты, позволяющей регулировать крутящий момент. Другой крепится к корпусу машины таким образом, входной вал не выдерживает веса редуктора и не реагирует на крутящий момент.

Американской ассоциацией производителей оборудования (АГМА) определение, инженеры применяют термин “редуктор скорости” к агрегатам, работающим со скоростью вращения шестерни ниже 3600 об/мин или линейной скоростью шага ниже 5000 об/мин. (AGMA — это международная группа производителей оборудования, консультантов, ученых, пользователей и поставщиков.)

Редукторы, работающие на более высоких скоростях, называются высокоскоростными агрегатами. Производители основывают каталожные характеристики и технические характеристики редукторов на этих стандартах AGMA.

(Подробнее после иллюстрации.)

Существует столько же типов редукторов скорости, сколько и типов зубчатых колес. Рассмотрим редукторы, в которых входной и выходной валы расположены под разными углами. Наиболее распространенными из них являются червячные редукторы.

Червячные редукторы используются в системах с малой и средней мощностью двигателя. Они обеспечивают низкую начальную стоимость, высокие передаточные числа и высокий выходной крутящий момент в компактном корпусе, а также более высокую устойчивость к ударным нагрузкам, чем винтовые редукторы. При традиционной установке цилиндрический зубчатый червяк входит в зацепление с дискообразной колесной передачей с зубьями по окружности или торцу.

(Подробнее после видео.)

Большинство червячных передач имеют цилиндрическую форму с зубьями одинакового размера. В некоторых червячных редукторах используется геометрия зубьев с двойным охватом — с диаметром шага, который изменяется от глубокого к короткому и обратно к глубокому, что обеспечивает зацепление большего количества зубьев. Независимо от исполнения, большинство зубчатых колес червячных редукторов имеют закругленные кромки зубьев, которые при зацеплении обхватывают червячный вал. Во многих случаях скользящее зацепление снижает эффективность, но продлевает срок службы, поскольку при сопряжении червячных передач во время работы образуется пленка смазки. Передаточное отношение червячной передачи — это отношение числа зубьев колеса к числу витков резьбы (начальных или выводных) на червяке.

Зубчатая передача похожа на зубчатый редуктор, но она не просто снижает скорость. Инженеры используют ее везде, где требуется высокий крутящий момент при низкой скорости. Она уменьшает инерцию, отражаемую массой груза, что облегчает разгон тяжелых грузов и позволяет использовать двигатели меньшего размера. Редукторы бывают разных типов — от простых цилиндрических до более сложных планетарных и гармонических, каждый из которых имеет свои особенности и подходит для применения. Одно предостережение: в некоторых случаях возникает проблема с люфтом редуктора. В этом случае рекомендуется использовать зубчатую головку с низким или нулевым люфтом.

Сервосистемы — это высокоточные устройства управления движением с обратной связью и (в большинстве случаев) довольно жесткими требованиями к точности. Поэтому для таких конструкций инженерам следует выбирать сервоприводные редукторы с хорошей жесткостью на кручение, надежным крутящим моментом на выходе и минимальным люфтом. Производителям оборудования, занимающимся интеграцией сервосистем, следует обратить внимание на бесшумные редукторы, которые легко монтируются на двигатель и практически не требуют технического обслуживания или (по возможности) не требуют его вообще.

На самом деле, многие современные машины интегрируют сервоприводы в электромеханические устройства, предназначенные для конкретных применений, и некоторые из этих устройств достаточно распространены, чтобы иметь специальные обозначения. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных.

Мотор-редуктор: Этот полный приводной элемент представляет собой шестеренчатый редуктор, встроенный в электродвигатель переменного или постоянного тока. Обычно двигатель включает в себя шестерни на выходе (обычно в виде коробки передач в сборе) для снижения скорости и увеличения крутящего момента. Инженеры используют мотор-редукторы в машинах, которые должны перемещать тяжелые предметы. Технические характеристики редукторных двигателей включают нормальную скорость вращения и крутящий момент при остановке.

Коробка передач: Это отдельная зубчатая передача, механический узел или компонент, состоящий из ряда интегрированных зубчатых колес. Планетарные передачи широко используются в интегрированных коробках передач.

Планетарные передачи: Эти редукторы, которые особенно часто используются в сервосистемах, состоят из одной или нескольких внешних планетарных передач, вращающихся вокруг центральной, или солнечной, шестерни. Как правило, планетарные передачи устанавливаются на подвижном рычаге или держателе, который вращается относительно солнечной шестерни. В наборах часто используется наружное зубчатое колесо, или кольцевое пространство, которое входит в зацепление с планетарными шестернями.

Передаточное число планетарного агрегата требует расчета, поскольку существует несколько способов преобразования входного вращения в выходное. Как правило, одно из этих трех зубчатых колес остается неподвижным; другое является входом, обеспечивающим питание системы, а последнее действует как выход, получающий мощность от приводного двигателя. Отношение частоты вращения на входе к частоте вращения на выходе зависит от количества зубьев в каждой шестерне и от того, какой компонент удерживается неподвижно.

Планетарные редукторы обладают рядом преимуществ по сравнению с другими передачами. К ним относятся высокая удельная мощность, возможность получения значительных сокращений при малом объеме, множество кинематических комбинаций, реакции на кручение и соосность валов. Еще одним преимуществом планетарных редукторов является эффективность передачи мощности. Потери обычно составляют менее 3% на ступень, поэтому вместо того, чтобы тратить энергию на механические потери внутри коробки передач, эти редукторы передают большую часть энергии для обеспечения эффективного движения.

Планетарная коробка передач также эффективно распределяет нагрузку.

Несколько планет распределяют передаваемую нагрузку между собой, что значительно увеличивает плотность крутящего момента. Чем больше планет в системе, тем выше нагрузочная способность и плотность крутящего момента. Такая конструкция также очень стабильна благодаря равномерному распределению массы и повышенной жесткости при вращении. К недостаткам относятся высокие нагрузки на подшипники, труднодоступность и сложность конструкции.

В сервосистемах, помимо увеличения крутящего момента на выходе, редукторы дают еще одно преимущество — сокращают время отладки. Время отладки является проблемой, когда инерция двигателя мала по сравнению с инерцией нагрузки, и является источником постоянных дискуссий (и регулярных улучшений) в отрасли. Коробки передач уменьшают отраженную инерцию на элементах управления в коэффициент, равный квадрату уменьшения передачи.

Деформационно-волновая передача — это специальная конструкция зубчатого колеса для снижения скорости. Для снижения скорости используется упругость металла (прогиб) зубчатого колеса. (Комплекты зубчатых передач с волновой деформацией также известны как Harmonic Drives, зарегистрированный товарный знак Harmonic Drive Systems Inc.) Преимущества использования зубчатых передач с волновой деформацией включают отсутствие люфта, высокий крутящий момент, компактные размеры и точность позиционирования.

Зубчатая передача с волновой деформацией состоит из трех компонентов: генератора волн, гибкой шлицы и кругового шлица.

Волновой генератор представляет собой узел из подшипника и стального диска, который называется заглушкой генератора волн. Внешняя поверхность заглушки генератора волн имеет эллиптическую форму, обработанную в точном соответствии со спецификациями. Специально сконструированный шарикоподшипник обжимается вокруг этой заглушки подшипника, придавая подшипнику ту же эллиптическую форму, что и заглушке генератора волн. Конструкторы обычно используют генератор волн в качестве входного элемента, обычно присоединяемого к серводвигателю.

Flexspline представляет собой тонкостенный стальной стакан. Его геометрия позволяет стенкам стакана быть податливыми в радиальном направлении, но при этом оставаться жесткими при кручении (поскольку стакан имеет большой диаметр). Производители выточивают зубья шестерни на внешней поверхности рядом с открытым концом чаши (у края). Обычно выходным элементом механизма является гибкая шина.

На одном конце чаши имеется жесткая выступающая часть, обеспечивающая надежную монтажную поверхность. Генератор волн вставлен внутрь гибкой направляющей, поэтому подшипник находится в том же осевом положении, что и зубья гибкой направляющей. Стенка flexspline у края чаши имеет ту же эллиптическую форму, что и подшипник. Благодаря этому зубья на внешней поверхности flexspline имеют эллиптическую форму. Таким образом, flexspline фактически имеет эллиптический диаметр шага зубчатого колеса на своей внешней поверхности.

Кольцевой шлиц представляет собой жесткое круглое стальное кольцо с зубцами по внутреннему диаметру. Обычно он крепится к корпусу и не вращается. Его зубья входят в зацепление с зубьями гибкого шлица. Рисунок зубьев гибкого шлица совпадает с профилем зубьев кругового шлица вдоль главной оси эллипса. Это взаимодействие напоминает эллипс, концентрически вписанный в окружность. Математически вписанный эллипс соприкасается с окружностью в двух точках. Однако высота зубьев шестерни ограничена. Таким образом, на самом деле существует две области (а не две точки) зацепления зубьев. Примерно 30% зубьев постоянно находятся в зацеплении.

Упругая радиальная деформация действует подобно очень жесткой пружине, компенсируя зазор между зубьями, который в противном случае увеличил бы люфт.

Угол прижатия зубьев шестерни преобразует тангенциальную силу выходного крутящего момента в радиальную силу, действующую на подшипник генератора волн. Зубья гибкого шлица и кругового шлица входят в зацепление вблизи большой оси эллипса и расцепляются на малой оси эллипса. Обратите внимание, что у гибкого шлица на два зубца меньше, чем у кругового шлица, поэтому каждый раз, когда генератор волн совершает один оборот, гибкая шлица и круговой шлиц смещаются на два зубца. Передаточное отношение рассчитывается:

количество зубьев гибкого шлица ÷ (количество зубьев гибкого шлица – количество зубьев круглого шлица)

Механизм зацепления зубьев (кинематика) волновой передачи с деформацией отличается от механизма планетарной или цилиндрической передачи. Зубья входят в зацепление таким образом, что до 30% зубьев (60 при передаточном отношении 100:1) постоянно входят в зацепление. Это контрастирует, возможно, с шестью зубьями для планетарной передачи и одним или двумя зубьями для цилиндрической.
Кроме того, кинематика позволяет зубьям шестерни входить в зацепление с обеих сторон боковой поверхности зуба. Зазор — это разница между зазором между зубьями и шириной зубьев, и в зубчато-волновой передаче эта разница равна нулю.

(Подробнее в галерее. Нажмите на фотографии, чтобы увидеть увеличенные версии.)

Как часть дизайна, производитель создает предварительную нагрузку на зубья зубчатого колеса flexspline относительно зубьев круглого шлица на главной оси эллипса.

Предварительный натяг таков, что напряжения значительно ниже предела прочности материала. По мере износа зубьев шестерни эта упругая радиальная деформация действует подобно жесткой пружине, компенсируя зазор между зубьями, который в противном случае привел бы к увеличению люфта. Это позволяет сохранять эксплуатационные характеристики на протяжении всего срока службы редуктора.

Зубчатая передача с волновой передачей обеспечивает высокое соотношение крутящего момента к весу и крутящего момента к объему. Легкая конструкция и одноступенчатые передаточные числа (до 160:1) позволяют инженерам использовать эти передачи в приложениях, требующих минимального веса или объема. Небольшие двигатели могут использовать большое механическое преимущество передаточного отношения 160:1 для создания компактного, легкого и недорогого корпуса.

Другим профилем зубьев для зубчатых передач с волновой деформацией является S-образная форма зубьев. Такая конструкция позволяет зацеплять большее количество зубьев. В результате повышается жесткость на кручение, удваивается максимальный крутящий момент и увеличивается срок службы. Форма зубьев S не использует эвольвентную кривизну зубьев. Вместо этого он использует серию чисто выпуклых и вогнутых дуг окружности, которые соответствуют расположению точек зацепления, определяемому теоретическими данными и CAD-анализом.

Увеличенный радиус скругления корня зуба делает S-образный зубец намного прочнее зубьев зубчатых колес с эвольвентной кривой. Он выдерживает более высокие нагрузки на изгиб (растяжение), сохраняя при этом безопасный запас прочности.

Прочтите соответствующую статью:Как выбрать мотор-редуктор в четыре простых шага