Обновлено в феврале 2020 года || Функция шестерни заключается в зацеплении с другими шестернями для передачи измененного крутящего момента и вращения. Фактически, передача может изменять скорость, крутящий момент и направление движения от источника привода.

Когда две шестерни с неодинаковым числом зубьев входят в зацепление, механическое преимущество делает их скорости вращения и крутящие моменты разными.

В простейших установках шестерни плоские с цилиндрическими зубьями (с кромками, параллельными валу), а вал входной шестерни параллелен валу выходной. Цилиндрические шестерни в основном вращаются через зацепление, поэтому эффективность каждой ступени редуктора может составлять 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 смягчить эти проблемы.

В несколько более сложных установках зубчатые передачи с параллельными осями имеют винтовые передачи, которые входят в зацепление под углом от 90° до 180° для большего контакта зубьев и увеличения крутящего момента. Винтовые редукторы подходят для применения с более высокой мощностью, где долгосрочная эффективность эксплуатации важнее первоначальных затрат. Зубья винтовых зубчатых колес постепенно входят в зацепление по торцам зубьев, что обеспечивает более тихую и плавную работу, чем у цилиндрических зубчатых колес. Они также, как правило, обладают более высокой грузоподъемностью.

Одно предостережение: контакт зубьев под углом создает усилие, которое должна преодолевать рама станка.

Независимо от подтипа, большинство зубчатых колес с параллельными осями имеют зубья с индивидуальными эвольвентными профилями — индивидуальные версии накатанного следа от окружности воображаемой нитью. Здесь сопрягаемые шестерни имеют окружности тангажа, обеспечивающие плавное зацепление при качении, что сводит к минимуму проскальзывание. Связанная с этим величина, точка тангажа, — это место, где одна передача первоначально соприкасается с точкой тангажа своей пары.

Эвольвентные зубчатые передачи также имеют траекторию действия, которая проходит через точку тангажа, касательную к базовой окружности.

Помимо зубчатых колес с параллельными осями, существуют непараллельные и прямоугольные зубчатые колеса. Они имеют входной и выходной валы, которые выступают в разных направлениях, что дает инженерам больше возможностей для монтажа и проектирования. Зубья таких зубчатых колес являются коническими (прямыми, спиральными или нулевыми), червячными, гипоидными, косозубыми или со скрещенными осями винтовых передач. Наиболее распространенными являются конические зубчатые колеса с зубьями, вырезанными по угловой или конической форме.

Гипоидные шестерни во многом похожи на спирально-конические, но оси входного и выходного валов не пересекаются, поэтому опоры проще интегрировать. В отличие от этого, зубчатые передачи zerol имеют изогнутые зубья, которые совмещаются с валом для минимизации осевых нагрузок.

Зубчатые редукторы, называемые редукторами скорости, являются компонентом многих механических, электрических и гидравлических двигателей. По сути, это шестерня или серия 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 разновидностей: смонтированные на основании и на валу. Типы, устанавливаемые на валу, выпускаются в двух вариантах исполнения. Один из них действительно установлен на валу тем, что входной вал приводного двигателя поддерживает его с помощью специальной муфты для регулирования крутящего момента. Другой крепится к корпусу машины таким образом, входной вал не выдерживает веса редуктора и не реагирует на крутящий момент.

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

Редукторы, работающие на скоростях, превышающих указанные, называются высокоскоростными агрегатами. Производители основывают рейтинги по каталогам и технические характеристики редукторов на этих стандартах AGMA.

(Подробнее после иллюстрации.)

Существует столько же типов редукторов скорости, сколько 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 или умеренной мощностью. Они обеспечивают низкую первоначальную стоимость, высокие передаточные числа и высокий выходной крутящий момент в компактном корпусе, а также более высокую устойчивость к ударным нагрузкам, чем винтовые редукторы. В традиционной установке цилиндрический зубчатый червяк входит в зацепление с дискообразной зубчатой передачей с зубьями по окружности или торцу.

(Подробнее после видео.)

Большинство червячных передач имеют цилиндрическую форму с зубьями одинакового размера. Некоторые червячные редукторы используют геометрию зубьев с двойным охватом — с диаметром шага, который переходит от глубокого к короткому и обратно к глубокому, — таким образом, зацепляется больше зубьев. Независимо от версии, большинство зубчатых колес в червячных редукторах имеют чашеобразные кромки зубьев, которые оборачиваются вокруг червячного вала во время зацепления. Во многих случаях скользящее зацепление снижает эффективность, но продлевает срок службы, поскольку в процессе работы на сопряжении червячных передач образуется пленка смазки. Отношение червячной передачи — это количество зубьев колеса к количеству резьб (пусковых или выводных) на червяке.

Зубчатая головка похожа на зубчатый редуктор, но зубчатая головка не просто снижает скорость. Инженеры используют их везде, где требуется высокий крутящий момент при низких оборотах. Это уменьшает отраженную инерцию массы груза, что облегчает разгон тяжелых грузов, позволяя конструкциям работать от двигателей меньшего размера. Зубчатые головки бывают самых разных типов — от простых цилиндрических до более сложных планетарных и гармонических, каждая из которых имеет свои характеристики и подходит для применения. Одно предостережение: в некоторых приложениях проблемой является люфт головки редуктора. В этом случае рассмотрите возможность использования зубчатой передачи с низким или нулевым люфтом.

Сервосистемы — это устройства для точного перемещения с обратной связью и (в большинстве случаев) довольно жесткими требованиями к точности. Поэтому для этих конструкций инженерам следует выбирать редукторы servogear с хорошей жесткостью на кручение, надежным выходным крутящим моментом и минимальным люфтом. Производителям, которым поручено интегрировать сервосистемы, 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 для конкретных применений, и некоторые из этих устройств достаточно распространены, чтобы иметь специальные обозначения. Вот обзор некоторых из наиболее распространенных.

Мотор-редуктор: Этот комплектный приводной элемент представляет собой зубчатый редуктор, интегрированный с электродвигателем переменного или постоянного тока. Обычно двигатель включает шестерни на своей выходной мощности (обычно в виде собранной коробки передач) для снижения частоты вращения и увеличения доступного выходного крутящего момента. Инженеры используют мотор-редукторы в машинах, которые должны перемещать тяжелые предметы. Характеристики частоты вращения для двигателей-редукторов — это нормальная частота вращения и крутящий момент при торможении.

Коробка передач: Это автономная зубчатая передача — механический узел или компонент, состоящий из серии интегрированных зубчатых колес. Планетарные шестерни широко распространены в интегрированных коробках передач.

Планетарные шестерни: Особенно распространенные в сервосистемах, эти редукторы состоят из одной или нескольких внешних планетарных шестерен, которые вращаются вокруг центральной, или солнечной, шестерни. Как правило, планетарные шестерни устанавливаются на подвижном рычаге или держателе, который вращается относительно солнечной шестерни. В наборах часто используется наружная кольцевая передача, или кольцевое пространство, которое входит в зацепление с планетарными передачами.

Передаточное отношение планетарного редуктора требует расчета, поскольку существует несколько способов преобразования входного вращения в выходное. Как правило, одно из этих трех зубчатых колес остается неподвижным; другое является входом, который обеспечивает питание системы, а последнее действует как выход, который получает питание от приводного двигателя. Отношение входного вращения к выходному зависит от количества зубьев в каждой передаче и от того, какой компонент удерживается неподвижным.

Планетарные редукторы обладают рядом преимуществ по сравнению с другими редукторами. К ним относятся высокая удельная мощность, возможность получения значительных сокращений при небольшом объеме, множество кинематических комбинаций, чистые реакции на кручение и соосное расположение валов. Еще одним преимуществом планетарных коробок передач является эффективность передачи мощности. Потери обычно составляют менее 3% на ступень, поэтому вместо того, чтобы тратить энергию на механические потери внутри коробки передач, эти коробки передач передают большую часть энергии для обеспечения продуктивного 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 грузоподъемность и выше плотность крутящего момента. Такая конструкция также очень стабильна благодаря равномерному распределению массы и повышенной жесткости при вращении. К недостаткам относятся высокие нагрузки на подшипники, недоступность и сложность конструкции.

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

Волновая передача деформации — это специальная конструкция зубчатого колеса для снижения скорости. Он использует упругость металла (прогиб) шестерни для снижения скорости. (Зубчатые передачи с волновой деформацией также известны как Harmonic Drives, термин, зарегистрированный под торговой маркой Harmonic Drive Systems Inc.) Преимущества использования зубчатых передач с волновой деформацией включают нулевой люфт, высокий крутящий момент, компактные размеры и точность позиционирования.

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

Генератор волн представляет собой узел из подшипника и стального диска, называемый заглушкой генератора волн. Внешняя поверхность заглушки генератора волн имеет эллиптическую форму, обработанную в соответствии с точными техническими требованиями. Специально разработанный шарикоподшипник прижимается к этой заглушке подшипника, придавая подшипнику ту же эллиптическую форму, что и заглушка генератора волн. Проектировщики обычно используют генератор волн в качестве входного элемента, обычно присоединенного к серводвигателю.

Flexspline представляет собой тонкостенный стальной стакан. Его геометрия позволяет стенкам стакана быть податливыми в радиальном направлении, но оставаться жесткими при кручении (поскольку стакан имеет большой диаметр). Производители врезают зубья шестерни во внешнюю поверхность рядом с открытым концом стакана (около краев). Гибкая линия обычно является выходным элементом механизма.

Чашка имеет жесткий выступ на одном конце, обеспечивающий прочную монтажную поверхность. Генератор волн вставлен внутри гибкой пластины таким образом, чтобы подшипник находился в том же осевом положении, что и зубья гибкой пластины. Стенка flexspline у края стакана повторяет ту же эллиптическую форму подшипника. Это придает зубьям на внешней поверхности гибкой пластины эллиптическую форму. Таким образом, flexspline эффективно имеет эллиптический диаметр зубчатого колеса на своей внешней поверхности.

Кольцевой шлиц представляет собой жесткое круглое стальное кольцо с зубьями по внутреннему диаметру. Обычно он крепится к корпусу и не вращается. Его зубья входят в зацепление с зубьями flexspline. Рисунок зубьев гибкой пластины входит в зацепление с профилем зубьев кругового шлица вдоль главной оси эллипса. Это взаимодействие подобно эллипсу, концентрически вписанному в окружность. Математически вписанный эллипс соприкасается с окружностью в двух точках. Однако зубья зубчатого колеса имеют конечную высоту. Таким образом, на самом деле существует две области (вместо двух точек) зацепления зубьев. Примерно 30% зубов задействованы постоянно.

Упругая радиальная деформация действует как очень жесткая пружина, компенсируя пространство между зубьями, которое в противном случае увеличило бы люфт.

Угол прижима зубьев шестерни преобразует тангенциальную силу выходного крутящего момента в радиальную силу, действующую на подшипник генератора волн. Зубья гибкой пластины и кругового шлица входят в зацепление вблизи большой оси эллипса и расцепляются у малой оси эллипса. Обратите внимание, что у гибкой линии на два зубца меньше, чем у кругового шлица, поэтому каждый раз, когда генератор волн совершает один оборот, гибкая линия и круговой шлиц смещаются на два зубца. Рассчитано передаточное число:

количество зубьев гибкой линии ÷ (количество зубьев гибкой линии – количество зубьев круглого шлица)

Движение зацепления зубьев (кинематика) зубчатого колеса с волновой деформацией отличается от движения 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 передачи.
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 эта разница равна нулю в зубчатом зацеплении с волной деформации.

(Подробнее после галереи. Нажмите на фотографии, чтобы увидеть увеличенные версии.)

Как часть дизайна, производитель предварительная нагрузка на зубья шестерни гибкого шлица по отношению к зубьям круглого шлица на главной оси эллипса.

Предварительная нагрузка такова, что напряжения значительно ниже предела прочности материала. По мере износа зубьев шестерни эта упругая радиальная деформация действует подобно жесткой пружине, компенсируя пространство между зубьями, которое в противном случае привело бы к увеличению люфта. Это позволяет производительности оставаться постоянной в течение всего срока службы редуктора.

Волновая передача обеспечивает высокое отношение крутящего момента к весу и объему. Легкая конструкция и одноступенчатые передаточные числа (до 160:1) позволяют инженерам использовать шестерни 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 волнообразно-деформированного зацепления является конструкция S-образного зуба. Такая конструкция позволяет зацеплять больше зубьев шестерни. В результате удваивается жесткость на кручение, удваиваются пиковые значения крутящего момента и увеличивается срок службы. Форма зуба S не использует эвольвентный изгиб зуба. Вместо этого он использует серию чисто выпуклых и вогнутых дуг окружности, которые соответствуют местоположениям точек зацепления, продиктованным теоретическим анализом и САПР.

Увеличенный радиус корневого скругления делает S-образный зуб намного прочнее, чем зуб эвольвентной зубчатой передачи. Он выдерживает более высокие нагрузки на изгиб (растяжение), сохраняя при этом безопасный запас прочности.

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