4.1 Классификация редукторов (сокращенная)

Редукторы классифицируют по типам, типоразмерам и исполнениям.

Тип редуктора определяют по виду применяемых передач и порядку их размещения от быстроходного вала к тихоходному: Ц – цилиндрический, К – конический, КЦ – коническо-цилиндрический, Ч – червячный, ЧЦ - червячно-цилиндрический, ЦЧ – цилиндрическо-червячный и т. д. По числу ступеней передач различают редукторы: одноступенчатые, двухступенчатые, трехступенчатые, например: Ч2 – червячный двухступенчатый, Ц3 – цилиндрический трехступенчатый.

Типоразмер редуктора определяет тип и главный размер (параметр) тихоходной ступени. Для цилиндрических и червячных передач главным параметром является межосевое расстояние – а_ω, конических – внешний делительный диаметр колеса – d_e2 в миллиметрах.

Передаточное число редуктора – u проставляется после типоразмера через тире, например: КЦ2-180-56 коническо-цилиндрический трехступенчатый редуктор с двумя цилиндрическими передачами, с межосевым расстоянием тихоходной ступени – а_ω = 180 мм и передаточным числом – u = 56; Ч-80-40 червячный одноступенчатый, с межосевым расстоянием – а_ω= 80 мм и передаточным числом – u = 40.

Основными внешними характеристиками редукторов являются: номинальный (допускаемый) крутящий момент на тихоходном валу; номинальная (допускаемая) радиальная (консольная) нагрузка на тихоходном (быстроходном) валу; номинальное передаточное число.

ГОСТ 16168  определяет основные параметры редукторов общемашиностроительного назначения с моментом на тихоходном валу от 31,5 до 125000 Н·м.

4.2 Цилиндрические редукторы

Цилиндрические редукторы состоят из цилиндрических зубчатых передач. Благодаря своей долговечности, широкому диапазону передаваемых вращающих моментов и передаточных чисел, высокому КПД, простоте изготовления и обслуживания они являются самыми распространенными в машиностроении.

Одноступенчатые редукторы типа Ц (рисунок 1) применяют при передаточных числах u  6,3. Зацепление в большинстве случаев косозубое.

Двухступенчатые редукторы типа Ц2 выполняют по следующим схемам: развернутой (рисунок 2а), раздвоенной (рисунок 2б) и соосной (рисунок 2в). Диапазон передаточных чисел u от 6,3 до 50.

Наиболее распространены цилиндрические двухступенчатые горизонтальные редукторы типа Ц2 (рисунок 2а), выполненные по развернутой схеме. Они конструктивно просты, технологичны, имеют малую ширину. Недостатком этих редукторов является неравномерность распределения нагрузки по длине зуба из-за несимметричного расположения колес относительно опор.

Для улучшения условий работы зубчатых колес наиболее нагруженной тихоходной ступени применяют редукторы с раздвоенной быстроходной ступенью типа Ц2Ш (Ш – широкий редуктор) (рисунок 2б). Для равномерной нагрузки обеих зубчатых пар быстроходной ступени их выполняют косозубыми (зубчатое колесо одной пары делают – с правым, другой - с левым зубом), а один из валов делают «плавающим», что обеспечивает самоустановку вала в осевом направлении. Тихоходную ступень обычно делают прямозубой или шевронной. Такие редукторы легче редукторов по развернутой схеме на 20%.

Рисунок 1 – Кинематическая схема одноступенчатого

цилиндрического редуктора

Соосные редукторы типа Ц2С (С – соосный) (рисунок 2в) имеют ограниченное применение. Их используют в тех случаях, когда совпадение геометрических осей входного и выходного валов удобно при общей компоновке привода. Эта схема позволяет получить меньшие габариты по длине; это ее основное преимущество. Недостатками этой схемы является: недогруженость быстроходной ступени, большие габариты в направлении осей валов, сложность конструкции корпуса.

а)

б)

в)

Рисунок 2 - Кинематические схемы цилиндрических редукторов

Конструктивное оформление цилиндрических зубчатых редукторов показано на рисунках 3, 4 и 5.

1 – основание корпуса; 2 – крышка корпуса; 3 – болты стяжные; 4 – гайки крепёжные; 5 – штифты конические; 6 – смотровая крышка; 7 – отдушина; 8 – быстроходный (ведущий) вал; 9 – промежуточный вал; 10 – тихоходный (ведомый) вал; 11 – подшипники качения; 12 – крышка подшипника глухая; 13 – крышка подшипника сквозная; 14 – игла масломерная (маслоуказатель);

15 – пробка для слива масла; 16 – уплотнение вала; 17 – зубчатое колесо для смазки быстроходной ступени; 18 – шпонка призматическая; 19 – винт отжимной; 20 – проушины грузовые; 21 – нижний пояс основания редуктора с отверстиями для фундаментных болтов; 22 – винт крепежный; z1-z2 – быстроходная косозубая зубчатая пара; z3-z4 – тихоходная косозубая зубчатая пара.

Корпус редуктора с целью облегчения сборки изготовлен в виде разъёмной (по осям валов передач) коробки. Он состоит из нижней части 1, называемой основанием, и верхней 2 – крышки. Разъём корпуса выполнен горизонтальным. Корпус и крышка соединяются болтами 3, поставленными с зазором в отверстия специальных фланцев и гайками 4 (возможно соединение винтами и шпильками с гайками). Взаимное положение крышки и корпуса фиксируется коническими (реже цилиндрическими) штифтами 5. В верхней части крышки имеется смотровое окно (люк), через которое производится наблюдение за состоянием зубчатых колёс передачи, а также заливается масло. Люк закрывается крышкой 6, имеющей отдушину 7, предназначенную для выравнивания давления внутри корпуса по отношению к наружному. При отсутствии отдушины нагретый воздух при эксплуатации редуктора будет выдавливаться вместе с маслом (вследствие избыточного давления) через уплотнения и на корпусе образуются масляные подтёки, отдушина также необходима для полного слива масла из редуктора. Внутри корпуса размещены косозубые пары: быстроходная z₁-z₂ и тихоходная z₃-z₄. Каждая пара состоит из шестерни (меньшего зубчатого колеса) и колеса.

В изучаемом двухступенчатом редукторе имеется три вала, расположенных последовательно: быстроходный (ведущий) 8, промежуточный 9 и тихоходный (ведомый) 10. Плоскость разъёма корпуса проходит по осям валов. В опорах всех валов передач применены подшипники качения 11, расположенные в отверстиях приливов (бобышек) корпуса и крышки. Назначение опор – фиксировать и удерживать вращающиеся детали в нужном, для правильной работы механизма, взаимном положении.

Р исунок 4 - Конструкция корпуса двухступенчатого цилиндрического редуктора

Р исунок 5 – Конструкция редуктора выполненного по развернутой схеме Ц2.

При работе в зубчатом зацеплении возникает сила нормального давления F_n, которая для косозубого зацепления может быть задана тремя взаимно перпендикулярными составляющими: окружной F_t, радиальной F_r, осевой F_a силами (рисунок 6), а для прямозубого только F_t и F_r. Заметим, что на рисунке 6 показаны, кроме того, угловые скорости ведущего и ведомого валов (₁ и ₂) и вращающие моменты (T₁ и T₂) этих валов.

Силы, действующие на валы – передаются на корпус через подшипники качения. В рассматриваемом редукторе могут использоваться радиальные шарикоподшипники, либо роликоподшипники конические (последние воспринимают радиальную и значительную осевую нагрузку) (рисунок 3, 5). На торец кольца подшипника наносят маркировку в виде ряда цифр и букв. Заметим, что на маркировке две первые цифры справа обозначают внутренний диаметр d подшипника. Эти цифры, умноженные на 5, дают d (для подшипников с d=20…495 мм). Третья цифра справа обозначает серию подшипников. Особо лёгкая серия обозначается цифрой 1, лёгкая – 2, средняя – 3, тяжёлая – 4 и т.д. Четвёртая цифра справа указывает тип подшипника: 0 – радиальный шариковый однорядный, 1 – шариковый двухрядный сферический, 2 – с короткими цилиндрическими роликами, 3 – роликовый двухрядный со сферическими роликами и т.д. Пятая и шестая цифры справа обозначают отклонение конструкции подшипника от основного типа (например буртик или кольцевая проточка на наружном кольце). Седьмая цифра справа обозначает серию ширины подшипника. Цифры 2, 4, 5, 6, стоящие через тире впереди указывают его класс точности, в порядке её понижения. Приведённая упрощённая расшифровка маркировки подшипников является далеко не исчерпывающей, т.к. часть цифр обычно не проставляется, а слева и справа от условного обозначения подшипника могут располагаться дополнительные знаки, характеризующие изменение металла элементов подшипника, специальные технологические требования и т.д. Снаружи подшипники закрываются крышками накладными (рисунок 3 и 4), которые крепятся к корпусу винтами 22 или крышками закладными (врезными) (рисунок 4 и 5). Закладные крышки входят своими кольцевыми выступами в соответствующие канавки в отверстиях корпуса редуктора, что обеспечивает их осевую фиксацию. Крышки бывают глухими 12 и сквозными (с отверстиями для выхода вала) 13.

Корпус одновременно служит резервуаром для масла. Для контроля уровня масла предусмотрена масломерная игла 14, а для его слива – отверстие, закрываемое пробкой 15 с цилиндрической или конической резьбой. В редукторе применяется картерный способ смазки: смазка зубьев осуществляется окунанием зубчатого колеса тихоходной ступени и с помощью зубчатого колеса 17 для смазки быстроходной ступени (рисунок 4), смазка подшипников происходит за счет разбрызгивания масла зубчатыми колесами. Для защиты от загрязнения извне и предотвращения вытекания масла через зазоры между валами и сквозными крышками подшипниковые узлы снабжаются уплотнительными устройствами 16. В редукторах могут применяться: контактные манжетные (рисунок 7а), щелевые (рисунок 7б), лабиринтные (рисунок 7в) и другие типы уплотнений. Маслоотбойные кольца предусматриваются для подшипников, смазываемых консистентными мазями и для защиты подшипников изнутри от попадания продуктов износа, зубьев колес, а также избытков масла, например при расположении подшипника вблизи косозубой шестерни или червяка (рисунок 8).

Рисунок 8 – Конструкция подшипникового узла при использовании консистентной смазки

Резьбовые отверстия в основании корпуса (могут быть и в крышке) служат для отжимных болтов 19, с помощью которых разъединяется крышка и основание редуктора. Проушины 20 с отверстиями предназначены для подъёма и транспортировки крышки и редуктора в собранном виде с помощью строп и электротали, а отверстия в нижнем поясе 21 основания редуктора – для установки фундаментных болтов, закрепляющих редуктор на раме. Плоскость разъёма редуктора и кольцевые выступы закладных крышек с целью обеспечения герметичности покрывают тонким слоем пасты «герметик», бакелитового или шеллачного лака. Прокладку в плоскости разъёма не ставят, т.к. это приводит к искажению цилиндрической формы отверстий под подшипники. Внутренние и наружные поверхности редуктора, необработанные поверхности зубчатых колёс, крышек подшипников, маслоотбойные кольца окрашивают масло- и атмосферостойкой эмалью.

Каждая зубчатая пара, как уже отмечалось, состоит из шестерни и колеса. В редукторах шестерни обычно выполняются как одно целое с валом, а зубчатые колёса – насадными. В тех случаях, когда расстояние от впадины зуба шестерни до шпоночного паза шестерни оказывается больше чем 2,5 модуля шестерню выполняют насадной на вал. В лабораторной работе рассматривается вал-шестерня, т.е. вал и шестерня составляют одно целое. Передача вращающего момента от колеса к валу осуществляется с помощью призматической шпонки 18.

Межосевые расстояния а_ω, мм, для ограничения номенклатуры корпусных деталей редукторов, принимают из стандартных рядов (см. выше).

Основным геометрическим параметром, через который выражаются все размеры венцов зубчатых колёс, является модуль зацепления m. Это линейная величина в  раз меньше шага зубьев P: . С другой стороны , где d – делительный диаметр колеса, z – число зубьев. Шаг это расстояние между одноименными поверхностями двух соседних зубьев, взятое по дуге делительной окружности. Шаг бывает нормальный Р_n и окружной P_t, соответственно в нормальном и торцовом сечениях колес. Таким же образом различают модуль нормальный m_n и окружной m_t, (рисунок 10).

Величина «модуль» введена для того, чтобы исключить иррациональность (число ) в значениях диаметров колёс, межосевого расстояния и др. размеров. Так как для нарезания зубчатых колёс каждого модуля необходимо соответствующий инструмент, то нецелесообразно выбирать произвольное значение модуля. С целью сокращения номенклатуры режущего инструмента значения применяемых модулей ограничены стандартом ГОСТ 9563. Для косозубых цилиндрических колёс стандартными назначают нормальные модули (эти колёса нарезаются тем же самым инструментом, что и прямозубые). Выше приведены модули в наиболее употребительном диапазоне.

Основные геометрические зависимости цилиндрических передач (рисунок 9).

а) высота зуба h=2,25·m;

б) высота головки зуба h_а= m;

в) высота ножки зуба h_а=1,25·m;

г) радиальный зазор с=0,25·m.

Угол исходного контора зацепления =20^о, равен углу зацепления.

Диаметры делительных окружностей, (мм):

Для прямозубых колес cos β=1, следовательно, d₁=m_n·z₁, d₂=m_n·z₂

Межосевое расстояние:

- для внешнего зацепления;

- для внутреннего зацепления.

Диаметры окружностей выступов (мм):

- для внутреннего зацепления.

Диаметры окружностей впадин (мм):

- для внутреннего зацепления.

Коэффициент ширины колеса по межосевому расстоянию:

, - используются стандартные значения (см. выше).

Ширина зубчатой шестерни (мм):

Коэффициент ширины колеса относительно диаметра шестерни:

На рисунке 10 даны эскизы конструкции вала-шестерни и зубчатого колеса с основным размерами. Валы обычно выполняют ступенчатыми, что удобно в изготовлении и при сборке; уступы валов фиксируют детали и могут воспринимать большие осевые силы. На эскизе вала-шестерни (рисунок 10) проставлены размеры: диаметры – делительный d₁, вершин зубьев d_a1, впадин d_f1; ширина шестерни b₁; угол наклона зубьев ; окружной делительный шаг Р_t и нормальный шаг Р_n; диаметр вала под подшипник d_п и диаметр выходного участка вала d_в.

Зубчатые колеса состоят из обода (1), несущего зубья; ступицы (3), насаживаемой на вал, и диска (2), соединяющего обод со ступицей. На эскизе зубчатого колеса (рисунок 10) проставлены размеры: диаметры – делительный d₂, вершин зубьев d_a2, впадин d_f2; ширина обода b_2и и толщина обода δ_об; диаметр d_ст и длина L_ст ступицы; диаметр отверстия d₀ под вал (равный диаметру вала); толщина диска ₀ и диаметр отверстия d_отв в диске, которое располагается посередине между ступицей и ободом.

Возникающие в зацеплении силы определяются из величины передаваемого крутящего момента. Окружные силы, в ньютонах:

где - вращательный момент на шестерне или колесе, Н·мм;

- диаметр делительной окружности шестерни или колеса, мм;

η – КПД передачи.

Осевые силы в ньютонах:

Радиальные силы в ньютонах:

Силы нормального давления в ньютонах:

где , и - значение угла наклона зубьев.

Рисунок 9 - Геометрические параметры зубчатого зацепления