Червячный редуктор: устройство и принцип работы простыми словами

Червячные редукторы - одна из самых распространённых передач в машиностроении. Их ценят за компактность, высокое передаточное число в одной ступени и возможность работать в условиях ограниченного пространства. Ниже разобрано, как устроен червячный редуктор, как считать его передаточное число и момент, почему у него низкий КПД, когда он действительно держит нагрузку без тормоза, какой у него люфт, какое масло в него заливают и как подобрать редуктор под двигатель, в том числе под шаговый.

Что такое червячный редуктор?

Червячный редуктор - это механизм, который снижает скорость вращения и одновременно увеличивает крутящий момент.
Основу конструкции составляют два элемента:

• червяк - винт с резьбой, похожий на большой болт;
• червячное колесо - зубчатое колесо, зацепляющееся с витками червяка.

Оси червяка и колеса скрещиваются под углом 90°, поэтому выходной вал редуктора расположен перпендикулярно валу двигателя. Когда червяк вращается, он передаёт движение колесу, и благодаря особенностям зацепления получается большое передаточное отношение: за один оборот однозаходного червяка колесо поворачивается только на один зуб.

Зачем нужен червячный редуктор?

Главная задача редуктора - уменьшение скорости вращения двигателя и увеличение силы на выходе.
Примеры применения:

• станки и производственное оборудование, в том числе поворотные столы и делительные устройства;
• лебёдки, подъёмники, лифты;
• сельхозтехника (культиваторы, мотоблоки);
• рулевые механизмы автомобилей (червяк и ролик);
• приводы ворот, конвейеров и транспортеров.

Устройство червячного редуктора

В стандартный одноступенчатый червячный редуктор входят:

• корпус (алюминиевый у малых и средних типоразмеров, чугунный у крупных);
• червяк (закалённая сталь);
• червячное колесо (бронзовый венец для снижения износа);
• валы (входной и выходной);
• подшипники и сальники;
• масло в корпусе.

Благодаря такой компоновке редуктор получается компактным и тихоходным.

Материалы червяка и колеса

В червячном зацеплении витки червяка скользят по зубьям колеса, поэтому пару делают из разнородных материалов: червяк твёрже колеса, а колесо из антифрикционного сплава снижает трение и износ. Червяк изготавливают из цементуемой легированной стали, после закалки боковые поверхности витков шлифуют. Венец колеса отливают из фосфористой бронзы, у отдельных производителей из специальной латуни (медно-цинкового сплава с алюминием). Встречаются также колёса из чугуна и полиамида.

Корпус и типоразмер: что означает число в NMRV030

Число в обозначении NMRV (030, 040, 050 и так далее) это межосевое расстояние между червяком и колесом в миллиметрах. У NMRV030 оно равно 30 мм, у NMRV040 40 мм. Чем больше межосевое расстояние, тем больше колесо и тем выше допустимый момент. У Motovario корпуса типоразмеров 025-110 литые алюминиевые, 130 и 150 чугунные.

Размеры приведены по каталогу Motovario. Редукторы с обозначением NMRV выпускают и другие производители, поэтому посадочные размеры сверяют по чертежу конкретной модели.

Принцип работы червячного редуктора

Работа строится на передаче вращения от винта к колесу:

1. Электродвигатель вращает червяк.
2. Витки червяка зацепляются с зубьями колеса.
3. Движение передаётся на выходной вал, но с меньшей скоростью.
4. Одновременно увеличивается крутящий момент (сила).

Особенность червячной передачи - самоторможение: при больших передаточных числах колесо не может провернуть червяк обратно. Это свойство полезно, но оно не абсолютное и зависит от передаточного числа, скорости, вибраций и износа. Подробно оно разобрано ниже в разделе о самоторможении.

Передаточное число червячного редуктора и как его посчитать

Передаточное число червячной пары равно отношению числа зубьев колеса к числу заходов червяка:

i = Z2 / Z1, где Z2 - число зубьев колеса, Z1 - число заходов (ниток) червяка.

Через частоты вращения оно считается так же, как для любого редуктора: i = n1 / n2, где n1 - частота вращения входного вала, n2 - выходного.

Пример по каталогу Motovario для NMRV030: при i = 5 червяк шестизаходный, при i = 10 трёхзаходный, при i = 15 двухзаходный, и во всех трёх случаях колесо имеет 30 зубьев (6 × 5 = 3 × 10 = 2 × 15 = 30). При i = 30 и выше червяк однозаходный. Чем меньше заходов, тем меньше угол подъёма витка и тем выше передаточное число.

Расчёт скорости: двигатель 1400 об/мин с редуктором i = 30 даёт на выходе 1400 / 30 = 46,7 об/мин.

Расчёт момента на выходе: M2 = M1 × i × η, где M1 - момент двигателя, η - КПД редуктора. Без учёта КПД момент был бы завышен: при i = 30 и КПД 0,66 из 1 Нм на входе получается 1 × 30 × 0,66 = 19,8 Нм, а не 30 Нм.

Двухступенчатые червячные редукторы

Если одной ступени не хватает, два червячных редуктора соединяют последовательно (исполнение NMRV/NMRV). Общее передаточное число равно произведению: i = i1 × i2. В каталоге Motovario такие сборки имеют передаточные числа от 100 (10 × 10) до 5000 (50 × 100). КПД сборки тоже перемножается: при 0,83 и 0,66 он составит 0,83 × 0,66 = 0,55. Другой вариант - цилиндрическая предступень перед червячной парой; за счёт неё КПД при том же передаточном числе выше, чем у чисто червячного редуктора.

КПД червячного редуктора и почему он низкий

В отличие от цилиндрических и планетарных передач, где зубья в основном перекатываются друг по другу, в червячной паре преобладает трение скольжения. Часть мощности двигателя уходит в тепло, поэтому КПД червячного редуктора ниже и сильно зависит от передаточного числа.

Для червячной пары КПД связан с углом подъёма витка γ и приведённым углом трения φ′:

η = tg γ / tg(γ + φ′)

Чем меньше угол подъёма (однозаходный червяк, большое передаточное число), тем больше доля трения и тем ниже КПД. Например, при φ′ = 3° для γ = 27° формула даёт η = 0,88, а для γ = 2° η = 0,40.

Каталожные значения для двух ходовых типоразмеров (Motovario, динамический КПД ηd при n1 = 1400 об/мин и статический КПД ηs при трогании, после обкатки, при 25 °C):

Из таблицы видно три закономерности. Первая: с ростом передаточного числа КПД падает с 0,87-0,89 до 0,45-0,48. Вторая: при том же передаточном числе больший типоразмер эффективнее. Третья: КПД при трогании (ηs) заметно ниже рабочего, поэтому при частых пусках и в подъёмных механизмах двигатель берут с запасом по мощности.

КПД дополнительно зависит от частоты вращения червяка (на малых оборотах он ниже каталожного значения для 1400 об/мин), от температуры и от обкатки. Новый редуктор до обкатки имеет КПД ниже каталожного.

Потери превращаются в тепло: мощность нагрева равна P1 × (1 - η). При входной мощности 0,14 кВт и КПД 0,71 редуктор выделяет 0,14 × 0,29 = 0,04 кВт, то есть 40 Вт тепла, которые корпус должен отдать в воздух.

Самоторможение червячного редуктора: когда держит, а когда нет

Самоторможение (необратимость) означает, что момент, приложенный к выходному валу, не может провернуть червяк. Производители различают два вида:

• статическое: редуктор стоит, к выходному валу прикладывают нагрузку, и червяк не проворачивается. Условие: статический КПД ηs < 0,5;
• динамическое: после отключения двигателя выходной вал сразу останавливается, а не продолжает вращаться по инерции нагрузки. Условие: динамический КПД ηd < 0,5.

Почему граница именно 0,5, видно из формулы обратного КПД червячной передачи: η′ = 2 - 1/η. При прямом КПД 0,74 обратный равен 2 - 1/0,74 = 0,65, и нагрузка легко вращает червяк. При η = 0,5 обратный КПД равен нулю, а при η < 0,5 он становится отрицательным, то есть нагрузка сама по себе червяк не провернёт.

Если сопоставить эти классы с таблицей КПД, получается, что у NMRV030 статическое самоторможение появляется только с i = 25 (ηs = 0,43), а при i = 20 редуктор находится на границе (ηs = 0,50). Динамическое самоторможение у NMRV030 есть только при i = 80 (ηd = 0,45), у NMRV040 только при i = 100 (ηd = 0,48). Bonfiglioli для своих серий VF и W указывает, что самоторможением обладают передаточные числа от 64 и выше. При i = 5-15 самоторможения нет ни в покое, ни в движении.

Даже при выполнении условий самоторможение нельзя считать тормозом:

• оно держится на трении, а трение при вибрации, ударах и нагреве падает; производители прямо указывают, что вибрации могут вызвать медленное проворачивание даже статически необратимого редуктора;
• после обкатки трение снижается и КПД растёт, поэтому запас по самоторможению у приработанного редуктора меньше, чем у нового; на обратимость влияют также температура, смазка и износ;
• при резкой остановке динамически необратимого редуктора инерция нагрузки даёт перегрузку зубьев колеса.

Поэтому в подъёмных механизмах, на наклонных транспортёрах и на вертикальных осях станков самоторможение не используют как единственную защиту от падения груза: ставят двигатель с тормозом или внешний тормоз. Так же рекомендуют SEW, Bonfiglioli и KHK.

Люфт червячного редуктора

Люфт - это угол, на который можно повернуть выходной вал при застопоренном входном вале. Его измеряют в угловых минутах (1° = 60 угловых минут). Каталожные значения для стандартных исполнений:

Угловой люфт превращается в линейную ошибку на рабочем органе: s = r × φ, где r - радиус шкива, шестерни или барабана, φ - люфт в радианах. Для NMRV030 с люфтом 44 угловых минуты (0,0128 рад) и шкивом радиусом 50 мм ошибка составит 50 × 0,0128 = 0,64 мм. При люфте 1° и том же шкиве она равна 0,87 мм. Для оси, которая должна позиционироваться с точностью до сотых долей миллиметра, такой редуктор без выборки люфта не подходит.

Люфт растёт по мере износа бронзового колеса. Для точных применений выпускают исполнения с уменьшенным люфтом (у отдельных производителей до 8 угловых минут без нагрузки) и пары с двухшаговым червяком, у которых люфт регулируют осевым смещением червяка. Под нагрузкой к люфту добавляется упругая деформация зубьев и валов.

Исполнения червячных редукторов

С фланцем под двигатель и с входным валом

Исполнение NMRV имеет входной фланец и полое входное отверстие со шпоночным пазом: вал двигателя вставляется прямо в червяк, муфта не нужна. Исполнение NRV имеет выступающий входной вал, который соединяют с двигателем муфтой или ремённой передачей. Зубчатая пара у обоих одинаковая.

Полый выходной вал, вставной вал, фланец и реактивная штанга

Стандартный выходной вал NMRV полый, со шпоночным пазом. Его надевают на вал приводимого механизма либо вставляют в него отдельно поставляемый выходной вал, односторонний или двусторонний. Для крепления к машине используют лапы корпуса, выходной фланец или реактивную штангу: при насадном монтаже корпус висит на валу механизма, а штанга не даёт ему провернуться.

Одноступенчатые, двухступенчатые и с цилиндрической предступенью

Одноступенчатый NMRV перекрывает передаточные числа от 5 до 100 (у NMRV030 до 80). Для больших чисел используют сдвоенные NMRV/NMRV (до 5000 в каталоге Motovario) или цилиндрическую предступень перед червячной парой. У сдвоенного редуктора масляные полости ступеней раздельные, и самоторможение сборки определяет ступень с меньшим КПД.

Монтажное положение и масло

Монтажные положения B3, B6, B7, B8, V5, V6

Монтажное положение описывает, как редуктор ориентирован в пространстве. Для NMRV производители используют шесть положений: B3, B6, B7, B8, V5 и V6 (в V5 и V6 вал двигателя вертикален: в V5 двигатель сверху, в V6 снизу). Стандартное положение B3; по данным Motovario оно даёт меньшее разбрызгивание масла, лучшую смазку и меньший нагрев. От положения зависят место пробок и количество масла. В положениях, где первая ступень полностью погружена в масло, у крупных редукторов при высокой скорости растут потери на перемешивание масла.

У Motovario типоразмеры NMRV 025-075 выпускают в универсальном исполнении: масло залито на весь срок службы, положение при заказе указывать не нужно. Для NMRV 090-110 положение B3 подходит и для B6, B7, B8, а V5 и V6 указывают при заказе. Для 130 и 150 положение указывают всегда, потому что от него зависит объём масла.

Какое масло заливать в червячный редуктор

Для червячных пар применяют минеральные масла ISO VG220 и синтетические ISO VG320. Синтетическое масло работает в более широком диапазоне температур, а полигликолевая синтетика за счёт низкого коэффициента трения снижает нагрев и износ червячной пары.

Синтетические масла бывают на разной основе. Штатное масло Motovario (ENI Telium VSF) и Bonfiglioli (Shell Omala S4 WE 320) полигликолевое (PAG), а Mobil SHC 632 из той же таблицы полиальфаолефиновое (PAO). Полигликолевое масло несовместимо с минеральным и с большинством других синтетических масел, а с некоторыми полигликолями другой марки тоже не смешивается. Отсюда практические правила:

• доливать только то масло, которое уже залито (марка указана на шильдике или в документации);
• не смешивать минеральное масло с синтетическим и масла разных марок;
• при переходе на другое масло старое сливают полностью и промывают редуктор тем маслом, которое будут использовать;
• полигликоли разрушают некоторые обычные краски, поэтому рекомендуют эпоксидные покрытия, а из уплотнений предпочтительны фторкаучуковые (Viton).

Сколько масла нужно

Объём масла по каталогу Motovario (литры):

Пробки заливки, уровня и слива у Motovario есть только на типоразмерах 130 и 150; меньшие редукторы заливают на заводе на весь срок службы. У других производителей объём и наличие пробок смотрят в документации конкретной модели. Масло проверяют и доливают, когда редуктор уже стоит в своём монтажном положении. Если масло подтекает, сначала устраняют причину течи.

Когда менять масло

Редукторы, залитые на весь срок службы, замены масла не требуют. Для редукторов с пробками интервал указан в инструкции; у Motovario по таблице обслуживания он равен 4000 ч для минерального масла и 8000 ч для синтетического. Масло сливают тёплым, при температуре корпуса ниже 40 °C, через 30 минут после заливки проверяют уровень.

Нагрев и срок службы

Червячный редуктор в работе горячий на ощупь, и это нормально: часть мощности уходит в тепло. Допустимые значения по каталогу Bonfiglioli для непрерывной работы: температура поверхности корпуса до +100 °C, масла до +95 °C, при этом продолжительная работа при 80-95 °C не рекомендуется. StepperOnline для NMRV30 указывает рабочую температуру до 85 °C. Во время обкатки температура выше штатной рабочей, после неё снижается и стабилизируется.

Если корпус перегревается, Motovario называет три причины: редуктор подобран с недостаточным запасом по нагрузке, монтажное положение не соответствует заказанному, неправильный уровень масла. Лишнее масло тоже вредно: чем глубже зубчатая пара погружена в масло, тем больше потери на его перемешивание и нагрев.

Ресурс сильно зависит от нагрузки. В инструкции Motovario интервал общего осмотра для исполнений ATEX считают по формуле 8000 × (M2max / Mr2)³ ч с поправочными коэффициентами: если фактический момент вдвое меньше допустимого, интервал растёт в 2³ = 8 раз. Для компактных редукторов под шаговые двигатели производители указывают ресурс от 6000 ч (StepperOnline NMRV30).

Обкатка нового редуктора

Поверхности витков и зубьев нового редуктора ещё не приработаны, поэтому трение выше, а КПД ниже каталожного. По данным SEW, обкатка длится 48 часов, и в это время КПД червячной ступени снижен: на 12 % при однозаходном червяке, на 6 % при двухзаходном, на 3 % при трёх- и пятизаходном, на 2 % при шестизаходном. Эффект сильнее при больших передаточных числах. Каталожный КПД достигается после обкатки, при рабочей температуре, штатном масле и номинальной нагрузке.

Рекомендации производителей при вводе в работу:

• запускать постепенно, не давая сразу максимальную нагрузку;
• дать редуктору поработать несколько минут без нагрузки, чтобы масло разошлось и прогрелось, особенно на холоде;
• в первый час работы следить за шумом, вибрацией и нагревом и при отклонениях остановить привод;
• для исполнений ATEX Motovario рекомендует обкатку 24 часа при нагрузке до 40 % от номинальной; небольшой выход смазки из-под сальников в это время допустим.

Как подобрать червячный редуктор по моменту и сервис-фактору

Порядок подбора по каталогам Motovario и Bonfiglioli:

1. Определить передаточное число: i = n1 / n2.
2. Определить требуемый момент на выходе Mr2 и сервис-фактор fs (коэффициент условий работы).
3. Посчитать расчётный момент Mc2 = Mr2 × fs и выбрать редуктор, у которого номинальный момент Mn2 не меньше Mc2 при данной входной частоте.
4. Посчитать мощность двигателя: P1 = Mr2 × n2 / (9550 × ηd), кВт.
5. Проверить пиковый момент (у Motovario он не должен превышать 200 % от Mn2) и радиальные нагрузки на валы.

Сервис-фактор зависит от характера нагрузки, числа часов работы в сутки и числа пусков в час. Характер нагрузки определяют по отношению момента инерции приводимых масс, приведённого к валу двигателя, к моменту инерции двигателя: fa = Je / Jm. Значения при 5 пусках в час по графику Motovario:

С ростом числа пусков в час сервис-фактор увеличивается, и при частых пусках его берут по графику производителя для фактического числа пусков. В станке с ЧПУ каждое перемещение оси это пуск и остановка.

Номинальный момент редуктора зависит от входной частоты: чем медленнее вращается червяк, тем больший момент допускает пара. Для NRV030 и NRV040 с i = 20 (одинаковая пара с NMRV) по каталогу Motovario:

Пример расчёта. Нужно 20 Нм на выходе при 47 об/мин от двигателя 1400 об/мин, нагрузка B, работа 8 ч в сутки. Передаточное число 1400 / 47 = 30. Сервис-фактор 1,2, расчётный момент 20 × 1,2 = 24 Нм. У типоразмера 030 при i = 30 и 1400 об/мин Mn2 = 21 Нм, этого мало. У 040 Mn2 = 48 Нм, он подходит. Мощность двигателя: 20 × 47 / (9550 × 0,71) = 0,14 кВт, ближайший стандартный двигатель 0,18 кВт. Пиковый момент не должен превышать 2 × 48 = 96 Нм.

Червячный редуктор с шаговым двигателем и сервоприводом

В станках с ЧПУ и в автоматике червячные редукторы ставят на шаговые двигатели и сервоприводы, когда нужен большой момент на малой скорости, выход под углом 90° или частичное удержание нагрузки. Под шаговые двигатели выпускают NMRV030 с квадратным фланцем для NEMA23 (посадочное отверстие 9 или 11 мм, выходной полый вал 14 мм) и NMRV040 с фланцем 86 мм для NEMA34 (выходной вал 18 мм). Если вал двигателя тоньше отверстия червяка, ставят переходную втулку, например с 11 на 8 мм.

Что учитывать при подборе под шаговый двигатель:

• Момент на выходе считают по моменту двигателя на рабочей скорости, а не по моменту удержания: M2 = M1 × i × η. Для двигателя с моментом 1,5 Нм на 500 об/мин и NMRV030 с i = 20: 1,5 × 20 × 0,74 = 22,2 Нм при допустимых для этой частоты 23 Нм. Сервис-фактор получается 23 / 22,2 = 1,04, поэтому для нагрузки с толчками (fs от 1,2) берут NMRV040. КПД 0,74 взят для 1400 об/мин, на меньших оборотах он ниже, и фактический момент будет меньше расчётного.
• Перегрузка при упоре. Момент двигателя, умноженный на i и η, не должен превышать двойного номинального момента редуктора. Двигатель с моментом удержания 3 Нм через i = 20 даёт до 3 × 20 × 0,74 = 44,4 Нм, это 1,9 номинала NMRV030 (23 Нм) при допустимых 2,0.
• Скорость. При i = 20 двигатель на 500 об/мин даёт на выходе 25 об/мин.
• Разрешение и люфт. При шаге 1,8° и i = 20 выходной вал поворачивается на 0,09° (5,4 угловой минуты) за шаг. Люфт NMRV030 20-44 угловых минуты соответствует 3,7-8,1 полным шагам двигателя. Точность оси определяет люфт редуктора, а не микрошаг драйвера.
• Удержание. При i = 5-15 редуктор не самотормозящий, при i = 20 находится на границе, и после снятия тока с двигателя нагрузка может провернуть вал. Вертикальную ось с грузом защищают двигателем с тормозом.

Для сервоприводов важны малый люфт и высокий КПД, поэтому на осях позиционирования с сервоприводом применяют планетарные редукторы: например, у Neugart PLE060 люфт одноступенчатого исполнения меньше 10 угловых минут при КПД 98 %. Червячный редуктор уместен там, где нужен угловой выход, большое передаточное число в одной ступени и малый шум, а точность позиционирования вторична: подачи, конвейеры, поворотные устройства, приводы заслонок и ворот.

Червячный, планетарный или цилиндрический редуктор

Если привод работает много часов в сутки, разница в КПД превращается в разницу в потребляемой мощности и нагреве. Если важны угловая компоновка, большое передаточное число при малых размерах и тихая работа, червячный редуктор остаётся простым решением.

Типичные неисправности: шум, нагрев, течь

После длительного хранения (4-6 месяцев), если сальник не был погружён в масло, Motovario рекомендует сальник заменить: резина может прилипнуть к валу или потерять эластичность.

Преимущества червячных редукторов

• Высокое передаточное число в одной ступени: до 100 у одноступенчатого NMRV.
• Компактные размеры, простая конструкция и выходной вал под углом 90°.
• Низкий уровень шума и вибраций.
• Самоторможение при больших передаточных числах (не как замена тормоза).

Недостатки

• Сравнительно низкий КПД из-за трения скольжения: от 0,87-0,89 при i = 5 до 0,45-0,48 при i = 80-100, при трогании ещё ниже.
• Нагрев при работе и повышенные требования к смазке: нельзя смешивать масла разных типов.
• Износ бронзового колеса при перегрузке и неправильной смазке, с ростом люфта.
• Люфт стандартных исполнений десятки угловых минут, что ограничивает применение на точных осях.

Итоги

Червячный редуктор - это простой и надёжный способ снизить скорость и увеличить момент при угловой компоновке. Передаточное число считают как Z2 / Z1, момент на выходе как M1 × i × η, а подбирают редуктор по расчётному моменту с сервис-фактором и по входной частоте. Самоторможение есть только при больших передаточных числах и не заменяет тормоз. Для точных осей ЧПУ решающим становится люфт, а для долгой непрерывной работы КПД и нагрев.

Зная устройство и принцип работы, легко понять, где и как использовать этот механизм - от сельхозтехники до промышленных приводов и станков с ЧПУ.