Черв'ячний редуктор: пристрій та принцип роботи простими словами

Черв’ячні редуктори - це одна з найпоширеніших передач у машинобудуванні. Їх цінують за компактність, високе передатне число в одному ступені і можливість працювати в умовах обмеженого простору. Нижче розібрано, як влаштований черв’ячний редуктор, як рахувати його передатне число і момент, чому в нього низький ККД, коли він справді утримує навантаження без гальма, який у нього люфт, яку оливу в нього заливають і як підібрати редуктор під двигун, зокрема під кроковий.

Що таке черв’ячний редуктор?

Черв’ячний редуктор - це механізм, який знижує швидкість обертання і одночасно збільшує крутний момент.
Основу конструкції складають два елементи:

• черв’як - гвинт з різьбою, схожий на великий болт;
• черв’ячне колесо - зубчасте колесо, що зачеплюється з витками черв’яка.

Осі черв’яка і колеса схрещуються під кутом 90°, тому вихідний вал редуктора розташований перпендикулярно до вала двигуна. Коли черв’як обертається, він передає рух колесу, і завдяки особливостям зачеплення виходить велике передатне відношення: за один оберт однозахідного черв’яка колесо повертається лише на один зуб.

Навіщо потрібен черв’ячний редуктор?

Головне завдання редуктора - зменшення швидкості обертання двигуна і збільшення сили на виході.
Приклади застосування:

• верстати і виробниче обладнання, зокрема поворотні столи і ділильні пристрої;
• лебідки, підйомники, ліфти;
• сільгосптехніка (культиватори, мотоблоки);
• кермові механізми автомобілів (черв’як і ролик);
• приводи воріт, конвеєрів і транспортерів.

Будова черв’ячного редуктора

До стандартного одноступеневого черв’ячного редуктора входять:

• корпус (алюмінієвий у малих і середніх типорозмірів, чавунний у великих);
• черв’як (загартована сталь);
• черв’ячне колесо (бронзовий вінець для зменшення зносу);
• вали (вхідний і вихідний);
• підшипники і сальники;
• олива в корпусі.

Завдяки такій компоновці редуктор виходить компактним і тихохідним.

Матеріали черв’яка і колеса

У черв’ячному зачепленні витки черв’яка ковзають по зубах колеса, тому пару роблять з різнорідних матеріалів: черв’як твердіший за колесо, а колесо з антифрикційного сплаву зменшує тертя і знос. Черв’як виготовляють з цементованої легованої сталі, після гартування бічні поверхні витків шліфують. Вінець колеса відливають з фосфористої бронзи, в окремих виробників зі спеціальної латуні (мідно-цинкового сплаву з алюмінієм). Трапляються також колеса з чавуну і поліаміду.

Корпус і типорозмір: що означає число в NMRV030

Число в позначенні NMRV (030, 040, 050 і так далі) - це міжосьова відстань між черв’яком і колесом у міліметрах. У NMRV030 вона дорівнює 30 мм, у NMRV040 40 мм. Що більша міжосьова відстань, то більше колесо і то вищий допустимий момент. У Motovario корпуси типорозмірів 025-110 литі алюмінієві, 130 і 150 чавунні.

Розміри наведено за каталогом Motovario. Редуктори з позначенням NMRV випускають і інші виробники, тому посадкові розміри звіряють за кресленням конкретної моделі.

Принцип роботи черв’ячного редуктора

Робота побудована на передачі обертання від гвинта до колеса:

1. Електродвигун обертає черв’як.
2. Витки черв’яка зачеплюються із зубцями колеса.
3. Рух передається на вихідний вал, але з меншою швидкістю.
4. Одночасно збільшується крутний момент (сила).

Особливість черв’ячної передачі - самогальмування: за великих передатних чисел колесо не може провернути черв’як назад. Ця властивість корисна, але вона не абсолютна і залежить від передатного числа, швидкості, вібрацій і зносу. Докладно її розібрано нижче в розділі про самогальмування.

Передатне число черв’ячного редуктора і як його порахувати

Передатне число черв’ячної пари дорівнює відношенню числа зубців колеса до числа заходів черв’яка:

i = Z2 / Z1, де Z2 - число зубців колеса, Z1 - число заходів (ниток) черв’яка.

Через частоти обертання воно рахується так само, як для будь-якого редуктора: i = n1 / n2, де n1 - частота обертання вхідного вала, n2 - вихідного.

Приклад за каталогом Motovario для NMRV030: при i = 5 черв’як шестизахідний, при i = 10 тризахідний, при i = 15 двозахідний, і в усіх трьох випадках колесо має 30 зубців (6 × 5 = 3 × 10 = 2 × 15 = 30). При i = 30 і вище черв’як однозахідний. Що менше заходів, то менший кут підйому витка і то вище передатне число.

Розрахунок швидкості: двигун 1400 об/хв з редуктором i = 30 дає на виході 1400 / 30 = 46,7 об/хв.

Розрахунок моменту на виході: M2 = M1 × i × η, де M1 - момент двигуна, η - ККД редуктора. Без урахування ККД момент було б завищено: при i = 30 і ККД 0,66 з 1 Нм на вході виходить 1 × 30 × 0,66 = 19,8 Нм, а не 30 Нм.

Двоступеневі черв’ячні редуктори

Якщо одного ступеня не вистачає, два черв’ячні редуктори з’єднують послідовно (виконання NMRV/NMRV). Загальне передатне число дорівнює добутку: i = i1 × i2. У каталозі Motovario такі збірки мають передатні числа від 100 (10 × 10) до 5000 (50 × 100). ККД збірки теж перемножується: при 0,83 і 0,66 він становитиме 0,83 × 0,66 = 0,55. Інший варіант - циліндричний передступінь перед черв’ячною парою; завдяки йому ККД за того самого передатного числа вищий, ніж у суто черв’ячного редуктора.

ККД черв’ячного редуктора і чому він низький

На відміну від циліндричних і планетарних передач, де зубці переважно перекочуються один по одному, у черв’ячній парі переважає тертя ковзання. Частина потужності двигуна йде в тепло, тому ККД черв’ячного редуктора нижчий і сильно залежить від передатного числа.

Для черв’ячної пари ККД пов’язаний з кутом підйому витка γ і зведеним кутом тертя φ′:

η = tg γ / tg(γ + φ′)

Що менший кут підйому (однозахідний черв’як, велике передатне число), то більша частка тертя і то нижчий ККД. Наприклад, при φ′ = 3° для γ = 27° формула дає η = 0,88, а для γ = 2° η = 0,40.

Каталожні значення для двох ходових типорозмірів (Motovario, динамічний ККД ηd при n1 = 1400 об/хв і статичний ККД ηs під час рушання, після обкатки, при 25 °C):

З таблиці видно три закономірності. Перша: зі зростанням передатного числа ККД падає з 0,87-0,89 до 0,45-0,48. Друга: за того самого передатного числа більший типорозмір ефективніший. Третя: ККД під час рушання (ηs) помітно нижчий за робочий, тому за частих пусків і в підйомних механізмах двигун беруть із запасом за потужністю.

ККД додатково залежить від частоти обертання черв’яка (на малих обертах він нижчий за каталожне значення для 1400 об/хв), від температури і від обкатки. Новий редуктор до обкатки має ККД нижчий за каталожний.

Втрати перетворюються на тепло: потужність нагрівання дорівнює P1 × (1 - η). За вхідної потужності 0,14 кВт і ККД 0,71 редуктор виділяє 0,14 × 0,29 = 0,04 кВт, тобто 40 Вт тепла, які корпус має віддати в повітря.

Самогальмування черв’ячного редуктора: коли тримає, а коли ні

Самогальмування (необоротність) означає, що момент, прикладений до вихідного вала, не може провернути черв’як. Виробники розрізняють два види:

• статичне: редуктор стоїть, до вихідного вала прикладають навантаження, і черв’як не провертається. Умова: статичний ККД ηs < 0,5;
• динамічне: після вимкнення двигуна вихідний вал одразу зупиняється, а не продовжує обертатися за інерцією навантаження. Умова: динамічний ККД ηd < 0,5.

Чому межа саме 0,5, видно з формули зворотного ККД черв’ячної передачі: η′ = 2 - 1/η. За прямого ККД 0,74 зворотний дорівнює 2 - 1/0,74 = 0,65, і навантаження легко обертає черв’як. При η = 0,5 зворотний ККД дорівнює нулю, а при η < 0,5 він стає від’ємним, тобто навантаження саме по собі черв’як не проверне.

Якщо зіставити ці класи з таблицею ККД, виходить, що в NMRV030 статичне самогальмування з’являється лише з i = 25 (ηs = 0,43), а при i = 20 редуктор перебуває на межі (ηs = 0,50). Динамічне самогальмування в NMRV030 є лише при i = 80 (ηd = 0,45), у NMRV040 лише при i = 100 (ηd = 0,48). Bonfiglioli для своїх серій VF і W зазначає, що самогальмування мають передатні числа від 64 і вище. При i = 5-15 самогальмування немає ні в спокої, ні в русі.

Навіть за виконання умов самогальмування не можна вважати гальмом:

• воно тримається на терті, а тертя за вібрації, ударів і нагрівання падає; виробники прямо зазначають, що вібрації можуть спричинити повільне провертання навіть статично необоротного редуктора;
• після обкатки тертя зменшується і ККД зростає, тому запас самогальмування у припрацьованого редуктора менший, ніж у нового; на оборотність впливають також температура, мастило і знос;
• під час різкої зупинки динамічно необоротного редуктора інерція навантаження дає перевантаження зубців колеса.

Тому в підйомних механізмах, на похилих транспортерах і на вертикальних осях верстатів самогальмування не використовують як єдиний захист від падіння вантажу: ставлять двигун з гальмом або зовнішнє гальмо. Так само рекомендують SEW, Bonfiglioli і KHK.

Люфт черв’ячного редуктора

Люфт - це кут, на який можна повернути вихідний вал за застопореного вхідного вала. Його вимірюють у кутових хвилинах (1° = 60 кутових хвилин). Каталожні значення для стандартних виконань:

Кутовий люфт перетворюється на лінійну похибку на робочому органі: s = r × φ, де r - радіус шківа, шестерні або барабана, φ - люфт у радіанах. Для NMRV030 з люфтом 44 кутові хвилини (0,0128 рад) і шківом радіусом 50 мм похибка становитиме 50 × 0,0128 = 0,64 мм. За люфту 1° і того самого шківа вона дорівнює 0,87 мм. Для осі, яка має позиціюватися з точністю до сотих часток міліметра, такий редуктор без вибирання люфту не підходить.

Люфт зростає в міру зносу бронзового колеса. Для точних застосувань випускають виконання зі зменшеним люфтом (в окремих виробників до 8 кутових хвилин без навантаження) і пари з двокроковим черв’яком, у яких люфт регулюють осьовим зміщенням черв’яка. Під навантаженням до люфту додається пружна деформація зубців і валів.

Виконання черв’ячних редукторів

З фланцем під двигун і з вхідним валом

Виконання NMRV має вхідний фланець і порожнистий вхідний отвір зі шпонковим пазом: вал двигуна вставляється прямо в черв’як, муфта не потрібна. Виконання NRV має виступний вхідний вал, який з’єднують з двигуном муфтою або пасовою передачею. Зубчаста пара в обох однакова.

Порожнистий вихідний вал, вставний вал, фланець і реактивна штанга

Стандартний вихідний вал NMRV порожнистий, зі шпонковим пазом. Його надягають на вал приводного механізму або вставляють у нього окремо постачуваний вихідний вал, однобічний чи двобічний. Для кріплення до машини використовують лапи корпусу, вихідний фланець або реактивну штангу: за насадного монтажу корпус висить на валу механізму, а штанга не дає йому провернутися.

Одноступеневі, двоступеневі і з циліндричним передступенем

Одноступеневий NMRV перекриває передатні числа від 5 до 100 (у NMRV030 до 80). Для більших чисел використовують здвоєні NMRV/NMRV (до 5000 у каталозі Motovario) або циліндричний передступінь перед черв’ячною парою. У здвоєного редуктора оливні порожнини ступенів окремі, і самогальмування збірки визначає ступінь з меншим ККД.

Монтажне положення і олива

Монтажні положення B3, B6, B7, B8, V5, V6

Монтажне положення описує, як редуктор орієнтований у просторі. Для NMRV виробники використовують шість положень: B3, B6, B7, B8, V5 і V6 (у V5 і V6 вал двигуна вертикальний: у V5 двигун зверху, у V6 знизу). Стандартне положення B3; за даними Motovario воно дає менше розбризкування оливи, краще змащення і менше нагрівання. Від положення залежать місце пробок і кількість оливи. У положеннях, де перший ступінь повністю занурений в оливу, у великих редукторів на високій швидкості зростають втрати на перемішування оливи.

У Motovario типорозміри NMRV 025-075 випускають в універсальному виконанні: оливу залито на весь термін служби, положення під час замовлення вказувати не потрібно. Для NMRV 090-110 положення B3 підходить і для B6, B7, B8, а V5 і V6 вказують під час замовлення. Для 130 і 150 положення вказують завжди, бо від нього залежить об’єм оливи.

Яку оливу (масло) заливати в черв’ячний редуктор

Для черв’ячних пар застосовують мінеральні оливи ISO VG220 і синтетичні ISO VG320. Синтетична олива працює в ширшому діапазоні температур, а полігліколева синтетика завдяки низькому коефіцієнту тертя зменшує нагрівання і знос черв’ячної пари.

Синтетичні оливи бувають на різній основі. Штатна олива Motovario (ENI Telium VSF) і Bonfiglioli (Shell Omala S4 WE 320) полігліколева (PAG), а Mobil SHC 632 з тієї самої таблиці поліальфаолефінова (PAO). Полігліколева олива несумісна з мінеральною і з більшістю інших синтетичних олив, а з деякими полігліколями іншої марки теж не змішується. Звідси практичні правила:

• доливати лише ту оливу, яку вже залито (марку вказано на шильдику або в документації);
• не змішувати мінеральну оливу із синтетичною та оливи різних марок;
• під час переходу на іншу оливу стару зливають повністю і промивають редуктор тією оливою, яку використовуватимуть;
• полігліколі руйнують деякі звичайні фарби, тому рекомендують епоксидні покриття, а з ущільнень кращі фторкаучукові (Viton).

Скільки оливи потрібно

Об’єм оливи за каталогом Motovario (літри):

Пробки заливання, рівня і зливання в Motovario є лише на типорозмірах 130 і 150; менші редуктори заливають на заводі на весь термін служби. В інших виробників об’єм і наявність пробок дивляться в документації конкретної моделі. Оливу перевіряють і доливають, коли редуктор уже стоїть у своєму монтажному положенні. Якщо олива підтікає, спершу усувають причину витоку.

Коли міняти оливу

Редуктори, залиті на весь термін служби, заміни оливи не потребують. Для редукторів з пробками інтервал указано в інструкції; у Motovario за таблицею обслуговування він дорівнює 4000 год для мінеральної оливи і 8000 год для синтетичної. Оливу зливають теплою, за температури корпусу нижче 40 °C, через 30 хвилин після заливання перевіряють рівень.

Нагрівання і термін служби

Черв’ячний редуктор у роботі гарячий на дотик, і це нормально: частина потужності йде в тепло. Допустимі значення за каталогом Bonfiglioli для безперервної роботи: температура поверхні корпусу до +100 °C, оливи до +95 °C, при цьому тривала робота при 80-95 °C не рекомендується. StepperOnline для NMRV30 вказує робочу температуру до 85 °C. Під час обкатки температура вища за штатну робочу, після неї знижується і стабілізується.

Якщо корпус перегрівається, Motovario називає три причини: редуктор підібрано з недостатнім запасом за навантаженням, монтажне положення не відповідає замовленому, неправильний рівень оливи. Зайва олива теж шкідлива: що глибше зубчаста пара занурена в оливу, то більші втрати на її перемішування і нагрівання.

Ресурс сильно залежить від навантаження. В інструкції Motovario інтервал загального огляду для виконань ATEX рахують за формулою 8000 × (M2max / Mr2)³ год з поправковими коефіцієнтами: якщо фактичний момент удвічі менший за допустимий, інтервал зростає в 2³ = 8 разів. Для компактних редукторів під крокові двигуни виробники вказують ресурс від 6000 год (StepperOnline NMRV30).

Обкатка нового редуктора

Поверхні витків і зубців нового редуктора ще не припрацьовані, тому тертя вище, а ККД нижчий за каталожний. За даними SEW, обкатка триває 48 годин, і в цей час ККД черв’ячного ступеня знижений: на 12 % за однозахідного черв’яка, на 6 % за двозахідного, на 3 % за три- і п’ятизахідного, на 2 % за шестизахідного. Ефект сильніший за великих передатних чисел. Каталожний ККД досягається після обкатки, за робочої температури, штатної оливи і номінального навантаження.

Рекомендації виробників під час введення в роботу:

• запускати поступово, не даючи одразу максимального навантаження;
• дати редуктору попрацювати кілька хвилин без навантаження, щоб олива розійшлася і прогрілася, особливо на холоді;
• у першу годину роботи стежити за шумом, вібрацією і нагріванням і за відхилень зупинити привід;
• для виконань ATEX Motovario рекомендує обкатку 24 години за навантаження до 40 % від номінального; невеликий вихід мастила з-під сальників у цей час допустимий.

Як підібрати черв’ячний редуктор за моментом і сервіс-фактором

Порядок підбору за каталогами Motovario і Bonfiglioli:

1. Визначити передатне число: i = n1 / n2.
2. Визначити потрібний момент на виході Mr2 і сервіс-фактор fs (коефіцієнт умов роботи).
3. Порахувати розрахунковий момент Mc2 = Mr2 × fs і вибрати редуктор, у якого номінальний момент Mn2 не менший за Mc2 за цієї вхідної частоти.
4. Порахувати потужність двигуна: P1 = Mr2 × n2 / (9550 × ηd), кВт.
5. Перевірити піковий момент (у Motovario він не має перевищувати 200 % від Mn2) і радіальні навантаження на вали.

Сервіс-фактор залежить від характеру навантаження, кількості годин роботи на добу і кількості пусків на годину. Характер навантаження визначають за відношенням моменту інерції приводних мас, зведеного до вала двигуна, до моменту інерції двигуна: fa = Je / Jm. Значення за 5 пусків на годину за графіком Motovario:

Зі зростанням кількості пусків на годину сервіс-фактор збільшується, і за частих пусків його беруть за графіком виробника для фактичної кількості пусків. У верстаті з ЧПУ кожне переміщення осі - це пуск і зупинка.

Номінальний момент редуктора залежить від вхідної частоти: що повільніше обертається черв’як, то більший момент допускає пара. Для NRV030 і NRV040 з i = 20 (однакова пара з NMRV) за каталогом Motovario:

Приклад розрахунку. Потрібно 20 Нм на виході при 47 об/хв від двигуна 1400 об/хв, навантаження B, робота 8 год на добу. Передатне число 1400 / 47 = 30. Сервіс-фактор 1,2, розрахунковий момент 20 × 1,2 = 24 Нм. У типорозміру 030 при i = 30 і 1400 об/хв Mn2 = 21 Нм, цього замало. У 040 Mn2 = 48 Нм, він підходить. Потужність двигуна: 20 × 47 / (9550 × 0,71) = 0,14 кВт, найближчий стандартний двигун 0,18 кВт. Піковий момент не має перевищувати 2 × 48 = 96 Нм.

Черв’ячний редуктор з кроковим двигуном і сервоприводом

У верстатах з ЧПУ і в автоматиці черв’ячні редуктори ставлять на крокові двигуни і сервоприводи, коли потрібні великий момент на малій швидкості, вихід під кутом 90° або часткове утримання навантаження. Під крокові двигуни випускають NMRV030 з квадратним фланцем для NEMA23 (посадковий отвір 9 або 11 мм, вихідний порожнистий вал 14 мм) і NMRV040 з фланцем 86 мм для NEMA34 (вихідний вал 18 мм). Якщо вал двигуна тонший за отвір черв’яка, ставлять перехідну втулку, наприклад з 11 на 8 мм.

Що враховувати під час підбору під кроковий двигун:

• Момент на виході рахують за моментом двигуна на робочій швидкості, а не за моментом утримання: M2 = M1 × i × η. Для двигуна з моментом 1,5 Нм на 500 об/хв і NMRV030 з i = 20: 1,5 × 20 × 0,74 = 22,2 Нм за допустимих для цієї частоти 23 Нм. Сервіс-фактор виходить 23 / 22,2 = 1,04, тому для навантаження з поштовхами (fs від 1,2) беруть NMRV040. ККД 0,74 взято для 1400 об/хв, на менших обертах він нижчий, і фактичний момент буде меншим за розрахунковий.
• Перевантаження під час упору. Момент двигуна, помножений на i та η, не має перевищувати подвійного номінального моменту редуктора. Двигун з моментом утримання 3 Нм через i = 20 дає до 3 × 20 × 0,74 = 44,4 Нм, це 1,9 номіналу NMRV030 (23 Нм) за допустимих 2,0.
• Швидкість. При i = 20 двигун на 500 об/хв дає на виході 25 об/хв.
• Роздільність і люфт. За кроку 1,8° та i = 20 вихідний вал повертається на 0,09° (5,4 кутової хвилини) за крок. Люфт NMRV030 20-44 кутові хвилини відповідає 3,7-8,1 повного кроку двигуна. Точність осі визначає люфт редуктора, а не мікрокрок драйвера.
• Утримання. При i = 5-15 редуктор не самогальмівний, при i = 20 перебуває на межі, і після зняття струму з двигуна навантаження може провернути вал. Вертикальну вісь з вантажем захищають двигуном з гальмом.

Для сервоприводів важливі малий люфт і високий ККД, тому на осях позиціювання із сервоприводом застосовують планетарні редуктори: наприклад, у Neugart PLE060 люфт одноступеневого виконання менший за 10 кутових хвилин за ККД 98 %. Черв’ячний редуктор доречний там, де потрібні кутовий вихід, велике передатне число в одному ступені і малий шум, а точність позиціювання другорядна: подачі, конвеєри, поворотні пристрої, приводи заслінок і воріт.

Черв’ячний, планетарний чи циліндричний редуктор

Якщо привід працює багато годин на добу, різниця в ККД перетворюється на різницю в споживаній потужності і нагріванні. Якщо важливі кутова компоновка, велике передатне число за малих розмірів і тиха робота, черв’ячний редуктор залишається простим рішенням.

Типові несправності: шум, нагрівання, витік

Після тривалого зберігання (4-6 місяців), якщо сальник не був занурений в оливу, Motovario рекомендує сальник замінити: гума може прилипнути до вала або втратити еластичність.

Переваги черв’ячних редукторів

• Високе передатне число в одному ступені: до 100 в одноступеневого NMRV.
• Компактні розміри, проста конструкція і вихідний вал під кутом 90°.
• Низький рівень шуму і вібрацій.
• Самогальмування за великих передатних чисел (не як заміна гальма).

Недоліки

• Порівняно низький ККД через тертя ковзання: від 0,87-0,89 при i = 5 до 0,45-0,48 при i = 80-100, під час рушання ще нижчий.
• Нагрівання під час роботи і підвищені вимоги до змащення: не можна змішувати оливи різних типів.
• Знос бронзового колеса за перевантаження і неправильного змащення, зі зростанням люфту.
• Люфт стандартних виконань становить десятки кутових хвилин, що обмежує застосування на точних осях.

Підсумки

Черв’ячний редуктор - це простий і надійний спосіб знизити швидкість і збільшити момент за кутової компоновки. Передатне число рахують як Z2 / Z1, момент на виході як M1 × i × η, а підбирають редуктор за розрахунковим моментом із сервіс-фактором і за вхідною частотою. Самогальмування є лише за великих передатних чисел і не замінює гальмо. Для точних осей ЧПУ вирішальним стає люфт, а для тривалої безперервної роботи ККД і нагрівання.

Знаючи будову і принцип роботи, легко зрозуміти, де і як використовувати цей механізм - від сільгосптехніки до промислових приводів і верстатів з ЧПУ.