Червячные

Описание конструкции

Редукторы с червячным зацеплением - один из наиболее распространённых типов редукторов.
Червячная передача представляет собой зацепление червяка с червячным колесом. Червяк – это винт с нарезанной на нём резьбой, по профилю близкой к трапецеидальной. Червячное колесо - косозубое зубчатое колесо со специальным профилем зубьев. При вращении червяка витки резьбы перемещаются вдоль его оси и толкают в этом направлении зубья червячного колеса. Ось червяка скрещивается под прямым углом с осью червячного колеса, расстояние между ними - определяющий размер редуктора. В редукторах российского производства этот размер является составной частью обозначения редуктора и определяет его габарит. Например, Ч-80 - червячный одноступенчатый редуктор с межосевым расстоянием 80 мм, а Ч-100 соответственно имеет межосевое расстояние 100 мм.

Преимущества червячных редукторов и построенных на них приводов:

1. Поскольку входной и выходной валы червячного редуктора скрещиваются, привод на его основе обычно лучше компонуется в машине, занимая меньше места по сравнению с цилиндрическим редуктором (речь идет о редукторах с эквивалентными передаточным числом и передаваемой мощностью).

2.Передаточное число червячной пары может достигать 1:110 (в специальных случаях - ещё больше). Таким образом, червячная передача обладает гораздо большим потенциалом снижения частоты вращения и повышения крутящего момента по сравнению с другими видами передач. Достижение передаточных чисел такого порядка с использованием цилиндрических передач возможно только в трёхступенчатом редукторе (или в планетарном). В червячном для этого может быть использована только одна ступень. Это обстоятельство обуславливает относительную простоту и дешевизну червячных редукторов по сравнению с цилиндрическими (опять же речь идёт о сравнимых передаточных числах и передаваемых мощностях). Оборотной стороной этого преимущества, однако, является снижение КПД червячной передачи при увеличении её передаточного числа.

3. Низкий уровень шума передачи, определяющийся особенностями зацепления, позволяет использовать червячные редукторы в машинах с высокими требованиями к бесшумности привода. Здесь, однако, нельзя забывать о шумах, производимых двигателями и приводимыми в движение механизмами.

4. Плавность хода червячной передачи. Благодаря особенностям работы червячного зацепления червячные редукторы обладают большей плавностью хода по сравнению с цилиндрическими.

5. Уникальное свойство червячной передачи – «самоторможение» (другой термин, обозначающий это явление – «отсутствие обратимости»). Суть его в том, что при отсутствии вращения ведущего вала (червяка) ведомый вал затормаживается, и его невозможно провернуть. Это свойство начинает проявляться при передаточных числах от 35 и выше. Более корректно было бы здесь говорить не о передаточном числе, а об угле подъёма червяка, при уменьшении которого в определённый момент возникает самоторможение. Полное самоторможение достигается в передаче, в которой угол подъёма винтовой линии червяка равен или меньше 3.5°. Однако производители редукторов далеко не всегда предоставляют информацию об этом параметре в своих каталогах, и разработчикам приходится оперировать именно передаточными числами. Описанное свойство, в зависимости от области применения редуктора, может быть как достоинством, так и недостатком. Например, было бы конструкторской ошибкой применять червячный редуктор в приводе, скажем, закаточного устройства, при заправке которого требуется вручную поворачивать бобину с закатываемым листовым материалом, так как червячный редуктор даже с передаточным отношением меньше 25 довольно тяжело провернуть за ведомый вал. Наоборот, применение червячного редуктора (с большим передаточным числом червячной пары) в приводе подъёмника позволяет во многих случаях отказаться от установки дополнительного тормозного устройства.

6. Существуют исполнения червячных редукторов с полым выходным валом. Эти варианты редукторов (называемые также “насадными”) позволяют устанавливать редукторы непосредственно на валы исполнительных механизмов без применения соединительных муфт или дополнительных механических передач. Такая установка в сочетании с применением так называемых “реактивных штанг”  или фланцевых исполнений редуктора упрощает конструкцию и уменьшает габарит привода:

Описанным преимуществом могут обладать не только червячные редукторы, но и другие типы редукторов, за исключением, пожалуй, соосных цилиндрических, где такая установка невозможна из-за их конструктивных особенностей. Здесь следует отметить, что иногда отсутствие предохранительной муфты между выходным валом редуктора и валом приводимого в движение механизма может привести к поломке редуктора из-за приложения нештатной нагрузки к выходному валу, превышающей номинальный выходной момент редуктора. В таких случаях задача конструктора – либо обеспечить отсутствие вероятности приложения таких нагрузок, либо защитить от них привод, например, с помощью муфты.

Сказанное в большей степени относится именно к червячным редукторам из-за их самоторможения.

Недостатки червячных редукторов и построенных на них приводов

1. КПД червячного редуктора ниже, чем КПД цилиндрического. Причём КПД снижается с увеличением передаточного отношения. Это влечёт за собой потери энергии - фактор, который в современном мире ни в коем случае нельзя сбрасывать со счетов. Например, КПД червячного редуктора Ч-80 с передачей 1:80 российского производства составляет 58%. Остальные 42% - потери на необратимое рассеяние энергии. Этот недостаток обусловлен повышенным по сравнению с другими типами передач трением скольжения витков червяка о зубья червячного колеса. В этом смысле червячная передача похожа на передачу «винт-гайка скольжения», тоже не отличающуюся высоким КПД. В период приработки под нагрузкой в течение 200…250 часов КПД может составлять 90% от номинального.

2. Нагрев. Это – следствие предыдущего недостатка. Та кинетическая энергия, которая не была передана червячной передачей, превращается в тепло. Не зря на корпусах именно червячных редукторов выполнены рёбра, делающие их похожими на батареи центрального отопления. Некоторые крупногабаритные червячные редукторы поставляются с вентиляторными крыльчатками на свободном торце быстроходного вала. В других случаях приходится организовывать принудительную циркуляцию масла в корпусе редуктора. Сказанное относится к редукторам с большой передаваемой мощностью (свыше 4…5 кВт). В случаях с меньшей мощностью дополнительные меры по отводу тепла, как правило, не требуются. Однако, нагрев корпуса червячного редуктора при его работе всегда имеет место.

3. Самоторможение (подробнее – см. п. 5 «преимуществ»). Его появление иногда вредно – в тех случаях, когда выходной вал требуется провернуть без включения привода червячного редуктора.

4. Ограничения по передаваемой мощности. Технической литературой не рекомендуется использовать червячную передачу при передаваемой мощности более 60 кВт (источник – Справочник конструктора-машиностроителя В. И. Анурьева, т. 2, стр. 606, издание 2001 г.). Червячные редукторы на более высокую мощность, однако, существуют. Это, в основном, глобоидные червячные редукторы, применяемые в специальных случаях (например, приводы лифтов и подъёмнкиов). И всё же при выборе редуктора на такую мощность рекомендуется преимущество отдать цилиндрическим типам редукторов. Насколько мне известно, ведущие зарубежные производители червячных редукторов в основной своей массе выпускают червячные редукторы на передачу мощности до 15 кВт.

5. Люфт выходного вала. Такой люфт существует в любом из типов редукторов, однако, в червячных редукторах его величина, как правило, больше и увеличивается по мере износа.

6.Ресурс червячных редукторов принято считать ниже, чем цилиндрических. Это очень условное утверждение, но из-за наличия повышенного по сравнению с другими типами редукторов трения скольжения в зацеплении износ действительно имеет место. Российские производители редукторов предоставляют следующие данные по параметрам рабочего ресурса редукторов с разными типами передач:

• Червячные - не менее 10 000 часов;
• Цилиндрические редукторы - не менее 25 000 часов (данные завода «Редуктор», Санкт-Петербург).

7. Работа червячного редуктора в условиях неравномерных нагрузок на выходном валу, а так же при частых пусках-остановах не рекомендуется.

Применение червячных редукторов

Спектр применения чрезвычайно широк. Транспортеры, конвейеры, подъёмники, насосы, мешалки, приводы ворот, металлообрабатывающие станки, в том числе для выполнения фрезерных работ. Там, где требуется бюджетное решение по понижению частоты вращения привода и увеличению крутящего момента в условиях отсутствия значительных ударных нагрузок и невысокой периодичности включений, там ставьте червячный редуктор. Однако, всё же это слишком категоричное утверждение. Не претендуя на абсолютную непогрешимость против истины, попробую все же сформулировать основные рекомендации по применению червячных редукторов:

1. В случае, если не требуется самоторможения, и передаточное число редуктора должно быть больше 25 – применяйте цилиндро-червячные редукторы. КПД такого редуктора будет выше за счёт снижения передаточного отношения на червячной ступени. Соответственно – появится экономия затрат на электроэнергию и увеличение ресурса работы.

2. Не ставьте червячные редукторы в привода механизмов, находящихся под ударными нагрузками. При долговременной работе с ударами червячный редуктор может перегреваться, и у него резко снизится ресурс. Автор этих строк был свидетелем вскипания масла в редукторе, передающем мощность 4 кВт после нескольких часов его работы в качестве привода барабана шероховального устройства, на который воздействовала периодическая ударная нагрузка от ножа, срезающего шашки протектора изношенных покрышек.

3. Имеет большое значение схема установки редуктора в пространстве. Базовой и наиболее рекомендуемой по условиям смазывания передачи является схема, когда ось червяка – внизу, а ось колеса – вверху:

 Возможна другая ориентация в пространстве, при заказе внимательно рассмотрите соответствие обозначения схемы расположения редуктора с действительностью! При наличии несоответствия из редуктора может вытечь масло, червяк может работать «всухую» или, наоборот, быть полностью погруженным в масло. Всё это ведёт к резкому сокращению ресурса. При верхнем расположении червяка техническая литература рекомендует снизить значение номинального крутящего момента на выходе на 20%.

4. Применение реактивной штанги или фланцевого крепления более предпочтительно, чем установка редуктора на лапах. См. п. 6 «Преимуществ».

5. Не рекомендую применять червячные редукторы в системах позиционирования. Имеющийся в передаче люфт может негативно влиять на точность (здесь, конечно, всё зависит от конкретных условий – если выходной вал соединен, например, с ходовым винтом, имеющим небольшой шаг, а требуемая точность позиционирования гайки ±1 мм, червячный редуктор вполне подойдет).

6. При выборе типа редуктора применительно к червячному всегда необходимо осознавать возможность появления самоторможения и всего, что из этого свойства вытекает. Не ставьте червячный редуктор на привод колёсной пары тележки, если её необходимо будет иногда катать вручную. Тяжело будет катать.

7. Перед пуском нового редуктора в работу под нагрузкой рекомендуется его обкатать в холостом режиме (без рабочей нагрузки или с пониженной нагрузкой) в течение 15…20 часов для приработки трущихся поверхностей.

8. Червячному редуктору в общем случае требуется более густая смазка, чем другим видам редукторов