Червячный редуктор — что это? Принцип работы и ключевые особенности

Слово «редуктор» происходит от английского “reduce”, означающего «уменьшать» или «снижать». Таким образом, любой редуктор предназначен для уменьшения некоего параметра. Устройства, использующие принцип червячной передачи, уменьшают  угловую скорость, за счет этого существенно увеличивая крутящий момент.

Что такое «червяк», или общие принципы работы

Червячная передача и построенные на этом принципе механические устройства-редукторы названы так из-за того, что основной их элемент — цилиндрический вал с глубокой трапецеидальной резьбой — внешне похож на червяка.

Функционально червячная передача — один из видов механической передачи. Принцип ее работы заключается в следующем: червяк, или вал с резьбой, механически сопряжен с зубчатым колесом так, что вращение вала автоматически приводит к вращению колеса. За счет того, что вал обычно обладает небольшим диаметром, но крутится с высокой скоростью, он передает колесу (диаметр которого в несколько раз больше, чем у вала) значительно увеличенный крутящий момент, но при этом в обратной пропорции падает скорость вращения вала на выходе.

Такая система, заключенная в герметичный корпус, заполненный специальным вязким маслом (в некоторых случаях может присутствовать еще и система охлаждения), и называется редуктором. Устройство, входной вал которого напрямую соединен с двигателем (например, электрическим), именуется мотор-редуктором.

Особенности червячных редукторов

Основная особенность таких редукторов — необратимость передачи. Это означает, что, вращая зубчатое колесо, заставить прокручиваться червяк невозможно. Благодаря действию сил трения возникает эффект самоторможения — система самостопорится. Это правило работает для большинства червячных редукторов, хотя в некоторых из них передаточное число может быть подобрано так, что эффект необратимости нивелируется или снижается. Но такие системы являются редкостью.

Обратите внимание: эффект необратимости — самостопор — в разных случаях может являться как достоинством, так и недостатком. Например, это выгодное техническое решение для лебедки или иного погрузочного блока — оно не позволяет устройству раскручиваться самостоятельно.

К числу следующих особенностей червячных редукторов можно отнести:

1. Очень большой диапазон передаточных значений — от 8 до 100. Для особых целей конструируются редукторы с передаточным числом до 1000.
2. Передаточное число зависит от количества индивидуальных каналов резьбы на червяке. Большинство редукторов с небольшим передаточным числом — однопроходные, с числом выше 10 — двухпроходные или четырехпроходные. Последние конструктивно самые сложные.
3. Большая нагрузка на зубчатое колесо приводит к необходимости делать его композитным. В лучших редукторах, к примеру, STM и GSM производства ARS (Италия) сердечник колеса производится из твердой стали или чугуна, а венец — верхняя часть с зубьями — из специального антифрикционного материала, обладающего заниженным коэффициентом трения.
4. Различный угол скрещивания входного и входного валов (чаще всего — 90 градусов).
5. Расположение червяка и колеса относительно друг друга. Существует большое разнообразие компоновочных схем, особенно для наиболее простых однопроходных редукторов. Червяк может располагаться над колесом, под колесом, горизонтально или вертикально сбоку.
6. Система смазки. Из-за особенностей механизма червячные редукторы более требовательны к смазке, чем другие системы зубчатой передачи.

Обратите внимание: боковое расположение червяка может затруднять смазку подшипников.

Схема компоновки диктуется конструктивными особенностями механизма, в составе которого будет применяться редуктор. Так, например, если скорость вращения червяка составляет менее 5 м/с, то может применяться нижнее расположение червяка, если свыше 5 м/с, то рекомендуется верхнее.

Система смазки редуктора

Основной «враг» редуктора с червячной передачей — сила трения. Благодаря трению обеспечивается эффект самостопорения, теряется значительная часть полезной мощности, а также с течением времени выходят из строя зубцы на зубчатом колесе.

Бороться с трением призвана система смазки. Ее наличие и функциональность — один из основных факторов, отличающих качественные (а значит — долговечные) редукторы. Хорошим пример служат системы от итальянской компании ARS. Для редукторов из разных модельных рядов этой компании разработано специальное машинное масло (при работе в соответствующих условиях — не требующее замены), которое заливается в корпус редуктора в заводских условиях в оптимальном количестве.

Фактически система смазки может быть реализована разными способами. Все зависит от скорости вращения червяка. Общее требование — применение масла повышенной вязкости. Так, например, в одноступенчатых редукторах, имеющих скорость скольжения до 10 м/с, червяк и точка сопряжения с колесом либо находятся в масляной ванне (при нижнем расположении), либо на червячном валу расположены крыльчатки — масляные разбрызгиватели, которые «зачерпывают» масло из нижней части редуктора и орошают им червяк и колесо. Такая схема характерна для малоскоростных редукторов с верхним расположением червячного вала.

Мощные редукторы со скоростью скольжения свыше 10 м/с снабжаются принудительной системой смазки, которую обеспечивают масляный насос и фильтр.

Достоинства и недостатки

Подобно любым механизмам, червячные редукторы имеют ряд преимуществ, но также и некоторое количество недостатков, вызванных типом их конструкции.

К их преимуществам относятся:

• большое передаточное число, что позволяет использовать маломощные двигатели;
• компактность (по сравнению с, например, зубчатыми редукторами);
• высокая кинематическая точность;
• плавность хода;
• низкий уровень шума;
• начальный контакт звеньев — по линии, а не по точке.

Основными недостатками являются:

• повышенная склонность к износу, заеданию, ломке зубьев и т. п. из-за сил трения;
• не самый высокий КПД;
• потери энергии на трение;
• выделение тепла при работе (отсюда — необходимость в системе теплоотвода или охлаждения);
• необходимостью очень точного расчета конструкции, сборки и регулировки, а также компенсации усилий, передаваемых на червячный вал.

Области применения и стоимость

Область применения червячных редукторов и мотор-редукторов очень широка — от различных промышленных объектов до ручных лебедок. Даже рулевое управление автомобиля смонтировано на червячной передаче особого — глобоидного — типа. Она отличается тем, что вал имеет специфическую вогнутую форму, радиус изгиба которой совпадает с радиусом изгиба колеса.

Проще сказать, в какой области червячные редукторы не применяются. Из-за перечисленных выше недостатков, которые определяются конструктивными особенностями, такие редукторы редко используют в паре с мощными, свыше 100 кВт, двигателями — это нецелесообразно с технической точки зрения.

Так, можно перечислить следующие области, в которых наиболее часто встречается этот тип техники:

1. Различные транспортеры — лифты, элеваторы, эскалаторы.
2. Электрические ворота и двери.
3. Насосы.
4. Строительная техника.
5. Машиностроение.
6. Пищевая промышленность, т. д.

Червячный редуктор — универсальное устройство, которое можно встретить в составе практически любого технически сложного агрегата или комплекса, от легкового автомобиля до комплекта оборудования завода.

Стоимость этих устройств зависит от качества используемых материалов, точности сборки, его технических характеристик (крутящий момент на выходе, масса, передаточное число и т. д.), от наличия или отсутствия в комплекте электродвигателя и других параметров. Минимальный ценовой порог на редукторы малых размеров начинается от 5 тысяч рублей, максимальный — несколько десятков тысяч на сверхмощные устройства.

Обратите внимание: редуктор — не тот элемент, на котором можно экономить. Он постоянно трудится под большой нагрузкой, испытывая холод, жару, воздействие вибраций и других негативных факторов, поэтому материалы, из которых он сделан, и общее качество выполнения имеют решающее значение. Ремонтировать редукторы сложно, а в некоторых случаях и вовсе невозможно. Сэкономленные на дешевом устройстве 2-3 тысячи могут обернуться миллионными потерями, если по его вине встанет, к примеру, конвейерная линия. Обратите внимание на редукторы модельных линий STM и GSM от производителя ARS из Италии — они отличаются наилучшим качеством материалов и сборки при адекватной стоимости.

Расчеты для лучшего выбора

Прежде чем приобретать такое устройство, необходимости провести предварительные расчеты, включающие в себя точное определение класса механизма, требуемого вам передаточного числа, мощности и типа мотора, с которым он будет работать, массы, места установки (от него зависит выбранное компоновочное решение), и т. д. Расчеты следует доверять профессиональным конструкторам, т. к. от этого зависит, проработает ли редуктор весь положенный срок — для червячного он составляет 7 лет — или выйдет из строя через день от непомерной нагрузки.

В общем виде алгоритм таков:

1. Выбор конструктивного типа редуктора.
2. Определение требуемого передаточного числа.
3. Определение количества ступеней.
4. Определение массы и габаритов.
5. Определение максимального времени работы в сутки (постоянно, периодично и т. п.).

Также стоит обратить внимание на климатическую зону, для работы в которой исполняется устройство.