Волновой редуктор: принцип работы, устройство, назначение

Какие бывают редуктора мотоблоков – виды и предназначение

Современные мотоблоки комплектуются разными по своей конструкции и предназначению редукторами. Используемые для работы сельскохозяйственных машин механизмы делятся на следующие виды:

Угловой редуктор для мотоблока – механизм этого типа служит соединителем мотора и трансмиссии агрегата. Отличные характеристики и невысокая стоимость такого узла делают его одним из наиболее популярных среди фермеров. Конструкция углового редуктора позволяет доработать его, увеличив, тем самым, существенно увеличив производительность механизма;

Понижающий редуктор для мотоблока – задача механизма этого типа заключается в увеличении мощности мотора и снижении количества его оборотов. Такие редукторы считаются одними из наиболее надежных и эффективных механизмов, так как они состоят из прочных стальных деталей, которые практически не поддаются износу, и штатной воздушной системой охлаждения. Мотоблоки, оборудованные такими редукторами, легко справляются с любой нагрузкой, и могут решить множество хозяйственных задач;

Реверс-редуктор – этот механизм обратного вращения устанавливается между коническими шестернями, которые, в свою очередь, располагаются на главном валу мотоблока. Данная реверсивная схема довольно проста, благодаря чему ее разборка занимает не более 10 минут. Главное преимущество реверсивного редуктора заключается в возможности заднего хода. В числе недостатков следует выделить низкую производительность механизма и невысокую скорость при передвижении мотоблока на заднем ходу;

Шестеренчатый редуктор для мотоблока – механизмом это типа комплектуются тяжелые мотоблоки. Он используется преимущественно для передачи крутящего момента, генерируемого мотором, на колеса сельскохозяйственной машины. Среди основных плюсов шестеренчатого редуктора следует выделить высокую надежность и простоту конструкции. Единственный минус такого механизма заключается в сложности при обслуживании. Тем не менее, большинство производителей мотоблоков оснащают свою технику именно шестеренчатым редуктором. Если вы планируете изготовить самодельный редуктор, то лучше всего сделать механизм именно шестеренчатого типа;

Червячный редуктор на мотоблок – к отличительным особенностям этого механизма относиться наличие специального винта и зубчатого червячного колеса. Для изготовления каждого из элементов такого редуктора используются материалы, обладающие повышенной прочностью. Передаточные числа червячных редукторов колеблется в пределах от 1 до 4. Количество передач напрямую зависит от количеств резьбовых каналов на винте механизма. Среди главных преимуществ червячного редуктора следует выделить высокую эффективность механизма. Он применяется при производстве техники, от которой требуется пониженная угловая скорость и максимально высокий крутящий момент. Червячный редуктор обеспечивает плавный ход и низкий уровень шума при работе мотоблока.

Каждый из перечисленных типов механизмов обладает своими преимуществами и недостатками. Об этом следует помнить, выбирая мотоблок, укомплектованный тем, или иным редуктором.

Волновой редуктор: принцип работы, устройство, применение, типы

Появление и дальнейший процесс развития волновой передачи был осуществлен в далеком 1959 году. Изобретателем, а также человеком, который запатентовал эту технологию, стал американский инженер Массер.

Волновой редуктор состоит из нескольких основных элементов:

• Неподвижное колесо, имеющее внутренние зубья.
• Вращающееся колесо, имеющее наружные зубья.
• Водило.

Среди преимуществ, которые можно выделить у этого способа передачи движения, – меньшая масса и размеры устройства, более высокая точность с кинематической точки зрения, а также меньший мертвый ход.

Если есть необходимость, то использовать такой тип передачи движения можно и в герметичном пространстве, не используя при этом уплотняющие сальники. Данный показатель наиболее важен для такой техники, как авиационная, космическая, подводная.

Кроме того, волновой редуктор применяется и в некоторых машинах, использующихся в отрасли химической промышленности.

Принцип работы редуктора

С кинематической точки зрения, волновые передачи – это разновидность планетарных передач, которая имеет одно гибкое и зубачатое колесо.

Принцип работы волнового редуктора заключается в следующем. Неподвижное колесо устройства крепится в нужном корпусе, а выполняется оно в виде простого зубчатого колеса, имеющего внутреннее зацепление.

Гибкое же зубчатое колесо выполняется в форме стакана, обладающего тонкой стенкой, легко поддающейся деформации. В более толстой части этого же колеса, то есть левой, нарезают зубья, в то время как правая часть выполняется в форме вала.

Само же движение осуществляется за счет того, что происходит деформация зубчатого венца гибкого колеса.

Принцип работы устройства

Принцип работы волнового редуктора основывается на деформации гибкого элемента, которая обеспечивает движение зубчатого колеса внутри втулки. Деформация происходит под действием специального эксцентричного механизма, который растягивает гибкую деталь до образования двух точек соприкосновения внутренней шестеренки с зубцами внешней втулки.

Благодаря зацеплению зубьев между собой появляется возможность продолжить вращение внутренней части. При этом количество зубьев у гибкого элемента меньше, чем это число у неподвижного элемента.

Благодаря этому факту и получается обеспечивать требуемую плавность и точность движений.

Волновой мотор редуктор представляет собой волновую передачу, объединенную с электрическим двигателем. Они имеют очень широкую сферу применения во многих отраслях промышленности. Этим обусловлено большое количество различных вариантов исполнения. Двигатели отличаются размерами, максимально возможной нагрузкой, мощностью и коэффициентом полезного действия.

Из преимуществ силовых агрегатов данного типа можно отметить более компактные габариты, чем у других моторов при одинаковой мощности. Также они способны длительное время работать на предельных нагрузках без видимого износа основных механизмов. Волновые моторы характеризуются низким уровнем шума при работе и практически отсутствующей вибрацией.

Конструкции редукторов

В настоящее время науке известно множество разнообразных конструкций для волнового редуктора. Чаще всего предназначение всех этих устройств – это преобразование входного вращательного движения в выходное вращательное или же выходное поступательное.

Также стоит отметить, что волновую передачу можно рассматривать, как разновидность многопоточного планетарного механизма. Это вполне возможно, так как эти механизмы обладают многозонным, а если брать в расчет зубчатый механизм, то еще и многопарным контактом между выходным звеном и гибким колесом механизма.

Также можно добавить, что в зависимости от числа зон или же волн в устройстве они подразделяются на одноволновые, двухволновые и т.д.

Волновой мотор-редуктор

Описание данного типа волновой передачи можно сделать на основе мотора редуктора модели МВз2-160-5,5. Данная модель обладает сдвоенной волновой зубчатой передачей.

Конструкция данного редуктора состоит из гибкого колеса, которое выполнено в виде кольца с тонкими стенками и двумя зубчатыми венцами.

Кроме того, в конструкции имеется и общий для этих деталей кулачковый генератор волн, обладающий гибким подшипником.

Также у этой модели есть несколько особенностей, касающихся конструкции редуктора:

1. Размер вдоль оси вала невелик.
2. Генератор волн плавающего типа, а соединение с валом электродвигателя шарнирное.
3. На конце выходного вала этого устройства располагаются прямобочные шлицы.

Этот тип мотора-редуктора может использоваться, как индивидуальный приводной модуль.

Цилиндрические редукторы

Такие редукторы обязаны названию не цилиндрической формой, а типом передачи, которая в них используется. Зубчатый цилиндр является основным валом такого редуктора. Благодаря своему устройству, редуктор этого типа используется чаще всего в горизонтальном положении, в котором производительность передачи наиболее высока. КПД редуктора такого типа достигает 98%, что зависит от его передаточного числа. Благодаря высокому КПД нет эффекта рассеивания передаваемой редуктором энергии, и это позволяет избежать нагревания всех элементов механизма. Цилиндрический редуктор бывает одно-, двух-, трех- и четырехступенчатой модификации. Но чаще используются редукторы с несколькими ступенями, или редукторы, в которых совмещены цилиндрическая и коническая передача. Применяется цилиндрический редуктор в первую очередь в машиностроении и тяжелой промышленности.

Кроме червячных и цилиндрических редукторов, есть типы зубчатой передачи, конические, планетарные и волновые. Такие типы редукторов тоже бывают одноступенчатыми и двухступенчатыми и используются как с моно-передачей, так и с совмещением передач нескольких типов.

Волновая передача

Как работает волновая передача?

Волновая зубчатая передача состоит из трёх основных деталей: генератора волны, гибкого кольца и жёсткого кольца. Генератор волны представляет собой тонкостенный шарикоподшипник напрессованный на эллиптическую втулку. Гибкое кольцо — это тонкостенное зубчатое колесо с внешним зубом. При сборке редуктора генератор волны устанавливается внутрь гибкого кольца. Диаметр гибкого кольца несколько меньше чем диаметр генератора волны, и при сборке гибкое кольцо принимает форму генератора волны. Жёсткое кольцо представляет собой прочное жёсткое зубчатое кольцо с внутренним зубом. Количество зубьев жёсткого кольца обычно на 2 зуба (реже – на 4) меньше чем у гибкого кольца. Гибкое кольцо, установленное на генератор волны, помещается внутрь жёсткого кольца и входит в зацепление с ним в двух зонах, расположенных по большой полуоси эллипса генератора волны. Вне этих зон зацепления зубья жёсткого и гибкого кольца не находятся в контакте.

Strain Wave Gear Principle — Harmonic Drive AG

А можно ли по-другому?

Описанный способ использования – неподвижное жёсткое кольцо, вход на генератор волны и выход с гибкого кольца — не единственный способ использования волнового редуктора. В качестве входа и выхода можно использовать любые из трёх указанных деталей волнового редуктора в любых сочетаниях. При этом редуктор может становиться понижающим или повышающим, изменяться передаточное число и направление вращение выхода относительно входа.

Описанная выше классическая схема волнового редуктора, в которой подшипник генератора волны принимает свою форму благодаря эллиптической втулке, не является единственной. Вместо втулки может применяться коромысло с роликами (Harmonic Drive Polimer) или планетарная ступень (Micromotion). В последнем случае речь, строго говоря, идёт уже о двухступенчатом планетарно-волновом редукторе. Также возможны варианты конструкции волнового редуктора с тремя зонами зацепления вместо двух и генератором волны более сложной формы, но они применяются редко.Чем отличается волновая передача?

• Высокое передаточное отношение на одну ступень (для большинства серийных изделий Harmonic Drive от 50:1 до 160:1, для отдельных серий и специальных разработок – от 30:1 до 320:1)
• Передаточное отношение ограничено снизу: не менее 30:1
• Высокий удельный момент в расчёте на единицу объёма и массы
• Короткая осевая длина
• Возможность легко реализовать передачу вращения в другую среду
• Возможность легко реализовать большой полый вал
• Высокая точность (HDAG)
• Отсутствие люфта (HDAG)
• Стабильность точностных характеристик в течение срока службы
• Ограниченная жёсткость на скручивание
• Несамостопорящяяся (подвержена обратному прокручиванию)
• Высокая надёжность вследствие простоты конструкции

Основные отличительные свойства волновой передачи — высокая точность, низкая масса и малая осевая длина – однозначно указывают на те случаи, когда применение волновой передачи является наиболее оправданным. По этой причине волновая передача часто применяется в применениях, требующих высокой точности, таких как высокоточные станки, роботы и промышленные манипуляторы самого разного назначения, приводы ориентации антенн связи и радаров, или требующих хороших массо-габаритных показателей: авиационная и космическая техника, оборудование для мобильных платформ. Кроме того, возможность реализации редукторов с полым валом позволяет создавать компактные конструкции многоосевых систем за счёт расположения внутри полого вала вращающихся контактных устройств (токосъёмников) для передачи электрических, оптических или гидравлических цепей на следующую ступень подвижности. Похожим образом можно размещать внутри полого вала другой вал, передающий вращение на следующую ступень подвижности, получая определённый выигрыш за счёт размещения двигателей в неподвижной части системы.

Типы редукторов

Все виды устроены по схожему принципу, разница заключается только в типе зубчатой передачи. Чаще всего встречаются цилиндрические, конические, глобоидные, комбинированные, червячные и планетарные, но последнее время конструкторы прибегают к комбинированным конструкциям, что позволяет совместить преимущества нескольких типов.

Конструкция разных типов позволяют передавать усилие между узлами, которые располагаются в различных площадях, будут они перпендикулярные (конический редуктор), параллельные (цилиндрический) или пересекающиеся валы (червячные).

Диапазон передаточного числа может разнится от в несколько единиц до нескольких тысяч, что зависит от количества ступеней. Сейчас наиболее распространены механизмы, при изготовлении которых используются нескольких ступеней. Это позволяет комбинировать несколько типов передач и добиться максимально эффективной работы. Рассмотрим основные типы.

Цилиндрический редуктор

Довольно популярные при разработке и производстве машин различного назначения. Эффективно выполняют свои функции при работе с мощными установками, при этом показывают высокий КПД, превышающий 90 %. Чаще всего используется при работе параллельных и сносных валов. Может применяться с различным количеством ступеней, от которых зависит передаточное число, оно может колебаться от 1,5 до 400.

Червячный редуктор

Имеют довольно простую конструкцию, из-за чего обрели широкую популярность. Одним из плюсов также является низкая стоимость в сравнении с аналогами. Количество ступеней обычно ограничивается одной или двумя. При этом диапазон передаточного числа червячного редуктора может находиться в диапазоне от 5 до 10000, которую можно рассчитать по специальной формуле. Недостатком этого типа является низкий КПД и ограниченные мощности силовых установок, с которыми он работает. Состоит из зубчатого колеса и цилиндрического, реже глобоидного, червяка в виде винта.

Планетарный редуктор

Особый тип, который выгодно отличается от аналогов, имея ряд преимуществ. Благодаря чему получил широкое распространение в тяжелом машиностроении. Конструкция этой модели позволяет добиться высокого передаточного числа при работе с мощнейшими силовыми установками. При этом его размеры могут быть значительно меньшими, чем габариты аналогов. Механизм назван планетарным, из-за специфического расположения конструкционных элементов, к которым относятся: сателлиты, водило, солнечная и кольцевая шестерни.

Передача усилия происходит через вал на солнечную шестерню, которая находится в зацепе со всеми сателлитами. В это время кольцевая шестерня находится в статичном положении. Модель отличается высоким КПД, и работой в диапазоне передаточного числа от 6 до 450.

Выбор типа узла всегда основывается на конструкционных требованиях к механизму, при этом выбором модели должен заниматься квалифицированный конструктор. Первое что нужно определить — какой тип передачи нужен, оптимальный размер механизма, рассчитать осевые нагрузи на валах и температурный режим работы.

От количества ступеней выбранного механизма напрямую зависит передаточное отношение. Одноступенчатые применяются для выполнения простых функций, обычно это червячный тип. Сейчас чаще можно встретить комбинированные типы передач, что позволяет значительно расширить функционал узла.

В качестве входных и выходных валов применяются стандартные прямые валы, изготовлены в форме тел вращения. От их качества напрямую зависит качество работы всего механизма, так как на них действуют множество внешних нагрузок различных типов.

Очень важно своевременно менять сальники и масло. Постоянные профилактические работы обеспечат стабильную работу и обезопасят от внезапных поломок. Для контроля уровня масла имеется специальное смотровое окно, что позволяет вовремя пополнять необходимый объем

Для контроля уровня масла имеется специальное смотровое окно, что позволяет вовремя пополнять необходимый объем.

В целом, самостоятельно рассчитать передаточное число, подобрать подходящую модель и провести замену (ремонт) редуктора не составит труда. Главное соблюдать рекомендации специалистов и технические инструкции, указанные производителем.

Применение

Сегодня электродвигатель с планетарным редуктором получили весьма широкое распространение, могут применяться в самых различных случаях. Область применения во многом зависит от конструктивных особенностей устройства и его характеристик. Выделяют следующие варианты исполнения:

1. Цилиндрические. Это связано с тем, что конструктивные особенности позволяют обеспечить КПД около 95%. Назначение редуктора с планетарной передачей заключается в передаче достаточно большого усилия между параллельными и соосным валами. Передача вращения осуществляется за счет прямозубых, косозубых и шевронных колес. Коэффициент может варьировать в пределе от 1,5 до 600. Достоинством подобного варианта исполнения можно также назвать компактные размеры, а также высокую степень защиты от воздействия окружающей среды.
2. Конические сегодня также встречаются довольно часто. Конструктивной особенностью можно назвать то, что шестерни имеют коническую форму. За счет подобной формы обеспечивается плавность сцепки, а также высокую степень устойчивости к нагрузкам. В алы в данном случае могут располагаться вертикально или горизонтально.
3. Могут применяться и волновые устройства. Они характеризуются тем, что имеют гибкое промежуточное число. Основными конструктивными элементами можно назвать эксцентрики и кулачки, которые обеспечивают растяжение гибкого колеса. Подобный вариант исполнения характеризуется высоким передаточным числом, плавностью хода и повышенной степенью герметичности. Выделяют несколько различных разновидностей этого механизма, к примеру, могут применяться различные типы подшипников.

Несмотря на достаточно сложную конструкцию, она получила весьма широкое распространение. Примером можно назвать машиностроительную область, станкостроение и производство различных механизмов. Примером можно назвать автомобильную коробку передач, которая предназначена для передачи вращения и изменения предаваемого усилия или скорости.

Наиболее важными параметрами выбора можно назвать следующие показатели:

Тип передачи, которая применяется для передачи вращения.
Максимально допустимая осевая и консольная нагрузка. На момент эксплуатации редуктора нагрузка, возникающая на момент работы распределяется самым различным образом.
Имеет значение и размер редуктора. Слишком большой показатель определяет отсутствие возможности установки в тех или иных условиях

Однако, нужно уделить внимание тому моменту, что увеличение мощности достигается исключительно за счет увеличения размеров устройства. Поэтому приходится подбирать более оптимальный вариант исполнения.
Диапазон температур, при которых механизм может применяться

Тип применяемого материала при изготовлении корпуса и основных элементов определяет то, в каких условиях устройство может эксплуатироваться. Слишком высокая температура становится причиной повышения пластичности и снижения твердости поверхности, за счет чего есть вероятность деформации и износа изделия. Для обеспечения охлаждения проводится добавление масла. Не все варианты исполнения могут применяться для длительной работы, некоторые могут эксплуатироваться только периодически.
Популярность производителя также имеет значение. Некоторые заводы характеризуются тем, что производят качественные и долговечные механизмы.

Волновая передача

ВОЛНОВАЯ ПЕРЕДАЧА, механизм для преобразования вращательного движения в результате циклического возбуждения и перемещения волн деформации гибкого колеса (чем обусловлено название). Волновая передача представляет собой разновидность планетарной передачи, однако по характеру кинематических связей значительно отличается от обычных зубчатых передач. В волновой передаче гибкое колесо благодаря воздействию подвижного звена — генератора волн (рис. 1) — перекатывается по жёсткому колесу, в результате чего происходит образование и перемещение волн деформации. Число волн деформации может быть любым, начиная от единицы, однако наибольшее распространение получили двух- и трёхволновые передачи. Разность чисел волн жёсткого и гибкого колёс должна быть кратной числу волн.

Применяются механические (двух- и трёхроликовые, кулачковые, дисковые, кольцевые и др.), а также пневматические, гидравлические и электромагнитные генераторы волн, которые могут находиться как внутри, так и снаружи гибкого колеса. В волновой передаче для уменьшения трения между генератором и гибким колесом может устанавливаться подшипник (рис. 2). В зависимости от назначения и передаваемой мощности возможно выполнение фрикционных волновых передач, в которых вращение осуществляется за счёт сил трения в месте контакта гибкого и жёсткого звеньев. Большое число зубьев волновой передачи, одновременно находящихся в зацеплении, повышает кинематическую точность и обеспечивает плавность передачи вращения. Вследствие многопарности зацепления значительно снижается нагрузка на зубья, что позволяет уменьшить их размеры, а также общие габариты и массу механизма. Передаточные отношения, осуществляемые одноступенчатой волновой передачей, — от 60 до 300, двухступенчатой — до 10 000 и более; кпд передачи составляет 80- 90%.

Наиболее рациональная область применения волновой передачи — приводы машин, требующие больших передаточных чисел; задающие и исполнительные механизмы; отсчётные устройства повышенной кинематической точности в автоматизированных системах; приводы для передачи движения в герметизированном пространстве, в том числе в химическом производстве, космической и атомной технике.

Лит.: Гинзбург Е. Г. Волновые зубчатые передачи. Л., 1969; Иванов М. Н. Волновые зубчатые передачи. М., 1981.

В. Я. Солодилов.

Волновые зубчатые передачи, преимущества

• большие передаточные числа (диапазон от 40 до 320);
• высокий КПД (0.8 – 0.9);
• высокий крутящий момент на выходе;
• передача движения сквозь герметичную перегородку не требующая дополнительных уплотнений;
• компактность и малогабаритность (в несколько раз меньше зубчатых передач);
• высокая нагрузочная способность при небольших габаритах и массе;
• плавность хода и низкий уровень шума во время работы;
• много парность и многозонность зацепления обеспечивают малую кинематическую погрешность и высокую жесткость механизма;
• малая вибрация и погрешности при изготовлении и монтаже;
• высокая надежность и продолжительность срока службы (до 15 лет) из-за простоты, прочности и симметричности конструкции;
• высокая износостойкость благодаря отсутствию трения скольжения;
• минимальные затраты на техническое обслуживание (благодаря применению пластичной смазки контроль за уровнем смазки не требуется);
• быстрый запуски торможение механизмов благодаря малой инерции и высокой динамичности.

Технические параметры мотора-редуктора

Технические параметры для волнового мотора-редуктора — это несколько основных критериев:

• Первый параметр, которому должен соответствовать редуктор — это крутящийся момент на выходном валу. Он должен составлять — 250 Н⋅м.
• Второй параметр — это частота вращения вала редуктора. Показатель этого параметра должен быть — 5,5 мин-1.
• Третий параметр для этого устройства — передаточное отношение. Показатель данного параметра — 264.
• Коэффициент полезного действия волнового мотора-редуктора должен быть 0,7.
• Параметры электродвигателя для этой модели следующие: 0,31 кВт мощности, Частота вращения 1450 мин-1, рабочее напряжение для этого механизма 220 В или 380 В.
• Полный вес устройства составляет 20 кг.

Это основные параметры, которые предъявляются к волновому мотору-редуктору.

Варианты исполнения компактных волновых редукторов

За время, прошедшее с момента изобретения волнового редуктора, было придумано много вариантов его конструкции. И вариант, когда шарикоподшипник эллиптической формы используется как генератор волны, не исчерпывает всех возможных вариантов конструкции. Существуют и другие варианты. Например, генератор волны может быть выполнен в виде коромысла с роликами на его концах. Или в виде планетарных шестерён, установленных на водило, которые зацепляются с зубьями, сделанными с внутренней стороны гибкого колеса. Помимо этого, генератор волны может быть выполнен в виде детали более сложной формы, создающей на гибком кольце 3 или 4 зоны зацепления (вместо двух зон в самом простом случае).

Гибкое колесо также может иметь разную форму. На практике чаще всего встречаются три формы: «кастрюля», «шляпа» и цилиндр. Отличия между ними заключаются в удобстве использования.

Рекомендации по выбору редуктора

Выбирая редуктор, нужно учитывать основы нетехнические характеристики узла и его совместимость с имеющимся оборудованием, на которое он будет установлен. Детальная техническая характеристика и кинематическая схема редуктора предоставляются каждым производителем, чтобы обеспечить потребителя нужной информацией о принципе действия механизма и его особенностях.

Во время выбора редукторов учитывается:

• показатель мощности;
• тип двигателя;
• количество оборотов на выходе;
• показатель передаточного числа;
• способ крепления и соответствие габаритных размеров;
• расположение ведущего и ведомого валов.

Подбор нужного редуктора сводится к математическим расчетам предполагаемой рабочей нагрузки и условий эксплуатации агрегата. Учитывая указанные в технической документации параметры, выбор осуществляется поэтапно:

• вначале подбирается соответствующий тип передачи;
• выбирается нужный размер устройства;
• рассчитываются консольные и осевые нагрузки на валы;
• просчитывается допустимый температурный режим.

Чтобы не выполнять математические расчеты и исключить вероятность ошибки, можно воспользоваться помощью специалистов. Любая ошибка в вычислениях приведет неизбежному выходу из строя редуктора или работающего вместе с ним оборудования, что повлечет за собой затраты на дорогостоящий ремонт. Только детальные расчеты, соблюдение правильного поэтапного подхода к выбору агрегата поможет сохранить его работоспособность длительное время и исключить преждевременный выход из строя.