Кто в масле катается

Недавно европеец Оскар Ван Девентер напечатал на 3D-принтере редуктор с экстремально высоким передаточным числом — 11373076. В этом механизме изобретатель соединил два планетарных редуктора. При увеличении количества зубцов шестеренок, использованных в механизме, передаточное число можно увеличить и до 1141624705. Чем такой редуктор может быть полезен, Ван Девентер не объяснил, рассказав только, что при его помощи обычной стоматологической бормашиной можно сдвинуть локомотив. Правда, с очень небольшой скоростью. Вдохновившись разработкой европейца мы решили разобраться в основных типах механических редукторов.

Редуктор представляет собой механизм, позволяющий передавать и преобразовывать крутящий момент с одного вала на другой. Если такой механизм преобразует высокую угловую скорость ведущего вала в более низкую ведомого, его называют демультипликатором, а если наоборот — мультипликатором. Впрочем, так сложилось, что термин демультипликатор используется крайне редко, а устройство, понижающее угловую скорость, называют просто редуктором. В зависимости от типа такой механизм может состоять из нескольких типов шестерен, червяков и валов.

Основными характеристиками редукторов являются передаваемая мощность, угловые скорости и количество валов, а также передаточное число. Любые редукторы уменьшают передаваемую мощность за счет потерь на механическую передачу крутящего момента — из-за трения, массивности конструкции, нагрузок на валах. Угловые скорости на ведущем валу и ведомом могут различаться в десятки, сотни и тысяч раз благодаря передаточному числу редуктора.

Передаточным числом называется соотношение количества зубьев шестеренки на ведущем валу к их числу у шестеренки на ведомом. Оно записывается целым или дробным числом и фактически обозначает, сколько именно раз должен провернуться ведущий вал, чтобы ведомый совершил один полный оборот. В случае с редуктором Ван Девентера, ведущий вал необходимо повернуть 11 миллионов 373 тысячи 76 раз. Только тогда ведомый вал совершит один полный оборот.

В целом редукторы позволяют увеличить усилие на ведомом валу, при этом потратив часть мощности на ведущем и уменьшив скорость вращения. Эту особенность используют тогда, когда необходимо работать с большими нагрузками, например, при помощи относительно маломощного мотора приводить в движение большой по массе транспорт. Например, двигатель седельного тягача КамАЗ-65225 мощностью 400 лошадиных сил может через коробку передач (многоступенчатая разновидность редуктора) сдвигать автопоезд полной массой до 75 тонн.

Сегодня редукторы используются во многих отраслях: на автомобилях, в самолетах и вертолетах, в поездах, станках, велосипедах, то есть везде, где нужно передавать вращательный момент с одного агрегата на другой. Механизмы, позволяющие передавать крутящий момент с одного вала на другой, принято делить на пять наиболее распространенных основных классов: цилиндрические, конические, червячные, планетарные и комбинированные. В последних могут сочетаться несколько типов редукторов.

Цилиндрический редуктор представляет собой механизм, в котором ведущий вал и ведомый находятся в параллельных плоскостях. Передача в них осуществляется с большей шестеренки с прямыми или косыми зубцами на меньшую, по своей форме напоминающую цилиндр. Такие редукторы делятся на несколько подтипов: вертикальные (валы находятся друг над другом) и горизонтальные. Цилиндрические редукторы бывают одно-, двух-, трех- и четырехступенчатыми в зависимости от количества шестерен, установленных между ведущим и ведомым валами.

Цилиндрические редукторы имеют очень высокий коэффициент полезного действия, который может достигать 98 процентов, то есть потеря мощности при передаче вращательного момента с одного вала на другой будет относительно небольшой. Благодаря высокому коэффициенту полезного действия в цилиндрических редукторах практически отсутствует эффект рассеивания передаваемой энергии, а значит рабочие элементы редуктора практически не нагреваются.

Такие механизмы используются преимущественно в различных металлорежущих станках, станках для обработки древесины, измельчителях и бетономешалках, на мельницах. Цилиндрические редукторы малочувствительны к рывковым нагрузкам, выдерживают большое количество пусков и остановок. При этом они лишены самоторможения, то есть, приложив определенное усилие на ведомый вал, можно провернуть ведущий. При этом конструкция таких редукторов достаточно шумная, а сами они обладают низким передаточным числом.

Конический редуктор используется для передачи вращательного момента с ведущего вала на ведомый в случае, если плоскости их осей пересекаются. В них используются конические шестеренки. Такие механизмы имеют меньшую надежность по сравнению с цилиндрическими, но обладают довольно высоким коэффициентом полезного действия, который может достигать 95 процентов. Благодаря конической конструкции шестерен таких редукторов, они могут иметь несколько выходных валов, оси вращения которых, например, можно расположить в виде креста.

В современных конических редукторах как правило используется колесное соединение — внутри них на концах валов установлены конические шестеренки, которые своими конусами опираются на другую шестеренку. Плоскость последней находится в одной плоскости с плоскостями осей валов. В этом случае, если колесное соединение одно, ведомый и ведущий валы будут вращаться в одном направлении. Конические редукторы нередко используются для изменения направления передачи.

Как правило диапазон передаточных чисел в конических редукторах составляет от одного до пяти, но углы наклона оси ведомого вала к ведущему могут быть самыми разнообразными. Такие механизмы, как и цилиндрические, чаще всего используются в различных станках, например, сверлильных. Как и цилиндрические, конические редукторы обратимы, то есть вращая их ведомый вал, можно провернуть ведущий. Однако, из-за особенностей своей конструкции, конические редукторы могут иногда заедать.

Червячные редукторы получили название от типа используемой в них передачи. В самом простом исполнении эти механизмы состоят из червячного колеса (шестеренки с косыми зубцами) и самого червяка. Последний представляет собой цилиндр с нанесенной на него резбой, которая при вращении напоминает червяка. В таком редукторе ведущий вал приводит в движение червяка, резьба которого сдвигает косые зубья червячного колеса, заставляя его вращаться.

Редукторы с червячной передачей придумали как альтернативу механизмам с обыкновенной зубчатой передачей, например, цилиндрическим. Они обладают гораздо меньшими размерами, но имеют большее передаточное число. Например, при двухзаходном червяке (имеет две параллельных резьбы) и червячном колесе с сотней зубьев передаточное число составит 50. Это означает, что ведущий вал должен будет совершить 50 полных оборотов, чтобы ведомый вал повернулся один раз.

Червячные редукторы имеют очень высокий коэффициент самоторможения. Это означает, что приложив усилие к ведомому валу провернуть ведущий скорее всего не удастся. Кроме того, червячные редукторы имеют относительно невысокий коэффициент полезного действия (от 70 до 92 процентов) и крайне чувствительны к смазке. Их используют для передачи малой мощности в условиях, когда нет достаточного места для размещения цилиндрического или конического редукторов. Чаще всего червячные редукторы используют для привода конвейеров или ворот.

Планетарный редуктор — это уже более сложное механическое устройство, получившее свое название из-за способа размещения ведущей, передаточных и ведомой шестерен. Механизм состоит из солнечной шестерни, расположенной в центре конструкции, сателлитов (меньших шестеренок) и эпицикла (коронной шестерни), расположенной на периферии. Вращение коронной шестерни осуществляется солнечной через сателлиты. Последние механически соединяются водилом, кольцом со штырями, на которые и крепятся сателлиты.

Особенностью планетарного редуктора является то, что вращение можно подводить к любому из его элементов и снимать с любого другого. При этом третий элемент необходимо остановить. Например, вращение можно подвести к одному из сателлитов, а снимать его с коронной шестерни. В этом случае солнечная шестерня должна быть неподвижной. При подведении вращения к солнечной шестерне и снятия его с коронной в редукторе неподвижным остается водило. В некоторых редукторах водила нет.

Благодаря изменению схемы подвода и снятия вращения можно не меняя сам редуктор изменять его передаточные числа в очень широком диапазоне. Именно по этой причине, планетарные редукторы, пожалуй, могут иметь наибольшие передаточные числа среди таких механизмов других классов. Коэффициент самоторможения у планетарных редукторов зависит от их передаточного числа, но при вращении ведомого вала все же можно добиться и вращения ведущего.

Планетарные редукторы сегодня применяются очень широко: они используются в коробках передач, высокоскоростном мощном инструменте (дрелях, циркулярных и цепных пилах), колесах тяжелого транспорта и велосипедах. Например, такие редукторы устанавливаются в колесах троллейбусов и карьерных самосвалов. К слову, примером планетарного редуктора может служить и шарикоподшипник, хотя в качестве непосредственно редуктора он и не используется.

Из названия этого механизма можно понять, что он может сочетать в себе несколько типов передачи вращательного момента. Так, редукор, использующий червячную и цилиндрическую передачи называется червячно-цилиндрическим, а коническую и цилиндрическую — коническо-цилиндрическим. Комбинирование нескольких классов редукторов в одном механизме может производиться для решения нескольких задач: получения нескольких ведомых валов с разными угловыми скоростями, создания компактной конструкции или редуктора с высокими показателями передачи мощности.

Так, червячно-цилиндрические редукторы имеют более высокий коэффициент полезного действия, чем червячные, и способны передавать большую мощность, чем цилиндрические. При этом уровень их шума во время работы по сравнению с цилиндрическими гораздо ниже. Положительным качеством червячно-цилиндрического редуктора является также плавность привода ведомого вала и меньший, чем у червячного механизма, люфт.

Василий Сычев