В большинстве технических характеристик промышленных редукторов конкурируют три типа приводов: червячные редукторы, косозубые редукторы и планетарные редукторы. Каждый из них имеет четкое инженерное предназначение, и их путаница приводит к тому, что машины перегреваются, имеют неточную посадку или стоят дороже, чем должны. В этом сравнении рассматриваются пять инженерных параметров, которые действительно важны для выбора — КПД, диапазон передаточных чисел, люфт, самоблокировка, стоимость — и они представлены таким образом, чтобы инженер по закупкам или конструктор машин мог сделать правильный выбор с первого раза. Для более подробного ознакомления с тем, как червячная геометрия передает крутящий момент, см. нашу сопутствующую статью. Что такое червячный редуктор?.

Три типа приводов: краткий обзор

Прежде чем углубляться в какой-либо отдельный параметр, краткий обзор характеристик каждого из трех типов накопителей заложит основу для последующих сравнительных разделов. Приведенные ниже цифры — это типичные значения для среднего размера корпуса каждого семейства накопителей; точные значения могут варьироваться в зависимости от размера корпуса, производителя и конфигурации.

Противостояние эффективности — где червяк теряет энергию, а спиральный механизм побеждает.

КПД зацепления — это параметр, по которому три типа приводов наиболее резко различаются. В редукторе с косозубыми шестернями КПД составляет 95-981 Тп3Т на ступень, практически независимо от передаточного отношения. В планетарном редукторе КПД составляет 95-971 Тп3Т на ступень, опять же, в значительной степени независимо от передаточного отношения. В червячном редукторе КПД составляет 70-851 Тп3Т на одной ступени, и этот показатель резко падает с увеличением передаточного отношения: 851 Тп3Т при i=10, 781 Тп3Т при i=30, 701 Тп3Т при i=60 и менее 601 Тп3Т при i=100.

Причина кроется в геометрии контакта. Винтовое и планетарное зацепление происходит за счет качения — зубья катятся друг относительно друга с минимальным скольжением. Червячный редуктор передает мощность за счет скользящего контакта между резьбой червяка и бронзовым колесом, что создает значительно большее трение и, следовательно, больше тепла. Энергия, теряемая в виде тепла, составляет от 151 Тл·3Т (низкое передаточное число) до 301 Тл·3Т или более (высокое передаточное число), по сравнению с 2-51 Тл·3Т для альтернативных вариантов с качением.

Для приложений непрерывной работы, работающих 24 часа в сутки, разница в эффективности превращается в реальные затраты энергии. Привод мощностью 7,5 кВт, работающий 8000 часов в год с КПД червячной передачи 75%, потребляет около 80 000 кВт·ч; та же нагрузка с КПД косозубой передачи 96% потребляет 62 500 кВт·ч — экономия составляет 17 500 кВт·ч в год. При ценах на электроэнергию в Корее это составляет примерно 2000-2500 долларов США в год только на энергию для одного червячного редуктора, что окупает разницу в стоимости косозубой передачи в течение нескольких лет при интенсивной эксплуатации приводов.

Диапазон передаточного отношения одноступенчатого привода — где каждый привод достигает своего предела.

Для каждого типа привода существует практический предел передаточного отношения, которое он может обеспечить за одну ступень, прежде чем либо эффективность снизится, либо геометрия перестанет работать. Эти пределы находятся в совершенно разных местах и ​​определяют, сколько ступеней необходимо многоступенчатому приводу для достижения целевого передаточного отношения.

• В
  Червячный редуктор: Одноступенчатый диапазон значений i=5–i=100. Добавление спиральной первичной ступени перед ней (двухступенчатая спирально-червячная геометрия, например, серия Nord SK 13xxx) расширяет диапазон до i=3631. Ниже i=5 самоблокировка теряется; выше i=100 в одноступенчатом режиме КПД падает ниже 60%.
• ЧАС
  Косозубая коробка передач: Одноступенчатая структура обычно имеет параметры от i=3 до i=8. Многоступенчатая спиральная структура достигает i=200 за 3 ступени, i=1000 за 4 ступени. Каждая ступень добавляет примерно 3% потери эффективности.
• П
  Планетарный редуктор: Одноступенчатая планетарная система имеет диапазон рабочих параметров от i=3 до i=10. Многоступенчатая планетарная система достигает i=100 за 2 ступени, i=1000 за 3 ступени. Компактная концентрическая компоновка обеспечивает высокое соотношение рабочих параметров в малом корпусе.

Для применений, требующих i=30 в компактном корпусе, червячный редуктор выигрывает за счет своей одноступенчатости, тогда как косозубому требуется три зацепления, а планетарному — два. Для применений, требующих i=10 при высокой эффективности, косозубый или планетарный редуктор выигрывают по параметру эффективности, даже несмотря на то, что червяк может обеспечивать i=10 в одноступенчатом режиме.

Обратная связь и точность позиционирования

Люфт — крошечный вращательный зазор между входом и выходом, позволяющий слегка изменить направление вращения входа до начала движения выхода, — имеет огромное значение для одних применений и совершенно не имеет значения для других. Конвейеры и смесители, приводимые в движение червячным редуктором, не чувствительны к люфту. Однако сервоприводные поворотные механизмы, оси роботов и прецизионные приводы позиционирования имеют большое значение, поскольку каждый угловой люфт приводит к ошибке позиционирования у нагрузки.

Планетарный редуктор работает с люфтом менее 5 угловых минут на стандартных изделиях из каталога и менее 1 угловой минуты на прецизионных устройствах. В редукторе с косозубыми шестернями люфт обычно составляет 8-15 угловых минут. В червячном редукторе люфт обычно составляет 25-40 угловых минут — отчасти потому, что бронзовые зубья колеса со временем изнашиваются, постепенно увеличивая люфт в течение всего срока службы редуктора.

Для сервоуправления с замкнутым контуром планетарный редуктор является, по сути, единственным разумным вариантом, выходящим за рамки задач средней точности. Для конвейерных и смесительных систем с разомкнутым контуром больший люфт червячной передачи не имеет значения — сама нагрузка не имеет значения. Люфт следует понимать как параметр, исключающий червячный редуктор из задач точного позиционирования, а не как параметр, из-за которого червячная передача обычно выходит из строя.

Самоблокирующийся — определяющая собственность, которой владеет только червь.

Самоблокировка — это инженерное свойство, благодаря которому червячный редуктор однозначно превосходит оба альтернативных варианта. Когда угол шага резьбы червяка достаточно мал — что соответствует передаточным отношениям i ≥ 30 — трение в зоне скольжения препятствует возникновению любого обратного крутящего момента от нагрузки. Редуктор удерживает положение пассивно, без активного тормоза. Как косозубые, так и планетарные приводы свободно вращаются в обратном направлении под статической нагрузкой и требуют активного тормоза для удержания положения.

Для подъемных работ червячный редуктор Самоблокирующиеся свойства не подлежат обсуждению. Лифты, винтовые домкраты, ножничные подъемники, строительные платформы с откидной опалубкой, театральные сценические подъемники, солнечные трекеры — все они работают почти исключительно на червячной передаче, поскольку фрикционная блокировка исключает один критически важный режим отказа (неисправность тормозов) из анализа опасностей при подъеме грузов. Червячный редуктор с i ≥ 30 будет удерживать многотонный груз неограниченно долго без приложения крутящего момента двигателя.

Следует отметить, что корейские правила техники безопасности в строительстве (Закон о промышленной безопасности и охране труда) и аналогичные правила в Азии по-прежнему требуют наличия активного тормоза на подъемных платформах для персонала — самоблокировка является резервным уровнем безопасности после тормоза, а не основным. Однако резервирование является подлинным и существенно повышает надежность подъемной системы.

Стоимость, занимаемая площадь и накладные расходы на техническое обслуживание

Стоимость единицы продукции существенно различается для трех типов приводов при эквивалентном номинальном крутящем моменте. Червячный редуктор неизменно является самым дешевым — типичный агрегат с индексом i=30 и входной мощностью 1,5 кВт стоит примерно на 601 тыс. 3 тыс. меньше, чем косозубый редуктор, и на 501 тыс. 3 тыс. меньше, чем планетарный редуктор при том же номинальном крутящем моменте. Цена отражает сложность производства: червячный редуктор проще в изготовлении, чем множество зубчатых зацеплений внутри косозубого или планетарного редуктора.

Различия в габаритах более тонкие. Прямоугольный выходной вал червячного редуктора делает его наиболее компактным вариантом, когда компоновка машины требует перпендикулярного вращения вала — внешняя коническая муфта не требуется. Для линейных приводных систем планетарный редуктор выигрывает по плотности крутящего момента: планетарный редуктор с крутящим моментом 200 Нм помещается в меньшем корпусе, чем винтовой или червячный редуктор с аналогичным крутящим моментом. Винтовой редуктор занимает промежуточное положение по габаритам, с тем преимуществом, что длинные приводные системы с параллельными валами органично интегрируются без изгибов на 90 градусов.

Затраты на техническое обслуживание также различаются. Бронзовое колесо червячного редуктора изнашивается постепенно в течение 25 000–40 000 часов работы; комплекты для восстановления зубьев позволяют восстановить редуктор за треть стоимости полной замены. Косозубые и планетарные редукторы практически не изнашиваются при нормальной эксплуатации — они выходят из строя из-за поломки подшипников или подтекания уплотнений, и оба случая подлежат ремонту в полевых условиях. Для всех трех типов редукторов используется минеральное или синтетическое трансмиссионное масло, подаваемое разбрызгивателем; интервалы замены масла схожи.

Матрица технических характеристик "бок о бок"

Приведенная ниже подробная матрица объединяет все параметры, влияющие на выбор между червячным, косозубым и планетарным редуктором. Выделенные ячейки указывают на победителя по каждому критерию — это полезное руководство для выбора, которое можно распечатать.

Пошаговое руководство по принятию решения — выберите свой автомобиль, ответив на пять вопросов.

Большинство решений, касающихся типа вождения, принимаются на основе пяти вопросов. Пройдитесь по ним по порядку — первый вопрос, на который дан однозначный ответ, определяет выбор; если все пять вопросов дали четкий ответ, обычно решающим является параметр стоимости.

Итоги применения — шесть реальных сценариев

Шесть распространенных вариантов применения приводных систем с червячными, косозубыми и планетарными передачами — шесть выводов. На каждой карточке указан сценарий, определяющий параметр и рекомендуемый тип привода с обоснованием.

Часто задаваемые вопросы о выборе типа привода

Редактор: Cxm