Зубья, трение, ремень, цепь или винт: какая передача подойдет к твоей машине? Сравнение передаточного числа, КПД, скорости, шума и обслуживания.
Электродвигатель конвейера делает 1480 об/мин, а барабану ленты нужно 60. Между ними ставят передачу: она уменьшает обороты в u раз и во столько же раз поднимает момент. Мощность при этом почти не меняется, часть ее уходит в тепло. Передача может еще повернуть ось на 90°, перенести вращение на далекий вал или превратить вращение в поступательное движение, как винт станка.
Передачи делят по тому, чем они держат друг друга. Зацеплением работают зубья, цепь, винт с гайкой: они не проскальзывают, передаточное число точное. Трением работают ремень и катки: они могут проскользнуть, зато сами защищают машину от перегрузки и гасят толчки. Дальше смотри, что выбрать под свою задачу.
ⓘ Модель учебная. КПД ступени взят средним для обычного исполнения, у червячной пары он посчитан через угол подъема витка и угол трения 2,5°. Передаточные числа ступеней стенд делит сам, ближе к удобным значениям для каждого вида. Масса оценена по моменту на выходе каждой ступени и годится только для сравнения вариантов между собой. Анимация условная: двигатель на рисунке делает пол-оборота в секунду, остальные валы медленнее точно в u раз.
Во всех карточках числа выбранной на рисунке схемы. Нажми на другой вариант или поменяй условия, и подстановка пересчитается.
Во сколько раз надо понизить обороты?
Обороты двигателя делить на нужные обороты машины. Если ступеней несколько, выход одной служит входом следующей, поэтому их передаточные числа перемножаются. Одной зубчатой паре трудно дать больше 6-8, поэтому для u = 25 ставят две ступени по 5.
Сколько мощности дойдет до машины?
Каждая ступень пропускает свою долю мощности, поэтому КПД тоже перемножаются. Три пары по 0,98 дают 0,94. Разница Pвх − Pвых превращается в тепло: его надо отвести через корпус и масло.
Какой момент получит рабочий орган?
Момент растет во столько же раз, во сколько падают обороты, за вычетом потерь. Сначала момент двигателя находят из мощности и оборотов, потом умножают на u и η всего привода.
Шаг 1. Мощность на любом валу равна моменту, умноженному на угловую скорость: P = T ω (тема 3.3). Так считают мощность двигателя, вала редуктора и барабана.
Шаг 2. Передача сама энергию не создает. Если бы потерь не было, мощность на выходе равнялась бы мощности на входе: Tвых ω2 = Tвх ω1.
Шаг 3. Потери есть: трение зубьев, подшипники, перемешивание масла, изгиб ремня. До выхода доходит доля η: Tвых ω2 = η Tвх ω1.
Шаг 4. Делим обе части на ω2 и вспоминаем, что ω1 / ω2 = u: Tвых = Tвх u η. Для нескольких ступеней то же самое повторяется на каждом валу, поэтому u и η перемножаются.
Двигатель ленточного конвейера на 1480 об/мин крутит барабан на 60 об/мин через двух- или трехступенчатый цилиндрический или коническо-цилиндрический редуктор. Шаровую мельницу часто разгоняют через муфту и открытую зубчатую пару с венцом на барабане. Как устроена одна пара, смотри в теме 6.1 «Зубчатая передача», про косой зуб в теме о косозубых колесах.
Поворот платформы делает планетарный редуктор с шестерней, которая обкатывает зубчатый венец опорно-поворотного круга. Ход гусениц идет через бортовой планетарный редуктор в ведущей звездочке: большое u в маленьком корпусе. Подробнее в теме 6.6 «Планетарные передачи».
От дизеля мощность идет через гидротрансформатор и коробку передач, затем через карданный вал на главную коническую передачу, она поворачивает поток на 90°. Последнее понижение дают бортовые планетарные редукторы в колесах. Вся цепочка дает u общее около 25-35 на первой передаче. Про конические пары смотри тему о конических передачах.
Подача стола идет от серводвигателя через зубчатый ремень на шарико-винтовую пару: ход точный, без люфта, КПД около 0,9. Длинные столы и порталы двигают рейкой с шестерней. Об этом темы о передаче винт-гайка и о реечной передаче.
В суставах промышленного робота стоят волновые передачи: u = 50-160 в одной ступени, люфт меньше угловой минуты, малый вес. Гибкое колесо постоянно изгибается и со временем устает, поэтому волновые передачи не ставят туда, где нужны десятки киловатт. Подробнее в теме о волновой передаче.
Червячная пара с большим u и малым углом подъема витка держит груз сама: трение не дает колесу раскрутить червяк. За это платят КПД меньше 0,5, а на ответственных лебедках все равно ставят тормоз. Ремни приводят насосы, вентиляторы и компрессоры, цепи стоят на велосипедах и в приводах рольгангов: темы о червячной передаче, о ременной, о цепной и обзор 7.2 «Ременные и цепные передачи». Плавное изменение u дают фрикционные вариаторы.
Рассматриваются приводы из одной, двух или трех ступеней по заранее заданным типовым схемам. КПД ступени постоянный и не зависит от нагрузки: цилиндрическая 0,98, коническая 0,96, планетарный ряд 0,97, цепная 0,96, клиноременная 0,95, зубчатый ремень 0,97, фрикционная 0,9, ШВП 0,9, реечная 0,94. У червячной пары КПД считается как tg γ / tg(γ + φ′) с поправкой 0,97 на подшипники и масло: число заходов зависит от u, коэффициент диаметра червяка 10, а для самоторможения 25 при одном заходе, угол трения φ′ = 2,5°. У волновой передачи КПД падает с ростом u от 0,85 до 0,75. Винт скольжения взят трапецеидальный Tr 32×6 с КПД около 0,39, ШВП с шагом 10 мм, шестерня рейки диаметром 60 мм. Масса ступени оценена как k · Tвых0,75 с T в кН·м и своим k для каждого вида: это грубая оценка для сравнения вариантов, а не расчет редуктора. Пределы мощности и скорости (волновая до 5 кВт, фрикционная до 20 кВт, цепь не на быстром валу, ремень не на тихом) взяты как обычная практика проектирования. Числа в готовых случаях примерные.