Три типа червячных передач — без горловины, с одной горловиной, с двумя горловинами.
Сравнительный анализ трех конфигураций горловины с учетом геометрических параметров, компромисс между стоимостью и производительностью каждой из них, а также случаи неправильного использования, которые мы постоянно наблюдаем на практике.
Три варианта конфигурации зазора отличаются одним параметром — площадью соприкосновения червяка и колеса. Без зазора — точечный контакт с одним или двумя зубьями в зацеплении, самый дешевый вариант, только для легких нагрузок. С одним зазором — линейный контакт с тремя-четырьмя зубьями в зацеплении, промышленный вариант для 80% применений. С двумя зазорами (также называемыми двойным обхватом) — поверхностный контакт с шестью-восемью зубьями в зацеплении, вариант для тяжелых условий эксплуатации с в два-три раза большей грузоподъемностью, но с наценкой в 40-60% и более длительным сроком поставки. Выбирайте исходя из нагрузки и бюджета, а не из того, что выглядит технически впечатляюще на бумаге.
Все вращается вокруг одной оси: площадь контакта.
Прекратите читать любые статьи, сравнивающие типы червячных передач, перечисляя их свойства бок о бок. Три варианта конфигурации зева — это не просто альтернативные варианты, а три точки на одной непрерывной оси, и эта ось — геометрическая площадь контакта между резьбой червяка и зубом колеса. Все остальные свойства вытекают из этой единственной переменной.
Большая площадь контакта означает, что больше зубьев одновременно распределяют нагрузку, а это значит, что каждый зуб испытывает меньшее напряжение, что приводит к большей несущей способности, более длительному сроку службы, меньшему износу за цикл и меньшему уровню шума. Это также означает более жесткие геометрические допуски, более сложную оснастку, большее время обработки, более дорогие фрезы и значительно более длительные сроки выполнения заказа. От этого компромисса никуда не деться — геометрия обхвата горловины напрямую вынуждает к нему прибегать. Как только вы четко увидите ось площади контакта, выбор правильного типа превратится из простого сравнения характеристик в решение, требующее одного вопроса.
На изображении напротив показан цилиндрический червяк, зацепляющийся с колесом с горловиной — наиболее распространенная конфигурация с одной горловиной. Обратите внимание, как зубья колеса обхватывают тело червяка. Этот обхват и есть горловина. Уберите обхват (пряморежущие зубья колеса), и вы получите тип без горловины. Добавьте соответствующий обхват к самому червяку (форма песочных часов), и вы получите двухгорлой тип.
С точки зрения производства, затраты растут быстрее, чем выгода от увеличения мощности. Переход от однокамерного привода к однокамерному примерно удваивает грузоподъемность и увеличивает себестоимость единицы продукции на 10-15 процентов. Переход от однокамерного привода к двухкамерному снова удваивает мощность, но увеличивает себестоимость единицы продукции на 40-60 процентов и стандартное время выполнения заказа на 10-14 дней. Эта кривая зависимости затрат от мощности является экономической причиной доминирования однокамерных приводов в промышленных системах.
Негорловая часть — простейшая геометрия
Червячная передача без горловины представляет собой простейшую из возможных угловых передач. Червяк — это простой цилиндрический вал с одной или несколькими винтовыми резьбами. Колесо — это плоский диск с винтовыми зубьями, которые соответствуют углу наклона червяка. Ни один из компонентов не обхватывает другой. Контакт между ними в момент зацепления представляет собой, по сути, одну точку, которая теоретически расширяется в очень короткую линию под нагрузкой по мере незначительной деформации бронзового колеса.
В любой момент времени всю нагрузку несут один или два зуба. Концентрация напряжений на этих зубьях высока. Износ за час работы в два-три раза выше, чем у однокамерного агрегата при том же крутящем моменте. Интервалы замены короткие — колесо без камер под постоянной нагрузкой может потребовать замены каждые 6000–12000 часов вместо ожидаемых 25000–40000 часов для однокамерного агрегата правильного размера.
Однако компенсирующие преимущества реальны. Инструментарий — самый простой из трех типов: стандартная зубчатая фреза с прямыми зубьями подойдет для нарезки колеса. Запасные части изготавливаются быстро и их хранение обходится недорого. Срок изготовления нестандартного комплекта без горловины часто вдвое меньше, чем у комплекта с одной горловиной. Для приводов малой нагрузки, где нагрузка значительно ниже номинальной и допустим короткий интервал замены, экономическая целесообразность использования геометрии без горловины действительно высока.
Там, где негорловая область естественным образом вписывается
Приводы для индексации офисного оборудования, позиционеры приборов, механизмы для хобби и учебных целей, мелкосерийное прототипирование, где время настройки важнее срока службы, а также вспомогательные устройства с небольшой нагрузкой, работающие в течение короткого времени. Общим для всех этих применений является то, что привод работает с перерывами, нагрузка четко определена и невелика, а оператор либо ожидает периодической замены устройства, либо просто не нуждается в 40 000 часах работы.
Наиболее часто встречающийся случай злоупотребления
Небольшой производитель станков выбирает геометрию без горловины, потому что себестоимость единицы продукции на 20 процентов ниже, чем у аналогичного одногорлого комплекта. Первый прототип работает идеально, потому что конструкция работает примерно на 30 процентов от номинальной нагрузки. Через три месяца после начала производства начинают поступать сообщения от клиентов: приводы изнашиваются через 4000 часов вместо 20 000 часов, предусмотренных гарантией. Теперь производитель станков тратит на гарантийную замену больше, чем первоначальная экономия. Мы наблюдаем этот сценарий каждый квартал, и каждый раз правильным решением с самого начала была бы одногорлая конструкция.
Одноштоковые приводы — рабочая лошадка промышленных двигателей.
Геометрия с одной канавкой сохраняет цилиндрическую форму червяка, но зубья колеса имеют вогнутый профиль канавки, частично обхватывающий тело червяка. Зубья колеса больше не имеют плоских поверхностей — они изгибаются, повторяя окружность червяка. В любой момент времени в зацеплении находятся от трех до четырех зубьев, а контакт между резьбой червяка и зубом колеса представляет собой короткую линию, а не точку.
Разница заключается в форме горловины. Распределение нагрузки между несколькими зубьями одновременно снижает пиковое напряжение на каждом отдельном зубе примерно на 60 процентов по сравнению с геометрией без горловины. Соответственно снижается и скорость износа поверхности. Срок службы увеличивается с 6000–12000 часов при легкой нагрузке до 25000–40000 часов при правильно подобранной непрерывной нагрузке. Акустический шум заметно снижается, поскольку многозубное соединение сглаживает импульсы нагрузки, которые в противном случае испытывал бы каждый зуб по отдельности.
За два десятилетия поставок червячных передач и червячных колес из Ансана, примерно четыре из пяти заказов приходится на однокамерные редукторы. Это оптимальное решение, когда у заказчика нет веских причин указывать что-то другое. Промышленные конвейеры, приводы осей C станков, редукторы подъемников, индексаторы упаковочных линий, приводы автомобильных сидений — все они работают на однокамерной геометрии, поскольку соотношение стоимости и грузоподъемности у них непревзойденное. Если вы не уверены, какой тип вам нужен, и нагрузка находится в пределах стандартного промышленного диапазона, однокамерный редуктор — это безопасный вариант по умолчанию.
Реализация производства одногорлой хирургической системы
Нарезка резьбы производится на зубофрезерном станке с использованием фрезы, профиль которой соответствует геометрии резьбы червяка. Важно отметить, что это означает, что фреза не является универсальным инструментом для прямозубых зубьев — для каждой комбинации модуля червячного колеса и угла наклона требуется своя собственная фреза. Для стандартных модулей из каталога (M1, M1.5, M2, M2.5, M3, M4, M5, M6, M8) фрезы уже имеются в наличии, поэтому сроки изготовления короткие. Для нестандартных модулей требуется новая фреза, что увеличивает срок первой поставки на 7–14 дней и влечет за собой затраты на оснастку, которые амортизируются по объему заказа.
С точки зрения чистовой обработки, зубья шлифовального круга могут быть только нарезаны зубьями (точность DIN 7 или DIN 8, подходит для общего промышленного применения) или нарезаны зубьями и отшлифованы (точность DIN 6, подходит для применений средней точности). Для достижения точности DIN 5, необходимой для прецизионных поворотных столов, шлифовальный круг необходимо шлифовать после термообработки — именно здесь одногорбые шлифовальные круги станкового класса становятся дорогими, но геометрические возможности остаются одногорбыми, просто точность выше.
Двойная канавка — геометрия повышенной прочности
В двухкамерном червячном механизме оба компонента имеют канавки. Сам червяк приобретает форму песочных часов — диаметр сужается в середине корпуса и расширяется к обоим концам, позволяя зубьям колеса обхватывать контур червяка. Зубья колеса по-прежнему имеют канавки, как и в однокамерном варианте, но теперь червяк обхватывает их, а не представляет собой плоскую цилиндрическую поверхность.
Одновременно в зацеплении находятся от шести до восьми зубьев. Контакт между зацепляющимися поверхностями больше не является точкой или линией — это криволинейная зона контакта, повторяющая сопряженную геометрию двух охватывающих поверхностей. Грузоподъемность на единицу размера охватывающей поверхности в два-три раза выше, чем у эквивалентного однозубого комплекта. Такая геометрия является предпочтительной для самых тяжелых приводов, где плотность крутящего момента является ограничивающим фактором.
Дополнительные затраты реальны.
Для изготовления червячного механизма с двойной горловиной (также называемого двухкамерным или глобоидальным) требуется либо специализированный резьбошлифовальный станок в форме песочных часов, либо специальное фрезерное приспособление, повторяющее форму сопряженной оболочки. Фреза для соответствующих зубьев колеса нестандартна для каждой комбинации передаточных чисел — ее нельзя использовать повторно при разных передаточных числах, поскольку форма сопряженной оболочки меняется. В результате комплект с двойной горловиной обычно на 40–60 процентов дороже, чем комплект с одинарной горловиной аналогичного размера, а срок изготовления первых изделий, для которых необходимо изготовить оснастку, увеличивается на 10–14 дней.
Как только оснастка для заданного модуля и соотношения создана, повторные заказы выполняются со стандартным сроком. Таким образом, для программы непрерывного крупносерийного производства увеличение себестоимости единицы продукции за счет использования двухканальной геометрии значительно сокращается — заказчик амортизирует затраты на оснастку на тысячи деталей. Для разовых заказов, выполненных по индивидуальному проекту, увеличение себестоимости остается существенным.
Когда двуличие действительно является правильным решением.
Приводы тяжелых лебедок, поднимающих грузы более 5 тонн. Конвейеры для пульпы в горнодобывающей промышленности, работающие круглосуточно. Вспомогательные приводы прокатных станов. Башни и стабилизаторы тяжелой военной техники. Морские лебедки на морских платформах. Исполнительные механизмы рулевых поверхностей в аэрокосмической отрасли, где габариты ограничены, но крутящий момент высок. Общая закономерность: в данном случае производитель готов платить больше за единицу продукции, поскольку альтернатива — использование более крупного однокамерного редуктора или многоступенчатого винтового редуктора — обойдется дороже или просто не поместится в имеющиеся габариты.
Сравнение бок о бок
Приведенные ниже цифры — это типичные значения, которые наш инженерный отдел использует при составлении смет для трех типов продукции. Показатели стоимости и сроков поставки приведены относительно самого дешевого варианта (без горловины на модуле M3, соотношение 30:1, что наиболее близко к базовому показателю отрасли) и отражают реальную производственную ситуацию на нашем предприятии в Ансане. В других цехах могут наблюдаться несколько иные соотношения, но общая тенденция сохраняется в отрасли.
Простое дерево решений
Составьте спецификацию для пары червячный вал и червячное колесо так, как это делает опытный инженер — решая три вопроса по порядку, а не начиная с каталога.
Вопрос 1: Является ли этот промышленный привод приводом, передающим значительную непрерывную нагрузку?
Если нет — небольшой прибор с прерывистым режимом работы, прототип, приборный индексатор — вариант без горловины рассматривается и, вероятно, является оптимальным с точки зрения стоимости. Если да, исключите вариант без горловины и переходите к вопросу 2.
Вопрос 2: Достаточно ли жёсткий рабочий цикл, чтобы оправдать 50-процентную надбавку к стоимости?
Если накопитель работает 24 часа в сутки под высокой нагрузкой, выдерживает тяжелые грузы или находится в стесненных условиях, где невозможно установить более крупный однокамерный накопитель, то двухкамерный накопитель оправдывает свою высокую стоимость. В противном случае, лучше использовать однокамерный накопитель.
Вопрос 3: Какой класс точности вам нужен?
Какой бы тип зева вы ни выбрали, класс точности (DIN 5 / 6 / 7) — это отдельное решение. Для DIN 5 требуются шлифованные зубья, для DIN 6 — заточенные, а для DIN 7 подходит только зубофрезерование для приводов общего назначения. Класс точности влияет на стоимость единицы продукции на 15–25 процентов в зависимости от шага сверления.
Три реальных случая злоупотребления, из которых стоит извлечь урок.
Случай 1 — Двусторонний доступ туда, где одного доступа было бы достаточно.
Корейский производитель оборудования для автоматизации выбрал двухканальную геометрию для индексатора упаковочной линии, поскольку, по словам представителя компании, это был «вариант с наивысшей производительностью». Годовой объем производства составлял 2400 единиц. Привод работал с перебоями, примерно на 30% рабочего цикла, что вполне укладывалось в возможности одноканального привода. В итоге: заказчик переплатил 28 000 долларов США в год за единицу продукции, согласился на более длительные сроки поставки на этапе наращивания производства и не получил никакой выгоды в производительности, поскольку не приблизился к пределу производительности одноканального привода. Вывод: не указывайте производительность, которую вы не будете использовать.
Случай 2 — Негорловое использование непрерывно, а не периодически.
Небольшой производитель станков приобрел комплекты без горловины для недорогого роторного индексатора, поскольку цена за единицу была привлекательной. Рабочий цикл в полевых условиях оказался практически непрерывным — индексатор работал по 18 часов в день в некоторых цехах заказчика. Износ колес стал заметен через 3000 часов. Поломка произошла через 5000 часов. Количество гарантийных обращений резко возросло. В итоге заказчик перешел на одногорлую геометрию, смирился с более высокой себестоимостью единицы продукции, и количество гарантийных обращений сократилось почти до нуля. Вывод: прогнозируйте фактический рабочий цикл, прежде чем выбирать самый дешевый тип.
Случай 3 — Человека с одной горловой мышцей попросили выполнить работу с двумя горлами
Производитель тяжелых подъемников увеличил масштаб существующей конструкции 3-тонного подъемника до 6-тонного, расширив червячное колесо и сохранив геометрию однокамерного привода. Оригинальный привод работал исправно. В уменьшенной версии в течение первых 2000 часов эксплуатации на боковой поверхности колеса появились раковины. Геометрия находилась на пределе возможностей однокамерного привода, и динамические ударные нагрузки довели ее до этого предела. Правильным решением с самого начала была бы двухкамерная конструкция — это увеличило бы стоимость примерно на 18 процентов от общей стоимости привода, но полностью исключило бы гарантийные риски. Вывод: при масштабировании существующей конструкции тип червячного колеса, работавший в меньшем размере, может не работать в большем.
Часто задаваемые вопросы
В: Двугорло — это то же самое, что и двусторонний объятия?
Да, оба термина описывают одну и ту же геометрию. «Двойная канавка» подчеркивает, что и червяк, и колесо имеют канавку; «двойная обволакивающая» подчеркивает, что каждый компонент обволакивает другой. В некоторых каталогах также используется термин «глобоидальная» — опять же, та же геометрия. На практике все три термина взаимозаменяемы.
В: Можно ли установить двухканальный двигатель в корпус, предназначенный для одноканального двигателя?
Практически никогда, нет. Червяк в форме песочных часов требует больше осевого пространства, чем цилиндрический червяк с эквивалентным передаточным отношением, и подшипниковый узел на концах вала червяка обычно приходится перепроектировать с учетом измененного профиля вала. Межосевое расстояние также может незначительно измениться. Тип горловины следует рассматривать как решение на этапе проектирования, а не как вариант модернизации. Если вы планируете модернизировать установку с однокамерным червяком для работы с более высокими нагрузками, практическими вариантами являются либо установка более крупного однокамерного червяка в перепроектированном корпусе, либо полный переход на другое передаточное отношение.
В: Влияет ли тип горла на поведение, связанное с самоблокировкой?
Самоблокировка определяется углом наклона, а не типом горловины. Двухгорлой узел с углом наклона 4 градуса самоблокируется так же, как и одногорлой узел с тем же углом наклона. Тип горловины влияет на грузоподъемность и площадь контакта; угол наклона определяет, может ли колесо осуществлять обратный привод червяка. Эти два параметра конструкции независимы друг от друга.
В: Зачем вообще продаются червячные передачи без горловины, если они изнашиваются быстрее?
Потому что для действительно легких, периодических применений более низкая себестоимость и более короткие сроки поставки перевешивают более короткий срок службы. Устройство без горловины, работающее на 20% от номинальной мощности в течение 4 часов в день, все равно прослужит от 8 до 10 лет до замены — вполне достаточно для колка гитары, механизма подачи бумаги в принтере или недорогого привода садовых ворот. Попытка использовать геометрию без горловины для непрерывной промышленной работы — это неправильное применение, а не сама геометрия.
В: Как определить тип установленного на моем жестком диске?
Сначала посмотрите на форму червяка. Если тело червяка представляет собой однородный цилиндр по всей длине — одногорлый или безгорлой. Если тело червяка имеет форму песочных часов, сужаясь посередине и расширяясь к концам — двухгорлой. Затем посмотрите на зубья колеса: если они имеют плоскую поверхность по всей длине колеса — безгорлой. Если они вогнутые, повторяя форму тела червяка — одногорлой (с цилиндрическим червяком) или двухгорлой (с червяком в форме песочных часов). Визуальное определение занимает три секунды.
В: Влияет ли тип горла на эффективность?
Да, немного, но не настолько, как угол наклона. Эффективность однозаходного червячного механизма обычно на 1–3 процентных пункта выше, чем у однозаходного при том же угле наклона, поскольку распределение нагрузки по нескольким зубьям снижает удельное контактное давление и, следовательно, трение. Эффективность двухзаходного механизма аналогична однозаходному или немного выше в условиях больших нагрузок, но разница обычно находится в пределах погрешности измерений. Если вы оптимизируете эффективность, измените угол наклона (используйте многозаходные червячные механизмы), а не тип зазора. Для получения полной информации червячный редуктор В корпусе без уплотнений потери в подшипниках и уплотнениях зачастую оказывают большее влияние на общую эффективность, чем геометрия горловины.
В: А что насчет обратной реакции — один тип горла более сжат, чем другой?
Зазор зависит в первую очередь от допуска по толщине зуба и точности межосевого расстояния, а не от типа горловины. Тем не менее, двухгорлая геометрия обычно обеспечивает несколько меньший собственный зазор, поскольку большая площадь контакта уменьшает зазор, который каждый отдельный зуб представляет на границе зацепления. Для высокоточных применений с нулевым зазором (оси C ЧПУ, оптические крепления) правильным решением является двухгорлая червячная передача — одногорлая передача с осевым перемещением червяка для механического устранения зазора — вместо двухгорлой.
Как только вы получите ответы на три вышеуказанных вопроса, решение о типе горловины, по сути, принято. Большинство промышленных клиентов, с которыми мы работаем, выбирают одногорлую геометрию; четверть — двухгорлую для тяжелых условий эксплуатации; оставшаяся небольшая часть выбирает одногорлую геометрию по соображениям экономии для легких приводов с прерывистым режимом работы. Честная формулировка такова: выбирайте самый дешевый тип, который действительно соответствует вашему рабочему циклу, и избегайте соблазна указывать мощность, которую вы не будете использовать.
Если у вас есть чертеж, и вы не уверены, какой тип горловины подходит для вашего рабочего цикла, отправьте его в наш инженерный отдел для получения консультации. Рекомендации по типу червячной передачиМы проведем расчеты нагрузки и срока службы для трех вариантов и сообщим вам, какой из них лучше всего подходит для вашего применения — в том числе, когда правильным решением будет более дешевая геометрия, а не более сложная. Стандартные каталоги одноканальных и двухканальных модулей имеются в наличии для наиболее распространенных промышленных модулей; комплекты без горловины изготавливаются на заказ. Полный список червячные передачи с одной и двумя горловинами Характеристики изделий из бронзы и легированной стали указаны в таблицах параметров и ценовых категориях на странице каталога.
Не уверены, какой тип горла подходит для вашего случая?
Укажите крутящий момент, рабочий цикл и требуемый срок службы. Мы проведем сравнение трехтактных двигателей с вашими конкретными показателями и порекомендуем геометрию, которая наилучшим образом справится с задачей при минимальных затратах на доставку.
Редактор: Cxm
