Важность люфта зубчатых передач: почему в системах зубчатой передачи должен быть люфт?

При проектировании и изготовлении зубчатых передач люфт является важным инженерным параметром. Он обозначает небольшой зазор между профилями зубьев сопряжённых шестерён. Независимо от того, используется ли планетарный редуктор, червячный редуктор или параллельный зубчатый редуктор, для всех типов зубчатых передаточных устройств необходимо устанавливать соответствующий люфт в зависимости от реальных условий эксплуатации. В данной статье систематически рассматриваются пять основных причин возникновения люфта в зубчатых передачах и анализируется его конкретное влияние на различные типы редукторов.

1. Физическая неизбежность теплового расширения: влияние материалов и температуры

Во время работы зубчатых колёс трение и нагрузка вызывают выделение тепла, что приводит к тепловому расширению как самих шестерён, так и корпуса. Разные материалы обладают различными коэффициентами теплового расширения; например, скорость расширения алюминиевого сплава корпуса значительно отличается от скорости расширения стальных шестерён. Поэтому изменения размеров должны учитываться уже на этапе проектирования.

1.1 Реакция на расширение в условиях высокой температуры

В условиях высоких температур на промышленных объектах или при непрерывной эксплуатации температура сервоприводов или редукторов электродвигателей может значительно повышаться. Если используется конструкция с нулевым люфтом, после теплового расширения зубья шестерен теряют рабочее пространство, что приводит к прямому сжатию поверхностей зубьев, резкому увеличению трения и в конечном итоге к заклиниванию или даже повреждению зубьев. Следовательно, наличие люфта является физической необходимостью для компенсации теплового расширения.

2. Необходимое условие для смазки: пространство, требуемое для образования масляной пленки

Масляная пленка между поверхностями зубьев играет важную роль в предотвращении прямого металлического контакта, снижая износ и уровень шума. Боковой зазор обеспечивает необходимое пространство для поступления смазочного масла в зону зацепления и формирования достаточно толстой гидродинамической масляной пленки.

2.1 Требования к смазке различных редукторов

Редукторы с прямым углом и конические редукторы имеют сложные пути смазки из-за пересечения осей шестерен, поэтому необходимо использовать небольшое пространство, образованное зазором, чтобы направлять смазочное масло для равномерного распределения по всей поверхности зубьев. Редукторы, монтируемые на вал, как правило, используются в запыленной среде, поэтому при их проектировании необходимо совместно учитывать конструкцию уплотнения и зазор, чтобы предотвратить утечку масла и обеспечить достаточную внутреннюю смазку.

3. Требования к сборке и техническому обслуживанию: удобство эксплуатации и срок службы

Сборка зубчатых систем выполняется на месте, требуется регулярный осмотр и техническое обслуживание. Конструкция с нулевым зазором делает сборку чрезвычайно сложной, иногда требуя использования специализированного инструмента и точного контроля температуры в помещении для сборки, что значительно увеличивает затраты на монтаж и обслуживание.

3.1 Практические аспекты процессов сборки

Для редукторов с монтажом на вал или небольших редукторов место для установки, как правило, ограничено, и при сборке может потребоваться регулировка относительного положения шестерен. Разумный зазор позволяет шестерням слегка «плавать», что облегчает выравнивание и монтаж в полевых условиях без необходимости обеспечивать чрезвычайно высокую точность сборки.

3.2 Удобство обслуживания и повторной смазки

Во время эксплуатации зубчатые системы могут требовать разборки для осмотра, замены шестерен или пополнения смазки. Наличие зазора облегчает разборку и сборку. Например, при обслуживании червячных или конических редукторов технические специалисты могут легче разъединить зацепляющиеся детали для осмотра или замены, не повредив поверхности зубьев из-за чрезмерного затягивания.

4. Особые соображения по зазору в различных типах редукторов

4.1 В червячный редуктор

Из-за характерного скользящего зацепления червячные редукторы выделяют значительное количество тепла в процессе работы, а червячный вал склонен к изгибным деформациям. Люфт в них обычно больше, чем в других типах редукторов, чтобы одновременно компенсировать тепловое расширение, требования к смазке и упругую деформацию. В червячных редукторах с прямым углом, применяемых в пространственных рулевых передачах, при снижении люфта необходимо также учитывать крутильную деформацию корпуса под нагрузкой.

4.2 редуктор с параллельными осями и соосный редуктор

Редукторы с параллельными осями и соосные редукторы имеют параллельные оси валов, что делает их относительно простыми в производстве и сборке. Их люфт в основном учитывает повышение температуры, деформацию от нагрузки и требования к смазке. В приложениях с регулируемой скоростью в редукторах необходимо также согласовать люфт с динамическими характеристиками механизма изменения скорости, чтобы избежать ударов или вибраций.

Боковой зазор — это искусство системной инженерии

Настройка люфта зубчатой передачи — это не изолированный параметр, а комплексное отражение материаловедения, термодинамики, гидромеханики, машиностроения и прикладной инженерии. От червячных редукторов до планетарных, от угловых редукторов до редукторов с насадным валом, каждый тип редуктора требует индивидуального значения люфта в зависимости от конкретных условий эксплуатации, характера нагрузки, требований к точности и срока службы.