Конструкция планетарного редуктора

Конструкция планетарных редукторов играет решающую роль в работе оборудования с ЧПУ. От него зависит точность обработки, чистота поверхностей деталей возможность работы с теми или иными материалами заготовок. Комплектный привод состоит из мотора (электродвигателя), механической передачи (редуктора) и системы управления, включающей силовой преобразователь. Конструкция второго элемента из этого списка оказывает наиболее существенное влияние на мощностные и массово-габаритные характеристики.

Среди всех известных механик привода особое место занимают планетарные редукторы. Они нашли применение в составе подавляющего большинства мехатронных систем, в том числе в станках с ЧПУ. В таких механизмах качество работы планетарного редуктора определяется не только передаваемой мощностью и КПД, но и более «тонкими» показателями: плавностью, кинематической точностью, жесткостью, виброактивностью, моментом инерции и количеством мертвого хода.

Конструкция планетарного редуктора

Объяснить принцип работы планетарного редуктора можно на примере устройства простейшей одноступенчатой модели. В состав механизма входят 4 звена:

• Солнечная шестерня. Обычно она выполнена заодно с быстроходным валом.
• Сателлиты – зубчатые колеса, симметрично расположенные вокруг солнечной шестерни. Они вращаются вокруг своих осей.
• Эпицикл – зубчатый венец с внутренним зацеплением. Сателлиты входят в зацепление с солнечной шестерней и эпициклом.
• Водило. Оси сателлитов, вращающиеся вокруг солнечной шестерни, представляют собой единое звено с тихоходным валом. Оно называется водилом.

Благодаря концентричности трех групп зубчатых колес быстроходный и тихоходный валы в устройстве планетарного редуктора всегда располагаются на одной оси. Это очень удобно с точки зрения компоновки привода и его соединения с исполнительным механизмом, например, ходовым винтом станка. Многие производители реализуют так называемые мотор-редукторы — комплектную приводную механику с электродвигателем в моноблоке.

В простейшей передаче тихоходный вал (солнечная шестерня) получает вращение от двигателя и через зацепление передает ее на сателлиты, которые за счет неподвижного эпицикла заставляют вращаться свои оси (водило, тихоходный вал). Более сложный вариант планетарной передачи – дифференциал. Эпицикл в нем не зафиксирован. Дифференциальная передача может складывать моменты (то есть иметь два источника вращения) или разделять их (от одного двигателя приводить во вращение два исполнительных механизма).

От чего зависит передаточное число планетарного редуктора?

Степень редуцирования (передаточное число) рассчитывается как отношение числа зубьев эпицикла и солнечной шестерни или их делительных диаметров. При этом количество зубьев на сателлитах на нее не влияет. Передаточное отношение простого одноступенчатого планетарного редуктора составляет от 3 до 10. При больших значениях не удается сохранить условие контактной прочности зубьев. Увеличение или уменьшение передаточного отношения в указанных пределах выполняется за счет изменения геометрии зубчатых колес.

Большие степени редуцирования можно получить двумя способами:

• Последовательной установкой нескольких планетарных передач.
• Встраивание конической зубчатой передачи (в качестве первой ступени) в планетарный редуктор.

Поскольку второй способ предполагает смещение оси вращения, чаще всего прибегают к установке конических прямозубых или гипоидных передач. Угловые редуктора нередко оказываются удачным решением для компоновки узла машины.

Сколько должно быть сателлитов?

В сравнении с обычной передачей в планетарном зацеплении оказывается большее количество зубьев, и все они задействованы в перемещении мощности. С увеличением числа сателлитов снижается нагрузка на каждый из них, соответственно, есть возможность для уменьшения их диаметра и ширины (материалоемкости производства) при сохранении прочностных характеристик устройства планетарного редуктора. Рассеивание мощности сопровождается снижением износа зубьев, а также повышением жесткости привода на скручивание.

В планетарных редукторах обычно используются три (реже – четыре) сателлита. С увеличением их количества растут требования к точности исполнения деталей. Так, смещение одной из осей сателлита приводит к неравномерному распределению передаваемой мощности. Это негативно отражается на сроке службы зубьев и подшипников.

Преимущества и недостатки планетарных редукторов

Планетарные редукторы находят применение в приводных системах различных механизмов и машин. Их популярность объясняется широким перечнем преимуществ перед обычными редукторами с цилиндрическими и коническими передачами:

1. Возможность реализации разных кинематических схем. Планетарный механизм может выполнять функции:
   1. Редуктора с постоянным передаточным отношением (с зафиксированным эпициклом или водилом);
   2. Коробки передач при последовательной фиксации звеньев;
   3. Дифференциального механизма с двумя степенями свободы, который можно использовать для сложения и вычитания движений.
2. Сниженные в 2 – 4 раза массово-габаритные характеристики при одинаковых передаточных числах.
3. Многопоточность при передаче мощности. Количество потоков равно числу сателлитов.
4. Сниженные нагрузки на опоры. Благодаря симметричной конструкции передач все радиальные усилия на осях сателлитов, входном и выходном валах компенсируют друг друга. Это дает возможность выбирать подшипники меньших типоразмеров.

В серво и шаговых приводах для перемещения станков с ЧПУ планетарные редукторы дают еще ряд специфических для них преимуществ:

1. Увеличение разрешения привода.
2. Возможность работы на больших ускорениях.
3. Снижение вероятности пропуска шагов благодаря увеличению крутящего момента.

К условным недостаткам планетарных редукторов относят:

1. Жесткие требования к качеству смазки и соблюдению регламента ее замены. Повышенные контактные нагрузки на зубья требуют использования марок масел, указанных производителем в технической документации. Переход на другие смазки может привести к снижению срока службы редуктора. Из-за отсутствия застойных зон в планетарном механизме частицы металла, попавшие в масло, всегда находятся во взвешенном состоянии и создают дополнительные абразивные нагрузки.
2. Сложность в ремонте. Для проведения квалифицированного ремонта нужно специализированное оборудование: съемники и пресс для демонтажа и сборки, шаблоны и мерительный инструмент для выбраковки деталей.
3. Высокое тепловыделение. Из-за компактных размеров и высоких передаваемых мощностей работа планетарного редуктора сопровождается выделением большого количества теплоты. Зачастую площадь наружной поверхности не справляется с ее отводом. Эту проблему можно устранить несколькими способами: принудительным воздушным охлаждением, системой постоянной циркуляции смазки, ограничением входной частоты вращения или установкой дополнительной механической передачи перед быстроходным валом.

При соблюдении регламента обслуживания планетарные редукторы работают стабильно и не вызывают особых проблем.

Планетарные редукторы в станках MULTICUT

Конструкция планетарного редуктора отличается высокой сложностью, и чтобы проявился весь комплекс его преимуществ, точность изготовления механизма должна быть очень высокой. Высокие требования предъявляются к соосности всех вращающихся деталей, к профилю и термообработке зуба. Важное условие работоспособности – герметичность уплотнений на входном и выходном валах. При выборе механического силового агрегата нужно учитывать не только заявленные в паспорте технические характеристики, но и обращать внимание на производителя.

В планетарных приводах станков MULTICUT мы используем японские редукторы SHIMPO. Производитель специализируется на изготовлении приводной механики общепромышленного применения и специализированных узлов. Благодаря высокой точности нарезки зуба и прецизионной балансировке вращающихся деталей планетарные редукторы SHIMPO отличаются низким уровнем вибрации при работе на максимальных скоростях вращения и высокой точностью. Например, в планетарных серворедукторах общего назначения серии VRB максимальный люфт не превышает 3 угловых минут.

К особенностям конструкции SHIMPO можно отнести:

• широкий диапазон передаточных чисел (3 – 100);
• жесткий выходной вал;
• легкий алюминиевый корпус;
• автоматическое центрирование с мотором, обеспечивающее хорошую соосность;
• исполнение IP65.

Для получения профессиональных консультаций по выбору элементов привода для станков MULTICUT отправьте ваши вопросы сотрудникам компании через обратную связь или задайте в телефонном режиме.