Конструирование и детали машин: пути и перспективы модернизации среднемодульных механических передач в общем машиностроении

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2204 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования

 
 
 

Конструирование 
и детали машин 

Пути и перспективы модернизации  
среднемодульных механических передач  
в общем машиностроении 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия  
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по специальности 150404 – Металлургические машины  
и оборудование направления 150400 – Технологические  
машины и оборудование 

Москва  2012 

УДК 621.81 
 
К65 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, проф. В.А. Чередников 

 
 
 
Конструирование и детали машин : пути и перспективы  
К65 модернизации среднемодульных механических передач в общем 
машиностроении : учеб. пособие / 
А.Н. Веремеевич, 
И.Г. Морозова, М.Г. Наумова, Е.А. Волкова. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2012. – 127 с. 
ISBN 978-5-87623-597-8 

В учебном пособии рассмотрены вопросы, связанные с описанием видов 
механических передач и редукторов, а также вариантов их расчетов. Приведены сведения о цилиндрических редукторах (в том числе передачах Новикова), червячных, фрикционных, планетарных, волновых и других механических передачах. Представлена теория и практика расчетов среднемодульных 
промышленных редукторов, находящихся в составе приводов металлургических машин. Рассмотрены инновации в области разработки и модернизации 
редукторов. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 150400 
«Технологические машины и оборудование». 

УДК 621.81 

ISBN 978-5-87623-597-8 
© Веремеевич А.Н., 
Морозова И.Г., 
Наумова М.Г., 
Волкова Е.А., 2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Редукторы..............................................................................................4 
2. Основные типы передач и редукторов ...............................................8 
2.1. Цилиндрические редукторы .............................................................8 
2.2. Передачи Новикова и ее модификации .........................................12 
2.3. Червячные передачи и редукторы..................................................16 
2.4. Комбинированные редукторы........................................................23 
2.5. Фрикционные передачи ..................................................................24 
2.6. Передача винт–гайка.......................................................................31 
2.7. Планетарные передачи и редукторы..............................................39 
2.7.1. Общие сведения о планетарных передачах........................39 
2.7.2. Расчет планетарных передач ...............................................45 
2.7.3. Выбор типоразмера планетарного редуктора,  
мотор-редуктора .............................................................................48 
2.7.4. Цевочный механизм .............................................................50 
2.7.5. Циклоидальный редуктор....................................................51 
2.8. Волновые зубчатые передачи.........................................................54 
2.8.1. Расчет волновых зубчатых передач............................................60 
2.8.2. Волновые передачи  с промежуточными звеньями...................63 
2.9. Цепные передачи .............................................................................66 
3. Теория и практика расчетов приводов среднемодульных 
промышленных механизмов..................................................................74 
3.1. Рекомендации при подготовке исходных данных  
для расчета ..............................................................................................74 
3.2. Варианты практического использования  
теоретического материала .....................................................................75 
3.2.1. Состав оборудования............................................................75 
3.2.2. Расчет тягового усилия и мощности привода  
приемного конвейера .....................................................................81 
3.2.3. Кинематический расчет привода  
с червячно-цилиндрическим редуктором.....................................83 
3.2.4. Расчет червячной передачи..................................................88 
3.2.5. Расчет зубчатой передачи....................................................93 
3.2.6. Расчет валов ........................................................................100 
3.2.7. Методика предварительного расчета гидропривода.......102 
3.2.8. Расчет гидропривода кантователя рулонов......................108 
4. Новые модели отечественных редукторов.....................................117 
5. Модернизация типовых редукторов ...............................................121 
Библиографический список.................................................................126 

1. РЕДУКТОРЫ 

Редукторный привод – один из наиболее распространенных видов 
современных механических систем общепромышленного применения. Редуктор, входящий в состав этого привода, предназначен для 
снижения угловой скорости вращения и увеличения вращающего 
момента. От работоспособности и ресурса редукторов и моторредукторов во многом зависит обеспечение требуемых функциональных параметров и надежности машины в целом. Неправильный 
выбор редуктора может привести к значительным экономическим 
потерям из-за внеплановых простоев, увеличения ремонтных затрат 
и т.д. 
Интересно, что изобретение многоступенчатого редуктора приписывают Архимеду. Открытие принципа построения механических 
редукторов позволило жителям его родного города Сиракузы «силой 
одного человека» сдвигать с места вытащенные на берег вражеские 
корабли. 
Этот механизм фигурирует под названием барулк (baroulkos). Из 
рис. 1.1 видно, что это устройство представляет собой ни что иное, 
как редуктор, который используется в качестве лебедки. Барулк Герона Александрийского состоит из нескольких зубчатых колес, приводимых в движение ручной силой, причем Герон принимает отношение диаметра колеса к диаметру оси равным 5:1, предварительно 
допустив, что подлежащий поднятию груз весит 1000 талантов (25 т), 
а движущая сила равна 5 талантам (125 кг). 

 

Рис. 1.1. Лебедка (120 г. до н.э.) 

Современный редуктор – это законченный механизм, который соединяется с двигателем и рабочей машиной муфтами или открытыми 
механическими передачами. В корпусе редуктора размещены зубчатые или червячные передачи, неподвижно закрепленные на валах. 
Валы опираются на подшипники, размещенные в гнездах корпуса. 
Редукторы классифицируют по следующим основным признакам: 

– тип передачи (зубчатые, червячные, зубчато-червячные); 
– число ступеней (одноступенчатые, двухступенчатые и т.д.); 
– тип зубчатых колес (цилиндрические, конические, коническоцилиндрические и т.д.); 
– относительное расположение валов редуктора в пространстве 
(горизонтальные, вертикальные); 
– особенности кинематической схемы (развернутая соосная, с раздвоенной ступенью и др.). 
Чаще всего сегодня применяются цилиндрические редукторы, 
имеющие высокие нагрузочную способность и КПД: одноступенчатые; двухступенчатые развернутой, раздвоенной и соосной схем; 
трехступенчатые развернутой и раздвоенной схем. Если компоновка 
машины и двигателя требует ортогонального расположения быстроходного и тихоходного валов (т.е. оси валов пересекаются под углом 
90°), то применяются конические или коническо-цилиндрические 
двухступенчатые и трехступенчатые редукторы. При соосном расположении рабочей машины и двигателя оптимальны планетарные редукторы – наиболее легкие и компактные при больших передаточных отношениях. Но их нельзя использовать для точных механизмов 
из-за сложностей с выборкой зазоров. К тому же, инерционность 
планетарных редукторов выше, чем у цилиндрических, из-за большого момента инерции водила. Редукторы, в которых использованы 
червячные передачи (червячные цилиндрические, глобоидные, червячно-цилиндрические и цилиндро-червячные) могут обеспечить высокое передаточное отношение при низком уровне шума, но имеют 
низкие КПД и ресурс. Редуктор и электродвигатель часто объединяют в один компоновочный блок, который называют моторредуктором. Как универсальные элементы привода, эти блоки находят свое применение практически во всех областях промышленности. Использование мотор-редукторов позволяет значительно упростить и удешевить конструкцию привода, снизить его габариты, а 
также затраты на обслуживание. Редукторы стандартизованы и серийно выпускаются специализированными машиностроительными 
заводами. А поскольку потребности отраслей промышленности 
весьма многобразны, разновидностей редукторов тоже немало. Отечественное редукторостроение сегодня, как и другие отрасли производства, испытало на себе все сложности кризисных процессов в 
российской экономике. Сокращение объемов производства в машиностроении повлекло за собой снижение спроса на редукторы. Сегодня большая часть редукторов общепромышленного назначения, ко

торые предлагают российские производители, – это модели, разработанные в 1960–1980-е гг. Эти редукторы, заложенные в конструкции 
многочисленных машин и механизмов, применяются и по сей день. В 
силу разных причин даже в новых проектах промышленного оборудования зачастую закладываются и применяются типовые конструкции редукторов и мотор-редукторов тех лет. Надо признать, что, несмотря на широкое применение, эти редукторы уже не удовлетворяют современным техническим требованиям, неконкурентоспособны 
по сравнению с зарубежными аналогами и в большинстве случаев их 
применение в современном производстве невыгодно. 
Чтобы изменить неблагоприятную ситуацию, сложившуюся в отечественном редукторостроении, ведущие российские производители 
развивают свою деятельность сразу в нескольких направлениях. Главные из них – расширение номенклатуры выпускаемых изделий с учетом того, что предлагают зарубежные фирмы, а также новых типов 
редукторов; модернизация типовых моделей; совершенствование механических передач; повышение качества продукции за счет строгого 
соблюдения технологических операций и разных способов контроля. 
Редуктор – законченный механизм, соединяемый с двигателем и 
рабочей машиной муфтами или другими разъемными устройствами. 
Это принципиально отличает его от зубчатой передачи (рис. 1.2), 
встраиваемой в исполнительный механизм. 

 

Рис. 1.2. Основные виды зубчатых передач:  
а – прямозубая зубчатая передача; б – косозубая зубчатая передача;  
в – шевронная передача; г и д – передача с коническими колесами, 
прямыми и круговыми зубьями; е – прямозубая зубчатая передача  
с внутренним зацеплением 

Редукторы можно условно разделить на две большие группы:  
1) редукторы общего применения; они предназначены для уменьшения числа оборотов при типовых условиях работы с точки зрения 
расположения в пространстве осей ведущего и ведомого валов; 
2) редукторы специальные; они применяются в тех случаях, когда 
использование редуктора общего применения либо невозможно, либо экономически неэффективно в заданной конструктивной компоновке машины. 
В корпусе редуктора размещены зубчатые или червячные передачи, неподвижно закрепленные на валах. Валы опираются на подшипники, размещенные в гнездах корпуса; в основном используют подшипники качения. Подшипники скольжения в настоящее время применяют только при очень стесненных диаметральных габаритах (в 
планетарных передачах), а также в специальных случаях, когда к редуктору предъявляют повышенные требования по уровню вибрации 
и шума и при очень высоких частотах вращения. 
Зубчатые редукторы в сравнении с другими механическими передачами обладают существенными достоинствами: малыми габаритами; высоким КПД; большой надежностью в работе; постоянством 
передаточного числа из-за отсутствия проскальзывания; возможностью применения в широком диапазоне моментов, скоростей и передаточных чисел. 
К недостаткам зубчатых передач могут быть отнесены требования 
высокой точности изготовления, шум при работе с высокими скоростями. Шум обусловлен в основном ошибками изготовления шага, 
профиля зубьев, а также переменной жесткостью зацепления и подшипниковых опор валов. 
Зубчатые редукторы имеют широкое применение, поэтому число 
их разновидностей велико. Ориентироваться во всем их многообразии помогает классификация их по типам, типоразмерам и исполнениям. 
Редукторы классифицируются по способу крепления, по типу используемых передач, по количеству ступеней, по способу взаимного 
расположения осей и т.д. Самым важным признаком для классификации является вид используемых передач. Собственно по этому 
принципу все редукторы и делятся на несколько типов: цилиндрические, конические, червячные, планетарные, волновые и комбинированные. 

2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПЕРЕДАЧ  
И РЕДУКТОРОВ 

2.1. Цилиндрические редукторы 

Цилиндрические редукторы применяются для передачи вращательного момента между параллельными валами. Редукторы цилиндрические имеют высокий КПД от 0,94 до 0,98 в одной ступени и 
продолжительный срок службы. Цилиндрические редукторы могут 
быть горизонтальными, когда оси валов находятся в одной горизонтальной плоскости, и вертикальные, если оси валов имеют параллельное расположение и находятся в одной вертикальной плоскости. 
Конические редукторы обладают значительно более сложной структурой, чем цилиндрические редукторы. Конические редукторы применяются для передачи между пересекающимися валами вращательного движения. Такие редукторы обладают значительно более низким КПД 0,9...0,96 в одной ступени. 
Зубчатое колесо (шестерня) – основная деталь зубчатой передачи 
в виде диска с зубьями на цилиндрической или конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса. 
В машиностроении принято малое ведущее зубчатое колесо независимо от числа зубьев называть шестерней, а большое ведомое – колесом. Однако часто все зубчатые колеса называют шестернями. 
Следует заметить, что шестеренная передача не является усилителем механической мощности, так как общее количество механической энергии на ее выходе не может превышать количество энергии 
на входе. Это связано с тем, что механическая работа в данном случае будет пропорциональна произведению крутящего момента на 
скорость вращения. В соответствии с передаточным отношением, 
увеличение крутящего момента будет вызывать пропорциональное 
уменьшение угловой скорости вращения ведомого зубчатого колеса, 
а их произведение останется неизменным. Данное соотношение 
справедливо для идеального случая, не учитывающего потери на 
трение и другие эффекты, характерные для реальных устройств. 
Боковая форма профиля зубьев колес для обеспечения плавности 
качения может быть: эвольвентной, неэльвовентной – передача Новикова (с одной и двумя линиями зацепления), циклоидальной. На 
рис. 2.1 показано движение точки соприкосновения зубьев с эвольвентным профилем. 

Рис. 2.1. Движение точки соприкосновения зубьев  
с эвольвентным профилем 

Прямозубые зубчатые колеса (рис. 2.2) – самый распространенный вид зубчатых колес. Зубья являются продолжением радиусов, а 
линия контакта зубьев обеих шестерен параллельна оси вращения. 
При этом оси обеих зубчатых колес также должны располагаться 
строго параллельно. 

 

Рис. 2.2. Прямозубая цилиндрическая зубчатая передача 

Косозубые шестерни являются усовершенствованным вариантом 
прямозубых шестерен. Их зубья располагаются под углом к оси вращения, а по форме образуют часть спирали. Зацепление таких шестерен происходит плавнее, чем у прямозубых, и с меньшим шумом. 
Недостатками косозубых шестерен можно считать следующие факторы: при работе косозубой шестерни возникает механический момент, направленный вдоль оси, что вызывает необходимость применения для установки вала упорных подшипников; увеличение площади трения зубьев (что вызывает дополнительные потери мощности 
на нагрев), которое компенсируется применением специальных смазок. В целом, косозубые шестерни применяются в механизмах, требующих передачи большого крутящего момента на высокой скорости, либо имеющих жесткие ограничения по уровню шума. 

Двойные косозубые зубчатые колеса (рис. 2.3) решают проблему 
осевого момента. Зубья таких зубчатых колес изготавливаются в виде буквы «V» (либо они получаются стыковкой двух косозубых шестерен со встречным расположением зубьев). Осевые моменты обеих 
половин такой шестерни взаимно компенсируются, поэтому отпадает 
необходимость в установке осей и валов в специальные подшипники. 
Передачи, основанные на таких зубчатых колесах, обычно называют 
шевронными. 

 

Рис. 2.3. Двойные косозубые зубчатые колеса (шевроны) 

Кроме наиболее распространенных цилиндрических зубчатых колес применяются колеса конической формы (рис. 2.4). Конические 
шестерни применяются там, где необходимо передать крутящий момент под определенным углом. Такие конические шестерни с круговым зубом, например, применяются в автомобильных дифференциалах, используемых для передачи момента от двигателя к колесам. 
При жестких ограничениях на габариты в планетарных механизмах, в шестеренных насосах с внутренним зацеплением, в приводе 
башни танка удобно применение колес с зубчатым венцом, нарезанным с внутренней стороны. Также стоит заметить, что вращение ведущего и ведомого колеса направленно в одну сторону. 

Рис. 2.4. Конические колеса в приводе затвора плотины 

Реечная передача (кремальера) (рис. 2.5) применяется в тех случаях, когда необходимо преобразовать вращательное движение в поступательное и обратно. Состоит из обычной прямозубого зубчатого 
колеса и зубчатой планки (рейки). 

 

Рис. 2.5. Реечная передача (кремальера) 

Коронная шестерня (рис. 2.6) – это особый вид зубчатого колеса, 
зубья которого располагаются на боковой поверхности. Такое зубчатое колесо обычно стыкуется с обычной прямозубой шестерней, либо 
с барабаном из стержней (цевочное колесо), как в башенных часах. 

 

Рис. 2.6. Коронная шестерня