Problematika globoidních převodů

Rád bych Vám představil rodinnou firmu Antonín Pártl ozubená kola se sídlem v obci Brloh na Českokrumlovsku. Firma byla založena v roce 1991 a od počátku se soustředila na výrobu přesně obráběných dílců. Později začala vyrábět také díly do převodových skříní a tyto rovněž opravovat. V této souvislosti došlo k rozvoji výroby především ozubených kol, pastorků a hřebenů. Nyní úspěšně pokračuje v tradici této výroby syn zakladatele s nově nazvanou firmou Pártl Gear s. r. o.

Firma se zabývá výrobou ozubení, tj. ozubených kol, hřebenů, šneků, výrobou atypických součástí a opravami převodovek. Častým předmětem opravy jsou šnekové převodovky. Příčinou poruchy je téměř vždy opotřebení šnekového soukolí, které většinou končí až úplným „smetením“ zubů šnekového kola (obr. č. 1).

Důvodů této poruchy může být více. Jako nejčastější si dovolujeme označit:

• překročení Mk (krouticího momentu) na který je převodovka dimenzována,
• chybějící olejovou náplň, nevhodný druh použitého oleje či jeho nízká hladina a z toho vyplývající přehřátí celé skříně při provozu s navazujícím poškozením těsnicích elementů,
• velkou drsnost povrchu šneku, který by měl být povrchově kalen a broušen,
• nevhodnou volbu materiálu šnekového kola, kde zejména šedá litina při svém otěru tvoří v olejové náplni něco podobného jako je brusná pasta, která opět zvětší drsnost povrchu součástí.

Ve své praxi s výrobou a broušením válcových šneků jsem uvažoval o využití globoidních šneků v klasických převodových skříních. Jelikož v nabídce obráběcích strojů nebyl speciální stroj na výrobu globoidních šneků zastoupen, bylo v naší firmě vyvinuto zařízení, na němž lze globoidní šneky vyrábět. Zatím jsme vyrobili vzorky globoidních šneků s roztečným průměrem 12–40 mm, s levou i pravou šroubovicí, jedno i vícechodé s modulem 0,8–2.

Proč globoidní šneky

U převodovek s globoidním šnekem a globoidním kolem je v záběru větší počet zubů, tím je vytvořena větší styková plocha a vzniká menší měrný tlak v ozubení, při přenosu stejného krouticího momentu. Dle informací z literatury se především z tohoto důvodu životnost ozubení zvýší 2–3×. Kromě toho je možné zvýšit přenášený krouticí moment Mk, ovšem pokud to konstrukce původní skříně umožní. Dalším důležitým parametrem je převodový poměr, který je u válcového šneku doporučován do hodnoty i = 60 především s ohledem na možnou deformaci hřídele šneku při zatížení. Globoidní šnek je v tomto případě konstrukčně výhodnější, je v záběru více závitů šroubovice, může být proto i kratší, čímž se zvyšuje tuhost uložení a lze dosáhnout vyššího převodu až i = 100.

Šnekové převodovky

Do obvyklé konstrukce skříně šnekové převodovky můžeme vmontovat 4 různé typy šnekového ozubení, skříň by měla mít odnímatelná víka jak pro šnek, tak i boční víka pro šnekové kolo, nebo by její konstrukce musela být dělená.

1. Nejjednodušším řešením je využití válcového šneku a kola se šikmým ozubením. Toto uspořádání má ale malou životnost, proto se téměř nepoužívá. Výhodou je, že nezáleží na axiálním posunutí šneku ani šnekového kola.
2. Klasické šnekové převodovky využívají válcový šnek se šnekovým kolem, které ale musí být vyrobeno speciálním nástrojem určeným pro daný šnek. Zde nezáleží na axiální poloze šneku, ale šnekové kolo musí mít vůči ose šneku přesně vymezenou axiální polohu.
3. Pokud bychom do této skříně uložili globoidní šnek, bočním víkem pak můžeme vložit kolo se šikmým ozubením. Zde bude v záběru větší počet zubů, což se projeví ve větší životnosti i případným větším přenášeným Mk. Kolo se šikmým ozubením nepotřebuje k výrobě speciální nástroj, vyrobíme jej běžným způsobem na odvalovací frézce. Při montáži však musíme dodržet správnou axiální polohu globoidního šneku, vůči ose kola. Na axiální poloze ozubeného kola nezáleží.
4. Nejlepšího výsledku bychom dosáhli využitím globoidního šneku a globoidního kola. Globoidní kolo musí být vyrobeno nástrojem, který souvisí s průměrem globoidního šneku.

Původní šnekové kolo použít nelze. V tomto případě bychom dosáhli zvětšení stykové plochy a zvýšení parametrů převodovky. Při montáži je ale nutno dodržet přesnou vzájemnou axiální polohu jak šneku, tak i globoidního kola (obr. č. 2 a 3).

Převodovka s vysokým převodovým poměrem

Kromě globoidního šneku konvexního lze vyrobit též globoidní ozubení konkávní (na soudečku). Opět s různým průměrem, modulem, smyslem stoupání a počtem chodů. Pokud uprostřed tohoto šneku ještě vytvoříme ozubení šnekového kola se stejnou osou otáčení, vznikne nový a můžeme říci, že i unikátní, konstrukční prvek, který lze využít v převodovce, umožňující dosáhnout vysokého převodového poměru. „Soudečkové“ ozubení je v záběru s korunovým kolem s vnitřním ozubením. V tomto provedení jsme vyrobili i převodovou skříň.

Byly vyrobeny dva prototypy převodovek:

1. První prototyp s převodovým poměrem ic = 5 805, byl poháněn motorem o malém výkonu, P = 70 W a vlastně sloužil pro ově- ření konstrukce a dosažení základních parametrů, stanovených při konstrukčním návrhu, jako je třeba účinnost převodu a také ohřevu převodovky a jejího mazání.
2. Druhý prototyp byl vyroben s převodovým poměrem ic = 3 075 a byl poháněn motorem o výkonu P = 1,1 kW. Jeho určením bylo testování a ověření účinnosti dvojnásobného šnekového převodu, teploty oleje při zatížení a také životnosti ozubení.

Rozměry skříní (bez elektromotorů) jsou 180 × 180 × 60 mm a 280 × 280 × 100 mm, z čehož je vidět, že se jedná o kompaktní konstrukci s minimálními rozměry. Druhý prototyp (rozměrově větší převodovka) byla testována na strojní fakultě ČVUT Praha (obr. 4) a též na zemědělské fakultě JČU České Budějovice. Zde byla zatěžována krouticím momentem hodnoty Mk = 1 600 Nm. Opotřebení po zkouškách bylo malé, protože je v záběru vnitřním ozubením korunového kola větší počet zubů globoidního soudečku. Maximální převodový poměr by mohl dosáhnout podle našich zkušeností až ic = 10 000. Myslíme si, že je možné dosáhnout i vyšších hodnot, ale toto není zatím ověřeno. Pohled do demontované skříně po zkouškách je na obr. číslo 5.

Samozřejmě, že existuje více konstrukčních řešení, kdy potřebujeme dosáhnout velkého převodového poměru, ale tato převodovka má oproti klasickému řešení několik výhod:

• je kompaktní vzhledem k přenášenému krouticímu momentu,
• obsahuje minimální počet součástí a tím je levná i její výroba,
• má malé zastavovací rozměry při velkém převodovém poměru,
• vykazuje tichý chod a účinnost odpovídající převodovému poměru.

Závěrem

Touto problematikou se v naší firmě stále zabýváme a uvítáme Vaše dotazy, názory, připomínky a zkušenosti i případné návrhy či doporučení na možné využití.

Převodovky s globoidním šnekem anebo převodovky s vysokým převodovým poměrem by mohly být jako doplňkový program pro výrobce převodovek. Zde ale bude nutno dokončit vývoj a výrobu speciálního stroje na výrobu a broušení globoidních šneků. V tomto případě je zřejmě zatím těžko definovat potřebu na trhu. Princip a koncepci stroje máme navrženou.

Vzorky a prototypy globoidních převodovek je možno vidět u nás ve firmě. Převodovka i zařízení na výrobu globoidních šneků jsou chráněny jako užitný vzor. Podobný článek k tomuto tématu jsme již publikovali v MM Spektrum číslo 7,8/2014.