Люфт — один из наиболее неправильно понимаемых параметров в поворотных системах. Его часто рассматривают как дефект, который необходимо устранить, как если бы идеальное значение было равно нулю. На самом деле, контролируемый зазор является нормальным, необходимым и запроектированным.

В поворотных системах с зубчатыми передачами нулевой зазор, как правило, не является практичным условием эксплуатации, поскольку тепловое расширение, требования к смазке и производственные допуски требуют поддержания контролируемого зазора в зацеплении зубчатого колеса.

Поэтому полезный вопрос заключается не в том, «как мне устранить люфт», а в том, «какой уровень люфта подходит для данного приложения и как поддерживать его в пределах этого диапазона в течение всего срока службы системы». Люфт становится проблемой в двух противоположных направлениях: когда его слишком мало и когда его слишком много. Между этими крайностями находится определенный диапазон, который подходит для каждой конструкции.

Что такое люфт

Люфт — это небольшой зазор между зубьями двух шестерён, измеряемый как величина свободного хода одной шестерни до того, как начнёт двигаться другая при смене направления вращения. В поворотном механизме этот зазор возникает на стыке между приводом и зубчатым венцом: между ведущей шестернёй и зубьями зубчатого венца поворотного кольца или между червяком и зубчатым венцом в поворотном механизме с червячным приводом.

С практической точки зрения люфт позволяет шестерне менять направление вращения. При смене направления движения ведущая шестерня должна пройти через зазор, прежде чем она войдёт в зацепление со следующей ведомой шестернёй. Этот зазор и есть люфт, а короткий момент, в течение которого выходная шестерня не движется, пока проходит зазор, — это потерянный ход.

Почему люфт должен существовать

Нулевой люфт — это не цель, а признак неисправности. В зацеплении шестерен должен быть зазор по нескольким причинам.

Первая причина — тепловое расширение. Шестерни и корпуса расширяются при нагревании во время работы. Зацепление без зазора в холодном состоянии при повышении температуры будет усиливаться, что приведет к увеличению трения и, в крайнем случае, к заклиниванию или заеданию. Люфт обеспечивает пространство для такого расширения.

Вторая причина — смазка. Зазор между зубьями — это место, где смазка скапливается и попадает в зону контакта. Без нее невозможно поддерживать пленку, разделяющую поверхности, и контакт металла с металлом приводит к ускоренному износу.

Третья причина — производственные и монтажные допуски. Ни одна шестерня не может быть идеально круглой, и ни одна деталь не может быть идеально подогнана. У опорно-поворотного устройства есть точка с наибольшим радиальным биением и максимальным эксцентриситетом. Люфт компенсирует эти отклонения, возникающие в реальных условиях, чтобы шестерня не заклинивала в самой напряженной точке вращения.

По этим причинам каждое зубчатое зацепление проектируется с определенным диапазоном люфта. Задача хорошего инженера — не устранить люфт, а правильно его настроить и поддерживать стабильным.

Два источника люфта в опорно-поворотном устройстве

Важное различие, которое часто упускают из виду, заключается в том, что общий люфт, ощущаемый пользователем на выходе из опорно-поворотного устройства, может возникать по двум разным причинам.

Первая причина — люфт в зацеплении шестерён, зазор между ведущей и ведомой шестернями, описанный выше. Вторая причина — внутренний зазор в самом опорно-поворотном устройстве, небольшая осевая и радиальная подвижность между телами качения и дорожками качения.

Оба фактора влияют на общий люфт, измеряемый в месте нагрузки, и оба могут увеличиваться по мере износа.

Это важно учитывать при диагностике проблем, связанных с точностью. Если в системе появился чрезмерный люфт, причина может быть в зазоре между шестернями, в подшипнике или в обоих случаях. Если устранить только люфт в зацеплении шестерён, когда на самом деле зазор образовался внутри подшипника, или наоборот, проблема не будет решена. Чтобы контролировать люфт в высокоточных устройствах, необходимо учитывать оба фактора.

Когда люфт является допустимым

Люфт является допустимым и не должен вызывать беспокойства при соблюдении трех условий:

1) Люфт находится в пределах значений, указанных производителем для данного зубчатого колеса и области применения.
2) Люфт был правильно отрегулирован при сборке в точке наибольшего радиального биения зубчатого венца, поэтому при вращении зубчатого венца зацепление не затягивается.
3) Люфт остается стабильным с течением времени, а не увеличивается по мере работы системы.

Поворотная система, отвечающая этим условиям, имеет допустимый люфт. В большинстве случаев промышленного вращения, когда система перемещает грузы, не требуя высокой точности позиционирования, этот конструктивный люфт никак не влияет на производительность.

Когда люфт становится проблемой

Люфт из обычной конструктивной особенности превращается в проблему в определенных ситуациях.

В системах точного позиционирования. Там, где система должна обеспечивать точное и воспроизводимое позиционирование груза, люфт приводит к потерям в движении, снижающим точность. Солнечные трекеры, роботизированные системы и оборудование для позиционирования — наиболее очевидные примеры: при каждом изменении направления положение груза смещается на величину люфта до тех пор, пока зазор не будет полностью преодолен. В таких системах люфт, который не имел бы значения для крана, становится прямым источником погрешности позиционирования.

При реверсивных или динамических нагрузках. Когда нагрузка часто меняется на противоположную или возникает в виде толчков, зубья постоянно пересекают зазор люфта и ударяются о противоположную кромку. Избыточный люфт превращает каждое изменение направления движения в удар, что приводит к шуму, вибрации, ускоренному износу зубьев и со временем к поломке. Чем больше люфт, тем сильнее удар.

Когда люфт увеличивается со временем. Постепенное увеличение люфта — признак износа. По мере износа зубьев и дорожек качения зазор увеличивается, точность снижается, а ударные нагрузки возрастают, что приводит к дальнейшему износу. Таким образом, увеличение люфта является не только проблемой само по себе, но и сигналом того, что система изнашивается.

Когда люфта слишком мало. Противоположная крайность также является проблемой. Слишком большой люфт или его полное отсутствие в погоне за точностью приводит к тому, что при тепловом расширении зубья шестерён начинают заедать, что повышает трение и нагрев и ускоряет износ. В частности, в опорно-поворотном устройстве с червячным приводом недостаточный зазор может резко увеличить крутящий момент, необходимый для поворота системы.

Как контролировать люфт

Контроль люфта — это отчасти вопрос проектирования, а отчасти — технического обслуживания.

Правильно настройте люфт с самого начала. Самый важный момент — правильная настройка при сборке: определение точки наибольшего радиального биения зубчатого венца и регулировка межосевого расстояния между приводом и зубчатым венцом таким образом, чтобы люфт в этой точке не превышал заданного значения.

Выберите привод, рассчитанный на требуемую точность. Если от оборудования требуется высокая точность, следует выбирать привод с низким люфтом, а не пытаться компенсировать нежелательный люфт. Например, приводы серии BE от TGB Group можно использовать в тех случаях, когда важны контролируемый люфт, точность и защита от воздействия окружающей среды. Полный корпус и манжетные уплотнения обеспечивают защиту по стандарту IP65.

Используйте самоблокирующийся привод, если важно зафиксировать положение. Некоторые поворотные приводы с червячной передачей могут быть самоблокирующимися в зависимости от геометрии зубчатого венца и условий эксплуатации. В таких случаях выходной вал не может вращаться в обратном направлении, что позволяет системе удерживать положение без использования внешнего тормоза. Здесь важно быть точным: самоторможение предотвращает обратный ход системы, но само по себе не устраняет люфт в зацеплении. Самотормозящийся привод по-прежнему имеет заданный люфт, который необходимо установить и поддерживать.

Для обеспечения высокой точности рассмотрите возможность использования предварительно нагруженных или антилюфтовых механизмов. Если точность позиционирования имеет решающее значение, на уровне системы применяются методы устранения люфта, такие как предварительное натяжение двух приводных элементов друг относительно друга для устранения зазора. Это увеличивает стоимость и усложняет конструкцию, поэтому оправданно только в тех случаях, когда это действительно необходимо. Поэтому перед выбором решения следует определить требуемый уровень точности.

Устраняйте люфт в подшипниках, а не только люфт в зацеплении. Поскольку люфт возникает по двум причинам, для его устранения может потребоваться регулировка самого опорно-поворотного устройства. Компания TGB предлагает опорно-поворотные устройства с двойной дорожкой качения в качестве одного из вариантов конфигурации, которые можно использовать в тех случаях, когда требуется повышенная жесткость и грузоподъемность.

Поддерживайте люфт в допустимых пределах в течение всего срока службы. Люфт должен оставаться в допустимых пределах не только при вводе в эксплуатацию, но и в течение всего срока службы. Правильная предварительная затяжка болтов предотвращает микросмещения, которые приводят к увеличению люфта, а контроль люфта в ходе проверок позволяет вовремя принять меры, если люфт начинает увеличиваться, до того как это приведет к снижению точности или повреждению.

Как измеряется люфт

Измерение люфта в зубчатом зацеплении поворотного механизма не представляет сложности и не требует специального оборудования, кроме циферблатного индикатора и фиксированной контрольной точки. Принцип заключается в том, чтобы зафиксировать угловое смещение на выходе, когда привод неподвижен.

Процедура выглядит следующим образом. Когда система неподвижна, а привод заблокирован или зафиксирован, циферблатный индикатор прикладывается к неподвижной точке на вращающейся конструкции как можно ближе к диаметру зубчатого венца, чтобы обеспечить максимальную точность показаний. Нулевая контрольная точка устанавливается, когда конструкция с усилием сдвигается в одном направлении, заполняя весь зазор. Затем конструкция сдвигается в противоположном направлении до тех пор, пока не коснется другой стороны зазора с люфтом. Общее расстояние, зафиксированное на циферблатном индикаторе, и есть люфт, измеренный как линейное смещение на данном радиусе.

Если результат необходимо выразить в угловых величинах, линейное измерение делится на радиус, на котором оно проводилось. Затем результат сравнивается с диапазоном люфта, указанным производителем для данного модуля и диаметра зубчатого колеса.

При измерении важно учитывать два момента. Измерения следует проводить в нескольких угловых положениях относительно зубчатого венца, так как в одной точке радиальное биение делает зацепление более плотным, чем в других. И его следует проводить при полной предварительной нагрузке болтового соединения, поскольку неплотное крепление допускает микроподвижность, которая влияет на показания и создает ложное впечатление о наличии избыточного люфта. Проверка момента затяжки болтов перед измерением устраняет эту погрешность.

Справочная таблица по проблемам с люфтом

Краткая таблица: люфт в зависимости от области применения

Как обычно выглядят проблемы с люфтом в полевых условиях

Во многих случаях о проблемах с люфтом в полевых условиях сначала сообщают как о смещении позиционирования, повторяющихся ударных шумах при реверсировании, неравномерном износе зубьев или задержке между подачей команды на двигатель и видимым перемещением конструкции. Эти симптомы не всегда означают, что привод недостаточно мощный. Они часто указывают на неправильную настройку люфта, его увеличение в результате износа или из-за внутреннего зазора в подшипниках или гибкости конструкции.

Вот почему для диагностики проблемы с люфтом необходимо проверить оба контакта: зубчатое зацепление и зазор в подшипнике. Это также означает проверку предварительного натяга болтов, поскольку неплотное крепление допускает микроперемещения, которые увеличивают общий люфт, который легко принять за люфт зубчатого колеса. Правильная последовательность действий заключается в подтверждении источника, прежде чем принимать решение о лекарстве.

Распространенные ошибки при устранении люфта

Существует ряд повторяющихся ошибок, связанных с устранением люфта:

• Воспринимать люфт как дефект и пытаться его устранить, что приводит к заклиниванию и перегреву.
• Располагать ось с люфтом дальше от точки наибольшего биения, чтобы зубья зацеплялись один раз за оборот.
• Считать, что весь люфт возникает из-за зацепления шестерен, хотя частично он обусловлен внутренним зазором в подшипнике.
• Выбрать привод, а затем слишком сильно затянуть зубья, чтобы добиться точности, на которую он не рассчитан.
• Путать самоторможение с нулевым люфтом: в самотормозящемся приводе все равно есть зазор между зубьями.
• Не следить за изменением люфта с течением времени, из-за чего увеличение люфта становится заметным только после потери точности.

Где люфт имеет наибольшее значение

Люфт является конструктивным параметром любой поворотной системы с зубчатой передачей, но его значение резко возрастает в тех случаях, когда требуется реверсивное движение, динамические нагрузки или высокая точность. Системы слежения за Солнцем и позиционирования чувствительны к люфту, поскольку точность является функцией системы. Оборудование, которое часто меняет направление движения или подвергается ударным нагрузкам, чувствительно к люфту, поскольку избыточный люфт приводит к повторяющимся ударным нагрузкам. При простом однонаправленном вращении или вращении с низкой точностью конструктивный люфт редко становится проблемой. Соответствие внимания, уделяемого люфту, требованиям конкретного применения само по себе является частью грамотного выбора.