Przekładnia ślimakowa a walcowa - porównanie konstrukcji, sprawności i zastosowań

Przekładnia ślimakowa a walcowa – to wybór, przed którym staje każdy, kto projektuje napęd przenośnika, mieszadła czy podajnika. Obie zamieniają szybkie obroty silnika na wolny obrót z dużym momentem, ale robią to w zupełnie inny sposób. Wynikają z tego różnice w kształcie i ustawieniu osi, w sprawności, w zachowaniu po wyłączeniu zasilania, w hałasie, w zużyciu i w kosztach eksploatacji.

Zamiast porównywać obie konstrukcje punkt po punkcie w oderwaniu od maszyny, w tym tekście przechodzimy przez kolejne pytania, które zadaje sobie konstruktor: jak ma przebiegać oś napędu, jakie przełożenie jest potrzebne, ile godzin dziennie napęd będzie pracował, co ma się stać po zaniku zasilania i ile miejsca jest w ramie. Na końcu pokazujemy przykład, w którym ten sam przenośnik napędzono raz reduktorem ślimakowym, a raz współosiowym walcowym.

Wartości liczbowe są typowymi zakresami. Do obliczeń konkretnego napędu zawsze przyjmuje się dane z karty katalogowej wybranej wielkości.

Dwa sposoby przenoszenia ruchu

Zazębienie ślimakowe

Ślimak, czyli stalowy wałek z naciętym gwintem, obraca ślimacznicę z brązu ułożoną pod kątem prostym. Jeden obrót ślimaka jednozwojnego przesuwa koło o jeden ząb, więc przy ślimacznicy o 40 zębach uzyskujemy przełożenie 1:40 w jednym stopniu i w bardzo zwartym korpusie. Ceną jest poślizg między gwintem a zębami: tarcie, ciepło i stopniowe zużycie miękkiego brązu.

Zazębienie walcowe

Koła walcowe o zębach skośnych toczą się po sobie, a poślizg w strefie styku jest niewielki. Jedna para kół daje jednak umiarkowane przełożenie, typowo do około 1:6–1:8. Dlatego większe redukcje uzyskuje się, łącząc dwa lub trzy stopnie. W przekładniach współosiowych, takich jak seria ERC, kolejne stopnie są ułożone tak, że wał wyjściowy leży w osi wału silnika.

Przekładnia ślimakowa a walcowa – pięć pytań projektowych

1. Jak ma przebiegać oś napędu?

To często pierwsze kryterium, choć rzadko się o nim pisze. Przekładnia ślimakowa obraca kierunek ruchu o 90°. Silnik może leżeć wzdłuż ramy przenośnika, a wał wyjściowy wchodzi w bęben napędowy z boku. Przekładnia walcowa współosiowa przedłuża linię silnika. Sprawdza się tam, gdzie napęd stoi obok maszyny i przekazuje ruch przez sprzęgło, łańcuch albo pasek, ale przy nasadzeniu bezpośrednio na wał maszyny silnik wystaje daleko w bok.

2. Jakie przełożenie jest potrzebne?

Przy przełożeniach do około 1:10 przewaga ślimaka jest niewielka, a jego sprawność dobra. W zakresie 1:20–1:60 ślimak wciąż mieści się w jednym stopniu, natomiast przekładnia walcowa potrzebuje dwóch stopni. Powyżej 1:100 obie konstrukcje sięgają po dodatkowe stopnie. W przypadku ślimaka stosuje się reduktor wstępny montowany na wejściu przekładni ślimakowej, a przekładnie walcowe mają warianty trzystopniowe.

3. Ile godzin dziennie napęd będzie pracował?

Przy pracy ciągłej różnica sprawności (typowo 50–85% dla ślimaka zależnie od przełożenia i około 94–97% dla dwustopniowej przekładni walcowej) przekłada się na temperaturę, wielkość silnika i rachunek za energię. Przy pracy kilka minut na godzinę te różnice tracą znaczenie i na pierwszy plan wychodzą gabaryt i cena zakupu.

4. Co ma się stać po wyłączeniu zasilania?

Ślimak o dużym przełożeniu stawia duży opór obrotowi od strony wyjścia. Bywa to zaletą, na przykład w mechanizmach nastawczych, które nie powinny same się przestawiać. Przekładnia walcowa obraca się swobodnie w obu kierunkach. Uwaga: opór ślimaka nie jest hamulcem. Przy drganiach, udarach i w wysokiej temperaturze może zostać pokonany, więc w podnośnikach, bramach i na pochylniach potrzebny jest silnik z hamulcem lub inny niezależny układ zatrzymania.

5. Ile miejsca jest w ramie i ile może ważyć napęd?

Przy dużym przełożeniu reduktor ślimakowy jest zwykle krótszy i lżejszy od zespołu walcowego o porównywalnym momencie. Przy małych przełożeniach i dużych momentach przekładnia walcowa bywa bardziej zwarta, bo przenosi większy moment z tej samej objętości.

Zestawienie cech w jednej tabeli

Przykład: ten sam przenośnik, dwa napędy

Przenośnik rolkowy wymaga na wale napędowym momentu około 90 Nm przy prędkości 28–31 obr./min. Pracuje dwie zmiany przez pięć dni w tygodniu. Dostępny jest silnik czterobiegunowy o prędkości około 1400 obr./min.

Wariant ze ślimakiem

Przełożenie 1:50 daje 28 obr./min. Przyjmując sprawność katalogową w okolicach 0,62, moc potrzebna na wejściu wynosi P₁ = 90 × 28 / (9550 × 0,62) ≈ 0,43 kW. Z szeregu mocy wybieramy silnik 0,55 kW. Wielkość reduktora dobiera się tak, aby dopuszczalny moment wyjściowy przy przełożeniu 1:50 pokrywał 90 Nm z zapasem wynikającym ze współczynnika eksploatacyjnego. Dla mniejszych obciążeń przykładem takiego wykonania jest reduktor PM 050 1/50 z kołnierzem 71 B14, a przy 90 Nm i pracy dwuzmianowej zwykle wypada sprawdzić także wielkość większą.

Wariant walcowy współosiowy

Przełożenie 1:45,89 daje około 30,5 obr./min. Przy sprawności około 0,95 moc na wejściu wynosi P₁ = 90 × 30,5 / (9550 × 0,95) ≈ 0,30 kW, więc wystarczy silnik 0,37 kW. Pasuje tu na przykład przekładnia ERC 01 o przełożeniu 45,89 z przyłączem 71 B14, po sprawdzeniu momentu dopuszczalnego w danych producenta.

Co z tego wynika

Napęd walcowy pobiera z sieci o około 0,13 kW mniej. Przy około 4000 godzin pracy rocznie to rząd 500 kWh rocznie na jednym przenośniku, a do tego mniejszy silnik i niższa temperatura reduktora. Napęd ślimakowy ma natomiast kąt prosty, który pozwala ukryć silnik wzdłuż ramy, a przy krótkiej linii, gdzie napęd stoi obok przejścia dla ludzi, ta różnica bywa ważniejsza od kilowatogodzin. Szczegóły oznaczeń i rozmiarów reduktorów współosiowych opisuje artykuł o przekładniach walcowych ERC01–ERC04 i ich przełożeniach.

Typowe zastosowania obu konstrukcji

Przekładnia ślimakowa jest naturalnym wyborem, gdy:

• napęd nasadza się bezpośrednio na wał maszyny i potrzebny jest kąt prosty: przenośniki taśmowe i rolkowe, mieszadła w zbiornikach, obrotnice,
• potrzebne jest duże przełożenie w małym korpusie: dozowniki, podajniki ślimakowe, napędy rolet i bram przemysłowych,
• napęd pracuje okresowo, a cicha praca ma znaczenie: urządzenia w pobliżu stanowisk pracy, mechanizmy sceniczne, automatyka budynkowa.

Przekładnia walcowa lepiej odpowiada, gdy:

• napęd pracuje wiele godzin dziennie pod stałym obciążeniem: wentylatory przemysłowe z przekładnią, długie linie transportowe, pompy wolnoobrotowe,
• potrzebna jest wysoka sprawność i niska temperatura, na przykład w ciasnej zabudowie bez wentylacji,
• maszyna ma pracować w obu kierunkach i dawać się obrócić ręcznie, na przykład przy ustawianiu narzędzi.

Dla obu typów dostępne są gotowe zestawy z silnikiem. Kiedy lepiej kupić kompletny zespół, a kiedy łączyć silnik i reduktor samodzielnie, wyjaśnia poradnik o motoreduktorze ślimakowym i składaniu napędu z osobnych elementów.

Eksploatacja: na co uważać w każdej z przekładni

W przekładni ślimakowej

• sprawdzaj temperaturę obudowy po kilku godzinach pracy i porównuj z poprzednimi pomiarami,
• stosuj olej przewidziany dla pary stal–brąz i nie mieszaj olejów o różnej bazie,
• obserwuj luz na wale wyjściowym; jego wyraźny wzrost świadczy o zużyciu ślimacznicy,
• unikaj długiej pracy przy bardzo niskiej częstotliwości z falownika, bo spada sprawność i rośnie zużycie.

W przekładni walcowej

• pilnuj poziomu oleju zgodnie z pozycją montażową, bo przy kilku stopniach nie wszystkie koła są zanurzone jednakowo,
• kontroluj współosiowość sprzęgła z wałem maszyny; przy osiach w jednej linii błędy ustawienia przenoszą się wprost na łożyska,
• zwracaj uwagę na zmianę dźwięku: wycie lub stukanie zwykle oznacza zużycie łożysk albo uszkodzenie zęba.

Prędkość wejściowa ma wpływ na obie konstrukcje. Silnik dwubiegunowy podwaja obroty wejściowe, co w ślimaku zwiększa prędkość poślizgu, hałas i nagrzewanie. Wybór między 1400 a 2800 obr./min opisuje artykuł o obrotach silnika elektrycznego.

Najczęstsze pytania

Czy przekładnię ślimakową można zastąpić walcową w istniejącej maszynie?

Tak, ale zmienia się geometria: wał wyjściowy przekładni współosiowej leży w osi silnika, a nie pod kątem prostym. Zwykle trzeba przebudować mocowanie i przeniesienie napędu, więc decyzję poprzedza pomiar dostępnego miejsca.

Która przekładnia jest cichsza?

Ślimakowa pracuje zwykle ciszej i bardziej równomiernie dzięki ciągłemu zazębieniu ślizgowemu. Dobrze wykonana przekładnia walcowa o zębach skośnych jest również cicha, ale przy wysokich obrotach wejściowych może być słyszalna.

Dlaczego dla tej samej maszyny napęd walcowy wymaga mniejszego silnika?

Ponieważ w przekładni walcowej traci się kilka procent mocy, a w ślimakowej przy podobnym przełożeniu nawet kilkadziesiąt. Przy tym samym momencie na wyjściu silnik napędu walcowego może być o jeden lub dwa stopnie mocy mniejszy.

Czy przekładnia ślimakowa zatrzyma ładunek po wyłączeniu silnika?

Nie można na tym polegać. Duży opór przy obrocie od strony wyjścia nie jest funkcją bezpieczeństwa. Tam, gdzie ładunek może się przemieścić pod wpływem grawitacji, stosuje się hamulec.

Która konstrukcja jest tańsza?

Przy dużych przełożeniach reduktor ślimakowy jest zwykle tańszy w zakupie. W pracy ciągłej przekładnia walcowa szybko odrabia różnicę niższym zużyciem energii i mniejszym silnikiem.

Porównując oba rozwiązania dla konkretnej maszyny, zajrzyj do kategorii przekładnie ślimakowe PM, w której znajdziesz wielkości od PM 030 do PM 150, oraz do kategorii przekładnie walcowe ERC, gdzie najmniejsze wykonania zebrano w grupie ERC01. Moment dopuszczalny, sprawność i moc termiczną dla wybranego przełożenia sprawdź w danych producenta.