Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Опорно-поворотное устройство (ОПУ) с зубчатым венцом — компактное конструктивное решение, объединяющее в одном узле функцию опоры с большой грузоподъёмностью и функцию приводного зубчатого зацепления для поворота. Зубчатый венец выполняется в двух базовых исполнениях: с наружным зацеплением (зубья нарезаны на внешней поверхности одного из колец) и с внутренним зацеплением (зубья нарезаны на внутренней поверхности кольца). Существует также исполнение без зацепления — для случаев, когда привод поворота реализован отдельно или поворот выполняется вручную. Выбор между этими исполнениями определяется компоновкой машины, требованиями к компактности, условиями эксплуатации, доступом для обслуживания и характером передаваемых нагрузок. В статье разобраны конструктивные особенности всех трёх вариантов, кинематические различия, контактная прочность зацепления, защита от загрязнений и алгоритм инженерного выбора.
Опорно-поворотное устройство — крупногабаритный подшипниковый узел, состоящий из двух колец (внутреннего и наружного), между которыми расположены тела качения: шарики, цилиндрические ролики или комбинированные пакеты. Кольца имеют присоединительные отверстия с фланцем для болтового крепления к ответным частям машины. Одно из колец (внутреннее или наружное, в зависимости от модели) может быть выполнено с зубчатым венцом, нарезанным непосредственно на его боковой цилиндрической поверхности.
Зубчатый венец предназначен для зацепления с шестернёй (пиньоном) привода поворота и передачи крутящего момента к подвижной части машины. Зубья нарезаются эвольвентного профиля по ГОСТ 13755-2015 «Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные. Исходный профиль» (угол зацепления 20°) или по соответствующим зарубежным стандартам (DIN 867, ISO 53). Точность изготовления нормируется ГОСТ 1643-81 или ISO 1328-1; для венцов ОПУ обычно применяются 9–10 степени точности.
Зубья венца после механической обработки подвергаются термоупрочнению — индукционной закалке ТВЧ с глубиной упрочнённого слоя 2–6 мм и поверхностной твёрдостью HRC 50–60, либо цементации с последующей закалкой. Это обеспечивает требуемую контактную прочность зубьев в течение всего ресурса ОПУ.
По расположению венца различают три основных исполнения:
В ОПУ с наружным зацеплением зубчатый венец нарезан на наружной поверхности одного из колец. Диаметр делительной окружности венца (Pitch Circle Diameter, PCD) при таком исполнении максимально приближён к наружному диаметру ОПУ. Это даёт максимальное передаточное отношение при работе с шестернёй заданного диаметра и снижает окружное усилие и крутящий момент на пиньоне.
Шестерня привода зацепляется с венцом снаружи кольца ОПУ — в радиальном пространстве, окружающем подшипник. Это требует наличия свободного места по периметру установки и накладывает ограничения на компоновку привода.
В ОПУ с внутренним зацеплением зубчатый венец нарезан на внутренней цилиндрической поверхности кольца. Зубья направлены к центру ОПУ. Шестерня привода (пиньон) размещается внутри центрального пространства ОПУ и зацепляется с венцом изнутри. Геометрически это эквивалентно паре «зубчатое колесо + кольцевая шестерня» с внутренним зацеплением, известной из планетарных передач.
Делительный диаметр венца при таком исполнении меньше наружного диаметра ОПУ — он лежит ближе к внутреннему диаметру. Это снижает передаточное отношение по сравнению с наружным венцом того же типоразмера ОПУ, но даёт другие преимущества компоновки.
ОПУ без зацепления — это поворотный подшипниковый узел с двумя гладкими кольцами без зубьев. Поворот вокруг оси обеспечивается отдельным приводом, не связанным непосредственно с кольцами ОПУ, либо выполняется вручную.
Преимущества:
Ограничения:
При наружном зацеплении пиньон и венец вращаются в противоположных направлениях. При внутреннем зацеплении пиньон и венец вращаются в одинаковых направлениях (это свойство внутреннего эвольвентного зацепления, известное из теории зубчатых передач).
Передаточное отношение пары «пиньон → венец» рассчитывается стандартно:
i = z2 / z1
где:
Делительные диаметры:
d1 = m · z1; d2 = m · z2
где m — модуль зубчатой передачи.
Для одинакового диаметра ОПУ передаточное отношение венца с наружным зацеплением больше, чем с внутренним, поскольку делительная окружность наружного венца больше по диаметру, и при одной и той же шестерне число зубьев z2 больше.
Окружное усилие на зубе венца Ft и крутящий момент пиньона Mп связаны соотношениями:
Ft = Mв / rв; Mп = Ft · rп
Чем больше радиус венца, тем меньше окружное усилие при заданном моменте и тем меньше момент на пиньоне. Это объясняет конструктивное преимущество наружного зацепления в крупных машинах: при том же выходном моменте на пиньон приходится меньшая нагрузка.
Требуемый крутящий момент поворота платформы крана Mв = 50 кН·м. ОПУ с наружным диаметром 1500 мм. Модуль зубьев m = 12. Пиньон с числом зубьев z1 = 14.
Делительный диаметр венца d2(нар) ≈ 1440 мм. Число зубьев z2 = d2/m = 120. Радиус rв = 720 мм.
Окружное усилие: Ft = Mв/rв = 50 000 / 0,720 = 69,4 кН.
Радиус пиньона: rп = m·z1/2 = 12·14/2 = 84 мм.
Момент на пиньоне: Mп = Ft·rп = 69,4·0,084 = 5,83 кН·м.
Передаточное отношение: i = z2/z1 = 120/14 ≈ 8,57.
Делительный диаметр венца d2(вн) ≈ 1080 мм (примерно на 25 % меньше наружного при том же общем габарите ОПУ). Число зубьев z2 = 90. Радиус rв = 540 мм.
Окружное усилие: Ft = 50 000 / 0,540 = 92,6 кН.
Момент на пиньоне: Mп = 92,6·0,084 = 7,78 кН·м.
Передаточное отношение: i = 90/14 ≈ 6,43.
При том же общем габарите ОПУ и той же шестерне момент на пиньоне с внутренним зацеплением больше примерно на 33 %. Соответственно, для внутреннего зацепления требуется либо более мощный двигатель/редуктор, либо более крупный пиньон. Однако внутреннее зацепление выигрывает по компактности машины и по контактной прочности зубьев.
Контактное давление в точке зацепления двух эвольвентных колёс рассчитывается по формуле Герца для двух тел вращения с параллельными осями:
σH = ZE · √(Ft · (u + 1) / (d1 · b · u))
Расчёт ведётся по ГОСТ 21354-87 «Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчёт на прочность» и аналогам, либо по ISO 6336 «Calculation of load capacity of spur and helical gears».
Принципиальный момент: для внутреннего зацепления при тех же геометрических параметрах контактные напряжения существенно ниже. Это связано с тем, что приведённый радиус кривизны в точке контакта определяется по формуле:
Для наружного зацепления: 1/ρпр = 1/ρ1 + 1/ρ2
Для внутреннего зацепления: 1/ρпр = 1/ρ1 − 1/ρ2
где ρ1 и ρ2 — радиусы кривизны эвольвентных профилей пиньона и венца в точке контакта.
При внутреннем зацеплении ρпр существенно больше, что снижает контактное напряжение. По данным каталогов производителей крупногабаритных ОПУ, ресурс зубьев венца внутреннего зацепления при равных условиях нагружения может быть в 1,5–2 раза больше по сравнению с наружным.
Расчёт зубьев венца ОПУ на изгибную прочность ведётся по ГОСТ 21354-87 либо по ISO 6336-3 с учётом коэффициентов формы зуба, концентрации напряжений и циклической прочности. Для внутренних зубьев применяются другие коэффициенты формы YF, чем для наружных, поскольку профиль зуба венца с внутренним зацеплением геометрически отличается (более «толстый» в основании).
Точность зубчатых венцов ОПУ нормируется ГОСТ 1643-81 «Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски» либо ISO 1328-1 «Cylindrical gears — ISO system of flank tolerance classification». Типовые степени точности для венцов ОПУ:
Наружное зацепление работает в открытом контакте с окружающей средой. Для защиты от пыли, влаги, абразивных частиц применяются следующие меры:
Интервал обслуживания наружного венца в среднем составляет 1–2 недели в нормальных условиях, в загрязнённой или влажной среде сокращается до 3–7 дней.
Внутреннее зацепление по природе значительно лучше защищено от внешних загрязнений. Зубья венца обращены внутрь корпуса ОПУ и фактически работают в полузамкнутом пространстве, что обеспечивает:
Вместе с тем доступ к внутреннему венцу для визуального контроля, замены пиньона или капитального обслуживания требует частичной разборки узла. Это противоречие — лучшая защита, но затруднённый доступ — учитывается при выборе исполнения.
Стандартное решение для большинства промышленных применений. Один приводной мотор-редуктор с пиньоном зацепляется с венцом. Подходит как для наружного, так и для внутреннего исполнения. Передаваемый крутящий момент ограничен прочностью одной пары зубьев в зацеплении и нагрузкой на подшипник пиньона.
Применяется в крупных машинах с тяжёлыми нагрузками: основные роторы крупных портальных и башенных кранов, поворотные платформы карьерных экскаваторов и драглайнов, опорно-поворотные устройства буровых установок. Два или более пиньона распределяют момент по окружности венца, снижая нагрузку на каждую пару зацепления. Многомоторный привод также повышает резервирование — отказ одного мотора не останавливает машину.
Многомоторный привод реализуется преимущественно с наружным венцом, поскольку центральное пространство ОПУ при внутреннем зацеплении физически не позволяет разместить более одного пиньона стандартного размера.
В качестве источника момента используются:
Краны автомобильные, башенные, портальные — преимущественно с наружным зацеплением, что обеспечивает максимальное передаточное отношение и возможность многомоторного привода. Электротельферы и грузовые манипуляторы — также наружное зацепление как стандартное решение.
Экскаваторы малой и средней массы — наружное зацепление; крупные карьерные экскаваторы — наружное с многомоторным приводом. Драглайны, отвалообразователи — наружное с многомоторным приводом. Бурильные установки — внутреннее зацепление для размещения буровой колонны через центр платформы.
Поворот гондолы ветрогенератора (yaw bearing) — преимущественно внутреннее зацепление, что обеспечивает компактность узла на вершине мачты и защиту зубьев от внешних воздействий (дождь, обледенение). Поворот лопастей (pitch bearing) — внутреннее зацепление, аналогично, для размещения внутри корпуса гондолы.
Сочленения промышленных роботов и манипуляторов — внутреннее зацепление либо привод без зацепления (моментный электродвигатель). Компактность и низкие контактные напряжения внутреннего зацепления особенно ценны при больших циклических нагрузках с малыми углами поворота.
Радиолокационные станции, антенные посты, поворотные платформы оптических систем — внутреннее зацепление либо прецизионный привод без венца. Требуются повышенная точность позиционирования и низкое сопротивление вращению.
Поворотные краны на судах и платформах, разгрузочные манипуляторы, поворотные основания шельфовых установок — преимущественно внутреннее зацепление для защиты от солёного тумана и брызг. При больших моментах — наружное с защитным кожухом.
Карусели, колёса обозрения, поворотные платформы — внутреннее или наружное зацепление, выбор зависит от компоновки и доступности для обслуживания. Для безопасности часто предпочтительно внутреннее зацепление либо наружное с глухим защитным кожухом.
Поворотные столы операционных и диагностических установок, КТ и МРТ-сканеры — преимущественно без зацепления (прямой моментный привод) для обеспечения плавности хода, точности позиционирования и отсутствия продуктов износа.
Корректный выбор исполнения зубчатого венца ОПУ выполняется по следующему алгоритму.
Тема выбора зубчатого венца ОПУ тесно связана с конструкцией зацепления, расчётом нагрузок и параллельно — с устройством привода. Для углублённого изучения рекомендуются следующие материалы:
Внутреннее зацепление предпочтительно в следующих случаях: при компактной радиальной компоновке машины, где не должен выступать пиньон за наружный диаметр; в условиях запылённой, влажной, морской или агрессивной среды, где открытое зацепление потребовало бы постоянного обслуживания; при работе вблизи персонала, где требуется естественная защита зацепления от случайного контакта; в задачах с большим числом циклов поворота, где низкие контактные напряжения внутреннего зацепления дают существенно больший ресурс. Типовые применения — поворот гондолы и лопастей ветрогенератора, сочленения роботов, поворотные платформы прецизионных установок, морские манипуляторы.
Наружное зацепление является стандартным решением для большинства промышленных применений и предпочтительно когда: требуется максимальное передаточное отношение при заданном габарите ОПУ; нужно установить два или более пиньонов для распределения большого крутящего момента (карьерные экскаваторы, портальные краны); необходимо свободное центральное пространство для прохода центрального вала, гидравлических линий или электрических кабелей; требуется простой доступ к зацеплению для регулярного обслуживания и контроля износа; машина работает в относительно чистой среде или допускает установку защитного кожуха. Это типовое решение для автомобильных, башенных, портальных кранов, экскаваторов малого и среднего класса, грузовых манипуляторов.
ОПУ без зацепления применяется когда привод поворота реализован отдельно от подшипникового узла — фрикционно, через цепь или ремень, через прямой моментный электродвигатель или гидравлический шарнирно-поршневой механизм. Также безвенцовые ОПУ используются в особо чистых средах (медицинская техника, полупроводниковое оборудование, лабораторные системы), где наличие зубчатой передачи нежелательно из-за продуктов износа. Наконец, ручные поворотные платформы — например, измерительные стенды, поворотные оснащения для съёмки — также делаются без венца. Преимущество — максимальная конструктивная гибкость в выборе типа привода.
Контактное давление по формуле Герца обратно пропорционально корню квадратному из приведённого радиуса кривизны двух контактирующих поверхностей. В наружном зацеплении и пиньон, и венец имеют выпуклые зубья, и приведённый радиус кривизны определяется как сумма обратных радиусов: 1/ρпр = 1/ρ1 + 1/ρ2. Во внутреннем зацеплении пиньон выпуклый, а венец вогнутый, и формула принимает вид: 1/ρпр = 1/ρ1 − 1/ρ2. Значение ρпр в этом случае существенно больше, что снижает контактное давление на 20–40 % и увеличивает ресурс зацепления при той же нагрузке.
Технически нет — расположение зубьев на кольце ОПУ определяется конструкцией и закладывается на этапе изготовления. Зубья нарезаются на одной конкретной поверхности кольца, и перенарезка с одной поверхности на другую невозможна без полной переработки колец. При необходимости изменения исполнения ОПУ заменяется на новое с требуемым типом венца. Если же требуется отказаться от родного зацепления, ОПУ может быть заменено на безвенцовое с установкой отдельного привода поворота (фрикционного, цепного или прямого моментного).
Модуль зубьев венца ОПУ выбирается по нормальному ряду модулей по ГОСТ 9563-60 (или ISO 54) — типовые значения для крупногабаритных ОПУ: 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25 мм. Малые ОПУ (диаметром до 500 мм) могут иметь модули 3, 4, 5 мм. Выбор модуля определяется передаваемой нагрузкой, диаметром делительной окружности венца и требованиями к плавности хода. Больший модуль даёт более прочные зубья при меньшем их количестве; меньший модуль обеспечивает плавность хода, но требует более точного изготовления и тщательной защиты от загрязнений. Окончательный выбор модуля выполняется в расчёте зацепления по ГОСТ 21354-87 / ISO 6336.
Интерференция (зубчатое перекрытие) — это пересечение траекторий движения зубьев пиньона и венца, при котором зуб одного колеса физически не может пройти через рабочую зону другого без столкновения. В наружном зацеплении интерференция возникает редко и устраняется коррекцией зубчатого профиля либо увеличением числа зубьев пиньона свыше 17 (для угла зацепления 20° и стандартных зубьев с h*a = 1, по условию zmin = 2/sin²α). Во внутреннем зацеплении присутствуют дополнительные виды интерференции: трохоидальная (между головкой зуба пиньона и переходной кривой венца) и интерференция при сборке. По теоретическому условию избежания трохоидальной интерференции при α = 20° и стандартных зубьях разность чисел зубьев z2 − z1 должна быть больше 9 (то есть не менее 10). Дополнительно для стандартного венца с углом 20° число зубьев венца должно быть z2 > 34. При коррекции (смещении профиля) разница может быть меньше — до 5–7. Расчёт ведётся по ГОСТ 16532-70 либо специализированным методикам по теории зацепления.
Да, при наружном зацеплении. Несколько пиньонов (двух, трёх или более) могут быть установлены по окружности венца. Это применяется в крупных машинах для распределения крутящего момента: карьерные экскаваторы, портальные краны, шагающие драглайны, ветрогенераторы поворота гондолы. Распределение нагрузки между несколькими парами зацепления увеличивает передаваемый момент пропорционально числу пиньонов и обеспечивает резервирование привода. Конструктивно требуется синхронизация моторов по моменту во избежание перегрузки отдельных пар. При внутреннем зацеплении многомоторный привод реализуется ограниченно — центральное пространство ОПУ редко позволяет разместить более одного пиньона стандартного размера, поэтому многомоторное решение для внутренних венцов применяется редко и только в крупногабаритных конструкциях.
Стандартная термообработка зубьев венца — индукционная закалка ТВЧ с глубиной упрочнённого слоя 2–6 мм и поверхностной твёрдостью HRC 50–60. Сердцевина зуба остаётся пластичной (HRC 28–38) для восприятия ударных нагрузок и предотвращения хрупкого разрушения. Для особо нагруженных применений и для повышения ресурса применяется цементация (carburizing) с последующей закалкой и низким отпуском — глубина упрочнённого слоя 1–2 мм, твёрдость HRC 58–62. Цементированные зубья имеют большую контактную и изгибную прочность, но требуют более глубокого нагрева в производстве и применимы только к среднеуглеродистым легированным сталям типа 18ХГТ, 20Х2Н4А, 12Х2Н4А (ГОСТ 4543). Шестерня привода термообрабатывается до сравнимой твёрдости (на 5–10 HRC выше венца) для рационального распределения износа.
Ресурс зубчатого венца ОПУ при правильном выборе типоразмера, корректной смазке и соблюдении регламента обслуживания составляет десятки и сотни тысяч часов либо миллионы циклов поворота. Конкретное значение зависит от характера нагрузки, числа циклов нагружения, условий среды и обслуживания. Для типовых промышленных применений (краны общего назначения, экскаваторы малого класса) расчётный ресурс зубьев обычно соответствует ресурсу самой машины (15–25 лет эксплуатации). Для тяжёлых условий (карьерная техника, тяжёлые перегружатели) предусматривается возможность замены ОПУ в составе планового среднего ремонта. Контроль состояния зубьев — визуальный осмотр на питтинг, измерение бокового зазора, анализ отработанной смазки на содержание железа и продуктов износа.
Выбор зубчатого венца ОПУ — комплексное инженерное решение, в котором учитываются компоновка машины, передаваемый момент, условия эксплуатации, доступ для обслуживания и требования безопасности.
Наружное зацепление — стандартное и наиболее распространённое решение. Оно обеспечивает максимальное передаточное отношение, удобный доступ к зацеплению, возможность многомоторного привода, простое производство и относительно низкую стоимость. Применяется в кранах, экскаваторах, манипуляторах, поворотных платформах с приводом от одного или нескольких моторов. Главный недостаток — открытые зубья, требующие защиты в загрязнённой среде.
Внутреннее зацепление — компактное и защищённое решение. Дает естественную защиту зубьев от внешней среды, низкие контактные напряжения, увеличенный ресурс и компактные радиальные габариты. Применяется в ветроэнергетике, робототехнике, морской и шельфовой технике, прецизионных установках. Главные ограничения — затруднённый доступ для обслуживания, меньшее передаточное отношение и сложность многомоторного привода.
ОПУ без зацепления — решение для случаев, когда привод поворота реализован отдельно: фрикционно, через ремень или цепь, через прямой моментный двигатель или гидравлический привод. Применяется в медицинской и прецизионной технике, в задачах с особыми требованиями к чистоте среды и плавности хода.
Точный выбор венца выполняется на этапе проектирования машины с расчётом зацепления по ГОСТ 21354-87 или ISO 6336, выбором модуля по ГОСТ 9563-60 и степени точности по ГОСТ 1643-81 или ISO 1328-1. При замене существующего ОПУ исполнение венца сохраняется, поскольку взаимный переход между внутренним и наружным зацеплением требует переработки сопрягаемых элементов конструкции.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.