Какие бывают типы планетарных коробок передач?

Какие бывают типы планетарных коробок передач?

Краткий ответ

Что такое планетарная коробка передач?

Планетарная (или эпициклическая) коробка передач представляет собой соосный редуктор скорости, построенный из центральной солнечной шестерни, нескольких планетарных шестерен,  вращающихся на общем водиле, и наружной кольцевой шестерни (кольцевого кольца) с внутренними зубьями. Поскольку планеты вращаются вокруг Солнца, распределяя нагрузку между несколькими сетями одновременно, конструкция обеспечивает высокую плотность крутящего момента в компактном встроенном корпусе. Подробный механизм и кинематику смотрите в разделе Как работает планетарная коробка передач.

“Тип” – это не отдельное свойство. Один и тот же физический редуктор можно описать по форме зубьев, количеству ступеней, расположению вала и внутреннему устройству зубчатой передачи одновременно – например,  двухступенчатый винтовой рядный планетарный редуктор. В разделах ниже эти оси разделены, чтобы вы могли точно назвать, сравнить и указать тип. На этой странице конкретно рассматриваются планетарные подтипы; для более широкого семейства редукторов (цилиндрические, червячные, циклоидальные, конические) смотрите наше руководство по типу редуктора.

Как классифицируются типы планетарных коробок передач

Каждая планетарная коробка передач может быть размещена на четырех независимых классификационных осях. Их путаница является наиболее распространенным источником ошибок спецификации.

• Тип зубьев шестерни — цилиндрические (прямые зубья), винтовые (угловые зубья) или конические (конические).
• Количество стадий — одноступенчатые, двухступенчатые, трехступенчатые или более.
• Ориентация вала — линейная (соосная) или прямоугольная (конический/гипоидный ввод).
• Конфигурация зубчатой передачи – простая, составная (ступенчатая планетарная) или дифференциальная.

Для всех типов применяются два сквозных свойства: степень точности (люфт в угловых минутах) и стиль монтажа / вывода (фланец, вал или полая ось). Остальная часть этой статьи посвящена каждой оси и заканчивается методом выбора.

В зависимости от типа зубьев шестерни: цилиндрические, винтовые, конические

Геометрия зубьев на солнце, планетах и кольце является наиболее эффективным решением, поскольку она влияет на уровень шума, грузоподъемность, осевую тягу и стоимость.

Планетарная шпора

Прямые зубья, параллельные оси, с нулевым углом наклона спирали. Самый простой и дешевый в изготовлении, без осевой тяги. Компромисс: вся поверхность зуба входит в зацепление одновременно, поэтому зубчатые ступени более шумные и сильнее вибрируют на высокой скорости, а также несут немного меньшую нагрузку. Типичный люфт составляет 8-16 угловых минут. Ускоренный режим используется по умолчанию для работы с учетом затрат, на низкой скорости или с перерывами.

Спиральный Планетарный

Зубья режутся под углом спирали примерно 10-30°. Наклонные зубья постепенно входят в зацепление, увеличивая коэффициент контакта, поэтому винтовые ступени работают тише, выдерживают более высокую нагрузку и могут выдерживать меньший люфт (<5 угловых минут в прецизионных единицах измерения). Стоимость определяется осевой нагрузкой (Fₚ = fₜ × tanβ), для которой требуются радиально-упорные подшипники или подшипники с коническими роликами, плюс более дорогостоящее шлифование. Это рабочая лошадка для робототехники и промышленных приводов непрерывного действия. О том, как угол наклона спирали влияет на шум, см. в разделе Как уменьшить шум при передаче.

Планетарный скос (Прямоугольный)

Конические шестерни, передающие мощность между пересекающимися валами. Коническая ступень обычно соединяется с планетарной ступенью для создания прямоугольного привода ценой небольшого снижения эффективности. Это зависит как от ориентации вала, так и от типа зубьев – описано в разделе “Ориентация” ниже.

По количеству ступеней: одноступенчатая или многоступенчатая.

Один полный комплект sun / planet / ring – это ступень. , которая увеличивает коэффициент уменьшения и крутящий момент, но также увеличивает потери на трение и накапливает люфт.

• Одноступенчатый: 3:1-10:1, высочайший КПД (≥97%), наименьший люфт.
• Двухступенчатый:  10:1-100:1, ≥94% эффективность, умеренная продолжительность.
• Трехступенчатый:  100:1-1,000:1+, ≥91% эффективность, самый длительный, максимальный люфт.

Поскольку эффективность зависит геометрически (три этапа ~ 97% дают в целом только ~ 91%), большее количество этапов влияет на эффективность и продолжительность. Для получения полной информации о соотношении ступеней, в том числе о том, почему третья ступень не обеспечивает повышение точности, ознакомьтесь с нашим руководством по преимуществам 3-ступенчатой планетарной коробкипередач .

По ориентации вала: Рядный или прямоугольный,

По умолчанию используются рядные агрегаты, поскольку соосная геометрия максимизирует плотность крутящего момента. Прямоугольный блок выбирается только в том случае, если длина двигателя не должна проходить вдоль приводной оси, что является обычным явлением для компактных конвейеров и баз роботов. Добавленная стадия скоса является причиной того, что прямоугольные агрегаты работают на несколько пунктов менее эффективно.

По конфигурации зубчатой передачи: Простая, Составная, Дифференциальная

Простая планетарная

Одно солнце, один набор идентичных планет, одно кольцо. Это стандартная конфигурация редуктора и основа почти всех вышеперечисленных типов.

Составная планетарная передача (ступенчатая планета)

Каждая планета представляет собой ступенчатую шестерню двух диаметров, зацепляющую солнце и кольцо с разным количеством зубьев. Это позволяет одной ступени достигать более высоких передаточных чисел и является основой автомобильных редукторов Simpson и Ravigneaux (используются в автоматических коробках передач для обеспечения нескольких передаточных чисел в одном компактном блоке).

Дифференциальный Планетарный

Все три вращающихся элемента (солнце, опора, кольцо) перемещаются, позволяя распределять или суммировать мощность между двумя выходами или совмещать два входа — механическая основа дифференциалов автомобиля и некоторых бесступенчатых трансмиссий.

Для большинства промышленных систем управления движением вы укажете простую зубчатую передачу; составные и дифференциальные типы используются в трансмиссиях и специализированных приложениях с разделением мощности.

По классу точности и Люфту

Люфт — потеря угла поворота при изменении выходного сигнала — является ключевым показателем точности, измеряемым в угловых минутах (1 угловая минута = 1/60 градуса). Grade – это универсальное свойство, а не отдельный тип коробки передач, но часто оно определяет выбор между идентичными в остальном агрегатами.

Меньший люфт требует более тщательной заточки зубчатых колес, меньших допусков на корпус и выборочной сборки, что приводит к удорожанию. Винтовые прецизионные узлы обычно выдерживают больший люфт, чем цилиндрические узлы того же размера рамы. О прецизионном планетарном редукторе глубокого погружения и о том, откуда на самом деле возникает люфт, читайте в руководстве по прецизионному планетарному редуктору.

Технические характеристики и сравнение типов,

Сравнение основных типов,

Ключевые номера

• Угол поворота спирали: 10-30 ° (винтовой); 0 ° (прямой).
• Эффективность: ~ 97% на стадию; составы составляют η3 ≈ 91% для трех стадий.
• Torque: Tₙ = Tₔ × i × η; total ratio i = i₁ × i₂ × i₃.
• Твердость зубчатого колеса: науглероживание 58-62 HRC (20CrMnTi или 40Cr).
• Материалы: корпуса из закаленной стали, алюминия или чугуна; пластик / порошковый металл для легких условий эксплуатации.

Лучшие приложения по типу

Как правильно выбрать тип (отработанный пример)

1. Установите передаточное число. i = nₔ / nₙ от частоты вращения двигателя и выходной мощности; выберите количество ступеней, которое достигает этого значения.
2. Установите бюджет обратной реакции. Точность & lt; 5 угловых минут приводит к вращению по спирали; > 10 угловых минут допускают рывок.
3. Проверьте пространство. Ограниченное осевое пространство или прямой угол требуют заострения для скоса / под прямым углом.
4. Подтвердите режим работы и шум. Непрерывная работа и тихая обстановка благоприятствуют спирали; прерывистая – ускорению.
5. Проверьте эффективность и теплоотдачу. Многоступенчатые агрегаты снижают эффективность – экономьте тепловую нагрузку.

Отработанный пример — две нагрузки, два типа

Корпус A (ось вращения с ЧПУ): сервопривод на 3000 об / мин, выходная мощность 150 об / мин, требуется повторяемость позиционирования.

• Соотношение i = 3000 / 150 = 20:1 → двухступенчатый.
• Для позиционирования требуется <5 угловых минут → двухступенчатая спиральная прецизионная система (бесшумная, с низким люфтом).

Корпус B (конвейер): от 3000 до 30 об/ мин, высокий крутящий момент, чувствительный к затратам, прерывистый.

• Соотношение i = 3000 / 30 = 100:1 → двух- или трехступенчатый.
• Отсутствие требований к позиционированию →  многоступенчатый привод с цилиндрическим приводом (дешевле, нет осевой тяги, допустим больший люфт).

Типичные инженерные ошибки

1. При выборе шпоры для бесшумной оси с реверсом. Цилиндрические зубья входят в зацепление все сразу — шумно и неплотно; спиральное движение – это правильный выбор для точного движения.
2. Оплата за точность вращения спирали на нереверсивном конвейере. Люфт менее ~ 15 угловых минут здесь неуместен; вместо этого потратьте деньги на коэффициент.
3. Игнорирование осевой тяги на винтовой оси. Угол наклона спирали увеличивается Fₚ = fₜ·tanβ; без упорных подшипников коробка рано выходит из строя.
4. Добавление этапов для “точности”. Люфт накапливается со ступенями; одноступенчатая прецизионная ступень превосходит свободную трехступенчатую для позиционирования.
5. Путает гармоническое и циклоидальное с планетарным. В  гармоническом приводе используется волновая передача (практически нулевой люфт), а в циклоидальном редукторе используются лепестки — ни один из них не является планетарным подтипом, и они не взаимозаменяемы.
6. Игнорирование стиля вывода. Выходы на фланцах, валах и полых валах меняют монтаж и номинальную нагрузку даже для “одного и того же” типа.

Часто задаваемые вопросы

Почему вы выбрали Greensky Power?

Greensky Power – китайский производитель зубчатых редукторов и двигателей на заказ , обслуживающий мировых OEM-производителей с 2010 года. Мы производим прецизионные планетарные редукторы цилиндрической и винтовой формы, одноступенчатой и многоступенчатой, рядной и прямоугольной, со стандартным и сверхнизким люфтом – и мы поможем вам выбрать тип, соответствующий вашей нагрузке, а не продавать агрегат премиум-класса по завышенной цене. Перед отправкой каждая коробка передач проверяется на крутящий момент, КПД, люфт, шум и температуру в соответствии с требованиями IEC 60034 и NEMA MG 1 с настройкой OEM / ODM передаточного числа, фланца и вала. Начните с руководства по выбору двигателя-редуктора или просмотрите категорию двигателей постоянного тока.

Ресурсы по теме

• Обзор коробки передач (основная страница)
• Принцип работы планетарной коробки передач
• Преимущества 3-ступенчатой планетарной коробки передач
• Прецизионная планетарная коробка передач deep dive
• Гармонический привод в сравнении с планетарной передачей
• Применение прецизионной планетарной коробки передач
• Различные типы редукторов
• Объяснение циклоидального редуктора
• Руководство по выбору червячной коробки передач
• Прямая передача в сравнении с мотор-редуктором
• Как снизить шум шестерни в редукторе
• 8 причин износа винтовой коробки передач
• Руководство по выбору двигателя с редуктором
• Как рассчитать крутящий момент двигателя
• Настройка OEM / ODM
• Категория двигателей постоянного тока

Ссылки

1. IEC 60034-1: 2022 – Вращающиеся электрические машины, общие требования (изоляция и температурные классы). webstore.iec.ch/en/publication/65446
2. IEC 60034-30-1 — Классы эффективности линейных двигателей переменного тока (IE1-IE5). webstore.iec.ch/publication/91195
3. ANSI / NEMA MG 1-2021 — Стандарт для двигателей и генераторов. webstore.ansi.org/standards/nema/ansinemamg2021
4. NEMA — Ресурсы по продукции для двигателей и генераторов. nema.org/products/pages/motor-and-generator.aspx
5. Министерство энергетики США — Справочник по нагрузке и КПД двигателей. energy.gov/sites/prod/files/2014/04/f15/10097517.pdf
6. МЭА — Электродвигатели и энергоэффективность. iea.org/energy-system/industry/electric-motors
7. SKF — Неисправности подшипников и их причины. skf.com/group/support/bearing-failures-and-their-causes
8. Siemens — электродвигатели SIMOTICS. siemens.com/global/en/products/drives/electric-motors.html
9. IEEE Xplore — рецензируемый документ по проектированию электрических машин. ieeexplore.ieee.org/document/6342334
10. технология двигателей и редукторов maxon — EC. maxongroup.com/maxon/view/content/ec-technology
11. FAULHABER — ноу-хау в области бесщеточных двигателей постоянного тока. faulhaber.com/en/know-how
12. Yaskawa — Загрузка технических данных по движению и двигателям. yaskawa.com/downloads/search-index
13. Tsubaki — Технические данные по выбору двигателя-редуктора (эксплуатационные факторы). en.tt-net.tsubakimoto.co.jp/tecs/engd/gen/engd_gen_ggm_sry.asp
14. AGMA — номинальные характеристики редуктора и стандарты точности. agma.org

Техническое содержание рассмотрено компанией Greensky Power applications engineering. Цифры представляют собой типичные отраслевые диапазоны; окончательная спецификация требует сверки с выбранной установкой передач и рабочим циклом.