Каковы преимущества 3-ступенчатая планетарная коробка передач?

В чем преимущества 3-ступенчатой планетарной коробки передач?

Краткий ответ

Что такое 3-ступенчатая планетарная коробка передач?

Планетарная коробка передач представляет собой соосный редуктор скорости, построенный из солнечной шестерни, нескольких планетарных передач , установленных на общем держателе, и наружной кольцевой передачи. . Один полный комплект солнечных / планетарных / кольцевых передач является одноступенчатым . Трехступенчатый блок размещает три таких комплекта последовательно внутри одного корпуса, так что выход первого каскада становится входом для второго, и так далее. Количество ступеней является единственным наиболее важным конструктивным решением, поскольку именно оно определяет достижимую передаточную степень в первую очередь.

Классификация скорее практична, чем жестка: одноступенчатая планетарная коробка передач обычно используется от 3: 1 до 10: 1, двухступенчатый блок расширяется примерно до 100: 1 (иногда 200: 1), а трехступенчатый блок достигает 100: 1 и более – до 1000: 1 или более в серии precision. Именно по этой причине вообще существует третья стадия: одно- и двухэтапные сокращения не могут достичь этих показателей, не став непрактично большими. Для более подробной информации об архитектуре и взаимодействии каждой ступени см. Принцип работы планетарной коробки передач и руководство по типу редуктора.

Внутренняя структурная схема одноступенчатой планетарной коробки передач

Как количество ступеней Определяет передаточное отношение, крутящий момент и эффективность

Каждая планетарная ступень умножает входные данные на свое собственное соотношение, поэтому при  умножении. двух ступеней 10: 1 получается 100: 1; трех ступеней 10: 1 получается 1000: 1. Такое же умножение применимо к крутящему моменту (за вычетом трения) и — что менее очевидно — к потерям на трение и люфту, из-за которых и возникают компромиссы.

• Общий коэффициент: iₚ = i₁ × i₂ × i₃ (продукт стадии коэффициенты)
• выходной крутящий момент: Tₙ = Tₔ × iₚ × nₚ (nₚ = общий КПД)
• общий КПД: nₚ = η₁ × η₂ × η₃ (потери соединения)
• инерция отраженной: Jₙ = Jₚ / iₚ2 (инерции падает на квадрат коэффициента)

Поскольку эффективность возрастает геометрически, стадия, которая по отдельности эффективна на ~ 97%, дает только ~ 91% после трех стадий (0,973 ≈ 0,913). Выигрыш в передаточном отношении и крутящем моменте является линейно-мультипликативным, но потери увеличиваются – эта асимметрия лежит в основе трехступенчатого решения. Расчет крутящего момента и размеры двигателя описаны в нашем руководстве по расчету крутящего момента.

Внутренняя структурная схема двухступенчатой планетарной коробки передач

Ключевые преимущества трехступенчатой конструкции

1. Очень высокое передаточное число в одном блоке. Три ступени достигают 100: 1 до 1000: 1+ в одном соосном корпусе — передаточных чисел, которые одно- или двухступенчатый агрегат не может обеспечить без внешней зубчатой пары.
2. Высокий крутящий момент на выходе. Крутящий момент увеличивается с каждой ступенью, поэтому компактная трехступенчатая коробка превращает небольшой высокоскоростной сервопривод в медленный привод с высоким крутящим моментом.
3. Компактный коаксиальный корпус / высокая плотность крутящего момента. Геометрия встроенного солнечного кольца позволяет удерживать вход и выход на одной оси, поэтому трехступенчатый агрегат остается небольшим по радиусу (от десятков миллиметров до нескольких сотен), обеспечивая при этом крутящий момент, для которого потребовался бы гораздо больший параллельный вал или червячный редуктор.
4. Распределение нагрузки / разделение мощности. Каждая ступень распределяет нагрузку на несколько планетарных передач (часто от трех до пяти), снижая усилие на зуб и увеличивая срок службы зубьев по сравнению с одной шестерней, несущей полную нагрузку.
5. Плавная работа с низким уровнем шума. Непрерывное многозубчатое зацепление без осевой нагрузки (в отличие от винтовой или фаской) обеспечивает плавный ход, обычно менее ~ 65 дБ в прецизионных единицах измерения.
6. Очень низкая отраженная инерция. Поскольку отраженная инерция уменьшается на квадрат передаточного отношения, коробка 600:1 придает двигателю ощущение почти невесомости груза — идеальный вариант для сервоосей запуска / остановки.
7. Широкая гибкость передаточного отношения. Передаточные числа ступеней выбираются из набора каталогов (например, 3/4/5/7/10), поэтому можно сконструировать трехступенчатый агрегат для достижения точного общего соотношения стандартных деталей.

Внутренняя структурная схема 3-ступенчатого планетарного редуктора

Компромиссы: эффективность, люфт и длина

Преимущества реальны, но таковы и затраты. Трехступенчатый агрегат не просто “лучше” — это другая точка на кривой соотношения эффективности и люфта.

Эффективность падает геометрически

Каждая ступень теряет ~ 2-3% из-за трения сетки и сопротивления подшипников, и эти потери усугубляются. В сервоприводе мощностью 10 кВт потери в 3% на ступень составляют примерно 300 Вт тепла на ступень, отводимого в корпус, — тепла, которое сокращает срок службы смазки и влияет на долговременную стабильность люфта при непрерывной работе. Вот почему трехступенчатые блоки обычно предназначены для применения с высоким коэффициентом полезного действия, меньшей мощностью или с перебоями в работе.

Люфт накапливается, но не улучшается

Это наиболее распространенное заблуждение — и поправка к распространенному утверждению о том, что большее количество этапов повышает “точность оформления”. На самом деле, каждая ступень вносит свой вклад в зазор между зубьями, поэтому общий люфт увеличивается с увеличением количества ступеней: одноступенчатая прецизионная ступень может выдерживать ≤1 угловую минуту, двухступенчатая – ≤3 угловых минуты, а трехступенчатая – ≤14 угловых минут (или 8-20 угловых минут в зависимости от сорта). Если приоритетом является повторяемость позиционирования, трехступенчатая коробка передач – неподходящий инструмент — вместо этого выберите одноступенчатую или с  гармоническим приводом (почти нулевой люфт).

Длина и вес Растут

Каждая добавленная ступень удлиняет корпус и добавляет планетарные опоры и подшипники. Трехступенчатый блок заметно длиннее двухступенчатого блока того же размера рамы, что может иметь значение в условиях тесного запястья робота или привода.

Технические характеристики: Передаточные числа, КПД, люфт, крутящий момент

Типичные спецификации по количеству ступеней

Эффективность рецептуры на разных стадиях

основных формул для 3-х ступенчатый блок

этап рассчитывать сравнения: 1 вс 2 ВС 3

Лучшее применение для 3-ступенчатых планетарных редукторов.

Для высокооборотных сервоосей, где люфт имеет большее значение, чем передаточное отношение, сравните гармонический и планетарный компромиссы и область применения планетарного двигателя-редуктора.

Как выбрать 3-ступенчатую коробку передач (отработанный пример)

1. Определите нагрузку. Выходной крутящий момент Tₙ, выходная частота вращения Nₙ и рабочий цикл.
2. Вычислите передаточное отношение. i = nₔ / Nₙ исходя из номинальной частоты вращения двигателя.
3. Выберите количество ступеней. Если i > 100:1, три этапа (или два + внешнее сокращение).
4. Учитывайте эффективность. Используйте η ≈ 0,91 и подтвердите крутящий момент двигателя с помощью Tₔ = Tₙ / (i × η).
5. Проверьте бюджет люфта. Убедитесь, что трехступенчатый люфт (обычно ≤14 угловых минут) соответствует вашим спецификациям позиционирования; если нет, пересмотрите архитектуру.
6. Проверьте температуру и срок службы. Подтвердите тепловую нагрузку, зависящую от эффективности, и срок службы подшипника в течение рабочего цикла.

Отработанный пример — Привод с медленным вращением

Требования: 60 Н · м непрерывно при 5 об / мин от сервопривода с частотой вращения 3000 об /мин.

Трехступенчатый планетарный привод 600: 1 позволяет крошечному сервоприводу ~ 0,11 Н ·м выдавать 60 Н · м при 5 об / мин в коаксиальном корпусе, а отраженная инерция сокращается в 360 000 раз. Такое же передаточное число в червячном редукторе было бы гораздо менее эффективным и более громоздким; двухступенчатый планетарный редуктор не может достигать 600: 1 без дополнительной внешней зубчатой пары.

Распространенные инженерные ошибки

1. Выбор 3 ступеней для обеспечения точности. Люфт накапливается со ступенями; используйте одноступенчатый или гармонический привод для точного позиционирования.
2. Игнорирование повышения эффективности. Три ступени мощностью ~ 97% дают ~ 91% общей отдачи — экономьте тепло, а не только крутящий момент.
3. Превышение нормы. Наложение ступеней для максимального соотношения увеличивает длину, люфт и трение без какой-либо выгоды.
4. Предполагается, что “больше ступеней = лучше”. Каждый этап меняет эффективность и продолжительность на соотношение; чем больше, тем автоматически не лучше.
5. Забывая об отраженной инерции. Уменьшение инерции в квадрате является преимуществом, но проверьте отношение инерции двигателя к нагрузке для обеспечения стабильности сервопривода.
6. Пренебрегая температурными ограничениями. Дополнительный нагрев 3-ступенчатого агрегата сокращает срок службы смазки и подшипников при непрерывной работе.
7. Отсутствуют ограничения по нагрузке на выходной вал. Радиальные и осевые нагрузки на выходной фланец приводят к износу опорного подшипника независимо от количества ступеней.

Устранение

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ вопросы

Почему выбрали Greensky Power?

Greensky Power – китайский производитель зубчатых редукторов, двигателей на заказ и интегрированных приводов, обслуживающий OEM-производителей по всему миру с 2010 года. Мы создаем прецизионные планетарные редукторы в одно-, двух- и трехступенчатых конфигурациях, и мы указываем передаточное число, эффективность, люфт и рабочий цикл на основе ваших данных о нагрузке, а не отправляем по умолчанию из каталога. Наша команда инженеров определяет количество ступеней в соответствии с вашими требованиями к передаточному числу и бюджетом позиционирования, и перед отправкой каждый узел проверяется на крутящий момент, эффективность, уровень шума и температуру в соответствии со стандартами IEC 60034 и NEMA MG 1, при этом  OEM / ODM настраивает  передаточное число, фланец и вал. Начните с руководства по выбору двигателя-редуктора или просмотрите категорию двигателей постоянного тока.

Соответствующие ресурсы

• Обзор коробки передач (основная страница)
• Как работает планетарная коробка передач
• Глубокое погружение прецизионной планетарной коробки передач
• Гармонический привод в сравнении с планетарной передачей
• Применение прецизионной планетарной коробки передач
• Различные типы редукторов
• Описание циклоидального редуктора
• Руководство по выбору червячной коробки передач
• Прямая передача в сравнении с мотор-редуктором
• 8 причин износа винтовой коробки передач
• Как снизить шум шестерни в редукторе
• Руководство по выбору двигателя-редуктора
• Как рассчитать крутящий момент двигателя
• Классы эффективности двигателя (IE)
• Настройка OEM / ODM
• Категория двигателей постоянного тока

Ссылки

1. IEC 60034-1:2022 — Вращающиеся электрические машины, общие требования (классы изоляции и температуры). 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. Стандарт ANSI / NEMA MG 1-2021 — Двигатели и генераторы. 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. Электродвигатели Siemens — 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 о движении и двигателях. yaskawa.com/downloads/search-index
13. Tsubaki — Технические данные по выбору редукторного двигателя (эксплуатационные факторы). en.tt-net.tsubakimoto.co.jp/tecs/engd/gen/engd_gen_ggm_sry.asp
14. AGMA — рейтинг редукторов 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.