Как работает планетарная коробка передач?

Как работает планетарная коробка передач?

Что такое планетарная коробка передач?

Эпициклический (планетарный) редуктор состоит из четырех функциональных элементов, разделяющих одну центральную ось:

• Солнечная шестерня — центральная шестерня, обычно обеспечивающая высокую скорость вращения двигателя.
• Планетарные шестерни — обычно три шестерни, которые входят в зацепление с солнцем внутри и кольцом снаружи, установленные на держателе.
• Кольцевая передача (annulus) — наружное кольцо с внутренними зубьями; в стандартном редукторе оно крепится к корпусу.
• Планетарный привод — рычаг, удерживающий планетарные оси; в стандартном редукторе это выходной сигнал.

Количество зубцов геометрически связано: Z_кольцо = Z_солнце + 2 · Z_{планета}. Название “планетарный” происходит от названия планет, обращающихся вокруг Солнца и вращающихся вокруг своих осей — точно так же, как солнечная система.

Принцип работы планетарной коробки передач — шаг за шагом

1. двигатель приводит в движение солнечную передачу с высокой частотой вращения и низким крутящим моментом.
2. Солнце  одновременно  входит в зацепление со всеми планетарными механизмами, поэтому каждая планета несет только свою долю нагрузки.
3. Поскольку кольцевая шестерня неподвижна, планеты не могут вращаться на месте — они вынуждены вращаться по орбите солнце при этом вращается на своих собственных штифтах.
4.  Планетарный держатель соединяет эти контакты, поэтому он вращается в том же направлении , что и солнце, но с меньшей скоростью.
5. Крутящий момент умножается примерно на передаточное число передачи (за вычетом потери эффективности); скорость делится на то же передаточное число.
6. Выбирая, какой элемент является фиксированным, входным или выходным, один и тот же набор обеспечивает шесть режимов передачи (снижение, перегрузка, дифференциал, реверс и т.д.).

Шесть конфигураций потока мощности

Один и тот же физический набор создает шесть вариантов поведения, потому что любой из трех элементов (солнце, кольцо, носитель) может быть фиксированным элементом реакции, а любой из оставшихся двух может быть входным или выходным. Наиболее распространенным является солнечный вход → фиксированное кольцо → несущий выход (снижение скорости, увеличение крутящего момента в том же направлении). Другие устройства обеспечивают перегрузку (вход несущей, кольцо фиксировано, выходной сигнал sun), реверс (вход кольца, солнце фиксировано, выходной сигнал несущей — направление меняется) или дифференциальное действие (два элемента приводятся в движение, третий – разница), используемое в бортовых передачах автомобилей. Для редуктора почти всегда требуется заземление кольца; остальные пять существуют в основном для коробок передач и дифференциалов.

Планетарный редуктор по сравнению с другими типами коробок передач

Для более подробной информации о зависимости типа от типа смотрите наши руководства по гармоническому приводу от планетарной передачи и коробке передач от мотор-редуктора .

Технические данные: соотношения, КПД и формулы крутящего момента

Уравнение Уиллиса (коэффициент полезного действия)

Для схемы с фиксированным кольцом / солнечным входом / несущей-выходом фундаментальное планетарное соотношение (уравнение Уиллиса) сводится к следующему:

i = 1 + (Z_кольцо / Z_солнце)

Пример: Z_кольцо = 96, Z_солнце = 24 →  i = 1 + 4 = 5: 1. Количество зубьев планет не входит в соотношение — оно устанавливает только распределение нагрузки и баланс. Многоступенчатые агрегаты умножать: я_итог = я₁ × я₂ × я₃.

Крутящий момент, скорость, и эффективность

выходной крутящий момент и скорость прямо из соотношения и КПД η:

т_из = Т_В × Я × η   и nbsp; (на сцене)
н_из = Н_В / Я
η_общее = η₁ × η₂ × …   (с каждого этапа ~0.95–0.99)

эффективность, температуру, и зазор ограничивает

Многоступенчатая укладка и коэффициент полезного действия AGMA

Поскольку один этап составляет около 10: 1, за счет укладки достигается значительное снижение затрат этапы идут последовательно, каждый в своем собственном гнезде-носителе / кольце. Соотношение увеличивается, но вместе с ним увеличиваются и потери: единица измерения 50: 1 размером 10:1 × 5: 1 теряет ~ 3-5% на каждом этапе, получая в общей сложности около 90-94%. Также накапливается люфт — три стандартные ступени могут составлять в сумме более 30 угловых минут, вот почему в прецизионных сервоприводах используются высококачественные шестерни на каждой ступени, а не на одной.

Для обеспечения долговечности установите размер коробки с учетом коэффициента обслуживания AGMA (или эквивалент ISO), который умножает номинальную нагрузку на режим работы, часы в день, ударные нагрузки и окружающую среду. Для непрерывного конвейера 24/7 при умеренных ударных нагрузках может потребоваться SF ≈ 1,25; для подъемника с прерывистым запуском при резких пусках требуется SF ≈ 1,5–2,0. Здесь недостаточный размер является наиболее распространенной причиной преждевременной усталости зубьев при изгибе (соответствует допустимому напряжению AGMA 2001 / ISO 6336), а не математическое соотношение.

Лучшие области применения планетарной коробки передач

Соедините планетарный редуктор с двигателем через нашу направляющую редуктора и направляющую фланца двигателя.

Типы планетарных редукторов, с которыми вы столкнетесь,

Помимо линейной коаксиальной компоновки, на выбор предлагается несколько вариантов:

• Линейная (коаксиальная) планетарная — вход и выход имеют одну ось; по умолчанию для серворедукторов и редукторов BLDC.
• Прямоугольный планетарный — коническая или червячная ступень на выходе поворачивает вал на 90 °; используется там, где пространство не позволяет использовать прямолинейную трансмиссию.
• Прямозубый против планетарного со спиральными зубьями – прямозубый дешевле и с меньшими потерями, но более шумный на скорости; спиральный работает тише и несет большую нагрузку, но создает осевую тягу, которую должны поглощать подшипники.
• Выход вала против выхода корпуса – в ступице колеса или циклоидальном соседе кольцо или водило может быть вращающимся элементом вместо вала, превращая коробку передач в ступицу крутящего момента.

Почему planetary побеждает в конкурсе по плотности крутящего момента

Преимущество в плотности крутящего момента заключается не в волшебстве, а в геометрии. В цилиндрическом редукторе с параллельным валом нагрузку в любой момент принимает только одна пара зубьев, поэтому корпус должен быть достаточно большим, чтобы выдержала эта единственная сетка. В планетарном наборе солнечныйкрутящий момент распределяется между тремя или более планетарными сетками одновременно, так что на каждый контакт приходится примерно 1 / N от общего количества.

Реактивные силы от планет также компенсируются радиально на водиле, поэтому валы воспринимают почти чистый крутящий момент с небольшим изгибом — вот почему планетарный блок с заданным выходным крутящим моментом обычно на 30-50% меньше и легче эквивалентной цилиндрической коробки передач, и вот почему по умолчанию масса и габаритные размеры ограничены (шарниры роботов, карданные подвесы дронов, приводы на все колеса).

Пошаговый выбор (с отработанным примером)

Контрольный список выбора

1. Определите механизм: частоту вращения двигателя (об / мин), требуемую выходную частоту вращения и выходной крутящий момент.
2. Вычислите соотношение:  i = n_{входящих} / n_{исходящих}. , если >10:1, спланируйте два или более этапа.
3. Проверьте крутящий момент с эффективностью: T_out = T_in × i × _всего; добавьте запас в 20-30%.
4. Выберите степень люфта: <3 угловых минуты для сервопривода позиционирования, стандарт для конвейеров.
5. Подтвердите тепловую / смазочную оболочку (коэффициент полезного действия AGMA) для условий эксплуатации и окружающей среды.

Проработанный пример

Требования: сервооська с двигателем 0,5 Н · м при 3000 об / мин должна выдавать 20 Н · м при 60 об / мин.

• Соотношение:  i = 3000 / 60 =  50: 1. Одноступенчатые максимумы ~ 10: 1 × 5: 1, поэтому используйте две ступени: 10:1 × 5: 1.
• КПД: _всего = 0,97 × 0,97 =  0,941.
• Выходной крутящий момент: T_out  = 0,5 × 50 × 0,941 =  23,5 Н · м ≥ 20 Н · м – запас ~ 18%.
• Частота вращения на выходе: 3000 / 50 = 60 об/мин — точное совпадение.
• Люфт: выберите класс точности < 3 угловых минуты для повторяемого позиционирования.

Вердикт: двухступенчатый планетарный прецизионный агрегат 50: 1 подходит с запасом. Одна ступень не может достигать 50: 1.

Второй, контрастирующий случай показывает ограничение архитектуры: если для одной и той же оси требуется 200: 1, эффективность двух ступеней (10: 1 × 20: 1) уже снизилась бы на ~ 10%, а люфт составил бы ~ 20 угловых минут – в этот момент гармонический привод (одноступенчатый 200: 1, люфт близок к нулю) или червячный механизм (самоблокирующийся) становятся более надежными, несмотря на более низкую эффективность. Планетарныйпредпочтительным местом на самом деле является диапазон 3: 1-100: 1; за его пределами выбирайте торговлю, которую вы можете терпеть (эффективность в сравнении с негативной реакцией или самоблокировкой), а не по привычке.

Матрица быстрого принятия решений

Нелогичный вывод: планетарная компактность – это одноступенчатый роскошь. После ~ 3 стадий потеря эффективности при накоплении (~ 3-5% каждая) и накопление люфта сводят на нет само преимущество, ради которого вы его купили — при экстремальных соотношениях гармоника или червь могут выиграть по соотношению конвертов. Кроме того, плато “больше планет = больше крутящего момента” при трех: 4-5 планетах требует равного распределения нагрузки и более жестких допусков, в противном случае вы получаете неравномерный износ и шум.

Распространенные инженерные ошибки

• Предполагается, что одна ступень достигает 50: 1. Для одноступенчатого планетарного двигателя количество подрезов зубьев ограничено примерно 10: 1; необходимо укладывать ступени друг на друга.
• Используется стандартный люфт для сервопривода. Блок дрейфует со скоростью 10 угловых минут; выберите & lt; 3 угловых минуты для позиционирования осей.
• Игнорируем тепловую оболочку. Срок службы смазки сокращается примерно вдвое при превышении номинальной температуры на 10 ° C — горячая стопка с высоким коэффициентом полезного действия выходит из строя раньше.
• Неправильно установлен держатель. В стандартном редукторе держатель должен вращаться свободно; его закрепление болтами приводит к отключению редуктора.
• Не учитывается радиальная нагрузка на планетарные штифты. Размер подшипников соответствует SKF L10; при перегрузке в держателе образуются трещины.
• Ожидается самоблокировка. Планетарный механизм не самоблокируется – добавьте тормоз или используйте червячный механизм, где важна неподвижность.

Устранение неполадок: проблема → Причина → Решение

Большинство отказов планетарных систем объясняются тремя основными причинами: неправильной архитектурой передаточного числа (требующей от одной ступени выполнения того, что могут только ступенчатые ступени), недостаточными размерами подшипников / шестерен по сравнению с коэффициентом полезного действия AGMA и несоответствием степени люфта контуру управления. В таблице ниже приведены симптомы, которые инженеры фактически видят в полевых условиях, с учетом физической причины и способа устранения — используйте его во время ввода в эксплуатацию, а не после выхода из строя линии.

Часто задаваемые вопросы

Почему стоит выбрать Greensky для планетарных коробок передач?

Greensky Power производит планетарные редукторные двигатели (рядные и прямоугольные), планетарные редукторные двигатели постоянного тока и гармонический привод сборки, поэтому мы рекомендуем архитектуру, соответствующую вашим обязанностям, а не навязывать одну технологию. Все агрегаты соответствуют характеристикам двигателя IEC 60034-1  и доступны в классах IE3 / IE4; передаточные числа, степени люфта и монтажные фланцы соответствуют стандартным интерфейсам по низкой цене. Наша команда разработчиков обеспечивает индивидуальные передаточные числа и интеграцию двигателей в течение 4-6 недель —  запросите индивидуальное предложение →  или свяжитесь с нашей командой инженеров.

Связанные ресурсы

• Гармонический привод в сравнении с планетарной передачей — выбор типа на уровне
• Коробка передач в сравнении с мотор-редуктором — что указать
• Объясняется червячный редуктор — альтернатива с самоблокирующейся передачей
• Все о червячных передачах — эффективность и грузоподъемность
• Зачем манипуляторам нужны редукторы скорости
• Особенности двигателя со ступицей — все четыре топологии двигателей
• Шаговые двигатели — сопряжение с планетарными редукторами
• Наши возможности по производству двигателей-редукторов

Ссылки

1. IEC 60034-1: 2022 — Вращающиеся электрические машины, часть 1: Характеристики. webstore.iec.ch/publication/64888
2. IEC 60034-30-1 — Классы эффективности вращающихся электрических машин (IE1–IE5). webstore.iec.ch/publication/67563
3. NEMA MG 1-2024 — Двигатели и генераторы. nema.org/standards/view/Motors-and-Generators
4. AGMA 2001 / AGMA 6034 — Оценка передач и практика применения закрытого редуктора. agma.org/standards
5. ISO 6336 — Расчет грузоподъемности цилиндрических и косозубых передач. iso.org/standard/76425.html
6. ISO 1328 — Цилиндрическая передача — система допусков на зубья ISO. iso.org/standard/76414.html
7. IEEE 112 — Процедура испытаний многофазных асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока. standards.ieee.org/ieee/112/4703
8. Министерство энергетики США — Эффективность двигателей и приводных систем. energy.gov/eere/motors
9. SKF — Расчет срока службы подшипников (L10) для редукторов. skf.com/group/technical-insights/bearings
10. Технический каталог Siemens — SIMOGEAR gear motors. assets.new.siemens.com/…/simogear
11. Технология maxon — Gear (скачать). maxongroup.com/…/gear-download
12. FAULHABER — Ноу-хау в области приводных технологий. faulhaber.com/en/know-how