Planetgearkasse til traverskran: Hvordan fire komponenter skaber flere udvekslingsforhold

Hvis du skiller en automatgearkasse, en planetgearkasse til en traverskran eller visse robotledsreduktionsgear ad, vil du gentagne gange se en meget karakteristisk gearstruktur: et lille tandhjul i midten, flere små tandhjul omkring det og en ydre ring med indvendige tænder.

Det ligner ikke andet end "flere gear arrangeret i en cirkel", men det kan give hastighedsreduktion, hastighedsforøgelse, omvendt rotation og koaksial transmission på meget lille plads. Det kan endda producere et helt andet planetgearforhold blot ved at ændre, hvilken komponent der er fast, hvilken der er input, og hvilken der er output.

Dette er et planetgearsæt. Det, der gør det kraftfuldt, er ikke antallet af gear, men det strenge kinematiske forhold mellem dets fire kernekomponenter.

Husk først én ting: Et planetgear ændrer ikke sit udvekslingsforhold ved at "skifte til et andet sæt gear." I stedet omfordeler det bevægelsen af hele gearsættet ved at ændre input, output og de faste forhold mellem solgearet, ringgearet og planetgearet.

1. Hvad er de fire komponenter i en planetgearkasse?

1.1 Solgear: Systemets centrale gear

Solhjulet er placeret i midten og går normalt i indgreb med flere planethjul på samme tid. I mange reduktionsgear er indgangsakslen på en elektrisk motor eller hydraulisk motor forbundet direkte til solhjulet, så den bærer ofte højhastighedsinputtet. Antallet af tænder på solhjulet er angivet med Z._s, og dens vinkelhastighed med ω_s.

1.2 Planetgear: Roterer om deres egne akser, mens de kredser om solen

Planethjulene er den mest interessante del af mekanismen. Hvert planethjul roterer om sin egen akse, mens det sammen med planethjulsholderen drejer om solhjulet. Samtidig er det i indgreb med både solhjulet og det indvendige ringhjul.

At øge antallet af planetgear ændrer ikke det teoretiske udvekslingsforhold i en simpel planetgearmekanisme. Men når designet er passende, og lastfordelingen er god, kan flere planetgear dele lasten. Dette er en af grundene til, at en planetgearkasse kan opnå en høj momenttæthed.

1.3 Ringgear: Omslutning af hele gearsættet

Ringhjulet er placeret på ydersiden med tænderne vendt indad. Det danner et indvendigt indgreb med planethjulene. Ringhjulet kan være fastmonteret eller bruges som enten indgangs- eller udgangselement. Antallet af tænder på ringhjulet er angivet med Z._r, og dens vinkelhastighed med ω_r.

1.4 Planetbærer: Bestemmelse af, hvordan planeterne bevæger sig som en gruppe

Planetgearene roterer ikke uden støtte. Deres aksler er monteret på planethjulsholderen. Holderen forbinder planetgearene til én samling, så holderens rotation repræsenterer planetgearenes omdrejning omkring solhjulet. Holderens vinkelhastighed er betegnet med ω_cI mange industrielle reduktionsgear er en almindelig anordning at fastgøre ringhjulet, bruge solhjulet som input og bruge planetgearet som output.

2. Den virkelige kerne i planetgearforholdet: Én ligning forbinder de tre roterende elementer

I en almindelig fastakslet tandhjulsdrift er positionerne af de to tandhjulsakser faste, så udvekslingsforholdet er relativt intuitivt. Et planetgearsæt er anderledes: planetgearenes akser bevæger sig med planetholderen, så den simple regel om "drivtandhjulstænder divideret med drevtandhjulstænder" kan ikke anvendes direkte.

For det mest almindelige simple planetgearsæt udtrykker Willis-ligningen hastighedsforholdet mellem solgearet, ringgearet og planetholderen:

Her, ωₛ, ωᵣ, og ω꜀ er henholdsvis vinkelhastighederne for solhjulet, ringhjulet og planetbæreren; Zₛ og Zᵣ er antallet af tænder på solhjulet og ringhjulet.

Den vigtigste del af denne ligning er ikke minustegnet, men det faktum, at ω꜀ trækkes fra begge hastigheder. Med andre ord skal indgrebsforholdet i et planetgear forstås i en referenceramme, der roterer sammen med planethjulsholderen.

Når hastigheden eller den faste tilstand for to medlemmer er kendt, kan hastigheden for det tredje element beregnes. Det samme gearsæt kan derfor producere helt forskellige bevægelsesresultater uden at ændre antallet af tænder.

Hvorfor virker dette så genialt? Blandt solhjulet, ringhjulet og planethjulet vil det at fastgøre et hvilket som helst element og vælge input og output fra de to andre give forskellige kombinationer af reduktion, hastighedsforøgelse eller omvendt rotation. Strukturen forbliver uændret, men bevægelsesforholdet ændrer sig.

3. Den mest almindelige opstilling: Fast ringgear, solindgang, bærerudgang

Dette er en almindelig grundanordning i traverskranens køregearkasser, drejegear og mange industrielle planetgearkasser. Lad ringgearet være fastgjort, så ωᵣ = 0Hvis denne betingelse indsættes i Willis-ligningen, får man:

Hvis solhjulet har 20 tænder og ringhjulet har 60 tænder:

Solhjulet drejer fire omdrejninger, mens planethjulet drejer cirka én omdrejning. Hvis solhjulets indgangshastighed er 1.200 o/min, er planethjulets teoretiske udgangshastighed, når der ses bort fra tab, cirka 300 o/min.

Dette er typisk hastighedsreduktion med momentmultiplikation. I teorien, når tab ignoreres, øges udgangsmomentet tilsvarende ved at reducere hastigheden til cirka en fjerdedel. Det faktiske udstyr skal også tage højde for tandhjulsindgrebstab, lejetab, smøreforhold og andre faktorer.

4. De samme gear giver helt forskellige resultater, når et andet element repareres

En almindelig misforståelse er, at et planetgearsæt naturligt kun har ét udvekslingsforhold. Udvekslingsforholdet bestemmes ikke kun af antallet af tænder, men også af hvilket element der er fastgjort, hvilket er input, og hvilket er output.

Hvis alle tre hovedelementer har tilladelse til at bevæge sig, og ét element styres af en kobling, bremse eller en anden kraftkilde, kan systemet levere mere komplekse flertrinstransmissioner eller kraftdelingsfunktioner. Dette er en vigtig grund til, at planetgearsæt er meget udbredt i automatgearkasser og hybride kraftdelingsmekanismer.

5. Hvorfor kan et planetgear overføre et højt drejningsmoment på så lille et område?

Årsagen er ikke mystisk. Nøglen er "flere samtidige mesh-punkter plus koaksial arrangement."

I et almindeligt tandhjulspar er hovedbelastningen koncentreret på ét indgribende par. I en planetmekanisme kan flere planethjul gå i indgreb med solhjulet og ringhjulet på samme tid. Når designet er passende, og belastningsfordelingen er ensartet, kan indgangsmomentet deles af flere planethjul.

Samtidig kan solhjulet, ringhjulet og planetgearkassen placeres på samme akse. Indgangs- og udgangsakslerne behøver ikke at være forskudt sideværts, som de er i en almindelig parallelakselreduktionsgearkasse. Resultatet er en højere momenttæthed og en mere kompakt anordning inden for en lignende samlet størrelse.

"Flere planetgear" bør dog ikke forstås for enkelt.

En forøgelse af antallet af planetgear ændrer ikke det teoretiske udvekslingsforhold, men det betyder ikke, at belastningen automatisk fordeles ligeligt. Produktionsfejl, føringfejl, lejeslør, planetstiftens positioneringsnøjagtighed og strukturel deformation påvirker alle belastningsfordelingen. Planetgear med høj belastning kræver ofte dedikeret belastningsfordelingsdesign.

6. Hvorfor er planetgear særligt populære i automatgearkasser?

Et planetgearsæt har en fordel, som er vanskelig at opnå på samme tid for et almindeligt gearsæt med fast akse: koblinger og bremser kan styre forbindelsen og låsningen af forskellige dele, hvilket gør det muligt for det samme gearsæt at producere flere udvekslingsforhold.

Som et konceptuelt eksempel kan én gearposition fiksere ringhjulet, bruge solhjulet som input og bruge planetgearet som output. En anden gearposition ændrer det låste element. En kobling kan også låse to elementer sammen for at producere en direkte drevtilstand tæt på 1:1.

Det betyder, at transmissionen ikke behøver et helt separat gearpar med fast akse for hver gearposition. Dens struktur kan være mere kompakt, og dens skiftelogik kan være mere fleksibel.

Det skal understreges, at moderne automatgearkasser normalt bruger sammensatte planetgearsæt, flere planetgearrækker og kombinationer af flere koblinger. Deres faktiske udvekslingsforholdsberegninger er langt mere komplekse end beregningerne af et enkelt simpelt planetgearsæt.

7. Hvorfor er traverskraner og entreprenørmaskiner afhængige af planetariske reduktionsgear?

Planetgear kan findes i gravemaskiners køremotorer, traverskraner, visse drejemekanismer, gearkasser til spil til traverskranerog store industrielle drev.

Traverskraner og entreprenørmaskiner skal løse en typisk konflikt: hydraulikmotoren eller elmotoren kører med relativt høj hastighed, mens drivhjulet, rebetromme, eller drejemekanismen kræver lav hastighed og højt drejningsmoment. Samtidig er installationspladsen ofte meget begrænset.

En planetarisk reduktionsgearkasse er velegnet til disse driftsforhold: den er koaksial og kompakt, kan give et stort reduktionsforhold og kan bruge flere trin i serie for yderligere at reducere hastigheden og øge udgangsmomentet.

Et planetgearsæt er dog ikke en universel løsning, der virker blot ved at blive installeret. Det faktiske design skal også kontrollere kontaktstyrken mellem tand og overflade, bøjningsstyrken mellem tand og rod, lejets levetid, planetstiftbelastning, smøring, termisk balance, effektivitet, stødbelastning og bremsekrav.

8. En let overset geometrisk tilstand: Tandtællinger kan ikke vælges vilkårligt

I et simpelt planetgearsæt skal solgearet, planetgearet og ringgearet opfylde et grundlæggende geometrisk forhold. For et simpelt arrangement med samme modul og standardindgreb er det fælles forhold:

Hvis solhjulet har 20 tænder og planethjulet har 20 tænder, behøver ringhjulet normalt 60 tænder for at opfylde centerafstandsforholdet.

Hvis flere planetgear skal arrangeres jævnt, skal monteringsfasen og eventuel geometrisk interferens mellem tilstødende planetgear også kontrolleres. Med andre ord er beregning af et udvekslingsforhold kun det første trin. Yderligere design er nødvendigt for at gøre gearsættet fremstilleligt, samleligt og i stand til at bære lasten.

9. Fire udsagn er nok til at forstå et planetgearsæt

• Solhjulet er i midten; planethjulene roterer om deres egne akser og drejer rundt om solen; ringhjulet omgiver dem; og planetbæreren bærer planethjulene rundt som en gruppe.
• Antallet af planetgear ændrer generelt ikke det teoretiske udvekslingsforhold, men gearene kan dele belastningen, når belastningsfordelingen er korrekt designet.
• Det samme planetgearsæt kan producere forskellige reduktions-, hastighedsforøgelses- eller omvendte forhold ved at ændre det faste element, indgangselementet og udgangselementet.
• Den mest almindelige reduktionsanordning fikserer ringhjulet, bruger solhjulet som input og bruger planetgearet som output. I dette tilfælde, i = 1 + Zᵣ / Zₛ.

Sidste bemærkning: Dens virkelige styrke er ikke antallet af gear, men brugen af frihedsgrader

Et almindeligt tandhjulsdrev minder mere om to personer, der holder hinanden i hånden: den ene drejer, og den anden følger efter, så forholdet er direkte. Et planetgearsæt minder mere om en gruppe mennesker, der bevæger sig sammen på en roterende platform. Selve platformen kan bevæge sig, og den ydre ring kan også bevæge sig, så den samme tandhjulskombination kan give helt forskellige resultater.

Dette er den mest fascinerende funktion ved et planetgearsæt. Med fire kernekomponenter – solgearet, planetgearet, ringgearet og planetholderen – kombinerer det kompakt struktur, flere udvekslingsforhold, koaksial transmission og høj momenttæthed i en enkelt mekanisme.

Næste gang du ser en planetgearkasse på entreprenørmaskiner, så stil først tre spørgsmål: Hvilket element er fast? Hvilket element er input? Hvilket element er output? Når disse tre spørgsmål er besvaret, kan du grundlæggende forstå, hvorfor planetgearsættet roterer, som det gør.

Bemærk: Denne artikel er ment som en introduktion til mekaniske principper. Ligningerne er baseret på de kinematiske forhold i et ideelt simpelt planetgearsæt. Det faktiske design af en traverskrans gearkasse skal også tage højde for tandprofilmodifikation, fremstillingsnøjagtighed, lastfordeling, styrke, effektivitet, smøring, lejer og termisk balance.

Zora Zhao

Ekspert i løftekran/portalkran/armkran/krandeleløsninger

Med mere end 10 års erfaring i den oversøiske kraneksportindustri hjalp 10.000+ kunder med deres spørgsmål og bekymringer før salg, hvis du har relaterede behov, er du velkommen til at kontakte mig!

WhatsApp: +86 189 3735 0200

E-mail: zorazhao@dgcrane.com