Overhead Crane Planetary Gearbox: Paano Gumagawa ng Maramihang Ratio ang Apat na Bahagi

Kapag binuwag mo ang isang automatic transmission, isang overhead crane planetary gearbox, o ilang robot joint reducers, paulit-ulit mong makikita ang isang natatanging istruktura ng gear: isang maliit na gear sa gitna, ilang maliliit na gear sa paligid nito, at isang panlabas na singsing na may mga panloob na ngipin.

Parang wala itong iba kundi "ilang gears na nakaayos nang pabilog," ngunit kaya nitong bawasan ang bilis, dagdagan ang bilis, baliktad na pag-ikot, at coaxial transmission sa napakaliit na espasyo. Kaya pa nga nitong gumawa ng ibang-iba na planetary gear ratio sa pamamagitan lamang ng pagpapalit kung aling component ang nakapirmi, kung alin ang input, at kung alin ang output.

Ito ay isang planetary gear set. Ang nagpapalakas dito ay hindi ang bilang ng mga gear, kundi ang mahigpit na kinematikong ugnayan sa pagitan ng apat na pangunahing bahagi nito.

Tandaan muna ang isang punto: ang isang planetary gear set ay hindi nagbabago ng ratio nito sa pamamagitan ng "paglipat sa ibang set ng mga gear." Sa halip, muling ipinamamahagi nito ang galaw ng buong gear set sa pamamagitan ng pagbabago ng input, output, at mga nakapirming relasyon sa pagitan ng sun gear, ring gear, at planet carrier.

1. Ano ang Apat na Bahagi ng isang Planetary Gearbox?

1.1 Sun Gear: Ang Sentral na Gear ng Sistema

Ang sun gear ay matatagpuan sa gitna at karaniwang nakakabit sa ilang planet gears nang sabay-sabay. Sa maraming reducers, ang input shaft ng isang electric motor o hydraulic motor ay direktang nakakonekta sa sun gear, kaya madalas nitong dinadala ang high-speed input. Ang bilang ng mga ngipin sa sun gear ay ipinapahiwatig ng Z._s, at ang angular na bilis nito sa pamamagitan ng ω_s.

1.2 Mga Planet Gear: Umiikot sa Kanilang Sariling mga Palakol Habang Umiikot sa Araw

Ang mga planet gear ang pinakakawili-wiling bahagi ng mekanismo. Ang bawat planet gear ay umiikot sa paligid ng sarili nitong axis habang umiikot sa sun gear kasama ang planet carrier. Kasabay nito, ito ay sumasama sa parehong sun gear at sa internal ring gear.

Ang pagdaragdag ng bilang ng mga planetang gear ay hindi nagbabago sa teoretikal na ratio ng isang simpleng mekanismo ng planetang gear. Gayunpaman, kapag angkop ang disenyo at maayos ang pagbabahagi ng karga, maaaring magbahagi ng karga ang maraming planetang gear. Ito ang isang dahilan kung bakit nakakamit ng isang planetary gearbox ang mataas na torque density.

1.3 Ring Gear: Nakapaloob sa Buong Set ng Gear

Ang ring gear ay matatagpuan sa labas, kung saan ang mga ngipin nito ay nakaharap papasok. Ito ay bumubuo ng isang panloob na lambat kasama ang mga planetang gear. Ang ring gear ay maaaring nakapirmi o gamitin bilang alinman sa input o output element. Ang bilang ng mga ngipin sa ring gear ay ipinapahiwatig ng Z._r, at ang angular na bilis nito sa pamamagitan ng ω_r.

1.4 Tagadala ng Planeta: Pagtukoy Kung Paano Gumagalaw ang mga Planeta Bilang Isang Grupo

Ang mga planetang gear ay hindi umiikot nang walang suporta. Ang kanilang mga shaft ay nakakabit sa planetang carrier. Kinokonekta ng carrier ang mga planetang gear sa isang assembly, kaya ang pag-ikot ng carrier ay kumakatawan sa rebolusyon ng mga planetang gear sa paligid ng sun gear. Ang angular speed ng carrier ay tinutukoy ng ω_cSa maraming industrial reducers, ang karaniwang kaayusan ay ang pag-aayos ng ring gear, paggamit ng sun gear bilang input, at paggamit ng planet carrier bilang output.

2. Ang Tunay na Core ng Planetary Gear Ratio: Isang Ekwasyon ang Nag-uugnay sa Tatlong Umiikot na Miyembro

Sa isang ordinaryong fixed-axis gear train, ang mga posisyon ng dalawang gear axes ay nakapirmi, kaya ang ratio ay medyo madaling maunawaan. Iba ang isang planetary gear set: ang mga axes ng planet gears ay gumagalaw kasama ng planet carrier, kaya ang simpleng tuntunin ng "mga ngipin ng driving-gear na hinati sa mga ngipin ng driven-gear" ay hindi maaaring direktang mailapat.

Para sa pinakakaraniwang simpleng set ng planetary gear, ang equation ni Willis ay nagpapahayag ng ugnayan ng bilis sa pagitan ng sun gear, ring gear, at planet carrier:

Dito, ωₛ, ωᵣ, at ω꜀ ay ang mga angular speed ng sun gear, ring gear, at planet carrier, ayon sa pagkakabanggit; Zₛ at Zᵣ ay ang bilang ng mga ngipin sa sun gear at ring gear.

Ang pinakamahalagang bahagi ng ekwasyong ito ay hindi ang tandang minus, kundi ang katotohanan na ω꜀ ay ibabawas mula sa parehong bilis. Sa madaling salita, ang meshing relationship sa isang planetary gear set ay dapat maunawaan sa isang reference frame na umiikot kasama ng planetang carrier.

Kapag alam na ang bilis o nakapirming kondisyon ng alinmang dalawang miyembro, maaaring kalkulahin ang bilis ng pangatlo. Samakatuwid, ang parehong set ng gear ay maaaring magdulot ng ganap na magkakaibang resulta ng paggalaw nang hindi binabago ang bilang ng ngipin.

Bakit tila napakatalino nito? Sa mga sun gear, ring gear, at planet carrier, ang pag-aayos ng kahit isang miyembro at pagpili ng input at output mula sa dalawa pa ay nagbubunga ng iba't ibang kombinasyon ng reduction, speed increase, o reverse rotation. Ang istruktura ay nananatiling hindi nagbabago, ngunit ang relasyon ng galaw ay nagbabago.

3. Ang Pinakakaraniwang Kaayusan: Ring Gear Fixed, Sun Input, Carrier Output

Ito ay isang karaniwang pangunahing kaayusan sa mga overhead crane travel gearbox, slewing reducers, at maraming industrial planetary gearbox. Hayaang nakapirmi ang ring gear, kaya ωᵣ = 0Ang pagpapalit ng kundisyong ito sa ekwasyon ni Willis ay nagbibigay ng:

Kung ang sun gear ay may 20 ngipin at ang ring gear ay may 60 ngipin:

Ang sun gear ay umiikot nang apat na ikot habang ang planet carrier ay umiikot nang humigit-kumulang isang ikot. Kung ang bilis ng input ng sun gear ay 1,200 r/min, kung gayon, kung hindi papansinin ang mga losses, ang teoretikal na bilis ng output ng planet carrier ay humigit-kumulang 300 r/min.

Ito ay tipikal na pagbawas ng bilis na may kasamang pagpaparami ng torque. Sa teorya, kapag hindi pinansin ang mga pagkawala, ang pagbabawas ng bilis sa humigit-kumulang isang-kapat ay nagpapataas ng output torque nang naaayon. Dapat ding isaalang-alang ng aktwal na kagamitan ang mga pagkawala ng gear-meshing, mga pagkawala ng bearing, mga kondisyon ng pagpapadulas, at iba pang mga salik.

4. Ang Parehong Gears ay Nagbubunga ng Ganap na Magkaibang Resulta Kapag Ibang Miyembro ang Naayos

Isang karaniwang hindi pagkakaunawaan ay ang natural na iisang ratio lamang ang mayroon ang isang planetary gear set. Ang ratio ay hindi lamang natutukoy ng bilang ng ngipin, kundi pati na rin ng kung aling miyembro ang nakapirmi, kung alin ang input, at kung alin ang output.

Kung ang lahat ng tatlong pangunahing miyembro ay pinapayagang gumalaw, at ang isang miyembro ay kinokontrol ng clutch, preno, o iba pang pinagmumulan ng kuryente, ang sistema ay maaaring magbigay ng mas kumplikadong multi-speed transmission o power-split functions. Ito ay isang mahalagang dahilan kung bakit malawakang ginagamit ang mga planetary gear set sa mga automatic transmission at hybrid power-split mechanisms.

5. Bakit Nakakapagpadala ng Mataas na Torque ang Isang Planetary Gear Set sa Ganoon Kaliit na Espasyo?

Hindi naman misteryoso ang dahilan. Ang susi ay ang “maraming sabay-sabay na mesh points kasama ang coaxial arrangement.”

Sa isang ordinaryong pares ng gear, ang pangunahing karga ay nakapokus sa isang pares ng meshing. Sa isang mekanismong planetary, maraming planetang gear ang maaaring mag-mesh sa sun gear at ring gear nang sabay-sabay. Kapag angkop ang disenyo at pare-pareho ang distribusyon ng karga, ang input torque ay maaaring ibahagi ng maraming planetang gear.

Kasabay nito, ang sun gear, ring gear, at planet carrier ay maaaring maiayos sa iisang axis. Hindi kailangang i-offset nang pahalang ang input at output shafts dahil nasa isang ordinaryong parallel-shaft reducer ang mga ito. Ang resulta ay mas mataas na torque density at mas siksik na pagkakaayos sa loob ng magkatulad na kabuuang laki.

Gayunpaman, ang "mas maraming planetang gear" ay hindi dapat unawain nang napakasimple.

Ang pagdaragdag ng bilang ng mga planet gear ay hindi nagbabago sa theoretical ratio, ngunit hindi ito nangangahulugan na ang load ay awtomatikong maipapamahagi nang pantay. Ang mga error sa paggawa, mga error sa lead, bearing clearance, katumpakan ng pagpoposisyon ng planet-pin, at structural deformation ay pawang nakakaapekto sa load sharing. Ang mga high-load planetary gearbox ay kadalasang nangangailangan ng nakalaang disenyo ng load-sharing.

6. Bakit Partikular na Sikat ang mga Planetary Gear sa mga Automatic Transmission?

Ang isang planetary gear set ay may bentahe na mahirap ibigay nang sabay-sabay ng isang ordinaryong fixed-axis gear train: kayang kontrolin ng mga clutch at preno ang koneksyon at pagla-lock ng iba't ibang miyembro, na nagpapahintulot sa parehong gear set na makagawa ng maraming ratio.

Bilang isang konseptwal na halimbawa, maaaring ikabit ng isang posisyon ng gear ang ring gear, gamitin ang sun gear bilang input, at gamitin ang planet carrier bilang output. Ang isa pang posisyon ng gear ay nagpapalit sa naka-lock na miyembro. Maaari ring i-lock ng isang clutch ang dalawang miyembro upang makagawa ng direct-drive state na malapit sa 1:1.

Nangangahulugan ito na ang transmisyon ay hindi nangangailangan ng ganap na hiwalay na pares ng gear na may nakapirming aksis para sa bawat posisyon ng gear. Ang istruktura nito ay maaaring maging mas siksik, at ang lohika ng paglipat nito ay maaaring maging mas nababaluktot.

Dapat bigyang-diin na ang mga modernong awtomatikong transmisyon ay karaniwang gumagamit ng mga compound planetary gear set, maraming planetary row, at mga kombinasyon ng ilang clutch. Ang kanilang aktwal na mga kalkulasyon ng ratio ay mas kumplikado kaysa sa isang simpleng planetary gear set.

7. Bakit Umaasa sa mga Planetary Reducer ang mga Overhead Crane at Makinarya sa Konstruksyon?

Ang mga planetary gear ay matatagpuan sa mga excavator travel motor, mga mekanismo ng overhead crane travel, ilang partikular na mekanismo ng slewing, mga gearbox ng overhead crane winch, at malalaking industriyal na lugar.

Ang mga overhead crane at makinarya sa konstruksyon ay dapat lutasin ang isang tipikal na tunggalian: ang hydraulic motor o electric motor ay tumatakbo sa medyo mataas na bilis, habang ang drive wheel, tambol ng lubid, o mekanismo ng slewing ay nangangailangan ng mababang bilis at mataas na metalikang kuwintas. Kasabay nito, ang espasyo sa pag-install ay kadalasang napakaliit.

Ang isang planetary reducer ay angkop na angkop sa mga kondisyon ng pagpapatakbo na ito: ito ay coaxial at siksik, maaaring magbigay ng malaking reduction ratio, at maaaring gumamit ng maraming yugto nang serye upang higit pang mabawasan ang bilis at mapataas ang output torque.

Gayunpaman, ang isang planetary gear set ay hindi isang pangkalahatang solusyon na gumagana lamang sa pamamagitan ng pagkabit. Dapat ding suriin ng aktwal na disenyo ang lakas ng pagkakadikit ng ngipin sa ibabaw, lakas ng pagbaluktot ng ngipin sa ugat, buhay ng bearing, planet-pin loading, lubrication, thermal balance, kahusayan, impact load, at mga kinakailangan sa pagpreno.

8. Isang Madaling Makaligtaan na Kondisyong Heometriko: Ang Bilang ng Ngipin ay Hindi Maaring Piliin Nang Walang Arbitraryo

Sa isang simpleng planetary gear set, ang sun gear, planet gears, at ring gear ay dapat matugunan ang isang pangunahing geometric na relasyon. Para sa isang simpleng pagkakaayos na may parehong module at standard meshing, ang karaniwang relasyon ay:

Kung ang sun gear ay may 20 ngipin at ang planet gear ay may 20 ngipin, ang ring gear ay karaniwang nangangailangan ng 60 ngipin upang matugunan ang relasyon ng center-distance.

Kung ang maraming planetang gear ay nais na pantay na maisaayos, ang yugto ng pag-assemble at ang posibleng geometric interference sa pagitan ng magkakatabing planetang gear ay dapat ding suriin. Sa madaling salita, ang pagkalkula ng ratio ay unang hakbang lamang. Kinakailangan ang karagdagang disenyo upang ang gear set ay magawa, mabubuo, at kayang dalhin ang karga.

9. Apat na Pahayag ang Sapat na para Maunawaan ang Isang Planetary Gear Set

• Ang gear ng araw ay nasa gitna; ang mga gear ng planeta ay umiikot sa sarili nitong mga ehe at umiikot sa paligid ng araw; ang ring gear ay nakapalibot sa mga ito; at ang planetang carrier ay nagdadala ng mga gear ng planeta bilang isang grupo.
• Ang bilang ng mga planet gear sa pangkalahatan ay hindi nagbabago sa teoretikal na ratio, ngunit maaaring ibahagi ng mga gear ang karga kapag ang distribusyon ng karga ay wastong idinisenyo.
• Ang parehong planetary gear set ay maaaring makagawa ng iba't ibang reduction, speed-acceleration, o reverse na relasyon sa pamamagitan ng pagpapalit ng fixed member, input member, at output member.
• Ang pinakakaraniwang kaayusan ng pagbawas ay nag-aayos ng ring gear, ginagamit ang sun gear bilang input, at ginagamit ang planet carrier bilang output. Sa kasong ito, i = 1 + Zᵣ / Zₛ.

Pangwakas na Paalala: Ang Tunay Nitong Lakas ay Hindi ang Bilang ng mga Gear, kundi ang Paggamit ng mga Degrees of Freedom

Ang isang ordinaryong gear drive ay parang dalawang taong magkahawak-kamay: ang isa ay umiikot, at ang isa naman ay sumusunod, kaya ang ugnayan ay direkta. Ang isang planetary gear set ay parang isang grupo ng mga taong sama-samang gumagalaw sa isang umiikot na plataporma. Ang plataporma mismo ay maaaring gumalaw, at ang panlabas na singsing ay maaari ring gumalaw, kaya ang parehong kombinasyon ng gear ay maaaring magdulot ng ganap na magkakaibang resulta.

Ito ang pinakakawili-wiling katangian ng isang planetary gear set. Gamit ang apat na pangunahing bahagi—ang sun gear, planet gears, ring gear, at planet carrier—pinagsasama nito ang compact na istraktura, maraming ratio, coaxial transmission, at mataas na torque density sa iisang mekanismo.

Sa susunod na makakita ka ng planetary reducer sa makinarya ng konstruksyon, magtanong muna ng tatlong tanong: Aling miyembro ang nakapirmi? Aling miyembro ang input? Aling miyembro ang output? Kapag nasagot na ang tatlong tanong na ito, mauunawaan mo na kung bakit umiikot nang ganito ang planetary gear set.

Paalala: Ang artikulong ito ay inilaan bilang isang panimula sa mga prinsipyong mekanikal. Ang mga equation ay batay sa mga kinematikong ugnayan ng isang mainam na simpleng planetary gear set. Ang aktwal na disenyo ng overhead crane gearbox ay dapat ding isaalang-alang ang pagbabago sa profile ng ngipin, katumpakan ng paggawa, pagbabahagi ng karga, lakas, kahusayan, pagpapadulas, mga bearings, at thermal balance.

Zora Zhao

Eksperto sa Overhead Crane/Gantry Crane/Jib Crane/Crane Parts Solutions

Sa 10+ taong karanasan sa Crane Overseas Export Industry, nakatulong sa 10,000+ na customer sa kanilang mga tanong at alalahanin bago ang pagbebenta, kung mayroon kang anumang nauugnay na pangangailangan, mangyaring huwag mag-atubiling makipag-ugnayan sa akin!

WhatsApp: +86 189 3735 0200

Email: zorazhao@dgcrane.com