Planetaire tandwielkast voor bovenloopkranen: hoe vier componenten meerdere overbrengingsverhoudingen creëren

Als je een automatische transmissie, een planetaire tandwielkast van een bovenloopkraan of bepaalde robotgewrichtreductoren uit elkaar haalt, zie je steeds weer een zeer kenmerkende tandwielstructuur: een klein tandwiel in het midden, meerdere kleine tandwielen eromheen en een buitenring met inwendige tanden.

Het lijkt op niets meer dan "een aantal tandwielen in een cirkel", maar het kan snelheidsreductie, snelheidsverhoging, omgekeerde rotatie en coaxiale transmissie in een zeer kleine ruimte mogelijk maken. Het kan zelfs een compleet andere planetaire overbrengingsverhouding creëren door simpelweg te veranderen welk onderdeel vast is, welk de ingang is en welk de uitgang.

Dit is een planetair tandwielstelsel. De kracht ervan schuilt niet in het aantal tandwielen, maar in de strikte kinematische relatie tussen de vier kernonderdelen.

Onthoud allereerst één ding: een planetair tandwielstelsel verandert zijn overbrengingsverhouding niet door "over te schakelen naar een ander tandwielstelsel". In plaats daarvan herverdeelt het de beweging van het gehele tandwielstelsel door de ingaande, uitgaande en vaste verhoudingen tussen het zonnetandwiel, het ringtandwiel en de planeetdrager te veranderen.

1. Wat zijn de vier onderdelen van een planetaire tandwielkast?

1.1 Zonnetandwiel: Het centrale tandwiel van het systeem

Het zonnewiel bevindt zich in het midden en grijpt normaal gesproken tegelijkertijd in op meerdere planeetwielen. In veel reductiekasten is de ingaande as van een elektromotor of hydraulische motor rechtstreeks verbonden met het zonnewiel, waardoor deze vaak de hogesnelheidsinput verzorgt. Het aantal tanden van het zonnewiel wordt aangeduid met Z._S, en de hoeksnelheid ervan door ω_S.

1.2 Planetaire tandwielen: Roteren om hun eigen as terwijl ze om de zon draaien

De planeetwielen vormen het meest interessante onderdeel van het mechanisme. Elk planeetwiel draait om zijn eigen as, terwijl het tegelijkertijd rond het zonnewiel en de planeetdrager draait. Tegelijkertijd grijpt het in op zowel het zonnewiel als de binnenste ringtandwiel.

Het verhogen van het aantal planeetwielen verandert de theoretische overbrengingsverhouding van een eenvoudig planetair tandwielmechanisme niet. Echter, bij een geschikt ontwerp en een goede lastverdeling kunnen meerdere planeetwielen de last wel degelijk delen. Dit is een van de redenen waarom een planetaire tandwielkast een hoge koppelingsdichtheid kan bereiken.

1.3 Ringtandwiel: Omsluit de gehele tandwielset

Het ringtandwiel bevindt zich aan de buitenkant, met de tanden naar binnen gericht. Het vormt een interne vertanding met de planeetwielen. Het ringtandwiel kan vast gemonteerd zijn of als in- of uitgaande tandwiel worden gebruikt. Het aantal tanden van het ringtandwiel wordt aangeduid met Z._R, en de hoeksnelheid ervan door ω_R.

1.4 Planetendrager: Bepalen hoe de planeten als groep bewegen

De planeetwielen draaien niet zonder ondersteuning. Hun assen zijn gemonteerd op de planeetdrager. De drager verbindt de planeetwielen tot één geheel, waardoor de rotatie van de drager de omwenteling van de planeetwielen rond het zonnewiel vertegenwoordigt. De hoeksnelheid van de drager wordt aangeduid met ω._CBij veel industriële reductoren is het gebruikelijk om het ringtandwiel vast te zetten, het zonnetandwiel als ingang te gebruiken en de planeetdrager als uitgang.

2. De ware kern van de planetaire overbrengingsverhouding: één vergelijking verbindt de drie roterende onderdelen.

Bij een gewone tandwieloverbrenging met vaste assen zijn de posities van de twee tandwielassen vast, waardoor de overbrengingsverhouding relatief intuïtief is. Een planetaire tandwieloverbrenging is anders: de assen van de planeetwielen bewegen mee met de planeetdrager, waardoor de eenvoudige regel "aantal tanden van het aandrijftandwiel gedeeld door het aantal tanden van het aangedreven tandwiel" niet direct kan worden toegepast.

Voor de meest voorkomende eenvoudige planetaire tandwieloverbrenging beschrijft de Willis-vergelijking de snelheidsverhouding tussen het zonnewiel, het ringwiel en de planeetdrager:

Hier, ωₛ, ωᵣ, En ω꜀ en zijn respectievelijk de hoeksnelheden van het zonnewiel, het ringwiel en de planeetdrager; Zₛ En Zᵣ Dit is het aantal tanden op het zonnewiel en het ringwiel.

Het belangrijkste onderdeel van deze vergelijking is niet het minteken, maar het feit dat ω꜀ wordt van beide snelheden afgetrokken. Met andere woorden, de vertandingsrelatie in een planetair tandwielstelsel moet worden begrepen in een referentiekader dat meedraait met de planeetdrager.

Als de snelheid of de vaste toestand van twee onderdelen bekend is, kan de snelheid van het derde onderdeel worden berekend. Dezelfde tandwieloverbrenging kan dus compleet verschillende bewegingsresultaten opleveren zonder het aantal tanden te veranderen.

Waarom lijkt dit zo geniaal? Door één van de onderdelen, het zonnewiel, het ringwiel en de planeetdrager vast te zetten en de in- en uitgang van de andere twee te kiezen, ontstaan verschillende combinaties van reductie, snelheidsverhoging of omgekeerde rotatie. De structuur blijft onveranderd, maar de bewegingsverhouding verandert.

3. De meest voorkomende configuratie: Ringtandwiel vast, zonne-ingang, drageruitgang.

Dit is een veelvoorkomende basisopstelling in aandrijfassen van bovenloopkranen, zwenkreductoren en veel industriële planetaire tandwielkasten. Laat het ringtandwiel vastzitten, zodat ωᵣ = 0Door deze voorwaarde in de Willis-vergelijking te substitueren, verkrijgen we:

Als het zonnewiel 20 tanden heeft en het ringwiel 60 tanden:

Het zonnewiel maakt vier omwentelingen, terwijl de planeetdrager ongeveer één omwenteling maakt. Als de ingangssnelheid van het zonnewiel 1200 omwentelingen per minuut is, dan is de theoretische uitgangssnelheid van de planeetdrager, afgezien van verliezen, ongeveer 300 omwentelingen per minuut.

Dit is een typisch voorbeeld van snelheidsverlaging met koppelvermeerdering. Theoretisch gezien, als verliezen worden verwaarloosd, zorgt een snelheidsverlaging tot ongeveer een kwart voor een overeenkomstige toename van het uitgangskoppel. In de praktijk moet echter ook rekening worden gehouden met tandwielverliezen, lagerverliezen, smeringsomstandigheden en andere factoren.

4. Dezelfde tandwielen leveren totaal verschillende resultaten op wanneer een ander onderdeel is bevestigd.

Een veelvoorkomend misverstand is dat een planetaire tandwieloverbrenging van nature slechts één overbrengingsverhouding heeft. De verhouding wordt niet alleen bepaald door het aantal tanden, maar ook door welk onderdeel vastzit, wat de ingang is en wat de uitgang.

Als alle drie de belangrijkste onderdelen vrij kunnen bewegen en één onderdeel wordt aangestuurd door een koppeling, rem of andere krachtbron, kan het systeem complexere transmissies met meerdere versnellingen of vermogensverdelingsfuncties bieden. Dit is een belangrijke reden waarom planetaire tandwieloverbrengingen veelvuldig worden gebruikt in automatische transmissies en hybride vermogensverdelingssystemen.

5. Waarom kan een planetaire tandwieloverbrenging een hoog koppel overbrengen in zo'n kleine ruimte?

De reden is niet mysterieus. De sleutel is "meerdere gelijktijdige mesh-punten plus coaxiale opstelling".

Bij een gewoon tandwielpaar is de hoofdlast geconcentreerd op één in elkaar grijpend paar. In een planetair mechanisme kunnen meerdere planeetwielen tegelijkertijd in contact staan met het zonnewiel en het ringwiel. Bij een geschikt ontwerp en een gelijkmatige lastverdeling kan het ingangskoppel over meerdere planeetwielen worden verdeeld.

Tegelijkertijd kunnen het zonnewiel, het ringwiel en de planeetdrager op dezelfde as worden geplaatst. De in- en uitgaande assen hoeven niet zijdelings ten opzichte van elkaar te worden verschoven, zoals bij een gewone parallelle-asreductor. Het resultaat is een hogere koppelingsdichtheid en een compactere constructie bij vergelijkbare totale afmetingen.

De term "meer planeetwielen" moet echter niet te eenvoudig worden opgevat.

Het verhogen van het aantal planeetwielen verandert de theoretische overbrengingsverhouding niet, maar dit betekent niet dat de belasting automatisch gelijkmatig verdeeld wordt. Productiefouten, spoedafwijkingen, lagerspeling, positioneringsnauwkeurigheid van de planeetwielen en structurele vervormingen hebben allemaal invloed op de lastverdeling. Planetaire tandwielkasten voor zware belastingen vereisen vaak een specifiek ontwerp voor lastverdeling.

6. Waarom zijn planetaire tandwielen zo populair in automatische transmissies?

Een planetair tandwielstelsel heeft een voordeel dat een gewone tandwieloverbrenging met vaste assen moeilijk tegelijkertijd kan bieden: koppelingen en remmen kunnen de verbinding en vergrendeling van verschillende onderdelen regelen, waardoor hetzelfde tandwielstelsel meerdere overbrengingsverhoudingen kan produceren.

Als conceptueel voorbeeld: in één versnellingsstand kan het kroonwiel vastgezet worden, het zonnewiel als ingang gebruikt worden en de planeetdrager als uitgang. In een andere versnellingsstand verandert het vergrendelde onderdeel. Een koppeling kan ook twee onderdelen aan elkaar vergrendelen om een directe aandrijving te creëren die dicht bij een verhouding van 1:1 ligt.

Dit betekent dat de transmissie geen volledig apart, vast gemonteerd tandwielpaar nodig heeft voor elke versnellingspositie. De constructie kan compacter zijn en de schakellogica flexibeler.

Het moet benadrukt worden dat moderne automatische transmissies doorgaans gebruikmaken van samengestelde planetaire tandwielstelsels, meerdere planetaire rijen en combinaties van verschillende koppelingen. De berekening van de overbrengingsverhoudingen is daardoor veel complexer dan die van een enkelvoudig planetair tandwielstelsel.

7. Waarom maken bovenloopkranen en bouwmachines gebruik van planetaire overbrengingssystemen?

Planetaire tandwieloverbrengingen zijn te vinden in aandrijfmotoren van graafmachines, aandrijfmechanismen van bovenloopkranen en bepaalde zwenkmechanismen. tandwielkasten voor bovenloopkraanlierenen grote industriële aandrijvingen.

Bovenloopkranen en bouwmachines moeten een typisch conflict oplossen: de hydraulische motor of elektromotor draait met een relatief hoge snelheid, terwijl het aandrijfwiel, touwtrommelEen zwenkmechanisme vereist een lage snelheid en een hoog koppel. Tegelijkertijd is de beschikbare installatieruimte vaak zeer beperkt.

Een planetaire reductiekast is zeer geschikt voor deze bedrijfsomstandigheden: hij is coaxiaal en compact, kan een grote overbrengingsverhouding bieden en kan gebruikmaken van meerdere trappen in serie om de snelheid verder te verlagen en het uitgangskoppel te verhogen.

Een planetaire tandwieloverbrenging is echter geen universele oplossing die werkt zodra deze is geïnstalleerd. Bij het daadwerkelijke ontwerp moet ook rekening worden gehouden met de contactsterkte van de tandoppervlakken, de buigsterkte van de tandwortel, de levensduur van de lagers, de belasting van de planeetassen, de smering, de thermische balans, het rendement, de stootbelasting en de remvereisten.

8. Een gemakkelijk over het hoofd geziene geometrische voorwaarde: het aantal tanden kan niet willekeurig worden gekozen.

In een eenvoudig planetair tandwielstelsel moeten het zonnewiel, de planeetwielen en het ringwiel voldoen aan een fundamentele geometrische relatie. Voor een eenvoudige opstelling met dezelfde module en standaard vertanding is de gebruikelijke relatie:

Als het zonnewiel 20 tanden heeft en het planeetwiel 20 tanden, dan heeft het ringwiel normaal gesproken 60 tanden nodig om aan de hartafstandverhouding te voldoen.

Als meerdere planeetwielen gelijkmatig verdeeld moeten worden, moet ook de montagefase en mogelijke geometrische interferentie tussen aangrenzende planeetwielen worden gecontroleerd. Met andere woorden, het berekenen van een verhouding is slechts de eerste stap. Verder ontwerp is nodig om de tandwielset produceerbaar, assembleerbaar en belastbaar te maken.

9. Vier beweringen volstaan om een planetaire tandwieloverbrenging te begrijpen.

• Het zonnewiel bevindt zich in het midden; de planeetwielen draaien om hun eigen as en bewegen rond de zon; het ringwiel omringt ze; en de planeetdrager transporteert de planeetwielen als een groep.
• Het aantal planeetwielen verandert over het algemeen de theoretische overbrengingsverhouding niet, maar de tandwielen kunnen de belasting verdelen als de lastverdeling correct is ontworpen.
• Met dezelfde planetaire tandwieloverbrenging kunnen verschillende reductie-, snelheidsverhogings- of omkeerverhoudingen worden bereikt door het vaste element, het ingaande element en het uitgaande element te veranderen.
• De meest voorkomende reductie-opstelling heeft een vast kroonwiel, gebruikt het zonnewiel als ingang en de planeetdrager als uitgang. In dit geval, i = 1 + Zᵣ / Zₛ.

Tot slot: de werkelijke kracht zit hem niet in het aantal versnellingen, maar in het gebruik van vrijheidsgraden.

Een gewone tandwieloverbrenging is te vergelijken met twee mensen die elkaars hand vasthouden: de een draait en de ander volgt, dus de relatie is direct. Een planetaire tandwieloverbrenging is meer te vergelijken met een groep mensen die samen bewegen op een roterend platform. Het platform zelf kan bewegen, en de buitenste ring kan ook bewegen, waardoor dezelfde tandwielcombinatie compleet verschillende resultaten kan opleveren.

Dit is het meest fascinerende kenmerk van een planetaire tandwieloverbrenging. Met vier kerncomponenten – het zonnewiel, de planeetwielen, het ringwiel en de planeetdrager – combineert het een compacte structuur, meerdere overbrengingsverhoudingen, coaxiale transmissie en een hoge koppelingsdichtheid in één enkel mechanisme.

De volgende keer dat u een planetaire overbrenging op bouwmachines ziet, stel uzelf dan eerst drie vragen: Welk onderdeel is vast? Welk onderdeel is de ingang? Welk onderdeel is de uitgang? Zodra deze drie vragen beantwoord zijn, begrijpt u in principe waarom de planetaire overbrenging draait zoals hij draait.

Opmerking: Dit artikel is bedoeld als een inleiding tot mechanische principes. De vergelijkingen zijn gebaseerd op de kinematische relaties van een ideaal, eenvoudig planetair tandwielstelsel. Bij het daadwerkelijke ontwerp van een tandwielkast voor een bovenloopkraan moet ook rekening worden gehouden met aanpassingen aan het tandprofiel, fabricagenauwkeurigheid, lastverdeling, sterkte, rendement, smering, lagers en thermische balans.

Zora Zhao

Expert in oplossingen voor bovenloopkranen/portaalkranen/zwenkkranen/kraanonderdelen

Met meer dan 10 jaar ervaring in de Crane Overseas Export Industry, heb ik meer dan 10.000 klanten geholpen met hun pre-sales vragen en zorgen. Als u gerelateerde behoeften heeft, neem dan gerust contact met mij op!

Whatsappen: +86 189 3735 0200

E-mail: zorazhao@dgcrane.com