Planetgirkasse for traverskran: Hvordan fire komponenter skaper flere utvekslingsforhold

Hvis du tar fra hverandre en automatgirkasse, en planetgirkasse for traverskraner eller visse reduksjonsgir for robotledd, vil du gjentatte ganger se en veldig særegen girstruktur: et lite gir i midten, flere små gir rundt det og en ytre ring med innvendige tenner.

Det ser ikke ut som noe mer enn «flere gir arrangert i en sirkel», men det kan gi hastighetsreduksjon, hastighetsøkning, revers rotasjon og koaksial overføring på et veldig lite område. Det kan til og med produsere et helt annet planetgirforhold bare ved å endre hvilken komponent som er fast, hvilken som er inngangen, og hvilken som er utgangen.

Dette er et planetgirsett. Det som gjør det kraftig er ikke antallet gir, men det strenge kinematiske forholdet mellom de fire kjernekomponentene.

Husk ett poeng først: et planetgirsett endrer ikke utvekslingsforholdet ved å «bytte til et annet sett med gir». I stedet omfordeler det bevegelsen til hele girsettet ved å endre inngangs-, utgangs- og faste forhold mellom solgiret, ringgiret og planetbæreren.

1. Hva er de fire komponentene i en planetgirkasse?

1.1 Solgir: Systemets sentrale gir

Solgiret er plassert i midten og går vanligvis i inngrep med flere planetgir samtidig. I mange reduksjonsgir er inngangsakselen til en elektrisk motor eller hydraulisk motor koblet direkte til solgiret, så den bærer ofte høyhastighetsinngangen. Antall tenner på solgiret er betegnet med Z._s, og dens vinkelhastighet med ω_s.

1.2 Planetgir: Roterer om sine egne akser mens de går i bane rundt solen

Planetgirene er den mest interessante delen av mekanismen. Hvert planetgir roterer rundt sin egen akse mens det dreier seg rundt solgiret med planetbæreren. Samtidig er det i inngrep med både solgiret og det indre ringgiret.

Å øke antallet planetgir endrer ikke det teoretiske utvekslingsforholdet til en enkel planetgirmekanisme. Men når designet er passende og lastfordelingen er god, kan flere planetgir dele lasten. Dette er én av grunnene til at en planetgirkasse kan oppnå høy momenttetthet.

1.3 Ringgir: Omslutter hele girsettet

Ringgiret er plassert på utsiden, med tennene vendt innover. Det danner et indre inngrep med planetgirene. Ringgiret kan være fastmontert eller brukes som enten inngangs- eller utgangselement. Antall tenner på ringgiret er betegnet med Z._r, og dens vinkelhastighet med ω_r.

1.4 Planetbærer: Bestemme hvordan planetene beveger seg som en gruppe

Planetgirene roterer ikke uten støtte. Akslene deres er montert på planethjulholderen. Hjulet forbinder planetgirene til én enhet, slik at rotasjonen av hjulholderen representerer planetgirenes omdreining rundt solhjulet. Hjulets vinkelhastighet er betegnet med ω_cI mange industrielle reduksjonsgir er en vanlig ordning å feste ringgiret, bruke solgiret som inngang og bruke planetgiret som utgang.

2. Den virkelige kjernen i planetgirforholdet: Én ligning forbinder de tre roterende elementene

I et vanlig gir med fast akse er posisjonene til de to giraksene faste, så utvekslingsforholdet er relativt intuitivt. Et planetgirsett er annerledes: aksene til planetgirene beveger seg med planetholderen, så den enkle regelen om «drivgirtenner delt på drevne girtenner» kan ikke anvendes direkte.

For det vanligste enkle planetgirsettet uttrykker Willis-ligningen hastighetsforholdet mellom solgiret, ringgiret og planetbæreren:

Her, ωₛ, ωᵣ, og ω꜀ er vinkelhastighetene til henholdsvis solgiret, ringgiret og planetbæreren; Zₛ og Zᵣ er antall tenner på solgiret og ringgiret.

Den viktigste delen av denne ligningen er ikke minustegnet, men det faktum at ω꜀ trekkes fra begge hastighetene. Med andre ord må inngrepsforholdet i et planetgirsett forstås i en referanseramme som roterer sammen med planetbæreren.

Når hastigheten eller den faste tilstanden til to av elementene er kjent, kan hastigheten til det tredje elementet beregnes. Det samme girsettet kan derfor produsere helt forskjellige bevegelsesresultater uten å endre tannantallet.

Hvorfor virker dette så genialt? Blant solhjulet, ringhjulet og planetbæreren, gir det å fikse ett av elementene og velge inngang og utgang fra de to andre forskjellige kombinasjoner av reduksjon, hastighetsøkning eller revers rotasjon. Strukturen forblir uendret, men bevegelsesforholdet endres.

3. Det vanligste arrangementet: Fast ringgir, solinngang, bærerutgang

Dette er en vanlig grunnleggende anordning i traverskrangirkasser, svingreduksjonsgir og mange industrielle planetgirkasser. La ringgiret være fast, slik at ωᵣ = 0Ved å sette inn denne betingelsen i Willis-ligningen får vi:

Hvis solgiret har 20 tenner og ringgiret har 60 tenner:

Solhjulet roterer fire omdreininger, mens planethjulet roterer omtrent én omdreining. Hvis solhjulets inngangshastighet er 1200 o/min, er planethjulets teoretiske utgangshastighet omtrent 300 o/min, uten å ta hensyn til tap.

Dette er typisk hastighetsreduksjon med multiplikasjon av moment. I teorien, når tap ignoreres, øker en reduksjon av hastigheten til omtrent en fjerdedel utgangsmomentet tilsvarende. Faktisk utstyr må også ta hensyn til tap i girinngrep, lagertap, smøreforhold og andre faktorer.

4. De samme girene gir helt forskjellige resultater når et annet medlem fikses

En vanlig misforståelse er at et planetgirsett naturlig bare har ett utvekslingsforhold. Utvekslingsforholdet bestemmes ikke bare av antall tenner, men også av hvilket element som er fast, hvilket som er inngangsleddet og hvilket som er utgangsleddet.

Hvis alle tre hovedelementene får bevege seg, og ett element styres av en clutch, brems eller en annen kraftkilde, kan systemet tilby mer komplekse flertrinns girkasser eller kraftdelingsfunksjoner. Dette er en viktig grunn til at planetgirsett er mye brukt i automatgir og hybride kraftdelingsmekanismer.

5. Hvorfor kan et planetgir overføre høyt dreiemoment på så lite plass?

Årsaken er ikke mystisk. Nøkkelen er «flere samtidige nettpunkter pluss koaksialt arrangement».

I et vanlig girpar er hovedbelastningen konsentrert på ett inngripende par. I en planetmekanisme kan flere planetgir gripe inn i solgiret og ringgiret samtidig. Når designet er passende og lastfordelingen er jevn, kan inngangsmomentet deles av flere planetgir.

Samtidig kan solgiret, ringgiret og planetgiret plasseres på samme akse. Inngangs- og utgangsakslene trenger ikke å være sideveis forskjøvet slik de er i en vanlig parallellakselreduksjonsgir. Resultatet er høyere momenttetthet og et mer kompakt arrangement innenfor en lignende totalstørrelse.

Imidlertid bør ikke «flere planetgir» forstås for enkelt.

Å øke antallet planetgir endrer ikke det teoretiske forholdet, men dette betyr ikke at lasten automatisk fordeles likt. Produksjonsfeil, føringfeil, lagerklaring, nøyaktighet i planetpinnens posisjonering og strukturell deformasjon påvirker alle lastfordelingen. Planetgirkasser med høy belastning krever ofte dedikert lastfordelingsdesign.

6. Hvorfor er planetgir spesielt populære i automatgir?

Et planetgirsett har en fordel som er vanskelig for et vanlig gir med fast akse å gi samtidig: clutcher og bremser kan kontrollere tilkoblingen og låsingen av forskjellige elementer, slik at det samme girsettet kan produsere flere utvekslingsforhold.

Som et konseptuelt eksempel kan én girposisjon fikse ringgiret, bruke solgiret som inngang og bruke planetgiret som utgang. En annen girposisjon endrer det låste elementet. En clutch kan også låse to elementer sammen for å produsere en direktedriftstilstand nær 1:1.

Dette betyr at girkassen ikke trenger et helt separat girpar med fast akse for hver girposisjon. Strukturen kan være mer kompakt, og girskiftlogikken kan være mer fleksibel.

Det bør understrekes at moderne automatgir vanligvis bruker sammensatte planetgirsett, flere planetgirrader og kombinasjoner av flere clutcher. De faktiske utvekslingsforholdsberegningene deres er langt mer komplekse enn beregningene for et enkelt planetgirsett.

7. Hvorfor er traverskraner og anleggsmaskiner avhengige av planetariske reduksjonsgir?

Planetgir finnes i gravemaskinens kjøremotorer, traverskraner, visse svingmekanismer, girkasser for vinsjkraner, og store industrielle drivverk.

Traverskraner og anleggsmaskiner må løse en typisk konflikt: hydraulikkmotoren eller elektromotoren går med relativt høy hastighet, mens drivhjulet, tautromme, eller svingmekanismen krever lav hastighet og høyt dreiemoment. Samtidig er installasjonsplassen ofte svært begrenset.

En planetarisk reduksjonsgir er godt egnet for disse driftsforholdene: den er koaksial og kompakt, kan gi et stort reduksjonsforhold og kan bruke flere trinn i serie for å redusere hastigheten ytterligere og øke utgangsmomentet.

Et planetgirsett er imidlertid ikke en universell løsning som fungerer bare ved å bli installert. Faktisk design må også kontrollere kontaktstyrke mellom tannoverflate, bøyestyrke mellom tannrot, lagrenes levetid, belastning på planetpinnen, smøring, termisk balanse, effektivitet, støtbelastning og bremsekrav.

8. En lett oversett geometrisk tilstand: Tanntall kan ikke velges vilkårlig

I et enkelt planetgirsett må solgiret, planetgirene og ringgiret oppfylle et grunnleggende geometrisk forhold. For et enkelt arrangement med samme modul og standard inngrep er det vanlige forholdet:

Hvis solgiret har 20 tenner og planetgiret har 20 tenner, trenger ringgiret normalt 60 tenner for å tilfredsstille senteravstandsforholdet.

Hvis flere planetgir skal plasseres jevnt, må også monteringsfasen og mulig geometrisk interferens mellom tilstøtende planetgir kontrolleres. Med andre ord er beregning av et utvekslingsforhold bare det første trinnet. Ytterligere design er nødvendig for å gjøre girsettet produserbart, monterbart og i stand til å bære lasten.

9. Fire utsagn er nok til å forstå et planetgirsett

• Solhjulet er i sentrum; planethjulene roterer om sine egne akser og dreier seg rundt solen; ringhjulet omgir dem; og planetbæreren bærer planethjulene rundt som en gruppe.
• Antall planetgir endrer vanligvis ikke det teoretiske utvekslingsforholdet, men girene kan dele lasten når lastfordelingen er riktig utformet.
• Det samme planetgirsettet kan produsere forskjellige reduksjons-, hastighetsøknings- eller reverseringsforhold ved å endre det faste elementet, inngangselementet og utgangselementet.
• Den vanligste reduksjonsanordningen fikserer ringgiret, bruker solgiret som inngang og bruker planetbæreren som utgang. I dette tilfellet, i = 1 + Zᵣ / Zₛ.

Siste merknad: Dens virkelige styrke er ikke antall gir, men bruken av frihetsgrader

Et vanlig gir er mer som to personer som holder hender: den ene roterer, og den andre følger etter, så forholdet er direkte. Et planetgirsett er mer som en gruppe mennesker som beveger seg sammen på en roterende plattform. Selve plattformen kan bevege seg, og den ytre ringen kan også bevege seg, så den samme girkombinasjonen kan gi helt forskjellige resultater.

Dette er den mest fascinerende egenskapen til et planetgirsett. Med fire kjernekomponenter – solgiret, planetgirene, ringgiret og planetholderen – kombinerer det kompakt struktur, flere utvekslingsforhold, koaksial girkasse og høy momenttetthet i én mekanisme.

Neste gang du ser en planetgirkasse på anleggsmaskiner, still først tre spørsmål: Hvilket element er fast? Hvilket element er inngangen? Hvilket element er utgangen? Når disse tre spørsmålene er besvart, kan du i utgangspunktet forstå hvorfor planetgirsettet roterer som det gjør.

Merk: Denne artikkelen er ment som en introduksjon til mekaniske prinsipper. Ligningene er basert på de kinematiske forholdene til et ideelt enkelt planetgirsett. Faktisk design av traverskrangirkasser må også ta hensyn til modifikasjon av tannprofil, produksjonsnøyaktighet, lastfordeling, styrke, effektivitet, smøring, lagre og termisk balanse.

Zora Zhao

Ekspert på traverskran/portalkran/jibbkran/krandelerløsninger

Med 10+ års erfaring i kranens oversjøiske eksportindustri, hjalp 10 000+ kunder med deres spørsmål og bekymringer før salg, hvis du har noen relaterte behov, kan du gjerne kontakte meg!

Hva skjer: +86 189 3735 0200

E-post: zorazhao@dgcrane.com