Przekładnia planetarna suwnicy: jak cztery komponenty tworzą wiele przełożeń

Rozkładając automatyczną skrzynię biegów, przekładnię planetarną suwnicy lub niektóre przekładnie przegubowe robota, można wielokrotnie zauważyć bardzo charakterystyczną strukturę przekładni: małe koło zębate na środku, kilka małych kół zębatych wokół niego oraz zewnętrzny pierścień z wewnętrznymi zębami.

Wygląda jak nic więcej niż „kilka kół zębatych ułożonych w okręgu”, a jednak może zapewnić redukcję i zwiększenie prędkości, obrót wsteczny oraz przekładnię współosiową w bardzo małej przestrzeni. Może nawet wytworzyć zupełnie inne przełożenie przekładni planetarnej, po prostu zmieniając, który element jest stały, który jest wejściowy, a który wyjściowy.

To zestaw przekładni planetarnych. Jego moc nie wynika z liczby kół zębatych, ale ze ścisłej relacji kinematycznej między czterema głównymi elementami.

Na początek pamiętaj o jednej rzeczy: przekładnia planetarna nie zmienia swojego przełożenia poprzez „przełączenie na inny zestaw kół zębatych”. Zamiast tego redystrybuuje ruch całego zestawu kół zębatych, zmieniając relacje wejściowe, wyjściowe i stałe pomiędzy kołem słonecznym, kołem pierścieniowym a jarzmem satelity.

1. Jakie są cztery elementy przekładni planetarnej?

1.1 Koło słoneczne: Centralne koło układu

Koło słoneczne znajduje się pośrodku i zazwyczaj zazębia się z kilkoma kołami planetarnymi jednocześnie. W wielu reduktorach wał wejściowy silnika elektrycznego lub hydraulicznego jest połączony bezpośrednio z kołem słonecznym, dlatego często przenosi on wejście wysokoobrotowe. Liczba zębów koła słonecznego jest oznaczona symbolem Z._Si jego prędkość kątowa o ω_S.

1.2 Przekładnie planetarne: obracające się wokół własnej osi podczas orbitowania wokół Słońca

Przekładnie planetarne stanowią najciekawszą część mechanizmu. Każda przekładnia planetarna obraca się wokół własnej osi, jednocześnie obracając się wokół koła słonecznego wraz z jarzmem satelitów. Jednocześnie zazębia się ona zarówno z kołem słonecznym, jak i z wewnętrznym kołem pierścieniowym.

Zwiększenie liczby kół planetarnych nie zmienia teoretycznego przełożenia prostej przekładni planetarnej. Jednakże, gdy konstrukcja jest odpowiednia i podział obciążenia jest dobry, wiele kół planetarnych może dzielić obciążenie. To jeden z powodów, dla których przekładnia planetarna może osiągnąć wysoką gęstość momentu obrotowego.

1.3 Koło zębate pierścieniowe: obudowa całego zestawu kół zębatych

Koło koronowe znajduje się na zewnątrz, z zębami skierowanymi do wewnątrz. Tworzy ono wewnętrzne zazębienie z kołami planetarnymi. Koło koronowe może być stałe lub używane jako element wejściowy lub wyjściowy. Liczba zębów koła koronowego jest oznaczona literą Z._Ri jego prędkość kątowa o ω_R.

1.4 Nośnik planetarny: Określanie sposobu poruszania się planet jako grupy

Koła planetarne nie obracają się bez podparcia. Ich wały są zamontowane na jarzmie satelitów. Jarzmo łączy koła planetarne w jeden zespół, więc obrót jarzma odpowiada obrotowi kół planetarnych wokół koła słonecznego. Prędkość kątowa jarzma jest oznaczona jako ω._CW wielu reduktorach przemysłowych typowym rozwiązaniem jest zamocowanie koła zębatego pierścieniowego, użycie koła słonecznego jako wejścia i użycie jarzma planetarnego jako wyjścia.

2. Prawdziwa istota przełożenia przekładni planetarnej: jedno równanie łączy trzy obracające się elementy

W zwykłym układzie przekładni zębatej o stałej osi położenia obu osi są stałe, więc przełożenie jest stosunkowo intuicyjne. W przypadku przekładni planetarnej sytuacja jest inna: osie kół planetarnych poruszają się wraz z jarzmem satelitów, więc prostej zasady „podzielenia zębów koła napędowego przez zęby koła napędzanego” nie można zastosować bezpośrednio.

W przypadku najpowszechniej stosowanego prostego zestawu przekładni planetarnej równanie Willisa wyraża zależność prędkości pomiędzy kołem słonecznym, kołem pierścieniowym i jarzmem satelitów:

Tutaj, ωₛ, ωᵣ, I ω꜀ są odpowiednio prędkościami kątowymi koła słonecznego, koła pierścieniowego i nośnika planet; Zₛ I Zᵣ to liczba zębów na kole słonecznym i pierścieniowym.

Najważniejszą częścią tego równania nie jest znak minus, ale fakt, że ω꜀ jest odejmowana od obu prędkości. Innymi słowy, zależność zazębienia w przekładni planetarnej należy rozumieć w układzie odniesienia, który obraca się razem z przekładnią planetarną.

Znając prędkość lub stan ustalony dowolnych dwóch elementów, można obliczyć prędkość trzeciego. Ten sam zestaw kół zębatych może zatem generować zupełnie inne wyniki ruchu bez zmiany liczby zębów.

Dlaczego to wydaje się takie pomysłowe? Pomiędzy kołem słonecznym, kołem pierścieniowym i satelitą, zamocowanie dowolnego elementu i wybór wejścia i wyjścia z dwóch pozostałych daje różne kombinacje redukcji, zwiększenia prędkości lub obrotów wstecznych. Konstrukcja pozostaje niezmieniona, ale zmienia się relacja ruchu.

3. Najczęstszy układ: Stały pierścień zębaty, wejście słoneczne, wyjście nośne

Jest to typowy układ podstawowy w przekładniach jezdnych suwnic, reduktorach obrotu i wielu przemysłowych przekładniach planetarnych. Niech koło koronowe będzie nieruchome, więc ωᵣ = 0Podstawienie tego warunku do równania Willisa daje:

Jeżeli koło słoneczne ma 20 zębów, a koło pierścieniowe ma 60 zębów:

Koło słoneczne wykonuje cztery obroty, podczas gdy koło planetarne wykonuje około jednego obrotu. Jeśli prędkość wejściowa koła słonecznego wynosi 1200 obr./min, to pomijając straty, teoretyczna prędkość wyjściowa koła planetarnego wynosi około 300 obr./min.

Jest to typowa redukcja prędkości wraz ze wzrostem momentu obrotowego. Teoretycznie, pomijając straty, zmniejszenie prędkości o około jedną czwartą odpowiednio zwiększa moment obrotowy. Rzeczywisty sprzęt musi również uwzględniać straty w zazębieniu, straty w łożyskach, warunki smarowania i inne czynniki.

4. Te same koła zębate dają zupełnie inne rezultaty, gdy zamocowany jest inny element

Powszechnym błędem jest przekonanie, że przekładnia planetarna ma naturalnie tylko jedno przełożenie. Przełożenie to zależy nie tylko od liczby zębów, ale także od tego, który element jest nieruchomy, który jest wejściowy, a który wyjściowy.

Jeśli wszystkie trzy główne człony mają możliwość ruchu, a jeden z nich jest sterowany przez sprzęgło, hamulec lub inne źródło zasilania, system może zapewnić bardziej złożoną przekładnię wielobiegową lub funkcje rozdziału mocy. To ważny powód, dla którego przekładnie planetarne są szeroko stosowane w automatycznych skrzyniach biegów i hybrydowych mechanizmach rozdziału mocy.

5. Dlaczego przekładnia planetarna może przenosić wysoki moment obrotowy w tak małej przestrzeni?

Powód nie jest tajemniczy. Kluczem jest „wiele jednoczesnych punktów siatki i układ współosiowy”.

W typowej parze kół zębatych główne obciążenie jest skoncentrowane na jednej zazębionej parze. W mechanizmie planetarnym kilka kół planetarnych może zazębiać się jednocześnie z kołem słonecznym i kołem pierścieniowym. Przy odpowiedniej konstrukcji i równomiernym rozłożeniu obciążenia, moment wejściowy może być rozdzielony między wiele kół planetarnych.

Jednocześnie koło słoneczne, koło pierścieniowe i jarzmo satelitów można umieścić na tej samej osi. Wały wejściowe i wyjściowe nie muszą być przesunięte bocznie, jak w przypadku typowych reduktorów z wałkami równoległymi. Rezultatem jest wyższa gęstość momentu obrotowego i bardziej zwarta konstrukcja przy zachowaniu podobnych gabarytów.

Jednakże nie należy zbyt prosto rozumieć pojęcia „więcej przekładni planetarnych”.

Zwiększenie liczby przekładni planetarnych nie zmienia teoretycznego przełożenia, ale nie oznacza to, że obciążenie będzie automatycznie równomiernie rozłożone. Błędy produkcyjne, błędy w prowadzeniu, luz łożyskowy, dokładność pozycjonowania sworzni planetarnych oraz odkształcenia konstrukcyjne wpływają na podział obciążenia. Przekładnie planetarne o dużym obciążeniu często wymagają specjalnej konstrukcji zapewniającej podział obciążenia.

6. Dlaczego przekładnie planetarne są szczególnie popularne w automatycznych skrzyniach biegów?

Zestaw przekładni planetarnych ma zaletę, którą trudno zapewnić zwykłemu układowi przekładni o stałej osi: sprzęgła i hamulce mogą kontrolować połączenie i blokowanie różnych elementów, umożliwiając temu samemu zestawowi przekładni generowanie wielu przełożeń.

Jako przykład koncepcyjny, jedno położenie koła zębatego może blokować koło koronowe, wykorzystywać koło słoneczne jako wejście i wykorzystywać jarzmo satelitów jako wyjście. Inne położenie koła zębatego zmienia zablokowany element. Sprzęgło może również zablokować dwa elementy razem, tworząc stan napędu bezpośredniego bliski 1:1.

Oznacza to, że skrzynia biegów nie potrzebuje całkowicie oddzielnej pary kół zębatych o stałej osi dla każdego biegu. Jej konstrukcja może być bardziej zwarta, a logika zmiany biegów bardziej elastyczna.

Należy podkreślić, że nowoczesne automatyczne skrzynie biegów zazwyczaj wykorzystują złożone zestawy przekładni planetarnych, wiele rzędów przekładni planetarnych oraz kombinacje kilku sprzęgieł. Obliczenia ich rzeczywistych przełożeń są znacznie bardziej złożone niż w przypadku pojedynczego, prostego zestawu przekładni planetarnych.

7. Dlaczego suwnice i maszyny budowlane wykorzystują przekładnie planetarne?

Przekładnie planetarne można znaleźć w silnikach jezdnych koparek, mechanizmach jezdnych suwnic, niektórych mechanizmach obrotowych, przekładnie wciągarek suwnicowychi dużych napędów przemysłowych.

Suwnice i maszyny budowlane muszą rozwiązać typowy konflikt: silnik hydrauliczny lub silnik elektryczny pracuje z relatywnie dużą prędkością, podczas gdy koło napędowe, bęben linowyMechanizm obrotowy lub obrotowy wymaga niskiej prędkości i wysokiego momentu obrotowego. Jednocześnie przestrzeń montażowa jest często bardzo ograniczona.

Przekładnia planetarna doskonale nadaje się do takich warunków pracy: jest współosiowa i kompaktowa, może zapewnić duży współczynnik redukcji oraz może wykorzystywać wiele stopni szeregowo w celu dalszego zmniejszenia prędkości i zwiększenia wyjściowego momentu obrotowego.

Jednak zestaw przekładni planetarnej nie jest rozwiązaniem uniwersalnym, działającym od samego montażu. Projekt musi również uwzględniać wytrzymałość styku powierzchni zęba, wytrzymałość na zginanie podstawy zęba, żywotność łożysk, obciążenie sworznia planety, smarowanie, równowagę cieplną, sprawność, obciążenie udarowe i wymagania dotyczące hamowania.

8. Łatwo przeoczony warunek geometryczny: liczby zębów nie można dobierać arbitralnie

W prostym układzie przekładni planetarnej koło słoneczne, koła planetarne i koło pierścieniowe muszą spełniać podstawową zależność geometryczną. W przypadku prostego układu o tym samym module i standardowym zazębieniu, powszechna zależność jest następująca:

Jeśli koło słoneczne ma 20 zębów i koło planetarne ma 20 zębów, to koło pierścieniowe zazwyczaj potrzebuje 60 zębów, aby spełnić wymagania dotyczące odległości między środkami.

W przypadku równomiernego rozmieszczenia wielu kół obiegowych, należy również sprawdzić fazę montażu i ewentualne geometryczne kolizje między sąsiednimi kołami obiegowymi. Innymi słowy, obliczenie przełożenia to dopiero pierwszy krok. Konieczne jest dalsze projektowanie, aby zestaw kół zębatych był możliwy do produkcji, montażu i przenoszenia obciążenia.

9. Cztery stwierdzenia wystarczą, aby zrozumieć zestaw przekładni planetarnych

• Koło słoneczne znajduje się w środku; koła planetarne obracają się wokół własnej osi i krążą wokół słońca; koło pierścieniowe je otacza, a nośnik planetarny transportuje koła planetarne jako grupę.
• Liczba kół planetarnych zazwyczaj nie zmienia teoretycznego przełożenia, ale koła zębate mogą dzielić obciążenie, jeśli rozkład obciążenia jest prawidłowo zaprojektowany.
• Ten sam zestaw przekładni planetarnych może powodować różne redukcje, zwiększanie prędkości lub odwrotne zależności poprzez zmianę elementu stałego, elementu wejściowego i elementu wyjściowego.
• Najczęściej spotykany układ redukcyjny opiera się na stałym pierścieniu zębatym, wykorzystuje koło słoneczne jako wejście i wykorzystuje jarzmo satelitów jako wyjście. W tym przypadku i = 1 + Zᵣ / Zₛ.

Uwaga końcowa: Jego prawdziwą siłą nie jest liczba kół zębatych, lecz wykorzystanie stopni swobody

Zwykły napęd zębaty przypomina raczej dwie osoby trzymające się za ręce: jedna się obraca, a druga podąża za nią, więc relacja jest bezpośrednia. Zestaw przekładni planetarnej przypomina raczej grupę osób poruszających się razem na obracającej się platformie. Sama platforma może się poruszać, a pierścień zewnętrzny również, więc ta sama kombinacja kół zębatych może dawać zupełnie różne rezultaty.

To najbardziej fascynująca cecha przekładni planetarnej. Składa się ona z czterech głównych komponentów – koła słonecznego, kół planetarnych, koła pierścieniowego i jarzma satelitów – i łączy w sobie zwartą konstrukcję, wiele przełożeń, przekładnię współosiową oraz wysoką gęstość momentu obrotowego w jednym mechanizmie.

Następnym razem, gdy zobaczysz przekładnię planetarną w maszynach budowlanych, zadaj sobie najpierw trzy pytania: Który element jest nieruchomy? Który element jest wejściowy? Który element jest wyjściowy? Po udzieleniu odpowiedzi na te trzy pytania, będziesz mógł w zasadzie zrozumieć, dlaczego przekładnia planetarna obraca się tak, jak się obraca.

Uwaga: Niniejszy artykuł stanowi wprowadzenie do zasad mechaniki. Równania oparte są na zależnościach kinematycznych idealnego, prostego zestawu przekładni planetarnych. Rzeczywisty projekt przekładni suwnicy musi również uwzględniać modyfikację profilu zębów, dokładność wykonania, podział obciążenia, wytrzymałość, sprawność, smarowanie, łożyska i równowagę cieplną.

Zora Zhao

Ekspert w zakresie rozwiązań w zakresie suwnic/suwnic bramowych/żurawów/części dźwigów

Dzięki ponad 10-letniemu doświadczeniu w branży eksportu dźwigów za granicę pomogłem ponad 10 000 klientom w przypadku pytań i wątpliwości przedsprzedażowych. Jeśli masz jakiekolwiek powiązane potrzeby, skontaktuj się ze mną!

WhatsApp: +86 189 3735 0200

Email: zorazhao@dgcrane.com