Планетарный редуктор мостового крана: как четыре компонента создают множество передаточных чисел

Если разобрать автоматическую коробку передач, планетарный редуктор мостового крана или некоторые редукторы шарниров роботов, вы неоднократно увидите очень характерную структуру шестерен: небольшую шестерню в центре, несколько маленьких шестерен вокруг нее и внешнее кольцо с внутренними зубьями.

На первый взгляд, это всего лишь «несколько шестеренок, расположенных по кругу», но при этом она способна обеспечивать понижение и повышение скорости, реверсивное вращение и соосную передачу в очень компактном пространстве. Она даже может создавать совершенно другое передаточное число планетарной передачи, просто изменяя, какой компонент является неподвижным, какой — входным, а какой — выходным.

Это планетарный редуктор. Его мощность обусловлена не количеством шестерен, а строгой кинематической связью между четырьмя основными компонентами.

Прежде всего, запомните один момент: планетарный редуктор не меняет свое передаточное отношение путем «переключения на другой набор шестерен». Вместо этого он перераспределяет движение всего редуктора, изменяя входные, выходные и фиксированные соотношения между солнечной шестерней, кольцевой шестерней и водилом планетарного механизма.

1. Из каких четырех компонентов состоит планетарный редуктор?

1.1 Солнечная шестерня: Центральная шестерня системы

Солнечная шестерня расположена в центре и обычно одновременно зацепляется с несколькими планетарными шестернями. Во многих редукторах входной вал электродвигателя или гидравлического двигателя напрямую соединен с солнечной шестерней, поэтому она часто принимает высокоскоростной входной сигнал. Количество зубьев на солнечной шестерне обозначается буквой Z._си его угловую скорость, равную ω._с.

1.2 Планетарные шестерни: вращаются вокруг своей оси, находясь на орбите вокруг Солнца

Наиболее интересной частью механизма являются планетарные шестерни. Каждая планетарная шестерня вращается вокруг своей оси, одновременно вращаясь вокруг солнечной шестерни с водилом. При этом она зацепляется как с солнечной шестерней, так и с внутренней кольцевой шестерней.

Увеличение количества планетарных шестерен не меняет теоретического передаточного отношения простого планетарного редуктора. Однако, при правильной конструкции и хорошем распределении нагрузки, несколько планетарных шестерен могут распределять нагрузку между собой. Это одна из причин, по которой планетарный редуктор может обеспечить высокую плотность крутящего момента.

1.3 Кольцевая шестерня: Включает в себя весь зубчатый механизм

Зубчатое колесо расположено снаружи, его зубья обращены внутрь. Оно образует внутреннее зацепление с планетарными шестернями. Зубчатое колесо может быть неподвижным или использоваться как входной, так и выходной элемент. Количество зубьев на зубчатом колесе обозначается буквой Z._ри его угловую скорость, равную ω._р.

1.4 Переносчик планет: Определение того, как планеты движутся как группа.

Планетарные шестерни не вращаются без опоры. Их валы установлены на водиле планетарных шестерен. Водиле соединяет планетарные шестерни в единый узел, поэтому вращение водила представляет собой вращение планетарных шестерен вокруг солнечной шестерни. Угловая скорость водила обозначается ω._сВо многих промышленных редукторах распространенной схемой является фиксация кольцевой шестерни, использование солнечной шестерни в качестве входного механизма и использование водила планетарного привода в качестве выходного механизма.

2. Суть планетарного передаточного отношения: три вращающихся элемента связаны одним уравнением.

В обычной зубчатой передаче с неподвижными осями положение двух осей шестерен фиксировано, поэтому передаточное отношение относительно интуитивно понятно. Планетарная зубчатая передача устроена иначе: оси планетарных шестерен перемещаются вместе с водилом шестерен, поэтому простое правило «количество зубьев ведущей шестерни, деленное на количество зубьев ведомой шестерни» не может быть применено напрямую.

Для наиболее распространенного простого планетарного редуктора уравнение Уиллиса выражает соотношение скоростей между солнечной шестерней, кольцевой шестерней и водилом планетарного редуктора:

Здесь, ωₛ, ωᵣ, и ω꜀ — это угловые скорости солнечной шестерни, кольцевой шестерни и планетарного носителя соответственно; Zₛ и Зᵣ Это количество зубьев на солнечной и кольцевой шестернях.

Самая важная часть этого уравнения — не знак минус, а тот факт, что ω꜀ Вычитается из обеих скоростей. Другими словами, зацепление в планетарной зубчатой передаче необходимо понимать в системе отсчета, которая вращается вместе с водилом планет.

Как только известна скорость или неподвижное состояние любых двух элементов, можно рассчитать скорость третьего. Таким образом, один и тот же зубчатый механизм может давать совершенно разные результаты движения без изменения количества зубьев.

Почему это кажется таким гениальным? В системе, включающей солнечную шестерню, кольцевую шестерню и планетарный носитель, фиксация любого из элементов и выбор входного и выходного сигналов от двух других позволяют получить различные комбинации понижения, увеличения скорости или обратного вращения. Конструкция остается неизменной, но изменяется соотношение движения.

3. Наиболее распространенная компоновка: кольцевая шестерня неподвижна, вход солнечной шестерни, выход водила.

Это распространенная базовая конструкция в редукторах хода мостовых кранов, поворотных редукторах и многих промышленных планетарных редукторах. Пусть зубчатое колесо будет зафиксировано, чтобы ωᵣ = 0Подставляя это условие в уравнение Уиллиса, получаем:

Если у солнечной шестерни 20 зубьев, а у кольцевой шестерни 60 зубьев:

Солнечная шестерня совершает четыре оборота, а водило планетарного механизма — приблизительно один оборот. Если входная скорость солнечной шестерни составляет 1200 об/мин, то, не принимая во внимание потери, теоретическая выходная скорость водила планетарного механизма составляет приблизительно 300 об/мин.

Это типичное снижение скорости с увеличением крутящего момента. Теоретически, если пренебречь потерями, снижение скорости примерно до одной четверти соответственно увеличивает выходной крутящий момент. На практике же необходимо учитывать потери в зацеплении шестерен, потери в подшипниках, условия смазки и другие факторы.

4. Одни и те же шестерни дают совершенно разные результаты при установке другого элемента.

Распространенное заблуждение заключается в том, что планетарная зубчатая передача по своей природе имеет только одно передаточное отношение. Передаточное отношение определяется не только количеством зубьев, но и тем, какой элемент закреплен, какой является входным, а какой — выходным.

Если все три основных элемента могут перемещаться, а один из них управляется сцеплением, тормозом или другим источником энергии, система может обеспечивать более сложные многоскоростные трансмиссии или функции распределения мощности. Это важная причина широкого использования планетарных редукторов в автоматических трансмиссиях и гибридных механизмах распределения мощности.

5. Почему планетарный редуктор может передавать высокий крутящий момент в таком малом пространстве?

Причина не загадка. Ключ к разгадке — «множество одновременно работающих точек сопряжения плюс коаксиальное расположение».

В обычной зубчатой передаче основная нагрузка сосредоточена на одной зацепляющейся паре. В планетарном механизме несколько планетарных шестерен могут одновременно зацепляться с солнечной и кольцевой шестернями. При соответствующей конструкции и равномерном распределении нагрузки входной крутящий момент может распределяться между несколькими планетарными шестернями.

В то же время, солнечная шестерня, кольцевая шестерня и планетарный носитель могут быть расположены на одной оси. Входной и выходной валы не нуждаются в боковом смещении, как в обычном редукторе с параллельными валами. В результате достигается более высокая плотность крутящего момента и более компактная компоновка при аналогичных габаритах.

Однако понятие «больше планетарных шестерен» не следует понимать слишком упрощенно.

Увеличение количества планетарных передач не меняет теоретического передаточного отношения, но это не означает, что нагрузка автоматически будет распределяться равномерно. На распределение нагрузки влияют производственные ошибки, ошибки шага, зазоры в подшипниках, точность позиционирования пальцев планетарных передач и структурные деформации. Планетарные редукторы для высоких нагрузок часто требуют специальной конструкции для распределения нагрузки.

6. Почему планетарные передачи особенно популярны в автоматических трансмиссиях?

Планетарная зубчатая передача обладает преимуществом, которое трудно одновременно обеспечить обычной зубчатой передаче с неподвижной осью: муфты и тормоза могут контролировать соединение и блокировку различных элементов, что позволяет одной и той же зубчатой передаче создавать несколько передаточных чисел.

В качестве концептуального примера, одно положение шестерни может фиксировать кольцевую шестерню, использовать солнечную шестерню в качестве входного звена и планетарный носитель в качестве выходного звена. Другое положение шестерни изменяет положение заблокированного элемента. Муфта также может блокировать два элемента вместе, создавая состояние прямой передачи, близкое к 1:1.

Это означает, что для каждой передачи трансмиссии не требуется отдельная пара зубчатых колес с фиксированными осями. Ее конструкция может быть более компактной, а логика переключения передач — более гибкой.

Следует подчеркнуть, что в современных автоматических трансмиссиях обычно используются составные планетарные зубчатые передачи, несколько рядов планетарных передач и комбинации нескольких сцеплений. Расчет их фактических передаточных чисел гораздо сложнее, чем у простой планетарной зубчатой передачи.

7. Почему мостовые краны и строительная техника используют планетарные редукторы?

Планетарные редукторы можно найти в двигателях ходовой части экскаваторов, механизмах передвижения мостовых кранов, некоторых механизмах поворота. редукторы лебедок мостовых кранова также крупные промышленные приводы.

Мостовые краны и строительная техника сталкиваются с типичным конфликтом: гидравлический или электродвигатель работает на относительно высокой скорости, в то время как ведущее колесо... канатный барабанМеханизм поворота требует низкой скорости и высокого крутящего момента. В то же время, пространство для установки часто очень ограничено.

Планетарный редуктор хорошо подходит для таких условий эксплуатации: он соосный и компактный, обеспечивает большое передаточное отношение и позволяет использовать несколько ступеней последовательно для дальнейшего снижения скорости и увеличения крутящего момента.

Однако планетарный редуктор — это не универсальное решение, которое работает просто после установки. При фактической разработке необходимо также учитывать прочность контакта зубьев с поверхностью, прочность на изгиб корня зуба, срок службы подшипников, нагрузку на штифт планетарного редуктора, смазку, тепловой баланс, эффективность, ударную нагрузку и требования к торможению.

8. Легко упускаемое из виду геометрическое условие: количество зубов нельзя выбирать произвольно.

В простой планетарной зубчатой передаче солнечная шестерня, планетарные шестерни и кольцевая шестерня должны удовлетворять основному геометрическому соотношению. Для простой конструкции с одинаковым модулем и стандартным зацеплением общее соотношение выглядит следующим образом:

Если солнечная шестерня имеет 20 зубьев, а планетарная шестерня также имеет 20 зубьев, то для обеспечения соотношения межосевого расстояния кольцевой шестерне обычно требуется 60 зубьев.

Если необходимо равномерно расположить несколько планетарных передач, следует также проверить этап сборки и возможное геометрическое взаимодействие между соседними передачами. Другими словами, расчет передаточного отношения — это только первый шаг. Для обеспечения возможности изготовления, сборки и выдерживания нагрузки требуется дальнейшее проектирование зубчатой передачи.

9. Четырех утверждений достаточно для понимания планетарной зубчатой передачи.

• Солнечная шестерня находится в центре; планетарные шестерни вращаются вокруг своих осей и совершают вращение вокруг Солнца; кольцевая шестерня окружает их; а планетарный носитель перемещает планетарные шестерни как группу.
• Как правило, количество планетарных передач не меняет теоретическое передаточное отношение, но при правильном проектировании системы распределения нагрузки передачи могут распределять нагрузку между собой.
• Один и тот же планетарный редуктор может обеспечивать различное передаточное отношение, увеличение скорости или реверсирование путем изменения неподвижного элемента, входного элемента и выходного элемента.
• Наиболее распространенная схема редуктора предусматривает фиксацию кольцевой шестерни, использование солнечной шестерни в качестве входного вала и использование водила планетарного привода в качестве выходного вала. В этом случае, i = 1 + Zᵣ / Zₛ.

В заключение отметим: его настоящая сила заключается не в количестве шестерен, а в использовании степеней свободы.

Обычная зубчатая передача больше похожа на двух людей, держащихся за руки: один вращается, а другой следует за ним, поэтому связь прямая. Планетарная зубчатая передача больше похожа на группу людей, движущихся вместе по вращающейся платформе. Сама платформа может двигаться, и внешнее кольцо тоже может двигаться, поэтому одна и та же комбинация шестерен может давать совершенно разные результаты.

Это самая впечатляющая особенность планетарного редуктора. Благодаря четырём основным компонентам — солнечной шестерне, планетарным шестерням, кольцевой шестерне и водилу планетарных шестерен — он сочетает в себе компактную конструкцию, множество передаточных чисел, соосную передачу и высокую плотность крутящего момента в одном механизме.

В следующий раз, когда вы увидите планетарный редуктор на строительной технике, сначала задайте себе три вопроса: Какой элемент неподвижен? Какой элемент является входным? Какой элемент является выходным? Ответив на эти три вопроса, вы сможете в общих чертах понять, почему планетарный редуктор вращается именно так.

Примечание: Данная статья предназначена для ознакомления с принципами механики. Уравнения основаны на кинематических соотношениях идеального простого планетарного редуктора. При проектировании редуктора для мостового крана необходимо также учитывать модификацию профиля зубьев, точность изготовления, распределение нагрузки, прочность, эффективность, смазку, подшипники и тепловой баланс.

Зора Чжао

Эксперт в области мостовых кранов/козловых кранов/консольных кранов/запчастей для кранов

Имея более чем 10-летний опыт работы в сфере экспорта кранов за границу, мы помогли более чем 10 000 клиентам решить их предпродажные вопросы и проблемы. Если у вас есть какие-либо соответствующие потребности, пожалуйста, свяжитесь со мной!

Ватсап: +86 189 3735 0200

Электронная почта: zorazhao@dgcrane.com