Планетарный редуктор и планетарная передача
Рассмотрен принцип действия планетарной передачи, указаны преимущества и недостатки применения планетарных редукторов. Приведена схема планетарной передачи и расчет передаточного отношения редуктора.
Планетарный редуктор и планетарная передача
Зубчатая передача |
Зубчатая передача
Устройство планетарного механизма основано на вращении тел зубчатой передачи, которые непосредственно взаимодействуют с главным двигателем. Именно такое соединение и служит для передачи силы от редуктора до других механизмов с изменением скорости их вращения. Таким образом происходит передача крутящего момента от двигателя на колеса через основную ось, главную шестерню и сателлиты.
Вообще устройство зубчатой передачи достаточно простое и понятное. Вот, что входит в конструкцию обычной передачи.
Для соединения с главной передачей имеются две зубчатые шестерни, таким образом происходит зацепление. При движении происходит передача скорости вращения с главной шестерни на ведомую за счет зацепов. Наименьшее колесо в конструкции называется шестерней, а наибольшее будет главным и ведомым колесом.
Планетарный механизм
Схема планетарной передачи |
Редукторы с зубчатой передачей, колеса которых имеют движущиеся оси, называются планетарными. Внутри расположены зубчатые колеса, перемещающиеся на своих, геометрических осях. Такие шестерни получили название сателлиты, потому что вся конструкция очень похожа на солнечную систему. Главные шестерни называются центральными колесами. Сателлиты крепятся на своих осях и вращаются вокруг главной передачи при помощи водила, которое движется так же, как и центральное колесо, вокруг главной оси.
Центральное колесо остается неподвижным, а другие шестерни можно заблокировать или разблокировать полностью.
Если центральное колесо неподвижно, то второе постоянно движется. Ведущим здесь является вал подвижного колеса, а ведомым-водила. Если разблокировать все зубчатые колеса вместе с ведомым, то такая передача будет дифференциальной. Выделяют два основных и ведущих звена и одно ведомое.
При подробном рассмотрении простейшей планетарной передачи мы видим: ведущее колесо или водило, ведомое с тремя сателлитами, вращающимися вокруг центральной оси и центральное, неподвижное колесо.
Передаточное отношение
Чтобы рассчитать передаточное отношение редуктора, необходимо заметить определенное количество неподвижных звеньев(1,2,3 и Н) и условно задать им поступательное вращение со скоростью wH, равное скорости вращения водила, но с обратным знаком. Скорость зацепления зубчатых колес не изменяется. Таким образом скорость + wH +(- wH)=0, то есть водило будет остановлено.
Как обычно, для работы редуктора с одноступенчатой передачей при больших нагрузках становится мало, поэтому стали изготавливать двух и трех ступенчатые редукторы, а иногда и четырех ступенчатые. Чаще всего применяется двухступенчатая передача.
Двухступенчатая планетарная передача.
Схема двухступенчатой планетарной передачи |
Для других редукторов передаточное отношение высчитывается таким же способом.
При всех достоинствах планетарного редуктора, нужно знать, что при сильном вращении шестерни, КПД всего механизма сильно ухудшается.
Нагрузка от центрального колёса водила восприниматься всеми шестеренками (1-6) одинаково, при этом их размеры значительно меньше, чем у обычной передачи. Следовательно, главными преимуществами планетарной передачи являются большая скорость вращения, небольшой вес и компактность. Дифференциальные передачи используются в автомобиле для разложения движения, а так же в различных станках. К минусам такой передачи относится ее трудоемкое изготовление и сложная сборка на предприятии. Такие редукторы благодаря своим преимуществам находят свое применение во многих отраслях производства: в машиностроении, приборах, станкостроении, в транспорте.
Использован материал из книги «Детали машин» Гузенков П.
Г.
Планетарный мотор-редуктор
Так же по теме предлагаем статью «Планетарный редуктор» с примером расчета передаточного отношения и анимированными схемами ступеней планетарного редуктора.
4.2.2. Планетарные механизмы
Механизмы, включающие неподвижные колёса, называются планетарными (рис. 4.12). Они состоят из центральных колёс 1 и 3, оси которых совпадают, водила Н и сателлита 2 (их может быть несколько). Сателлит вращается относительно своей оси и одновременно обкатывается вокруг колеса 1. Зубья колеса 1 нажимают на зубья колеса 2 и поворачивают его относительно неподвижного (опорного) колеса 3. При этом сателлит нажимает на свою ось и заставляет водило Н вращаться.
План механизма
План линейных скоростей
Рис. 4.12. Планетарный механизм
Кинематический анализ планетарных механизмов
Кинематический
анализ планетарных механизмов выполняется
по методу Виллиса, основанному на
остановке водила.
Для этого всей
планетарной передаче (рис. 4.12) мысленно
сообщается вращение с угловой скоростью
водила, но направленной в обратную
сторону, т.е. – ωН.
Таким
образом, получается обращенное движение,
при котором водило мысленно останавливается,
а другие колёса освобождаются.
Преобразованный механизм представляет
собой рядовой зубчатый механизм,
скорость звеньев в
котором составляет ωН = 0; ω1(н)=ω1(3) – ωН(3);
колесо 3 было неподвижно, а в преобразованном
механизме его угловая скорость равна
Верхний индекс показывает неподвижное звено. Мысленная остановка водила равноценна вычитанию его угловой скорости из угловых скоростей подвижных колёс. Передаточное отношение в преобразованном механизме в итоге представляется как
. Но поскольку ω3(3) = 0, то получается
,
откуда
передаточное отношение планетарного
механизма
будет
.
При этом
.
В обращенном механизме сателлит 2 является «паразитным» колесом и лишь изменяет направление вращения ведомого колеса. Окончательно будем иметь:
В общем виде формула Виллиса представляется как
где n и l – центральные колёса. При этом
При графическом методе определения передаточных отношений в планетарном механизме строятся планы линейных и угловых скоростей (рис. 4.12). Тогда
.
Из плана угловых скоростей:
где μω – масштабный коэффициент плана угловых скоростей.
Передаточное отношение i1-н(3) оказывается положительным, так как отрезки ирасполагаются по одну и ту же сторону от вертикалиOF.
Наиболее распространённые схемы планетарных механизмов
Основные
схемы планетарных механизмов представлены
на рис.
4.13.
В этих схемах неподвижным
колесом может быть колесо 3 либо колесо 1.
Рис. 4.13. Основные схемы планетарных механизмов
Схема 1. Планетарная передача (Джемса) работает как силовой редуктор, т.е. уменьшает угловую скорость входного звена, если водило является выходным. Передаточное отношение .
Наименьшие габариты механизм имеет при i1-H(3) = 4. Максимальное передаточное отношение можно получить в случае, когда неподвижным звеном является большое центральное колесо.
Эта передача работает как мультипликатор, т.е. увеличивает угловую скорость, когда входным звеном является водило. Направление угловой скорости входного звена в механизме не изменяется.
Схема
2. Редуктор
со сдвоенными сателлитами по габаритам
мало отличается от редуктора Джемса
при i1-H(3) = 7.
Передаточное отношение передачи
.
Направление вращения выходного звена совпадает с направлением угловой скорости входного колеса.
Схема 3. Редуктор Давида применяется в несиловых передачах, в основном в приборостроении. Передаточное отношение равно
.
Схема 4. Редуктор Давида понижает скорость только при передаче от водила Н к колесу 1. Он имеет меньшие габариты по сравнению со схемой 3, но изготовление колёс с внутренним зацеплением более затруднительно. Передаточное отношение равно
.
В редукторах Давида (схемы 3 и 4) знак передаточного отношения всегда отрицательный, т.е. входное и выходное звенья вращаются в разные стороны.
Планетарные зубчатые передачи – Механизмы Marples
Зубчатые колеса используются для передачи движения посредством зацепления зубьев шестерни, что приводит либо к ускорению, либо к уменьшению скорости.
Планетарная или планетарная зубчатая передача — это один из типов зубчатой передачи, используемый для передачи движения. Эпициклические зубчатые передачи состоят из двух или более шестерен, установленных так, что центр одной шестерни вращается вокруг центра другой. Эпициклические зубчатые передачи, также известные как планетарные зубчатые передачи, представляют собой зубчатые передачи с относительным движением осей. Водило соединяет центры двух шестерен и вращается, чтобы нести одну шестерню, называемую планетарной шестерней, вокруг другой, называемой солнечной шестерней. Планетарная и солнечная шестерни зацепляются так, что их делительные окружности вращаются без проскальзывания.
Все планеты смонтированы на одном вращающемся элементе, называемом клеткой, рычагом, водилой. Когда водило планетарной передачи вращается, оно обеспечивает выходную мощность с низкой скоростью и высоким крутящим моментом. В некоторых системах вращается каждый элемент, но во многих есть по крайней мере один компонент, который не вращается.
Существуют три основные конфигурации планетарных редукторов для различных применений:
- Два входа, один выход и без фиксированного элемента. Этот механизм сочетает в себе скорость двух входов.
- Один вход, два выхода и нет фиксированного элемента. Это создает дифференциал, который разделяет входной крутящий момент на два разных выхода.
- Один вход, один выход и один фиксированный элемент. Это уменьшит скорость ввода.
Специфические проблемы, которые решает планетарная передача, делают этот механизм привлекательным для инженеров в различных отраслях промышленности. Преимуществами использования планетарной передачи являются низкая вибрация, высокое передаточное отношение и низкая стоимость всей конструкции поезда.
Некоторыми из распространенных применений планетарных зубчатых передач являются роботизированные руки, силовые трансмиссии гибридных транспортных средств и турбогенераторы. Несмотря на преимущества планетарных зубчатых передач, такие как компактная конструкция, легкий вес и высокая удельная мощность, они могут иметь относительно низкий КПД по сравнению с простыми системами зубчатых передач. Основные потери мощности в зубчатых передачах вызваны трением скольжения между зацепляющимися поверхностями зубьев шестерни, взбалтыванием смазочных масел и трением в опорных подшипниках вала.
Планетарные шестерни из-за своего размера зацепляют большое количество зубьев, вращаясь вокруг солнечной шестерни; поэтому они могут легко приспособиться к многочисленным оборотам привода для каждого оборота выходного вала. Простые планетарные передачи обычно обеспечивают передаточное число до 10:1. Составные планетарные системы, намного более сложные, чем простые версии, могут обеспечить во много раз большее снижение.
Этому уменьшению могут способствовать соотношения скоростей компонентов систем.
Поскольку планетарные шестерни входят в зацепление с солнечной шестерней и зубчатым венцом в нескольких местах, для передачи нагрузки зацепляется больше зубьев по сравнению с обычным зубчатым зацеплением и шестерней. Следовательно, для той же нагрузки планетарная передача требует меньших шестерен, чем стандартная передача от шестерни к шестерне. Точно так же радиальные рычаги водила планетарной передачи передают значительный момент на выходной вал — еще одна иллюстрация эффективности концентрического расположения. Можно использовать различные типы планетарных зубчатых передач от прямозубых до спиральных скосов, чтобы изменить действие крутящего момента в системе. Косозубые зубчатые колеса можно использовать для грузоподъемности по сравнению с цилиндрическими зубчатыми колесами, учитывая сопоставимые размеры зубчатых колес и количество планет — потому что косозубые зубчатые колеса расположены под углом, а не с прямыми зубьями, и даже больше зубьев входит в зацепление одновременно.
Но в косозубом планетарном зацеплении есть осевые реакции, и они не компенсируются с несколькими планетами, как это делают тангенциальные и разделительные реакции шестерни, поэтому подшипники должны учитывать осевую нагрузку. Еще одним преимуществом нескольких точек зацепления зубчатых колес является возможность увеличения плотности крутящего момента. Через эти многочисленные точки зацепления шестерен распределяется нагрузка на планетарные шестерни. Это также увеличивает крутильную жесткость зубчатой передачи в то же число раз, что и сателлиты. Эта жесткость обеспечивает более высокую точность позиционирования и повторяемость требований. Планетарные передачи
Нагрузка, принимаемая планетами, в реальных ситуациях не совсем сбалансирована. Одна планета может случайно оказаться радиально ближе или дальше от оси Солнца, чем другие, или ось вращения носителя может быть немного смещена. По мере снижения точности изготовления и увеличения числа сателлитов увеличивается тенденция к дисбалансу.
Иногда влияние дисбаланса невелико, и операция способна его принять. Некоторые конструкции будут чувствительны даже к небольшим дисбалансам и могут потребовать высокоточных узлов и агрегатов; точное определение правильного расположения штифтов сателлитов вокруг оси солнечной шестерни может быть ключом.
Имеются недостатки в применении планетарных редукторов. Одним из недостатков использования коробки передач этого типа является потеря смазки, ведущая к отказу при работе на высоких скоростях, поскольку смазка выбрасывается. Этот недостаток можно преодолеть за счет использования систем принудительной смазки под давлением. Другим решением является использование консистентной смазки на весь срок службы коробки передач. Потери мощности, такие как механические потери на трение, увеличиваются из-за нескольких ветвей планетарной передачи, что является еще одним недостатком, который необходимо учитывать при выборе планетарной передачи. Неизбежные сборочные и производственные ошибки, приводящие к увеличению шума при работе и снижению надежности с течением времени, имеют гораздо большее влияние в планетарной передаче, чем в реечной.
Расчет для планетарных зубчатых передач:
R: передаточное отношение
N: количество зубьев
Чтобы определить количество планетарных шестерен, необходимое для применения, необходимо выполнить следующее ограничение:
P : количество сателлитов
Примеры применения планетарные редукторы — Framo Morat
Стандартные планетарные редукторы
Индивидуальные планетарные редукторы
«Ваша идея — наш привод»: наши решения для приводов установили стандарты для многих применений и отраслей в соответствии с этим девиз. Наши клиенты ценят нас как опытных партнеров по разработке, которые в конце процесса обеспечивают технически и экономически убедительный результат. Многие инновационные специальные системы с планетарной передачей в основе уже были созданы таким образом, например, наш водонепроницаемый, устойчивый к коррозии трубчатый двигатель для подводных систем размотки в плавательных бассейнах. Вы извлекаете выгоду из этого богатого опыта.
Потому что ни одно приложение не является настолько особенным, что у нас не было бы правильного решения – будь то полная новая разработка для конкретного клиента или планетарные редукторы, изготовленные из нашей модульной системы, используемые для движения в технологии автоматизации, машиностроении или упаковочной промышленности.
Примеры применения стандартных планетарных редукторов
Привод заднего упора для листогибочных прессов
Листогибочные прессы используются для гибки листового металла. Для этого гибочный штамп вдавливает листовой металл в матрицу, которая определяет угол изгиба. Современные листогибочные прессы, которые часто управляются ЧПУ, могут использоваться для фальцовки и гибки стальных листов толщиной в несколько сантиметров. Многоосевой задний упор, используемый в планетарной передаче серии GSA070, обеспечивает точное позиционирование пластин. Это можно контролировать, чтобы многократно перемещаться между изгибами для производства сложных деталей.
Робот IML
В процессе этикетирования в форме (IML) предварительно нарезанные пластиковые пленки помещаются в форму для литья под давлением с помощью манипуляционного устройства. Применяя вакуум или статический заряд, этикетки фиксируются, а затем обратно вводятся пластиком. Роботы IML, оснащенные GSB065, выполняют точную загрузку этикеток в формы. Роботы IML, как правило, имеют модульную конструкцию — высокая точность позиционирования, быстрая доступность и отличное соотношение цены и качества стали решающими факторами при выборе серии GSB.
Осевой привод для станков для лазерной резки
Планетарный редуктор GSF090 с передаточным числом i=10 используется в качестве привода оси станка (оси x и y) в станках для лазерной резки. Серводвигатель и зубчатая рейка дополняют устройство. Благодаря номинальной входной скорости 4000 об/мин и максимальной входной скорости 8000 об/мин редуктор идеально подходит для использования в быстрых и динамичных станках для лазерной резки.
Благодаря высокой точности позиционирования и высоким динамическим характеристикам линейка GSF является идеальным выбором для таких приложений.
Колесный привод для AGV
Автоматизированные управляемые транспортные средства (AGV) распределяют отобранные товары в просторных складских помещениях и залах автотранспортной компании. Обычно они работают на себя. AGV особенно производительны и экономичны, если они позволяют преодолевать большие расстояния и время в пути, не требуя повторной подзарядки накопителей энергии. Это предъявляет особые требования к конструкции и дизайну. В частности, транспортное средство и установленные в нем компоненты должны быть легкими и компактными. Благодаря высокой жесткости на изгиб, высокому восприятию осевых и радиальных нагрузок и компактной конструкции линия GSD обладает многочисленными преимуществами.
Угловой редуктор для поворотных столов
Угловые редукторы GSBL070 с передаточным числом i=5 и i=10 часто используются в поворотных столах благодаря их конструкции, исключительно высокой производительности и высокой входной скорости.
Угловая конструкция позволяет оптимально использовать ограниченное пространство для установки. Высококачественные угловые редукторы линии GSBL, например, особенно хороши в случае поворотных столов с высокими требованиями к точности.
Регулировка высоты операционных столов
При регулировке по высоте столов OP решающую роль играют два аспекта. Использование в непосредственной близости от пациента означает, что необходима высокая точность и плавность позиционирования. Планетарные редукторы линейки GFE отвечают требованиям по минимизации шума за счет прецизионной шлифовки косозубых зубчатых колес.
Регулировка высоты систем очистки
Например, планетарная передача GSN060 используется в пищевой промышленности. Решающими преимуществами в применении этой промышленной тестомесильной машины являются класс защиты IP65 и отличные характеристики бесшумной работы. Благодаря точно отшлифованным косозубым зубчатым колесам рабочий шум в линейке редукторов GSN сведен к минимуму.
Линейные системы для прецизионных портальных систем
Современные порталы для лазерной резки обеспечивают высокую точность позиционирования и повторяемость с допуском менее 1 мкм при сохранении высокодинамичной скорости процесса до 300 м/мин. В узлах портального привода системы реечного привода, состоящие из планетарной передачи, шестерни и зубчатой рейки, обеспечивают динамическую и позиционно точную последовательность движения. Технически и экономически сложные линейные системы используются для позиционирования как осей X, так и осей Y. Ключевым элементом системы привода является прецизионный планетарный редуктор серии GSD от Framo Morat. Редуктор, рассчитанный на высокие радиальные и осевые усилия, впечатляет своей компактной конструкцией. Роботизированный выходной фланец обеспечивает максимальную жесткость на кручение.
Привод барабанного двигателя для конвейерных лент
Планетарные передачи решают множество задач при сборке.
В этом примере применения двухступенчатые планетарные передачи с люфтом 14 угловых минут и передаточным числом 49:1 отвечают за удаление деталей в автоматических машинах для литья пластмасс под давлением.
Автоматизация и обработка
Планетарные передачи решают множество задач во время сборки. В этом примере применения двухступенчатые планетарные передачи с люфтом 14 угловых минут и передачей 49:1 отвечают за удаление деталей в автоматических машинах для литья пластмасс под давлением.
Кольцевые шпиндельные станки в текстильной промышленности
Планетарный редуктор PL050 с передаточным числом i=10 идеально подходит для использования в кольцевых шпиндельных станках в текстильной промышленности благодаря своей прочной и экономичной конструкции. Благодаря способности выдерживать 20 000 рабочих часов, редукторы линейки PL отличаются долгим сроком службы.
Примеры применения нестандартных планетарных передач
Системы редукторов со ступицами
Планетарные передачи с коническими роликоподшипниками часто используются в условиях высоких радиальных нагрузок.
Имея многолетний опыт в разработке зубчатых передач и приводов, компания Framo Morat разработала систему ступичного привода на основе стандартной планетарной передачи. Специальная конструкция, допускающая более высокие радиальные нагрузки, уменьшает общую длину редуктора
более чем на 40 %. Использование стандартизированных шарикоподшипников способствует экономической эффективности.
В основе ступичного привода лежит планетарная передача PS040 с передаточным числом 5:1. Принимая во внимание специфические нагрузки и требования, а также требуемые передаточные числа коробки передач, для такой системы привода можно использовать почти все стандартные планетарные передачи. Эффективный и компактный привод ступицы колеса используется во многих приложениях внутренней логистики, например, в складских шаттловых системах или автоматизированных управляемых транспортных средствах (AGV).
Криволинейные лестничные подъемники
Важным компонентом главного привода криволинейных лестничных подъемников является планетарный редуктор.
Благодаря коаксиальной конструкции он намного компактнее других вариантов редуктора. Еще одним преимуществом является то, что эстетика и шумовое поведение системы улучшаются. В быстровращающихся ступенях редуктора детали шестерен из технических термопластов используются для снижения шума, а в медленно вращающихся, но сильно нагруженных ступенях используются стальные детали.
Автоматизированные транспортные средства (AGV)
Индивидуальные планетарные редукторы часто используются в автоматизированных транспортных средствах (AGV) – будь то внутренняя логистика, технология медицинского оборудования или сельскохозяйственная техника. Редукторы используются в приводах ступиц колес, поскольку они обеспечивают компактную конструкцию в узких местах. Трехступенчатые планетарные передачи с оптимизированными подшипниками обеспечивают высокий выходной крутящий момент до 300 Нм и радиальную нагрузку до 12 кН.
Мобильные спутниковые приемники
Точность позиционирования является необходимым условием для мобильных спутников, особенно для приемных систем. Этот двухступенчатый планетарный редуктор, разработанный Framo Morat, использует внутреннее натяжение шестерни для уменьшения торсионного люфта всей системы. Благодаря ручным настройкам управления в виде микродвижений можно получать сигналы высокого качества.
Системы редукторов с высоким передаточным числом для регулировки клапанов
Трансмиссии с высоким передаточным числом часто занимают много места, особенно с коаксиальными вариантами. Чтобы уменьшить монтажное пространство и в то же время работать с требуемыми передаточными числами, Framo Morat объединяет червячную и планетарную ступени в одном редукторе. Благодаря модульной системе и высокой удельной мощности серии планетарных редукторов, а также многолетнему опыту в производстве стандартных червячных передач Framo Morat предлагает быстрое и недорогое решение. Для средних и больших объемов также используются полные индивидуальные конструкции и разработки.
Привод для зеркальных отражателей
Этот привод, разработанный Framo Morat, используется для отслеживания зеркальных отражателей.
При его разработке большое внимание уделялось достижению минимального люфта и максимального крутящего момента. Привод состоит из серводвигателя, трехступенчатого планетарного редуктора, червячного редуктора, системы слежения за положением и двух переходных пластин. Один привод перемещает зеркало общей площадью 330 м². Одним из особых аспектов этой разработки был адаптированный размер различных ступеней планетарной передачи. Планетарные передачи достигают передачи 729:1.
Конвейерные системы
Планетарные передачи являются обязательным элементом барабанных двигателей для конвейерных лент и роликов. На выбор 2-ступенчатых планетарных редукторов из пластика в основном повлияла необходимость максимально снизить уровень шума. Конвейеры движутся вперед за счет трения между барабанным двигателем и лентой.
Машиностроение
Планетарные передачи, используемые в машиностроении, должны соответствовать максимальным требованиям к точности и долговечности.