Як вибрати правильне передавальне число: практичний посібник для інженерів і відділів закупівель

Передаточне число є єдиною найбільш впливовою специфікацією у виборі мотор-редуктора або коробки передач. Він визначає вихідну швидкість, вихідний крутний момент і те, чи потужність двигуна ефективно перетворюється на механічний рух, який вимагає застосування. Неправильне передавальне число є однією з найпоширеніших причин низької продуктивності редукторного двигуна в польових умовах — двигун і коробка передач можуть бути ідеально виготовлені та правильно підібрані для потужності, але якщо передаточне число неправильне, вихідний вал або обертається занадто швидко, щоб бути корисним, або обертається надто повільно, щоб відповідати вимогам до тривалості циклу програми, і в будь-якому випадку крутний момент на виході або занадто високий (витрачає енергію), або занадто низький (спричиняє роботу двигуна). зупинка або перевантаження).

Для інженерів-конструкторів, які специфікують системи приводів, груп OEM-обладнання, які вибирають стандартні редукторні двигуни, і команд із закупівель, які працюють на основі специфікації інженера, розуміння того, як визначається коефіцієнт зменшення, як розрахувати коефіцієнт, необхідний для конкретного застосування, і як вибір співвідношення взаємодіє з вибором двигуна, є практичним знанням, яке запобігає помилкам у специфікаціях та їхнім подальшим витратам. Цей посібник систематично охоплює всі ці параметри.

Що таке передавальне число?

Передавальне число (також записується як передавальне число, передавальне число або i) — це відношення вхідної швидкості до вихідної швидкості коробки передач або мотор-редуктора:

Коефіцієнт зменшення (i) = вхідна швидкість (об/хв) / вихідна швидкість (об/хв)

Співвідношення 10:1 означає, що вихідний вал обертається на одну десяту швидкості вхідного вала (вала двигуна). Співвідношення 50:1 означає, що вихідний вал обертається на п'ятдесяту частину швидкості двигуна. Чим вищий коефіцієнт, тим більше коробка передач уповільнює швидкість вала двигуна на виході.

Додатковим відношенням до швидкості є крутний момент. В ідеальній коробці передач (без втрат) потужність зберігається завдяки зниженню: якщо швидкість зменшується вдвічі, крутний момент подвоюється. Математично:

Вихідний крутний момент = крутний момент двигуна × передавальне число × ККД коробки передач (η)

Якщо коефіцієнт корисної дії коробки передач η враховує втрати на тертя в межах ступенів передачі — добре сконструйована прямозуба або косозуба планетарна коробка передач може досягати η = 0,92–0,97 на ступінь; ступінь черв'ячного редуктора має набагато вищі втрати, як правило, η = 0,50–0,85 залежно від кута випередження та передавального числа. У багатоступеневій коробці передач ККД кожного ступеня збільшується в рази: два ступені по 0,95 кожен дають загальний ККД 0,95 × 0,95 = 0,90.

Як розрахувати необхідний коефіцієнт зменшення для вашої програми

Розрахунок починається з двох відомих величин: необхідної вихідної швидкості програми (у об/хв) і номінальної швидкості двигуна (у об/хв). Ці два значення безпосередньо визначають необхідний коефіцієнт зменшення:

Необхідне співвідношення (i) = номінальна швидкість двигуна (об/хв) / необхідна вихідна швидкість (об/хв)

Приклад крок за кроком

Розглянемо привід конвеєра, який повинен рухатися зі швидкістю стрічки 0,5 м/с. Привідний ролик має діаметр 100 мм (радіус = 0,05 м). Двигун, який розглядається, є безщітковим редукторним двигуном постійного струму з номінальною швидкістю без навантаження 3000 об/хв.

Крок 1: Перетворіть необхідну швидкість стрічки на необхідну швидкість вала ролика (об/хв).

Окружність ролика = 2π × 0,05 м = 0,314 м
Необхідні оберти вала = Швидкість стрічки / Окружність = 0,5 м/с ÷ 0,314 м = 1,59 об/с × 60 = 95,5 об/хв

Крок 2: Розрахуйте необхідний коефіцієнт зменшення.

Необхідне передаточне число = 3000 об / хв / 95,5 об / хв = 31,4

Крок 3: Виберіть найближче стандартне співвідношення.

Стандартні передавальні числа планетарного двигуна доступні з окремими кроками — загальні передавальні числа включають 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100 та їх комбінації. Найближчим стандартним співвідношенням до 31,4 є 30 або 35 (залежно від асортименту виробника). Вибір співвідношення 30 дає вихідну швидкість = 3000/30 = 100 об/хв (трохи вище, ніж потрібно — переконайтеся, що це прийнятно); вибір 35 дає 85,7 об/хв (трохи нижче — також перевірте прийнятність). Для додатків із певною необхідною вихідною швидкістю при розрахунку слід використовувати фактичну робочу швидкість двигуна під навантаженням (яка є дещо нижчою за швидкість холостого ходу для щіткових двигунів постійного струму), а не швидкість холостого ходу.

Крок 4. Переконайтеся, що крутний момент достатній.

Обчисліть крутний момент, необхідний на вихідному валу для переміщення вантажу. Якщо номінальний крутний момент двигуна дорівнює T_motor і вибране співвідношення дорівнює 30 з ефективністю η = 0,95:

Вихідний крутний момент = T_motor × 30 × 0,95

Порівняйте цей вихідний момент з необхідним моментом навантаження. Якщо вихідний крутний момент ≥ необхідного крутного моменту навантаження з запасом безпеки (зазвичай від 1,5 × до 2 × для періодичного використання; 2 × до 3 × для безперервної роботи під ударним навантаженням), вибір дійсний. Якщо ні, слід вибрати двигун з вищим номінальним крутним моментом або вищим коефіцієнтом передачі.

Стандартні діапазони передавального числа за типом редукторного двигуна

Як коефіцієнт зменшення впливає на продуктивність програми

Вихідна швидкість

Найбільш прямий ефект: вищий коефіцієнт означає меншу швидкість виведення. Для даного двигуна подвоєння коефіцієнта зменшує вихідну швидкість вдвічі. Застосування, що вимагають точного низькошвидкісного руху — приводи клапанів, приводи сонячних трекерів, повільно обертові мішалки, низькошвидкісні конвеєрні системи — потребують високих коефіцієнтів (від 50:1 до кількох сотень до одного). Застосування, що вимагають помірної швидкості зі збільшенням крутного моменту — електроінструменти, ведучі колеса AGV зі швидкістю ходьби, роботизовані з’єднання — зазвичай використовують співвідношення в діапазоні від 10:1 до 50:1.

Вихідний крутний момент

Більше передавальне число = вищий вихідний крутний момент від того самого двигуна, до межі номінального вихідного крутного моменту коробки передач. Коробка передач має максимальний номінальний вихідний крутний момент, який не можна перевищувати, незалежно від того, яке передавальне число та комбінація двигунів теоретично вироблятиме. Якщо розрахований вихідний крутний момент (крутний момент двигуна × передавальне число × ККД) перевищує номінальний вихідний крутний момент коробки передач, потрібна більша рама коробки передач.

Ефективність системи та тепло

Кожен ступінь передачі вносить втрати на тертя. Високе передаточне число, досягнуте за допомогою кількох ступенів редуктора, має нижчу загальну ефективність, ніж таке ж передавальне число, досягнуте за допомогою меншої кількості ступенів. Для застосувань, де енергоефективність має вирішальне значення — системи з живленням від батареї, такі як роботи AGV, медичні пристрої, портативне обладнання — мінімізація кількості ступенів редуктора та вибір ефективної геометрії редуктора (планетарного, а не черв’ячного) значно зменшує споживання електроенергії та виділення тепла.

Люфт

Люфт — the small amount of angular play at the output shaft when the input direction reverses — accumulates across gear stages. A single-stage planetary gearbox may have backlash of 3–5 arc-minutes; a three-stage assembly accumulates backlash from all three stages. For position-critical applications (robotic arms, CNC positioning, camera pan-tilt systems), specifying a precision planetary gearbox with low-backlash helical gear sets reduces position error from backlash to 1–3 arc-minutes or less, compared to 10–20 arc-minutes in standard spur gear designs.

Поширені помилки при виборі співвідношення та як їх уникнути

Використання швидкості двигуна без навантаження замість швидкості під навантаженням для двигунів постійного струму. Щіткові та безщіточні двигуни постійного струму під навантаженням працюють з меншою швидкістю, ніж без навантаження. Номінальна швидкість у таблиці даних двигуна постійного струму зазвичай є швидкістю без навантаження; при номінальному крутному моменті швидкість може бути на 10–20% нижчою. Використання швидкості холостого ходу для розрахунку коефіцієнта дає трохи вищий коефіцієнт, що призводить до дещо нижчої вихідної швидкості, ніж заплановано за фактичного навантаження. Використовуйте швидкість при номінальному крутному моменті — або при очікуваному робочому крутному моменті — для розрахунку співвідношення, щоб отримати точне передбачення вихідної швидкості.

Вибір передавального числа на основі лише швидкості без перевірки крутного моменту. Коефіцієнт визначає вихідну швидкість і вихідний крутний момент. Коефіцієнт, який забезпечує правильну вихідну швидкість, все ще може бути недостатнім, якщо вихідний крутний момент недостатній для навантаження. Завжди виконуйте як розрахунок швидкості, так і перевірку крутного моменту перед завершенням вибору передавального числа.

Ігнорування максимального вихідного крутного моменту коробки передач. Коробка передач має механічне обмеження — її максимальний номінальний вихідний крутний момент, — яке зуби шестерень і вали повинні витримувати. Якщо максимальний крутний момент двигуна, помножений на коефіцієнт, перевищує цю межу, коробка передач піддається ризику пошкодження в умовах пікового навантаження. Переконайтеся, що максимальний вихідний крутний момент коробки передач (знайомий у технічному паспорті продукту) перевищує розрахований максимальний вихідний крутний момент із коефіцієнтом безпеки.

Вибір занадто високого коефіцієнта «для додаткового крутного моменту». Збільшення коефіцієнта понад те, що вимагає застосування, втрачає діапазон швидкості двигуна та може перемістити робочу точку двигуна до дуже низької швидкості, де деякі типи двигунів (зокрема асинхронні двигуни змінного струму) працюють із зниженою ефективністю та коефіцієнтом потужності. Зіставте співвідношення з необхідною вихідною швидкістю з відповідним запасом крутного моменту, а не максимізуйте співвідношення довільно.

Вибір коефіцієнта зменшення за типом застосування

Часті запитання

Чи можу я змінити передавальне число на наявному моторедукторі без заміни всього агрегату?

У більшості стандартних конструкцій редукторних двигунів — зокрема, інтегральних редукторних двигунів, де коробка передач і двигун є єдиним герметичним блоком — передаточне число фіксується на виробництві та не може бути змінено в польових умовах. Щоб змінити передавальне число, необхідно замінити весь мотор-редуктор. У модульних системах, де окрема коробка передач з’єднана з двигуном фланцем, інколи можна замінити саму коробку передач на інше передавальне число, зберігаючи двигун, за умови, що розміри вихідного вала двигуна відповідають вхідним параметрам нової коробки передач. У програмах, де необхідна змінна вихідна швидкість без зміни співвідношення, контролер двигуна зі змінною швидкістю (інвертор для двигунів змінного струму, драйвер ШІМ для двигунів постійного струму) регулює вхідну швидкість двигуна електронним способом, ефективно забезпечуючи змінну вихідну швидкість у межах робочого діапазону двигуна.

Яка різниця між передавальним числом і понижуючим числом?

У загальному вживанні для двигунів-редукторів терміни взаємозамінні — обидва стосуються співвідношення вхідної швидкості до вихідної швидкості. Власне, «передавальне число» може стосуватися числа зубів однієї пари шестерень (яке може бути більше або менше 1:1 для додатків, що підвищують або зменшують швидкість), тоді як «передавальне число» конкретно передбачає зниження швидкості (вихід повільніше, ніж вхід, співвідношення більше 1:1). Для редукторних двигунів, у яких вихідна потужність завжди нижча за швидкість двигуна, обидва терміни описують одне й те саме значення та можуть використовуватись як взаємозамінні в документах закупівлі та специфікації.

Як передавальне число впливає на шум і вібрацію?

Редукторні двигуни з вищим передавальним числом зазвичай мають більше ступенів редуктора, кожен з яких створює шум і вібрацію зачеплення шестерні на частоті зачеплення (функція кількості зубів і швидкості вала). Конструкції планетарних передач розподіляють контакт зубчастої сітки між декількома планетарними передачами одночасно, що значно зменшує навантаження на окремі зуби та викликану вібрацію порівняно з циліндричною передачею з одним зубом і еквівалентним передавальним числом. Для чутливих до шуму застосувань — медичних пристроїв, офісної автоматизації, споживчої техніки — гвинтові зуби шестерні, які входять у зчеплення поступово, а не з раптовим ударом, як зубці зі шпильками, додатково знижують шум і вібрацію за еквівалентних співвідношень.

Мотори-редуктори з повним діапазоном співвідношення від Zhejiang Saiya Intelligent Manufacturing

Zhejiang Saiya Intelligent Manufacturing Co., Ltd. , Deqing, Чжецзян, виробляє мікроредукторні двигуни змінного струму, малі моторедуктори змінного струму, матові моторедуктори постійного струму, безщіточні моторедуктори постійного струму, планетарні моторедуктори та прецизійні планетарні редуктори з передавальним числом від 3:1 до понад 10 000:1. Стандартні пропорції та спеціальні конфігурації пропорцій доступні для всіх лінійок продуктів. Продукти використовуються в системах AGV, промислових роботах, автоматизації логістики, фотоелектричному відстеженні, медичному обладнанні та прецизійній автоматизації на світових ринках. Розробка OEM та ODM доступна для індивідуальних специфікацій редукторного двигуна.

Зв’яжіться з нами та повідомте необхідну вихідну швидкість, крутний момент навантаження, вхідну потужність і робочий цикл для вашої програми, щоб отримати рекомендацію щодо мотор-редуктора та цінову пропозицію.

Супутні товари: Планетарні редукторні двигуни | Прецизійний планетарний редуктор | Безщіточні редукторні двигуни постійного струму | Матові двигуни постійного струму | Мікро мотор-редуктори змінного струму | Маленький мотор-редуктор змінного струму