准备GydF4y2Ba

齿轮箱是运动控制系统的工作主题。它们可以将RPM转为肌肉，为传送带移动重型盒子或将风力涡轮机的扭矩转换成足够的速度以驱动发电机。它们可以完全改变运动方向。该技术功能强大，具有足够的选择，几乎每场合时都能满足 - 当正确使用时，即。让我们来看看今天的市场中的一些选择以及一些陷阱避免的陷阱。GydF4y2Ba

齿轮101.GydF4y2Ba
齿轮箱是系统中把动力从一个元件传递到另一个元件的机械装置。通常，变速箱与电机集成，将电机的原始运动转换为应用所需的速度和扭矩。我们定义两个齿轮的传动比G为它们的直径比DGydF4y2Ba_1GydF4y2Ba和DGydF4y2Ba_2GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

G = D.GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba/ DGydF4y2Ba_1GydF4y2Ba

如果我们连接电机产生扭矩GydF4y2BaT.GydF4y2Ba_1GydF4y2Ba速度GydF4y2BaW.GydF4y2Ba_1GydF4y2Ba，我们的输出扭矩GydF4y2BaT.GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba和角速度GydF4y2BaW.GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba是由:GydF4y2Ba

T.GydF4y2Ba_{2 =GydF4y2Ba}T.GydF4y2Ba_{一世GydF4y2Ba}GGydF4y2Ba

W.GydF4y2Ba_{2 =GydF4y2Ba}W.GydF4y2Ba_{一世GydF4y2Ba}/ GGydF4y2Ba

换句话说，减速比大于1的齿轮箱输出扭矩增加，转速降低。GydF4y2Ba

有多种类型的齿轮箱。我们可以通过牙齿的特征来塑造齿轮。正齿轮具有与齿轮旋转轴线平行的齿，并且倾向于产生轧制运动而不是滑动运动（参见图1）。这种类型的齿轮是经济的，可以提供大量的功率。然而，啮合齿上的接触的表面积有限，这可能导致耐磨性更快。当齿轮齿轮啮合时，它们会在牙齿的长度上一次滑动。根据齿轮的使用方式，这可能导致一些运动不均匀。它还可以引起反冲，其中基本上是输入轴的运动之间的延迟和在逆转期间发生的输出的运动。在重新建立接触时，由两个啮合齿轮上的牙齿之间的空间引起的间隙。GydF4y2Ba

斜齿轮具有相对于旋转轴倾斜的齿(见图2)。有角度的设计提供的齿的渐进式啮合产生更平滑的运动。与基本直齿圆柱齿轮相比，在任何时候接触的更大的表面积也增加了寿命，并可以减少齿隙。公司产品销售经理克里斯·鲍尔说:“直齿圆柱齿轮的齿接触总是1:1。GydF4y2BaLenze-AC技术GydF4y2Ba（Uxbridge，马萨诸塞州）。“带有螺旋齿轮，您可以获得1：1.5，因此您可以传输10％至15％的扭矩。”权衡更加复杂，因此价格较高。GydF4y2Ba

为了有用，齿轮必须组合成齿轮组和齿轮箱。内嵌齿轮组的啮合平行于旋转轴。一套锥齿轮的接触通常是在一个45度角和重定向转动轴90度(见图3)。虽然牙齿可以垂直的方向,在直齿锥齿轮,一般他们更倾斜,如螺旋锥齿轮。角度面也可以弯曲，为螺旋或甚至准双曲面齿轮，结合滚动和滑动运动的高效率和低噪音。GydF4y2Ba

齿也可以像螺纹一样在圆柱体中螺旋旋转，形成一个蜗轮(见图4)。蜗轮通常提供滑动运动。它的效率非常低，但它可以承受大的负载，并为低性能的应用程序提供经济的解决方案。GydF4y2Ba

变速箱综述GydF4y2Ba
各种类型的单独齿轮可以组合在齿轮箱中。除了直线和锥面设计，还有行星齿轮箱，谐波齿轮箱和摆线齿轮箱。GydF4y2Ba

行星齿轮得名于中央齿轮(太阳)、轨道齿轮(行星)和外圈(环)的排列。由于齿数的界面，行星齿轮往往提供非常平滑，精确的运动与长寿命，低磨损，和极低的齿隙。他们也可以容纳非常大的负载和扭矩。GydF4y2Ba

缺点是，由于它们的复杂性通常比替代品更大，更重，以及比简单的在线或锥齿轮更昂贵。射门射门的纯粹数量可以降低效率。特别是在高扭矩应用中，剪切力可能导致各个行星齿轮上的施加不均匀压力，触发轴向未对准。这种损害效率并导致磨损减少寿命。GydF4y2Ba

解决这个问题的一个办法是用灵活的悬臂取代行星齿轮的固定轴承销，允许单个行星齿轮调整位置，以平衡负载(GydF4y2Ba点击这里GydF4y2Ba对于FlexDrive动画视频提供Timken）。“由于系统的灵活性，它确保了与齿轮的均匀接触，使其不需要宽阔，”风能业务部的应用工程管理经理Doug Lucas说GydF4y2Ba蒂姆肯有限公司GydF4y2Ba(广州,俄亥俄州)。“它可以更窄，因为你不需要考虑任何应力集中因素。”这就打开了小型化、轻量化行星齿轮箱的潜力。GydF4y2Ba

这种方法还有其他优点。各行星齿轮的转矩受负载分担系数K的影响GydF4y2Ba_GGydF4y2Ba。顾名思义，kGydF4y2Ba_GGydF4y2Ba描述变速箱上的扭矩是如何在各种行星齿轮之间共享的。传统的带有固定轴承销的行星设计倾向于由三个行星组成，因为这种结构产生了载荷分担系数KGydF4y2Ba_GGydF4y2Ba=GydF4y2Ba1GydF4y2Ba这表示负载是平均分配的。如果我们改变我们的配置GydF4y2BaNGydF4y2Ba= 7，配置变得不那么确定，用KGydF4y2Ba_GGydF4y2Ba上升至1.4或1.5。灵活引脚方法减少了kGydF4y2Ba_GGydF4y2Ba开辟使用较大数量的行星齿轮来分配力并提高寿命和效率的可能性。“我们实际上发现通过测试，我们能够将负载分享因子降至1.2，为七个行星，”Lucas说。“我们现在更能够理解和预测负载共享如何通过系统。”GydF4y2Ba

另一种选择是摆线针轮齿轮箱，它的特点是一对并排的椭圆形板封闭在一个环形齿轮。盘片沿摆线路径旋转，以便其中一个盘片始终与齿圈啮合(GydF4y2Ba点击这里GydF4y2Ba为摆线齿轮箱视频courtesy of Nabtesco运动控制)。因此，齿隙可以降低到1.5 arcmin。因为该设计有效地使用了变速箱的整个外壳设计，它减少了磨损，产生了2000小时的循环寿命。设计包括一个中央孔，允许电缆通过。GydF4y2Ba

为最佳性能，工程师转向谐波齿轮箱。它们由三个嵌套元素组成：具有内齿的坚固的钢外环，具有外齿的柔性内环，直径略小于外圈，嵌套内部呈椭圆形凸轮。凸轮由轴驱动。当它转动时，它变形并旋转柔性内圈，使其在外圈周围的斑点，牙齿始终始终接触两个点（GydF4y2Ba点击这里GydF4y2Ba查看谐波齿轮箱提供的谐波驱动器)。GydF4y2Ba

该器件可实现距离小于1个arcmin的传输精度，高扭矩和±5弧度的可重复性。它们是轻巧，紧凑，高效，同时提供高达320：1的减少比率。支付价格罚款但对于苛刻的应用，可能是值得的。GydF4y2Ba

与反弹GydF4y2Ba
所有的机械系统都在某种程度上受到所谓运动丢失的影响:输入轴或齿轮的旋转不转换为输出轴或齿轮的旋转。运动损失的原因包括迟滞，扭转弹性或刚度，和反弹。后者，正如前面提到的，作为一种不受欢迎的现象受到了不公平的批评。在现实中，如果齿轮传动系统没有某种程度的齿隙(啮合齿轮的齿间的某种间隙)，就不会有润滑的空间，齿轮传动系统就会卡住。每个变速箱都设计了后座力。当间隙干扰到应用程序所需的位置精度时，问题就出现了。GydF4y2Ba

“反弹的部分原因是一个问题是因为人们试图使用连接到电机的输入编码器来给予它们输出定位，”机电研究总监Clyde Hancock说：GydF4y2BaMicroMoGydF4y2Ba（透明水，佛罗里达州）。“如果您在系统中内置了反速度，并且一直在一个方向，这可能不会是一个问题。它是当你反转反向的时候被占用。你失去了一点准确性，因为现在你在电机上有一个不会导致输出运动的运动。“GydF4y2Ba

对于许多应用程序，反弹不是一个严重的问题，部分原因是精度从降低速度的相同齿轮比效果获得升高。例如，如果每个转速输入编码器的电机连接到10：1齿轮箱，则输出处的分辨率有效地为1000：1。对于所有但最苛刻的应用程序，或减少比例的少于一个的系统，这通常就足够了。对于需要更好性能的系统，存在许多选项。GydF4y2Ba

斜齿轮可以在一个经济的价格点提供合理的良好的齿隙性能。如果需要更好的性能，可以配置一对平行的直列直齿轮系，两者都连接到输出轴，以大大减少齿隙。本质上,一个小齿轮位于两个齿轮之间的火车,这是预紧,小齿轮的牙齿总是压反对齿轮的表面(见图5),如果小齿轮转向左边,它的牙齿是压在左边的轮系的牙齿。如果小齿轮向右转，它的齿再次紧紧地压在右侧齿轮系的齿上。GydF4y2Ba

当然，在现实世界中，没有什么可以自由自在。由于小齿轮始终与两个齿轮列车接触，所以设计需要更多的电流运行，因为如果应用程序必须是电池供电，则应考虑更多的电流。除了较大，更重，这种类型的设计由于齿轮齿的恒定接触，因此磨损增加了;此外，取决于运动是否倾向于涉及较大档位的完全转速或仅小增量，磨损可能不一致。一旦发生磨损，“零间隙”效果会受到损害。当然，劣化是渐进的，并且只有随时间和占空比表现出来，但用户应该了解这个问题。GydF4y2Ba

另一种选择是转向更复杂的变速箱设计之一 - 行星，摆线和谐波。当然，权衡是成本的。根据变速箱设计，尺寸也可以是一个因素。对于根本无法容忍误差的应用程序，最佳解决方案是输出编码器，其将完全监控输出位置。GydF4y2Ba

尺寸调整变速箱GydF4y2Ba
现在我们已经回顾了变速箱的基础知识和新发展，让我们来解决最重要的部分:你如何选择变速箱和有什么陷阱?与大多数运动控制设计一样，你应该首先了解你的应用程序。你想要完成什么?你需要做得多好，你需要花多少钱?Ball说:“通常情况下，应用程序的大小取决于速度/扭矩。“在那之后，你必须研究应用程序，以确保电机和变速箱的尺寸合适。如果应用程序有严重的冲击负荷，某些运行方式，改变负荷，等等，变速箱需要超大，以确保你补偿。你希望你的传动装置能持续很长时间。”GydF4y2Ba

虽然变速箱可以显着增加扭矩，但它们只能迄今为止。获得一个提供足够扭矩的电机很重要。负载和电机之间的惯性不匹配可能是一个问题，特别是在高加速率的情况下。如果您有非常快速的启动和停止应用，每一点质量都在发言中发挥着重要作用。GydF4y2Ba

“我认为人们试图使用100：1比率的真正小型电机有时会导致糟糕的情况，”麦克安斯莫斯说，应用工程经理GydF4y2Ba威腾斯坦公司。GydF4y2Ba(Bartlett,伊利诺斯州)。“变速箱运转需要一定的扭矩——内摩擦、密封、油搅动、轴承等。我们称之为空载运行扭矩。有时，我们的用户甚至不能转动变速箱，因为他们的电机太小了，所有的扭矩都被用在了转动变速箱上，没有一个用于应用。”GydF4y2Ba

太高的惯性不匹配，您无法正确地打开变速箱或正确控制伺服轴。太低了，您不利用电机到其完全能力，这意味着电机现在是系统中最大的负载，而且您正在花费大部分能量只是为了加速它。Anselmo的建议是从负载工作。“从负载开始和所有之间的机制，然后添加电机，”他说。“那种方式你知道你正在处理什么，因为如果你不包括额外的机制（在它中有效率低下的机械组件），你可以跑到那种我们刚刚谈论的情况下。”GydF4y2Ba

负载有助于确定变速箱大小，但你也需要考虑负载的位置。公司的销售工程师Jim Gruszczynski表示:“如果你的重心保持了良好的平衡，产品的整体寿命肯定会更长。GydF4y2BaNabtesco Motion Control Inc.GydF4y2Ba(诺维,密歇根州)。根据负载的不同，将重心偏移几英寸就会产生很大的不同。“我们可以说我们的变速箱可以承受27000磅的重量，但如果你再加一个4英寸的。抵消，现在我们必须回去计算输出轴承的质量，以确保没有额外的径向力，这会导致轴承失效。”GydF4y2Ba

性能不是唯一的考虑因素。该解决方案必须适应您的可用空间，特别是如果它是改造，而且成本总是一个因素。最重要的是，您需要优先考虑您的要求。如果定价是最重要的，例如，正齿轮或蜗轮可能会起作用。如果扭矩更优先，可能是螺旋齿轮是一个很好的契合。如果性能胜过所有人，那么更复杂的变速箱设计之一是您最好的选择。GydF4y2Ba

当然，最高精度的变速箱是无用的，如果它不是适当地集成到系统作为一个整体。Gruszczynski说:“当你装配一个精密变速箱时，你也应该做到高精度。”“如果一名技术人员在店里工作，但找不到合适的部件，他就会用木槌敲打或磨掉一些部件，这就有问题了。”GydF4y2Ba

随着齿轮箱技术的范围可用，如果您需要时间了解您的应用程序并注意使用变速箱的陷阱，您的解决方案将是成功的。GydF4y2Ba