变速箱可用于微调运动轴的性能特性。它们最常被认为是扭矩乘法器，但实际上为其他几个功能提供了多种功能，包括速度匹配，惯性减少和分辨率增加。正确指定伺服电机或步进电机的变速箱涉及考虑机器参数，应用要求，环境条件，机械因素，以及当然，预算。在这里，我们审查了尺寸和选择伺服或步进系统的齿轮箱的过程，并以无法打破银行的价格实现所需的性能。

为什么要使用变速箱？

齿轮可以在运动系统中发挥许多角色。通过考虑齿轮比来开始克,由以下人士提供:

G = D.₂/D.₁

如果我们连接带扭矩t的电机₁输入速度w₁，齿轮箱的输出将是

t₂= T.₁G

w₂= W.₁/N

换句话说，变速箱用作扭矩倍增器和减速器。扭矩乘法使得可以使用更小的电机，节省金钱和空间来驱动系统。

在某些应用中，变速箱作为减速机的作用与其作为扭矩倍增器的功能一样重要。例如，晶体生长需要将小球从装有熔体的圆筒中逐渐升起。为了保持晶体尽可能的圆润、光滑和均匀，整个组装必须以每小时15°的速度缓慢旋转。

伺服系统提供紧密的角速度控制，但伺服电机传统上并不良好地表现良好或以慢速产生多大扭矩。添加齿轮箱使伺服电机能够以从控制器角度以最佳速度运行，同时仍然产生适度的扭矩，这通过齿轮比增加到所需的水平。

变速箱也非常有用惯性匹配。电机无法启动负荷是不够的;它需要控制和减速它。如果负载惯量太高于电机的惯性，则轴将无法在所需位置和时间处定位负载，并且性能会受到影响。这是变速箱可以辅助的地方。

通过增加电机扭矩，变速箱也能有效地调节电机控制负载的能力。载荷反射的惯量，j_R.，按传动比缩放为:

j_R.=j_L./G²+j_G

在哪里j_G是齿轮箱惯性。

齿轮箱通过逆平衡减少比率的反射惯性。该特性将较小的电机装备有效控制更大的负载。该方法节省了金钱，减少了大小，增强了性能。但是，重要的是要记住，齿轮箱确实有助于整体惯性。

齿轮传动比也增加了步进电机的分辨率。CGI齿轮公司(内华达州卡森市)的工程总监布里恩·雪瑞说:“齿轮头的比例直接减少了步长。”“在齿轮头的输出轴上，分辨率要高得多。”

对齿轮箱的另一个不太受欢迎的好处是它们可以减少伺服系统中的运行噪声。“伺服齿轮箱大声响亮的误解，”Joe Schneider，Wittenstein（Bartlett，伊利诺伊州）领先。“然而，电机创造了很多噪音本身。特别是当它在较高利用率下运行时，开始绕过缠绕噪音。如果齿轮箱正确尺寸，则会减轻噪音，因为您无法像电机一样努力工作。变速箱正在进行工作。“

变速箱确实涉及一些权衡。它们为系统增加了尺寸和重量，尽管可以通过电动机尺寸的伴随减少到某种程度上偏移。它们增加了成本，尽管电动机/变速箱组合可能仍然比较大的电机便宜。在任何情况下，变速箱都会为系统增加复杂性和故障点。他们增加维护和监控任务。通过正确指定应用程序的变速箱，可以在很大程度上减轻后一种问题。让我们来看看如何。

指定变速箱

收集应用程序需求

指定运动控制系统的变速箱需要的不仅仅是应用扭矩或速度数据。在在线勘探或拾取手机拨打供应商之前，将应用程序详细描述，具有尽可能多的技术信息。

关键参数包括：

• 负载惯量：利用你的供应商的技能。大多数制造商提供尺寸调整软件，其中一些相当复杂。与应用工程师一起工作，向他们发送你的系统的CAD效果图和任何其他可用的信息。
• 运动配置文件：详细说明完整的运动配置文件，包括加速时间（t_acc)，连续运行时(t_续），减速时间（t_12月）和停留时间（t_住）。这些可用于确定：
• 最大连续速度（n_{有限公司nt}）：计算运动循环所需的最大连续速度，因为这将用于确定齿轮传动比。
• 占空比：这量化了在每个循环中移动的时间量，而不是居住。它可用于识别发生的运动类型，这将有助于确定在施胶过程中使用的比例因子。
• 布局:尽管大多数应用程序可以使用多种类型的变速箱，但某些应用程序的配置和空间限制要求一定的形状因素;例如，AGV转向解决方案中的直角变速箱。
• 环境问题:这些因素包括温度、压力、湿度、污染等。

确定扭矩

上面的参数可用于计算：

• 加速扭矩（T._acc）
• 连续运行扭矩(T._续）
• 减速力矩(T._12月）
• 停留扭矩（T._住）

我们将使用这两组数据来确定根平均立方输出扭矩，并使用它来计算应用所需的齿轮传动比。

变速箱不足以产生足够的扭矩以驱动负载。它还需要满足应用程序的寿命要求。材料疲劳是齿轮箱最常见的故障模式之一。对于尺寸不当的齿轮箱，重复应力会导致牙齿破裂和变形，或轴承以发展缺陷。该设备高表现，过早失效（有时遭到灾难性地）。为了最大限度地减少这些问题，制造商使用压力测试来确定最终的拉伸强度（断裂点），屈服强度（不可逆损坏点）和耐久极限（可用于无限循环的最大应力，而无限循环而没有损坏的无损坏）。该数据为变速箱额定值提供了基础。

某些情况下，如重型使用，高冲击负荷，和极端的温度会加剧对变速箱的压力。因此，在某些情况下(例如，使用系数和应用系数)，变速箱会降低等级。这种情况在连续负载系统中比在间歇负载系统中发生得更频繁，但这种技术仍在偶尔应用。

在简单的配置中为单轴施加齿轮箱，可以简单，但对于复杂的多轴系统，该过程急剧变得困难。在这里，我们将审查基础知识。

首先确定占空比D.确认系统是间歇性的。我们定义占空比为

如果占空比小于60％并且总和，则认为运动被认为是间歇性的t_acc那t_续那t_12月不到20分钟。间歇应用的齿轮箱通常不需要解额来解决热因素，因为运动的开始 - 停止性质允许热量的时间来消散每个循环。

如果占空比为60％或更大，则认为运动是连续的。这些系统需要被降级以补偿热量堆积。

计算根部平均立方体输出扭矩（t_的意思是）：

检查潜在的齿轮头，并寻找一个可以提供以下性能:

T._的意思是≤T._诺维

t_acc和t_12月≤t_accr.

在哪里T._诺维是公称额定扭矩和额定加速度。

计算最大允许的齿轮比G_最大限度使用

G_{max =}N_maxr/ N_续

在哪里N_maxr为候选齿轮头的最大额定输入速度。

我们可以计算平均输入速度N_意思和最大输入速度N_马克西使用

N_马克西= G N._续

仔细检查额定速度和加速度的操作速度和加速度。此外，用于伺服/步进轴的齿轮箱，用于连续或间歇运动的操作应通过温度因数来降低K._T.和/或震惊因素K._S.如下表所示¹：

表1:连续和间歇运动的降级指南

礼貌的帕克贝德

确定e止损扭矩并确认变速箱可以处理它也很重要。立即停止可能导致牙齿在最坏的情况下猛烈地猛击。“你必须考虑到崩溃或e停止情况，”纳布特克斯科运动控制（Michington Hills，Michigan）的销售工程师杰森哈尔说。“齿轮箱可以把负载移动到你想要移动它的速度，然后停在一角钱？或者会损坏变速箱吗？你需要上身吗？现在是检查这一点的时候了。“

确认变速箱能承受所涉及的应力。确保操作人员明白，该功能只能在紧急情况下使用，而不能在正常操作期间作为停止机制使用。

什么是机械考虑因素？

下一步是检查机械设计，以确保电机和变速箱都是适当的支持。它可以诱人地安装在齿轮头上的电机，而不是隔离径向和轴向负载使用外部轴承支持。它可能提供了短暂的节省，但很可能导致齿轮头过早的故障。

在一些情况下，致动器可以施加诸如皮带和皮带轮或齿条和小齿轮的致动器。“这些类型的应用程序在齿轮头的输出轴上放置了一个值得注意的侧重载荷，”Shirey说。“如果您依靠齿轮齿轮的轴承以适应这一点，那么您肯定必须尺寸尺寸，使其可以容纳该负载。这可能是在齿轮中尺寸上升的原因，即使它可能不需要太多的扭矩。“

通常，应匹配电机和变速箱的框架尺寸。试图在34帧齿轮上安装75帧电机将施加危险的力矩负载到齿轮的前面，特别是因为单位通常由四个螺栓连接。

考虑准确性要求

尽管每个应用是不同的，运动控制系统通常使用正齿轮，蜗轮，行星齿轮，或其他更复杂的高性能齿轮箱之一。

Motion Solutions (Alisa Viejo, California)的工程副总裁Wally Logan说:“在我们的绝大多数应用中，我们使用伺服电机或步进电机。“对于步进应用，我们通常先使用直齿齿轮箱，然后如果有必要，再使用行星齿轮箱。对于伺服应用，我们通常采用另一种方法。我们一般会用行星齿轮箱我们可以用直齿齿轮箱。对于非常高端的应用程序或那些有严格包装限制的应用程序，我们有时会使用谐波传动变速箱。”

齿轮在匹配齿轮的牙齿之间需要一些有限的间隙，以便允许润滑剂在其间工作。当输入轴或齿轮开始转弯时，在占据这种间隙之前，不会发生输出轴或齿轮的实际运动。因此，每个标准变速箱都有一些有限量的间隙，这是丢失运动的主要贡献者。

行星齿轮箱应用：扭矩，速度，力从威腾斯坦在北美的作品在Vimeo.。

间隙的量取决于牙齿轮廓，齿轮设计和制造的质量。正齿轮，其是线性的，并同时沿着齿轮齿的整个长度接触，需要最屏障并具有最大的间隙。螺旋齿轮，其中牙齿沿着它们的长度具有螺旋形轮廓，使得啮合的过程更加渐变，展示了较低的间隙水平。

在变速箱设计方面，行星齿轮箱具有非常好的反弹性能。行星齿轮箱由围绕着三个或更多左旋“行星”齿轮围绕的中央太阳齿轮组成，齿轮齿轮围绕着环绕齿轮（参见。增加的接触区域提升稳定性。高端行星齿轮箱可以在电弧分钟的顺序中实现反障碍。它们是高效且提供良好的动力转移水平。所有这些因素使它们非常流行使用伺服，伺服和步进运动应用。

行星齿轮箱设计原则从威腾斯坦在北美的作品在Vimeo.。

下一步上升性能梯子是摆线齿轮箱。摆线齿轮箱由环形齿轮封闭的一对并排椭圆板构成。板沿环形路径旋转，交替，使得其中一个板始终用环形齿轮啮合。结果，这些齿轮箱证明了在满载下测试的0.3和0.5 arcmin之间的反冲。

摆线针轮齿轮箱最适用于高负荷应用，具有苛刻的定位要求，如卫星天线转向系统或机器人焊接分度表。特别是在分度表的情况下，摆线针轮齿轮箱提供优势。例如，蜗轮蜗杆，被设置为每个指标提前预定义的度数，由蜗轮的启动数定义。摆线针轮齿轮箱的设计使其能够连续定位。

对于在最小，最轻的封装中需要高扭矩的高端应用，Logan指向谐波驱动器。“他们肯定需要更多的工程来使用，特别是如果您要将装备设计成自定义应用程序而不是仅使用搁板齿轮箱，”Logan说。“还有谐波齿轮发动机，您可以在一个封装中驾驶谐波齿轮箱的直接驱动电机。我们已经在这里开发了一些，他们非常令人难以置信。你可以从一个非常小的包装中获得大量的扭矩。“他指向电子制造的转盘应用，作为结合高精度和高惯性的示例。

请务必检查潜在供应商以确定如何测量间隙。一些公司理论上计算，而其他公司实际测试以确认表现。

计划的效率

在实际应用中，变速箱的效率总是很重要的。低效的变速箱会消耗能量并产生需要管理的热量。在运动控制中使用的最常见的齿轮箱，按照提高效率的顺序列出，是正齿轮、斜齿轮、蜗杆传动和行星齿轮箱(见图1)。特别是，蜗杆齿轮箱的效率可以低至50%。

低效率并不总是一个负面的东西。在某些情况下，直角蜗轮可以用作降低的成本脱闸制动器。“直角蜗轮是自锁的60：1比例，所以有些人使用直角蠕虫齿轮箱，因为当机器关闭时，换档装置防止轴的旋转，”工业市场总经理Matt Hanson说在野牛装备和工程（伊利诺伊州圣查尔斯）。

要求高效率的直角应用通常需要准双曲面齿轮传动。Hanson补充道:“这些类型的减速器采用热处理和研磨的准双曲面齿轮传动(效率达85%)，提供了一种安静、坚固的齿轮解决方案。”

变速箱效率根据速度，生产而异

图1：在蜗杆驱动器中，蜗轮（顶部）旋转以转动车轮。蠕虫齿轮是有效的，但往往是低效率。

比和加载。一个齿轮头操作无负载将提供良好的数字，但它们在现实环境中没有意义。再一次，一定要询问供应商他们是如何衡量效率的。

确定正确的形式因素

性能至关重要，但齿轮箱需要适应系统。有规模和重量限制吗？布局是否需要特定的设计，例如直角齿轮箱而不是在线变速箱？系统是否需要对适当的组装或其轴的轴的影响？设计工程师还具有广泛选择的空心齿轮箱，可提供不同风格，以提供电缆和光纤的路径。这些设计对于机器人特别有用。

表格因素主要被认为是便利性的问题，但它们也有一个轴承性能。直角齿轮箱不能像型号一样有效地转移电力。高扭矩应用受益于法兰架。也就是说，通过仔细规范和安装，法兰和嵌入式设计可以同样适用。

不要忘记环境问题

运动控制系统在各种环境中运行，该环境范围从洁净室到糖浆装瓶线到锯木厂。在变速箱选择期间，应始终考虑环境条件。将在卫生环境中运行的齿轮箱可能需要IP级外壳和防腐涂层。注定用于洁净室的设备需要特色润滑脂和密封。在与供应商的讨论中务必提出这些因素。

预算怎么样？

除了某些航空航天和军事应用，每个项目都有预算现实。变速箱的选择提供了另一个自由度，以实现性能目标，同时满足预算。

对于许多对成本敏感的应用，设计师选择标准运动控制变速箱的低端版本。洛根说:“一般来说，在逐步升级的申请中，你通常会把成本(作为首要考虑因素)。”“有限的预算是我们首先使用步进电机的原因，所以这将缩小我们的选择范围，要么是低成本的行星变速箱，要么是低成本的直齿变速箱。”

蠕虫齿轮箱往往具有相当高的齿轮比，在相当小的包装中提供大的扭矩倍增。还有其他好处。“蠕虫齿轮箱往往很安静，”洛根说，他们指着一个患者为治疗机的患者床铺。“我们开始使用相对较高的比率行星齿轮箱。在我们必须运行的相对高的电动机速度下，齿轮箱非常嘈杂。我们切换到蠕虫齿轮箱，噪音少得多。尽管齿轮箱可能效率较小，但对于我们而言，权衡较少的齿轮箱具有同样高的齿轮比的噪音。“

变速箱是原始设备制造商军火库中的必要工具。它们可以被用作扭矩倍增器、减速器、惯性匹配器，甚至是提高分辨率的工具。如果选择、安装和维护得当，变速箱可以在不受干预的情况下运行数十年。施耐德说:“我们一直在安装上世纪90年代的变速箱。“我们看到，只要变速箱的尺寸正确。”

参考文献

1. 运动控制工业的精密齿轮头和齿轮马达贝赛运动集团。
2. http://www.parkermotion.com/literature/precision_cd/CD-EM/daedal/cat/english/Gearheads.pdf