齿轮箱的好处&何时选择集成齿轮电机

提交日期:2020年3月5日(星期四)
只有大约三分之一的电机驱动运动系统使用齿轮传动装置,即使齿轮箱有利于尺寸受限的应用和运行在1000 rpm或更低。使用齿轮箱与伺服电机的其他优点比比皆是。

帕克变速箱
转矩乘法:齿轮箱在安装到电机输出轴上时具有机械优势。齿轮的数量和每个齿轮上的齿的数量创造了一个由比率定义的机械优势。如果马达产生100磅的输出。扭矩,附加5:1齿轮箱产生的输出扭矩接近500lb-in。取决于齿轮箱效率。

减速:齿轮箱通常被称为齿轮减速器,因为大多数增加输出扭矩,同时降低输出速度。电机运行在1,000 rpm配备了5:1比齿轮箱输出200 rpm。这种减速提高了系统性能,因为许多电机在低转速时不能有效运行。

考虑一个必须以15rpm转速运行的磨石机构。在此速度下,电机齿槽使砂轮旋转不一致。磨石的可变阻力也使车轮的转动变得不可预测。相比之下,安装100:1齿轮箱到电机让后者运行在1500 rpm。马达-齿轮箱组合提供更一致的输出力和平稳的车轮旋转,尽管摩擦和负载变化。

惯性匹配:在过去的20年里,伺服电机制造商已经推出了轻质材料,密集的铜绕组和高能磁体,用于在给定的框架尺寸下产生更多扭矩的电机。虽然有益,但这种趋势增加了伺服电机和它们控制的负载之间惯性不匹配的风险。

如果负载惯性明显超过电机的惯性,则会导致过度超调或增加沉降时间-这两种情况都会降低生产线的吞吐量。另一方面,对于应用来说,太大的电机初始成本很高,并且消耗更多的功率来加速其自身的惯性。

在这里,齿轮箱可以帮助匹配电机惯性负载惯性,从而产生一个更灵敏的系统。电机的反射惯量等于负载惯量除以齿轮传动比的平方。快速启动-停止应用得益于良好匹配的电机和负载惯量。

配置选项
节约成本:使用齿轮箱增加扭矩,降低速度,并匹配惯性也有助于降低系统成本,允许更小的电机和驱动器。考虑一个需要200磅的应用程序。在300年,rpm。仅用伺服电机驱动此负载(假设行业标准性能特征)需要142毫米的框架尺寸和连续供应30a的驱动器。这种系统的成本约为6000美元。相比之下,包括齿轮箱削减电机和齿轮箱框架尺寸为90,mm -和由此产生的机械优势允许更小的驱动器,以及。这种系统的成本约为3300美元。

配置选项
如果齿轮箱是有意义的,工程师必须确定是否直线或直角传动是适合设计的足迹。接下来,必须在集成减速电机或更常见的齿轮箱电机对之间做出决定。

直列齿轮箱通常用于运动控制应用,因为它们具有更高的扭矩输出和较低的齿隙比直角齿轮箱。它们的成本也比直角型的低。顾名思义,直线齿轮箱有一个输出轴,是直线(中心与)电机轴。

另一方面,一个直角齿轮箱是经常使用时,伺服电机需要适应到一个狭小的空间。在这里,直角齿轮箱的输出轴与驱动电机轴呈90°。传动装置,如蜗杆组有一个固有的直角设计,因为蜗杆的驱动轴(螺杆)是90°的蜗轮轴。


另一个考虑因素是是否使用一个单独的齿轮箱组装或组装是内置到电机。大多数运动设计结合齿轮使用单独的组件。这让工程师指定最好的电机和齿轮箱的应用程序,即使他们来自不同的制造商。典型的齿轮箱可以安装到几乎任何伺服电机通过法兰和标准螺钉。输入齿轮上的分离环机构将其固定在电机轴上。这种配置比集成减速电机更灵活。此外,齿轮箱比电动机磨损得更快,当这种情况发生时,只需要更换齿轮箱而不需要更换电动机-这可以降低维护成本。

即便如此,对于某些应用,集成齿轮电机(齿轮箱和电机都在一个外壳中)是最合适的。总长度可以比齿轮箱电机组件短一英寸或更多。使用集成减速电机也消除了考虑两个独立产品的性能特征的任务。相反,一个单一的速度-扭矩曲线表明是否减速电机可以足够的动力应用。最后,集成的减速电机通过防止齿轮头到电机安装的潜在错误来简化装配。

减速电机的缺点包括需要拆卸整个总成进行维修。如果在最初的设计中出现了错误,那么切换到另一个减速电机的成本是很高的,特别是与只切换到不同的齿轮箱的成本相比。

正在进化
近年来的新兴应用对齿轮箱和减速电机提出了新的要求。例如,食品加工业现在要求产品能够承受恶劣的冲洗和极端温度。集成的齿轮马达在这里表现出色,因为它们消除了马达-齿轮箱夹水和食物的缝隙。与方形外壳的标准伺服电机不同,冲洗减速电机外壳是圆柱形的,300级不锈钢,符合IP69K要求,耐高温和高压水。

新的应用也刺激了法兰齿轮箱和齿轮电机的使用,它们通过一系列螺纹孔直接安装到旋转输出轴上。这消除了对柔性联轴器的需求,提高了扭转刚度和动态系统响应。

指定的齿轮迷
指定的齿轮迷
齿轮子类型对应用程序的影响不同。
  • 正齿轮是紧凑的,成本效益,并能够高传动比。他们的牙齿运行垂直于齿轮面,所以他们是嘈杂的,容易磨损。
  • 蜗轮传动通常是直角输出的一种价格较低的解决方案。它们的简单性允许各种配置,包括空心轴和双轴输出。优点包括精度高、噪音低、维护少;缺点是效率相对较低且不可逆。
  • 行星齿轮装置包括一个中央太阳齿轮,驱动周围的行星齿轮。行星齿轮在环形齿轮内运行,并依次旋转齿轮箱的输出轴。优点包括体积小,效率高,低间隙,高扭矩重量比;缺点是设计复杂和昂贵。
  • 谐波齿轮传动包含一个波发生器,柔轮,和圆形脊柱。优点包括重量轻,设计紧凑,无齿隙,高传动比,高扭矩,同轴输入和输出。缺点可能包括较低的扭转刚度和较大的机械磨损,这是由柔轮引起的预载荷的结果。
  • 摆线传动有一个驱动偏心轴承的输入轴,然后由偏心轴承驱动摆线盘。驱动器的输出轴有滚子,通过摆线盘表面的孔。摆线减速机能够高比率和小。缺点包括摆线运动引起的振动增加,这可能导致摆线盘齿的磨损。

文章收录于机械设计杂志

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