Планетни предавки и редуктори

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2013

Използваните в техниката зъбни механизми се разделят по кинематичен признак или в зависимост от характера на относителното движение на зъбните колела на обикновени зъбни механизми, на които осите на въртене на зъбните колела са неподвижни, и на епициклични зъбни механизми, в състава на които има поне едно зъбно колело с подвижна спрямо стойката ос на въртене.

Епицикличните зъбни механизми са съставени от цилиндрични и конусни зъбни колела и се разделят на планетни (h = 1), диференциални (h = 2) и затворени диференциални (h = 1) механизми (h са степените на свобода или броят на независимите движения на механизма).

Елементарните зъбни механизми не могат да се разлагат на по-прости, а сложните се състоят от отделни елементарни и са съставени от еднотипни зъбни колела (цилиндрични, конусни, от механизми с неподвижни или подвижни оси и т. н.), а също и от техни съчетания. В сравнение с елементарните, сложните планетни предавки имат предимства при необходимост от по-големи предавателни отношения, по-високи въртящи моменти, по-ниска маса и по-гъвкави конфигурации.

Зъбните механизми могат да бъдат с постоянно предавателно отношение i - това са редуктори и мултипликатори, както и със стъпално променящо се i - т. нар. скоростни кутии.
Епицикличните зъбни механизми са известни от 14-и век, като са прилагани главно в уреди за астрономически изчисления.

Възможни са извънредно голям брой кинематични схеми на епициклични зъбни механизми, описани в техническата литература. Но тъй като при реализация на големи предавателни отношения механичният к. п. д. зависи силно от кинематичната схема на механизма, последната трябва да се избира след внимателно проучване на предназначението и условията на работа.

Елементарният епицикличен зъбен механизъм - едноредната планетна предавка (фиг. 1) е с най-проста конструкция, с високо к. п. д. и има най-голямо приложение в едностъпалните и многостъпалните планетни редуктори. Тя се състои от централно (слънчево) колело 1 с външни зъби, неподвижно централно колело 3 с вътрешни зъби (зъбен венец, корона, епициклично колело) и водило Н, върху което са закрепени осите на колелата 2 (т. нар. сателити).

При работа сателитите обикалят централното колело и се въртят около своите оси, т. е. движението им е подобно на това на планетите. Водилото се върти около централната ос заедно със сателитите. При неподвижно колело 3 движението се предава от колелото 1 към водилото Н или обратно, т. е. предавката работи като редуктор или като мултипликатор.

Диференциалните механизми имат две степени на свобода, или при схемата от фиг. 1 централните колела и водилото са подвижни, т. е. има две (може и повече) задвижващи звена. Например движението от колелото 3 може да се предаде едновременно на колелото 1 и водилото Н или от колелата 1 и 3 - на водилото Н и т. н.

При това става преобразуване на две въртеливи движения в някакво трето или обратно – разлагане на едно движение на две, както например е в автомобилния диференциал. Такива механизми осъществяват алгебрично събиране или разделяне на две движения (ъглови скорости) и се използват в изчислителните машини, следящите системи, машините автомати и т. н.

Предавателно отношение
При определяне на предавателното отношение на планетните предавки се използва методът на спиране на водилото (метод на Вилис). По този метод на всички звена на предавката мислено се задава ъгловата скорост на водилото wH, но в обратна посока. При това водилото става неподвижно, а неподвижното колело се освобождава. Получава се т. нар. обърнат механизъм, който представлява обикновена (непланетна) предавка с неподвижни геометрични оси на всички колела. При това сателитите се превръщат в междинни (паразитни) колела, които не влияят върху предавателното отношение на механизма.

Приложението на метода на Вилис за определяне на предавателното отношение на планетната предавка от фиг. 1 е показано при предаване на движение от колелото 1 към водилото Н. Обърнатият механизъм на тази предавка има т. нар. вътрешно предавателно отношение i´ = (w1 - wH ) / (w3 - wH ) = -z3 / z1, където (w1 - wH ) и (w3 - wH ) са съответно относителните ъглови скорости на колелата 1 и 3 спрямо водилото Н; z1 и z3 са съответно броят на зъбите на колелата 1 и 3.

Тук е добре да се отчете знакът на предавателното отношение i. То се приема за положително, ако задвижващото и задвижваното звено на обърнатия механизъм се въртят в еднакви посоки, и отрицателно - ако те се въртят в различни посоки. В разглеждания случай колелата 1 и 3 на обърнатия механизъм се въртят в различни посоки.

В планетните редуктори най-често колелото 3 е неподвижно, колелото 1 е задвижващо, а водилото Н - задвижвано звено, при което със заместване в горната зависимост на w3 = 0, се получава i = w1 /wH = 1 + z3 /z1. По същия начин се определя предавателното отношение и на други схеми на планетни предавки.

Типови схеми на планетни редуктори
Редукторите, в кинематичната схема на които е включен епицикличен зъбен механизъм с една степен на свобода (планетна предавка), са познати като планетни редуктори. Типовите планетни редуктори с цилиндрични колела обикновено се състоят от един или няколко прости планетни механизма, които са конструирани както с цилиндрични, така и с конусни колела с прави и с наклонени зъби. Известните възможни схеми на най-прости планетни механизми имат неподвижно централно колело и притежават една степен на свобода.

Като редуктор в машиностроенето най-широко се използва едноредната планетна предавка, чиято схема е показана на фиг. 1. Тя има минимални габаритни размери и намира приложение в силовите и в спомагателните задвижвания. Коефициентът на полезно действие на предавката е сравнително висок h = 0,96 ё 0,99 при i = 1,28 ё 8, като при i = 4 до 8 се осигурява оптимална комбинация от размери и качества на редуктора.

За получаване на по-големи предавателни отношения в силовите задвижвания се използват многостъпални планетни предавки.
На фиг. 2а е показана схема на планетна предавка със сдвоен сателит. При предаване на движение от колелото 1 към водилото Н и w4 = 0 предавателното отношение е съответно i = w1 /wH = 1 + z2z4 /z1z2. Тази предавка се използва за i Ј16 при h = 0,96 ё 0,97.

Показаната на фиг. 2б двустъпална планетна предавка се състои от две последователно съединени едноредни предавки. В този случай i = i1i2 < 125; h = h1h2 = 0,92 ё 0,97.
Предимствата на планетните предавки и редуктори са: малките габаритни размери и маса (предавката се вмества в размерите на централното колело с вътрешни зъби, като мощността се предава по няколко потока (равни на броя на сателитите) и натоварването на зъбите във всяко зацепване съответно се намалява); удобство при компановката на машините поради съосността на входящия и изходящия вал; намален шум при работа в сравнение с обикновените зъбни предавки, което е свързано с по-малките размери на колелата и взаимното уравновесяване на силите при симетрично разположение на сателитите; по-малко натоварване на лагерите на централните колела, с което се намаляват загубите в тях; планетната схема на предаване на движението дава възможност да се получат големи предавателни отношения при малко на брой зъбни колела.

Като недостатъци могат да се посочат ниският к. п. д на някои структурни схеми на механизми с високопредавателното отношение и високите изисквания спрямо точността на изработване и монтажа на предавката.
Особено ефективно е приложението на планетните предавки, когато са обединени конструктивно с електродвигателя, т. е. планетните мотор-редуктори.

Особености при проектиране на планетните редуктори
При проектиране на планетен редуктор, освен оптимален избор на кинематичната схема, съществуват и ограничения от геометричен и якостен характер. За най-разпространената едноредна планетна предавка по схемата на фиг. 1 броят на зъбите на колелата се определя от следните съображения:

За централното колело 1 броят на зъбите се избира от условието за неподрязване - z1 і 17. За неподвижното централно колело 3 броят на зъбите се определя от зададеното предавателно отношение: z3 = z1(i - 1). За сателитите 2 броят на зъбите се определя от условието за съосност, според което междуосовите разстояния на зъбните предавки с външно и с вътрешно зацепване трябва да бъдат равни. От фиг. 1 за некоригирани предавки с прави зъби и с еднакви модули условието за съосност се изразява със зависимостта z2 = 0,5(z3 - z1). 

Условието за монтаж изисква при зъбните зацепвания на централните колела със сателитите зъбите на едните да съвпадат с междузъбието на другите. При симетрично разположение на сателитите условието за монтаж е изпълнено при (z1 + z2 )/C = цяло число, където С е броят на сателитите (обикновено С = 3).

Условието за съседство изисква зъбите на сателитите, когато са разположени в една равнина, да не се допират. Това условие е изпълнено, когато z2 + 2 < (z1 + z2 )sinp/C.
Якостното изчисляване на зъбите на планетните предавки се извършва по стандартите за обикновените зъбни предавки. Всяко зацепване се изчислява поотделно. Например за предавката от фиг.1 модулите и силите за външното зацепване на колелата 1 и 2 и за вътрешното - на колелата 2 и 3 са еднакви и при едни и същи материали е достатъчно да се изчисли якостно само външното зацепване на колелата 1 и 2.

Като се има предвид разделянето на силовия поток на толкова потока, колкото е броят на сателитите, броят на циклите на натоварване на зъбите се увеличава С пъти. Предвид реално съществуващата неравномерност и знакопроменливото натоварване на зъбите на сателитите, периферната сила в зацепването е равна на Ft1 = Ft2 = Ft3 = 2T1.KC /C.d1, където Т1 е въртящият момент, d1 - диаметър на колелото, а КС е коефициент на неравномерно натоварване на сателитите.

За конструкции, при които не са взети специални мерки за изравняване на натоварването КС се избира КС = 1,5 ... 2,0, а при вземане на конструктивни мерки за изравняване на това натоварване КС = 1,1 ... 1,2. Прилагат се различни схеми и конструктивни решения за намаляване на КС, например самоцентриране на централното колело в радиално направление (без радиални опори), свързване на вала и централното колело със съединител с радиална подвижност - например зъбен, свързване на неподвижното колело към корпуса чрез еластични (гумени) елементи и др.

Правилното оразмеряване на планетните редуктори е предпоставка за тяхната дъготрайна и надеждна експлоатация.
Съществуват и специализирани програмни продукти за избор на оптимален планетен редуктор, които обикновено се предлагат от фирмите производителки на такива редуктори и отчитат особеностите на използваните схеми, геометрията на зъбните колела, режима на работа и необходимите качества за точност, коравина, мъртъв ход и други.

Такива продукти позволяват на потребителите в диалогов режим да въвеждат основни параметри на работа на редуктора като скорост, въртящ момент, радиални и аксиални натоварвания, отговарящи на конкретното му приложение.

За оразмеряването на редуктора на екрана се въвежда информация за: тип или ориентация на предавката - редова или под прав ъгъл, като за последната са възможни вариантите: плътен вал, кух вал, вал с два изхода; режим на работа – продължителен или цикличен; допустима хлабина – високопрецизни (до 8-9 ъглови минути), прецизни редуктори (до 13-15 ъглови минути); предавателно отношение – избира се от наличните за определени производствени комбинации. Изборът на двигател е последната стъпка и може да стане от падащо меню или чрез ръчно въвеждане на размерите му.

След попълване на всички приложения на параметрите програмният продукт обобщава наличните планетни редуктори, които отговарят на критериите и ги сортира по цена от най-икономичните до най-скъпите. Показва се и коефициентът на сигурност между необходимия въртящ момент и максимално допустимия въртящ момент за всеки избран типоразмер. След избора на продукт, потребителите могат да го свалят на 2D или 3D модел, да направят заявка за оферта или да запишат номера на модела на подходящия редуктор. Тази опция позволява на потребителите да сравняват цените и характеристиките на подобни продукти.

В нови конструкции планетни редуктори се използват зъбни колела с наклонени (b = 12 - 15°) зъби и висок коефициент на препокриване. При това, в сравнение с правите зъби, се постига с 40% по-висока товароносимост, по-плавна работа и нисък шум, по-добро разпределение на натоварването, намалена хлабина до 2 ъглови минути. Гарантирана е дълготрайност на предавката до 30 000 часа.

Като мотор-редуктор у нас е позната и се предлага една модификация на планетен механизъм с много малка разлика в броя на зъбите на зъбни колела с вътрешно зацепване, наречена „"вълнова предавка". При това се реализира повишена товароносимост.
Планетни редуктори с тяло от неръждаема стомана без външни уплътнения изпълняват изискванията за вграждане в опаковъчни и машини за хранително-вкусовата промишленост. Смазването на лагери и предавки с грес улеснява поддръжката и позволява монтаж в различни пространствени положения без опасност от изтичане на смазката.

Приложна област
Произвежданите серийни типоразмери планетни редуктори като отделно изделие се използват за вграждане във възли, механизми и машини в общото машиностроене, приборостроене, металорежещи машини, химическа, хранителна промишленост, енергетика, товарни лебедки, телфери, блок-ходови колела, в мотор-колела за електрокари и др.

Най-широко приложение планетният принцип на предаване на движението е намерил в автомобилните диференциали, предавките за водещите мостове на тежки автомобили, в сумиращите звена на кинематичните схеми в металорежещите машини, в редукторите от задвижването на турбовинтовите двигатели в авиацията.

В някои товарни автомобили, автобуси, тролейбуси и трактори се използват планетни редуктори за предаване на движението от полуосите към главините на колелата. Това позволява да се намалят размерите на главната предавка и диаметърът на полуосите, да се увеличи пътният просвет (клиренса) на превозното средство.

В много от съвременните конструкции автоматични скоростни кутии за получаване на голям диапазон на предавателни числа се използват каскади от няколко планетни предавки. Често диференциалните редуктори се използват за сумиране на два потока от мощност (задвижвания на танкове, гъсенични машини), при което липсва неподвижно звено. Например двата потока от мощност се подвеждат към слънчевото колело и зъбния венец, а резултантният поток се извежда от водилото.

Фирмите, произвеждащи планетни редуктори и мотор-редуктори, предлагат електронни каталози за избор и софтуер за 2D и 3D-модели на задвижването, както и програми за избор, сравнение и оптимизация на изделията от своята номенклатура.

У нас се предлага голям избор на качествени планетни редуктори с различно приложение, произведени от български или чужди фирми. Предлагат се както миниатюрни едно- и двустъпални сервомеханизми с предавателни числа от 3 до 100 за уредостроенето като мотор-редуктори с пластмасови елементи, така и промишлени едностъпални (i = 4, 5 и 6), двустъпални и тристъпални планетни редуктори. Покриват се параметри като: изходящ момент: 5 - 5000 Nm, обороти на изходящия вал: 1,5 - 540 rpm, предавателно отношение: 5 - 250.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top