Анализ сервоприводов с планетарными редукторами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ сервоприводов с планетарными редукторами

Приведены основные сведения о планетарных редукторах, выполнен краткий обзор лидеров на мировом и российском рынках по их производству. Проведено сравнение простых и дифференциальных планетарных механизмов; приведено соотношение между угловыми скоростями зубчатых колес планетарной передачи и водила. Рассмотрены четыре простейшие схемы планетарных механизмов, которые предлагается подразделять на группы по передаточным отношениям. Выявлены достоинства и недостатки принципиальных простейших схем, описаны способы комбинирования простейших схем для получения более качественных выходных характеристик, приведены примеры соединения типовых схем.

Сервоприводы получили широкое распространение в средствах автоматизации машиностроительных производств. Особенностью приводов такого типа является применение экономичных высокооборотистых исполнительных электродвигателей (серводвигателей). Высокая частота вращения двигателя требует высокой степени редукции при передачи движения. В последние годы в качестве редукторов применяют планетарные и волновые зубчатые передачи. Их отличают высокие передаточные числа при достаточном КПД, соосности и сравнительно малых габаритах. Сервоприводы таких типов широко представлены в продукции ведущих мировых и отечественных производителей исполнительных приводов. К ним относят компании Harmonic Drive [1], Siemens [2] и другие. Основы расчета планетарных передач приведены в учебной литературе [3]. Ниже рассмотрены типовые схемы планетарных передач, хорошо зарекомендовавших себя в механизмах различного типа, в том числе в сервоприводах [4].

Планетарными (эпициклическими) механизмами называют механизмы, преобразующие высокую угловую скорость вращения входного вала в низкую на выходном валу. Данные механизмы состоят из колеса, вращающегося вокруг собственной оси и вращающегося вместе с этой осью вокруг центральной оси. Такие колеса называют сателлитами, а подвижное звено, в которое помещены оси сателлитов, - водилом. Вращающиеся вокруг неподвижных осей колеса, по которым обкатываются сателлиты, называют центральными.

Планетарный механизм изображен на рис. 1.

Рис. 1. Планетарный механизм (редуктор): 1, 4 - центральные колеса; 2, 3 - планетарные колеса; H - водило

планетарный механизм редуктор

Планетарные редукторы получили широкое распространение в машиностроении, станкостроении, в приводах подъемного оборудования, в сервоприводах, а также в автоматических коробках передач автомобилей за счет: высокого КПД, высокой степени редукции, малой нагрузки на опоры редуктора, малой нагрузки на зубья колес, большого передаточного отношения, безотказности, долговечности, ремонтопригодности, а также компактных габаритов и малого веса. К их недостаткам можно отнести лишь снижение КПД при высоком нагружении передач, а также сложность в изготовлении и сборке, по сравнению с цилиндрическими редукторами.

Мировым лидером по производству планетарных редукторов является немецкая компания WITTENSTEIN, на чью долю приходится более миллиона выпущенных и проданных редукторов [5].

Планетарные редукторы фирмы WITTENSTEIN, выпускаемые в последних сериях ТР+, SP+, LP+ и др., могут применяться с серводвигателями таких известных производителей, как Mitsubishi Electric, Siemens AG, Rockwell Automation, ABB, Fanuc, Omron, Beckhoff, KEB, Lenze, Schneider Electric и др. Редукторы данной серии имеют КПД не ниже 97 % и передаточное отношение i = 100 [2].

На российском рынке лидерами по производству редукторов являются компании «УРАЛРЕДУКТОР», «НТЦ РЕДУКТОР», выпускающие широкие линейки редукторов в различных исполнениях: с крутящим моментом от 1000 до 730300 Нм, передаточным отношением от 3,55 до 9793.

Эпициклические механизмы рекомендуется изготавливать соосными. Для уменьшения количества зубьев колес и габаритов, повышения уравновешенности водила, а также для разгрузки подшипников центральных колес применяют механизмы с несколькими сателлитами. При этом следует отметить, что кинематические параметры передачи при нескольких сателлитах не изменяются, и поэтому при кинематических расчетах учитывают только один сателлит.

Все планетарные механизмы принято делить на планетарные (редукторы), обладающие одной степенью подвижности и имеющие одно подвижное центральное колесо, как это показано на рис. 1, и дифференциальные, которые имеют более одной степени подвижности и более одного центрального колеса, как это показано на рис. 2.

Рис. 2. Дифференциальный механизм

Планетарные редукторы в простейшем исполнении имеют два концевых вала, причем одно из центральных колес должно быть неподвижно. При этом для каждой конкретной схемы механизма отношение угловых скоростей входного вала и скорости выходного вала , сохраняется постоянным, это отношение называют передаточным отношением . Дифференциальный механизм, изображенный на рис. 2, имеет три концевых вала, два центральных колеса 1 и 4, и вал водила Н. В зависимости от соотношения скоростей и направления вращения концевых валов может происходить либо разложение движения от одного входного вала на два выходных, либо сложение движения от двух входных к одному выходному. Входным валом принято считать тот вал, у которого направление скорости и момента совпадают, а выходным - тот вал, который имеет разные направления скорости и момента.

Если в механизме, схема которого изображена на рис. 1, освободить опорное колесо 4 и сообщить ему вращение, то механизм превратится в дифференциальный. Наоборот, затормозив механизм, схема которого изображена на рис. 2, одно из центральных колес, получим редуктор. Это свойство называют обратимостью.

Соотношение между угловыми скоростями зубчатых колес 1 и 2, входящих в планетарную передачу, и водила Н определяется формулой Виллиса:

или,

где - угловые скорости колес, движущихся вокруг мгновенного центра; - угловая скорость водила, движущегося вокруг мгновенного центра; - делительные радиусы колес; - передаточное отношение от колеса 1 к колесу 2 при неподвижном водиле.

В случае, когда механизм состоит из нескольких последовательно соединенных планетарных пар, составляется система уравнений Виллиса, причем число уравнений должно соответствовать числу планетарных пар.

Передаточное отношение в простейшем четырехзвенном планетарном редукторе от любого колеса k к водилу Н при неподвижном опорном колесе О (4) определяется по формуле

,

Сложный эпициклический механизм можно представить как несколько последовательно соединенных простых планетарных механизмов или сочетания планетарных и непланетарных.

Известны четыре возможные схемы простейших эпициклических механизмов (рис. 3). Все они имеют три соосных вала, один из которых, 4, неподвижный и обладает одной степенью подвижности.

Рис. 3. Возможные схемы простейших планетарных передач: а, б - механизмы с положительным передаточным отношением преобразованного механизма; в, г - механизмы с отрицательным значением передаточного отношения

Все схемы простейших механизмов по своим свойствам делятся на две основные группы: механизмы с положительным передаточным отношением преобразованного механизма, например механизмы, схемы которых изображены на рис. 3, а и б, и механизмы с отрицательным значением передаточного отношения, например механизмы, схемы которых представлены на рис. 3, в и г.

Механизмы с положительным передаточным отношением преобразованного механизма включают в себя только двойные сателлиты и могут быть составлены из колес, образующих внешнее зацепление, как это показано на рис. 3, а, либо только внутренние зацепления (рис. 3, б). Поэтому и передаточное отношение преобразованного механизма положительно. Такие механизмы работают на понижающие передачи, т.е. ведущим звеном в них является водило. У таких механизмов можно установить большое передаточное число - до 10000, осуществляя подбор числа зубьев колеса, однако КПД в этом случае будет меньше 1 %. Такие механизмы применяются чаще при одном сателлите - в несиловых передачах, т.е. когда необходимо получить большое передаточное отношение независимо от КПД.

Необходимо учитывать, что при большом передаточном числе сильно проявляется влияние неточности изготовления и сборки на постоянство передаточного отношения в пределах оборота. Поэтому, несмотря на значительные кинематические возможности (значительное редуцирование), планетарные механизмы этого типа используют лишь в тех случаях, когда полезные нагрузки малы.

Механизмы с отрицательным значением преобразованного механизма составляются из колес, образующих внешнее и внутреннее зацепления с двойными сателлитами, как это показано на рис. 3, г, или с одинарным сателлитом (рис. 3, в). Такие механизмы получаются или ступенчатыми, или рядными. При ведущем колесе 1 они работают как редукторы.

Такие механизмы широко применяются в силовых и вспомогательных приводах в качестве многосателлитных редукторов средней и большой мощности. Наличие нескольких параллельно работающих сателлитов у этих редукторов позволяет значительно снизить размеры и массу, а также обеспечить условия уравновешивания сателлитов.

Однорядный механизм, изображенный на рис. 3, в, имеет достаточно высокий КПД и отличается от других планетарных механизмов своей компактностью, особенно в осевом направлении. Он широко используется в силовых передачах, в многоступенчатых редукторах или как самостоятельная зубчатая передача, например, так, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Однорядный механизм как самостоятельная зубчатая передача

планетарный механизм редуктор

Такой механизм широко применяется в качестве встроенного редуктора, когда колесо 1 насажено на вал ротора электродвигателя, неподвижное колесо 4 закреплено в корпусе двигателя, а водило является выходным валом. Данный вариант используется в системах дистанционного управления.

При необходимости получения больших замедлений и высоких КПД целесообразно применять сочетание нескольких последовательно соединенных планетарных механизмов или планетарных и непланетарных. Так, для отсчетного устройства с тремя шкалами используется сдвоенный планетарный редуктор, изображенный на рис. 5.

На приведенной схеме с водилом связана шкала а точных отсчетов, с водилом - шкала b средних отсчетов; с - шкала грубых отсчетов, связанных с колесом 8. Водило второго редуктора жестко связано с колесом 4 первого планетарного редуктора. Колеса 1 и 5 неподвижные.

В силовых приводах часто используется последовательное соединение нескольких планетарных механизмов, чтобы без снижения КПД обеспечить большое передаточное отношение. Например, соединяя последовательно три планетарных механизма, представленных на рис. 3, в, и выбирая для каждого передаточное отношение , получим и в несколько раз меньшие габариты, по сравнению с непланитарными редукторами при тех же исходных данных.

Рис. 5. Сдвоенный планетарный редуктор

В приборных устройствах следящих и автоматических систем, самопишущих приборах, силовых приборных устройствах используются механизмы с отрицательным значением передаточного отношения преобразованного механизма , работающие как замедлительная передача. В отсчетных механизмах измерительных устройств, механизмах ручной настройки аппаратуры и прочих применяются в основном планетарные механизмы с положительным значением передаточного отношения преобразованного механизма .

При различных условиях выбор схемы планетарного механизма начинается с простейших схем, изображенных на рис. 3. При необходимости использовать несколько последовательно соединенных планетарных механизмов нужно располагать их так, чтобы все они работали в режиме либо понижения угловой скорости, либо повышения.

Библиографический список

1.Официальный сайт компании Harmonicdrive [Электронный ресурс]. URL: http://www.harmonicdrive.net/ (22.01.2017).

2.Официальный сайт компании Siemens [Электронный ресурс]. URL: https://www.siemens.com (22.01.2017).

3.Грудинин В.Г. Основы конструирования средств автоматизации машиностроительных производств: учебно-практическое пособие. Иркутск: Издательство ИрГТУ, 2015. 190 с.

4.Тищенко О.В. , Коваленко О.Ф., Нестеров А.П. Элементы приборных устройств: курсовое проектирование. Москва: «Высшая школа», 1978. 328 с.

5.Лаборатория системной интеграции [Электронный ресурс] // Планетарные редукторы alpha WITTENSTEIN. URL: http://www.esspb.ru/planetar_reductors.html (22.01.2017).

Размещено на Allbest.ru