Схема планетарного редуктора: Планетарный редуктор — схемы, формулы, анимированные иллюстрации

Планетарный редуктор: принцип работы, характеристики и разновидности этого устройства

Двухступенчатый планетарный редуктор представляет собой конструкцию, составленную из шестеренок и других рабочих элементов, которые приводятся в движение посредством зубчатой передачи. При этом двигаются они по принципу, который заложен в механике вращения планет – вокруг одного центра. По этой причине центральная шестерня именуется «солнечной», промежуточные — «сателлитами», а внешняя с внутренним зубчатым сцеплением — «коронной». Кроме этого, самый простой планетарный редуктор состоит из водила. Оно предназначено для фиксации сателлитов относительно друг друга, чтобы они двигались вместе.

Для правильной работы устройства необходимо, чтобы одна из составляющих его частей была жестко закреплена на корпусе. В планетарном редукторе, который оснащен водилом, статической частью является именно оно. Кроме этого, жестко закрепленным может быть коронная или солнечная шестеренки.  В случае если ни одна из частей этого устройства не закреплена, имеется возможность расщепления одного движения на несколько, либо слияние двух в одно.

При этом в сцепке с ведущим и ведомым валом может быть как коронная, так и солнечная шестерни, или сателлиты. Этот механизм может осуществлять повышение передаточного числа и снижение крутящего момента и на оборот.

За счет такой конструкции обеспечивается движение ведомого и ведущего валов в одном направлении.

Назначение и конструкция редуктора

Служит редуктор для обеспечения понижения передачи и при этом повышения силы крутящего момента. Для обеспечения работы этого механизма вращающийся вал присоединяется к его ведомому элементу.

Это устройство в классическом исполнении состоит из червячных или зубчатых пар, центрирующих подшипников, различных уплотнений, сальников и т.д. Примером планетарного редуктора является шариковый подшипник.  Корпус устройства сложен из двух элементов:

• крышки;
• основания.

Смазка всех составных элементов этого устройства производится путем разбрызгивания масла, но в некоторых особенных устройствах это осуществляется при помощи масляного насоса в принудительном порядке.

Принцип работы

То, как будет функционировать этот агрегат зависит от кинематической схемы привода. Так подводку вращательного движения можно осуществлять к любому элементу этой системы, а снятие производить с какого-либо из оставшихся. Передаточное число зависит от того, согласно какой схемы организована подводка и съем вращательного движения.

Понимание того, как работает подобный редуктор, позволяет оценить сложность ремонта и восстановления.

Разновидности планетарных редукторов

В зависимости от количества ступеней, которые они имеют планетарные редукторы подразделяют на:

Одноступенчатые более простые и при этом компактнее, меньше по размерам в сравнении с многоступенчатыми, обеспечивают более широкие возможности по передаче крутящего момента, достижения разных передаточных чисел. Обладающие несколькими ступенями являются достаточно громоздкими механизмами, при этом диапазон передаточных чисел, которые ими могут быть обеспечены, существенно меньше.

В зависимости от сложности конструкции они могут быть:

• простыми;
• дифференциальными.

Кроме этого, планетарные редукторы в зависимости от формы корпуса, используемых элементов и внутренней конструкции могут быть:

Через них может передаваться движение между параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися валами.

Характеристики основных разновидностей этого устройства

Цилиндрические

Самые распространенные. Коэффициент полезного действия этих устройств достигает 95%. Они могут обеспечивать передачу достаточно больших мощностей. Передача движения осуществляется между параллельными и соосными валами. Они могут оснащаться прямозубными, косозубными и шевронными зубчатыми колесами. Коэффициент передачи может колебаться в пределах от 1,5 до 600.

Конические

Такое название они носят потому, что в них используются шестеренки, которые имеют коническую форму. Это обеспечивает плавность сцепки и способность выдерживать достаточно большие нагрузки. Могу иметь одну, две и три ступени. Валы в этой разновидности редукторов могут располагаться как горизонтально, так и вертикально.

Волновые

Они представляют собой конструкцию с гибким промежуточным числом. Состоят они из генератора волн, эксцентрика или кулачка, который обеспечивает растяжение гибкого колеса до достижения его контакта с неподвижным. При этом гибкое колесо имеет наружные зубья, а неподвижное — внутренние.

К достоинствам такого типа редукторов относится:

• плавность хода;
• высокое передаточное число;
• возможность передачи движения через герметичные и сплошные стенки.

Они могут быть одно- и многоступенчатыми. Высокоскоростные оснащены подшипниками скольжения, а низкоскоростные — подшипниками качения.

Достоинства планетарных редукторов

• Небольшой вес;
• Широкий диапазон передаточных чисел;
• Относительная компактность;
• Собрать и починить такое устройство можно своими руками.

Советы по подбору планетарного редуктора

Главное в этом деле — правильно произвести расчет основных параметров нагрузки и существующих условий эксплуатации этого устройства.

Выбор производиться в зависимости от:

• типа передачи;
• максимально допустимых осевых и консольных нагрузок;
• типоразмера этого устройства;
• диапазона температур, в которых редуктор может использоваться длительный период и не терять при этом своих полезных качеств и свойств.

Делаем планетарный редуктор своими руками

Первым делом производится проектирование будущей конструкции в зависимости от конструктивных особенностей изделия и задач, которые планируется решать с его использованием. При этом производится расчет таких параметров как передаточное число, расположение валов, количество ступеней и т.д.

Далее производится определение межосевого расстояния. Этот показатель очень важен, так как указывает на способность передавать крутящий момент. Температура внутри устройства во время его работы не должна быть выше, чем 80 градусов по Цельсию.

При конструировании планетарного редуктора производится также расчет:

• числа передаточных ступеней;
• количества сателлитных шестеренок и зубьев на них;
• толщины шестеренок;
• размещения осей в будущем механизме.

Кроме этого, осуществляется подбор шестеренок, которые выполнены из подходящего материала, расчет сил, которые будут присутствовать при функционировании механизма и проверочный расчет.

Не имея специального оборудования и условий, изготовить составные части этого устройства в условиях домашней мастерской не получится. Планетарный редуктор можно собрать из подобранных частей, которые без труда можно приобрести в торговой сети или на разборке.

Сборка также является делом достаточно непростым, для достижения успеха в этом деле необходимо иметь практический опыт ремонта подобных механизмов, их сборки и разборки, обладать теоретическими познаниями в механике, прочими знаниями и навыками.

Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Планетарный редуктор: устройство, принцип работы, виды

Процедура механизации производственной и другой деятельности существенно повысила поставленные задачи. Довольно большое распространение получили механизмы, предназначенные для передачи вращения и распределения создаваемого усилия. Существует довольно большое количество различных редукторов, все они характеризуются своими определенными эксплуатационными характеристиками. Примером можно назвать планетарный редуктор, устройство которого имеет довольно большое количество различных особенностей. Рассмотрим подобный механизм подробнее.

Устройство и принцип работы

Рассматриваемый механизм представлен классическим сочетанием шестерен с различным диаметром, которые обеспечивают передачу вращения с изменением числа оборотов и передаваемого усилия. Особенности механизма определяют возможность применения в самых различных отраслях. Обеспечить работу можно только в случае присоединения вращающего вала к ведомой части.

Рассматривая чертеж классического устройства, следует отметить, что оно состоит из следующих элементов:

1. Основные элементы представлены зубчатыми и червячными парами.
2. Для установки и фиксации основных деталей проводится установка центрирующих подшипников.
3. Для смазывания трущихся деталей корпус заполняется специальным маслом. Исключить вероятность его вытекания можно за счет уплотнений.
4. Сальники также являются важной частью конструкции.
5. Корпус состоит из двух составных элементов, за счет которых есть возможность разобрать конструкция при обслуживании или ремонте.

Принцип работы планетарного редуктора предусматривает то, что смазывание основных деталей происходит за счет естественного разбрызгивания масла при работе устройства.

Схема классического устройства выглядит следующим образом:

1. В качестве источника вращения устанавливается мотор.
2. Другая часть представлена шестерней планетарного типа. Внутри расположены другие детали, крепление стакана редуктора к мотору проводится за счет фиксирующих элементов.
3. Далее идет вал с подшипником.

Защита конструкции обеспечивается за счет крышки редуктора. Его фиксация проводится за счет болтов. В целом можно сказать, что устройство достаточно сложное, поэтому провести его ремонт и обслуживание не всегда просто.

Принцип действия агрегата во многом зависит от кинематической схемы привода. Расчет передаточного отношения проводится при применении специальных формул, которые можно встретить в технической литературе.

Основная часть конструкции состоит из следующих деталей:

1. Коронной шестерни.
2. Планетарная или сателлиты.
3. Водило и солнечная шестерня.

Принцип действия рассчитывается следующим образом:

1. Солнечная шестерня расположена в центральной части конструкции. Зачастую именно ей передается основное вращение, для чего элемент имеет посадочное отверстие под вал.
2. Центральный элемент постоянно находится в зацеплении с другими подобными шестернями, оси которых расположены по окружности.
3. Сателлиты находятся в зацеплении с коронной шестерней, которая представлена зубчатым колесом большого диаметра с внутренним расположением основных деталей.

4. Водило требуется для жесткой фиксации всех деталей относительно друг друга.

Стоит учитывать, что для работы механизма одна из частей должна быть зафиксирована относительно других. В зависимости от выбора ведомого или ведущего элемента зависит показатель передаточного числа. Рассчитать число достаточно сложно, от этого показателя также зависит удельная мощность.

Конструктивные особенности рассматриваемого механизма определили то, что он может применяться для достижения самых различных целей.

Виды планетарных редукторов

Встречается довольно большое количество разновидностей понижающих редукторов. Классификация проводится также по количеству ступеней:

1. Одноступенчатые.
2. Многоступенчатые.

Первый вариант исполнения намного проще, характеризуется меньшими размерами и обеспечивает более широкие возможности по передаче крутящего момента. Создание нескольких ступеней определяет существенное увеличение размеров конструкции, а диапазон передаточных чисел уменьшается.

Также классификация проводится по показателю сложности планетарного редуктора. Выделяют два основных типа:

1. Простые.
2. Дифференциальные.

На сегодняшний день дифференциальный редуктор получил весьма широкое распространение, так как позволяет передавать вращение требуемым образом в конкретном случае.

Выделяют виды в зависимости от формы корпуса, а также применяемым внутри элементам. Классификация выглядит следующим образом:

1. Волновые.
2. Конические.
3. Червячные.
4. Цилиндрические или колесного типа.

Их применение позволяет передавать вращение между пересекающимися, перекрещивающимися и параллельными валами. Именно поэтому планетарный редуктор получил широкое распространение.

Двухступенчатые планетарные мотор-редукторы применяются в случае, когда нужно передавать вращение с различной частотой. Некоторые варианты исполнения изготавливаются по схеме 3к, планетарные редукторы большой мощности зачастую имеют крупный размер, а при изготовлении основных частей применяется закаленная сталь, характеризующаяся высокой устойчивостью к износу.

Применение

Сегодня электродвигатель с планетарным редуктором получили весьма широкое распространение, могут применяться в самых различных случаях. Область применения во многом зависит от конструктивных особенностей устройства и его характеристик. Выделяют следующие варианты исполнения:

1. Цилиндрические. Это связано с тем, что конструктивные особенности позволяют обеспечить КПД около 95%. Назначение редуктора с планетарной передачей заключается в передаче достаточно большого усилия между параллельными и соосным валами. Передача вращения осуществляется за счет прямозубых, косозубых и шевронных колес. Коэффициент может варьировать в пределе от 1,5 до 600. Достоинством подобного варианта исполнения можно также назвать компактные размеры, а также высокую степень защиты от воздействия окружающей среды.
2. Конические сегодня также встречаются довольно часто. Конструктивной особенностью можно назвать то, что шестерни имеют коническую форму. За счет подобной формы обеспечивается плавность сцепки, а также высокую степень устойчивости к нагрузкам. В алы в данном случае могут располагаться вертикально или горизонтально.
3. Могут применяться и волновые устройства. Они характеризуются тем, что имеют гибкое промежуточное число. Основными конструктивными элементами можно назвать эксцентрики и кулачки, которые обеспечивают растяжение гибкого колеса. Подобный вариант исполнения характеризуется высоким передаточным числом, плавностью хода и повышенной степенью герметичности. Выделяют несколько различных разновидностей этого механизма, к примеру, могут применяться различные типы подшипников.

Несмотря на достаточно сложную конструкцию, она получила весьма широкое распространение. Примером можно назвать машиностроительную область, станкостроение и производство различных механизмов. Примером можно назвать автомобильную коробку передач, которая предназначена для передачи вращения и изменения предаваемого усилия или скорости.

Следует уделить довольно много внимания и подбору наиболее подходящего варианта исполнения. Если установленное устройство не будет обладать требуемыми свойствами, то есть вероятность выхода конструкции их строя при ее применении.

Наиболее важными параметрами выбора можно назвать следующие показатели:

1. Тип передачи, которая применяется для передачи вращения.
2. Максимально допустимая осевая и консольная нагрузка. На момент эксплуатации редуктора нагрузка, возникающая на момент работы распределяется самым различным образом.
3. Имеет значение и размер редуктора. Слишком большой показатель определяет отсутствие возможности установки в тех или иных условиях. Однако, нужно уделить внимание тому моменту, что увеличение мощности достигается исключительно за счет увеличения размеров устройства. Поэтому приходится подбирать более оптимальный вариант исполнения.
4. Диапазон температур, при которых механизм может применяться. Тип применяемого материала при изготовлении корпуса и основных элементов определяет то, в каких условиях устройство может эксплуатироваться. Слишком высокая температура становится причиной повышения пластичности и снижения твердости поверхности, за счет чего есть вероятность деформации и износа изделия. Для обеспечения охлаждения проводится добавление масла. Не все варианты исполнения могут применяться для длительной работы, некоторые могут эксплуатироваться только периодически.
5. Популярность производителя также имеет значение. Некоторые заводы характеризуются тем, что производят качественные и долговечные механизмы.

Все наиболее важные параметры указываются в инструкции по эксплуатации, что существенно упрощает процесс выбора подходящего варианта исполнения.

Достоинства и недостатки

Широкая область применения прежде всего связана с основными преимуществами механизма. Многие свойства такие же, как у цилиндрического варианта исполнения, так как в обоих случаях применяются шестерни. Преимущества следующие:

1. Компактность. Многие модели характеризуются небольшими размерами, за счет чего упрощается установка. Небольшие габаритные размеры также позволяют создавать механизмы с небольшой массой. За счет этого существенно повышается эффективность рассматриваемого устройства.
2. Сниженный уровень шума. Это свойство достигается за счет установки конических колес с косым зубом. За счет применения большого количества зубьев также обеспечивается точность хода основных элементов. Даже при большой нагрузке и скорости вращения основных элементов сильного гула не возникает, что и стало причиной широкого распространения планетарных редукторов.
3. Малая нагрузка, оказываемая на опоры. Обычные редуктора характеризуются тем, что нагрузка оказывается на вал, который со временем может сорвать. Также нагрузка оказывает влияние на подшипники, повышая степень их износа. Со временем все приведенные выше причины приводят к необходимости выполнения обслуживания.
4. Снижается нагрузка на зубья. Это достигается за счет ее равномерного распределения и большого количества задействованных зубьев. Часто встречается проблема, связанная с истиранием рабочей части зубьев. За счет этого они начинают не плотно прилегать друг к другу, последствия подобного явления заключается в повышенном износе и появлении шума.
5. Обеспечивается равномерное разбрасывание масла на момент работы. Как и при функционировании любого другого редуктора, в рассматриваемом случае большое значение имеет степень смазки рабочей поверхности.
6. Длительный эксплуатационный срок. Особенности расположения сателлитов приводит к взаимному компенсированию оказываемой силы.
7. Повышенной передаточное отношение. Этот показатель считается основным. Передаточное соотношение может варьировать в достаточно большом диапазоне.

В целом можно сказать, что есть довольно большое количество причин, по которым применяется именно подобный механизм для передачи вращения. КПД планетарного редуктора относительно невысокое, что можно назвать существенным недостатком подобного варианта исполнения. Кроме этого, коэффициент полезного действия существенно падает при непосредственном использовании устройства, так как со временем оно изнашивается.

Кроме этого следует уделить внимание тому, что планетарный редуктор является сложной конструкцией, при изготовлении и установке которой возникают трудности.

Незначительное отклонение в размерах становится причиной уменьшения основных свойств, а также появления серьезных неисправностей.

Обслуживание и ремонт

Сложность рассматриваемого механизма определяет то, что возникает необходимость в своевременном обслуживании и проведении ремонта. Для начала уделим внимание тому, каким образом проводится расчет планетарного редуктора. Среди особенностей этого процесса отметим следующие моменты:

1. Определяется требуемое число передаточных ступеней. Для этого применяются специальные формулы.
2. Определяется число зубьев и расчет сателлитов. Зубчатые колеса могут иметь самое различное число зубьев. В рассматриваемом случае их число довольно много, что является определяющим фактором.
3. Уделяется внимание выбору наиболее подходящего материала, так как от его свойств зависят и основные эксплуатационные характеристики устройства.
4. Определяется показатель межосевого расстояния.
5. Делается проверочный расчет. Он позволяет исключить вероятность допущения ошибок на первоначальном этапе проектирования.
6. Выбираются подшипники. Они предназначены для обеспечения плавного вращения основных элементов. При выборе подшипника уделяется внимание тому, на какую нагрузку они рассчитаны. Кроме этого, не рекомендуется использовать этот элемент без смазки, так как это приводит к существенному износу.
7. Определяется оптимальная толщина колеса. Слишком большой показатель становится причиной увеличения веса конструкции, а также расходов.
8. Проводится вычисление того, где именно должны быть расположены оси шестерен. Это проводится с учетом размеров зубчатых колес и некоторых других моментов. Как правило, в качестве основы применяется чертеж, который можно скачать из интернета. Самостоятельно разработать проект по изготовления планетарного редуктора достаточно сложно, так как нужно обладать навыками инженера для проведения соответствующих расчетов и проектирования.

Изготовить самостоятельно рассматриваемую конструкцию достаточно сложно, как и провести ремонт планетарных редукторов. Среди особенностей этой процедуры отметим следующее:

1. Процедура достаточно сложна, так как механизм состоит из большого количества различных элементов. Примером можно назвать то, что сразу после разбора все иголки могут высыпаться практически моментально.
2. Многие специалисты рекомендуют доверять рассматриваемую работу исключительно профессионалам, так как допущенные ошибки становятся причиной быстрого износа и выхода из строя механизма.
3. Ремонт зачастую предусматривает замену шестерен, которые со временем изнашиваются. Примером можно истирание зубьев, изменение размеров посадочного гнезда и многие другие дефекты. Самостоятельно изготовить подобные изделия практически невозможно, так как для этого требуется специальное оборудование.

Чаще всего обслуживание предусматривает добавление масла. Смазка планетарного редуктора позволяет существенно продлить срок службы конструкции, так как соприкосновение и трение металла становится причиной его истирания. Рекомендуется смазывать механизм периодически, так как масло выступает еще в качестве охлаждения. В продаже встречаются специальные смазывающие вещества, которые характеризуются определенными эксплуатационными качествами.

Сегодня ремонтом редукторов занимаются компании, которые специализируются на предоставлении соответствующих услуг. Признаком того, что механизм начинает выходить из строя становится появление сильного шума, вибрации, рывков, нагрев и многое другое. Со временем процесс износа существенно ускоряется, так как металл, находящийся в масле попадает в зацепление шестерен. В большинстве случаев ремонт предусматривает замену всех элементов на новые.

В заключение отметим, что планетарный редуктор характеризуется весьма привлекательными свойствами. Примером можно назвать отсутствие большого количества крепежных элементов, а также равномерное распространение нагрузки. Как ранее было отмечено, редуктор применяется при создании различных узлов транспортных средств.

Кинематическая схема планетарного редуктора — Морской флот

Механизмы, включающие неподвижные колёса, называются планетарными (рис. 4.12). Они состоят из центральных колёс 1 и 3, оси которых совпадают, водила Н и сателлита 2 (их может быть несколько). Сателлит вращается относительно своей оси и одновременно обкатывается вокруг колеса 1. Зубья колеса 1 нажимают на зубья колеса 2 и поворачивают его относительно неподвижного (опорного) колеса 3. При этом сателлит нажимает на свою ось и заставляет водило Н вращаться.

План линейных скоростей

Рис. 4.12. Планетарный механизм

Кинематический анализ планетарных механизмов

Кинематический анализ планетарных механизмов выполняется по методу Виллиса, основанному на остановке водила. Для этого всей планетарной передаче (рис. 4.12) мысленно сообщается вращение с угловой скоростью водила, но направленной в обратную сторону, т.е. – ω_Н. Таким образом, получается обращенное движение, при котором водило мысленно останавливается, а другие колёса освобождаются. Преобразованный механизм представляет собой рядовой зубчатый механизм, скорость звеньев в котором составляет ω_Н = 0; ω₁ (н) =ω₁ (3) – ω_Н (3) ; колесо 3 было неподвижно, а в преобразованном механизме его угловая скорость равна ω_Н (3) .

Верхний индекс показывает неподвижное звено. Мысленная остановка водила равноценна вычитанию его угловой скорости из угловых скоростей подвижных колёс. Передаточное отношение в преобразованном механизме в итоге представляется как

. Но поскольку ω₃ (3) = 0, то получается

, откуда передаточное отношение планетарного механизма будет . При этом .

В обращенном механизме сателлит 2 является «паразитным» колесом и лишь изменяет направление вращения ведомого колеса. Окончательно будем иметь:

В общем виде формула Виллиса представляется как

где n и l – центральные колёса. При этом

При графическом методе определения передаточных отношений в планетарном механизме строятся планы линейных и угловых скоростей (рис. 4.12). Тогда

.

Из плана угловых скоростей:

где μ_ω – масштабный коэффициент плана угловых скоростей.

Передаточное отношение i_1-н (3) оказывается положительным, так как отрезки ирасполагаются по одну и ту же сторону от вертикалиOF.

Наиболее распространённые схемы планетарных механизмов

Основные схемы планетарных механизмов представлены на рис. 4.13. В этих схемах неподвижным колесом может быть колесо 3 либо колесо 1.

Рис. 4.13. Основные схемы планетарных механизмов

Схема 1. Планетарная передача (Джемса) работает как силовой редуктор, т.е. уменьшает угловую скорость входного звена, если водило является выходным. Передаточное отношение .

Наименьшие габариты механизм имеет при i_1-H (3) = 4. Максимальное передаточное отношение можно получить в случае, когда неподвижным звеном является большое центральное колесо.

Эта передача работает как мультипликатор, т.е. увеличивает угловую скорость, когда входным звеном является водило. Направление угловой скорости входного звена в механизме не изменяется.

Схема 2. Редуктор со сдвоенными сателлитами по габаритам мало отличается от редуктора Джемса при i_1-H (3) = 7. Передаточное отношение передачи .

Направление вращения выходного звена совпадает с направлением угловой скорости входного колеса.

Схема 3. Редуктор Давида применяется в несиловых передачах, в основном в приборостроении. Передаточное отношение равно

.

Схема 4. Редуктор Давида понижает скорость только при передаче от водила Н к колесу 1. Он имеет меньшие габариты по сравнению со схемой 3, но изготовление колёс с внутренним зацеплением более затруднительно. Передаточное отношение равно

.

В редукторах Давида (схемы 3 и 4) знак передаточного отношения всегда отрицательный, т.е. входное и выходное звенья вращаются в разные стороны.

Описание схемы зубчатого механизма с планетарной ступенью и данные для расчета

Механизм состоит из простой зубчатой передачи колеса 1 и 2, и планетарной ступени, включающие центральное положение зубчатого колеса 2 I , блок сателлитов 3 и 3 I совершающие сложное движение, водило Н, вращается вокруг неподвижной оси, на котором свободно вращаются сателлиты, и зубчатое неподвижное колесо 4, называемое солнечным.

Таблица 10. Исходные данные

Частота вращения карданного вала

Передаточное отношение между кривошипом и карданным валом

Лабораторная работа 22

Цель работы: изучить кинематическую схему и конструкцию планетарного редуктора, определить его кинематические параметры и КПД при различных режимах работы.

Краткие теоретические сведения

Механизмы зубчатых передач с подвижными осями. В трехзвенном зубчатом механизме (рис. 4.2.1) зубчатое колесо 1 неподвижно, зубчатое колесо 2 имеет подвижную ось ₂. Звено Н входит во вращательные пары со стойкой ₂ с зубчатым колесом 2. При вращении звена Н с угловой скоростью сон колесо 2 обегает неподвижное колесо 7, вращаясь с угловой скоростью 002 вокруг мгновенного центра вращения Р_{. Колесо 1}

называется центральным колесом, колесо 2 – сателлитом, звено Н – води- лом. Связь между угловыми скоростями со₂ и со# устанавливается следующим образом: для скорости v_i точки ₂, являющейся общей для колеса 2 и водила /7, имеем

Следовательно, передаточное отношение

Из этих равенств видно, что i_2H есть передаточное отношение при неподвижном колесе 7, a i₂ – передаточное отношение трехзвенного зубчатого механизма с колесами, имеющими неподвижные оси, т. е. при неподвижном водиле Н. В дальнейшем, чтобы знать, у какого неподвижного звена определять то или иное передаточное отношение, будем в скобках ставить индекс того звена, которое неподвижно:

Простейший планетарный редуктор, состоящий из четырех звеньев, можно получить из планетарного механизма, если в него ввести еще одно зубчатое колесо 3 с осью 0₃, входящее в зацепление с сателлитом 2 (рис. 4.2.2).

Рис. 4.2.1. Планетарный трехзвенный зубчатый механизм

Рис. от вала 0₃ к валу О_н определяют по формуле

Если ввести в это уравнение радиусы начальных окружностей г_ьг₂, г₃ или числа зубьев z_b z₂, z₃, то формула примет вид

Передаточное отношение от водила Н к колесу 3 редуктора находят по выражению или

Рассмотренный нами планетарный редуктор называется редуктором Джемса (рис. 4.2.2). Планетарный редуктор такого типа можно составить также из круглых конических колес (рис. 4.2.3).

Передаточное отношение редуктора с коническими колесами (рис. 4.2.3) определяют по формулам (4.2.5)-(4.2.8). Планетарный редуктор, выполненный по схеме, показанной на рис. 4.2.4, называют редуктором Давида. Передаточное отношение от вала 0₃ к валу О_н находят по формуле

Рис. 4.2.3. Планетарный редуктор Джемса с коническими колесами

Рис. 4.2.4. Планетарный редуктор Давида

Из этого равенства следует, что если подобрать числа зубьев z_b z₂, z‘₂, z₃ колес 7, 2, 2‘, 3 так, чтобы второй член в уравнении был близок к единице, то передаточное отношение может быть весьма мало. Возможна модификация редуктора Давида (рис. 4.2.5) с сателлитом, входящим в два внутренних зацепления. Обычно в этой модификации ведущим является водило Я, и передаточное отношение /_яз от вала О_н к валу ₂ определяют по формулам

Рис. 4.2.5. Модификация планетарного редуктора Давида

Сателлитные механизмы с двумя или более степенями подвижности называют дифференциальными механизмами (или просто дифференциалами). Примером такого дифференциала может служить механизм, у которого соосны колеса 7, 2 и водило Я (рис. 4.2.6).

Колеса 7, 2 и водило Я вращаются с угловыми скоростями со_ь со₂ и со_я.(со₂ -со_я) или

где щ,П2Ип_н– соответственно частота вращения звеньев 1,2 иН.

Эта формула является формулой Виллиса для дифференциалов.

Коэффициент полезного действия. В планетарных передачах КПД зависит от величины потерь во всех зацеплениях, а также от величины и знака передаточного отношения. Значение коэффициента потерь в каждом из зацеплений планетарного редуктора рассчитывают по формуле

где zi и z₂ – числа зубьев первого и второго зубчатых колес; /- коэффициент трения в зубчатом зацеплении.

При консистентной смазке для открытых зубчатых передач /= ОД. 0,16. В формуле (4.2.17) знак (+) означает внешнее зацепление, (-) – внутреннее.

Полный коэффициент потерь во всех зацеплениях передачи

КПД исследуемой планетарной передачи рассчитывают по формуле

Приборы и принадлежности: прибор типа ДП5А для изучения работы планетарного редуктора, секундомер.

Устройство и работа установки. Прибор ДП5А изображен на рис. 4.2.7. Все узлы смонтированы на литом основании 16, внутри которого расположены блоки управления прибором.

Узел электродвигателя смонтирован на литом кронштейне 17. Статор электродвигателя 3 установлен в двух шарикоподшипниковых опорах 2 и 6 (балансирный электродвигатель). Ротор электродвигателя упругой муфтой 7 соединяют с входным валом редуктора.

К левой стороне кронштейна 17 закреплен цилиндрический корпус 1, в котором установлен тахометр, измеряющий частоту вращения ротора электродвигателя.

Рис. 4.2.8. Кинематическая схема планетарного редуктора

Рис. 4.2.7. Установка ДП5А

В передней части кронштейна смонтировано измерительное устройство, состоящее из тензооболочки 5, индикатора 4 и державки индикатора. Этим устройством воспринимается и измеряется реактивный момент электродвигателя.

Испытуемый планетарный редуктор 9 представлен шестью зубчатыми колесами (рис. 4.2.8). Ведущее зубчатое колесо (z_x = 17) вращается вокруг своей оси, а центральное колесо 3 (z₃ = 87) жестко связано

с корпусом редуктора. Водило Н с двумя парами сателлитов (z₂ = 87) h(z₂‘= 17), находящимися в зацеплении с центральными колесами, выполнено совместно с валиком, который муфтой 10 соединен с нагрузочным устройством.

На верхней части корпуса находится легкосъемная крышка 6 из органического стекла.

Масляная ванна в редукторе отсутствует, зацепления смазывают консистентной смазкой.

Нагрузочное устройство, имитирующее рабочую нагрузку редуктора, представляет магнитный тормоз.

При подаче тока в обмотку электромагнита магнитная смесь, заполняющая внутреннюю полость тормоза, оказывает сопротивление вращению ротора, т. е. создает тормозной момент на выходном валу редуктора, одновременно поворачивая статор в опорах 77 и 75, который деформирует плоскую пружину 14 измерительного устройства, связанную с индикатором 13. Панель управления 18 установлена на лицевой стороне основания 16. Здесь расположены тумблеры включения питания электродвигателя 19 и тормозного устройства 27, предохранители, сигнальная лампа и потенциометры регулирования частоты ротора электродвигателя 20 и величины тормозного момента 22.

• 1. Нельзя включать установку в электросеть без разрешения преподавателя.
• 2. Запрещается включать установку со снятой крышкой 77 редуктора.
• 3. Во время работы запрещается притрагиваться к вращающимся частям установки.
• 4. Перед включением тумблеров «Двигатель» и «Тормоз» потенциометры 27, 22 повернуть против часовой стрелки до упора.
• 5. При включении прибора в сеть следить за соблюдением полярности.
• 6. Тумблер «Тормоз» включать только на время соответствующих замеров.

Порядок выполнения работы

• 1. Снять крышку 8, изучить внутреннее устройство редуктора и вычертить на ватмане или миллиметровой бумаге его эскиз.
• 2. Подключить прибор к сети с помощью вилки. Включить тумблер «Двигатель». Потенциометром 20 установить частоту вращения электродвигателя п = 1 000 об/мин.
• 3. По нанесенной на выходном валу редуктора риске в течение 2 мин подсчитать число оборотов (п‘₂). Время фиксировать по секундомеру. Опыт повторить трижды.
• 4. Подсчитать передаточное число редуктора по частоте вращения валов и результаты занести в табл. 4.2.1.

5. По формуле (4.2.11) вычислить теоретическую величину передаточного отношения редуктора и результаты занести в табл. 4.2.1.

Исследование кинематики безлюфтовых планетарных передаточных механизмов для мехатронных модулей движения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

_________________________________С

1 МАШИНОСТРОЕНИЕ. МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 621.865

Л. А. Борисенко, д-р техн. наук, доц., В. Л. Комар, канд. техн. наук, А. А. Горшкова, И. В. Маевский ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ БЕЗЛЮФТОВЫХ ПЛАНЕТАРНЫХ ПЕРЕДАТОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДЛЯ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ

В статье приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований в области создания высокоточных, малогабаритных зубчатых передаточных механизмов на базе планетарных механизмов схемы К-И-У, которые могут найти применение при создании модулей движения разнообразных мехатронных устройств. Предложена методика проектирования безинтерференционной передачи внутреннего эвольвентного зацепления с разностью чисел зубьев, равной единице. Рассмотрен ряд усовершенствований традиционной схемы планетарного механизма с целью повышения точности передачи и удешевления ее производства. Приведены результаты экспериментальной апробации разработанных предложений.

Мехатроника — новое направление современной науки и техники, целью которого является создание интеллектуальных движущихся систем, обладающих новыми функциями и свойствами. В ней органически слиты воедино устройства прецизионной механики, электротехнические, электронные и компьютерные компоненты. Важнейшей составной частью мехатронного устройства является электромеханический приводной (силовой) модуль, технический уровень которого в значительной мере определяет совершенство всей системы. В состав приводного мехатронного модуля входит управляемый электродвигатель (чаще всего это двигатель постоянного тока) с соответствующей системой управления и механический редуктор, согласующий выходные параметры электродвигателя с параметрами исполнительного органа мехатрон-ного устройства [1].

Для создания современных движущихся систем и технологических машин необходимы разнообразные мехатронные модули движения. Требования к развиваемым силам, точности и скорости дви-

жения диктуются особенностями технологической операции, а требование минимизации размеров мехатронного модуля движения — необходимостью встраивания его в технологическую машину. Отсюда возникает необходимость поиска новых решений, учитывающих специфику данного класса устройств.

Среди большого числа специфических требований, предъявляемых к ме-хатронным модулям, в первую очередь следует выделить такие:

— компактность модулей;

— высокая точность с целью реализации прецизионных технологий;

— реализация больших передаточных отношений.

В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют планетарные передаточные механизмы.

В настоящее время во многих ответственных устройствах используется планетарная передача с цевочным (циклоидальным) зацеплением. К достоинствам планетарных редукторов с цевочным зацеплением относится многопар-ность зацепления (при точном изготов-

лении основных деталей до 30 % зубьев колеса участвуют в передаче усилия) и, как следствие, малая удельная металлоемкость на единицу передаваемой мощности и малые габариты. Кроме того, циклоидальные редукторы при должном качестве изготовления обладают повышенной долговечностью.

Однако они имеют ряд недостатков. Прежде всего, они сложны в технологическом отношении и, следовательно, достаточно дороги. Помимо чрезвычайно высоких требований к точности изготовления деталей, при которой обеспечивается многоконтактность кинематических пар, и наличия специального инструмента, эта передача имеет ряд особенностей, ограничивающих ее применение в меха-тронных устройствах. Следовательно:

— нельзя получить большое передаточное отношение в одной ступени из-за больших габаритов колес. Циклоидальные зубья имеют большой шаг по сравнению с эвольвентными зубьями, отсюда -большие диаметры колес;

— нельзя осуществить редуктор с малым модулем зубьев (например, с модулем 0,5 мм) из-за сложности изготовления цевок малого диаметра.

В мехатронных устройствах может быть использована схема с эвольвентны-ми зубчатыми колесами, для которой в специальной литературе принято обозначение K-H-V. У основной схемы есть еще ряд модификаций. Достоинства планетарных механизмов, выполненных по этим схемам, — простота устройства, высокая жесткость, точность, реализация больших передаточных отношений при высоком КПД (до 0,95) и малых габаритах. Интервал передаточных отношений таких механизмов от 7 до 70 [2].

Обязательным дополнительным устройством для таких передач является механизм, осуществляющий передачу движения между параллельными валами, с передаточным отношением, равным единице. Этот механизм получил название

механизма ‘. В качестве такого механизма может использоваться карданный вал, крестовая муфта (муфта Ольдгей-ма), механизм параллельных кривошипов, гибкий вал, шарнир равных угловых скоростей и другие устройства аналогичного назначения. Конкретная реализация механизма ‘ также вносит разнообразие в конструкции механизмов.

Авторами предложен ряд новых схемных решений усовершенствованных планетарных механизмов, обеспечивающих возможность использования их в мехатронных устройствах.

В табл. 1 представлены все возможные модификации механизма К-И-У. Механизм ‘ показан условно в обобщенном виде. Схемы различаются тем, как выполнен сателлит (с внутренними зубьями или внешними), характером движения сателлита (вращательное или плоскопараллельное) и характером

движения колеса (колесо может быть неподвижным или вращаться).

Здесь и далее принято, что сателлит имеет число зубьев 21, а колесо — 22. На схемах а и б (табл. 1) сателлит имеет внешние зубья и, следовательно, 22 > 21, на схемах в и г (табл. 1) — сателлит имеет внутренние зубья, в таком случае 22 < 21. На рис. 1 представлены графики зависимости передаточного отношения планетарного механизма от передаточного отношения сопутствующего рядового зубчатого механизма (или, что одно и то же, от отношения чисел зубьев колес 22 / 21). Из анализа графиков следует, что механизмы обеспечивают как положительное, так и отрицательное передаточное отношение. При увеличении разности чисел зубьев передаточное отношение резко уменьшается по гиперболической зависимости. Наибольшее передаточное отношение и, следовательно, наименьшие габариты передачи обеспечиваются при наименьшей возможной разности чисел зубьев колеса и сателлита, равной единице.

Табл. 1. Модификации планетарного механизма схемы К-И-У

Схема механизма Число зубьев колес Знак передаточного отношения Формула для передаточного отношения

а -1 а і -3* * %2 > 21 /<0 ¡ = 1/(1-г2/го

б -т 4 щ •»7 2.2 > 7,\ »■> 0 1 = г21ъх1{ъг1ъх-1)

в і и 7-2 < 2.\ і> 0 {=1/(1-г2/го

г ** 3. ** Ъг < Ъ\ .. |<0 /=г2 / г, / (г2 / г, — /)

Рис. 1. Графики зависимости передаточного отношения планетарного механизма от отношения 22/21 для схем а, б, в, г

Известно, что при реализации передач внутреннего зацепления при малой разности чисел зубьев имеет место интерференция двух видов: интер-

ференция первого рода и интерференция второго рода.

При интерференции первого рода возникает пересечение окружностей вершин зубьев колес, в результате чего оказывается невозможным вставить внутреннее колесо и собрать передачу. При интерференции второго рода имеет место заклинивание зубьев. Такая передача хотя и может быть собрана, но не допускает перекатывания колес и тоже неработоспособна. В процессе выполнения исследований было изготовлено несколько десятков комплектов колес с различными модулями, числами зубьев и смещениями с разностью чисел зубьев, равной единице.

Осуществление внутреннего зацепления с разностью в один зуб без смещения исходного контура при использовании зацепления, соответствующего исходному контуру с а’ = 20°, ограничивается возможностью возникновения пересечения головок шестерни и колеса (интерференции).

Исследованиями авторов установлено, что при надлежащем выборе параметров смещения колес можно добиться получения передачи, в которой отсутствует интерференция первого и второго рода. Для этого нужно назначить соответствующие значения радиального и бокового смещений для каждой пары чисел зубьев колес. Под боковым смещением по аналогии с радиальным смещением понимается отношение удаляемой толщины зуба по делительной окружности к модулю. Боковое смещение выполняется только для шестерни.

В результате проведенного исследования на физических моделях передач установлены параметры передач внутреннего зацепления, при которых отсутствует интерференция первого и второго рода при различных числах зубьев колес. Были ис-

следованы передачи в диапазоне передаточных отношений 33-180 при модуле колес 1 мм. Поскольку колеса, изготовленные долбяком стандартного профиля, для каждого числа зубьев геометрически подобны, то картины зацепления передач, собранных из колес при одних и тех же параметрах (одинаковых числах зубьев и одинаковых смещениях), но с различным модулем, также подобны. Поэтому выводы, полученные для передач с модулем 1 мм, могут быть распространены на передачи с теми же параметрами, но с другим модулем.

На рис. 2 представлена картина зацепления для передачи внутреннего зацепления с модулем 1 мм, числом зубьев колеса 90, числом зубьев шестерни 89. Установлено, что передача обеспечивает зацепление колес с наличием небольшого зависания порядка 5-6 зубьев в районе полюса, т. е. имеет место интерференция, которую мы называем интерференцией третьего рода. Она существенно не отражается на работоспособности передачи, т. к. зубья заходят достаточно глубоко, обеспечивая приемлемое их перекрытие. Как видно на рис. 2, здесь осуществляется беззазорное зацепление. Передача обеспечивает высокую плавность движения и многопарность зацепления. В одновременном зацеплении находится от 3 до 10 пар зубьев. Передача усилия происходит в одной из зон зацепления; вторая зона обеспечивает выборку зазора в зацеплении и безударное реверсирование движения. Анализ картины зацепления позволяет утверждать, что принятое боковое смещение существенно не отражается на толщине, а значит и прочности зуба, но позволяет улучшить качественные показатели зацепления: уменьшить «зависание» зубьев, увеличить глубину захода зубьев в зацепление, что должно положительно сказываться на кинематических и динамических свойствах передачи. Этот прием может быть рекомен-

дован как дополнительное средство модификации передачи при внутреннем зацеплении с разницей зубьев в один зуб; при этом основным средством модификации зубьев, устраняющим интерференцию, остается радиальное смещение. Большие ре-

зервы в повышении качества передачи содержатся в использовании косозубых колес — это позволяет повысить коэффициент перекрытия и улучшить динамику передачи.

Рис. 2. Внутреннее зацепление с разностью чисел зубьев в один зуб

В процессе многолетних исследований авторами предложены новые схемы двухсателлитных планетарных механизмов повышенной точности с принудительной выборкой зазоров во всех кинематических парах [3-8], а также опубликован ряд статей [9, 10]. По некоторым предложениям созданы макеты модулей движения. На рис. 3 представлена фотография макета привода подвижного звена, реализующего неполноповоротное движение, в котором в первой ступени использован планетарный редуктор с передаточным отношением 65. Вторая ступень реализована в виде прецизионной фрикционной валиковой передачи.

Разработанная передача внутреннего зацепления применена в планетарном мотор-редукторе с короткими кардан-

ными валами и устройством выборки зазора в кинематической цепи механизма (рис. 4). Две шестерни-сателлита связаны с дисками, закрепленными на выходном валу, посредством коротких карданных валов. Концы карданных валов выполнены в виде двухколокольных универсальных шарниров. На дисках выходного вала установлены нажимные винты. Выборка зазоров в кинематической цепи производится путем ввинчивания нажимных винтов, вследствие чего происходит относительный разворот дисков, а вместе с ними через карданные валы и шестерен-сателлитов. Это обеспечивает выборку зазоров в кинематической цепи от зубчатого зацепления до ведомого вала.

Рис. 3. Прецизионный модуль неполноповоротного движения с планетарной передачей в первой ступени

Рис. 4. Планетарный механизм с двумя карданами и механизмом выборки люфта

Выборка зазоров в самом зубчатом зацеплении происходит вследствие свойств двухстороннего зацепления — боковые профили зубьев сателлита при надлежаще выбранном межосевом расстоянии одновременно касаются левыми и правыми сторонами профилей зубьев колеса. При этом в зацеплении каждой пары зубьев сохраняется боковой зазор, необходимый для компенсации неточности изготовления зубьев и тепловых деформаций. Если не предусмотреть этот зазор, передача может заклинить. Если межосевое расстояние меньше требуемого и контакта профилей зубьев нет, выборка зазора в зацеплении происходит за счет действия разворачиваемых карданных валов.

Исследованная схема планетарного редуктора явилась основой для разработки ряда редукторов специального назначения.

В ряде случаев требуется большое передаточное отношение, превышающее 200. Использование колес с числом зубьев более 200 нецелесообразно с конструктивной точки зрения. Более удобен двухступенчатый планетарный механизм, в первой ступени которого использован трехколесный планетарный механизм по схеме 2К-Н, а во второй — один из вариантов описанного выше планетарного механизма по схеме К-Н-У. На базе этой схемы авторами создан макет двухскоростного редуктора, реализующего передаточные отношения 90 и 360.

Выводы

Планетарные механизмы схемы К-Н-У с эвольвентными зубчатыми колесами могут быть положены в основу разработки модулей движения для разнообразных мехатронных устройств благодаря их компактности, высокой точности, возможности реализации больших передаточных отношений, простой технологии изготовления и относительно низкой стоимости. Найдены решения, обеспечивающие создание безытерференционных

передач внутреннего зацепления с разностью чисел зубьев в один зуб, что позволяет минимизировать габариты передачи при обеспечении высокого коэффициента перекрытия. Установлены условия существования двух зон зацепления при разности чисел зубьев колес в один зуб и, как следствие, возможность реализации безлюфтового зацепления. Традиционная схема планетарного механизма дополнена специальным устройством для выборки люфтов. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования подтверждают возможность использования для этих целей коротких карданных валов с устройством выборки зазоров во всех кинематических парах. Такое решение механизма ‘ является принципиально новым и более эффективным, чем использование механизма параллельных кривошипов, в котором происходит консольное нагружение пальцев. Оно может быть использовано, например, в циклоидальном планетарном редукторе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Подураев, Ю. В. Мехатроника : основы, методы, применение / Ю. В. Подураев. -М. : Машиностроение, 2006. — 256 с.

2. Кудрявцев, В. Н. Планетарные передачи / В. Н. Кудрявцев. — М. : Машиностроение, 1966. — 307 с.

3. А. с. 1704535 СССР, МКИ Р 16 Н 57/12. Планетарная передача / Л. А. Борисенко (СССР). — № 445251/28 ; заявл. 30.06.88 ; опубл. 08.09.91. — 3 с.

4. А. с. 1690308 СССР, МКИ В 25 J 17/00. Привод подвижного звена / Л. А. Борисенко (СССР). — № 439970/08 ; заявл. 29.03.88 ; опубл. 08.06.91. — 2 с.

5. А. с. 1768830А1, МКИ Р 16 Н 1/32. Планетарная передача / Л. А. Борисенко (СССР). — № 4681348/28 ; заявл. 15.10.92 ; опубл. 15.06.92. — 3 с.

6. А. с. 1764984, МКИ Ь 25 J 11/00. Привод подвижного звена / Л. А. Борисенко (СССР). — № 4677189/08 ; заявл. 30.09.92 ; опубл. 01.07.92. — 3 с.

7. А. с. 1768853, МКИ Р 16 Н 57/12.

Планетарная передача / Л. А. Борисенко (СССР). -№ 4677190/28 ; заявл. 11.04.89 ; опубл. 15.06.92. -3 с.

8. Пат. 8691 РБ, F 16 H 1/32. Планетарная зубчатая передача / Л. А. Борисенко, А. А. Горшкова. — № 20040232 ; заявл. 22.03.2004 ; опубл. 30.09.2005. — 3 с.

9. Борисенко, Л. А. Обоснование возможности применения внутреннего зубчатого зацепления с малой разностью чисел зубьев в планетарных

редукторах / Л. А. Борисенко, А. А. Горшкова // Современные методы проектирования машин : сб. тр. — Минск, 2004. — С. 59-64.

10. Борисенко, Л. А. Исследование и моделирование двухступенчатого планетарного редуктора с большим передаточным отношением для мехатроннных устройств / Л. А. Борисенко, А. А. Горшкова // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та.- 2005. — № 4. — С. 55-59.

Белорусско-Российский университет Материал поступил 23.03.2007

L. A. Borisenko, V. L. Komar,

A. A. Gorshkova, I. V. Maevskij Investigation into kinematics of planetary gear mechanisms without clearance for movement of mechatronics moduls Belarusian-Russian University

Given in the paper are the results of theoretical and experimental studies in the field of the development of highly precise, small-size gearing based on the planetary mechanisms of the K-H-V circuit. These gear mechanisms can find application in making movement moduli of various mechatron devices. It is proposed a design method of non-interferent gearing with internal involute engagement differing in the number of gears equal to one. Under consideration is a series of improvements of the traditional circuit of the planetary mechanism with a view of increasing the accuracy of gearing and lowering its production costs. The results of experimental tests of the developed proposals are given in the paper.

Как устроен планетарный мотор-редуктор: Статьи

Планетарная передача имеет те же физические принципы работы, что и обычная прямозубая, только с той разницей, что вместо наружного зубчатого обода колеса используется внутренний. Передача считается планетарной, если в ее составе есть хотя бы одна орбитальная шестерня (с внутренним зубчатым венцом).

Именно у планетарной передачи наиболее высокое отношение собственного веса к передаваемой мощности при значительном передаточном числе. По этому показателю ее обгоняет только волновая передача, но из-за необходимости использования гибких ненадежных шестерней использование волновых редукторов ограничено. Единственным вариантом надежного и мощного редуктора с минимальным весом является планетарный. Именно по планетарной схеме исполнены вертолетные редуктора и понижающие ступени турбовинтовых самолетов. Перспективно внедрение этих технологий в автомобилестроение. Планетарные коробки передач есть на некоторых военных автомобилях.

Другое преимущество планетарной передачи состоит в ее повышенной нагрузочной способности. Если взять водило и сателлиты и скомпоновать их в другую (не планетарную схему), то максимально допустимая нагрузка упадет в разы. Так происходит из-за кратного снижения числа зубцов, находящихся в зацеплении одновременно. Даже у шестерен большого диаметра в зацеплении находятся только 2-4 зуба одновременно. Конечно, форму зубьев можно изменить, и нагрузка возрастет, но КПД недопустимо снизится.

Задача увеличения нагрузочной способности передач решается двумя путями:

1. Использование гибких шестерней. При вхождении в зацеплении шестерня изгибается с помощью генератора волны и количество зубьев, входящих в зацепление, увеличивается. Это принцип работы волновой передачи.
2. Использование планетарных шестерней. Одно и то же зубчатое колесо одновременно входит в зацепление с несколькими (сателлиты). В свою очередь несколько сателлитов передают вращение не разным, а одному колесу (орбитальная шестерня). По такому принципу делаются планетарные передачи.

Типовое число сателлитов в планетарной передаче — 3-4. Благодаря этому одновременно в зацеплении находятся 9-12 зубьев, против 2-3 у обычных шестеренчатых передач. Такой прирост нагрузочной способности означает кратное снижение габаритов и материалоемкости. Однако это дается не даром. Планетарная передача сложна в производстве и требует высокой точности изготовления.

Конструкционное исполнение планетарных передач

Планетарные передачи изготавливают одноступенчатыми. Теоретически возможна и многоступенчатая схема, но в ней необходимости нет, так как даже одна ступень обеспечивает достаточное передаточное число.

Типовые примеры использования планетарной передачи

Учитывая, что планетарная передача дороже прямозубой при одинаковых показателях крутящего момента и передаточного числа, ее применяют там, где есть жесткие массогабаритные требования:

• Авиация: вертолетные и самолетные редукторы.
• Автомобильные агрегаты: трансмиссия мощных тягачей.
• Гидродвигатели на транспорте и спецтехнике.
• Мобильные буровые станки.
• Мобильные установки различного назначения: автобетоносмесители, дорожно-строительная техника.
• Промышленные станки, металлообрабатывающие машины малого и среднего масштаба.

Для промышленности актуально другое качество планетарных передач, а именно — соосность входного и выходного вала. Благодаря этому планетарный редуктор очень удобно крепить на электродвигателе. Получается единый агрегат в сборе, который именуется, как мотор-редуктор. Он легко устанавливается на станок, также просто, как обычный электродвигатель. Не требуется выдерживать параллельность валов на стыке электродвигатель-редуктор.

Немаловажное качество планетарных редукторов — низкий уровень шума и вибрации. Особенно это актуально для станочного оборудования, так как оно обслуживается людьми, а шум вызывает быстрое утомление персонала и вреден для здоровья.

Планетарная передача отлично комбинируется с другими типами зубчатых передач. В промышленности распространены коническо-планетарные и комбинированные планетарные редукторы.

Какие мотор-редукторы применяются в промышленности

Благодаря конструкции с применением планетарной передачи агрегаты превосходно справляются с перегрузками, возникающими во время эксплуатации. Именно поэтому планетарные мотор-редукторы повседневно применяются на многих промышленных заводах и фабриках. Популярным моделям российского производства можно отнести такие механизмы как: 3МП-40 или 3МП50. Эти агрегаты обладают превосходными характеристиками и невысокой стоимостью.

Для нужд хим. заводов были разработаны специальные мотор-редукторы МПО2М-15 с высокой степенью защиты. Для небольших буровых установок потребители выбирают малогабаритные редукторы 3МП-31,5 возможности питания от бытовой сети 220В.

Планетарный редуктор | Альфа Инжиниринг

Второе название обсуждаемого типа редуктора — дифференциальный, один из классов механических редукторов.Такого типа конструктив редукторов представляют собой целый класс систем, использующихся в сферах промышленности и транспорта. Название обусловлено его основной базовой составляющей — передачей планетарного типа. Именно она осуществляет передачу преобразования крутящего момента. Количество планетарных передач варьируется от одного и более в одном редукторе.

В состав редуктора планетарного типа входит солнечная шестерня, расположенная в середине конструкции. Эпицикл находится в районе периферии системы. Между двумя различными шестернями расположены сателлиты — 3 шестерни небольшого размера. Соединительным элементом для трех сателлитов служит водило, вращение шестерен происходит на его осях.

В процессе работы вращение можно переносить от одного элемента к другому. Такая схема будет действовать, если третий элемент будет заторможен. Перемена схем снятия и подвода крутящего момента в рамках одной планетарной передачи применяется для того, чтобы получить вращение в различных направлениях, а также другие передаточные числа. Такая особенность работы характерна для планетарных коробок передач.

Сегодня планетарные редукторы активно применяются в промышленности, транспортной сфере. Планетарные редукторы можно увидеть в конструкции грузовых лебедок и ведущих мостов. Во втором случае ведущие мосты встречаются в грузовых автомобилях МАЗ, автотранспорте Ikarus, троллейбусах ЗиУ-9, тракторах разных классов. Они передают крутящий момент через полуось в направлении ступицы колеса. Редуктор планетарного типа применяется также в бортовой или разнесенной передаче. Ее использование обеспечивает уменьшение диаметра основной передачи, увеличение дорожного просвета, уменьшение диаметра полуосей с одновременным уменьшением крутящего момента.

Однако использование такого типа передачи можно исключить во время работы ведущего автомобильного моста. Для примера стоит отметить автотехнику КамАЗ и МАЗ. Единственное отличие состоит в том, что КамАЗ имеет двойную передачу, МАЗ – одинарную.

Планетарный редуктор – неотъемлемая часть автоматической коробки передач. В данном случае крутящий момент передается через солнечную шестерню к валу, который связан с водилом. В случае торможения коронной шестерни, обкатка сателлитов вокруг шестерен приведет к вращению водила. Тогда передаточное число – это количество зубьев солнечной шестерни к количеству зубьев коронной. Когда торможение коснется коронной шестерни, то передача крутящего момента будет осуществляться в соотношении 1:1. Сейчас для автоматических коробок передач характерно использование планетарного механизма имени Лапелетьера.

В СНГ большую популярность имеют редукторы, выпускаемые сериями ЗМП и ЗП. Широкая известность именно планетарных редукторов обусловлена их небольшими размерами, высоким КПД и большим передаточным числом.

Характерный пример планетарного редуктора — шарикоподшипник. В шарикоподшипнике функции водила выполняет сепаратор, первой шестерни — внутреннее кольцо, второй шестерни — наружное кольцо, сателлитов — шарики. Шарикоподшипники хорошо подходят для конструирования редукторов малой мощности, которые активно используются в производстве научных и измерительных приборов. В качестве примера можно привести конструкцию верньера. В данном случае планетарный редуктор используется, если необходимо настроить радиостанцию на подходящую радиоволну. Основное преимущество отдельных классов планетарных редукторов в большем передаточном отношении при условии малых габаритов и небольшом количестве зубчатых колес. Увеличение показателя передаточного числа повлияет на снижение КПД, ухудшение работы планетарной передачи.

Основная особенность функционирования планетарного редуктора в том, что одновременно несколько сателлитов воспринимают нагрузку колес и водила. Это приводит к необходимости уменьшения внешних параметров зубчатых колес, если сравнивать их со стандартной передачей. Это позволяет выделить неоспоримые преимущества именно планетарного типа редуктора, а именно:
• Значительный показатель передаточного отношения
• низкая масса
• Компактность

Именно с помощью дифференциальных передач можно управлять движением машины. Эту особенность используют для конструирования автомобилей и металлорежущих станков. Но изготовление и сборка планетарной передачи требует особой точности, тщательности. Основные сферы, в которых применяются планетарные редукторы, — станкостроение, транспортное машиностроение, приборостроение.

Энтузиаст-механик напечатал редуктор с передаточным числом 11373076:1

Схема редуктора.

Фотография: Oscar Van Deventer / shapeways.com

Европеец Оскар Ван Девентер разработал и напечатал из пластика редуктор с экстремально высоким передаточным числом, сообщает 3DPrint. В собранном Ван Девентером механизме отношение зубьев ведущей шестеренки к ведомой составляет 11373076. Именно такое количество раз потребуется повернуть ведущую шестеренку редуктора, чтобы ведомая совершила один полный оборот. При таком передаточном числе количество зубьев ведущей шестеренки составляет 25 единиц.

Механизм Ван Девентера представляет собой набор из двух кривошипно-шатунных механизмов и двух планетарных редукторов. В планетарных редукторах центральные (солнечные) шестерни через сателлиты (небольшие шестеренки) вращают коронные шестерни на периферии. Оба редуктора в механизме расположены на одном валу. При увеличении количества зубцов ведущей шестеренки до 64 единиц передаточное число возрастет до 1141624705.

Ведущая шестерня и планетарный редуктор.

Фотография: Oscar Van Deventer / shapeways.com

Ведомая шестерня и планетарный редуктор.

Фотография: Oscar Van Deventer / shapeways.com

Редуктор в сборе.

Фотография: Oscar Van Deventer / shapeways.com

Благодаря очень высокому передаточному числу такой редуктор позволяет работать с большими механическими нагрузками. По словам самого Ван Девентера, разработанный им редуктор со столь высоким передаточным числом позволит при помощи обычной стоматологической бормашины сдвинуть с места локомотив. Правда, скорость его движения по рельсам будет очень и очень маленькой. Аналогичное передаточное число можно было бы реализовать и при помощи червячного редуктора, однако планетарный редуктор позволил сделать компактный механизм.

Ван Девентер уже выставил свой редуктор с экстремально высоким передаточным числом на продажу в интернет-магазине shapeways. Стоимость механизма составляет 276 евро.

Планетарные передачи

: принципы работы

Планетарные передачи лежат в основе современной инженерии и используются в коробках передач, которые приводят в действие все, от базового оборудования завода до новейших электромобилей. Простая конфигурация центрального привода и вращающихся шестерен была разработана тысячи лет назад для моделирования движения планет. Сегодня инженеры используют планетарные передачи в приложениях, требующих высокой плотности крутящего момента, эффективности работы и долговечности. В этой статье мы исследуем принципы работы, как работают планетарные передачи и где их можно найти.

Что такое планетарный редуктор?

Простой планетарный ряд состоит из трех основных компонентов:

1. Солнечная шестерня, которая находится в центре (центральная шестерня).
2. Несколько планетарных шестерен.
3. Зубчатый венец (внешняя шестерня).

Три компонента составляют ступень планетарного редуктора. Для более высоких передаточных чисел мы можем предложить двойные или тройные ступени.

Планетарные редукторы

могут приводиться в действие электродвигателями, гидравлическими двигателями, бензиновыми или дизельными двигателями внутреннего сгорания.

Нагрузка от солнечной шестерни распределяется на несколько планетарных шестерен, которые могут использоваться для привода наружного кольца, вала или шпинделя. Центральная солнечная шестерня принимает на себя высокоскоростной вход с низким крутящим моментом. Он приводит в движение несколько вращающихся внешних шестерен, что увеличивает крутящий момент.

Простая конструкция — это высокоэффективный и действенный способ передачи мощности от двигателя к выходу.Приблизительно 97% потребляемой энергии выдается на выходе.

Принципы работы

Компания Lancereal предлагает три различных типа планетарных редукторов: привод колес, выход вала и выход шпинделя. Вот что они собой представляют и как работают.

Колесный привод

В планетарной коробке передач с полным приводом солнечная шестерня приводит в движение окружающие планетарные шестерни, которые прикреплены к водилу.Когда солнечная шестерня приводится в движение, планетарные шестерни вращают внешнюю кольцевую шестерню. Колеса могут быть установлены над корпусом коробки передач. Установив колесо непосредственно на коробку передач, можно минимизировать размер сборки. Планетарные передачи полного привода могут обеспечивать крутящий момент до 332 000 Нм.

Выходной вал

В редукторах с приводом от вала солнечная шестерня приводит в движение окружающие планетарные шестерни, которые размещены во вращающемся водиле. Зубчатый венец удерживается неподвижно, а вращающееся водило передает привод на вал.

Корпус редуктора прикреплен непосредственно к машине, выходом является вращающийся вал. Наш ассортимент выходных шестерен на валу может обеспечивать крутящий момент до 113 000 Нм.

Выход шпинделя

Выходные планетарные редукторы шпинделя работают аналогично выходным валам; однако выход поставляется в виде фланца. Наши планетарные шестерни привода шпинделя могут обеспечивать крутящий момент до 113000 Нм.

Для чего используются планетарные передачи?

Планетарные передачи могут использоваться для различных целей.Компания Lancereal предлагает планетарные редукторы для использования в промышленных и мобильных приложениях.

Наши планетарные редукторы используются в:

• Колесные приводы
• Гусеницы
• Конвейеры
• Поворотные приводы
• Приводы подъемные
• Смешивание
• Приводы лебедки
• Насосы
• Форсунки для гибких труб
• Шнек и приводы бурения
• Приводы фрезерной головки

Планетарные зубчатые передачи могут использоваться поэтапно, предлагая различные варианты передаточного числа, которые могут быть адаптированы к вашим требованиям.

Какие у меня есть варианты?

Наши планетарные редукторы доступны в вариантах с 1 и 2 скоростями. Мы можем предоставить одно-, двух- или трехступенчатые агрегаты для любого применения. Мы также можем включить гидравлическое, динамическое и электромагнитное торможение в наш ассортимент планетарных коробок передач.

Как узнать, какая планетарная коробка передач мне нужна?

Выбор планетарного редуктора, его размера и передаточного числа должен определяться результатом.Это тщательный баланс между размером, эффективностью, производительностью и стоимостью. В Lancereal у нас консультативный подход к дизайну. Каждый проект мы начинаем с глубокого понимания области применения, скоростей, крутящего момента и функций машины.

Мы используем наш опыт и знания для определения и поставки подходящего решения с планетарной передачей, которое является рентабельным и надежным. Каждая поставляемая нами коробка передач будет работать безотказно в течение многих лет. Именно это сочетание инженерного мастерства и постоянных инноваций позволяет компании Lancereal оставаться в авангарде технологий редукторов.

Связаться

Мы являемся ведущим специалистом в области передачи энергии, пожалуйста, обращайтесь к нам по поводу любых требований к планетарной коробке передач. У нас есть внутренние возможности для адаптации к любым вашим требованиям.

T: +44 (0) 1484 606040

E: [email protected]

Мир планетарных шестерен

Около года назад, когда разразилась пандемия, медицинское сообщество поспешило получить защитное снаряжение — особенно маски для лица — всем, кто хотел.К сожалению, масок, похоже, не хватило.

Чтобы противостоять этой нехватке, Чарльз Бойс, президент Boyce Technologies (BTI), поручил своей компании разработать и построить машину, которая могла бы быстро и эффективно изготавливать маски. Первым шагом было изучение машин для изготовления масок, уже имеющихся на рынке.

«Все машины для изготовления масок, которые мы рассматривали, были созданы на основе конструкций 20-летней давности; это были большие специализированные машины », — говорит Том Пауэлл, вице-президент по развитию бизнеса BTI.«К тому же они были дорогими, требовали много места, и в ближайшее время вы не смогли бы его получить. Благодаря новым технологиям мы знали, что можем создать маневренную машину с высокой пропускной способностью, занимающую мало места и значительно меньшую стоимость владения ».

Рабочая камера для масок Boyce Technologies имеет небольшую занимаемую площадь, чтобы быть быстрой и легко настраиваемой, а также легко адаптируемой для изготовления масок для различных медицинских процедур. Толоматик, Inc.

Команда BTI также хотела свою новую машины должны быть гибкими и легко модифицируемыми для изготовления масок разных размеров, например, для детей меньшего размера, а также для разных размеров лица и стилей масок.Машины также смогут использовать различные материалы, такие как хлопок и синтетику, и прикреплять ремни из разных материалов и разной длины.

«Нет смысла делать универсальную машину, — объясняет Пауэлл. «Мы разработали машину, которая может давать людям то, что они хотят».

Чтобы сделать машину компактной, быстрой и гибкой, конструкторы BTI знали, что ей потребуются современные компоненты управления движением, такие как приводы, роботы, ПЛК, серводвигатели, конвейеры и средства связи на базе EtherNet IT.

Рабочая камера спроектирована таким образом, чтобы ее можно было адаптировать для изготовления масок для различных медицинских процедур. Tolomatic, Inc.

Для электрических приводов, которые будут перемещать, формировать, индексировать, резать и собирать ткани в маски, BTI превратила в Tolomatic, Inc., компанию из Миннеаполиса, которая могла бы быстро предоставить широкий спектр исполнительных механизмов управления движением необходимой длины и опций. Tolomatic также находится в США, что является плюсом для менеджеров BTI, которые хотели использовать детали американского производства для повышения качества, доставки и технической поддержки.

Маскировочная машина имеет три основных этапа: подача материала; сформировать и вырезать; и собрать и закончить. На первой станции бесштоковый привод с ременным приводом Tolomatic B3W перемещает и поддерживает материал. Привод втягивает лист тяжелого материала и поддерживает нагретый формовочный пресс, который опускается поверх листа. Привод должен выдерживать высокие моментные нагрузки и выдерживать 100 фунтов веса пресса. Весь блок, включая внутреннюю опору каретки и подшипники, герметичен; внешних направляющих нет.Это предотвращает попадание волокон и частиц в привод и препятствование движению.

На второй станции другой бесштоковый привод с ременным приводом также обеспечивает быстрое позиционирование при перемещении и поддержке пресса, который разрезает и сваривает маски. Этот привод перемещается со скоростью до 200 дюймов в секунду и поддерживает большие моментные нагрузки для ускорения производства.

Приводы Tolomatic B3W (горизонтальные стержни, верх и низ формирователя маски) перемещают материал и поддерживают нагретый формовочный пресс.Устройство герметично закрыто для предотвращения загрязнения твердыми частицами. Tolomatic, Inc.

На третьей станции бесштоковые приводы перемещают предварительно сформированные маски к роботу ABB, который захватывает их и переворачивает на другую сторону стола. Там роботы разрезают и накладывают ремни, а также клеят, разрезают и накладывают носовые части. Два линейных привода скольжения Tolomatic GSA помогают при ультразвуковой сварке эластичных петель, огибающих уши пользователя. Затем маски выгружаются для упаковки и отправки.

BTI теперь думает о том, как использовать свою новую маскировочную машину после пандемии.Поскольку она предназначена для изготовления масок для различных медицинских процедур, компания получает запросы на специальные маски и маски, не связанные с COVID. «Мы рассматриваем целый ряд новых продуктов, связанных с масками, чтобы помочь врачам облегчить процедуры, которые они не могут выполнять сейчас. Мы видим развивающийся рынок индивидуальных масок для конкретных процедур », — говорит Пауэлл.

Что такое планетарный редуктор?

Вернуться к обзору

Какая техника тысячелетней давности лежит в основе многих самых инновационных технических достижений на данный момент? У робототехники, 3D-печати и новых транспортных средств есть одна общая черта: часто они приводятся в движение планетарной коробкой передач.Как поставщик планетарных коробок передач, мы, конечно, знаем все тонкости, но что, если вы впервые столкнетесь с этой техникой? Мы решили объяснить это понятно для всех — в этой статье мы обсудим основы планетарного редуктора.

Что такое планетарный редуктор?

Планетарный редуктор — это редуктор с совмещенным входным и выходным валами. Планетарный редуктор используется для передачи наибольшего крутящего момента в наиболее компактной форме (известной как плотность крутящего момента).

Ускоряющая ступица велосипеда — отличный пример планетно-колесного механизма. Вы когда-нибудь задумывались, как получить столько мощности и возможностей в такой маленькой ступице? Для трехступенчатой ​​ступицы используется одноступенчатая планетарная передача, для пятиступенчатой ​​ступицы — двухступенчатая.Каждая планетарная передача имеет состояние редуктора, прямое соединение и режим ускорения.

С математической точки зрения, наименьшее передаточное число составляет 3: 1, наибольшее — 10: 1. При передаточном числе менее 3 солнечная шестерня становится слишком большой относительно планетарных шестерен. При передаточном числе более 10 солнечное колесо становится слишком маленьким, и крутящий момент падает. Отношения обычно абсолютные, т.е. целые числа.

Кто изобрел планетарный редуктор, неизвестно, но функционально он был описан Леонардо да Винчи в 1490 году и использовался веками.

Почему он назван планетарной коробкой передач?

Планетарный редуктор получил свое название из-за того, как разные шестерни перемещаются вместе. В планетарной коробке передач мы видим солнечную (солнечную) шестерню, сателлитную (кольцевую) шестерню и две или более планетарных шестерен. Обычно солнечная шестерня приводится в движение и, таким образом, перемещает планетарные шестерни, заблокированные в водиле планетарной передачи, и формирует выходной вал. Шестерни сателлитов имеют фиксированное положение по отношению к внешнему миру. Это похоже на нашу планетную солнечную систему, отсюда и название.Помогло то, что древние конструкции шестерен широко использовались в астрологии для составления карт и отслеживания наших небесных тел. Так что это был не такой уж большой шаг.

На практике мы часто говорим с точки зрения использования планетарных редукторов для промышленной автоматизации. Вот почему мы называем солнечную шестерню входным валом, планетарные шестерни и водило выходного вала, а сателлитную шестерню (или коронную шестерню) — корпусом.

Возможности планетарных редукторов

С одной и той же конструкцией можно реализовать разные скорости и направления вращения.Это может быть достигнуто, например, путем реверсирования коробки передач, что дает следующие возможности:

Где обычно используется планетарный редуктор (в трансмиссии)?

Где обычно используется планетарный редуктор (в трансмиссии):

• В роботе для увеличения крутящего момента
• В печатном станке для уменьшения скорости роликов
• Для точного позиционирования
• В упаковочной машине для воспроизводимых продуктов

Покупка планетарной коробки передач: на что следует обратить внимание

Каковы критерии покупки планетарной коробки передач? На этот вопрос сложно ответить, потому что он сильно зависит от того, где именно используется коробка передач.Прежде всего, должны быть правильными первичные характеристики (например: крутящий момент, люфт, передаточное отношение), но затем вторичные (например: коррозионная стойкость, уровень шума, конструкция) и третичные (например: срок поставки, цена, глобальный доступность, сервис) важны.

Поскольку Apex Dynamics работает быстрее, вы можете обращаться к нам по всем вопросам. Мы ответим быстро, часто в тот же день, с индивидуальным ответом и / или индивидуальным предложением. Таким образом, вам никогда не придется беспокоиться о задержках, мы доставляем все коробки передач, которые отсутствуют на складе, и быстрее, чем кто-либо другой.

Консистентная смазка или масло в качестве смазки в планетарной коробке передач

Даже при том, насколько точно планетарный редуктор изготовлен и собран, внутри всегда есть поверхности качения или скольжения. Вот почему каждая коробка передач содержит смазку — будь то масло, консистентная смазка или синтетический гель — для обеспечения хорошей работы шестерен и предотвращения износа. Кроме того, смазка часто также обеспечивает охлаждение и снижает шум или вибрацию. Apex Dynamics использует специальную смазку от компании Nye Lubricants, по сути, это своего рода гель.

Мы опубликовали статью на эту тему:
Смазка SMART: Без смазки нет гладкой передачи!

6 аргументов в пользу планетарного редуктора в сочетании с серводвигателем

1. Крутящий момент разделен на 3 передачи (планетарные шестерни), и поэтому — при равных размерах — крутящий момент почти в 3 раза больше, чем у «нормальной» коробки передач.
2. Низкий люфт.
3. Компактный и, следовательно, с малой инерцией массы.
4. Высокая эффективность.
5. Закрытая система.
6. Абсолютное соотношение от 3: 1 до 10: 1 на ступень.

Почему планетарный редуктор от Apex Dynamics

Редукторы

Apex Dynamics идеально подходят, например, для современной сервотехники благодаря сложным уплотнениям из витона, косозубым зубьям и сбалансированному валу солнечной шестерни. Мы продаем около 49 серий планетарных редукторов и предлагаем неизведанное обслуживание, поддержку и местные складские запасы. Это делает нас непревзойденным поставщиком редукторов с малым люфтом.

Пресс-релиз, Helmond 14.11.2017

Видео

Classic объясняет, как работает планетарный ряд.

Шестерни бывают всех форм и размеров.Это зубастые чудеса, заставляющие мир вращаться, и они невероятно важны для эксплуатации автомобиля. Есть более конкретный тип шестерни, позволяющий работать вашей автоматической коробке передач. Это называется планетарной передачей, и при ее работе ваша голова будет плавать по концентрическим кругам. То есть до тех пор, пока вы не посмотрите это замечательное классическое видео, которое дает четкое представление об их работе.

Планетарный редуктор состоит из внешнего зубчатого колеса, которое называется кольцевой шестерней.Внутри у вас есть солнечная шестерня с фиксированной точкой в ​​центре и планетарная шестерня (или шестерни), которые вращаются вокруг солнечной шестерни. Вращаясь внутри зубчатого венца, планетарные шестерни образуют делительные окружности, которые могут быть преобразованы в зубчатую передачу, которая, в свою очередь, подсоединяется к входному и выходному валам.

ПРОВЕРКА: разница между автоматической и механической коробками передач

Входной вал будет исходить от двигателя, а выходной вал — к ведомым колесам.Комбинируя планетарные передачи, вы можете создать широкий диапазон редукторов. Эти сокращения необходимы для комфортного и эффективного движения вашего автомобиля, и именно в них вы найдете различные «передачи», такие как первая, вторая, третья, обратная передача и т. Д.

Вы создаете эти диапазоны передач, комбинируя наборы шестерен по-разному для создания различных передаточных чисел. Вам понадобится более высокое передаточное число, чтобы начать движение на первой передаче. В этом случае обе зубчатые передачи работают вместе, поэтому крутящий момент двигателя умножается и передается на колеса.Когда вы начнете двигаться, один из наборов снаряжения сможет расслабиться и позволить другому делать работу. Это может переключиться, когда придет время перейти на третью передачу.

Изменяя, какие зубчатые передачи взаимодействуют с входным, выходным или обоими валами, вы получите автоматическую коробку передач, которая гарантирует, что вы катитесь по дороге на правильной передаче.

Все это и многое другое подробно описано в этом классном черно-белом видео. Взгляните на него, и вы увидите, что можете извлечь уроки из прошлого.

_______________________________________

Следите за Motor Authority на Facebook, Twitter и YouTube.

Как работает планетарная передача?

Планетарная шестерня — это планетарная шестерня, в которой несколько шестерен (планетарные шестерни) сцепляются с центральной шестерней (солнечной шестерней).

Стационарный редуктор

Так называемые стационарные редукторы отличаются тем, что шестерни имеют неподвижные оси вращения.На рисунке ниже показана двухступенчатая стационарная трансмиссия с тремя передачами. Входная шестерня приводит в движение выходную шестерню через промежуточную шестерню (промежуточную шестерню).

Рисунок: Стационарный редуктор с внешней выходной шестерней

Передаточное отношение i ₁ или i ₂ соответствующих ступеней шестерни определяется соотношением соответствующего количества зубьев промежуточной шестерни z _{промежуточной шестерни} и ведущей шестерни z _в или выходная шестерня z _из .

\ begin {align}
& \ text {1. Этап:} ~~~ i_1 = \ frac {z_ {idler}} {z_ {in}} \\ [5px]
& \ text {2. Этап:} ~~~ i_2 = \ frac {z_ {out}} {z_ {idler}} \\ [5px]
\ end {align}

Общее передаточное число i _всего 2-ступенчатой ​​стационарной передачи (поэтому также называется передаточным числом стационарной передачи или передаточным числом фиксированной несущей передачи ) получается путем умножения передаточных чисел i ₁ и i ₂ :

\ begin {align}
& i_ {total} = i_1 \ cdot i_2 = \ frac {z_ {idler}} {z_ {in}} \ cdot \ frac {z_ {out}} {z_ {idler}} \\ [ 5px]
\ label {i}
& \ boxed {i_ {total} = \ frac {z_ {out}} {z_ {in}}} ~~~ \ text {стационарное передаточное число} \\ [5px]
\ конец

Для общего передаточного числа, очевидно, имеют значение только количество зубьев выходной шестерни и количество зубцов входной шестерни! Количество зубьев промежуточной шестерни значения не имеет.

От стационарной коробки передач к планетарной коробке передач

Анимация: от неподвижной шестерни к планетарной передаче

Внутреннее зубчатое колесо в качестве ведомой шестерни

Вместо ведомой шестерни с внешними зубьями в принципе можно использовать коронную шестерню с внутренними зубьями. Пока количество зубцов не изменяется, это не влияет на общее передаточное отношение согласно уравнению (\ ref {i}). В результате изменится только направление вращения выходной шестерни.

Рисунок: Стационарный редуктор с внутренней выходной шестерней

Обычно оси вращения входного и выходного валов не идеально совмещены с общей осью, а имеют смещение. Однако, грамотно подобрав диаметр и, следовательно, количество зубьев промежуточной шестерни, можно добиться, чтобы входной и выходной валы находились на одной оси.

Обратите внимание, что количество зубьев промежуточной шестерни в соответствии с уравнением (\ ref {i}) в любом случае не влияет на общее передаточное число и, следовательно, может быть выбрано произвольно в принципе!

Если входной и выходной валы должны быть соосными («соосный» = «выровненный по общей оси»), диаметр делительной окружности промежуточной шестерни должен точно соответствовать разнице между радиусами делительной окружности вторичной и первичной шестерен. .Поскольку количество зубьев прямо пропорционально диаметру делительной окружности, соответствующее количество зубцов можно использовать вместо диаметра делительной окружности. В результате количество зубьев промежуточной шестерни должно составлять половину разницы между количеством зубьев ведомой и ведущей шестерен.

\ begin {align}
& d_ {idler} = r_ {out} -r_ {in} = \ frac {d_ {out}} {2} — \ frac {d_ {in}} {2} = \ frac {d_ {out} -d_ {in}} {2} \\ [5px]
& \ boxed {z_ {idler} = \ frac {z_ {out} -z_ {in}} {2}} \\ [5px]
\ end {align}

Рис.: Соосное выравнивание первичной и выходной шестерни

Установка дополнительных промежуточных шестерен

Недостатком данной коробки передач является то, что входной вал (а также выходной вал) подвергается изгибающей нагрузке со стороны односторонней боковой силы.На рисунке ниже F обозначает силу реакции промежуточной шестерни, действующую на боковую поверхность зуба входной шестерни.

Рисунок: Действующие силы на ведущую шестерню

Однако изгибающих напряжений можно избежать, если несколько промежуточных шестерен расположены симметрично так, чтобы боковые силы компенсировали друг друга в своем изгибающем действии. В случае с тремя промежуточными шестернями входной и выходной валы больше не подвергаются изгибающей нагрузке, а только кручению.

Рис.: Стационарный редуктор с тремя промежуточными шестернями

Установка промежуточных шестерен на водило

В принципе, данная коробка передач уже является предварительной ступенью планетарной передачи.Последний этап заключается только в установке промежуточных шестерен на так называемое водило . Сам носитель соединен с валом и направляется коаксиально через выходной вал, который выполнен в виде полого вала.

Рис.: Планетарная передача

Планетарная передача в основном укомплектована водилом. В этом рабочем режиме он имеет стационарное передаточное число (фиксированное передаточное число несущей ) в соответствии с уравнением (\ ref {i}). В функциональном отношении планетарный редуктор в этом рабочем состоянии не отличается от описанного выше стационарного редуктора.

Однако это меняется, если планетарная передача используется иначе. Это связано с тем, что выход планетарного редуктора не всегда должен происходить на вышеупомянутом «выходном валу». Также можно использовать водило в качестве выходного вала, в то время как полый вал шестерни с внутренними зубьями надежно заблокирован. В этом случае промежуточные шестерни теперь «вращаются» вокруг центральной ведущей шестерни, как планеты вокруг солнца; отсюда и термин планетарная шестерня . Передаточное число планетарной передачи в этом режиме работы теперь отличается от передаточного отношения стационарной коробки передач!

Анимация: Принцип работы планетарной шестерни

Шестерни, ранее называвшиеся «промежуточными шестернями», обычно называются планетарными шестернями , а центральная внешняя шестерня упоминается как солнечная шестерня .Зубчатое колесо с внутренними зубьями обычно называют зубчатым венцом или кольцевым зазором .

В отличие от неподвижных шестерен, планетарные шестерни (также называемые планетарными шестернями) характеризуются подвижной осью вращения!

Здесь также становится очевидной необходимость симметричного расположения планетарных шестерен, поскольку в противном случае при высоких скоростях вращения возникли бы огромные силы дисбаланса.

С планетарной передачей можно не только надежно заблокировать коронную шестерню и позволить выходу происходить через водило.Возможны многие другие варианты, каждый с различным передаточным числом (см. Следующий раздел «Передаточные числа»). Это делает планетарную передачу особенно подходящей для трансмиссий, таких как ступичные шестерни велосипедов или автоматические трансмиссии автомобилей.

Преимущество планетарных передач перед обычными стационарными трансмиссиями заключается в их компактной конструкции и преимуществе соосных валов. При очень больших передаточных числах можно также последовательно соединить несколько планетарных шестерен.

Передаточные числа

С планетарной передачей могут быть достигнуты различные передаточные числа, в зависимости от вала, на котором происходит вход или выход, и надежно заблокированного зубчатого колеса. Различные передаточные числа будут объяснены на примере планетарной передачи, показанной ниже. Солнечная шестерня имеет z _s = 12 зубьев, планетарная шестерня z _p = 18 зубьев и коронная шестерня z _r = 48 зубцов.

Анимация: Режимы работы планетарных передач

Вывод передаточных чисел, показанных ниже, будет подробно рассмотрен в отдельной статье из-за их сложности.

Зубчатая шестерня неподвижная

Наивысшее передаточное отношение i = 5 получается в этом случае, когда коробка передач приводится в движение солнечной шестерней, а коронная шестерня зафиксирована. Затем вывод осуществляется перевозчиком. Очевидно, что самое низкое передаточное число i = 0,2 (= 1/5) получается, когда вход и выход меняются местами, в то время как коронная шестерня остается неподвижной. Направление вращения входного и выходного валов сохраняется в обоих случаях.

Анимация: планетарная шестерня с неподвижным венцом

Неподвижное водило

Второе по величине передаточное отношение i = 4 достигается в данном случае, если планетарный редуктор все еще приводится в движение солнечной шестерней, но на этот раз водило зафиксировано, и выход осуществляется посредством коронной шестерни.Следовательно, второе наименьшее передаточное число i = 0,25 (= 1/4) получается путем реверсирования входа и выхода. Однако в обоих случаях направление вращения входного и выходного валов разное! В этом случае передаточное число имеет отрицательный знак (см. Таблицу ниже). Таким образом можно включить передачу заднего хода.

Анимация: планетарная шестерня с неподвижным водилом

Неподвижная солнечная шестерня

Дополнительное передаточное число получается, когда планетарный редуктор приводится в движение коронной шестерней, а солнечная шестерня зафиксирована.В этом случае водило служит выходом коробки передач. Передаточное число теперь становится i = 1,25, а направление вращения остается. Если выход и вход коробки передач поменяны местами, передаточное число i = 0,8 (= 1 / 1,25).

Анимация: планетарная шестерня с фиксированной солнечной шестерней

Прямой привод

С планетарной передачей также возможна так называемая прямая передача . После этого все компоненты планетарной передачи надежно соединяются друг с другом. Передаточное число в этом случае i = 1.Такой прямой привод используется, например, в ступицах трехскоростных передач в качестве «2-й передачи».

Анимация: планетарная передача с прямым приводом

Сводка

Различные передаточные числа приведены в таблице ниже. В круглых скобках указаны передаточные числа для обратных входов и выходов (обратные передаточные числа). Отрицательные знаки указывают на изменение направления вращения.

6

6

В механических коробках передач переключение различных передаточных чисел осуществляется с помощью муфт, которые позволяют фиксировать определенные компоненты (солнечную шестерню, водило или коронную шестерню) в зависимости от желаемой передачи.Однако по функциональным причинам не все передаточные числа, показанные в таблице выше, могут быть достигнуты с помощью одной планетарной передачи (планетарный ряд , ). Однако передаточные числа могут быть значительно увеличены, если объединить несколько отдельных планетарных передач. На практике в одной коробке передач обычно используется до трех планетарных передач.

Диагностика неисправности планетарного редуктора с использованием демодуляции коллекторного конверта

Важной задачей при диагностике неисправности планетарного редуктора является извлечение надежных характеристик неисправности из зашумленного сигнала вибрации планетарного редуктора.Чтобы решить эту критическую проблему, в статье предлагается метод демодуляции огибающего коллектора для обнаружения неисправности планетарной передачи. Этот метод сочетает в себе комплексный вейвлет, обучение коллектора и частотную спектрограмму для извлечения характеристик неисправности планетарной передачи. Сигнал вибрации планетарной передачи демодулируется огибающей вейвлетом. Энергия огибающей принимается как индикатор, чтобы выбрать полосу частот зацепления. Обучение коллектора используется для уменьшения влияния шума в полосе частот зацепления.Характерная частота неисправности планетарной передачи показана спектрограммой. Создана модель планетарного редуктора и испытательный стенд, и для проверки проведены эксперименты с неисправностями планетарного редуктора. Все результаты анализа эксперимента демонстрируют его эффективность и надежность.

1. Введение

Планетарные зубчатые передачи широко используются в промышленном оборудовании, поскольку они имеют преимущества большого передаточного числа, высокой несущей способности и высокой эффективности передачи [1].В практических областях промышленности планетарная зубчатая передача, конструкция которой более сложна, чем редуктор с фиксированным валом, может быть повреждена при большой нагрузке и тяжелых условиях работы. Точное обнаружение неисправностей планетарного редуктора важно для сокращения внепланового простоя машины и предотвращения катастрофических аварий [2]. Анализ сигналов вибрации, который широко использовался в различных методах мониторинга состояния машин, стал одним из наиболее важных методов, применяемых для диагностики неисправностей планетарного редуктора.

Планетарная шестерня состоит из солнечной шестерни, планетарных шестерен, коронной шестерни, водила планетарной передачи, вала и подшипников. Обычно коронная шестерня неподвижна, солнечная шестерня вращается вокруг своего центра, а водило планетарной передачи вращается с очень низкой скоростью из-за большого передаточного отношения. Несколько планетарных шестерен, которые входят в зацепление одновременно с солнечной шестерней и коронной шестерней, не только вращаются вокруг своего собственного центра, но и вращаются вокруг центра солнечной шестерни [3]. Такое поведение вызывает вибрационные сигналы планетарного редуктора с разными фазами зацепления и разными путями распространения [4].Уникальный режим работы планетарного редуктора представляет проблему для диагностики неисправностей планетарной передачи. Исследования по диагностике неисправностей планетарных редукторов привлекают все большее внимание исследователей [5].

Диагностика неисправностей планетарных редукторов проводится по разным методикам. Методы моделирования полезны при мониторинге состояния. В работе [6] моделировались точечная коррозия зубьев и трещины на солнечной шестерне планетарных редукторов, а также анализировалось влияние неисправностей на жесткость зацепления шестерен.В [7] предложен подход, основанный на физических моделях для обнаружения повреждений планетарного редуктора в системе трансмиссии вертолета. В [8] исследована спектральная структура вибросигнала планетарного редуктора в различных состояниях и предложены модели вибросигнала повреждения зубчатого колеса. Но наиболее популярной диагностикой неисправностей планетарного редуктора являются методы обработки сигналов, например методы временной области, методы частотной области, методы частотно-временной области и другие методы обработки сигналов.Методы обработки сигналов во временной области, такие как статистические индикаторы и синхронное по времени усреднение, относительно просты и понятны по сравнению с другими методами. Методика оценки средней во временной области вибрации зубчатого зацепления отдельных планетарных шестерен и солнечной шестерни была продемонстрирована в [9]. Два специальных диагностических параметра во временной области для обнаружения неисправностей планетарного редуктора были изучены в [10]. В частотной области был исследован ряд Фурье данных о вибрации планетарного редуктора, а источник явления асимметрии в частотных спектрах был проанализирован в [1].Дополнительные боковые полосы в частотных спектрах, создаваемые модуляциями крутящего момента водила планетарной передачи, потенциально маскирующими боковые полосы неисправности в планетарных редукторах, были исследованы, а метод частотной области для устранения эффектов изменений амплитуды, вызванных структурными траекториями, был представлен в [11]. Методы частотно-временной области, такие как распределение Вигнера-Вилля и вейвлеты, разработаны для диагностики планетарных редукторов. Распределение Вигнера-Вилля моделируемых сигналов режимов неисправности в планетарных редукторах изучалось в [12].В [13] для извлечения импульсных характеристик планетарного редуктора был применен метод, основанный на адаптивных вейвлетах Морле и разложении по сингулярным значениям. В [14] проиллюстрирован спектральный эксцесс для обнаружения трещины зуба на кольце планетарного редуктора ветряной турбины. Циклостационарные свойства сигналов вибрации планетарного редуктора были исследованы, и в [15] была разработана диагностика неисправностей на основе карты спектральной когерентности. Эти литературные источники продемонстрировали различные эффекты методов обработки сигналов.Методы временной и частотной области просто отображают один аспект сигнала. Характеристики во временной и частотной областях не могут быть построены одновременно. Методы частотно-временной области, как правило, намного более эффективны, чем два других. Но лучше комбинировать их с другими методами для реализации демодуляции и шумоподавления.

Вибрационные сигналы механических систем, особенно неисправных, часто показывают мутацию, нелинейность и нестационарность [16]. С развитием нелинейных динамических теорий ряд нелинейных параметров и методов был применен для мониторинга состояния машин и диагностики неисправностей [17–19].Обучение манифольда особенно принято для реализации уменьшения нелинейной размерности для выявления нелинейных внутренних характеристик сигнала вибрации. Техника обработки сигналов и метод многостороннего обучения объединены для усиления неисправностей вращающейся машины и уменьшения воздействия шума [20]. Алгоритм обучения многообразию на частотно-временных распределениях или распределениях шкалы времени сгенерировал множество сигнатур неисправности для усиления нелинейных составляющих, вызванных неисправностью, и подавления внутриполосного шума в [21–23].

В планетарной коробке передач вибрационные сигналы от нескольких планетарных шестерен могут сочетаться друг с другом, что приводит к нейтрализации и аннулированию неисправных компонентов [24]. Сигнал вибрации загрязнен фоновым шумом, особенно в практических промышленных приложениях. Здесь, чтобы выделить признак неисправности планетарной передачи из зашумленного вибрационного сигнала, исследуется методика, реализующая развязку, демодуляцию и шумоподавление. Из-за способности демодуляции огибающей вейвлета и способности шумоподавления обучения коллектора [20, 25], эти методы объединены для достижения демодуляции и уменьшения шума вибрационного сигнала планетарной передачи одновременно в этой статье.

Остальная часть статьи организована следующим образом. Во втором разделе представлен метод демодуляции коллектора вейвлет-огибающей для диагностики неисправностей планетарного редуктора. Затем в третьем разделе изучаются модели колебаний и эксперименты по моделированию планетарного редуктора в неисправном состоянии. В четвертом разделе анализируются практические сигналы вибрации от планетарного редуктора, подтверждающие эффективность предложенного метода. Заключения окончательно представлены в пятом разделе.

2. Принцип и методология

2.1. Основы методологии

При диагностике неисправностей планетарных шестерен акселерометры закрепляются на корпусе коробки передач для сбора сигналов вибрации. Относительные местоположения зацепления «Солнце-планета» и «Планета-кольцо» относительно акселерометров меняются во времени, что приводит к эффекту амплитудной модуляции (AM) на сигнал вибрации зацепления. Изменение во времени жесткости зацепления или погрешности планетарной передачи также вызывают частотную модуляцию (FM) сигнала вибрации зацепления.Повреждение шестерни генерирует как AM, так и FM сигнала вибрации зацепления. Эти эффекты увеличивают сложность сигнала. Кроме того, существует случайный фоновый шум в каждой полосе частот для практической диагностики неисправностей планетарного редуктора в промышленных областях. Шум может испортить сигнал на частоте зацепления. Таким образом, извлечение сигнала зацепления, снижение шума в полосе частот зацепления и демодуляция сигнала вибрации зацепления являются критическими проблемами для диагностики неисправностей планетарного редуктора.

Огибающий анализ резонанса — мощный инструмент для демодуляции сигнала вращающейся машины. Традиционно для предварительной обработки сигнала вибрации используется фильтр с резонансной частотой и определенной полосой пропускания, а затем огибающая резонанса выводится с помощью преобразования Гильберта. Здесь предлагается синтетическая методология, которая сочетает в себе комплексное вейвлет-преобразование, метод обучения множеству и спектральный анализ для демодуляции и снижения уровня шума зацепляющегося вибрационного сигнала планетарных шестерен.Методология показана на рисунке 1. Сначала используется непрерывное вейвлет-преобразование (CWT) со сложной базой вейвлета Морле для демодуляции сигнала вибрации по масштабам для получения огибающих вейвлетов. Затем создается индикатор, чувствительный к вибрации при зацеплении, чтобы выбрать конкретную полосу шкалы, которая соответствует полосе частот зацепления. Первые два шага извлекают огибающую и отфильтровывают шум вне полосы частот зацепления. В-третьих, вводится алгоритм обучения коллектора, чтобы извлечь коллектор огибающей из огибающих вейвлета в выбранных масштабах, чтобы уменьшить внутриполосный шумовой эффект и выявить структуру огибающей входящего в зацепление сигнала вибрации.Наконец, характерная частота неисправности обнаруживается с помощью анализа частотной спектрограммы.

2.2. Комплексное огибающее вейвлета

Хорошо известно, что вейвлет-преобразование может разложить сигнал на масштабную плоскость [25]. Вейвлет-преобразование сигнала равно набору полосовых фильтров с определенными частотами, соответствующими масштабам. Непрерывное вейвлет-преобразование (CWT) определяется как свертка сигнала с комплексно сопряженным набором вейвлетов.Здесь применяется комплексный вейвлет. Комплексный вейвлет обладает аналитическим свойством. Он определяется как где и представляет действительную и мнимую части комплексного вейвлета и является преобразованием Гильберта. Обычно комплексный вейвлет Морле используется в качестве базового вейвлета для сигнала вибрации вращающейся машины. Комплексный вейвлет Морле определяется как где — параметр ширины полосы, а — центральная частота вейвлета. Здесь оптимизация параметров вейвлета Морле не является предметом исследования данной статьи.Устанавливаются параметры, с помощью которых могут быть достигнуты удовлетворительные результаты. Базовый вейвлет с определенным масштабом используется для извлечения частотной составляющей в сигнале. Отношение можно записать как где — период выборки. По формуле (3) частоту зацепления планетарных шестерен можно оценить по специальному индикатору на шкале. Вейвлет-преобразование сигнала на основе комплексного вейвлета может быть записано как

В соответствии со свойством преобразования Гильберта огибающая сигнала в масштабе может быть вычислена из модуля коэффициентов вейвлета как

Посредством комплексного вейвлет-преобразования и масштабной полосы выбор, полосовая фильтрация и огибающая могут выполняться одновременно.

2.3. Выбор диапазона шкалы сетки

В методике огибающей диагностики неисправностей вращающейся машины критической проблемой является оценка резонансной частоты конструкции. В современной литературе для определения резонансных режимов применялись разные индикаторы. Спектральный эксцесс (СК) — эффективная мера для оценки резонансной частоты импульсных составляющих в вибрационном сигнале [26–29]. Индекс гладкости (SI), определяемый как отношение среднего арифметического к среднему геометрическому, также используется для измерения импульсивности спектра мощности вейвлет-коэффициента на каждом масштабе в [30].После комплексной вейвлет-фильтрации и огибающей энергия огибающей вибрационного сигнала концентрировалась в полосе частот зацепления больше, чем в другой полосе. Средняя энергия огибающей может быть принята в качестве индикатора для выбора диапазона шкалы сетки. Для огибающей вейвлета сигнала средняя энергия (ME) огибающей вейвлета в масштабе определяется как где — комплексное сопряжение и — количество точек выборки. Когда ME, SK и SI в частотной области рассматриваются как индикаторы для выбора подходящего масштаба для частоты создания сетки при моделировании данных и практических экспериментах, выясняется, что ME наиболее подходит для выбора шкалы, соответствующей частоте сетки. .

Шкала, соответствующая глобальному максимуму индикатора, определяется как центральная шкала, которая используется для оценки центральной частоты зацепления планетарной передачи. Огибающие вейвлетов в полосе масштабирования сетки, которые создают многомерное пространство данных, содержат информацию о неисправностях в полосе частот сетки. Полоса шкалы сетки может быть разделена на левый предел и правый предел вокруг центральной шкалы. Левую границу и правую границу можно определить по уменьшению значения индикатора до максимального значения индикатора на центральной шкале.Таким образом, полоса шкалы для полосы частот зацепления может быть определена как.

Вызванные неисправностями воздействия, модулирующие частоту зацепления, образуют структуру коллектора, встроенную в огибающие вейвлета в этом диапазоне масштабов. Также есть еще один фоновый шум в полосе частот зацепления. Внутриполосный шум повредит структуру встроенного коллектора. Здесь применяется многостороннее обучение, чтобы сохранить коллектор огибающей для воздействий короткого замыкания, не допуская при этом внутриполосного шума. А пространство данных с размером n (где — индекс и — индекс) может быть уменьшено до размера м посредством нелинейного уменьшения размерности для последующей обработки.

2.4. Обучение многообразию

Существует несколько алгоритмов обучения многообразию. Впервые были предложены методы Isomap и локально линейного вложения (LLE). Isomap — это глобальный метод, поскольку его внедрение основано на геодезических расстояниях между всеми парами точек, в то время как LLE является локальным методом, поскольку его внедрение основано на отношении каждой точки данных к ее соседним точкам [31, 32]. Были введены собственные карты лапласа, собственные карты Гессе, локальное выравнивание касательных, карта диффузии и несколько других методов.

Локальный подход в вычислительном отношении более эффективен, чем глобальный подход, поскольку первый использует разреженные матрицы и более широко применим к различным типам многообразий. Собственная карта Лапласа, которая является типичным локальным подходом, применяется для извлечения структуры коллектора из огибающих вейвлета в полосе частот зацепления планетарной передачи из-за ее эффективности и устойчивости к шуму [33].

Методология алгоритма лапласовской карты собственных значений состоит из трех шагов: (1) построение графа ближайшего соседа по набору точек выборки; (2) аппроксимировать геометрию локального многообразия в окрестности каждой точки выборки; (3) минимизировать глобальную функцию ошибок, чтобы получить глобальное вложение [34].

Здесь количество ближайшего соседа установлено как, уменьшенное измерение установлено как, и данные первого измерения берутся в качестве сигнала для следующего шага анализа частотной спектрограммы для выделения частоты характеристики неисправности из-за его минимальной ошибки восстановления.

3. Анализ симулированных сигналов

3.1. Моделирование неисправной планетарной шестерни

Планетарные шестерни входят в зацепление с коронной шестерней и солнечной шестерней одновременно. При неисправности планетарной передачи положение зацепления неисправного зуба и сопряженной шестерни изменяется в зависимости от вращения водила планетарной передачи.Таким образом, это изменяет путь передачи сигнала вибрации неисправного зуба на датчик и создает дополнительный AM-эффект на сигнал вибрации зацепления. Амплитуды колебаний зацепления, измеренные датчиком, синхронно модулируются неисправным зубцом и изменяющимся распространением [8]. Здесь проводится анализ неисправной планетарной передачи. Неисправный сигнал вибрации планетарной шестерни может быть записан следующим образом: где — сигнал вибрации во временной области, — частота вращения водила планетарной передачи, которая представляет модуляцию распространения, — частота вращения планетарной шестерни, которая представляет неисправную модуляцию планетарной шестерни, — частота зацепления, и,, и являются начальные фазы AM, FM и сетки соответственно.« — амплитуды модуляции. После амплитудной демодуляции огибающая зацепляющегося вибрационного сигнала составляет

Таким образом, амплитудный спектр огибающей составляет

Параметры моделирования планетарного редуктора показаны в таблице 1. Для сравнения диаграмма во временной области и частотная спектрограмма приняты для анализа. сначала сигналы вибрации. Затем используется демодуляция коллектора огибающей, чтобы проиллюстрировать преимущество этого метода.

Смоделированный сигнал вибрации во временной области показан на рисунке 2 (а). Частотная спектрограмма сигнала показана на рисунке 2 (б).Частота зацепления 437,5 Гц и боковая полоса видны на спектрограмме. Не очень понятно, как определить частоту вращения водила планетарной передачи и частоту вращения планетарной шестерни.

(а) Диаграмма во временной области
(б) Частотная спектрограмма
(а) Диаграмма во временной области
(б) Частотная спектрограмма

При демодуляции коллекторной огибающей серия шкалы вейвлета от 1 до 30 выбраны, чтобы покрыть частоту зацепления всех планетарных шестерен.В экспериментах с данными используется приращение 0,1 для масштаба. Огибающие вейвлетов показаны на рисунке 3. Более светлый цвет на графике показывает большие огибающие вейвлетов. Таким образом, область, обведенная эллипсом, соответствует наибольшим огибающим вейвлета. Частота зацепления, вычисленная по формуле (3), является центральной частотой обведенной области.

Средняя энергия (ME), индекс гладкости (SI) и спектральный эксцесс (SK) огибающей вейвлета используются для выбора надлежащего индикатора частоты зацепления для сравнения.Индикаторы ME, SI и SK показаны на рисунках 4 (a), 4 (b) и 4 (c). Центральная шкала соответственно 22,8, 22,2 и 29,0 по шкале ME, SI и SK. Соответствующая частота соответственно составляет 438,5 Гц, 450,5 Гц и 344,8 Гц. Результат ME наиболее близок к полосе частот объединения, которая обведена эллипсом на рисунке 3. Индикатор ME является наиболее точным для выбора полосы частот объединения.

Огибающая вейвлета в центральной шкале показана на рисунке 5 (a), а спектр мощности огибающей вейвлета показан на рисунке 5 (b).Характерные частоты спектра мощности: 4,89 Гц, 9,78 Гц, 14,66 Гц и 19,55 Гц, соответствующие,, и. Характерная частота неисправной планетарной передачи четко видна на спектрограмме вейвлет-огибающей, поскольку внутриполосные шумовые помехи отсутствуют. Доказано, что огибающая вейвлета способна демодулировать сигнал вибрации планетарной шестерни.

(а) Огибающая вейвлета
(б) Частотная спектрограмма огибающей
(а) Огибающая вейвлета
(б) Частотная спектрограмма огибающей

3.2. Моделирование загрязненного сигнала

Для имитации загрязнения внутриполосным шумом случайный фоновый шум добавляется к смоделированному сигналу неисправной модели планетарного редуктора для генерации загрязненного сигнала до SNR = -10 дБ. Между тем, частота зацепления переключается с 437,5 Гц на 492,0 Гц, что свидетельствует о точности выбора частоты зацепления МЭ.

Для сравнения используются методы амплитудной демодуляции, основанные на разложении по эмпирическим модам (EMD) и преобразовании Гильберта, чтобы сначала выявить характеристическую частоту планетарных шестерен.Хорошо известно, что эти методы позволяют демодулировать сигнал, когда он не сильно загрязнен шумом [35, 36]. Но когда к сигналу добавляется случайный фоновый шум, демодулирующая способность этих методов резко снижается. Когда сигнал загрязнен шумом с SNR = −6 дБ, результаты анализа EMD показаны на рисунках 6 (a) и 6 (b). Характерная частота неисправности на спектрограмме не очень четкая.

(a) Функция внутренней моды (IMF) разложения EMD
(b) Частотная спектрограмма IMF
(a) Функция внутренней моды (IMF) разложения EMD
(b) Частотная спектрограмма IMF

Когда сигнал загрязнен шумом с SNR = -8 дБ, огибающая и частотная спектрограмма преобразования Гильберта после фильтрации показаны на рисунках 7 (a) и 7 (b).Характеристическую частоту повреждения нельзя увидеть в спектре огибающей.

(a) Огибающая во временной области
(b) Частотная спектрограмма огибающей
(a) Огибающая во временной области
(b) Частотная спектрограмма огибающей

В этих методах, EMD можно рассматривать как процесс полосового фильтра, а полосовой фильтр применяется до преобразования Гильберта. Шум вне полосы частот зацепления отфильтровывается.Но внутриполосный шум искажает исходный сигнал вибрации, в результате чего искаженная характеристическая частота становится невидимой.

Когда сигнал загрязнен шумом с SNR = -10 дБ, огибающие вейвлета могут быть показаны на рисунке 8 (a). Шумовое загрязнение настолько велико, что исходный сигнал невозможно распознать. ME как индикатор показан на Рисунке 8 (b). Центральная шкала 20,3 согласно ME — это центральная частота 492,6 Гц. Результаты показывают, что индикатор ME точен и устойчив к шуму до SNR = −10 дБ.После обучения многообразия огибающая вейвлета и спектр мощности показаны на рисунках 8 (c) и 8 (d). Все характерные частоты можно увидеть на спектрограмме огибающего коллектора. Эти эксперименты с данными полностью демонстрируют превосходство метода демодуляции коллекторной огибающей.

4. Экспериментальный анализ сигналов

4.1. План эксперимента

В этом разделе изучаются примеры практических экспериментов для проверки эффективности методологии демодуляции огибающей многообразия.Стенд для испытания планетарного редуктора показан на рисунке 9. Планетарный редуктор в редукторе показан на рисунке 10. Двигатель через муфту приводит в движение входной вал планетарного редуктора. Входной вал соединен с солнечной шестерней, коронная шестерня остановлена, а водило планетарной передачи соединено с выходным валом, который приводит в движение другие редукторы нагрузки и двигатель нагрузки. Скорость вращения первичного вала планетарного редуктора измеряется тахометром. Сигналы вибрации собираются акселерометром, установленным на планетарной коробке передач.Экспериментальные планетарные шестерни показаны на рисунке 11. Параметры планетарного редуктора приведены в таблице 2.