Типы передач: конструкции, применение и интеграция робототехники

Со времен промышленной революции производились передовые машины. Шестерни являются основой этих машин. Они являются источником передачи мощности в этих машинах. От часов до самолета или космического челнока шестерни играют важную роль в точности работы. Исследования показывают, что 90% всех машин используют шестерни для надлежащего функционирования. В этой статье представлено полное руководство по этим шестерням, их типам и их применению, а также обсуждается, как они произвели революцию в интеграции робототехники. Давайте определим, что такое шестерни и как они в основе своей передают мощность.

Что такое шестерни? Основы передачи мощности

Шестерни — это зубчатые колеса, которые передают движение и силу между валами. Они играют основополагающую роль в передаче мощности, поскольку контролируют скорость, крутящий момент и направление. Их роль сделала их жизненно важным компонентом от велосипеда до космического корабля.

Объяснение терминологии передач:

Ниже приведены основные термины, используемые в передаче:

• Pitch

Шаг означает расстояние между двумя зубьями.

• Модули

Метрическая мера размера зуба

• Угол давления

Это угол между поверхностью зуба и касательной шестерни. Обычно он остается в среднем 20° или 14.5°

Как работают шестерни?

В этом разделе мы рассмотрим, как работает шестерня. Шестерни передают мощность на валы, обеспечивая при этом следующие ключевые функции.

Умножение крутящего момента

Умножение крутящего момента означает, что когда две шестерни приводят в движение большую, выходной крутящий момент увеличивается.

• Формула

Выходной крутящий момент = Входной крутящий момент × (зубья ведомой шестерни / зубья ведущей шестерни)

Снижение скорости

При увеличении крутящего момента по мере увеличения выходного крутящего момента общая скорость снижается.

• Формула

Выходная скорость = Входная скорость × (зубья на ведущей шестерне / зубья на ведомой шестерне)

Объяснение геометрии зубьев шестерен

Геометрия шестерни является основой того, как шестерня будет работать, и означает плавную передачу мощности. Распространенные профили — эвольвентный и циклоидальный. Давайте разберемся в них:

Эвольвентные зубья

Он имеет изогнутую форму, которая получается путем разматывания нити с базового круга.

• Почему 90% зубчатых передач имеют эвольвентные зубья?

Существует пять причин, по которым 90% зубчатых передач имеют эвольвентную геометрию.

1. Коэффициенты постоянной скорости
2. Более легкое изготовление
3. Износостойкость
4. Нулевой люфт
5. Отказоустойчивость

Циклоидальные зубья

Форма: остроконечная, образованная в результате качения окружностей по начальной окружности.

Они считаются лучшими для высоких ударных нагрузок.

Ключевые компоненты:

Теперь мы кратко обсудим некоторые ключевые компоненты Gear.

хаб

Центральная точка крепления

Почка

Наружное зубчатое кольцо

Соединения валов

Передача мощности другим компонентам

Зубы

Определяет эффективность зацепления

Типы зубчатых передач по осевому направлению

Давайте рассмотрим некоторые типы зубчатых передач по осевому направлению:

Параллельные осевые шестерни

• В этих передачах валы движутся параллельно друг другу.
• Основные типы включают в себя Прямозубые шестерни, косозубые шестерни, двойные косозубые шестерни
• Параллельно-осевые передачи обеспечивают высокую эффективность и лучше всего подходят для применений с постоянной скоростью.
• Применение: коробки передач, машины

Пересекающиеся осевые шестерни

• Валы встречаются под углом, часто это 90 градусов.
• Основные типы этого типа передач: Прямые Конические шестерни, спиральные конические шестерни, гипоидные шестерни
• Эти передачи могут эффективно изменять направление мощности.
• Может снижать уровень шума в автомобильной промышленности.

Непараллельные/непересекающиеся шестерни

• В этих передачах валы не пересекаются и не движутся в параллельном направлении.
• Основные типы — червячные передачи и косозубые передачи.
• Лучше всего подходит для экстремального снижения скорости.
• Компактный дизайн для ограниченного пространства
• Самый распространенный пример — лифт.

7 основных типов зубчатых передач и их механика

В этом разделе мы рассмотрим 7 типов передач и их механику:

Прямозубые зубчатые передачи: простота и высокая эффективность

• Форма и структура

Прямые зубья, параллельные валу

Цилиндрическая форма с наружным или внутренним стальным профилем

• Принцип работы

Зубья полностью входят в зацепление сразу, передавая мощность без осевого усилия.

• Производительность и приложения

Обеспечивает эффективность передачи энергии 90–95%.

Применение: конвейеры, шестеренчатые насосы.

Внешние и внутренние цилиндрические зубчатые колеса

Вот краткая разница между внешними и внутренними цилиндрическими зубчатыми колесами, приведенная в следующей таблице:

Косозубые передачи: бесшумная работа и высокая грузоподъемность

• Форма и структура

Структура представляет собой угловатые зубы, но форма цилиндрическая, но длиннее шпор.

• Принцип работы

Зубья входят в зацепление медленно и создают осевое усилие.

• Производительность и приложения

Выдерживает более высокие нагрузки

Пониженный уровень шума, лучше всего подходит для автомобильных трансмиссий

Одинарная и двойная спиральная (елочная) конструкция

Конические шестерни: угловая передача мощности

• Форма и структура

Его форма коническая, зубья срезаны под углом, валы пересекаются.

• Принцип работы

Передает мощность между непараллельными валами

• Производительность и приложения

Более высокий крутящий момент, плавная работа, снижение шума

используется в несущих конструкциях, в аэрокосмической промышленности

Прямые, спиральные и гипоидные конические шестерни

Червячные передачи: компактные передаточные числа и самоблокировка

• Форма и структура

Валы непараллельны

Форма: червяк (винт) + червячное колесо (шестерня)

• Принцип работы

Нити червяка скользят по зубьям колеса

• Производительность и приложения

С автоматической блокировкой

Используется в конвейерных тормозах.

Реечная передача: преобразование вращательного движения в поступательное

• Форма и структура

Шестерня (круглая шестерня) + Рейка (плоская, зубчатая)

• Принцип работы

Шестерня вращается, что линейно перемещает рейку.

• Производительность и приложения

Обеспечивает точное линейное движение и используется в станках с ЧПУ, системах рулевого управления.

Планетарные передачи: точность и плотность крутящего момента

• Форма и структура

Солнечная шестерня (в центре) + Планетарная шестерня (вращающаяся) + Коронная шестерня (внешняя)

• Принцип работы

Имеется несколько точек контакта, которые равномерно распределяют нагрузку.

• Производительность и приложения

Обеспечивает высокий крутящий момент в небольших помещениях и используется в робототехнике, ветряных турбинах.

Шлицевые передачи: многошпоночные соединения валов

• Форма и структура

Продольные зубья на валах/ступицах

• Принцип работы

Множество зубьев равномерно распределяют крутящий момент

• Производительность и приложения

Обеспечивают скользящие соединения и используются в тракторах и самолетах.

Усовершенствованные типы передач для специализированных применений

Специализированные приложения включают аэрокосмическую и робототехническую отрасли. Структура этих приложений сложна и использует тщательно разработанные передовые зубчатые передачи. Давайте рассмотрим некоторые передовые типы зубчатых передач в этом разделе.

Гармонические приводы (робототехника и аэрокосмическая техника)

Эти передачи также известны как зубчатые передачи с волновым зацеплением. Они используют гибкий шлиц, деформированный генератором эллиптических волн, для зацепления с жестким круговым шлицем.

Свойства этих передач следующие:

1. Нулевой люфт => критично для роботизированных рук
2. Компактный и легкий
3. Высокая точность, используемая в хирургических роботах

Области применения

Промышленные роботы, такие как Fanuc, Kuka arm

Разработка спутниковых солнечных батарей

Магнитные передачи: бесконтактная передача крутящего момента

Магнитные передачи работают с использованием постоянных магнитов, расположенных в полюсных наконечниках, для передачи крутящего момента без физического контакта. Существует несколько инструментов, т. е. внешний ротор, внутренний ротор и стационарный модуль, которые управляют магнитным потоком.

Они полезны по следующим причинам:

Необслуживаемые шестерни

Бесшумная работа

Защита от перегрузки

Области применения

1. Ветротурбины
2. Трансмиссия электромобиля

Некруглые шестерни

Как они работают:

• Характеристикаовальные, треугольные или нестандартной формыкривые тона вместо окружностей
• Преобразовать постоянную входную скорость впрограммируемое выходное движение

Ключевые свойства:

• Модуляция скорости: Выходная частота вращения меняется в зависимости от оборота
• Механическое программирование: замена кулачковых систем в упаковочных машинах

Следующая таблица представляет собой резюме вышеизложенного обсуждения:

Типы конструкций зубьев шестерен и их влияние

Типы зубьев влияют на производительность, срок службы, эффективность и т. д. шестерни. В этом разделе мы обсудим типы конструкций зубьев шестерен и их влияние на производительность этих шестерен.

Сравнение профилей зубьев: шпора, спираль и криволинейный зуб

Зубья прямозубых шестерен

• Форма: прямая, параллельная оси шестерни

Примечательные свойства:

• Высокая эффективность (98-99%)
• Простое и экономичное производство

Считается, что он лучше всего подходит для низкоскоростных применений с высоким крутящим моментом, таких как конвейеры и механические трансмиссии.

Зубья косозубых шестерен

• Форма: угловатая, постепенно сужающаяся
• Свойства включают более тихую работу и более высокую грузоподъемность.
• Лучше всего подходит для промышленных насосов, автомобильных трансмиссий.

Зубья криволинейной шестерни

• Форма: Изогнутый профиль с несколькими углами давления

Свойства:

• Более плавное создание сетки
• Может лучше справляться с несоосностью

Этот тип зубьев шестерен лучше всего подходит для высокоточных редукторов в аэрокосмической отрасли.

Шлифование зубьев шестерен или зубофрезерование: что лучше?

Червячная обработка — более быстрый процесс, но на поверхности остаются микрозаусенцы, тогда как шлифование позволяет достичь чистоты поверхности Ra 0.2 мкм.

Стратегии контроля за люфтом

Люфт — это проблема, которая возникает между зубьями, входящими в зацепление. Он вызывает ошибки позиционирования и вибрации. Вот почему важно решать эту проблему. Ниже приведены некоторые стратегии решения этой проблемы:

• Изменение в дизайне
• Производственные исправления
• Корректировки обслуживания

Лучшие материалы для различных типов передач

Выбор неподходящих материалов для типов передач влияет на механические свойства и, следовательно, на производительность этой передачи. Давайте посмотрим, какие материалы считаются лучшими для типов передач и почему в этом разделе.

Стальные сплавы: прочность против веса

В этой таблице вы можете увидеть различные стальные сплавы, которые используются для типов передач. Сталь отличается высокой грузоподъемностью, то есть крутящий момент 500+ Нм, но она тяжелая.

Пластики и композиты: тихие и легкие решения

Пластики и композиты имеют небольшой вес и используются в областях, где важны шумовые характеристики.

Новые материалы: углеродное волокно и шестерни, напечатанные на 3D-принтере

Углеродное волокно и 3D-печатные шестерни — это новые материалы в области шестерен. Это специализированные материалы, которые используются для прототипирования и экстремальных условий.

Зубчатые передачи в робототехнике: требования к точности и тенденции

Робототехника — это новая технология, в которой производятся роботы. Эти роботы требуют от шестеренок предельной точности и надежности. Вот как шестерёнка отвечает требованиям робота.

Коботы против промышленных роботов: характеристики оборудования

В следующей таблице мы привели в пример два типа роботов, а затем указали требования к оборудованию:

Миниатюрные шестерни для хирургических и микророботов

Зубья этих шестерен очень малы, то есть меньше человеческого волоса, что составляет модуль шестерен 0.1–0.5 мм.

Для удовлетворения таких требований потенциально могут использоваться следующие материалы:

1. Нержавеющая сталь
2. PEEK
3. Керамический гранулированный песок для гидроразрыва

Противолюфтовая конструкция для точности позиционирования

Во-первых, нам нужно знать, что такое люфт. Это люфт между зубьями зацепления, который вызывает позиционные ошибки. Для конструкций с антилюфтом в конструкции есть следующие изменения:

1. Предварительно нагруженные двойные шестерни
2. Гибкие шлицы
3. Материалы, устойчивые к кручению

Рекомендации по проектированию зубчатых передач для инженеров

Чтобы добиться высокой эффективности зубчатых передач, инженеры должны понимать следующие концепции, связанные с конструированием:

Как рассчитать грузоподъемность редуктора (стандарты AGMA)?

• Сначала определите основные вещи

Модули

Количество зубов

Ширина лица

• Рассчитать изгибающее напряжение
• Рассчитать контактное напряжение
• Сравните с имеющимися напряжениями AGMA

Как выбрать смазку для высоконагруженных передач?

Смазка для высоконагруженных передач выбирается в зависимости от области применения. Например, EP Gear Oil для промышленных применений с высоким крутящим моментом.

Как уменьшить шум шестерен в прецизионных системах?

Вот некоторые передовые методы снижения шума в прецизионных системах:

1. Оптимизация профиля зуба
2. Демпфирование материала
3. Коррекция микрогеометрии

Почему изготовленные на заказ шестерни такие дорогие и их так трудно найти?

Изготовленные на заказ шестерни дороги и их трудно найти из-за сложности их изготовления. Их конструкции сложны, и для их производства требуются соответствующие передовые машины.

Почему «стандартные» передачи не соответствуют современным потребностям?

Причин много, например:

1. Легкость — основное требование в транспортной отрасли. Стандартные шестерни не легкие, поэтому они не подходят.
2. Стандартные шестерни не используют современные материалы
3. Геометрия этих шестерен непригодна для использования в современных машинах.

Почему шестерни мелкосерийного производства стоят дороже?

Из-за мелкосерийного производства шестерни стоят дороже. Например, см. следующую таблицу:

Альтернативы: модульные комплекты против 3D-печати

Модульные комплекты передач представляют собой готовые зубчатые модули, которые на 50% дешевле изготовленных на заказ шестерен.

3D-печать использует передовые материалы, такие как SLS Nylon, для производства шестеренок, а также может использоваться для сложных геометрий. Стоимость инструмента составляет 0/день.

Заключение

В этой статье мы обсудили шестерни, их типы, конструкции зубьев и т. д. Мы можем сделать вывод, что шестерни являются важными компонентами любой машины, от велосипедов до самолетов. Шестерни являются специализированными инструментами для передачи мощности, но они также вносят вклад в проектирование роботов. Многие передовые материалы, такие как композиты, и передовые технологии, такие как 3D-печать, используются в робототехнике для производства специализированных передач.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Каковы три способа использования шестеренок?

1. Регулировка скорости
2. Умножение крутящего момента
3. Изменение направления движения

Какой тип передач наиболее распространён?

Конструкция прямозубых зубчатых передач проста, но они эффективны в работе, поэтому прямозубые зубчатые передачи являются наиболее распространенным типом передач.