准备gydF4y2Ba

齿轮箱是运动控制系统的主要部件。它们可以将转速转化为输送带移动沉重箱子的动力，或者将风力涡轮机的扭矩转化为足够的速度来驱动发电机。它们可以完全改变运动方向。这项技术是强大的，有足够的选择来满足几乎任何场合——也就是说，如果使用得当的话。让我们来看看当今市场上的一些选择和一些需要避免的陷阱。gydF4y2Ba

传动装置101gydF4y2Ba
齿轮箱是系统中把动力从一个元件传递到另一个元件的机械装置。通常，变速箱与电机集成，将电机的原始运动转换为应用所需的速度和扭矩。我们定义两个齿轮的传动比G为它们的直径比DgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba和DgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba：gydF4y2Ba

G = DgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/ DgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba

如果我们附加一个产生扭矩的电机gydF4y2BatgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba速度gydF4y2BawgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba，输出转矩gydF4y2BatgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和角速度gydF4y2BawgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba是由:gydF4y2Ba

tgydF4y2Ba_{２ ＝gydF4y2Ba}tgydF4y2Ba_我gydF4y2BaGgydF4y2Ba

wgydF4y2Ba_{２ ＝gydF4y2Ba}wgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba/ GgydF4y2Ba

换句话说，减速比大于1的齿轮箱输出扭矩增加，转速降低。gydF4y2Ba

变速箱的类型有很多种。我们可以根据齿的特性把齿轮分类。直齿圆柱齿轮具有与齿轮旋转轴平行的齿，往往产生滚动运动而不是滑动运动(见图1)。这种类型的齿轮是经济的，可以提供大量的动力。然而，啮合齿接触的表面积有限，这可能导致更快的磨损。当齿的直齿圆柱齿轮啮合，他们滑入地方全部一次超过牙齿的长度。这取决于齿轮是如何使用的，这可能会导致一些不均匀的运动。它也会引起反弹，本质上是在运动逆转时输入轴的运动和输出轴的运动之间的延迟。当重新建立接触时，两个啮合齿轮上的齿间的间隙引起的齿隙。gydF4y2Ba

斜齿轮具有相对于旋转轴倾斜的齿(见图2)。有角度的设计提供的齿的渐进式啮合产生更平滑的运动。与基本直齿圆柱齿轮相比，在任何时候接触的更大的表面积也增加了寿命，并可以减少齿隙。公司产品销售经理克里斯·鲍尔说:“直齿圆柱齿轮的齿接触总是1:1。gydF4y2BaLenze-AC技术gydF4y2Ba马萨诸塞州(中的)。而斜齿轮的扭矩为1:5 .5，因此扭矩可以增加10%到15%。”代价是更复杂的加工，因此，价格更高。gydF4y2Ba

为了有用，齿轮必须组合成齿轮组和齿轮箱。内嵌齿轮组的啮合平行于旋转轴。一套锥齿轮的接触通常是在一个45度角和重定向转动轴90度(见图3)。虽然牙齿可以垂直的方向,在直齿锥齿轮,一般他们更倾斜,如螺旋锥齿轮。角度面也可以弯曲，为螺旋或甚至准双曲面齿轮，结合滚动和滑动运动的高效率和低噪音。gydF4y2Ba

齿也可以像螺纹一样在圆柱体中螺旋旋转，形成一个蜗轮(见图4)。蜗轮通常提供滑动运动。它的效率非常低，但它可以承受大的负载，并为低性能的应用程序提供经济的解决方案。gydF4y2Ba

变速箱综述gydF4y2Ba
各种类型的单独齿轮可以组合在齿轮箱中。除了直线和锥面设计，还有行星齿轮箱，谐波齿轮箱和摆线齿轮箱。gydF4y2Ba

行星齿轮得名于中央齿轮(太阳)、轨道齿轮(行星)和外圈(环)的排列。由于齿数的界面，行星齿轮往往提供非常平滑，精确的运动与长寿命，低磨损，和极低的齿隙。他们也可以容纳非常大的负载和扭矩。gydF4y2Ba

缺点是，由于其复杂性，它们通常比其他替代品更大、更重，也比简单的直线齿轮或锥齿轮更昂贵。表面啮合的纯粹数量会降低效率。特别是在高扭矩的应用中，剪切力会导致对单个行星齿轮施加不均匀的压力，引发轴向偏差。这降低了效率，导致磨损，降低了使用寿命。gydF4y2Ba

解决这个问题的一个办法是用灵活的悬臂取代行星齿轮的固定轴承销，允许单个行星齿轮调整位置，以平衡负载(gydF4y2Ba点击这里gydF4y2BaFlexdrive动画视频由铁姆肯提供)。“由于该系统的灵活性，它确保了与齿轮的统一接触，因此不需要太宽，”Doug Lucas说，他是该公司风能业务部门的应用工程经理gydF4y2Ba铁姆肯公司有限公司gydF4y2Ba(广州,俄亥俄州)。“它可以更窄，因为你不需要考虑任何应力集中因素。”这就打开了小型化、轻量化行星齿轮箱的潜力。gydF4y2Ba

这种方法还有其他优点。各行星齿轮的转矩受负载分担系数K的影响gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba．顾名思义，KgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba描述变速箱上的扭矩是如何在各种行星齿轮之间共享的。传统的带有固定轴承销的行星设计倾向于由三个行星组成，因为这种结构产生了载荷分担系数KgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba＝gydF4y2Ba1gydF4y2Ba这表示负载是平均分配的。如果我们改变我们的配置gydF4y2BangydF4y2Ba= 7，配置变得不那么确定，用KgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba上升到1.4或1.5。柔性销钉方法降低了K值gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba开启了使用更大数量的行星齿轮来分配力和增加寿命和效率的可能性。卢卡斯说:“我们通过测试发现，在七颗行星上，我们能够将负载分担系数降至1.2。”“我们现在更能理解和预测负荷分担是如何通过系统的。”gydF4y2Ba

另一种选择是摆线针轮齿轮箱，它的特点是一对并排的椭圆形板封闭在一个环形齿轮。盘片沿摆线路径旋转，以便其中一个盘片始终与齿圈啮合(gydF4y2Ba点击这里gydF4y2Ba为摆线齿轮箱视频courtesy of Nabtesco运动控制)。因此，齿隙可以降低到1.5 arcmin。因为该设计有效地使用了变速箱的整个外壳设计，它减少了磨损，产生了2000小时的循环寿命。设计包括一个中央孔，允许电缆通过。gydF4y2Ba

为了获得最佳性能，工程师们采用了谐波变速箱。它们由三个嵌套元件组成:一个带有内齿的实心钢外圈，一个带有外齿且直径略小于外圈的柔性内圈，以及一个嵌套在内圈内的椭圆凸轮。凸轮是由轴驱动的。当它转动时，它使灵活的内环变形并旋转，使其围绕外环进动，在两点上齿始终保持接触(gydF4y2Ba点击这里gydF4y2Ba查看谐波齿轮箱提供的谐波驱动器)。gydF4y2Ba

该装置实现了小于1 arcmin的传输精度，具有高扭矩和±5 arcsec的重复性。它们轻便、紧凑、高效，同时提供高达320:1的减震比。这是要付出代价的，但对于要求苛刻的应用程序来说，这可能是值得的。gydF4y2Ba

与反弹gydF4y2Ba
所有的机械系统都在某种程度上受到所谓运动丢失的影响:输入轴或齿轮的旋转不转换为输出轴或齿轮的旋转。运动损失的原因包括迟滞，扭转弹性或刚度，和反弹。后者，正如前面提到的，作为一种不受欢迎的现象受到了不公平的批评。在现实中，如果齿轮传动系统没有某种程度的齿隙(啮合齿轮的齿间的某种间隙)，就不会有润滑的空间，齿轮传动系统就会卡住。每个变速箱都设计了后座力。当间隙干扰到应用程序所需的位置精度时，问题就出现了。gydF4y2Ba

“反作用是一个问题的部分原因是，人们试图使用连接到电机的输入编码器，以给他们的输出定位，”克莱德汉考克说，机电研究主任gydF4y2BaMicroMogydF4y2Ba(佛罗里达州克利尔沃特)。“如果你在系统中内置了反弹，你总是朝着一个方向走，这可能不会是一个问题。当你改变方向时，反弹就会被占据。你失去了一点准确性，因为现在你有一个运动的马达，而不是导致一个运动的输出。”gydF4y2Ba

对于许多应用来说，齿隙并不是一个严重的问题，部分原因是精度得到了提高，从相同的传动比效应，降低速度。例如，如果一个每转100线输入编码器的电机连接到10:1的齿轮箱，输出的分辨率实际上是1000:1。对于除了最苛刻的应用程序或减少比小于1的系统之外的所有应用程序，这通常就足够了。对于需要更好性能的系统，有许多选择。gydF4y2Ba

斜齿轮可以在一个经济的价格点提供合理的良好的齿隙性能。如果需要更好的性能，可以配置一对平行的直列直齿轮系，两者都连接到输出轴，以大大减少齿隙。本质上,一个小齿轮位于两个齿轮之间的火车,这是预紧,小齿轮的牙齿总是压反对齿轮的表面(见图5),如果小齿轮转向左边,它的牙齿是压在左边的轮系的牙齿。如果小齿轮向右转，它的齿再次紧紧地压在右侧齿轮系的齿上。gydF4y2Ba

当然，在现实世界中，没有什么是免费的。因为小齿轮在任何时候都与两个齿轮系接触，设计需要更多的电流来运行，如果应用程序必须由电池供电，这应该考虑。除了更大更重，这种类型的设计遭受增加的磨损，因为齿轮齿的不断接触;此外，磨损可能是不一致的，取决于运动倾向于涉及大齿轮的全部转数或只是小的增量。一旦发生磨损，“零间隙”效应就会打折扣。当然，这种退化是渐进的，而且只会随着时间和占空比的变化而表现出来，但用户应该意识到这个问题。gydF4y2Ba

另一种选择是转向一个更复杂的变速箱设计-行星，摆线，谐波。当然，代价就是代价。根据变速箱的设计，尺寸也是一个因素。对于不能容忍错误的应用程序，最好的解决方案是使用输出编码器来精确监控输出位置。gydF4y2Ba

大小齿轮箱gydF4y2Ba
现在我们已经回顾了变速箱的基础知识和新发展，让我们来解决最重要的部分:你如何选择变速箱和有什么陷阱?与大多数运动控制设计一样，你应该首先了解你的应用程序。你想要完成什么?你需要做得多好，你需要花多少钱?Ball说:“通常情况下，应用程序的大小取决于速度/扭矩。“在那之后，你必须研究应用程序，以确保电机和变速箱的尺寸合适。如果应用程序有严重的冲击负荷，某些运行方式，改变负荷，等等，变速箱需要超大，以确保你补偿。你希望你的传动装置能持续很长时间。”gydF4y2Ba

虽然变速箱可以显著增加扭矩，但它们只能做到这一步。重要的是要让电机提供足够的扭矩启动。负载和电机之间的惯性不匹配可能是一个问题，特别是在高加速度的情况下。如果你有非常快的启动和停止应用，每一点质量都起着很大的作用，从惯性上说。gydF4y2Ba

“我认为，人们试图使用100:1比例的非常小的电机，有时会导致糟糕的情况，”Mike Anselmo说gydF4y2Ba威腾斯坦公司。gydF4y2Ba(Bartlett,伊利诺斯州)。“变速箱运转需要一定的扭矩——内摩擦、密封、油搅动、轴承等。我们称之为空载运行扭矩。有时，我们的用户甚至不能转动变速箱，因为他们的电机太小了，所有的扭矩都被用在了转动变速箱上，没有一个用于应用。”gydF4y2Ba

过高的惯性不匹配，你不能转动你的变速箱或控制伺服轴正确。太低，你就不能充分利用电机，这意味着电机现在是系统中最大的负荷，你要花费大部分的能量来加速它。安塞尔莫的建议是从头开始工作。他说:“从负载和所有的机械装置开始，然后加上发动机。”“这样你就知道你要处理的是什么，因为如果你不包括额外的机制(机械组件，确实有效率低下或损失)，你可能会遇到我们刚刚谈到的情况。”gydF4y2Ba

负载有助于确定变速箱大小，但你也需要考虑负载的位置。公司的销售工程师Jim Gruszczynski表示:“如果你的重心保持了良好的平衡，产品的整体寿命肯定会更长。gydF4y2BaNabtesco运动控制公司gydF4y2Ba(诺维,密歇根州)。根据负载的不同，将重心偏移几英寸就会产生很大的不同。“我们可以说我们的变速箱可以承受27000磅的重量，但如果你再加一个4英寸的。抵消，现在我们必须回去计算输出轴承的质量，以确保没有额外的径向力，这会导致轴承失效。”gydF4y2Ba

性能并不是唯一的考虑因素。解决方案必须适合您的可用空间，特别是如果它是一个翻新，成本总是一个因素。最重要的是，您需要优先考虑您的需求。如果定价是最重要的，例如，一个正齿轮或蜗轮可能会起作用。如果扭矩更优先，也许斜齿轮是一个很好的适合。如果性能胜过一切，那么一个更复杂的变速箱设计是你最好的赌注。gydF4y2Ba

当然，最高精度的变速箱是无用的，如果它不是适当地集成到系统作为一个整体。Gruszczynski说:“当你装配一个精密变速箱时，你也应该做到高精度。”“如果一名技术人员在店里工作，但找不到合适的部件，他就会用木槌敲打或磨掉一些部件，这就有问题了。”gydF4y2Ba

有了一系列可用的变速箱技术，如果您花时间了解您的应用程序，并注意在使用变速箱时的缺陷，您的解决方案将是成功的。gydF4y2Ba