充分利用皮带和齿轮齿条驱动执行机构

该技术经济可靠，可以在长途旅行中提供惊人的速度和准确性。

在工程中，没有完美的解决方案，只有对手头应用的正确解决方案。然而，当涉及到高速和长距离的线性运动时，很少有解决方案像机架驱动器和皮带驱动器一样适合。当然，直线电机可以完成这项工作，但即使在稀土材料价格飙升之前，超过几米长的直线电机除了最苛刻的应用外，其他应用的成本都高得令人望而却步。滚珠丝杠驱动器提供了非常好的性能，但鞭子排除了他们的使用超过约3米，特别是在较高的速度。问题是许多工业应用需要30米或更多的运行。在这种应用中，齿条传动和皮带传动提供良好的性能，但只有当适当指定。在这里，我们强调为了设计一个能达到预期效果的系统，你需要知道什么。

在齿轮齿条执行器中，一个带齿的齿轮(小齿轮)沿着带齿的轨道(齿条)运动。齿条可以是静止的，齿轮可以随电机运动，或者电机静止，齿条可以随负载运动。理论上，齿轮齿条执行机构可以处理任何距离的行程。在现实中，实际的考虑施加了限制。机架需要适当的支撑和对齐，例如(见图1)。它不能有过多的运行。更重要的是，它不能出现倾斜(扭转)或偏航，这可能会导致车厢在旅行途中卡住。控制偏航在双机架设计中尤为重要。两个机架必须保持平行。

这是一项容易理解的技术，但关键在于细节。也许最大的错误是低估了将机架连接到表面所涉及的合规性。传动系统集团的销售总监乔治·拉布辛说:“不管你认为它有多僵硬，机架都是按你要螺栓固定的东西的形状来的。”“如果你把一个100美元/米的机架安装在沿着机器一侧的工字钢上，你的导轨就会与你的工字钢一致。工字钢有两种作用:偏航和上下运动。你必须把横梁磨成平面，否则就会有很多问题。”

齿轮齿条执行机构必须调整间隙。消除间隙的最佳设计特点是一对预加载0.5º至1º轴向相位不匹配的小齿轮，以保持它们相对于彼此的恒定张力。组装被压进齿条的齿，几乎完全消除了迟滞。

预加载齿轮齿条传动装置是一门艺术。如果它太低，齿条和齿轮的齿可能不能完全啮合在高速度的旅行，引入回隙。如果预紧力太高，在最好的情况下，它可能会使轴承受力过度，在最坏的情况下，齿条和/或小齿轮的齿可能会断裂。公司的首席工程师丹·卢茨说:“人们像拧紧车轮上的螺母一样拧紧它，直到它们断裂。项目北美(俄亥俄州阿克伦城)。“原始设备制造商需要意识到，必须正确设置预紧力，才能获得最大的使用寿命。”

重要的是要记住，这种技术将力传递到车厢。卢茨说:“你试着对它们施加一点力，让它们基本上保持嵌套。”“你可能只有几磅，但你的齿条和齿轮一起运动的力量实际上也会转化为这一点，所以你必须确保你的设计适合这一点。”

除了性能限制之外，成本总是一个因素。与任何类型的齿轮一样，这取决于实现。软切割钢机架为宽容应用提供了经济的解决方案。对于需要更好性能的情况，螺旋地齿条与角度小齿轮匹配可以提供非常高的精度，但成本可能超过一个数量级。在机架上添加线性轴承可以提高稳定性和性能，但同样也会增加价格，以及引入更多的维护任务和额外的故障点。

润滑在延长机组的使用寿命方面起着至关重要的作用，可将其提高40%。有各种各样的方法，从油滴到在车厢前后滑动的毡垫。为了避免吸引污垢和其他污染物，机架应该在可能的情况下倒置安装，或安装在机器表面之下。

金属对金属齿条驱动器的性质限制了速度。它还会导致磨损增加，从而缩短寿命。在高速、高重复率应用的情况下，更好的解决方案可能是皮带驱动驱动器。

皮带传动的好处
今天的皮带传动已经远远超越了旧版本，仅实现有限的精度和重复性，并需要不断维护以保持张力。现代皮带通过采用凯夫拉尔和金属等材料来保持外形。皮带和皮带轮上的精密切削齿提高了精度和可重复性(见图2)。因此，它们可以以10米/秒的速度运行，同时提供100微米或更好的精度。

为了提高性能，集成商应将皮带预加载到负载施加的110%的力。基本上，这个想法是预先将传送带拉伸几毫米每米。这确保了在操作过程中施加的载荷不会增加额外的应力。有了这样的张力，即使超过130英尺长，皮带驱动的驱动器也可以相当安静。应用程序例如，像龙门架一样，皮带传动提供了非常好的解决方案。

皮带尺寸是成功的关键。马达在短时间内超速运转而不造成灾难性的损坏是可能的。腰带可没那么宽容。皮带通常有一个工作额定值，然后是抗拉强度额定值。如果系统超过了皮带的抗拉强度，皮带就会被拉长，不能缩回。拉布辛说:“现在你已经把腰带拉得太长了，这会导致一系列其他问题。”“现在牙齿会开始脱落，因为它们没有在滑轮上啮合，所以皮带的尺寸非常关键。你必须明白发生了什么。”

随着时间的推移，一定的拉伸是不可避免的。对于像CNC加工这样需要定期归位的应用程序，这可能不是一个问题。不过，太松弛会导致皮带过度磨损。特别是在垂直轴的情况下，负载对顶部滑轮的一侧施加张力，而不是对另一侧施加张力。这可能会导致底部滑轮周围有大量的松弛，这可能是高速行驶时的一个问题。卢茨说:“如果没有适当地拉紧，底部会有很多松弛。”“传送带实际上可以穿过倒车装置，在上面打双环，然后就被扯下来了。”一般来说，皮带驱动执行机构不应用于垂直应用，至少不能没有内置的故障保险，涉及制动器和/或离合器。

这就引出了一个关键问题:精心设计。我们很容易陷入电机、驱动器和控制方案中，但为了获得最大的成功机会，设计团队需要从一开始就考虑执行器。仅仅知道中风是不够的。原始设备制造商不仅需要知道负载的数量，还需要知道所涉及的力的类型——是偏置负载，还是悬臂到一侧?是惯性载荷吗?与其从电机开始，然后对驱动器进行排序，最好的方法是以相反的顺序进行。卢茨说:“你必须弄清楚你的负荷，你要把它放在什么东西上，以及它要装什么东西。”“只有这样，你才应该决定你需要什么样的电机和变速箱。”从电机启动可能会导致应用程序的过度指定组件，这可能会增加成本，并在设计中产生连锁反应。“这可能会有成千上万美元的差异，因为设计可能会超出某些东西的极限，然后你需要跳到双线性电机或类似的东西。 Sometimes there’s not enough thought going on.”

要准备的问题包括支撑水平、运动方向、速度、加速度和轴承类型。不寻常的方向也会通过增加额外的压力来影响设计。从尽可能多的关于应用程序中负载的信息开始，并与供应商合作，以确保解决方案考虑到所有可能的问题。如果使用得当，皮带和齿条和小齿轮驱动执行器可以以令人满意的价格为一系列工业应用提供有效的解决方案。