Как выбрать правильное передаточное число: практическое руководство для инженеров и специалистов по закупкам

Передаточное число редуктора является наиболее влиятельной характеристикой при выборе мотор-редуктора или коробки передач. Он определяет выходную скорость, выходной крутящий момент и то, эффективно ли мощность двигателя преобразуется в механическое движение, необходимое для приложения. Неправильное передаточное число является одной из наиболее распространенных причин недостаточной производительности мотор-редуктора в полевых условиях: двигатель и редуктор могут быть идеально изготовлены и рассчитаны по мощности, но если передаточное число неправильное, выходной вал либо вращается слишком быстро, чтобы быть полезным, либо вращается слишком медленно, чтобы соответствовать требованиям времени цикла применения, и в любом случае крутящий момент на выходе либо слишком высок (растрачивается энергия), либо слишком низок (что приводит к остановке или перегрузке двигателя).

Для инженеров-конструкторов, определяющих системы привода, групп OEM-производителей, выбирающих стандартные мотор-редукторы, и групп по закупкам, работающих на основе инженерных спецификаций, понимание того, как определяется передаточное число, как рассчитать передаточное число, необходимое для конкретного применения, и как выбор передаточного отношения взаимодействует с выбором двигателя, является практическим знанием, которое предотвращает ошибки в спецификации и связанные с ними затраты. В этом руководстве систематически рассматриваются все эти аспекты.

Что такое передаточное число редуктора?

Передаточное число редуктора (также называемое передаточным числом, передаточным числом или i) представляет собой отношение входной скорости к выходной скорости коробки передач или мотор-редуктора:

Коэффициент уменьшения (i) = входная скорость (об/мин) / выходная скорость (об/мин)

Соотношение 10:1 означает, что выходной вал вращается со скоростью, составляющей одну десятую скорости входного вала (вала двигателя). Соотношение 50:1 означает, что выходной вал вращается со скоростью, составляющей одну пятидесятую скорости двигателя. Чем выше передаточное число, тем больше редуктор замедляет скорость вала двигателя на выходе.

Дополнительным фактором скорости является крутящий момент. В идеальной коробке передач (без потерь) мощность сохраняется за счет снижения: если скорость уменьшается вдвое, крутящий момент удваивается. Математически:

Выходной крутящий момент = Крутящий момент двигателя × Передаточное число × КПД коробки передач (η)

Если КПД коробки передач η учитывает потери на трение внутри ступеней передачи - хорошо спроектированная цилиндрическая или косозубая планетарная коробка передач может достичь η = 0,92–0,97 на ступень; червячная ступень имеет гораздо более высокие потери, обычно η = 0,50–0,85 в зависимости от угла опережения и передаточного числа. В многоступенчатом редукторе КПД каждой ступени умножаются: две ступени по 0,95 каждая дают суммарный КПД 0,95×0,95=0,90.

Как рассчитать необходимый коэффициент уменьшения для вашего применения

Расчет начинается с двух известных величин: требуемой выходной скорости приложения (в об/мин) и номинальной скорости двигателя (в об/мин). Эти два значения напрямую определяют требуемый коэффициент уменьшения:

Требуемое передаточное число (i) = номинальная скорость двигателя (об/мин) / требуемая выходная скорость (об/мин)

Пошаговый пример

Рассмотрим привод конвейера, который должен двигаться со скоростью ленты 0,5 м/с. Приводной ролик имеет диаметр 100 мм (радиус = 0,05 м). Рассматриваемый двигатель представляет собой бесщеточный мотор-редуктор постоянного тока с номинальной скоростью холостого хода 3000 об/мин.

Шаг 1: Преобразуйте требуемую скорость ленты в требуемую скорость вала ролика (об/мин).

Окружность ролика = 2π × 0,05 м = 0,314 м.
Требуемая частота вращения вала = Скорость ленты/Окружность = 0,5 м/с ÷ 0,314 м = 1,59 об/с × 60 = 95,5 об/мин

Шаг 2: Рассчитайте необходимый коэффициент уменьшения.

Требуемое передаточное число = 3000 об/мин / 95,5 об/мин = 31,4

Шаг 3: Выберите ближайшее стандартное соотношение.

Стандартные передаточные числа планетарных мотор-редукторов доступны с дискретными шагами — общие передаточные числа включают 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100 и их комбинации. Ближайшее стандартное соотношение к 31,4 – 30 или 35 (в зависимости от ассортимента производителя). Выбор передаточного отношения 30 дает выходную скорость = 3000/30 = 100 об/мин (немного выше требуемого — убедитесь, что это приемлемо); выбор 35 дает 85,7 об/мин (чуть ниже — также проверьте приемлемость). Для применений с определенной требуемой выходной скоростью при расчете следует использовать фактическую рабочую скорость двигателя под нагрузкой (которая несколько ниже скорости холостого хода для коллекторных двигателей постоянного тока), а не скорость холостого хода.

Шаг 4: Убедитесь, что крутящий момент достаточен.

Рассчитайте крутящий момент, необходимый на выходном валу для перемещения груза. Если номинальный крутящий момент двигателя равен T_motor и выбранное передаточное число равно 30 с КПД η = 0,95:

Выходной крутящий момент = T_motor × 30 × 0,95

Сравните этот выходной крутящий момент с требуемым моментом нагрузки. Если выходной крутящий момент ≥ требуемого момента нагрузки с запасом безопасности (обычно от 1,5× до 2× для прерывистого использования; от 2× до 3× для непрерывной работы под ударной нагрузкой), выбор действителен. В противном случае необходимо выбрать двигатель с более высоким номинальным крутящим моментом или более высоким передаточным числом.

Стандартные диапазоны передаточных чисел в зависимости от типа мотор-редуктора

Как коэффициент уменьшения влияет на производительность приложения

Выходная скорость

Самый прямой эффект: более высокое передаточное число означает более низкую скорость вывода. Для данного двигателя удвоение передаточного числа снижает выходную скорость вдвое. Приложения, требующие точного движения на низкой скорости — приводы клапанов, приводы солнечных трекеров, медленно вращающиеся мешалки, низкоскоростные конвейерные системы — требуют высоких передаточных чисел (от 50:1 до нескольких сотен к одному). В приложениях, требующих умеренной скорости с увеличением крутящего момента — электроинструменты, приводные колеса AGV на скорости ходьбы, роботизированные соединения — обычно используются передаточные числа в диапазоне от 10:1 до 50:1.

Выходной крутящий момент

Более высокое передаточное число = более высокий выходной крутящий момент того же двигателя, вплоть до номинального предела выходного крутящего момента редуктора. Редуктор имеет максимальный номинальный выходной крутящий момент, который нельзя превышать, независимо от того, какое передаточное число и комбинация двигателей теоретически могут обеспечить. Если расчетный выходной крутящий момент (крутящий момент двигателя × передаточное отношение × эффективность) превышает номинальный выходной крутящий момент редуктора, требуется рама редуктора большего размера.

Эффективность системы и тепло

Каждая ступень передачи вносит потери на трение. Высокое передаточное число, достигнутое за счет нескольких ступеней передачи, имеет более низкий общий КПД, чем то же передаточное число, достигнутое за меньшее количество ступеней. Для приложений, где энергоэффективность имеет решающее значение — систем с батарейным питанием, таких как роботы AGV, медицинские устройства, портативное оборудование — минимизация количества ступеней передачи и выбор эффективной геометрии передачи (планетарной, а не червячной) значительно снижают энергопотребление и выделение тепла.

Люфт

Люфт — the small amount of angular play at the output shaft when the input direction reverses — accumulates across gear stages. A single-stage planetary gearbox may have backlash of 3–5 arc-minutes; a three-stage assembly accumulates backlash from all three stages. For position-critical applications (robotic arms, CNC positioning, camera pan-tilt systems), specifying a precision planetary gearbox with low-backlash helical gear sets reduces position error from backlash to 1–3 arc-minutes or less, compared to 10–20 arc-minutes in standard spur gear designs.

Распространенные ошибки при выборе соотношения и как их избежать

Использование скорости двигателя без нагрузки вместо скорости под нагрузкой для двигателей постоянного тока. Коллекторные и бесщеточные двигатели постоянного тока под нагрузкой работают с меньшей скоростью, чем без нагрузки. Номинальная скорость, указанная в технических характеристиках двигателя постоянного тока, обычно соответствует скорости холостого хода; при номинальном крутящем моменте скорость может быть на 10–20 % ниже. Использование скорости холостого хода для расчета передаточного числа дает немного более высокое передаточное число, что приводит к несколько более низкой выходной скорости, чем предполагалось при фактической нагрузке. Используйте скорость при номинальном крутящем моменте (или при ожидаемом рабочем крутящем моменте) для расчета передаточного числа, чтобы получить точный прогноз выходной скорости.

Выбор передаточного отношения основан на скорости без проверки крутящего момента. Это соотношение определяет как выходную скорость, так и выходной крутящий момент. Передаточное число, обеспечивающее правильную выходную скорость, может оказаться недостаточным, если выходной крутящий момент недостаточен для нагрузки. Всегда выполняйте расчет скорости и проверку крутящего момента перед окончательным выбором передаточного числа.

Игнорирование максимального выходного крутящего момента коробки передач. Редуктор имеет механический предел — максимальный номинальный выходной крутящий момент, на который рассчитаны зубья шестерен и валы. Если пиковый крутящий момент двигателя, умноженный на передаточное число, превышает этот предел, редуктор подвергается риску повреждения в условиях пиковой нагрузки. Убедитесь, что максимальный выходной крутящий момент редуктора (указанный в техническом описании продукта) превышает расчетный пиковый выходной крутящий момент с учетом коэффициента безопасности.

Выбор слишком высокого передаточного числа «для дополнительного крутящего момента». Увеличение передаточного числа сверх того, что требуется для применения, приводит к потере диапазона скоростей двигателя и может привести к перемещению рабочей точки двигателя на очень низкую скорость, при которой некоторые типы двигателей (особенно асинхронные двигатели переменного тока) работают с пониженным КПД и коэффициентом мощности. Подберите передаточное число к требуемой выходной скорости с соответствующим запасом по крутящему моменту, а не произвольно максимизируйте передаточное число.

Выбор коэффициента уменьшения по типу применения

Часто задаваемые вопросы

Могу ли я изменить передаточное число существующего мотор-редуктора без замены всего узла?

В большинстве стандартных конструкций мотор-редукторов, особенно в мотор-редукторах, в которых редуктор и двигатель представляют собой единый герметичный блок, передаточное число фиксировано на производстве и не может быть изменено на месте. Чтобы изменить передаточное число, необходимо заменить весь мотор-редуктор. В модульных системах, где к двигателю присоединяется отдельный редуктор, иногда можно заменить только редуктор с другим передаточным числом, сохранив при этом двигатель, при условии, что размеры выходного вала двигателя соответствуют входному валу нового редуктора. В приложениях, где необходима переменная выходная скорость без изменения передаточного отношения, контроллер двигателя с регулируемой скоростью (инвертор для двигателей переменного тока, ШИМ-драйвер для двигателей постоянного тока) регулирует входную скорость двигателя электронным способом, эффективно обеспечивая переменную выходную скорость в пределах рабочего диапазона двигателя.

В чем разница между передаточным числом и передаточным числом?

В обычном использовании мотор-редукторов эти термины взаимозаменяемы — оба относятся к отношению входной скорости к выходной скорости. Строго говоря, «передаточное число» может относиться к передаточному числу зубьев одной пары шестерен (которое может быть больше или меньше 1:1 для приложений, повышающих, а также снижающих скорость), в то время как «передаточное число» конкретно подразумевает снижение скорости (выходной сигнал медленнее входного, передаточное число больше 1:1). Для мотор-редукторов, выходная мощность которых всегда ниже скорости двигателя, оба термина описывают одно и то же значение и могут использоваться взаимозаменяемо в документации по закупкам и спецификациях.

Как передаточное число редуктора влияет на шум и вибрацию?

Мотор-редукторы с более высоким передаточным числом обычно имеют больше ступеней передачи, каждая из которых вносит свой вклад в шум и вибрацию зубчатого зацепления на частоте зацепления (в зависимости от количества зубьев и скорости вала). В конструкциях планетарных передач контакт зубчатого зацепления распределяется между несколькими планетарными шестернями одновременно, что значительно снижает нагрузку на отдельные зубья и возникающую вибрацию по сравнению с зубчатой ​​передачей с одним зубчатым контактом с эквивалентным передаточным числом. Для чувствительных к шуму применений — медицинских приборов, офисной автоматизации, бытовой техники — зубья косозубых шестерен, которые зацепляются постепенно, а не с внезапным ударом, как прямозубые зубья, еще больше снижают шум и вибрацию при эквивалентных передаточных числах.

Мотор-редукторы с полным диапазоном передаточных отношений от Zhejiang Saiya Intelligent Manufacturing

Чжэцзянская компания интеллектуального производства Saiya, Ltd. , Дэцин, провинция Чжэцзян, производит микромотор-редукторы переменного тока, небольшие мотор-редукторы переменного тока, коллекторные мотор-редукторы постоянного тока, бесщеточные мотор-редукторы постоянного тока, планетарные мотор-редукторы и прецизионные планетарные редукторы с передаточными числами от 3:1 до более 10 000:1. Стандартные соотношения и пользовательские конфигурации соотношений доступны для всех линеек продуктов. Продукты используются в системах AGV, промышленных роботах, автоматизации логистики, фотоэлектрическом отслеживании, медицинском оборудовании и точной автоматизации на мировых рынках. Возможна разработка OEM и ODM для индивидуальных спецификаций мотор-редукторов.

Свяжитесь с нами и сообщите требуемую для вашего приложения выходную скорость, момент нагрузки, входную мощность и рабочий цикл, чтобы получить рекомендации и предложение по мотор-редуктору.

Сопутствующие товары: Планетарные мотор-редукторы | Прецизионный планетарный редуктор | Бесщеточные мотор-редукторы постоянного тока | Коллекторные мотор-редукторы постоянного тока | Микро мотор-редукторы переменного тока | Малый мотор-редуктор переменного тока