行星減速機(jī)入門(mén)、選型和應(yīng)用

注釋?zhuān)篒nternal Gear內(nèi)齒圈                   Input Sun Gear  輸入太陽(yáng)輪

Output shaft  輸出軸                       Planet Gears  行星輪

　圖1 - 行星減速機(jī)的基本部件

行星減速機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

　　行星減速機(jī)適用于需要高扭矩體積比（該值在2至100間，取決于比值大?。?、高抗扭剛度以及低背隙等的高精度運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合，具體視應(yīng)用而定。行星減速機(jī)將扭矩提高與減速比相同的倍數(shù)，同時(shí)也將轉(zhuǎn)速降低了同樣的倍數(shù)，使相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)保持高速高效運(yùn)轉(zhuǎn)。為增強(qiáng)穩(wěn)定性，它也降低了電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載等效慣量。總之，采用行星減速機(jī)可使機(jī)器制造商建造更小、更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備。

　　斜齒輪增加接觸比，使行星減速機(jī)的性能得以提高。接觸比是指在任意給定時(shí)間嚙合的齒輪齒數(shù)。直齒輪的典型接觸比為1.5，而斜齒輪的接觸比可增加一倍至3.3。通過(guò)斜齒輪增加接觸比可獲得：

? 與正齒輪型行星減速機(jī)相比，扭矩提高30％至50％以上

? 增加負(fù)載分擔(dān)度，從而延長(zhǎng)使用壽命

? 運(yùn)行平穩(wěn)安靜

? 減少2 arc-min 的背隙

　　螺旋角越大，在任一時(shí)間嚙合的齒數(shù)越多，所以螺旋角也對(duì)減速機(jī)性能有著顯著的影響。因此，螺旋角由12 o增加至15 o，使其扭矩能力比傳統(tǒng)螺旋齒輪有17%至20%的提高，而與直切正齒輪相比則有40%的提高。15°螺旋角也可使運(yùn)行更平穩(wěn)安靜。

注釋?zhuān)篢ypical contact ration for equivalent spur gearing is 1.5

　　　等效正齒輪的典型接觸比為1.5

　　　Contact ration for helical gearing is 3.3 (more than 2x)

　　　斜齒輪的典型接觸比為3.3（2倍多）

圖2：與大多數(shù)具有12°或更小螺旋角的同類(lèi)產(chǎn)品相比，Micron UltraTRUE?和

ValueTRUE?設(shè)計(jì)了15°的螺旋角，可提供更大扭矩和更高精度，運(yùn)行更平穩(wěn)安靜

　　齒輪的螺旋齒牙會(huì)使電機(jī)軸的軸向載荷增加。這需要在減速機(jī)軸承設(shè)計(jì)階段抵消掉。許多螺旋齒輪減速機(jī)使用很少或沒(méi)有軸向負(fù)荷能力的滾珠軸承。這可能會(huì)導(dǎo)致齒輪或電機(jī)軸承失效。更有利的方法是使用所有Micron Helical減速機(jī)上應(yīng)用的圓錐滾子軸承，可以完全抵消上述軸向載荷。

　　單級(jí)行星齒輪減速機(jī)可提供的齒輪比介于3:1到10:1之間。齒輪比不能高于10:1是因?yàn)樾↓X輪的尺寸不能進(jìn)一步減小。齒輪比也不能低于3:1，否則小齒輪和外齒輪的尺寸幾乎一樣，就沒(méi)有空間來(lái)布置行星齒輪了。處于4:1至8:1間的齒輪比可以提供最佳的小齒輪和行星齒輪的尺寸，提高性能并延長(zhǎng)壽命。大于10:1的齒輪比可通過(guò)增加第二級(jí)行星輪來(lái)獲得，但這通常會(huì)增加減速機(jī)的長(zhǎng)度和造價(jià)。

　　齒輪的凸面加工是指為了增加扭矩和較少噪音而修改齒輪齒廓，可以?xún)?yōu)化齒輪嚙合。同時(shí)它也增強(qiáng)了齒側(cè)載荷分布，從而降低可能導(dǎo)致表面點(diǎn)蝕的高應(yīng)力區(qū)。

注釋?zhuān)篠haft Rotation軸旋轉(zhuǎn)        Torque CCW 逆時(shí)鐘扭矩           Backlash背隙

圖3 – 運(yùn)動(dòng)滯后

　　為使行星減速機(jī)有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，需要保持一定的的間隙。間隙有助于避免齒輪產(chǎn)生過(guò)多的熱量和磨損，并保證適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑。但輪齒之間的微小間隙可導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)滯后。實(shí)際使用的減速機(jī)也不能擁有無(wú)限的扭轉(zhuǎn)剛度，因此減速機(jī)扭緊會(huì)導(dǎo)致額外的運(yùn)動(dòng)滯后。圖3顯示了某個(gè)行星齒輪的輸入和輸出軸的旋轉(zhuǎn)。兩條線(xiàn)間的垂直距離即為運(yùn)動(dòng)滯后。

　　沒(méi)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如何測(cè)量減速機(jī)的背隙，這導(dǎo)致了一些混亂和誤解。有些制造商可能會(huì)取輸出軸上四點(diǎn)或更多點(diǎn)的平均值作為背隙指標(biāo)。例如，某個(gè)單元四次背隙測(cè)量值分別為4、6、10和12arc-min，則使用該方法獲取的背隙值為8 arc-min。筆者認(rèn)為背隙值應(yīng)與輸出軸上最大背隙值的點(diǎn)一致，因此上述測(cè)量結(jié)果為12arc-min。此外，有些廠(chǎng)家在測(cè)量背隙值時(shí)施加不到2％的額定扭矩，這導(dǎo)致測(cè)量值較低，無(wú)法反映整個(gè)生命周期內(nèi)的真實(shí)背隙。有些廠(chǎng)家則在測(cè)量背隙值時(shí)把施加2％的額定扭矩作為標(biāo)準(zhǔn)，這可以真實(shí)反映產(chǎn)品生命周期內(nèi)的背隙值。

　　背隙會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。例如，行星減速機(jī)在出廠(chǎng)時(shí)的背隙可能為8arc-min，但經(jīng)過(guò)6個(gè)月的使用，提高到了15arc-min。因此，整個(gè)生命周期內(nèi)的背隙值精度對(duì)于大多數(shù)用戶(hù)而言是一個(gè)重要的指標(biāo)。

減速機(jī)選型

　　選擇合適的減速機(jī)是性能長(zhǎng)期可靠的關(guān)鍵。下面的近似方法可以用來(lái)作為選取減速機(jī)的初始步驟。

　　實(shí)際扭矩（Tr）= 電機(jī)連續(xù)扭矩（Tm）×減速比（i）×效率（e）

圖4 - 完整的運(yùn)動(dòng)軌跡

　　確定確切的減速機(jī)選型要求，需要考慮完整的運(yùn)動(dòng)軌跡，包括速度、扭矩、加速、減速和循環(huán)?？紤]高循環(huán)數(shù)時(shí)，可采用減額系數(shù)來(lái)降低減速機(jī)的額定值。

　　該減額系數(shù)不適用于7天24小時(shí)的連續(xù)工作應(yīng)用。因?yàn)椴淮嬖谘h(huán)數(shù)（循環(huán)），所以也就不適用上述確切的選型方法。連續(xù)工作場(chǎng)合的最常見(jiàn)失效原因有減速機(jī)升溫、潤(rùn)滑失效、齒輪損壞等。高性能減速機(jī)（如Micron EverTRUE?）可在140°F下7天24小時(shí)持續(xù)工作30000小時(shí)以上，更適合這種場(chǎng)合。

在線(xiàn)選型

　　在線(xiàn)減速機(jī)選型工具可用來(lái)快捷地查找適合大多數(shù)應(yīng)用的減速機(jī)。作為一款非常全面的選型工具，Micron MOTIONEERING®（www.micronmotioneering.com）提供了一種快速簡(jiǎn)便的方法來(lái)選取符合大多數(shù)應(yīng)用需求的減速機(jī)。用戶(hù)只需在“選型”模式下輸入轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、徑向和軸向載荷等等應(yīng)用參數(shù)，該工具就會(huì)分析這些信息并根據(jù)具體應(yīng)用需求來(lái)推薦可行的方案。用戶(hù)可以利用價(jià)格、扭矩容量等指標(biāo)來(lái)挑選不同的方案。

圖5 –“選型”流程的初始界面

在“選型”流程的初始界面，需要輸入4個(gè)關(guān)鍵信息：

1） 減速機(jī)類(lèi)型或方向（直線(xiàn)型或直角型）

　　直角型減速機(jī)有三個(gè)獨(dú)立選項(xiàng)：標(biāo)準(zhǔn)軸、雙軸和空心軸。

2）應(yīng)用類(lèi)型

　　選擇“循環(huán)運(yùn)行”或“連續(xù)工作”。任何在某一方向上運(yùn)行四小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間而不停止或不改變速度的應(yīng)用場(chǎng)合均可視為連續(xù)工作。所有其他應(yīng)用場(chǎng)合，包括那些運(yùn)行時(shí)間超過(guò)四個(gè)小時(shí)，但改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向的可視為循環(huán)運(yùn)行。

3）背隙要求

?  “超精密”級(jí)單級(jí)和雙級(jí)減速機(jī)的最大背隙分別為4 acr-min和5 arc-min。

?  “高精度”級(jí)單級(jí)和雙級(jí)減速機(jī)的最大背隙分別為8 acr-min和9 arc-min。

?  “精密”級(jí)單級(jí)和雙級(jí)減速機(jī)的最大背隙分別為13 acr-min和15arc-min。

4）減速比

　　選擇前三個(gè)變量后，該工具就會(huì)顯示滿(mǎn)足上述三個(gè)因素的可選減速比。例如，如果用戶(hù)選取直線(xiàn)型，則減速比為1:1和2:1的選項(xiàng)將呈“灰色”，因?yàn)樗鼈儍H在直角型時(shí)可供選用。

　　接下來(lái)，有兩種方法輸入扭矩和速度要求。第一種方法是直接輸入最大扭矩和轉(zhuǎn)速。用戶(hù)只需提供輸入轉(zhuǎn)速或輸出轉(zhuǎn)速，選型工具就會(huì)計(jì)算另一個(gè)轉(zhuǎn)速。對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，用戶(hù)也可以選擇建立一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)應(yīng)各段的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要輸入軌跡初始端的速度、軌跡末端速度、軌跡段時(shí)間及扭矩。輸入上述參數(shù)后，用戶(hù)將可以輸入特定應(yīng)用可能需要的徑向或軸向載荷要求。

　　最后一步是選擇電機(jī)安裝部件。這里集中了300多家當(dāng)今主流電機(jī)制造商品牌和型號(hào)的安裝部件。用戶(hù)只需從下拉菜單中選擇自己的電機(jī)，選型工具就會(huì)自動(dòng)生成電機(jī)安裝部件編號(hào)。電機(jī)的尺寸也將在屏幕上顯示，以供參考。

　　雖然有大量電機(jī)可供選擇，但有時(shí)用戶(hù)也會(huì)在列表上找不到所能用到的電機(jī)。為此該選型工具提供了一個(gè)手動(dòng)輸入電機(jī)尺寸的選項(xiàng)。諸如軸直徑和長(zhǎng)度、螺栓分布圓和導(dǎo)向臺(tái)直徑等關(guān)鍵尺寸可用來(lái)生成減速機(jī)所需的電機(jī)安裝套件編號(hào)。用戶(hù)可以輸入英制或公制單位的尺寸。

輸入所有應(yīng)用參數(shù)后，該選型工具會(huì)按照價(jià)格從低到高顯示所有符合應(yīng)用條件的減速機(jī)一覽。此外它還會(huì)列出每種方案的所需扭矩和減速機(jī)額定扭矩之間的安全系數(shù)。在選擇了某一給出方案后，用戶(hù)可以選擇下載2D或3D模型，詢(xún)價(jià)或保存該應(yīng)用方案。

　　如果用戶(hù)已經(jīng)知道所需的減速機(jī)，可使用“按型號(hào)選擇減速機(jī)”模式。在該模式下，用戶(hù)可以查看價(jià)目表、目錄規(guī)格并下載CAD模型。只需在主頁(yè)上點(diǎn)擊任何減速機(jī)系列即可訪(fǎng)問(wèn)該工具，然后從中選擇產(chǎn)品類(lèi)型、規(guī)格、減速比和所需的電機(jī)安裝套件。如果不清楚電機(jī)安裝套件，用戶(hù)也可以如上所述輸入尺寸。接著選型工具就會(huì)直接跳到用戶(hù)所需解決方案的界面，顯示所選減速機(jī)的價(jià)格、交貨時(shí)間和目錄信息。同樣地，當(dāng)選取某一方案后，用戶(hù)也可以選擇下載2D或3D模型、詢(xún)價(jià)或保存該應(yīng)用方案。

故障排除

　　導(dǎo)致減速機(jī)噪音的因素包括輸入速度、減速比、輸出扭矩、徑向和軸向載荷及安裝不當(dāng)。

噪音

　　遵循正確的安裝步驟對(duì)減低噪音、提高性能是至關(guān)重要的。許多減速機(jī)需要首先垂直安裝至伺服電機(jī)。這使電機(jī)軸可以對(duì)中減速機(jī)。然后才可以在任何方向運(yùn)行。

摩擦

　　油脂用量、齒輪質(zhì)量、部件尺寸精度以及軸承質(zhì)量都可能會(huì)導(dǎo)致高減速機(jī)摩擦和阻力。建議尋找在出廠(chǎng)前逐個(gè)檢測(cè)輸入阻力的減速機(jī)廠(chǎng)家。每種規(guī)格和減速比的減速機(jī)都有可接受的阻力范圍，阻力測(cè)量應(yīng)在兩個(gè)方向進(jìn)行以獲得峰值阻力和速度。

密封

　　對(duì)于需要IP65或IP67防護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)合，務(wù)必注意IP65防護(hù)的電機(jī)和IP65防護(hù)的減速機(jī)的組合并不總能提供IP65防護(hù)。請(qǐng)仔細(xì)查看電機(jī)和減速機(jī)間的接口是如何密封的。最好的辦法是所有外殼間都使用O型密封圈使整個(gè)組件獲得IP65防護(hù)。一種新型行星減速機(jī)通過(guò)配備無(wú)外部縫隙的密封，并提供IP67防護(hù)的圓形不銹鋼外殼來(lái)滿(mǎn)足食品和飲料搬運(yùn)、包裝和分發(fā)的要求。這種減速機(jī)可以應(yīng)用于腐蝕性化學(xué)清潔劑和高壓沖洗的場(chǎng)合。因此，工程師都可以將該種減速機(jī)置于任何地方而不受環(huán)境因素影響，無(wú)需付出如外殼、屏蔽以及機(jī)械傳動(dòng)裝置等附加組件的成本。

圖6 – 防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP67的Micron AquaTRUE?行星減速機(jī)

潤(rùn)滑

　　潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂可用于潤(rùn)滑行星減速機(jī)。潤(rùn)滑脂具有終身潤(rùn)滑減速機(jī)的優(yōu)勢(shì)，完全免維護(hù)。潤(rùn)滑脂使減速機(jī)可以安裝在任何方向而無(wú)需擔(dān)心泄漏。油潤(rùn)滑需要維護(hù)并且通常每隔幾千小時(shí)就需要再次潤(rùn)滑。油潤(rùn)滑要始終考慮泄漏問(wèn)題。油潤(rùn)滑的安裝方向通常受到限制，必須在訂貨時(shí)說(shuō)明，且該方向通常不能隨意更改。一種常見(jiàn)的誤解是油潤(rùn)滑的單元總是比油脂潤(rùn)滑的單元運(yùn)行溫度低。實(shí)際上，油潤(rùn)滑所需要的密封措施導(dǎo)致減速機(jī)產(chǎn)生的熱量多于其所減少的熱量。

應(yīng)用

下面是一些典型的行星減速機(jī)的應(yīng)用：

　　高速行星減速機(jī)可以每秒4片的速度自動(dòng)切肉、面包和冷凍食品。纖巧的直角型適用于需要安靜平穩(wěn)運(yùn)行機(jī)器。

　　在紙板加工應(yīng)用中，行星減速機(jī)可7天24小時(shí)高速持續(xù)運(yùn)行30000小時(shí)。減速機(jī)的高扭矩/尺寸比減少了機(jī)器外形尺寸和占地面積。減速機(jī)終身潤(rùn)滑，因此無(wú)需維護(hù)。

圖7 - 等離子切割機(jī)

　　憑借超低的背隙值，行星減速機(jī)可以幫助等離子切割機(jī)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)分之幾英寸的切割精度。螺旋凸面齒輪提供快速定位和平滑切削。密封的變速箱可以避免接觸等離子切割產(chǎn)生的磨屑。

　　某家心血管病人掃描設(shè)備制造商選擇將行星減速機(jī)和電機(jī)一體化安裝的方案，并作為一個(gè)整體部件發(fā)貨并測(cè)試，從而簡(jiǎn)化了物料單并降低了裝配時(shí)間。行星減速機(jī)在客戶(hù)的首次噪聲和振動(dòng)測(cè)試時(shí)即告通過(guò)，并且還滿(mǎn)足嚴(yán)格的背隙要求。

結(jié)論

　　行星減速機(jī)為廣泛的精密運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用場(chǎng)合提供了出色的解決方案。了解減速機(jī)制造商所使用的背隙測(cè)量方法對(duì)于選擇最適合的減速機(jī)非常重要。在線(xiàn)選型工具可以簡(jiǎn)化適合具體應(yīng)用的減速機(jī)的比較，從而節(jié)省工程設(shè)計(jì)時(shí)間。同時(shí)，有了防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP67的新型行星減速機(jī)使這種動(dòng)力傳輸技術(shù)比以往任何時(shí)候都更容易應(yīng)用于食品和飲料以及其他苛刻場(chǎng)合。