Коробка передач служит для: Тесты на знание КПП

Содержание

Коробка передач: назначение и принцип работы | Автосервис «Параллель» в Уфе

Говоря сухим техническим языком, коробка передач служит для изменения крутящего момента, передаваемого от коленчатого вала двигателя к ведущим колесам, для движения автомобиля задним ходом и длительного разобщения двигателя от трансмиссии во время стоянки автомобиля и при движении его по инерции (накатом).

А теперь с точки зрения новичка давайте разберемся — зачем вообще нужна коробка передач на автомобиле, и для чего нужно переключать передачи? Переключение передач — необходимость, возникшая в связи с неравномерной характеристикой крутящего момента ДВС. Сравним для примера ДВС и электродвигатель.

Основное различие между автомобильным и электрическим тяговым двигателем с интересующей нас точки зрения заключается в тяговых характеристиках, то есть в том, как меняется в зависимости от числа оборотов мощность и крутящий момент. У электродвигателя крутящий момент при небольших оборотах довольно велик. По мере раскручивания момент падает. Для транспортной машины такая характеристика наиболее благоприятна: при трогании с места и разгоне, когда приходится преодолевать значительные силы инерции, желательно иметь как можно больший крутящий момент. А для поддержания равномерного движения момент нужен уже намного меньше. Заметим, что мощность электродвигателя на любых оборотах может оставаться близкой к максимальной и на всех режимах используется почти полностью, то есть он отлично приспособлен к дорожным условиям работы. У двигателя внутреннего сгорания все обстоит иначе: мощность при низких оборотах у него значительно понижена, а величина крутящего момента в пределах эксплуатационных чисел оборотов вообще мало изменяется. График показывает (рис.А), что если сопротивление движению увеличилось, и обороты двигателя начинают падать, то у электродвигателя это сопровождается значительным (в несколько раз) увеличением крутящего момента; у автомобильного же двигателя момент сначала немного растет, а потом уменьшается — двигатель глохнет. Как видим, тяговая характеристика двигателя внутреннего сгорания совершенно неудовлетворительна. Но силовая установка с таким мотором по своей легкости, экономичности и другим качествам пока превосходит электромотор. Поэтому конструкторам пришлось примириться с недостатками ДВС и для их преодоления поставить на автомобиль коробку передач, которая изменяет передаточное отношение между двигателем и ведущими колесами и соответственно крутящий момент на них. На рисунке Б показано, как с помощью ступенчатой коробки передач тяговая характеристика ДВС пытается приблизиться к идеальной гиперболе.

А что такое передаточное отношение? Немного углубимся в механику. В шестеренчатой передаче, состоящей из двух шестерен, одна из которых является ведущей, а другая ведомой, их относительные размеры определяют скорость вращения и крутящий момент. Отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей и называется передаточным числом. Если ведущая шестерня меньше ведомой, то скорость вращения ведомой будет меньше, а крутящий момент – больше, и наоборот. То есть, выигрывая в силе, теряем в скорости, и, напротив — выигрывая в скорости, теряем в силе. Если в передаче участвует несколько пар шестерен, то общее передаточное число получается умножением передаточных чисел всех пар шестерен, участвующих в передаче.

Для получения различного по величине крутящего момента, необходимого для работы автомобиля в разных условиях, в коробке передач имеется несколько пар шестерен с различным передаточным числом. Если между ведущей и ведомой шестернями поместить промежуточную, то ведомая шестерня изменит направление вращения на обратное (получим передачу заднего хода).

Таким образом, любая коробка передач, будь то «механика», «автомат» или вариатор, служит для обеспечения оптимального режима работы двигателя в различных условиях движения путем изменения передаточного отношения.

В любой коробке передач выделяют высшие и низшие ступени (передачи).

При трогании с места, разгоне, движении на небольшой скорости и по бездорожью — необходим высокий крутящий момент, который достигается при средне — высоких оборотах, но отсутствует необходимость развивать высокую скорость. Для движения в этом режиме служат низшие ступени коробки передач (обычно с первой по третью), имеющие наибольшее передаточное отношение; при этом даже при больших оборотах двигателя автомобиль будет ехать медленно.

Для равномерного движения на высокой скорости необходимо обеспечить большую частоту вращения колёс, поддерживая обороты двигателя в оптимальном диапазоне. Для этого служат высшие передачи (от четвертой и выше), имеющие значительно меньшие передаточные числа по сравнению с низшими. При этом автомобиль будет при тех же оборотах двигателя ехать достаточно быстро, пока не будут достигнуты максимальные рабочие обороты двигателя. Однако на высших передачах автомобиль не может двигаться с небольшой скоростью и, тем более, трогаться с места, так как двигатель не сможет развить крутящего момента, необходимого для того, чтобы сдвинуть автомобиль с места, и заглохнет.

Передача с передаточным отношением, равным 1, называется прямой (как правило, четвертая). Если передаточное число меньше единицы, такая передача называется ускоряющей (от пятой и выше). Ускоряющая передача включается при движении автомобиля в хороших дорожных условиях, когда не требуется большой силы тяги на ведущих колесах. Давая возможность двигателю работать с пониженными оборотами, ускоряющая передача способствует уменьшению износа двигателя и экономии топлива

С понятием передаточного числа связано выражение «длинная коробка» и «короткая коробка». Речь идёт о разнице в передаточных числах разных передач – в «длинной» коробке она больше. Рассмотрим два автомобиля, одинаковых во всём, кроме коробок передач. Водитель авто с «короткой» коробкой, поддерживая высокие обороты мотора, разгонится быстрее и быстро наберёт максимальную скорость. Водитель на машине с «длинной» коробкой разгоняться будет дольше, но до более высокой скорости. Таким образом, выбор коробки зависит от темперамента водителя. С «короткой» коробкой автомобиль более динамичен, но чаще приходится переключаться. С «длинной» – не такой резвый, но диапазон скоростей на одной передаче больше, то есть, можно добраться до высшей передачи и кататься на ней со скоростью от пятидесяти до ста с лишним, изменяя её только газом и тормозом. Любители агрессивного «спортивного» стиля предпочтут «короткую» коробку, люди спокойные – длинную.

Типы КПП

Современные автомобили могут оснащаться одним из четырех видов КПП – механической, автоматической, роботизированной или вариаторной.

• Механическая КПП

Механическая коробка передач с ручным переключением состоит из набора шестерен. Изменение передаточного числа осуществляется путем введения их в зацепление в различных сочетаниях. К плюсам данной коробки следует отнести высокий КПД, простоту, низкую цену, высокую динамику и наименьший расход топлива по сравнению с остальными коробками. Из недостатков следует отметить неудобство управления, особенно при движении в городе.

• Автоматическая КПП

Автоматическая КПП – планетарная коробка передач с автоматическим переключением. Планетарная передача состоит из нескольких шестерен, называемых планетарными или сателлитами, вращающихся вокруг центральной (или солнечной) шестерни. Планетарные шестерни фиксируются вместе с помощью водила. Кроме этого, дополнительная внешняя кольцевая шестерня имеет внутреннее зацепление с планетарными шестернями. Сателлиты, закрепленные на водиле, вращаются вокруг центральной шестерни (как планеты вокруг Солнца), внешняя шестерня – вокруг сателлитов. Различные передаточные отношения достигаются путем фиксации различных деталей относительно друг друга. В современных коробках используются несколько планетарных передач для получения большого диапазона передаточных чисел.

К преимуществам автоматической коробки следует отнести, прежде всего, удобство управления и комфорт. АКПП способны менять передачи на полной мощности двигателя, что практически неосуществимо в МКПП. В плюсы «автомата» можно добавить плавность хода во время переключения, отсутствие откатывания при трогании с места, защищенность двигателя и деталей трансмиссии от перегрузок и поломок из-за неправильного включения передач, увеличенный ресурс.

К недостаткам АКПП обычно относят более низкий КПД, более высокую цену, а также стоимость ремонта и обслуживания, повышенный расход топлива, ухудшение динамических качеств автомобиля, задержки в переключении передач. Однако с каждым годом эксплуатационные свойства автоматических коробок улучшаются, а число поклонников АКПП уверенно растет.

• Вариатор

Вариатор представляет собой бесступенчатую коробку передач. Его главные детали — два раздвижных шкива и соединяющий их ремень, в сечении имеющий трапециедальную форму. Если половинки ведущего шкива сдвинуть, они вытолкнут ремень наружу — радиус шкива, по которому работает ремень увеличится, следовательно, увеличится и передаточное отношение. А если половинки ведомого шкива, наоборот, раздвинуть, то ремень провалится внутрь и будет работать по меньшему радиусу — передаточное отношение уменьшится. Если оба шкива будут в промежуточном положении, то передача станет прямой. Вместо ремня может применяться цепь, набранный из металлических пластин ремень, но принцип от этого не меняется. Для трогания автомобиля с места используется обычное сцепление или небольшой гидротрансформатор, который вскоре после начала движения блокируется. Управление дисками шкивов осуществляет электронная система из сервоприводов, блока управления и датчиков.

Главным преимуществом вариатора является то, что двигатель постоянно работает в оптимальном режиме. Как бесспорные плюсы вариатора (по сравнению с АКПП) выступают: экономичность, более плавный ход и динамичный разгон. Вариатор проще по конструкции, чем обычный «автомат». Однако по сравнению с МКПП вариаторы имеют меньшую экономичность и динамику.

Основным минусом вариатора является его несовместимость с мощными моторами из-за слабости и недолговечности ремней. Также ограничивают применение бесступенчатой трансмиссии потребность в дополнительных механизмах для режимов трогания и заднего хода,высокая стоимость, дорогое обслуживание и ремонт.

• Роботизированная КПП

Роботизированная коробка – это обычная механическая коробка передач. Для передачи крутящего момента от двигателя к трансмиссии также используется стандартное «сухое» однодисковое сцепление. Отличие состоит в том, что процессы включения-выключения сцепления и переключения передач автоматизированы. Такая коробка облегчает процесс управления автомобилем, освобождая от необходимости переключать передачи вручную и задумываться о том, какую именно передачу включить в данный момент. К преимуществам коробки-робота можно отнести небольшой вес, невысокую стоимость и экономичность.

Этот тип коробки имеет и несколько существенных недостатков. В первую очередь это касается плавности его работы, которая оставляет желать лучшего. Передачи переключаются с заметной задержкой, а в режиме «газ в пол» появляются толчки и рывки при переключениях. Не спасает и ручной режим, сцеплением ведь все равно управляет электроника. В четкости переключений «робот» уступает даже простому «автомату». К тому же, «роботу» свойственен небольшой откат при начале движения. Такой тип коробки обычно ставят на недорогие модели.

Более совершенной является роботизированная коробка с двойным сцеплением. В такой коробке одно сцепление включает нечетные передачи, а другое — четные. Во время езды крутящий момент передается по одному сцеплению, то есть диск сомкнут. В то же время диск второго сцепления разомкнут, но в самой коробке следующая передача уже включена. Когда электроника «чувствует», что надо переключаться на другую передачу, то первый диск просто размыкается, а второй синхронно смыкается. Это позволяет избавиться от рывков при переключениях и обеспечивает непрерывный поток мощности от двигателя к колёсам, что недостижимо для обычной механической коробки с одним сцеплением. Режим переключения – как ручной, так и автоматический. Технически это довольно сложный вид коробки (а значит, и недешевый), но по динамике и экономии топлива он превосходит даже простую механику.

Какая КПП лучше?

Как и на любой риторический вопрос, на него нет однозначного ответа. Какой вид КПП выбрать – дело личное, зависящее от приоритетов конкретного человека. Определитесь, что для вас важнее (цена, динамика, комфорт) — и тогда выбор КПП не составит для вас никакого труда!

Устройство механической коробки передач автомобиля

Механическая трансмиссия автомобиля предназначена для изменения крутящего момента и передачи его от двигателя к колесам. Она отсоединяет двигатель от ведущих колес машины. Объясним для начинающих автолюбителей и чайников из чего состоит механическая коробка передач и как работает.

Из чего состоит

  • картера, первичного, вторичного и промежуточного валов с шестернями;
  • дополнительного вала и шестерни заднего хода;
  • синхронизаторов;
  • механизма переключения передач с замковым и блокировочным устройствами и рычага переключения.

Схема работы: 1 — первичный вал; 2 — рычаг переключения; 3 — механизм переключения; 4 — вторичный вал; 5 — сливная пробка; 6 — промежуточный вал; 7 — картер.

Картер

Содержит основные детали трансмиссии. Он крепится к картеру сцепления, который закреплен на двигателе. Т.к. при работе шестерни испытывают большие нагрузки, они должны хорошо смазываться. Поэтому картер наполовину своего объема залит трансмиссионным маслом.

Валы

Вращаются в подшипниках, установленных в картере. Они имеют наборы шестерен с различным числом зубьев.

Синхронизаторы

Необходимы для плавного, бесшумного и безударного включения передач, путем уравнивания угловых скоростей вращающихся шестерен.

Механизм переключения

Служит для смены передач в коробке и управляется водителем с помощью рычага из салона авто. При этом замковое устройство не позволяет включаться одновременно двум передачам, а блокировочное устройство удерживает их от самопроизвольного выключения.

Требования к коробке передач

  • высокий КПД
  • легкость управления и безударное переключение и бесшумность работы
  • невозможность включения одновременно двух передач или заднего хода при движении вперед
  • надежное удержание передач во включенном положении
  • простоту конструкции и небольшую стоимость, малые размеры и массу, удобство обслуживания и ремонта
Чтобы удовлетворить первое требование, необходимо правильно выбрать число ступеней и их передаточные числа. При увеличении числа ступеней обеспечивается лучший режим работы двигателя с точки зрения динамичности и экономии топлива. Но усложняется конструкция, возрастают габаритные размеры, масса трансмиссии. Передачи переключают с помощью подвижных шестерен, зубчатых муфт, синхронизаторов, фрикционных или электромагнитных устройств. Для безударного переключения устанавливают синхронизаторы, которые усложняют конструкцию, а также увеличивают размеры и массу трансмиссии. Поэтому наибольшее распространение получили те, в которых высшие передачи переключают синхронизаторами, а низшие — зубчатыми муфтами.

Как работают шестерни

Разберемся на примере как происходит изменение величины крутящего момента (числа оборотов) на различных передачах.

а) Передаточное отношение одной пары шестерен.

Возьмем две шестерни и сосчитаем число зубьев. Первая шестеренка имеет 20 зубьев, а вторая 40. Значит при двух оборотах первой шестерни, вторая сделает только один оборот (передаточное число равно 2).

б) Передаточное отношение двух шестерен.

На рисунке б) у первой шестерни («А») 20 зубьев, у второй («Б») 40, у третьей («В») — 20, у четвертой («Г») — 40. Дальше простая арифметика.

Первичный вал и шестерня «А» вращаются со скоростью 2000 об/мин. Шестерня «Б» вращается в 2 раза медленнее, т.е. она имеет 1000 об/мин, а т.к. шестерни «Б» и «В» закреплены на одном валу, то и третья шестеренка делает 1000 об/мин. Тогда шестерня «Г» будет вращаться еще в 2 раза медленнее — 500 об/мин. От двигателя на первичный вал приходит — 2000 об/мин, а выходит — 500 об/мин. На промежуточном валу в это время — 1000 об/мин.

В данном примере передаточное число первой пары шестерен равно двум, второй пары шестерен тоже — двум. Общее передаточное число схемы 2х2=4. Т.е. в 4 раза уменьшается число оборотов на вторичном валу, по сравнению с первичным. А если выведем из зацепления шестерни «В» и «Г», то вторичный вал вращаться не будет. Прекращается передача крутящего момента на ведущие колеса авто, что соответствует нейтральной передаче.


Задняя передача, т.е. вращение вторичного вала в другую сторону, обеспечивается дополнительным, четвертым валом с шестерней заднего хода. Дополнительный вал необходим, чтобы получилось нечетное число пар шестерен, тогда крутящий момент меняет направление:

Схема передачи крутящего момента при включении задней передачи: 1 — первичный вал; 2 — шестерня первичного вала; 3 — промежуточный вал; 4 — шестерня и вал передачи заднего хода; 5 — вторичный вал.

Передаточные числа

Поскольку в «коробке» имеется большой набор шестерен, то вводя в зацепление различные пары, имеем возможность менять общее передаточное отношение. Давайте посмотрим на передаточные числа:
ПередачиВАЗ 2105ВАЗ 2109
I3,67 3,636
II2,101,95
III1,361,357
IV1,00 0,941
V0,82 0,784
R(Задний ход) 3,53 3,53

Такие числа получаются, в результате деления количества зубьев одной шестерни на число зубьев второй и далее по цепочке. Если передаточное число равно единице (1,00), то значит, что вторичный вал вращается с той же угловой скоростью, как первичный. Передачу, на которой скорость вращения валов уравнена, называют – прямой. Как правило, это — четвертая. Пятая (или высшая) имеет передаточное число меньше единицы. Она нужна для езды по трассе с минимальными оборотами двигателя. Первая и передача заднего хода — самые «сильные». Двигателю не трудно крутить колеса, но машина движется медленно. А при движении в гору на «шустрых» пятой и четвертой передачах мотору не хватает сил. Поэтому приходится переключаться на более низкие, но «сильные» передачи.

Первая передача необходима для начала движения, чтобы двигатель смог сдвинуть с места тяжелую машину. Далее, увеличив скорость и сделав некоторый запас инерции, можете переключиться на вторую передачу, более «слабую», но более «быструю», затем на третью и так далее. Обычный режим движения – на четвертой (в городе) или пятой (на трассе) — они самые скоростные и экономичные.

Какие бывают неисправности

Обычно появляются в результате грубой работы с рычагом переключения. Если водитель постоянно «дергает» рычаг, переводит его из одной передачи в другую быстрым, резким движением — это приведёт к поломке. При таком обращении с рычагом, обязательно выйдут из строя механизм переключения или синхронизаторы.
Рычаг переключения переводится спокойным плавным движением, с микропаузами в нейтральной позиции, чтобы сработали синхронизаторы, оберегающие шестерни от поломок. При грамотном обращении и периодической замене масла в «коробке», трансмиссия не сломается до конца срока службы.

Шум при работе, зависящий в основном от типа установленных шестерен, значительно уменьшается при замене прямозубых шестерен косозубыми. Правильная работа также зависит от обслуживания в срок.

Отдельные сходства и различия коробок передач для автомобиля и для велосипеда

Зачем нужна коробка передач
Как и двигатель внутреннего сгорания, человек развивает максимальную мощность в довольно узком диапазоне оборотов. Только если для двигателя это несколько тысяч оборотов в минуту, то для велосипедиста — 80-100. Чтобы ездить нормально на разных скоростях и в разных условиях, надо расширить диапазон. Для этого надо менять передаточное число трансмиссии. В автомобиле для этого служит коробка передач, а на велосипеде — переключатель скоростей.

Как работает коробка передач
В коробке передач автомобиля буквально находятся передачи — набор пар шестеренок, или, выражаясь технически точно, зубчатые передачи. У каждой пары свое передаточное отношение. Шестерни постоянно зацеплены друг с другом и постоянно вращаются. При этом зубчатые колеса не соединены с выходным валом коробки все время, а подсоединяются к нему только при выборе той или иной передачи по очереди. В каждый момент времени соединена с валом только одна зубчатая пара. Соответственно, при одной и той же частоте вращения ведущего вала, соединенного с двигателем, выходной вал будет вращаться медленнее — насколько, определяет передаточное отношение включенной передачи.

Чтобы переключение проходило без лишних нагрузок, на время смены передачи двигатель отсоединяют от коробки, размыкая сцепление.

Как работает переключатель скоростей
У велосипеда обычно используется цепная передача, где цепь соединяет две звездочки разного размера. Для изменения передаточного отношения нужно просто сменить звездочку. Как и шестерни в автомобиле, звездочки соединены с входным валом, на который насажены педали, и выходным, осью ведущего колеса. Для переключения нужно просто перевести цепь на другую звездочку. Это делает рамка, через которую проходит цепь. Когда велосипедист нажимает на рычажок (манетку) на руле, тросик смещает рамку, и цепь направляется на выбранную звездочку.

Для облегчения перехода цепи с одной звездочки на другую рамка слегка отводит цепь от зацепления в этот момент. Механизм переключения также обеспечивает постоянное натяжение цепи, ведь при переключении из-за разных диаметров звездочек потребная длина рабочего участка цепи меняется.

Чем они похожи
Роботизированная коробка отличается от чисто механической тем, что работу водителя выполняют электроника и специальные приводы. В Easy’R электрические исполнительные механизмы включают и выключают сцепление при начале движения и остановке автомобиля, а также при переключении передач. В переключателе скоростей на велосипеде все делается механически, но в нем изначально часть работы взял на себя механизм, который заставляет цепь перейти на другую звездочку и подтягивает ее.

Особенность системы управления роботизированными коробками в том, что водителю не предлагается возможности выбрать передачу напрямую, можно только переключиться на ступень выше или ниже. Точно так же работает и обычный переключатель скоростей. Чисто механически довольно сложно перескочить больше чем на одну ступень. Но некоторые современные системы позволяют это делать.

Чем они отличаются
Роботизация автомобильной коробки приводит к сокращению органов управления: в автомобилях с Easy’R нет педали сцепления, водитель обходится одним рычагом. При желании можно переключать передачи и вручную — точнее, сообщать электронике о своем желании перейти на ступень выше или ниже.

Велосипедный переключатель скоростей управляется отдельными манетками для передних и задних звездочек. Зато у велосипеда намного больше передач, ведь с любой из нескольких ведущих звездочек впереди можно соединить любую из ведомых задних. Но это вынужденное разнообразие — у человека диапазон эффективных оборотов гораздо ниже.

Коробки передач ВАЗ в сборе в Челябинске

Коробки передач на автомобили семейства ВАЗ всех моделей и модификаций – в каталоге «Навигатор»

   Коробка переключения передач (КПП или коробка передач) предназначена для изменения крутящего момента, передаваемого от коленчатого вала двигателя к ведущим колесам, для движения автомобиля задним ходом и длительного разобщения двигателя от трансмиссии во время стоянки автомобиля и при движении его по инерции. Механическая коробка передач — МКПП, в которой выбор передач и их включение осуществляется вручную, механическим способом.
 Коробка передач служит для изменения тяговой силы на колесах автомобиля в зависимости от сопротивления движению и дает автомобилю возможность двигаться задним ходом. Коробка передач позволяет, при выключении передач отсоединять ведущие колеса автомобиля от двигателя, обеспечивая тем самым возможность запуска двигателя и его работу на холостом ходу.

 Коробка передач представляет собой механизм, состоящий из набора шестерен, которые могут вводиться в зацепление в различных сочетаниях. Каждое сочетание зацепления шестерен коробки называется ступенью или передачей. Число ступеней (передач) в коробке передач зависит от конструкции автомобиля и обычно бывает от трех до пяти (не считая передачи заднего хода). В соответствии с этим коробки передач называются трехступенчатыми, четырехступенчатыми и пятиступенчатыми.

   Зацепление различных пар шестерен осуществляется при помощи кареток (шестерен), передвигаемых вдоль валов коробки. В зависимости от числа подвижных кареток коробки разделяются на двухходовые (две каретки) и трехходовые (три каретки).

   Вовремя сделанный ремонт компонентов системы убережет Ваш автомобиль от многих неприятностей. Интернет-магазин «Навигатор» предлагает оригинальные комплектующие для ремонта КПП.

 Износ КПП по естественным причинам:

  • большой пробег; 
  • ненормированная эксплуатация и выработка ресурса составными частями;
  • несоответствие рабочей жидкости стандартам, пригодным для нормальной работы трансмиссии;
  • неоригинальные запасные части, имеющиеся в составе коробки;
  • повреждение корпуса КПП механическим воздействием;

Купить КПП в сборе и комплектующие для автомобилей ВАЗ с доставкой по России, Вы можете в нашем магазине «Навигатор».

   Свяжитесь с менеджером интернет-магазина «Навигатор» по телефону или оставьте заявку онлайн. Сотрудник проконсультирует Вас и поможет подобрать подходящие для Вашего автомобиля товары, согласует сроки и способ доставки из Челябинска в любой город России. 

Сравнение механической и автоматической коробки переключения передач

Коробка передач собой представляет важнейшую конструктивную составляющую трансмиссии любого авто и служит непосредственно для изменения крутящего момента, направления движения машины, разъединения такого узла, как двигатель от трансмиссии и для скорости.

Всякий легковой автомобиль оснащен автоматической или же механической коробкой передач. Любой из видов имеет свои сильные и слабые стороны. Но для того, чтобы делать достоверные выводы, необходимо разобраться в вопросе и сравнить эти варианты.

Крайне важно не просто эксплуатировать данный агрегат, но и своевременно выполнять ремонт КПП Шкода, что поможет избежать серьезных проблем в будущем.

Особенности механической коробки передач

Механику можно назвать доступным, простым и невероятно удобным вариантом трансмиссии авто. Основные плюсы механики:

  • возможность быстрее набрать скорость и разогнать ТС;
  • в зимнее время намного проще завести авто с механической коробкой нежели с автоматом;
  • возможность в значительной мере сэкономить на топливе, если рационально пользоваться данной коробкой передач;
  • объем данного агрегата намного меньший, нежели у автоматического аналога;
  • на ремонтные работы механического узла уходит меньше времени и средств. Кроме того, ремонт становится более простым занятием;
  • во время вождения на дороге особенно зимой вы можете делать пробуксовки без опаски на то, что перегреется масло.

Основные минусы механики:

  • неудобство в процессе вождения – это один из существенных недостатков. Многие начинающие водители сложно привыкают к механике;
  • механические КПП в значительной мере сокращают ресурс мотора ТС.

Более простым и современным узлом считается автоматическая КПП, плюсы которой успели оценить многие водители. Основные достоинства автомата:

  • если установлена современная автоматическая КПП, то вы сможете наравне с конкурентами соревноваться в скорости своего ТС;
  • инновационные агрегаты автоматические отличаются возможностью экономить расход топлива;
  • востребованы данные коробки передач у женщин и неопытных водителей, для которых механика слишком сложна;
  • возможность повысить долговечность своего авто.

Основные минусы автоматики можно свести к следующим:

  • большая цена обслуживания, а также ремонтных работ;
  • могут появиться вопросы с запуском двигателя если на улице мороз;
  • высокий топливный расход на что уходят немалые средства.

Даже если установлена самая современная механическая КПП, она все равно не сможет соревноваться во многих аспектах с механикой. Если вы относитесь к категории водителя новичка, тогда лучше всего автоматика. Если предпочитаете скорость и драйв, тогда механика станет оптимальным вариантом. Выбор в таком случае только за вами.

Вам необходим быстрый и современный ремонт АКПП Шкода? Обращайтесь к нам www.minsk.skoda-auto.by. Качественно и оперативно выполненную работу гарантируем.

Подробнее по единому номеру (029/044/025) 721-00-00

Porsche Коробка передач — Porsche Россия

Трансмиссия подключена: Porsche 911 T снова в действии

Послушная и отзывчивая мощность в 140 л.с. действительно способна испытать металл на прочность. Она не должна привести к чрезмерным нагрузкам на металл, но время делает свое дело, и это может негативно сказаться на дорожных качествах переднеприводного автомобиля. Трансмиссия данного Porsche 911 эксплуатируется уже на протяжение 37 лет. Это привело к появлению следов износа, что, впрочем, не является неразрешимой проблемой. Их можно устранить, если проявить терпение и пристальное внимание к мелочам.

Специалисты мастерской Porsche Classic уже начали работу в самом сердце автомобиля. У них еще есть время до середины следующего года для выполнения главной задачи кампании “Revive the Passion”. К тому времени автомобиль должен будет предстать перед публикой в новом сверкающем облике и идеальном техническом состоянии. Этот Porsche 911 T был изготовлен в 1973 году и выбран в качестве объекта для восстановления, проводимого специалистами Porsche Club of America (PCA) в его родном городе Штутгарт в рамках совместного проекта с Porsche Classic и Porsche Club Coordination в Лос-Анджелесе. По завершении восстановительных работ в будущем году он найдет своего владельца среди членов Porsche Club of America (PCA) и будет представлен широкой публике на Параде Porsche, который пройдет в августе 2011 года в США.

Эксперты из Porsche Classic переключили свое внимание на трансмиссию, в то время как в ванне для удаления краски близился к завершению процесс очистки кузова главного приза будущего розыгрыша. Пятиступенчатая коробка передач и задняя передача Porsche 911 T располагается внутри магниевого кожуха. Компания Porsche попеременно устанавливает на своих автомобилях алюминиевые и магниевые кожухи, начиная с 1970-х годов, в зависимости от конкретной модели. Porsche 911 T имеет легкий филигранный корпус с ярко выраженными ребрами для охлаждения и придания дополнительной жесткости конструкции. Он будет по достоинству оценен каждым знатоком высоких технологий. В то же время, очистка кожуха — работа для самых добросовестных энтузиастов. Дело в том, что она производится вручную. Во избежание повреждения магниевой поверхности механики используют медные щетки вместо стальных. По размеру эти щетки немногим больше зубных, а их щетинки легче проникают во множество мелких уголков и зазоров, имеющихся в корпусе ввиду наличия в нем ребер. Именно здесь за долгие годы эксплуатации автомобиля накопились многочисленные следы коррозии, дорожной грязи и помета птиц, некогда гнездившихся в днище кузова Porsche 911.

Трансмиссия была полностью снята с конического зубчатого колеса, включая самое последнее кольцо синхронизатора. Механики произвели промышленную очистку приблизительно 100 деталей трансмиссии для удаления с них отработанного масла. После полной очистки деталей был проведен их тщательный осмотр. Он требует наличия у проверяющего значительного опыта. Проблема изношенных деталей в общем и деталей трансмиссии в частности заключается в неопределенности границ между неисправными, сильно изношенными и все еще пригодными к эксплуатации деталями. По этой причине движимые страстью к автомобилям специалисты Porsche Classic, как правило, оценивают их состояние с точки зрения безопасности, действуя при этом в интересах заказчика. Этот подход был также рекомендован и для данного Porsche 911 T. Во-первых, несмотря на все старания, оказалось невозможным определить пробег автомобиля. Во-вторых, было неизвестно, когда на нем ездили в последний раз. В-третьих, и это самый весомый аргумент при восстановлении, трансмиссия не предназначена для ежедневной разборки. Это означает, что через один или два года, возможно, потребовалось бы выполнение большого объема необязательных работ.

По этой причине, несмотря на то, что трансмиссия Porsche 911 T производила в целом неплохое впечатление, механики отбраковали все детали, имеющие признаки износа. Среди них была вторая передача в комплекте с промежуточной шестерней, корпус синхронизатора и муфта включения, а также кольца синхронизатора и подшипники. Последующая повторная сборка также потребовала от механиков высокой точности работы. Помимо собственного опыта, они полагались на имеющиеся только в распоряжении Porsche 40-летние оригинальные измерительные приборы. Это позволило механикам произвести точную регулировку конического зубчатого колеса и его установку в трансмиссии. Регулировка механизма переключения передач проводилась в соответствии с оригинальными расчетными размерами.

Таким образом, было гарантировано плавное переключение передач, необходимое при возвращении Porsche 911 на дорогу в следующем году. Тем не менее, новому владельцу не следует удивляться, если в первое время для их переключения потребуется немного больше усилий. На самом деле, это хороший признак. Дело в том, что для притирки новых плотно подогнанных колец синхронизатора требуется некоторое время. Это возвращает нас в давно ушедшую эпоху автомобилестроения того периода.

Однако, придется еще немного подождать. Отрегулированная трансмиссия на время откладывается в сторону. В мастерской Porsche Classic недалеко от Штутгарта начинается следующий этап кузовных работ.

Виды коробок передач — устройство, цена, принцип работы🥇

В современно мире существует 4 основных типа коробок передач

Каждый водитель так или иначе слышал о существовании в автомобиле такой системы, как коробка передач. Те, кто разбирается в строении автомобиля немного лучше, знают, что коробок передач есть как минимум несколько типов.

Читай также: Как ездить на автомате: инструкция как правильно трогаться и тормозить

Сама коробка передач служит для того, чтобы передавать крутящий момент с двигателя на колеса. Благодаря коробке передач, автомобиль всегда может ехать в режиме оптимальной тяги и скорости.

Помимо всего прочего, коробка передач позволяет автомобилю ездить задним ходом. В случае если вы хотите остановить автомобиль, но при этом не глушить двигатель, коробка передач помогает временно прервать связь между колесами и двигателем, когда вы переводите рычаг переключения КПП в нейтральный режим.

На сегодняшний день существует несколько видов коробок передач, которые среди автомобилистов условно делят на механические и автоматические.


Какие бывают коробки передач


depositphotos

Читай также: Что такое Типтроник: принцип работы, плюсы и минусы

Все трансмиссии можно поделить на 4 основных группы:

  1. Механическая коробка переключения передач
  2. Автоматическая коробка переключения передач
  3. Роботизированная коробка переключения передач
  4. Вариативная (бесступенчатая) коробка переключения передач

Отметим, что среди автолюбителей автоматическую, роботизированную и вариативную коробку передач относят к одному типу коробок – автоматическому (когда коробка сама переключает передачи), хотя с технической точки зрения это не совсем верно.


Механическая коробка передач (Механика, МКПП)


Wikipedia

Читай также: Почему нельзя буксировать машину с АКПП: видео

Самый простой механизм для изменения крутящего момента, который передается с двигателя на колеса – это МКПП. Современные коробки представляют собой набор шестеренок, которые приводят в зацепление специальные валы. Если говорить о видах механических коробок передач, то они бывают двухвальные и трехвальные.

Плюсы МКПП:

  • Надежность и простота
  • Более удобное управление автомобилем на бездорожье
  • Возможность двигаться в максимально экономичном режиме
  • Минимальная стоимость обслуживания

Минусы МКПП:

  • Низкое удобство управления коробкой в режиме города

Коробка передач автомат (Гидротрансформатор, АКПП)


Wikipedia

Читай также: Как тронуться с места на механике: 3 действенных способа

Классическую автоматическую коробку передач еще иногда называют гидротрансформатором. Такое название пошло от того, что коробка передает (трансформирует) крутящий момент двигателя при помощи специального диска, наполненного жидкостью (маслом).

Такая коробка передач считается наиболее надежной среди своих одноклассников.

Плюсы АКПП:

  • Повышенные удобство и комфорт в сравнении с МКПП
  • Можно менять передачи на максимальной мощности двигателя
  • Трогание с места и переключение передач на ходу достаточно плавное
  • Двигатель защищен от перегрузок при выборе не той передачи.

Минусы АКПП:

  • Покупка и обслуживание АКПП дороже, чем МКПП
  • Увеличенный расход топлива
  • Низкий КПД, за счет потери крутящего момента
  • Ухудшение динамики автомобиля

Коробка передач робот


Wikipedia

Читай также: Как часто менять масло в коробке передач: что нужно знать

Своего рода роботизированная КП является усовершенствованной МКПП. Так, в данном типе коробки к классической МКПП добавили два сервопривода, которые отвечают за выжим сцепления и выбор передачи. По задумке, робот должен был сохранить все удобства МКПП и прибавить к ним простоту использования АКПП.

Впервые в серию коробка пошла относительно недавно: в 2003 года Volkswagen установил такую коробку на спортивный Golf 4 R32. Роботизированные КП имеют два сцепления, а передачи поделены на четные и нечетные. Так, когда автомобилю необходимо перейти с одной передачи на другую, одно сцепление размыкается, а второе замыкается.

Сами же роботизированные коробки можно поделить на два типа:

  1. С мокрым сцеплением (авто с крутящим моментом больше 350 Нм).
  2. С сухим сцеплением (авто с крутящим моментом ниже 350 Нм).

Плюсы Робота:

  • Плавность и скорость переключений
  • Высокий КПД
  • Небольшой расход топлива
  • Хорошая динамика автомобиля

Минусы Робота:

  • Надежность конструкции
  • Стоимость ремонта и обслуживания
  • Чувствительность к сильным нагрузкам и перегреву.

Коробка передач вариатор


depositphotos

Читай также: Как правильно тормозить двигателем

Вариаторная коробка передач (CVT) появилась вследствие развития идеи классической АКПП. Главный упор на такие коробки сейчас делают японские производители: Nissan, Subaru и Toyota.

Необходимость развития данного типа КПП была обусловлена особыми условиями движения по городу. Так классическая АКПП постоянно переключала передачи, в то время как вариатор был более подходящим решением для езды в городе.

В данной коробке применены два раздвижных шкива, которые могут менять натяжение и положение ремня. Управление шкивами полностью осуществляет компьютер.

Плюсы Вариатора:

  • Переключение передач происходит незаметно
  • Малый расход топлива при грамотной настройке коробки
  • Неплохие показатели динамики

Минусы Вариатора:

  • Небольшой ресурс (невозможность установки с мощными двигателями)
  • Проблемность и стоимость обслуживания
  • Множество датчиков, которые не отличаются особой надёжностью
  • Чувствительность к тяжелым дорожным условиям, буксировке

Подпишись на наш Telegram-канал, если хочешь первым узнавать главные новости


Вам также может быть интересно:



Планетарные и прямозубые конструкции

от Anaheim Automation

Что такое коробка передач?

Коробка передач — это механическое устройство, используемое для увеличения выходного крутящего момента или изменения скорости (об / мин) двигателя. Вал двигателя прикреплен к одному концу коробки передач и благодаря внутренней конфигурации шестерен коробки передач обеспечивает заданный выходной крутящий момент и скорость, определяемые передаточным числом.

Физические свойства

Физические компоненты коробок передач различаются в зависимости от типа коробки передач, а также от производителей.Большинство редукторов изготавливаются из стальных материалов, таких как железо, алюминий и латунь. В отличие от других типов редукторов, цилиндрические редукторы также могут изготавливаться из пластмасс, таких как поликарбонат или нейлон. Помимо используемого сырья, ориентация зубьев шестерни играет важную роль в общей эффективности, крутящем моменте и скорости системы. Редукторы с прямым зубчатым колесом обычно используются в низкоскоростных приложениях. Эти редукторы могут быть шумными и иметь более низкий общий КПД. Цилиндрические редукторы обычно используются в высокоскоростных приложениях.Эти редукторы работают тише, чем редукторы с прямым зубчатым колесом, что может повысить их общий КПД.

Типы редукторов

Есть много типов редукторов, производимых по всему миру. Одно из основных отличий отдельных коробок передач — их рабочие характеристики. Выбор из различных типов коробки передач зависит от области применения. Редукторы доступны во многих размерах, передаточных числах, коэффициентах полезного действия и характеристиках люфта.Все эти конструктивные факторы повлияют на производительность и стоимость коробки передач. Редукторы бывают нескольких типов, которые перечислены ниже:

Конический редуктор

Конические шестерни

Существует два типа конических редукторов, которые включают в себя прямозубые или спиральные зубчатые передачи. Прямые конические шестерни имеют прямые и конические зубья и используются в приложениях, требующих малых скоростей. Спирально-конические шестерни имеют изогнутые и наклонные зубья и используются в приложениях, требующих высокой производительности и высоких скоростей.


Рисунок 1: Прямоугольный конический редуктор Рисунок 2: Спирально-конический редуктор

Физические свойства

Конические зубчатые колеса обычно изготавливаются из чугуна, алюминиевого сплава или других стальных материалов, но различаются между производителями.

Примечание. Шестерни, изготовленные из стали, могут издавать шум при контакте с другими шестернями, а также повышать их износ.

Применение конических зубчатых колес

Конические редукторы используют конические зубчатые колеса и в основном используются в устройствах с прямым углом, когда валы расположены перпендикулярно.

• Печатный станок
• Электростанции
• Автомобили
• Металлургический комбинат
• Ручные дрели
• Дифференциальные приводы

Преимущества конических зубчатых колес

• Прямоугольная конфигурация
• Долговечный

Недостатки конической шестерни

• Оси должны выдерживать усилия
• Плохо нарезанные зубья могут привести к чрезмерной вибрации и шуму во время работы.

Цилиндрический редуктор

Цилиндрические шестерни

Цилиндрические шестерни нарезаны под углом, обеспечивающим постепенный контакт между каждым зубцом косозубой шестерни.Эта инновация обеспечивает плавную и бесшумную работу. Редукторы, использующие косозубые шестерни, применимы в высокоэффективных приложениях с высокой мощностью.


Рисунок 3: Цилиндрический редуктор

Физические свойства

Винтовые шестерни обычно изготавливаются из чугуна, алюминия или железа, но могут отличаться в зависимости от производителя.

Примечание. Шестерни, изготовленные из стали, могут издавать шум при контакте с другими шестернями, а также повышать их износ.

Применение косозубых шестерен

Цилиндрические зубчатые колеса широко используются в тех случаях, когда требуется эффективность и высокая мощность.

• Нефтяная промышленность
• Воздуходувки
• Продукты питания и маркировка
• Фрезы
• Лифты

Преимущества косозубых шестерен

• Возможна параллельная или поперечная ориентация сетки
• Плавная и тихая работа
• Эффективный
• Высокая мощность

Недостатки косозубых шестерен

• Результирующее усилие по оси шестерни
• Добавки к смазочным материалам

Цилиндрический редуктор

Цилиндрические шестерни

Цилиндрические зубчатые колеса выполнены с прямыми зубьями, установленными на параллельном валу.Уровень шума прямозубых шестерен относительно высок из-за столкновения зубьев шестерен, что делает зубья прямозубых шестерен подверженными износу. Цилиндрические зубчатые колеса бывают разных размеров и передаточных чисел, чтобы соответствовать приложениям, требующим определенной скорости или выходного крутящего момента.


Рисунок 4: Цилиндрический редуктор

Физические свойства

Цилиндрические зубчатые колеса обычно изготавливаются из металлов, таких как сталь или латунь, и пластмасс, таких как нейлон или поликарбонат. Материал, используемый для изготовления прямозубых шестерен, может варьироваться в зависимости от производителя.

Примечание. Шестерни, изготовленные из стали, могут издавать шум при контакте с другими шестернями, а также повышать их износ.

Применение прямозубых шестерен

Цилиндрические зубчатые колеса используются в приложениях, требующих снижения скорости с высоким выходным крутящим моментом.

• По длине
• Упаковка
• Контроль скорости
• Строительство
• Электростанции

Преимущества цилиндрических зубчатых колес

• Экономичный
• Высокое передаточное число
• Компактный
• Высокий выходной крутящий момент

Недостатки цилиндрических зубчатых колес

• Шумно
• склонны к износу

Червячный редуктор

Червячные передачи

Червячные передачи способны выдерживать высокие ударные нагрузки, низкий уровень шума и не требуют технического обслуживания, но менее эффективны, чем другие типы передач.Червячные передачи могут использоваться в прямоугольной конфигурации. Конфигурация червячного редуктора позволяет червяку легко поворачивать шестерню; однако шестерня не может вращать червяк. Предотвращение движения шестерни червяк можно использовать в качестве тормозной системы. Когда червячный редуктор не активен, он удерживается в заблокированном положении.


Рисунок 5: Червячный редуктор

Физические свойства

Червячные передачи обычно изготавливаются из алюминия, нержавеющей стали и чугуна.Используемый материал варьируется в зависимости от производителя.

Применение червячных передач

Червячные передачи используются в приложениях, требующих высоких скоростей и нагрузок, и их можно настроить для работы под прямым углом.

• Горное дело
• Прокатные станы
• Прессы
• Системы привода лифтов / эскалаторов

Преимущества червячных передач

• Высокая точность
• Прямоугольные конфигурации
• Тормозная система
• Низкий уровень шума
• Не требует обслуживания

Недостатки червячной передачи

• Ограничения
• необратимый
• Низкая эффективность

Планетарный редуктор

Планетарные передачи

Планетарные редукторы названы так из-за их сходства с солнечной системой.Компоненты планетарного редуктора включают солнечную шестерню, коронную шестерню и планетарные шестерни. Солнечная шестерня — это центральная шестерня, которая закреплена в центре, кольцевая шестерня (кольцевое кольцо), которая представляет собой внешнее кольцо с обращенными внутрь зубьями, и планетарные шестерни, которые вращаются вокруг солнечных шестерен и входят в зацепление как с солнечной, так и с коронной шестернями. .


Рисунок 6: Планетарный редуктор

Физические свойства

Солнечные, кольцевые и планетарные шестерни планетарного редуктора изготовлены из алюминия, нержавеющей стали или латуни.Используемый материал варьируется в зависимости от производителя.

Примечание. Шестерни, изготовленные из стали, могут издавать шум при контакте с другими шестернями, а также повышать их износ.

Применение планетарных редукторов

Планетарные редукторы используются в приложениях, требующих низкого люфта, компактных размеров, высокой эффективности, устойчивости к ударам и высокого отношения крутящего момента к весу.

• Поворотные приводы
• Лифты
• Краны
• Станки
• Автомобильная промышленность

Преимущества планетарных передач

• Высокая удельная мощность
• Компактный
• Высокая эффективность передачи энергии
• Повышенная стабильность
• Распределение нагрузки между планетарными передачами

Недостатки планетарных передач

• Высокие нагрузки на подшипник
• Комплексное проектирование
• Недоступность

Типы мотор-редукторов

Как следует из названия, мотор-редуктор состоит из электродвигателя (бесщеточный, щеточный, переменного тока, сервопривода) и зубчатого редуктора, также называемого коробкой передач, интегрированных в простой корпус.Комбинация мотор-редукторов снижает сложность и снижает затраты в конструкциях, требующих выхода с высоким крутящим моментом и низкой скоростью. Мотор-редукторы могут изготавливаться как единое целое или комбинироваться как отдельные компоненты. Мотор-редукторы, у которых двигатель и редуктор имеют общий вал, — это то, что подразумевается под интегральным. Anaheim Automation предлагает широкий выбор шаговых мотор-редукторов, бесщеточных мотор-редукторов, мотор-редукторов постоянного тока и мотор-редукторов переменного тока, интегрированных с цилиндрическими, планетарными или червячными передачами.

Мотор-редукторы используются во многих отраслях промышленности, а также в бытовой технике.Промышленное применение включает краны, подъемники, домкраты и конвейерные машины. Мотор-редукторы бытовой техники используются в стиральных машинах, миксерах, часах, ручных инструментах, таких как дрели и сушилки.

Как работают коробки передач?

Все коробки передач работают одинаково. Направления вращения шестерен зависят от входного направления и ориентации шестерен. Например, если начальная шестерня вращается по часовой стрелке, шестерня, которую она включает, будет вращаться против часовой стрелки.Это продолжается для нескольких передач. Комбинация шестерен разного размера и количества зубьев на каждой шестерне играет важную роль в выходном крутящем моменте и скорости вала. Высокие передаточные числа обеспечивают больший выходной крутящий момент и более низкие скорости, в то время как более низкие передаточные числа обеспечивают более высокую выходную скорость и меньший выходной крутящий момент.

Планетарный редуктор работает примерно так же. Система планетарной коробки передач состоит из трех основных компонентов: центральной солнечной шестерни, водила планетарной передачи (несущего одну или несколько планетарных шестерен) и кольцевого зазора (наружного кольца).Центральная солнечная шестерня приводится в движение планетарными шестернями (одинакового размера), установленными на водило планетарной передачи. Планетарные шестерни находятся в зацеплении с солнечной шестерней, а зубья наружных колец входят в зацепление с планетарными шестернями. Есть несколько конфигураций системы коробки передач. Типичные конфигурации состоят из трех компонентов: входа, выхода и одного стационарного компонента.

Например: одна возможная конфигурация — солнечная шестерня в качестве входа, кольцевое пространство в качестве выхода и водило планетарной передачи остается неподвижным.В этой конфигурации входной вал вращает солнечную шестерню, планетарные шестерни вращаются вокруг своих собственных осей, одновременно прикладывая крутящий момент к вращающемуся водилу планетарной передачи, который, в свою очередь, передает крутящий момент на выходной вал (который в данном случае является кольцевым пространством). Скорость вращения шестерен (передаточное число) определяется количеством зубьев каждой шестерни. Крутящий момент (выходная мощность) определяется как количеством зубцов, так и тем, какой компонент планетарной системы находится в неподвижном состоянии.

Как регулируются коробки передач?

Мощность двигателя (т.е.е. шаговые, бесщеточные двигатели, электродвигатели переменного тока и щеточные двигатели) используется в качестве входа коробки передач и регулирует скорость вращения коробки передач. В приведенной ниже конфигурации показано, как водитель управляет внешним двигателем, который подключен как входной вал коробки передач. В результате, когда водитель получает питание, вал двигателя вращается внутри коробки передач, заставляя вращаться выходной вал коробки передач. Выходная скорость и крутящий момент зависят от внутренней конфигурации коробки передач.

Как выбрать подходящую коробку передач

При выборе коробки передач необходимо учитывать множество факторов, чтобы соответствовать требованиям конкретного приложения:

Передаточное число
Передаточное число определяется как соотношение между количеством зубьев двух разных шестерен.Обычно количество зубьев шестерни пропорционально ее окружности. Это означает, что шестерня с большей окружностью будет иметь больше зубьев шестерни; поэтому соотношение между окружностями двух шестерен также может дать точное передаточное число. Например, если одна шестерня имеет 36 зубьев, а другая шестерня — 12 зубьев, передаточное отношение будет 3: 1.

Выходной крутящий момент
Выходной крутящий момент зависит от используемого передаточного числа. Чтобы получить высокий выходной крутящий момент, следует выбрать большое передаточное число.Использование большого передаточного числа снижает частоту вращения выходного вала двигателя. И наоборот, при использовании более низкого передаточного числа в систему будет передаваться меньшее значение выходного крутящего момента с большей скоростью двигателя на выходном валу. Это утверждение иллюстрирует взаимосвязь, согласно которой крутящий момент и скорость обратно пропорциональны друг другу.

Скорость (об / мин)
Скорость пропорциональна передаточному отношению системы. Например, если входная шестерня имеет больше зубьев, чем выходная шестерня, результатом будет увеличение скорости на выходном валу.С другой стороны, реверсивный сценарий с большим количеством зубьев шестерни на выходе по сравнению с входом приведет к снижению скорости на выходном валу. Как правило, выходную скорость можно определить путем деления входной скорости на передаточное число. Чем выше коэффициент, тем ниже будет выходная скорость, и наоборот.

Зубчатая передача
Зубчатая передача — это гениальная инженерная конструкция, которая предлагает различные преимущества по сравнению с традиционной конструкцией зубчатой ​​передачи с фиксированной осью.Уникальное сочетание эффективности передачи энергии и компактных размеров позволяет снизить потери эффективности. Чем эффективнее зубчатая передача (т.е. прямозубая, спиральная, планетарная и червячная), тем больше энергии она может передавать и преобразовывать в крутящий момент, а не терять энергию при нагревании.

Другой фактор применения, который следует учитывать, — это распределение нагрузки. Поскольку передаваемая нагрузка распределяется между несколькими планетами, крутящий момент увеличивается. Большее количество планет в системе передач увеличит нагрузочную способность и увеличит плотность крутящего момента.Зубчатые передачи улучшают стабильность и жесткость вращения благодаря сбалансированной системе, но это сложная и более дорогостоящая конструкция.


Рисунок 8: Фиксированная ось и планетарная зубчатая передача

На рисунке 8 зубчатая передача слева представляет собой традиционную зубчатую передачу с фиксированной осью, в которой шестерня приводит в движение большую шестерню по оси, параллельной валу. Справа представлена ​​система проектирования планетарной шестерни с солнечной шестерней (шестерней), окруженной более чем одной шестерней (планетарными шестернями), и заключена в внешнюю кольцевую шестерню.Две системы схожи по соотношению и объему, но конструкция планетарной передачи имеет в три раза более высокую плотность крутящего момента и в три раза большую жесткость из-за увеличенного числа контактов шестерни.

Система шестерен с фиксированной осью:
Объем = 1, крутящий момент = 1, жесткость = 1

Планетарная зубчатая передача:
Объем = 1, крутящий момент = 3, жесткость = 3

Другие редукторы, упомянутые в разделе «Типы редукторов» данного руководства, включают конические, косозубые, циклоидные, прямозубые и червячные.

Люфт
Люфт — это угол, на который выходной вал коробки передач может вращаться без движения входного вала, или зазор между зубьями двух соседних шестерен. Нет необходимости учитывать люфт для приложений, которые не включают реверсирование нагрузки. Однако в точных приложениях с реверсированием нагрузки, таких как робототехника, автоматизация, станки с ЧПУ и т. Д., Люфт имеет решающее значение для точности и позиционирования.

Преимущества коробки передач

• Низкий уровень шума
• Высокая эффективность
• Высокие передаточные числа
• Увеличение выходного крутящего момента
• Уменьшение выходной скорости
• Долговечный

Недостатки коробки передач

• Дороже, чем другие приводные системы
• Для плавной работы необходима надлежащая смазка.
• Плохо нарезанные зубья могут привести к чрезмерной вибрации и шуму во время работы.
• Качество имеет значение и увеличивает стоимость

Поиск и устранение неисправностей

Проблема: Коробка передач нагревается
Решение: Внешняя температура коробки передач может нагреваться по нескольким причинам.Ознакомьтесь со следующей информацией и примите необходимые меры для решения этой проблемы. Если температура редуктора слишком высокая, обратитесь к производителю.

1. Температура окружающей среды выше рекомендованного уровня. — Слишком высокая температура окружающей среды может снизить эффективность коробки передач. Установите охлаждающий вентилятор или переместите приложение в более подходящее место.

2. Правильная вентиляция — Правильная вентиляция необходима не только для коробки передач, но и для правильного функционирования всего электрического / механического оборудования.Убедитесь, что в области оборудования имеется достаточный поток воздуха для охлаждения системы.

3. Неправильная центровка вала — Первым делом необходимо проверить совмещение входного вала двигателя с коробкой передач. Необходимо, чтобы входной вал двигателя был совмещен с коробкой передач, чтобы гарантировать правильную работу коробки передач.

4. Перегрузка — Уменьшите нагрузку на коробку передач и посмотрите, снизится ли температура. В противном случае для вашего приложения может потребоваться более крупная модель коробки передач.

5. Смазка — Плохая смазка подшипников и шестерен. Проконсультируйтесь с производителем относительно информации о гарантии.

6. Неправильно установленные подшипники — Может потребоваться повторная сборка коробки передач. Проконсультируйтесь с производителем относительно информации о гарантии.

Проблема: Громкий / вибрационный шум
Решение: Громкие или вибрационные шумы могут быть вызваны множеством различных источников, обсуждаемых в этом разделе.

1. Неправильная установка — Неправильная установка может быть результатом ослабленных болтов или несоосности между двигателем и коробкой передач. Затягивание ослабленных болтов и выравнивание двигателя и коробки передач может решить проблему чрезмерного шума.

2. Слишком высокая скорость на входе — Снижение скорости на входе может помочь уменьшить шум.

3. Перегрузка — Уменьшение нагрузки может помочь уменьшить шум. В противном случае потребуется коробка передач модели большего размера.

4. Изношенные или поврежденные подшипники — Изношенные или поврежденные подшипники могут нуждаться в замене. Проконсультируйтесь с производителем относительно информации о гарантии.

5. Смазка — Шестерни / подшипники необходимо правильно смазывать для обеспечения сцепления. Проконсультируйтесь с производителем относительно информации о гарантии.

Проблема: Входные / выходные валы не вращаются
Решение: Перед выполнением приведенных ниже инструкций убедитесь, что вал двигателя вращается, чтобы устранить любую проблему с двигателем или коробкой передач.

1. Неправильная установка — Убедитесь, что все болты, соединяющие двигатель с коробкой передач, надежно затянуты.

2. Зубья шестерни изношены — Необходимо заменить изношенные шестерни. Обратитесь к своему дилеру за информацией о гарантии.

3. Шестерни в заблокированном положении — Шестерни могут нуждаться в замене из-за износа. Другая возможность может заключаться в том, что из коробки передач может потребоваться удалить посторонний предмет, что приведет к тому, что шестерни будут в заблокированном положении.Обратитесь к своему дилеру за информацией о гарантии.

Проблема: Износ зубьев шестерни
Решение: Износ редукторов — естественное явление. Правильное использование и техническое обслуживание системы могут помочь продлить срок службы коробки передач.

1. Неправильная установка — Убедитесь, что все болты, соединяющие двигатель и коробку передач, надежно затянуты.

2. Чрезмерная нагрузка — Износ шестерни вызван контактом с другими шестернями.Уменьшение нагрузки снизит натяжение шестерен друг с другом. Если требуется более высокая нагрузка, может потребоваться коробка передач большего размера.

3. Слишком высокая входная скорость — Снижение входной скорости может помочь уменьшить износ шестерен.

4. Температура окружающей среды выше рекомендованного уровня. — Слишком высокая температура окружающей среды может снизить КПД коробки передач. Это приложение может решить установка охлаждающего вентилятора или перемещение приложения в более подходящее место.

Стоимость коробки передач

Цена коробки передач варьируется и обычно зависит от размера, характеристик точности, люфта и передаточного числа, а также от конкретного производителя. Редукторы с люфтом в пределах 30 угловых минут могут стоить всего 500 долларов. Стоимость редукторов со значением люфта менее 5 угловых минут будет выше, чем у редукторов с высоким значением люфта. Ниже приведен список редукторов, предлагаемых Anaheim Automation.Подробные спецификации и цены доступны на нашем веб-сайте AnaheimAutomation.com для каждого из предлагаемых типов:

Формулы

Крутящий момент двигателя x Передаточное число = Крутящий момент на колесе

Скорость входного вала (об / мин) / передаточное число = скорость выходного вала

Передаточное число = зубья на одной передаче: зубья на второй передаче

Пример: если одна шестерня имеет 60 зубьев, а вторая шестерня — 20 зубьев, то передаточное отношение будет 3: 1

Где используются редукторы?

Развитие технологий и развитие зубчатых передач сделали редукторы более эффективными и мощными, разработка и производство которых требует меньших затрат.Системы зубчатых передач эволюционировали от зубчатых колес с фиксированной осью к новым и улучшенным зубчатым колесам, включая косозубые, циклоидные, прямозубые, червячные и планетарные зубчатые передачи. Редукторы широко используются в приложениях, требующих желаемой выходной скорости (об / мин), управления направлением вращения и передачи крутящего момента или мощности с одного входного вала на другой.

Редукторы используются в различных отраслях промышленности:

Aerospace — В аэрокосмической промышленности редукторы используются в космосе и воздушных путешествиях, т.е.е. самолеты, ракеты, космические аппараты, космические корабли и двигатели.
Сельское хозяйство — В сельском хозяйстве редукторы используются для вспашки, орошения, борьбы с вредителями и насекомыми, тракторы и насосы.
Автомобильная промышленность — В автомобильной промышленности коробки передач используются в автомобилях, вертолетах, автобусах и мотоциклах.
Строительство — В строительной отрасли коробки передач используются в тяжелой технике, такой как краны, вилочные погрузчики, бульдозеры и тракторы.
Пищевая промышленность — В пищевой промышленности редукторы используются в конвейерных системах, при переработке мясных и овощных продуктов, а также в упаковке.
Морская промышленность — В морской промышленности редукторы используются на лодках и яхтах.
Медицина — В медицинской промышленности редукторы используются в хирургических столах, кроватях пациентов, медицинских диагностических машинах, стоматологическом оборудовании и аппаратах МРТ и компьютерной томографии.
Электростанции — На электростанциях редукторы используются в трансформаторах, генераторах и турбинах.

Викторина

1. Какой люфт на коробке передач?

A. Угол поворота выходного вала коробки передач без движения входного вала.
B. Угол поворота входного вала коробки передач без движения выходного вала.
C. Угол поворота шестерен внутри коробки передач.

2. Какой тип коробки передач будет использоваться для работы под прямым углом?

А.Конический редуктор
B. Планетарный редуктор
C. Редуктор червячный
D. Цилиндрический редуктор
E. A и C

3. Редукторами можно управлять с помощью _________ двигателей?

A. Шаговый
B. Бесщеточный
C. Кисть
D. AC
E.Все вышеперечисленное

4. Выходная скорость коробки передач пропорциональна _____________?

A. Частота вращения первичного вала
B. Зубчатая передача
C. Передаточное число
D. Жесткость на кручение

5. Что НЕ является преимуществом коробки передач?

A. Высокая эффективность
Б.Увеличение / уменьшение выходного крутящего момента
C. Увеличение / уменьшение выходной скорости
D. Меньше затрат

6. Если бесщеточный двигатель, рассчитанный на 4000 об / мин, сочетается с коробкой передач с передаточным числом 3: 1, какова будет скорость выходного вала?

A. 4000 об / мин
B. 12000 об / мин
C. 1333 об / мин

7.В чем разница между косозубыми и цилиндрическими зубчатыми колесами?

A. Цилиндрические шестерни режутся под углом, а цилиндрические шестерни — прямо.
B. Цилиндрические шестерни нарезаны прямо, а прямозубые шестерни — под углом.
C. Цилиндрические зубчатые колеса более шумные, чем цилиндрические.

8. Зубчатая передача состоит из двух прямозубых шестерен. Входная шестерня имеет 25 зубьев, а выходная шестерня — 200 зубьев. Рассчитайте передаточное число.


Передаточное число = 200/25 = 8: 1

FAQ

В. Являются ли планетарные и цилиндрические редукторы двунаправленными?
A. Да, планетарные и цилиндрические редукторы предназначены для работы в двух направлениях. Направление вращения первичного вала и зубчатая передача коробки передач определяют вращение выходного вала.

В. Можно ли комбинировать двигатели Anaheim Automation с коробкой передач?
А.Двигатели Anaheim Automation могут быть собраны с коробкой передач для удовлетворения необходимых требований приложения. Двигатели и редукторы можно приобрести отдельно или в собранном виде. Возможна настройка. Будут применяться минимальные требования к покупке и соглашение о невозвращении / возврате.

В. Каков срок службы двигателей и редукторов Anaheim Automation?
A. Да, планетарные и цилиндрические редукторы предназначены для работы в двух направлениях.Направление вращения первичного вала и зубчатая передача коробки передач определяют вращение выходного вала.

В. Какой тип коробки передач будет использоваться для работы под прямым углом?
A. Конические и червячные редукторы используются в основном для работы с прямым углом. Они обладают высоким КПД и низким передаточным числом. Прямоугольный конический редуктор с прямолинейными зубьями используется в низкоскоростных приложениях, тогда как спирально-конические редукторы с изогнутыми зубьями используются в высокопроизводительных высокоскоростных приложениях.Червячные редукторы также доступны с прямоугольной конфигурацией. Они способны выдерживать высокие ударные нагрузки, низкий уровень шума, не требуют обслуживания, но менее эффективны, чем конические редукторы.

В. Можно ли использовать редукторы с обратным приводом?
A. Некоторые редукторы, например цилиндрические редукторы, могут иметь обратный привод, в то время как некоторые, например червячный редуктор, не могут иметь обратный привод.

В. Сколько планетарных шестерен в коробке передач?
A. Количество планетарных шестерен в коробке передач зависит от требований конкретного применения.Большинство планетарных редукторов состоит из двух или более планетарных шестерен.

В. В чем разница между прямозубыми и косозубыми шестернями?
A. Прямые зубчатые колеса имеют прямые и конические зубья и используются для низкоскоростных приложений. Цилиндрические шестерни обрезаны под углом, чтобы обеспечить постепенный контакт между зубьями шестерни. Это обеспечивает плавную и тихую работу. Цилиндрические зубчатые передачи применимы в мощных и эффективных приложениях.

Глоссарий


Рисунок 8: Фиксированная ось vs.Планетарная передача

Приложение — высота зуба шестерни над диаметром делительной окружности.

Люфт — угол, на который выходной вал коробки передач может перемещаться без перемещения первичного вала.

Базовая окружность — воображаемая окружность, используемая в эвольвентном зацеплении для создания эвольвент, образующих профили зуба.

Коническая шестерня — используется для работы под прямым углом. Есть два типа конических зубчатых колес: прямые и спиральные.

Диаметр отверстия — диаметр отверстия в звездочке, шестерне, втулке и т. Д.

Межосевое расстояние — расстояние между осями двух зацепленных шестерен.

Circular Thickness — толщина зуба на делительной окружности.

Dedendum — глубина зуба ниже диаметра делительной окружности.

Диаметральный шаг — количество зубьев на дюйм диаметра делительной окружности.

Дифференциальная шестерня — коническая шестерня, которая позволяет двум валам вращаться с разной скоростью.

Шестерня — колесо с зубьями, которое входит в зацепление с другим колесом с зубьями для передачи движения.

Центр шестерни — центр делительной окружности.

Передаточное число — соотношение между числами зубьев зацепляющих шестерен.

Зубчатая передача — две или более шестерни, зацепленные своими зубьями. Зубчатая передача генерирует мощность через вращающиеся зубчатые колеса.

Helical Gear — шестерня с зубьями шестерни, нарезанными под углом.

Линия контакта — линия или кривая, по которой две поверхности зуба касаются друг друга.

Эволюция — кривая, описывающая линию, разматываемую по окружности шестерни.

Шестерня — небольшое зубчатое колесо, которое подходит для более крупной шестерни или гусеницы.

Pitch Circle — кривая пересечения делительной поверхности вращения и плоскости вращения.

Диаметр шага — диаметр делительной окружности.

Pitch Radius — радиус делительной окружности.

Планетарные передачи — система, состоящая из трех основных компонентов: солнечной шестерни, коронной шестерни и двух или более планетарных шестерен. Солнечная шестерня расположена в центре, кольцевая шестерня — крайняя шестерня, а планетарные шестерни — шестерни, окружающие солнечную шестерню внутри кольцевой шестерни.

Угол давления — угол между линией действия и нормалью к поверхности зуба.

Спирально-конические шестерни — валы, перпендикулярные друг другу и используемые в угловых передачах.

Цилиндрическая шестерня — соедините параллельные валы с эвольвентными зубьями, параллельными валу.

Солнечная шестерня — шестерня, которая вращается вокруг своей оси и имеет другие шестерни (планетарные шестерни), которые вращаются вокруг нее.

Жесткость на кручение — мера величины крутящего момента, который радиальный вал может выдержать во время своего вращения в механической системе.

Рабочая глубина — максимальная глубина, на которую зуб одной шестерни входит в зубчатое колесо ответной шестерни.

Червячная шестерня — шестерня с одним или несколькими зубьями с резьбовой резьбой.

О коробках передач

Нажмите здесь, чтобы найти производителей редукторов

Коробки передач, обычно называемые трансмиссиями, представляют собой механические или гидравлические устройства, используемые для передачи мощности от двигателя или двигателя к различным компонентам в одной и той же системе.Обычно они состоят из ряда шестерен и валов, которые могут быть включены и отключены оператором или автоматической системой. Термин «коробка передач» также относится к корпусу, заполненному смазкой, который удерживает систему трансмиссии и защищает ее от различных загрязнений.

Большинство редукторов используются для увеличения крутящего момента и снижения выходной скорости вала двигателя; такие трансмиссии, многие из которых также включают возможность выбора из ряда передач, регулярно встречаются в автомобилях и других транспортных средствах.Шестерни с более низкой скоростью имеют повышенный крутящий момент и, следовательно, способны перемещать определенные объекты из состояния покоя, которые невозможно было бы перемещать при более высоких скоростях и меньших крутящих моментах; это объясняет полезность пониженных передач при буксировке и подъеме. В некоторых случаях шестерни предназначены для обеспечения более высоких скоростей, но меньшего крутящего момента, чем двигатель, что позволяет быстро перемещать легкие компоненты или повышать передачу для определенных транспортных средств. Самые простые трансмиссии просто перенаправляют выходной сигнал двигателя / вала двигателя.

Автомобильные трансмиссии делятся на три основные категории: автоматические, полуавтоматические и ручные. Механические коробки передач, как правило, являются наиболее экономичными, так как при переключении передач расходуется меньше топлива; в этих системах оператор определяет, когда следует переключать передачи, и включает механизм сцепления. Автоматические трансмиссии переключают передачи в зависимости от давления жидкости в коробке передач, и оператор имеет ограниченный контроль над системой. Полуавтоматические трансмиссии теперь находят более широкое применение и позволяют пользователю при необходимости задействовать систему ручного переключения передач, в то время как обычные передачи управляются автоматически.

В редукторах используется широкий спектр типов шестерен, включая червячные, конические и спирально-конические, косозубые и прямозубые. Каждый из этих механизмов разработан для выполнения определенной задачи в коробке передач, от снижения скорости до изменения направления выходного вала. Однако каждая дополнительная передача приводит к потере мощности из-за трения, а эффективность является ключом к правильной конструкции системы.

Анимация в сборе коробки передач:

Объяснение скорости двигателя

: когда использовать коробку передач

Если вы пропустили первую часть этой серии, возможно, вам стоит взглянуть на нее, прежде чем двигаться дальше.Мы обсудили, как различаются скорости вращения двигателей переменного и постоянного тока, а также способы изменения скорости. В этой статье мы обсудим коробки передач и то, как они могут помочь резко изменить скорость, когда предыдущих вариантов недостаточно.

Что такое коробка передач?

Коробка передач, также известная как зубчатый редуктор или редуктор скорости, представляет собой набор зубчатых колес, которые могут быть добавлены к двигателю для резкого снижения скорости и / или увеличения крутящего момента. Groschopp предлагает четыре различных типа редукторов: планетарный, с параллельным валом, прямоугольный червячный и прямоугольный планетарный (конический).Редукторы каждого типа работают в унисон с двигателем для достижения желаемой выходной скорости и крутящего момента.

Коробки передач и скорость

Для приложений только с двигателем: чем ниже скорость двигателя, тем больше должен быть двигатель. Большие двигатели могут быть дорогими и не умещаться в допустимом пространстве приложения. Использование коробки передач с двигателем меньшего размера позволяет устройству работать на более низких скоростях.

Чтобы понять важность использования коробки передач для снижения скорости двигателя, рассмотрим этот сценарий.У вас есть кондитерский конвейер, который добавляет вишневую начинку по мере прохождения выпечки. Поскольку это довольно небольшая нагрузка, вам не нужно , а не , чтобы конвейер работал со скоростью 5000 об / мин. Если бы это было так, везде была бы выпечка и вишневая начинка!

Коробки передач и крутящий момент

Крутящий момент прямо пропорционален объему двигателя (квадрат диаметра, умноженный на длину). Это означает, что очень большой двигатель и относительно маленькая коробка передач могут обеспечить одинаковый выходной крутящий момент.

Давайте еще раз посмотрим на наш пример конвейерного приложения.Допустим, ваш клиент перегружает двигатель конвейера крутящим моментом. Если у вас есть автономный двигатель, ему может не хватить крутящего момента для перемещения 50 тяжелых бутылок. Вам понадобится дополнительный крутящий момент, обеспечиваемый коробкой передач.

Выходной крутящий момент двигателей по сравнению с мотор-редукторами

Давайте посмотрим на эти концепции с другой стороны. В приведенной ниже таблице показано, что обычно вы получаете менее 5 фунт-дюймов крутящего момента при каждом увеличении размера двигателя. Чтобы значительно увеличить крутящий момент, коробка передач была бы меньшим по размеру и, вероятно, более экономичным решением.

Двигатель Напряжение Скорость Крутящий момент
PM6013 12 В 915 об / мин 1,54 дюйм-фунт
PM8014 12 В 934 об / мин 4,75 дюйм-фунт
PM8018 12 В 982 об / мин 6,8 дюйм-фунт

Давайте погрузимся глубже и выделим средний размер, двигатель PM8014 12 В постоянного тока, работающий при 934 об / мин и 4.75 фунт-дюймов крутящего момента.

Двигатель Напряжение Скорость Крутящий момент
PM6013 12 В 915 об / мин 1,54 дюйм-фунт
PM8014 12 В 934 об / мин 4,75 дюйм-фунт
PM8018 12 В 982 об / мин 6,8 дюйм-фунт

При небольшой нагрузке этот двигатель будет работать эффективно и на высокой скорости; если он перегружен, двигатель будет бороться за то, чтобы иметь достаточный крутящий момент для перемещения нагрузки.Это может повредить двигатель. Если к двигателю добавить редуктор с параллельными валами с передаточным числом 10: 1, скорость снизится с 934 об / мин до 93 об / мин, а крутящий момент увеличится до 36 фунт-дюймов. Это гораздо больший скачок крутящего момента без значительного увеличения размера двигателя.

На этой диаграмме показано, как добавление коробки передач может повлиять на скорость и крутящий момент.

Двигатель Напряжение Скорость Крутящий момент
12 В PM8014 Без коробки передач 934 об / мин 4.75 дюймов на фунт
12 В PM8014-PS 10: 1 93,4 об / мин 40,45 дюйм-фунт
12 В PM8014-PS 15: 1 62,3 об / мин 59,81 дюйм-фунт

Когда вы начинаете искать, какой двигатель или мотор-редуктор лучше всего подходит для вашего применения, важно подумать, какой фактор более важен: скорость или крутящий момент. Если требуются высокая скорость и низкий крутящий момент (или наоборот), мотор-редуктор с дробной мощностью может быть для вас хорошим решением.Но если приложению необходимо быстро перемещаться, и несут большую нагрузку, гораздо более мощный двигатель с более высоким выходным крутящим моментом может быть лучшим вариантом. Обязательно учитывайте физическое пространство и стоимость при сравнении вариантов двигателя.

границ | Компактные редукторы для современной робототехники: обзор

Введение

Промышленные роботы составляют основу нескольких крупных традиционных производств, включая автомобилестроение и электронику. Сегодня многие регионы мира видят реальную возможность возродить обрабатывающую промышленность, внедряя роботов на малых и средних предприятиях (МСП) и в вспомогательные услуги, как правило, в здравоохранении (SPARC, 2015).

Для крупномасштабных промышленных сред с высокой степенью автоматизации преимущество роботизированных решений по сравнению с людьми-операторами в основном заключается в (i) большей доступности и (ii) способности перемещать — обычно большие — полезные грузы с исключительной точностью позиционирования и с высокой скоростью. Эти аспекты имеют решающее значение при разработке и выборе подходящих технологий для промышленного робота, особенно для первичных двигателей и трансмиссий, обеспечивающих движение этих устройств.

Применения в производстве и персональном обслуживании малых и средних предприятий бросают вызов этой традиционной парадигме робототехники.Ключ к успеху в этих новых приложениях лежит в очень высокой степени гибкости, необходимой для обеспечения безопасного и эффективного прямого сотрудничества с людьми для достижения общих целей. Эта цель требует, чтобы роботы сначала развили способность безопасно взаимодействовать с людьми в дисциплине, обычно называемой pHRI — физическое взаимодействие человека и робота.

pHRI оказывает широкое влияние на срабатывание роботов. Опыт, накопленный за последние десятилетия, в основном в области робототехники в сфере здравоохранения, показывает, что для безопасного и эффективного взаимодействия с людьми роботы должны в основном двигаться, как люди, и, следовательно, жертвовать некоторыми из своих традиционных преимуществ с точки зрения полезной нагрузки, точности и скорости.Эта ситуация привела к обширным исследованиям в последние годы, охватывающим оптимальный выбор первичных двигателей и передач для срабатывания HRI (Zinn et al., 2004; Ham et al., 2009; Iqbal et al., 2011; Veale and Xie, 2016). ; Verstraten et al., 2016; Groothuis et al., 2018; Saerens et al., 2019).

Эти работы относятся к более широкой области исследований, изучающих оптимизацию соединения между первичным двигателем и коробкой передач для данной задачи в автоматических машинах. Быстрый обзор основных разработок в этой области дает полезные сведения, позволяющие понять влияние коробки передач на общую производительность системы.Паш и Серинг (1983) определили важность инерции при срабатывании и предложили использовать передаточное число для согласования инерции двигателя и отраженной нагрузки в качестве средства минимизации потребления энергии для чисто инерционной нагрузки. Чен и Цай (1993) применили эту идею к области робототехники и определили результирующую способность к ускорению конечного эффектора как определяющий параметр. Ван де Стрете и др. (1998) разделили характеристики двигателя и нагрузки, чтобы распространить этот подход на общую нагрузку, и предоставили метод определения подходящих передаточных чисел для дискретного набора двигателей и коробок передач.Roos et al. (2006) изучали выбор оптимального привода для трансмиссии электромобилей, добавляя вклад КПД коробки передач. Giberti et al. (2010) подтверждают инерцию ротора, передаточное отношение, эффективность коробки передач и инерцию коробки передач как наиболее важные параметры для выбора срабатывания и предлагают графический метод оптимизации этого выбора для динамической задачи. Петтерссон и Олвандер (2009) снова сосредоточились на промышленных роботах и ​​представили метод, который моделирует коробку передач с упором на массу, инерцию и трение.Резазаде и Херст (2014) используют очень точную модель двигателя и включают фундаментальный критерий выбора полосы пропускания в дополнение к минимизации энергии. Дрессчер и др. (2016) исследуют влияние трения на планетарный редуктор, в котором кулоновское трение является доминирующим механизмом трения, и демонстрируют, как КПД редуктора обычно становится преобладающим над КПД двигателя при высоких передаточных числах.

По сравнению с исходными моделями коробок передач, использовавшихся в этих работах, где коробки передач моделировались как идеальные передаточные числа, сложность моделей постепенно возрастала.Тем не менее, необходимо сделать важные — и нереалистичные — упрощения, чтобы добиться хорошей практической применимости этих методов. Таким образом, не учитываются важные эффекты, такие как жесткость на кручение и потерянное движение, в то время как модели инерции и эффективности коробки передач сильно упрощены. Это оправданный подход для множества приложений, где упрощенные методы могут помочь инженерам выбрать подходящие трансмиссии. Однако в HRI эти свойства слишком важны для пригодности коробки передач, и их нельзя так сильно упростить.

Следовательно, необходим другой подход, чтобы предоставить полезные рекомендации по выбору коробки передач в HRI, избегая чрезмерной сложности задач оптимизации в этой области. Предоставление подробных сведений об эксплуатационных свойствах и характеристиках различных технологий редукторов для обоснованного выбора — еще один вариант, следуя традициям таких работ, как Schempf and Yoerger (1993) или Rosenbauer (1995). Следуя этому подходу, Siciliano et al. (2010), Ли (2014), Шейнман и др.(2016) и Pham and Ahn (2018) предоставляют интересные обзоры высокоточных редукторов для современной робототехники. Однако технологии не анализируются достаточно подробно, чтобы получить хорошее представление о сложных механизмах, в которых они влияют на выполнение роботизированной задачи.

Основная цель этого обзора состоит в том, чтобы дополнить эти работы подробным анализом основных принципов, сильных сторон и ограничений доступных технологий. Помимо возможности прогнозирования будущего технологий редукторов в робототехнике, этот подход может помочь неспециалистам по редукторам определить подходящие технологии компактных редукторов для многофакторных требований новых робототехнических приложений (López-García et al., 2018). Для специалистов по коробкам передач из других областей этот анализ может помочь им получить полезную информацию о конкретных потребностях приложений HRI.

Это исследование начинается с краткого описания основных требований к будущим роботизированным трансмиссиям, чтобы затем представить структуру оценки, предназначенную для оценки пригодности и потенциала конкретной технологии коробок передач для этой области. Эта структура включает сильную перспективу pHRI и новый параметр — Latent Power Ratio — для оценки эффективности, присущей определенной топологии редуктора.Эта новая структура используется в первую очередь для обзора традиционных технологий редукторов, используемых в промышленных роботах, и новых технологий передачи, которые в настоящее время находятся в процессе выхода на рынок. Наконец, в конце документа приводится краткое изложение выводов, сделанных в результате этого обзора, вместе с нашими выводами и рекомендациями.

Система оценки роботизированных трансмиссий с расширенными возможностями HRI

Контроль

Управление роботизированными устройствами — очень широкая и сложная тема, которая является предметом обширной исследовательской литературы.В этом разделе мы ограничимся введением основных принципов линейности и отраженной инерции, которые являются основными для понимания влияния редуктора на управление.

Хотя в целом скорость и точность являются противоречивыми требованиями, обычные робототехнические устройства превосходны в достижении высокой точности позиционирования на высокой скорости благодаря использованию жестких приводов с очень линейным поведением (Cetinkunt, 1991). Включение роботизированной трансмиссии влияет на сложность управления в основном двумя способами: вносит дополнительную нелинейность и сильно влияет на отраженную инерцию.

Нелинейности, вызванные включением трансмиссии, принимают в основном форму люфта и / или трения и уменьшают полосу пропускания системы, создавая важные проблемы управления (Schempf, 1990). Заявление о зубчатых колесах приводит к люфту, трению и (нежелательному) соответствию, что затрудняет точное управление. (Hunter et al., 1991) сегодня так же актуально, как и почти 30 лет назад. Для некоторых технологий большие кинематические погрешности передачи и, в частности, нелинейное трение также могут вызывать значительные нелинейности.

Передачи также сильно влияют на отраженную инерцию системы. В роботизированном устройстве инерция первичного двигателя обычно на несколько порядков меньше, чем у полезной нагрузки, что делает систему нестабильной и создает серьезные проблемы с управлением. Добавление трансмиссии сильно снижает инерцию полезной нагрузки, которую видит первичный двигатель и которая отражается на него, на коэффициент, равный квадрату передаточного отношения трансмиссии. Таким образом, тщательный выбор трансмиссии может привести к более сбалансированной инерции на обеих сторонах трансмиссии, способствуя минимизации энергопотребления и созданию более надежной, стабильной и точной системы (Pasch and Seering, 1983).

Отраженная инерция особенно важна, когда рабочие органы претерпевают быстрые и частые изменения скорости и / или крутящего момента, что очень часто встречается в задачах автоматизации и робототехники. В этих случаях вводится перспектива полосы пропускания, чтобы подтвердить способность системы отслеживать эти изменения (Sensinger, 2010; Rezazadeh and Hurst, 2014). Это лежит в основе принципа управляемости задним ходом, способности системы демонстрировать низкий механический импеданс, когда она приводится в действие с естественной выходной мощности (с обратным приводом).Это особенно важно при частом двунаправленном обмене энергией между роботом и его пользователем, что типично для реабилитационных устройств или экзоскелетов. Как демонстрируют Ван и Ким (2015), управляемость коробки передач задним ходом включает в себя комбинированный эффект отраженной инерции, отраженного демпфирования и кулоновского трения, и, следовательно, это тесно связано с эффективностью коробки передач.

Это подчеркивает важность для оценки управляющего воздействия определенной технологии коробки передач как возможностей передаточного числа, так и нелинейностей (люфт, трение), которые она вносит.

Безопасность

Промышленные роботы традиционно размещаются за забором в хорошо структурированной среде, где они могут воспользоваться преимуществами своих быстрых и точных роботизированных движений, не подвергая опасности сотрудников-операторов.

Безопасный pHRI, включающий способность безопасно перемещаться в неструктурированной / неизвестной среде, обязательно тесно связан с управляемостью. Текущая стратегия, используемая робототехниками для достижения этой цели, состоит из формирования механического импеданса (Calanca et al., 2015), то есть позволяя контроллеру соответствия управлять сложным динамическим соотношением между положением / скоростью робота и внешними силами (Hogan, 1984).

Принцип прост: чтобы обеспечить хорошую адаптацию к неопределенной среде, а также целостность человека-оператора / пользователя во время взаимодействия с роботизированным устройством, последний должен двигаться в соответствии с требованиями человека (Karayiannidis et al. др., 2015). Это подчеркивает важность импеданса и внутреннего соответствия (De Santis et al., 2008) и объясняет появление нового типа внутренне гибких исполнительных механизмов для pHRI (Ham et al., 2009), где требуется высокая степень соответствия (Haddadin and Croft, 2016).

С точки зрения управления, инерция полезной нагрузки, отраженная к первичному двигателю, уменьшается на коэффициент, соответствующий квадрату передаточного числа. Точно так же обычно небольшая инерция ротора первичного двигателя усиливается тем же фактором при отражении в сторону полезной нагрузки, который должен быть добавлен к инерции, возникающей в результате движения роботизированного устройства и груза по соображениям безопасности, а также из соображений безопасности. ограничение рабочих скоростей.

Хотя в большинстве актуаторов pHRI сегодня используются редукторы с высоким передаточным числом, некоторые известные робототехники Seok et al. (2014), Сенсингер и др. (2011) видят большой потенциал робототехники в использовании двигателей с высоким крутящим моментом (бегунок), требующих очень малых передаточных чисел. Новые производители робототехнических решений, такие как Genesis Robotics из Канады или Halodi Robotics AS из Норвегии, предлагают приводы для робототехники, основанные на этих принципах. По их мнению, увеличение инерции двигателя и уменьшение передаточного числа должно приводить к снижению инерции двигателя, отражаемой на рабочий орган, что позволяет повысить рабочие скорости и / или полезную нагрузку без ущерба для целостности оператора.Низкие передаточные числа также имеют дополнительное преимущество в пропускной способности: они имеют меньшее трение и люфт, уменьшая нелинейность, вносимую коробкой передач. С другой стороны, умеренное передаточное число не может компенсировать нелинейные условия сцепления — обычно зубчатый момент (Siciliano et al., 2010).

При более внимательном рассмотрении технических характеристик этих новых двигателей возникают некоторые вопросы с точки зрения достижимой эффективности, веса или компактности, а также последствий для оборудования, возникающих в результате чрезмерной тяги к высоким электрическим токам (HALODI Robotics, 2018; GENESIS Robotics, 2020).

Подводя итог, нет полного согласия о том, как лучше всего подойти к безопасному срабатыванию для робототехники. Тем не менее, сильные естественные связи между безопасностью и управляемостью столь же очевидны, как и решающее значение передаточного числа трансмиссии и ее нелинейностей.

Вес и компактность

Облегченная конструкция имеет первостепенное значение для обеспечения совместимости безопасности и хорошей производительности в новых приложениях робототехники (Albu-Schäffer et al., 2008). Новейшие коллаборативные роботы (коботы), такие как облегченный робот KUKA, разработанный в сотрудничестве с Институтом робототехники и мехатроники Немецкого аэрокосмического центра (DLR), живут по этому принципу и, следовательно, сильно отличаются от тяжелых и громоздких традиционных промышленных роботов.Благодаря более низкой инерции, легкие коботы обеспечивают более высокую производительность — более высокие скорости — без ущерба для безопасности пользователя.

Этот выгодный аспект облегченной конструкции имеет и другие преимущества. Для мобильных робототехнических систем меньший вес означает большую автономию. В носимых вспомогательных роботизированных устройствах, включая протезы и экзоскелеты, легкий вес также является ключевым аспектом для повышения комфорта (Toxiri et al., 2019).

Высокая компактность — еще одна характерная черта этих новых роботизированных устройств: от коботов до вспомогательных устройств, компактность дает преимущества в маневренности и удобстве взаимодействия.

В роботизированных приложениях, предполагающих тесное сотрудничество с людьми или предоставление мобильных услуг, позиции по своей сути весьма неопределенны. Легкие и компактные конструкции особенно выгодны (Loughlin et al., 2007) для этих применений с двумя последствиями: первичные двигатели и трансмиссии — обычно самые тяжелые элементы в роботизированном устройстве — должны быть легкими и компактными, но легкие конструкции имеют тенденцию требуйте более низких крутящих моментов.

В отличие от веса коробки передач, определение подходящего критерия для оценки вклада коробки передач в компактность системы является более сложной задачей.Физический объем определенно играет роль, но наш опыт показывает, что фактическая форма коробки передач имеет тенденцию иметь большее влияние. Еще один аспект, о котором стоит упомянуть, — это наличие в некоторых конфигурациях редукторов свободного пространства для размещения материала или движущихся частей, таких как электродвигатели или выходные подшипники, также могут представлять особый интерес. Поэтому мы решили включить в нашу схему оценки приблизительную форму (диаметр × длина) выбранной коробки передач, в то время как наличие дополнительного места можно напрямую оценить с помощью предоставленных цифр для каждой из конфигураций.

Эффективность и виртуальная мощность

КПД

В таких областях, как автомобильные или ветряные турбины, эффективность редукторов долгое время находилась в центре внимания. В робототехнике, с другой стороны, эффективность до недавнего времени не становилась ключевым параметром при выборе подходящей коробки передач (Arigoni et al., 2010; Dresscher et al., 2016).

Более высокая эффективность — более низкие потери — позволяют снизить потребление энергии и прямо положительно влияют как на эксплуатационные расходы, так и на экологический след машины или устройства.Для мобильных и носимых роботизированных устройств более высокая эффективность помогает также снизить вес системы — требуются батареи меньшего размера — и в конечном итоге приводит к большей автономности и лучшему удобству использования (Kashiri et al., 2018).

В коробках передач есть еще одно преимущество в снижении потерь: большинство механических трансмиссий, используемых в робототехнике, имеют замкнутую форму и используют какой-либо контакт зубьев для передачи крутящего момента и движения между первичным двигателем и рабочим органом. Благодаря этому кинематическое соотношение между входной ω In и выходной скоростями ω Out заблокировано числом зубцов и определяет его передаточное число i K .В коробке передач без потерь передаточное отношение i τ между выходным и входным крутящими моментами τ точно соответствует обратному кинематическому передаточному отношению с противоположным знаком. Но в реальной коробке передач наличие потерь изменяет это равенство, и, поскольку кинематическое передаточное число заблокировано числом зубцов, абсолютное значение передаточного числа должно уменьшаться пропорционально потерям:

ωInωOut = iK = — η iτ = -ητOutτIn; где η — КПД системы.

Следовательно, высокие потери в коробке передач означают, что меньший крутящий момент доступен для рабочего органа и требуются большие передаточные числа для достижения такого же усиления крутящего момента.

Редукторы подвержены нескольким видам потерь. Чтобы классифицировать их, мы принимаем критерии, предложенные Talbot и Kahraman (2014), и разделяем их на зависимые от нагрузки (механические) потери мощности, возникающие из-за скольжения и качения контактных поверхностей, как в контактах шестерен, так и в подшипниках, и нагрузки -независимые (спиновые) потери мощности — возникают из-за взаимодействия вращающихся компонентов с воздухом, маслом или их смесью.

Виртуальная сила

Термин виртуальная мощность, насколько известно авторам, был первоначально введен Ченом и Анхелесом (2006), но это явление, объясняющее аномально высокие потери, присутствующие в некоторых планетных топологиях, долгое время было известно под разными названиями, включая Blindleistung (Wolf, 1958; Mueller, 1998) и скрытая или бесполезная мощность (Macmillan and Davies, 1965; Yu and Beachley, 1985; Pennestri and Freudenstein, 1993; Del Castillo, 2002).

В соответствии с принципом действия коробка передач всегда включает в себя высокоскоростную сторону с низким крутящим моментом и сторону с высоким крутящим моментом и низкой скоростью. Следовательно, его внутренние зубчатые зацепления обычно подвержены либо высокому крутящему моменту и низкой скорости, либо условиям высокой скорости и низкого крутящего момента. Однако в некоторых коробках передач из-за их особой топологии некоторые зацепления шестерен могут иметь одновременно высокую скорость и высокий крутящий момент. Зубчатые зацепления могут легко достичь КПД выше 98%, но поскольку генерируемые потери приблизительно пропорциональны произведению относительной скорости двух зубчатых элементов и крутящего момента, передаваемого через зацепление (Niemann et al., 1975), на этих высоконагруженных сетках появляются неожиданно большие потери. Виртуальная мощность обеспечивает основу для оценки вклада этого явления, которое в дальнейшем мы будем называть Топологической эффективностью коробки передач.

Некоторые из вышеупомянутых авторов предлагают методы для оценки топологической эффективности данной конфигурации и определения ее влияния на общую эффективность системы. В рамках Chen and Angeles (2006) виртуальная мощность определяется как мощность, измеренная в движущейся — неинерциальной — системе отсчета.Скрытая мощность , представленная Ю и Бичли (1985), соответствует виртуальной мощности, когда опорная рамка является несущим элементом коробки передач, а виртуальное передаточное число — это соотношение между виртуальной мощностью и мощностью, генерируемой внешним крутящим моментом. применяется по ссылке. Используя эти элементы, мы определяем Latent Power Ratio топологии коробки передач как отношение между суммой скрытых мощностей во всех зацеплениях и мощностью, потребляемой коробкой передач.Таким образом, большой коэффициент скрытой мощности соответствует низкой топологической эффективности и указывает на сильную тенденцию к возникновению больших потерь за счет зацепления.

Чтобы облегчить понимание практического влияния на общую эффективность топологической эффективности, характеризующейся скрытым коэффициентом мощности, данной конфигурации редуктора, мы используем на этом этапе уравнения, предложенные Макмилланом и Дэвисом (1965) для расчета упрощенный пример.

Комплектный редуктор для робототехники обычно включает в себя несколько зацепляющих контактов, каждый из которых имеет разные рабочие условия и параметры, что приводит к различной эффективности зацепления.Эти КПД очень высоки в оптимизированных зубчатых зацеплениях — часто выше 99% — и позволяют упростить наши расчеты, учитывая общую уникальную эффективность зацепления η м = 99% во всех зацепляющих контактах в нашем редукторе.

Во-первых, эталонный редуктор, идеальный с точки зрения топологической эффективности, имел бы только одно зацепление и коэффициент скрытой мощности L = 1. Таким образом, потери мощности внутри этого эталонного редуктора можно легко рассчитать как функцию входной мощности. как:

Таким образом, общая эффективность зацепления всего редуктора соответствует таковой для одиночного зацепляющего контакта:

ηsys, идеально = PIN-PLossPIN = ηm = 99%;

Неидеальный редуктор с таким же типовым η m во всех его зацеплениях и со скрытым коэффициентом мощности L, характеризующим его топологический КПД, указывает на то, что общие потери в редукторе можно приблизительно оценить следующим образом:

Ploss, L≈ PIN * L * (1-ηm)

И общая эффективность зацепления всей коробки передач теперь составляет:

ηsys, L = PIN-PLoss, LPIN≈L * ηm + (1-L)

Что для η м = 99% и для значения L = 50 дает:

Этот результат следует частично релятивизировать, потому что накопленные потери в первых зацеплениях, задействованных вдоль различных внутренних потоков мощности в коробке передач, приводят к тому, что меньшая виртуальная мощность, как предсказано этими уравнениями, будет течь через последующие зацепления.Эффект от этого заключается в том, что КПД обычно будет падать немного медленнее с коэффициентом скрытой мощности, а более реалистичное значение для предыдущего расчета обычно будет между 55 и 60%.

Чтобы частично компенсировать это большое влияние топологической эффективности на общую эффективность, конфигурации с большим скрытым коэффициентом мощности требуют чрезвычайно высокой эффективности зацепления: для достижения эффективности системы> 70% системе с L = 100 требуется средняя эффективность зацепления. выше 99.5%.

Поэтому в нашем дальнейшем анализе мы сосредоточимся только на оценке вклада топологической эффективности в эффективность коробки передач. Это позволяет нам использовать упрощенный метод для расчета коэффициента скрытой мощности, который, в первую очередь, не учитывает влияние на потери, вызванные уменьшением крутящего момента. Соответствующие расчеты, использованные для определения коэффициента скрытой мощности различных конфигураций редукторов, проанализированных в этой работе, включены в Приложение I.

Подводя итог, чтобы охарактеризовать важный эффект КПД коробки передач, мы оценим порядок величины трех параметров: (i) потери, зависящие от нагрузки, (ii) пусковой момент без нагрузки и (iii) коэффициент скрытой мощности.Хотя на него дополнительно влияет статическое трение, а не только кулоновское и вязкое трение, мы выбрали пусковой крутящий момент без нагрузки (относительно номинального крутящего момента) в качестве практического способа характеристики потерь, не зависящих от нагрузки. Наши обмены с производителями редукторов показывают, что это обычная практика, она не зависит от входной мощности и легко доступна в технических данных производителя.

Производительность

По сравнению со специальными машинами и машинами для автоматической сборки промышленные роботы не могут достичь тех же стандартов точности и скорости.Оба аспекта пришлось скомпрометировать, чтобы обеспечить большую степень гибкости и мобильности, а также рабочего пространства (Rosenbauer, 1995). С этой точки зрения HRI — это всего лишь еще один шаг в том же направлении: чтобы соответствовать дальнейшим потребностям гибкости и мобильности в неструктурированной среде, необходимы дополнительные компромиссы с точки зрения точности и скорости. Этот переход отражен на рисунке 1.

Рисунок 1 . Графическое описание перехода основных задач задач от машин через промышленных роботов и коботов к людям-операторам.

Точность и повторяемость

Множество аспектов редуктора вносят вклад в общую точность полного роботизированного устройства. Эти аспекты долгое время находились в центре внимания традиционной робототехники и сегодня хорошо изучены, так как работы, подобные работам Майра (1989), Шемпфа и Йоргера (1993) или Розенбауэра (1995), содержат очень хорошие ссылки для понимания этих сложных влияний. Эти исследования выявили особенно важную роль, которую играют потерянный ход и жесткость на кручение.

Lost Motion — это дальнейшее развитие принципа люфта, который описывает полное вращательное смещение, создаваемое приложением ± 3% от номинального входного крутящего момента.

Жесткость на кручение характеризует податливость всех элементов коробки передач при кручении во всем потоке сил под действием внешнего крутящего момента. Это достигается путем блокировки входа редуктора и постепенного увеличения крутящего момента, прилагаемого на выходе, при этом регистрируются изменения жесткости на кручение, приводящие к отклонениям от идеально линейного поведения.

По своей природе точные — малые потери движения и линейная высокая жесткость на кручение — редукторы упрощают задачу управления и обеспечивают высокую точность, идеально подходят для управления положением, в то время как менее точные редукторы создают более серьезные проблемы для управления положением и могут использоваться для более гибкого срабатывания. . В технологиях редукторов, где скорость оказывает сильное влияние на потери или с особенно нелинейным трением, также необходимо учитывать вклад этих элементов в точность.

Чтобы охарактеризовать возможности точности, наша конструкция включает потерю движения и жесткость на кручение, а также субъективную оценку изменения эффективности, вызванного изменениями скорости / крутящего момента.

Скорость и полезная нагрузка

Промышленные роботы могут обрабатывать большие полезные нагрузки за счет большой инерции. Для коботов, с другой стороны, соображения безопасности подразумевают, что они не должны справляться с такой большой полезной нагрузкой, но благодаря более легкой конструкции они действительно могут достичь большего отношения полезной нагрузки к массе.

Соображения безопасности также ограничивают степень, в которой это уменьшение массы может быть использовано для увеличения рабочих скоростей (Haddadin et al., 2009). Тем не менее, более низкий крутящий момент способствует использованию более легких и быстрых электродвигателей, что в принципе требует более высоких передаточных чисел для этих приложений.

Критерий для характеристики вклада коробки передач в скорость и характеристики полезной нагрузки должен отражать эти аспекты и побуждать нас использовать в нашей структуре (i) максимальную входную скорость, (ii) максимальный воспроизводимый выходной крутящий момент — так называемый момент ускорения — и номинальный крутящий момент, (iii ) передаточное число и (iv) отношение крутящего момента к массе как для номинального, так и для момента ускорения.

Сводка

Определение характеристик роботизированных коробок передач — сложная задача: высокая универсальность этих устройств и их сложное взаимодействие с первичными двигателями и системами управления делают прямое сравнение их характеристик особенно сложным.

Передаточное отношение продемонстрировало сильное влияние на производительность робототехнической системы. Это объясняет его предпочтительную роль в литературе, посвященной оптимизации срабатывания роботов, и растущий интерес робототехников к возможностям использования переменных передач (Kim et al., 2002; Карбон и др., 2004; Stramigioli et al., 2008; Жирар и Асада, 2017). Хотя мы убеждены, что трансмиссии с регулируемой передачей являются очень многообещающими и определенно будут способствовать формированию будущего ландшафта робототехники, мы ограничили наш анализ здесь компактными коробками передач с постоянным передаточным числом. На данный момент мы считаем, что нам лучше всего подойдет этот ограниченный объем, который может также способствовать выявлению потенциальных областей применения и подходящих технологий для трансмиссий с переменным передаточным числом.

На основе этого анализа мы предлагаем схему оценки будущих роботизированных коробок передач на основе следующих параметров:

• Передаточное число

• Ускорение и номинальный выходной крутящий момент

• Вес

• Форма: диаметр × длина

• Ускорение и номинальный крутящий момент к массе

• КПД: пиковое значение и субъективная зависимость от скорости и крутящего момента

• Топологическая эффективность: коэффициент скрытой мощности

• Пусковой крутящий момент при прямом и обратном движении без нагрузки в% от номинального входного крутящего момента

• Потери, не зависящие от нагрузки

• Потерянное движение

• Максимальная входная скорость

• Жесткость на кручение

Наша структура включает также эталонный вариант использования, характерный для множества задач pHRI согласно нашему собственному опыту: моменты ускорения более 100 Нм и передаточные числа более 1: 100, для которых необходимо оптимизировать вес, компактность и эффективность.

Обзор технологий передачи данных, используемых в настоящее время в промышленных роботах

Электродвигатели, оснащенные механическими трансмиссиями, обычно используются в качестве исполнительных механизмов в робототехнике (Rosenbauer, 1995; Scheinman et al., 2016), а также в промышленных роботах. Эти механические трансмиссии почти неизбежно основаны на какой-то зубчатой ​​передаче (Sensinger, 2013).

Благодаря их большей способности снижать общий вес и поскольку электродвигатели имеют тенденцию иметь более высокий КПД на высоких рабочих скоростях, другой характеристикой промышленных роботизированных трансмиссий является использование относительно больших коэффициентов передачи (передаточных чисел), обычно выше 1:40. (Розенбауэр, 1995).

Планетарные редукторы: чрезвычайно универсальная платформа

Планетарные зубчатые передачи

(PGT) — это компактные, универсальные устройства, широко используемые в силовых передачах. Благодаря характерной коаксиальной конфигурации и хорошей удельной мощности они особенно подходят для вращающихся первичных двигателей, таких как электродвигатели.

PGT

могут использовать две дифференцированные стратегии для достижения высоких коэффициентов усиления: (i) добавление нескольких ступеней обычных высокоэффективных PGT — здесь называемых редукторами и представленных на рисунке 2 — или (ii) использование особенно компактных конфигураций PGT с возможностью получения высоких передаточные числа.

Рисунок 2 . Внутреннее расположение редуктора Neugart с указанием его основных элементов, адаптировано из Neugart (2020) с разрешения © Neugart GmbH. Он также включает схему базовой топологии.

Хотя использование нескольких ступеней редукторов позволяет наилучшим образом использовать эффективность зацепления высоких шестерен и приводит к высокоэффективным редукторам, это обычно приводит к тяжелым и громоздким решениям. Компактные конфигурации PGT с другой стороны могут достигать высоких передаточных чисел в очень компактных формах, но они страдают от удивительно высоких потерь, связанных с высокими виртуальными мощностями (Crispel et al., 2018).

Особенно компактная конфигурация PGT для высоких передаточных чисел была впервые изобретена Вольфромом (1912) и использовалась в редукторах серии RE компании ZF Friedrichshafen AG (ZF), предназначенных для промышленных роботов (Looman, 1996). Эта конфигурация, показанная на Рисунке 3, сильно зависит от Virtual Power, и ZF представляет собой единственное известное коммерческое применение конфигураций PGT, отличное от обычных редукторов. Хотя производство серии RE было прекращено в 90-х годах, Wolfrom PGT в последнее время пользуются растущим интересом сообщества исследователей робототехники, как мы резюмировали в предыдущей статье авторов (López-García et al., 2019а).

Рисунок 3 . Внутреннее устройство ZF’s RG Series Wolfrom PGT для роботизированных приложений адаптировано из Looman (1996) с разрешения © 1998 Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Он также включает схему базовой топологии.

В таблице 1 представлена ​​оценка PGT. Несмотря на завышенные размеры для нашего теста, мы использовали ZF RG350 Wolfrom PGT, чтобы попытаться оценить потенциал конфигураций PGT с высоким коэффициентом передачи, основываясь на имеющихся доказательствах его пригодности для достижения высоких коэффициентов (Арнаудов и Караиванов, 2005; Mulzer, 2010 ; Капелевич и AKGears LLC, 2013).Для редукторов мы выбрали — при поддержке производителей — подходящие решения из портфолио Wittenstein и Neugart. Стоит отметить важную роль, которую играет максимальное передаточное число на ступень в редукторе: в то время как Виттенштейн ближе к максимуму осуществимости, определяемому избеганием контакта между соседними планетами, Нейгарт выбирает в своей серии PLE (серия PLFE может достигать 1: 100 соотношений только в два этапа) более ограничительный подход и, следовательно, для достижения общего усиления 1: 100 требуется три этапа вместо двух для Виттенштейна.Это приводит к менее компактным решениям и более низкой эффективности для приложения 1: 100, но позволяет Neugart достичь более высокого прироста — до 1: 512 — без фундаментальных изменений веса, размера или эффективности.

Таблица 1 . Схема оценки решений с планетарной зубчатой ​​передачей.

Редукторы

имеют вес около 4 кг, что нельзя напрямую сравнивать с увеличенными размерами RG350. RG350 имеет форму с большим диаметром и меньшей длиной, чем редукторы.Что касается отношения крутящего момента к весу, значения обоих решений кажутся относительно близкими.

Редукторы

имеют сильное преимущество в их хорошем КПД (выше 90%), который также менее чувствителен к изменениям рабочих условий, а пусковые моменты холостого хода очень низкие. Конфигурации с высоким коэффициентом полезного действия показывают, насколько сильно ограничивается топологическая эффективность, что приводит к снижению эффективности. Это, вероятно, объясняет, почему редукторы сегодня являются доминирующей технологией PGT в робототехнике.

PGT показывают самые высокие входные скорости (до 8 500 об / мин), но их потери хода также самые большие (4–6 Arcmin) в обычных редукторах. В робототехнике PGT широко использовались в первых промышленных роботах, в то время как в последние десятилетия их использование сильно сократилось, в основном из-за их ограничений, связанных с уменьшением люфта. Несмотря на то, что существуют механизмы, ограничивающие изначально более значительную обратную реакцию PGT, на практике они основаны на введении определенной предварительной нагрузки, что отрицательно сказывается на их эффективности (Schempf, 1990).

Гармонические приводы: без люфта, легкий редуктор с волновой деформацией

Редуктор Strain Wave был изобретен Массером (1955) и нашел широкое применение в 70-х годах, первоначально в аэрокосмической отрасли. Его основное космическое применение было в качестве механического передающего элемента в аппарате лунохода Аполлона 15 в 1971 году (Schafer et al., 2005).

Его название происходит от характерной деформации его Flexspline , нежесткой, тонкой цилиндрической чашки с зубьями, которая служит выходом.Flexspline входит в зацепление с фиксированным сплошным круглым кольцом с внутренними зубьями шестерни Circular Spline , в то время как он деформируется вращающейся эллиптической заглушкой — волновым генератором , как показано на Рисунке 4. Этот тип коробки передач является наиболее распространенным. обычно называют Harmonic Drive © (HD) из-за очень эффективной стратегии защиты IP.

Рисунок 4 . Внутренняя конфигурация коробки передач Harmonic Drive CSG (слева), адаптированная из Harmonic Drive (2014) с разрешения © 2019 Harmonic Drive SE, и коробка передач E-Cyclo (справа), адаптированная из SUMITOMO (2020) с разрешения © Sumitomo Drive, 2020 Germany GmbH.Также включена схема лежащей в основе топологии KHV, используемой для расчета его скрытого коэффициента мощности в Приложении I.

Для нашего сравнительного анализа мы выбрали два подходящих редуктора Harmonic Drive, CSD-25-2A, предназначенный для интеграции в роботизированное соединение, чтобы обеспечить адекватные структурные граничные условия, и сверхлегкий редуктор CSG-25-LW, представляющий конструктивно достаточное решение. что может быть более прямо по сравнению с другими технологиями. Совсем недавно компания SUMITOMO представила новую коробку передач E-CYCLO, работающую также на принципе действия волны деформации.SUMITOMO предоставил нам доступ к своему самому последнему каталогу (SUMITOMO, 2020), что позволило нам включить его в наш тест (Таблица 2). Еще одна интересная волна деформации, очень похожая на гармонический привод, недавно была также представлена ​​GAM в своей серии коробок передач для робототехники, которая включает также планетарные зубчатые передачи и циклоидные приводы (GAM, 2020).

Таблица 2 . Схема оценки решений волн деформации.

Выбранная модель CSG имеет значительно больший крутящий момент, чем предполагалось в нашем тесте.Форма имеет больший диаметр, чем длина, а вес значительно ниже, чем у других технологий, и приводит к лучшему соотношению крутящего момента к массе из проанализированных технологий. Действительно, характерное зацепление с несколькими зубьями обеспечивает большее сопротивление крутящему моменту, чем в PGT, что делает эту технологию очень подходящей для соединений, расположенных ближе к рабочему органу, где они часто встречаются в современных промышленных роботах.

Пиковый КПД ниже, чем у редукторов, и ближе к RG350, а КПД особенно чувствителен к условиям эксплуатации.Поезда Strain Wave демонстрируют большие потери, не зависящие от нагрузки, и пусковые моменты без нагрузки, особенно в условиях обратного движения, которые становятся особенно критическими для высоких скоростей и / или низких крутящих моментов (Harmonic Drive, 2014). Для роботизированных устройств HRI, подверженных частым изменениям скорости и полезной нагрузки в сочетании с обменом энергией между роботизированным устройством и пользователем, это означает, что средняя эффективность быстро падает ниже 40–50% (López-García et al., 2019b). Также стоит отметить их большой коэффициент скрытой мощности, указывающий на одновременное присутствие высоких крутящих моментов и скоростей в зацеплении зубьев, что также помогает объяснить относительно низкий КПД.

Еще раз, благодаря зацеплению с несколькими зубьями, можно достичь потерянных движений ниже 1 угловой минуты, что дает этому редуктору сильное преимущество, которое помогает гармоническим приводам находить широкое применение в промышленных роботах. Они смогли вытеснить PGT из многих приложений, особенно после значительного улучшения характеристик, вызванного новой геометрией зубьев, представленной этой компанией в 90-х годах, что также улучшило линейность их жесткости (Slatter, 2000).

Максимальная входная скорость раньше была сильным ограничением для использования редукторов HD (Schempf, 1990), но новые достижения и улучшения конструкции позволяют им теперь достигать 7500 об / мин.

Циклоидные приводы: для высокой прочности и жесткости на кручение

С момента своего изобретения Лоренцем Брареном в 1927 году (Li, 2014) циклоидные приводы нашли применение в основном в лодках, кранах и некотором крупном оборудовании, таком как прокатные станы или станки с ЧПУ. В циклоидных приводах эксцентричное входное движение создает шаткое циклоидальное движение одиночного большого планетарного колеса, которое затем преобразуется обратно во вращение выходного вала и приводит к высокой редукционной способности (Gorla et al., 2008), см. Рисунок 5.

Рисунок 5 . Внутренняя конфигурация циклоидных приводов SUMITOMO Fine Cyclo F2C-A15 и Fine Cyclo F2C-T155, идентифицирующая их основные элементы, адаптирована из SUMITOMO (2017) с разрешения © Sumitomo Cyclo Drive Germany GmbH, 2017. Он также включает схему лежащих в основе топологий.

Таблица 3 включает лидера рынка (NABTESCO RV) в этом сегменте и основных претендентов (SPINEA и SUMITOMO). RV от NABTESCO и серия Fine-Cyclo T от SUMITOMO включают в себя обычную ступень PGT с предварительным зацеплением.Полезная нагрузка этих устройств больше, чем требуется для нашего теста, и приводит к большому весу. Это уже дает ценную информацию: более компактные решения недоступны на рынке и, согласно информации, предоставленной некоторыми производителями, менее интересны, поскольку для них потребуется высочайшая точность производства и, в конечном итоге, приведет к высоким затратам.

Таблица 3 . Схема оценки решений для циклоидных приводов.

Формы аналогичны коробкам передач с волновой деформацией, а по массе больше и ближе к весам PGT по вышеупомянутым причинам.Отношение крутящего момента к массе больше, чем у PGT, но немного ниже, чем у редукторов с волновой деформацией. Основное преимущество циклоидных приводов заключается именно в их способности выдерживать большие нагрузки и особенно ударные нагрузки, а также в минимальных затратах на техническое обслуживание.

Пиковый КПД выше, чем у редукторов с волновой деформацией, и ближе к КПД PGT, но КПД сильно зависит от условий эксплуатации (Михайлидис и др., 2014), а пусковые моменты холостого хода и коэффициент скрытой мощности высокие, как аналогично редукторам с волновой деформацией.

Хотя они, как правило, имеют некоторый люфт, который, если их конструкция часто компенсируется, достигает уровней, сопоставимых с уровнями редукторов с волновой деформацией, вероятно, за счет немного более высокого трения. Их жесткость на кручение — самая большая из проанализированных технологий редукторов.

Приводы

Cycloid имеют неотъемлемое ограничение на работу с высокими входными скоростями, вызванное наличием большого и относительно тяжелого планетарного (кулачкового) колеса, что приводит к большим инерциям и дисбалансу.Это мотивирует использование, как правило, двух планетарных колес, расположенных последовательно и смещенных на 180 градусов друг к другу, для устранения дисбаланса, уменьшения вибраций и увеличения входной скорости. Это объясняет, как благодаря объединению циклоидных приводов со ступенями предварительного зацепления, состоящими из обычных ступеней PGT, циклоидные приводы получили широкое распространение в робототехнике. Такое расположение повышает эффективность, снижает чувствительность к высоким входным скоростям и обеспечивает легкую адаптацию их передаточных чисел.В 90-х годах гармонические приводы доминировали на рынке роботизированных коробок передач, но усовершенствования циклоидной технологии позволили циклоидным приводам начать покорять бездорожье, сначала в Японии, а затем в других местах (Rosenbauer, 1995). В настоящее время производители, такие как NABTESCO, SUMITOMO или NIDEC, предлагают циклоидные гибриды с интегрированным передаточным механизмом PGT, покрывающие более 60% рынка роботизированных коробок передач, и поэтому стали новой доминирующей технологией, особенно для проксимальных суставов, подверженных более высоким нагрузкам и меньшим ограничениям по весу (WinterGreen Исследования, 2018).

Наконец, стоит упомянуть наличие относительно большой пульсации крутящего момента, которая вносит нелинейности и усложняет их регулирование. Эта пульсация крутящего момента связана с необходимостью использования циклоидных профилей зубьев, чтобы избежать столкновения зубьев между большим планетарным колесом (-ами) и зубчатым венцом, что делает эти устройства чрезвычайно чувствительными к изменениям межцентрового расстояния, возникающим даже из-за небольших производственных ошибок. Существует несколько попыток улучшить эту ситуацию, используя эвольвентные зубья, менее чувствительные к колебаниям межцентрового расстояния, с уменьшенными углами давления и / или коэффициентами контакта для минимизации радиальных сил и повышения эффективности (Morozumi, 1970), а также с использованием других форм нестандартных зубьев. -инволютные зубы (Коряков-Савойский и др., 1996; Хлебаня, Куловец, 2015).

Обзор новейших технологий передачи в робототехнике

Усилитель крутящего момента REFLEX

Genesis Robotics привлекла большое внимание в сообществе робототехники с появлением их двигателя с прямым приводом, LiveDrive © . Согласно Genesis, LiveDrive в двух доступных топологиях — радиальном и осевом потоках — обеспечивает сравнительные характеристики в соотношении крутящего момента к массе. Двигатель с осевым потоком может достигать 15 Нм / кг, в то время как радиальный поток ограничивается максимум 10 Нм / кг.

Чтобы расширить спектр применения, Genesis Robotics представила совместимую коробку передач, получившую название Reflex , которая показана на рисунке 6. Эта литая под давлением сверхлегкая пластиковая коробка передач предназначена для легких роботов, хотя изначально она была разработана для совместной работы с LiveDrive. и поэтому он нацелен на передаточные числа ниже 1:30, он также способен обеспечивать передаточные числа до 1: 400 (GENESIS, 2018).

Рисунок 6 . Внутренняя конфигурация и основные элементы редуктора Reflex адаптированы из GENESIS Robotics (2020) с разрешения © Genesis Robotics, 2019.Он также включает схему базовой топологии.

В основе топологии лежит топология Wolfrom PGT с несколькими меньшими планетами (Klassen, 2019), в которой реактивное (неподвижное) кольцевое зубчатое колесо разделено на две части для балансировки в соответствии с конструкцией, первоначально предложенной Россманом (1934) и используемой в качестве хорошо в аппарате Hi-Red Tomcyk (2000).

В редукторе Reflex выходное кольцо также разделено для облегчения сборки с косозубыми зубьями. Еще одним интересным аспектом этой конструкции является заклеенная лентой форма планет, которая, как подозревают авторы, связана с возможностью предварительной нагрузки системы для достижения нулевого люфта, который, как утверждает Genesis, возможен с этой коробкой передач.По заявлению компании, гибкость пластиковых планетарных колес также дает преимущество в уменьшении люфта.

К сожалению, пока нет независимых тестов для подтверждения заданных характеристик, и никаких официальных данных, особенно по эффективности, на данный момент от Genesis не имеется, поэтому в Таблицу 4 включено только значение Latent Power Ratio, вытекающее из его топологии.

Таблица 4 . Схема оценки новых технологий редукторов.

Таким образом, хотя лежащая в основе топология Wolfrom указывает на то, что эффективность, безусловно, будет сложной задачей, эта инновационная коробка передач демонстрирует большой потенциал для переосмысления существующих технологий и их адаптации к будущим потребностям робототехники. Genesis Robotics недавно вступила в интересное партнерство с известными промышленными компаниями, такими как Koch Industries Inc. и Demaurex AG.

проезд Архимеда

IMSystems из Нидерландов является дочерней компанией Делфтского технологического университета, созданной в 2016 году для использования изобретения Archimedes Drive (Schorsch, 2014).

Привод Архимеда снова повторяет топологию редуктора Wolfrom (также с разрезным реактивным зубчатым венцом в некоторых его конструкциях), но включает в себя революционное новшество в использовании роликов вместо зубчатых колес для замены зубчатых контактов контактами качения, см. Рисунок 7. Контролируемая деформация планетарных роликов позволяет передавать крутящий момент между планетами аналогично колесам транспортного средства.

Рисунок 7 . Внутренняя конфигурация привода Архимеда с деталями, показывающими его планеты Flexroller, адаптирована из IMSystems (2019) с разрешения © 2019 Innovative Mechatronic Systems B.V., со схемой лежащей в основе топологии.

Характеристики, представленные в таблице 4, взятой из брошюры компании (IMSystems, 2019) и доступной по запросу, показывают, что использование топологии Wolfrom дает этому устройству возможность достигать очень высоких передаточных чисел в компактной форме, но это также приводит к низкой топологической эффективности. Согласно IMSystems, замена контакта зубчатого колеса на контакт качения способствует минимизации контактных потерь, которые, в частности, при передаче крутящего момента между планетарной передачей и кольцевыми роликами должны компенсировать высокое латентное соотношение мощности и приводить к максимальному КПД. около 80% (IMSystems, 2019).Никаких данных о пусковых моментах или потерях, не зависящих от нагрузки, не приводится.

Чтобы обеспечить передачу высокого крутящего момента без проскальзывания, необходимо строго контролировать деформацию роликов планетарного механизма, а также производственные допуски коробки передач. Это представляет собой одну из основных технологических проблем, и это ядро ​​инноваций, вносимых этой технологией (Schorsch, 2014).

NuGear

STAM s.r.l. — частная инженерная компания из Генуи, которая помогла разработать роботизированный сустав для гуманоидного робота I-Cub.Их NuGear — это нутационная коробка передач, которая изначально была задумана (Барбагелата и Корсини, 2000) для космических приложений, но могла бы развить свой потенциал для робототехники также за счет исследования альтернативных производственных средств.

Пока нет общедоступной информации о рабочих характеристиках этой коробки передач, что означает, что мы можем предоставить здесь только предварительный анализ ее топологии и результирующих характеристик, которых можно ожидать на основе ограниченной информации, доступной в основном из проекта Caxman EU ( CAxMan, 2020), для которого NuGear был примером использования, и из доступных патентов (Barbagelata et al., 2016).

На рисунке 8 внутренняя структура NuGear представлена ​​с использованием эквивалентной конфигурации PGT — для облегчения понимания абстрагируется аспект нутации. Таким образом становится ясно, что NuGear напоминает два PGT Wolfrom, для которых несущая используется в качестве входа, соединенных последовательно, и где каждый из них соответствует одному из двух этапов, определенных в Barbagelata et al. (2016). Это еще раз указывает на то, что в этой коробке передач будет присутствовать относительно высокий коэффициент скрытой мощности.Для передаточного числа 1: 100 и при условии сбалансированного усиления 1:10 на каждой из двух ступеней, как предложено в Barbagelata et al. (2016), мы получаем, используя уравнения, выведенные в Приложении I, коэффициент скрытой мощности 32, что указывает на топологическую эффективность, аналогичную таковой у Wolfrom PGT.

Рисунок 8 . Внутренняя конфигурация двухступенчатой ​​коробки передач NuGear для версии с оппозитными контактами планет адаптирована из CAxMan (2020) с разрешения © Stam S.r.l. Он также включает схему базовой топологии.

Еще предстоит подтвердить, в какой степени использование методов аддитивного производства может помочь STAM s.r.l. снизить большие затраты на производство конических зубчатых колес, а также определить, сможет ли операция нутации достичь достаточной надежности и более компактной формы, которые могут открыть дверь для ее использования в области робототехники (CAxMan, 2020).

Двусторонний привод

Компания FUJILAB в Иокогаме предложила в Fujimoto (2015) коробку передач с высокой степенью управляемости для робототехники, которая особенно подходит для работы без датчика крутящего момента (Kanai and Fujimoto, 2018).

Как видно на Рисунке 9, конфигурация этого устройства снова аналогична PGT Wolfrom. При такой топологии Fujimoto et al. смогли достичь при передаточном числе 1: 102 КПД при движении вперед 89,9% и КПД при движении задним ходом 89,2%. Пусковой крутящий момент без нагрузки в обратном направлении составил 0,016 Нм в коробке передач с внешним диаметром ~ 50 мм (Kanai and Fujimoto, 2018). Стратегия достижения такой высокой эффективности с топологией Wolfrom заключается в оптимизации коэффициентов сдвига профиля (Fujimoto and Kobuse, 2017).

Рисунок 9 . Внутренняя конфигурация двустороннего привода, высокоэффективной коробки передач, способной обеспечивать передаточное число 1: 102 с использованием топологии Wolfrom, любезно предоставлено © Yasutaka Fujimoto.

Эти многообещающие результаты — см. Таблицу 4 — показывают, что выравнивание коэффициентов подвода и углубления посредством оптимизации коэффициентов смещения профиля может привести к чрезвычайно высокой эффективности зацепления. Насколько известно авторам, эта стратегия была первоначально предложена Хори и Хаяши (1994) и особенно интересна в топологии Wolfrom, где она в конечном итоге может обеспечить эффективность выше 90% в сочетании с высокими передаточными числами и компактными топологиями.

Зубчатый подшипник привода

Вслед за новаторской работой в этой области Джона М. Враниша из НАСА, результатом которой стало изобретение планетарной передачи без водила во Вранише (1995) и подшипников с частичными зубьями (Враниш, 2006), NASA Goddard Space Центр управления полетами представил свою концепцию нового зубчатого подшипника в Вайнберге и др. (2008).

Северо-Восточный университет в Бостоне продолжил разработку этого нового привода для применения в роботизированных соединениях.Как можно увидеть на Рисунке 10, он включает в себя редуктор Wolfrom, адаптированный для использования без несущей конструкции Vranish и зубчатых подшипников. Подшипники шестерен представляют собой контакты качения, которые предусмотрены для каждой пары зубчатых зацеплений в соответствии с их делительным диаметром и уменьшают нагрузку на подшипники коробки передач (Brassitos et al., 2013). Эта топология обеспечивает удобную интеграцию электромотора, который, следовательно, встроен в полую часть большого солнечного зубчатого колеса в конфигурации, специально предназначенной для космических приложений (Brassitos and Jalili, 2017).

Рисунок 10 . Внутренняя конфигурация зубчатого подшипника, включая встроенный бесщеточный двигатель, адаптирована из Brassitos and Jalili (2017) с разрешения © 2017 Американское общество инженеров-механиков ASME. Справа также показана лежащая в основе топология Wolfrom с расщепленным реакционным кольцом.

В Brassitos and Jalili (2018) металлический прототип привода с зубчатым подшипником с передаточным числом 1:40 характеризуется жесткостью, трением и кинематической погрешностью.Измерения полностью соответствуют данным FUJILAB и подтверждают низкий пусковой момент без нагрузки в этой конфигурации (0,0165 Нм для внешнего диаметра коробки передач ~ 100 мм). После экспериментального измерения жесткости, трения и кинематической погрешности их привода (Brassitos and Jalili, 2018) интегрировали эти значения в динамическую модель, которая затем была смоделирована и сравнена с откликом скорости разомкнутого контура системы при свободном синусоидальном движении, показав хорошие результаты. корреляция и предлагает очень удобную высокую линейность передачи.

Предварительные измерения показали хороший комбинированный КПД двигателя и коробки передач Wolfrom с передаточным числом 1: 264 (Brassitos et al., 2013), что не очень хорошо коррелирует с рассчитанным скрытым коэффициентом мощности 196. КПД не был определен. снова в центре внимания недавних статей авторов, и мы, к сожалению, не смогли на данный момент подтвердить окончательные уровни эффективности, которых могут достичь новые прототипы.

В любом случае привод с зубчатым подшипником дает очень интересные возможности для использования потенциала топологии Wolfrom в робототехнике.Возможность удаления несущего элемента и встраивания электродвигателя в коробку передач в общем корпусе позволяет получить впечатляюще компактные конструкции. Возможность использования продольных роликов зубчатых подшипников для уменьшения радиальной нагрузки на подшипники также является многообещающим вариантом для повышения компактности и повышения эффективности (Brassitos et al., 2019).

The Galaxie Drive

Schreiber and Schmidt (2015) защищает основные инновации, включенные в Galaxie Drive, коробку передач, которую WITTENSTEIN в настоящее время выводит на рынок прецизионных коробок передач через свой стартап Wittenstein Galaxie GmbH, созданный в апреле 2020 года.

Хотя таблица данных и подробная информация еще не доступны, также раскрыты принцип работы и ожидаемая прибыль. Galaxie Drive представляет новый кинематический подход, основанный на линейном наведении одиночного зуба в зубчатой ​​опоре Teeth Carrier , но, по мнению этих авторов, его топология напоминает топологию деформационно-волнового механизма, см. Рис. 11. Гибкая линия заменена зубьями. Держатель, включающий два ряда отдельных зубцов, выполнен с возможностью радиального перемещения и зацепления с круговым шлицем в качестве вращающегося многоугольного вала выполняет роль генератора волн с многоугольным периметром (Schreiber and Röthlingshöfer, 2017).Следовательно, несколько отдельных зубьев входят в зацепление одновременно с круговым шлицем — так же, как в Harmonic Drive. По словам производителя, это вместе с двухточечным контактом с высокой устойчивостью к крутящему моменту между каждым отдельным зубом и зубчатым каркасом обеспечивает этому устройству характерный нулевой люфт, высокую жесткость на кручение и эталонное соотношение крутящего момента к весу.

Рисунок 11 . Деталь зацепления зубьев коробки передач Galaxy (R) DF адаптирована из Schreiber (2015) с разрешения © 2020 Wittenstein Galaxie GmbH.Он включает схему базовой топологии KHV.

В ходе прямого обмена мнениями представители Виттенштейна подтвердили, что очевидная проблема трения между отдельными зубьями и их направляющим круговым кольцом решена, и Galaxie может достичь максимальной эффективности выше 90%. Из-за лежащей в основе конфигурации KHV ожидаются большие коэффициенты скрытой мощности, но пока невозможно получить дальнейшее представление об эффективности зацепления, которая будет результатом радиального движения зубьев, которое включает новую логарифмическую спиральную боковую поверхность зуба (Мишель, 2015).

Первоначально привод Galaxie Drive предназначался для высокоточного оборудования, где высокая жесткость и сопротивление крутящему моменту могут помочь увеличить скорость и повысить производительность. В будущем мы, безусловно, сможем оценить потенциал этой инновационной технологии также для робототехнических приложений.

Обсуждение

Новое поколение робототехнических устройств меняет приоритеты в выборе подходящих коробок передач. Вместо высочайшей точности на высоких скоростях эти устройства предъявляют более строгие требования к легким и очень эффективным устройствам с механическим усилением.

Сверхлегкие приводы деформационных волн (HD, E-cyclo), безусловно, находятся в очень хорошем положении для удовлетворения этих потребностей, что подтверждается их нынешним доминированием в области коботов. При рассмотрении привода деформационной волны для роботизированной задачи pHRI работа при низких крутящих моментах и ​​скоростях должна быть сведена к минимуму, если эффективность должна быть максимальной. Хотя их оптимизированная геометрия зубьев способствует более линейной жесткости на кручение, трение остается в значительной степени нелинейным и зависит от направления, вызывая также определенные ограничения использования.Храповик как следствие ударной нагрузки — это еще одно ограничение, которое следует учитывать для этого типа редуктора, которое E-Cyclo не должен иметь (SUMITOMO, 2020).

Циклоидные приводы

прошли долгий путь, чтобы в конечном итоге стать доминирующей технологией в промышленных роботах. Благодаря технологическим достижениям, направленным на уменьшение люфта и ограничения скорости ввода, они теперь могут обеспечивать хорошую точность с приемлемой эффективностью, несмотря на высокие скрытые коэффициенты мощности, возникающие из-за базовой топологии KHV, эквивалентной топологии приводов с волновой деформацией.Использование ступени перед зацеплением также вносит важный вклад в достижение этой цели за счет повышения базовой топологической эффективности. Сверхлегкие конструкции, подобные конструкции SPINEA, демонстрируют интересный потенциал, но в конечном итоге потребуются более прорывные подходы, такие как пластиковые материалы, чтобы удовлетворить потребности в более легких коробках передач и более высоких передаточных числах, необходимых для HRI. Пока это не станет возможным, циклоидные приводы можно рассматривать только для больших полезных нагрузок, когда их больший вес и результирующая инерция не критичны для работы.Когда исключительная точность не требуется, можно избежать мер компенсации люфта в пользу повышения эффективности и более низких пусковых моментов. В любом случае следует позаботиться о том, чтобы адекватно управлять пульсацией крутящего момента, и, вероятно, необходимо будет оставить этап перед включением, чтобы обеспечить высокие скорости входного двигателя.

Невозможность планетарных редукторов уменьшить люфт при сохранении хорошей производительности и ограничения жесткости на кручение ограничили их использование в промышленной робототехнике. Тем не менее, PGT чрезвычайно универсальны, что демонстрирует их широкое использование во множестве современных промышленных устройств.И они изначально эффективны, надежны и относительно просты — дешевы — в производстве. Это может объяснить недавний интерес робототехников к PGT и почему пять из шести изученных здесь принципиально инновационных редукторов основаны на конфигурации PGT с высоким передаточным числом: топологии Wolfrom. Лучшая топологическая эффективность в сочетании с улучшением эффективности зацепления за счет модификации профиля или даже еще одного шага вперед по замене зубьев контактами качения являются многообещающими характеристиками. В сочетании с возможностями, открываемыми их полой топологией, эти элементы потенциально могут привести к возвращению PGT в робототехнику.

Наше исследование показывает, что большая универсальность технологий редукторов, используемых в робототехнике, представляет собой серьезную проблему для прямого сравнения их характеристик. Как показывают примеры люфта и максимальной входной скорости, адекватные модификации конструкции могут надлежащим образом компенсировать большинство исходных слабых мест определенной технологии за счет компромиссов в других аспектах, обычно включая эффективность, размер, вес и стоимость. Точно так же большие скрытые коэффициенты мощности указывают на существенный топологический недостаток с точки зрения эффективности, но он также может быть — по крайней мере частично — компенсирован соответствующими модификациями.Таким образом, обучающий эффект заключается в том, что выбор подходящей технологии редуктора для определенного применения pHRI является чрезвычайно сложным процессом, требующим глубокого понимания фундаментальных недостатков, возможностей улучшения и производных компромиссов каждой технологии. Наша первоначальная цель исследования — внести свой вклад в простую таблицу выбора, способную помочь неопытным робототехникам в выборе подходящих технологий редукторов для своих роботизированных устройств, поэтому не могла быть достигнута.Вместо этого в этой статье собраны и объясняются основные параметры выбора и связанные с ними проблемы в каждой из доступных технологий, с целью помочь инженерам-роботам pHRI развить необходимые навыки, необходимые для осознанного выбора подходящей, индивидуально оптимизированной коробки передач.

Два важных аспекта роботизированных редукторов для pHRI, к сожалению, не могут быть адекватно оценены в нашем исследовании на данном этапе: шум и стоимость. По мере того как робототехнические устройства становятся все ближе к людям, робототехники уделяют все больше внимания шуму.Редукторы, безусловно, представляют собой важный источник шума (переносимого воздухом и конструкцией), но, к сожалению, на данном этапе рекомендуется исключить шум из нашего анализа по двум основным ограничениям. Во-первых, большинство производителей редукторов еще не предоставляют количественных оценок шумовых характеристик, и когда они это делают, они, как правило, следуют другим методам испытаний, которые также не особенно подходят для рабочих условий в pHRI. Во-вторых, современные технологии коробок передач все еще должны пройти ожидаемый процесс оптимизации шума.

Стоимость также является важным параметром, делающим технологии pHRI более доступными, и поэтому становится важным при выборе подходящих редукторов для будущих робототехнических технологий. К сожалению, и здесь научному сообществу доступно недостаточное количество исходной информации для систематической справедливой оценки крупномасштабного экономического потенциала определенной технологии редукторов. Прежде чем можно будет определить подходящую основу для оценки этого потенциала, требуется большой объем исследовательской работы, которая явно выходит за рамки нашего исследования.

Эти два ограничения очерчивают основные рекомендации авторов для интересных направлений будущих исследований. Определение стандартных условий испытаний на воздушный и конструктивный шум в коробках передач, особенно адаптированных к типичным условиям эксплуатации и потребности в pHRI, могло бы позволить прямое сравнение различных технологий и способствовать их оптимизации шума. Кроме того, составление доступных моделей затрат для производственных процессов, связанных с изготовлением коробок передач, и их адаптация к специфике конкретных технологий, используемых в робототехнике, позволит создать основу для оценки потенциала (и препятствий) крупномасштабных затрат разные технологии.

Авторские взносы

Все авторы участвовали в предварительной работе, связанной с этой темой исследования, и внесли свой вклад в концептуализацию структуры, представленной в рукописи. PG работала над созданием подходящей системы оценки для выполнения анализа коробки передач и взяла на себя инициативу в написании рукописи и преобразовании ее в ее нынешнюю форму. PG и ES в равной степени внесли свой вклад в определение потенциально подходящих технологий и их анализ с помощью фреймворка.Все корректуры авторов прочитали и внесли свой вклад в окончательную версию статьи.

Финансирование

SC, ES (доктор философии) и TV (докторская степень) являются научными сотрудниками Исследовательского фонда Фландрии — Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek (FWO). Эта работа частично финансируется Программой исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020 в рамках Соглашения о гранте № 687662 — проект SPEXOR.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить профессора Ясутака Фудзимото из Йокогамского национального университета, а также компании Neugart GmbH, Harmonic Drive SE, Sumitomo Drive Germany GmbH, Genesis Robotics, Innovative Mechatronic Systems B.V., Stam s.r.l. и Wittenstein Galaxy GmbH за любезную поддержку и полученные объяснения, а также за разрешение использовать прилагаемые изображения их устройств.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https: // www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2020.00103/full#supplementary-material

Список литературы

Альбу-Шеффер, А., Эйбергер, О., Гребенштейн, М., Хаддадин, С., Отт, К., Вимбок, Т. и др. (2008). Мягкая робототехника. Робот IEEE. Автомат. Mag. 15, 20–30. DOI: 10.1109 / MRA.2008.927979

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Arigoni, R., Cognigni, E., Musolesi, M., Gorla, C., and Concli, F. (2010). «Планетарные редукторы: КПД, люфт, жесткость» в Международная конференция VDI по зубчатым колесам (Мюнхен).

Google Scholar

Арнаудов, К., Караиванов, Д. (2005). «Планетарные зубчатые передачи с высшим составом» в Международная конференция VDI по зубчатым колесам , Vol. 1904 (Мюнхен: VDI-Bericht), 327–344.

Барбагелата А. и Корсини Р. (2000). Riduttore Ingranaggi Conici Basculanti . Патент Италии № IT SV20000049A1. Рим: Ufficio Italiano Brevetti e Marchi.

Барбагелата А., Эллеро С. и Ландо Р. (2016). Планетарная коробка передач .Европейский патент № EP2975296A2. Мюнхен: Европейское патентное ведомство.

Брасситос, Э. и Джалили, Н. (2017). Разработка и разработка компактного высокомоментного роботизированного привода для космических механизмов. J. Mech. Робот. 9, 061002-1–061002-11. DOI: 10.1115 / 1.4037567

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брасситос, Э., и Джалили, Н. (2018). «Определение характеристик жесткости, трения и кинематической погрешности в трансмиссиях с зубчатыми подшипниками», в ASME 2018 International Design Engineering Technical Conference и Computers and Information in Engineering Conference (Квебек: цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков).DOI: 10.1115 / DETC2018-85647

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Brassitos, E., Mavroidis, C., and Weinberg, B. (2013). «Зубчатый подшипниковый привод: новый компактный привод для роботизированных соединений», на Международной конференции по проектированию и проектированию ASME 2013, а также на конференции «Компьютеры и информация в машиностроении» (Портленд, Орегон: цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков). DOI: 10.1115 / DETC2013-13461

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брасситос, Э., Вайнберг, Б., Цинчао, К., и Мавроидис, К. (2019). Контактная система изогнутого подшипника . Патент США № US10174810B2. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Каланка, А., Мурадор, Р., Фиорини, П. (2015). Обзор алгоритмов совместимого управления жесткими и фиксированными роботами. IEEE / ASME Trans. Мех. 21, 613–624. DOI: 10.1109 / TMECH.2015.2465849

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карбоне, Г., Mangialardi, L., и Mantriota, G. (2004). Сравнение характеристик полнотороидальных и полутороидальных тяговых приводов. мех. Мах. Теория 39, 921–942. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2004.04.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Четинкунт, С. (1991). Проблемы оптимального проектирования в высокоскоростных высокоточных сервосистемах движения. Мехатроника 1, 187–201. DOI: 10.1016 / 0957-4158 (91) -A

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, К.и Анхелес Дж. (2006). Потери виртуальной мощности и механические потери мощности в зубчатых зацеплениях планетарных зубчатых передач. ASME J. Mech. Des. 129, 107–113. DOI: 10.1115 / 1.2359473

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, Д. З., и Цай, Л. В. (1993). Кинематический и динамический синтез редукторных робототехнических механизмов. J. Mech. Des. 115, 241–246. DOI: 10.1115 / 1.23

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Crispel, S., López-García, P., Verstraten, T., Convens, B., Saerens, E., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2018). «Представляем составные планетарные передачи (C-PGT): компактный способ достижения высоких передаточных чисел для носимых роботов», на Международном симпозиуме по носимой робототехнике (Пиза), 485–489. DOI: 10.1007 / 978-3-030-01887-0_94

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Де Сантис А., Сицилиано Б., Де Лука А. и Бикки А. (2008). Атлас физического взаимодействия человека и робота. мех.Мах. Теория 43, 253–270. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2007.03.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дель Кастильо, Дж. М. (2002). Аналитическое выражение КПД планетарных зубчатых передач. мех. Мах. Теория 37, 197–214. DOI: 10.1016 / S0094-114X (01) 00077-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дрессчер, Д., де Фрис, Т. Дж., И Страмиджоли, С. (2016). «Выбор мотор-редуктора для повышения энергоэффективности», Международная конференция IEEE 2016 по продвинутой интеллектуальной мехатронике (AIM) (Банф, AB: IEEE), 669–675.DOI: 10.1109 / AIM.2016.7576845

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фудзимото Ю. (2015). Эпициклический зубчатый привод и метод его проектирования . Патент Японии № JP2015164100. Токио: Патентное ведомство Японии.

Fujimoto, Y., and Kobuse, D. (2017). «Роботизированные приводы с высокой степенью управляемости», на международном семинаре IEEJ по обнаружению, срабатыванию, управлению движением и оптимизации (SAMCON) (Нагаока), IS2–1.

GAM (2020). GSL Трансмиссионный редуктор .Каталог.

ГЕНЕЗИС (2018). Усилитель крутящего момента Reflex — движущая сила будущего . Tech Update Общайтесь.

Гиберти Х., Чинквемани С. и Леньяни Г. (2010). Влияние механических характеристик трансмиссии на выбор мотор-редуктора. Мехатроника 20, 604–610. DOI: 10.1016 / j.mechatronics.2010.06.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Жирар, А., Асада, Х. Х. (2017). Использование естественной динамики нагрузки с приводами с регулируемым передаточным числом. Робот IEEE. Автомат. Lett. 2, 741–748. DOI: 10.1109 / LRA.2017.2651946

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Горла К., Даволи П., Роза Ф., Лонгони К., Чиоцци Ф. и Самарани А. (2008). Теоретический и экспериментальный анализ циклоидного редуктора скорости. J. Mech. Des. 130: 112604. DOI: 10.1115 / 1.2978342

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Groothuis, S. S., Folkertsma, G. A., and Stramigioli, S. (2018). Общий подход к достижению стабильности и безопасного поведения в распределенных роботизированных архитектурах. Фронт. Робот. AI 5: 108. DOI: 10.3389 / frobt.2018.00108

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаддадин, С., Альбу-Шеффер, А., и Хирцингер, Г. (2009). Требования к безопасным роботам: измерения, анализ и новые идеи. Внутр. J. Робот. Res , 28, 1507–1527. DOI: 10.1177 / 02783643970

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаддадин, С., Крофт, Э. (2016). «Физическое взаимодействие человека и робота», в Springer Handbook of Robotics (Cham: Springer), 1835–1874.DOI: 10.1007 / 978-3-319-32552-1_69

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Робототехника HALODI (2018). Revo1 ™ ДВИГАТЕЛЬ с прямым приводом [Брошюра], Moss. Доступно в Интернете по адресу: https://www.halodi.com/revo1 (по состоянию на 30 апреля 2020 г.).

Хэм, Р. В., Шугар, Т. Г., Вандерборг, Б., Холландер, К. В., и Лефебер, Д. (2009). Соответствующие конструкции приводов. Робот IEEE. Автомат. Mag. 16, 81–94. DOI: 10.1109 / MRA.2009.933629

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гармонический привод A.G. (2014) Технические данные Наборы компонентов CSD-2A . Каталог.

Хлебаня Г., Куловец С. (2015). «Разработка плоскоцентрической коробки передач на основе геометрии S-образной шестерни», в 11. Kolloquium Getriebetechnik (Мюнхен), 205–216.

Google Scholar

Хоган, Н. (1984). «Контроль импеданса: подход к манипуляции», в 1984 American Control Conference (Сан-Диего, Калифорния: IEEE), 304–313. DOI: 10.23919 / ACC.1984.4788393

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хори, К., и Hayashi, I. (1994). Максимальный КПД обычных механических планетарных шестерен парадокса для понижающего привода. Trans. Jpn. Soc. Мех. Англ. 60, 3940–3947. DOI: 10.1299 / kikaic.60.3940

CrossRef Полный текст

Хантер И. В., Холлербах Дж. М. и Баллантайн Дж. (1991). Сравнительный анализ актуаторных технологий для робототехники. Робот. Ред. 2, 299–342.

Google Scholar

IMSystems (2019). проезд Архимеда.IMSystems — Drive Innovation [Брошюра], Делфт.

Икбал, Дж., Цагаракис, Н. Г., и Колдуэлл, Д. Г. (2011). «Дизайн носимого оптимизированного экзоскелета руки с прямым приводом», на Международной конференции по достижениям в области взаимодействия компьютера и человека (ACHI) (Гозье).

PubMed Аннотация | Google Scholar

Канаи Ю., Фудзимото Ю. (2018). «Бездатчиковое управление для экзоскелета с электроприводом с использованием приводов с высокой степенью обратного привода», на IECON 2018–44-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE (Вашингтон, округ Колумбия: IEEE), 5116–5121.DOI: 10.1109 / IECON.2018.85

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Капелевич А. и ООО «AKGears» (2013 г.). Анализ планетарных передач с высоким передаточным числом. Коэффициент 3, 10.

Google Scholar

Караяннидис Ю., Друкас Л., Папагеоргиу Д. и Доулжери З. (2015). Управление роботом для выполнения задач и повышения безопасности при ударах. Фронт. Робот. AI 2:34. DOI: 10.3389 / frobt.2015.00034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кашири, Н., Abate, A., Abram, S.J., Albu-Schaffer, A., Clary, P.J., Daley, M., et al. (2018). Обзор принципов энергоэффективного передвижения роботов. Фронт. Робот. AI 5: 129. DOI: 10.3389 / frobt.2018.00129

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж., Парк, Ф. К., Парк, Ю., и Шизуо, М. (2002). Проектирование и анализ сферической бесступенчатой ​​трансмиссии. J. Mech. Des . 124, 21–29. DOI: 10.1115 / 1.1436487

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Классен, Дж.Б. (2019). Дифференциальная планетарная коробка передач . Международный патент № WO2019 / 051614A1. Женева: Всемирная организация интеллектуальной собственности, Международное бюро.

Google Scholar

Коряков-Савойский Б., Алексахин И., Власов И. П. (1996). Зубчатая передача . Патент США № US5505668A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Ли С. (2014). «Новейшие технологии проектирования зубчатых передач с большими передаточными числами», в материалах Proceedings of International Gear Conference (Lyon), 427–436.DOI: 10.1533 / 9781782421955.427

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Looman, J. (1996). Zahnradgetriebe (Зубчатые механизмы) . Берлин: Springer-Verlag. DOI: 10.1007 / 978-3-540-89460-5

CrossRef Полный текст

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Конвенс, Б., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2018). «Конструкция планетарного редуктора для активной носимой робототехники, основанная на анализе видов отказов и последствий (FMEA)», на Международном симпозиуме по носимой робототехнике (Пиза), 460–464.DOI: 10.1007 / 978-3-030-01887-0_89

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2019a). «Редукторы Wolfrom для легкой робототехники, ориентированной на человека», в Труды Международной конференции по зубчатым колесам 2019, (Мюнхен: VDI), 753–764.

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2019b). «Настройка планетарных зубчатых передач для поддержки и воспроизведения конечностей человека», в MATEC Web of Conferences (Варна: EDP Sciences), 01014.DOI: 10.1051 / matecconf / 201928701014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лафлин, К., Альбу-Шеффер, А., Хаддадин, С., Отт, К., Стеммер, А., Вимбек, Т., и Хирцингер, Г. (2007). Легкий робот DLR: концепции проектирования и управления роботами в среде обитания человека. Ind. Робот. Int. J . 34, 376–385. DOI: 10.1108 / 01439

0774386

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макмиллан Р. Х. и Дэвис П. Б. (1965). Аналитическое исследование систем раздвоенной передачи энергии. J. Mech. Англ. Sci . 7, 40–47. DOI: 10.1243 / JMES_JOUR_1965_007_009_02

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mayr, C. (1989). Präzisions-Getriebe für die Automation: Grundlagen und Anwendungsbeispiele . Ландсберг: Verlag Moderne Industrie.

Мишель С. (2015). Logarithmische spirale statt evolvente. Maschinenmarkt № . 18, 40–42.

Михайлидис А., Афанасопулос Э. и Оккас Э. (2014). «Эффективность циклоидного редуктора», в International Gear Conference (Lyon Villeurbanne), 794–803.DOI: 10.1533 / 9781782421955.794

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Морозуми, М. (1970). Эвольвентное внутреннее зацепление со смещением профиля . Патент США № US3546972A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Мюллер, Х. В. (1998). Die Umlaufgetriebe: Auslegung und vielseitige Anwendungen . Берлин; Гейдельберг: Springer-Verlag. DOI: 10.1007 / 978-3-642-58725-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мульцер, Ф.(2010). Systematik hoch übersetzender koaxialer getriebe (докторская диссертация). Технический университет Мюнхена, Мюнхен, Германия.

Google Scholar

Musser, C. W. (1955). Деформационно-волновая передача . Патент США № US2

3A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

НАБТЕКО (2018). Прецизионный редуктор серии RV — N . CAT.180410. Каталог.

Нойгарт, А. Г. (2020). PLE Линия эконом-класса .Каталог.

Ниманн Г., Винтер Х. и Хён Б. Р. (1975). Maschinenelemente, Vol. 1 . Берлин; Гейдельберг; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер.

Google Scholar

Pasch, K. A., and Seering, W. P. (1983). «О приводных системах для высокопроизводительных машин», в Машиностроение (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Машиностроение Общества ASME-AMER), 107–107.

Pennestri, E., and Freudenstein, F. (1993). Механический КПД планетарных зубчатых передач. ASME J. Mech. Des . 115, 645–651. DOI: 10.1115 / 1.29

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петтерссон, М., и Олвандер, Дж. (2009). Оптимизация трансмиссии промышленных роботов. IEEE Trans. Робот. 25, 1419–1424. DOI: 10.1109 / TRO.2009.2028764

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фам, А. Д., и Ан, Х. Дж. (2018). Прецизионные редукторы для промышленных роботов, участвующих в четвертой промышленной революции: современное состояние, анализ, дизайн, оценка производительности и перспективы. Внутр. J. Precis. Англ. Manuf. Green Technol. 5, 519–533. DOI: 10.1007 / s40684-018-0058-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Резазаде, С., и Херст, Дж. У. (2014). «Об оптимальном выборе двигателей и трансмиссий для электромеханических и робототехнических систем», в Международная конференция IEEE / RSJ 2014 по интеллектуальным роботам и системам (Чикаго, Иллинойс: IEEE), 4605–4611. DOI: 10.1109 / IROS.2014.6943215

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Роос, Ф., Йоханссон, Х., Викандер, Дж. (2006). Оптимальный выбор двигателя и редуктора для мехатронных приложений. Мехатроника 16, 63–72. DOI: 10.1016 / j.mechatronics.2005.08.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Розенбауэр Т. (1995). Getriebe für Industrieroboter: Beurteilungskriterien . Kenndaten, Einsatzhinweise: шейкер.

Россман, А. М. (1934). Механизм . Патент США № US 1970251. Вашингтон, округ Колумбия: У.S. Ведомство по патентам и товарным знакам.

Google Scholar

Saerens, E., Crispel, S., García, P. L., Verstraten, T., Ducastel, V., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2019). Законы масштабирования для роботизированных трансмиссий. мех. Мах. Теория 140, 601–621. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2019.06.027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шафер И., Бурлье П., Хантшак Ф., Робертс Э. У., Льюис С. Д., Форстер Д. Дж. И Джон К. (2005). «Космическая смазка и характеристики шестерен гармонического привода», , 11-й Европейский симпозиум по космическим механизмам и трибологии, ESMATS 2005 (Люцерн), 65–72.

Google Scholar

Шейнман, В., Маккарти, Дж. М., и Сонг, Дж. Б. (2016). «Механизм и приведение в действие», в Springer Handbook of Robotics (Cham: Springer), 67–90. DOI: 10.1007 / 978-3-319-32552-1_4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шемпф, Х. (1990). Сравнительное проектирование, моделирование и анализ управления роботизированными трансмиссиями (кандидатская диссертация). № WHOI-90-43. Кафедра машиностроения и Океанографический институт Вудс-Холла, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс, США.DOI: 10.1575 / 1912/5431

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шемпф Х. и Йоргер Д. Р. (1993). Изучение доминирующих рабочих характеристик в трансмиссиях роботов. ASME J. Mech. Des. 115, 472–482. DOI: 10.1115 / 1.2

4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шорш, Дж. Ф. (2014). Составной планетарный привод трения . Патент Нидерландов № 2013496. Де Хааг: Octrooicentrum Nederland.

Google Scholar

Шрайбер, Х.(2015). «Revolutionäres getriebeprinzip durch neuinterpretation von maschinenelementen — Die WITTENSTEIN Galaxie®-Kinematik», в Dresdner Maschinenelemente Kolloquium, DMK (Дрезден), 2015. S.

Шрайбер, Х., Рётлингсхёфер, Т. (2017). «Кинематическая классификация коробки передач, содержащей отдельные упорные зубья, и ее преимущества по сравнению с существующими подходами», в Международной конференции по зубчатым колесам , ICG (Мюнхен).

Шрайбер, Х., и Шмидт, М.(2015). Getriebe. Патент Германии № DE 10 2015 105 525 A1. Мюнхен: Deutsches Patent- und Markenamt.

Google Scholar

Сенсинджер, Дж. У. (2010). «Выбор двигателей для роботов с использованием биомиметических траекторий: оптимальные критерии, обмотки и другие соображения», в Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации, 2010 г., (Анкоридж, AK: IEEE), 4175–4181. DOI: 10.1109 / ROBOT.2010.5509620

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенсинджер, Дж.W. (2013). КПД высокочувствительных зубчатых передач, например, циклоидных передач. ASME J. Mech. Des. 135, 071006-1–071006-9. DOI: 10.1115 / 1.4024370

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенсингер, Дж. У., Кларк, С. Д., Шорш, Дж. Ф. (2011). «Внешний и внутренний роторы в роботизированных бесщеточных двигателях», , 2011 Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации, (Монреаль, Квебек: IEEE), 2764–2770. DOI: 10.1109 / ICRA.2011.5979940

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сеок, С., Wang, A., Chuah, M. Y. M., Hyun, D. J., Lee, J., Otten, D. M., et al. (2014). Принципы разработки энергоэффективного передвижения на ногах и их реализация на роботе-гепарде Массачусетского технологического института. IEEE / ASME Trans. Мех. 20, 1117–1129. DOI: 10.1109 / TMECH.2014.2339013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сицилиано Б., Шавикко Л., Виллани Л. и Ориоло Г. (2010). Робототехника: моделирование, планирование и управление . Лондон: Springer Science and Business Media. DOI: 10.1007 / 978-1-84628-642-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Слэттер Р. (2000). Weiterentwicklung eines Präzisionsgetriebes für die Robotik . Санкт-Леонард: Antriebstechnik.

Google Scholar

ПОЗВОНОЧНИК (2017). TwinSpin — высокоточные редукторы — Präzisionsgetriebe . Каталог.

Страмиджоли, С., Ван Оорт, Г., и Дертьен, Э. (2008). «Концепция нового энергоэффективного привода», в Международная конференция IEEE / ASME по передовой интеллектуальной мехатронике, 2008 г., (Сиань: IEEE), 671–675.DOI: 10.1109 / AIM.2008.4601740

CrossRef Полный текст | Google Scholar

СУМИТОМО (2017). Fine Cyclo® Spielfreie Präzisionsgetriebe . Каталог 9 DE 02/2017.

СУМИТОМО (2020). Приводы управления движением E-Cyclo®. Каталог F10001E-1.

Талбот Д., Кахраман А. (2014). «Методология прогнозирования потерь мощности планетарных передач», в International Gear Conference (Lyon-Villeurbanne), 26–28. DOI: 10.1533 / 9781782421955.625

CrossRef Полный текст

Томчик, Х. (2000). Регулировочное устройство с планетарной передачей . Европейский патент № EP1244880B1. Мюнхен: Европейское патентное ведомство.

Google Scholar

Toxiri, S., Näf, M. B., Lazzaroni, M., Fernández, J., Sposito, M., Poliero, T., et al. (2019). «Экзоскелеты с опорой на спину для профессионального использования: обзор технологических достижений и тенденций», в IISE Trans. Ок. Эргон. Гм. Факторы 7, 3–4, 237–249.DOI: 10.1080 / 24725838.2019.1626303

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван де Стрете, Х. Дж., Дегезель, П., Де Шуттер, Дж., И Бельманс, Р. Дж. (1998). Критерий выбора серводвигателя для мехатронных приложений. IEEE / ASME Trans. Мех. 3, 43–50. DOI: 10.1109 / 3516.662867

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вил, А. Дж., И Се, С. К. (2016). На пути к совместимым и пригодным для носки роботизированным ортезу: обзор текущих и новых актуаторных технологий. Med. Англ. Phys. 38, 317–325. DOI: 10.1016 / j.medengphy.2016.01.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Verstraten, T., Furnémont, R., Mathijssen, G., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2016). «Энергопотребление мотор-редукторов постоянного тока в динамических приложениях: сравнение подходов к моделированию», в IEEE Robot. Автомат. Lett. 1, 524–530. DOI: 10.1109 / LRA.2016.2517820

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Враниш, Дж.М. (1995). Планетарный привод без несущей и против люфта . Патент США № US5409431. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Враниш, Дж. М. (2006). Подшипники с частичными зубьями . Патент США № US2006 / 0219039A1. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Ван, А., Ким, С. (2015). «Направленная эффективность в редукторных трансмиссиях: характеристика обратного движения в сторону улучшения проприоцептивного контроля», в Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA), 2015 г. (ICRA), (Сиэтл, Вашингтон: IEEE), 1055–1062.DOI: 10.1109 / ICRA.2015.7139307

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вайнберг Б., Мавроидис К. и Враниш Дж. М. (2008). Привод подшипника шестерни . Патент США № US2008 / 0045374A1. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

WinterGreen Research (2018). Прецизионные редукторы с волновыми редукторами и редукторы RV и RD: доли рынка, стратегия и прогнозы, во всем мире, с 2018 по 2024 годы . WIN0418002.

WITTENSTEIN AG (2020 г.). Technische Broschüre SP + und TP + Getrieben. Каталог.

Вольф, А. (1958). Die Grundgesetze der Umlaufgetriebe . Брауншвейг: Фридр. Vieweg и Sohn.

Вольфром, У. (1912). Der Wirkungsgrad von Planetenrädergetrieben. Werkstattstechnik 6, 615–617.

Ю. Д., Бичли Н. (1985). О механическом КПД дифференциала. ASME J. Mech. Пер. Автомат. 107, 61–67.DOI: 10.1115 / 1.3258696

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зинн М., Рот Б., Хатиб О. и Солсбери Дж. К. (2004). Новый подход к срабатыванию для создания роботов, удобных для человека. Внутр. J. Робот. Res. 23, 379–398. DOI: 10.1177 / 02783642193

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Что такое планетарный редуктор?

Вернуться к обзору

Какая техника тысячелетней давности лежит в основе многих самых инновационных технических достижений на данный момент? У робототехники, 3D-печати и новых транспортных средств есть одна общая черта: часто они приводятся в движение планетарной коробкой передач.Как поставщик планетарных редукторов, мы, конечно, знаем все тонкости, но что, если вы впервые столкнетесь с этой техникой? Мы решили объяснить это понятно для всех — в этой статье мы обсудим основы планетарного редуктора.

Что такое планетарный редуктор?

Планетарный редуктор — это редуктор с совмещенным входным и выходным валами. Планетарный редуктор используется для передачи наибольшего крутящего момента в наиболее компактной форме (известной как плотность крутящего момента).

Ускоряющая ступица велосипеда — отличный пример механизма планетарного колеса. Вы когда-нибудь задумывались, как получить такую ​​мощность и возможности в такой маленькой ступице? Для трехскоростной ступицы используется одноступенчатая планетарная передача, для пятиступенчатой ​​ступицы — 2-ступенчатая.Каждая планетарная передача имеет состояние редуктора, прямое соединение и режим ускорения.

С математической точки зрения, наименьшее передаточное число составляет 3: 1, наибольшее — 10: 1. При передаточном числе менее 3 солнечная шестерня становится слишком большой относительно планетарных шестерен. При передаточном числе более 10 солнечное колесо становится слишком маленьким, и крутящий момент падает. Отношения обычно абсолютные, т.е. целые числа.

Кто изобрел планетарный редуктор, неизвестно, но функционально он был описан Леонардо да Винчи в 1490 году и использовался веками.

Почему назван планетарной коробкой передач?

Планетарный редуктор получил свое название из-за того, как разные шестерни перемещаются вместе. В планетарной коробке передач мы видим солнечную (солнечную) шестерню, сателлитную (кольцевую) шестерню и две или более планетарных шестерен. Обычно солнечная шестерня приводится в движение и, таким образом, приводят в движение планетарные шестерни, заблокированные в водиле планетарной передачи, и образуют выходной вал. Шестерни сателлитов имеют фиксированное положение по отношению к внешнему миру. Это похоже на нашу планетную солнечную систему, отсюда и название.Помогло то, что древние конструкции шестерен широко использовались в астрологии для составления карт и отслеживания наших небесных тел. Так что это был не такой уж большой шаг.

На практике мы часто говорим с точки зрения использования планетарных редукторов для промышленной автоматизации. Вот почему мы называем солнечную шестерню входным валом, планетарные шестерни и водило выходного вала и сателлитную шестерню (или коронную шестерню) — корпусом.

Возможности планетарных редукторов

С одной и той же конструкцией можно реализовать разные скорости и направления вращения.Это может быть достигнуто, например, путем реверсирования коробки передач, что дает следующие возможности:

Ведомая сторона Твердый мир Ведущая сторона Результат
Входной вал Жилой Выходной вал Редукция
Входной вал Выходной вал Жилой Обратное движение + задержка
Выходной вал Входной вал Жилой Задержка
Выходной вал Жилой Входной вал Разгон
Корпус Выходной вал Входной вал Обратное движение + ускорение
Корпус Входной вал Выходной вал Задержка
Входной и выходной валы Н.А. Жилой 1: 1

Где обычно используется планетарный редуктор (в трансмиссии)?

Где обычно используется планетарный редуктор (в трансмиссии):

  • В роботе для увеличения крутящего момента
  • В печатном станке для уменьшения скорости роликов
  • Для точного позиционирования
  • В упаковочной машине для воспроизводимых продуктов

Покупка планетарной коробки передач: на что следует обратить внимание

Каковы критерии покупки планетарной коробки передач? На этот вопрос сложно ответить, потому что он сильно зависит от того, где именно используется коробка передач.Прежде всего, должны быть правильными первичные характеристики (например: крутящий момент, люфт, передаточное отношение), но затем вторичные (например: коррозионная стойкость, уровень шума, конструкция) и третичные (например: срок поставки, цена, глобальный доступность, сервис) важны.

Поскольку Apex Dynamics работает быстрее, вы можете обращаться к нам по всем вопросам. Мы ответим быстро, часто в тот же день, с индивидуальным ответом и / или индивидуальным предложением. Таким образом, вам никогда не придется беспокоиться о задержках, мы доставляем все коробки передач, которые отсутствуют на складе, и быстрее, чем кто-либо другой.

Консистентная смазка или масло в качестве смазки в планетарной коробке передач

Даже при том, насколько точно планетарный редуктор изготовлен и собран, внутри всегда есть поверхности качения или скольжения. Вот почему каждая коробка передач содержит смазку — будь то масло, консистентная смазка или синтетический гель — для обеспечения хорошей работы шестерен и предотвращения износа. Кроме того, смазка часто также обеспечивает охлаждение и снижает шум или вибрацию. Apex Dynamics использует специальную смазку от компании Nye Lubricants, по сути, это своего рода гель.

Мы опубликовали статью на эту тему:
Смазка SMART: Без смазки нет гладкой передачи!

6 аргументов в пользу планетарного редуктора в сочетании с серводвигателем

  1. Крутящий момент разделен на 3 передачи (планетарные шестерни), и поэтому — при равных размерах — крутящий момент почти в 3 раза выше, чем у «нормальной» коробки передач.
  2. Низкий люфт.
  3. Компактный и, следовательно, с малой инерцией массы.
  4. Высокая эффективность.
  5. Закрытая система.
  6. Абсолютное соотношение от 3: 1 до 10: 1 на ступень.

Почему планетарный редуктор от Apex Dynamics

Редукторы

Apex Dynamics идеально подходят, например, для современной сервотехники благодаря сложным уплотнениям из витона, косозубым зубьям и сбалансированному валу солнечной шестерни. Мы продаем около 49 серий планетарных редукторов и предлагаем неизведанное обслуживание, поддержку и местные складские запасы. Это делает нас непревзойденным поставщиком редукторов с малым люфтом.

Пресс-релиз, Helmond 14.11.2017

Что такое коробка передач? Типы, детали, работа [Изображения и PDF]

Из этой статьи вы узнаете, что такое коробка передач ? типы коробок передач и как работает каждая коробка передач? Разъяснено с помощью диаграмм . А также вы можете скачать файл формата PDF из этой статьи.

Коробка передач и типы

Что такое коробка передач или трансмиссия?

Слово «трансмиссия» используется для обозначения устройства, расположенного между сцеплением и карданным валом. Это может быть коробка передач, преобразователь крутящего момента, повышающая передача, гидравлический привод или гидравлический привод.

Читайте также: Типы шестерен [Классификация шестерен] и зубчатые передачи

Типы коробок передач

Ниже приведены типы коробок передач , используемых в современных транспортных средствах:

  1. Коробка передач со скользящей сеткой
  2. Константа Коробка передач сетчатого типа
  3. Синхронизирующая коробка передач
  4. Эпициклическая коробка передач

Назначение трансмиссии

Почему используется коробка передач?

Трансмиссия предназначена для обеспечения высокого крутящего момента при трогании с места, подъеме на холм, ускорении и перемещении груза.Когда автомобиль трогается с места, поднимается на холм, ускоряется и встречает другое сопротивление, на ведущих колесах требуется высокий крутящий момент.

Следовательно, должно быть предусмотрено устройство, позволяющее коленчатому валу двигателя вращаться с относительно высокой скоростью, в то время как колеса вращаются с меньшей скоростью. Он заключен в металлическую коробку под названием коробка передач . Скорость автомобиля также изменяется с помощью трансмиссии, сохраняя частоту вращения двигателя неизменной с определенным пределом.

Читайте также: 6 наиболее распространенных проблем с коробкой передач [Это может привести к ненужному ремонту]

Коробка передач со скользящей сеткой

Это самый простой тип коробки передач.Расположение шестерен в нейтральном положении. Корпус редуктора и подшипник не показаны. Шестерня сцепления закреплена на валу сцепления. Он всегда остается подключенным к ведущей шестерне промежуточного вала.

Три другие шестерни, такие как первая скорость, вторая скорость и шестерня заднего хода, также жестко прикреплены к промежуточному валу или также известны как промежуточный вал. Две шестерни, установленные на шлицевом главном валу, могут перемещаться вилкой переключения при нажатии на рычаг переключения передач.

Шестерни соединены с соответствующими шестернями промежуточного вала.Промежуточная шестерня заднего хода закреплена на другом валу и остается соединенной с шестерней заднего хода промежуточного вала.

Как работает коробка передач со скользящей сеткой?

Передача нейтральна

В этом положении передачи мощность двигателя не передается на заднюю ось. Когда шестерня находится в нейтральном положении, шестерня муфты передает мощность на шестерню на промежуточном валу, а промежуточный вал, кроме того, не передает линейную мощность на главный вал. Следовательно, выход коробки передач отключен от входа коробки передач.

Помните, что в нейтральном положении только шестерня вала сцепления соединена с шестерней промежуточного вала. Остальные шестерни свободны, поэтому главный вал трансмиссии не вращается.

Первая или низкоскоростная шестерня

Первая или низкоскоростная передача: при нажатии на рычаг переключения передач большая шестерня на главном валу перемещается вдоль вала до зацепления с первой шестерней промежуточного вала.

Здесь главный вал и вал сцепления вращаются в одном направлении.Поскольку меньшая шестерня промежуточного вала находится в зацеплении с большей шестерней главного вала, получается передаточное число примерно 3: 1.

То есть вал сцепления поворачивается три раза за каждый оборот главного вала. Помимо понижения передачи в дифференциале на задних колесах, создается более высокое передаточное число, примерно 12: 1 между колесами и коленчатым валом двигателя.

Читайте также: Что такое передаточное число и как рассчитать передаточное число

Шестерня второй скорости

Шестерня второй скорости: при нажатии на рычаг переключения передач большая шестерня главного вала отключается от первой передачи промежуточного вала, а затем меньшая шестерня главного вала входит в зацепление со второй шестерней промежуточного вала.

На второй передаче главный вал и вал сцепления вращаются в одном направлении. Получается передаточное число примерно 2: 1. Редуктор дифференциала увеличивает это передаточное число примерно до 8: 1 .

Третья высшая или высокоскоростная передача

Третья высшая или высокоскоростная передача. При нажатии на рычаг коленчатого вала вторые шестерни главного вала и промежуточного вала отключаются, а затем вторая и высшая шестерни главного вала прижимаются в осевом направлении к шестерне вала сцепления.

Наружные зубья шестерни вала сцепления входят в зацепление с внутренними зубьями второй передачи и высшей передачи. Главный вал вращается вместе с валом сцепления и получается передаточное число 1: 1. Дифференциальный редуктор обеспечивает передаточное число между коленчатым валом двигателя и колесами примерно 4: 1.

Шестерня заднего хода

Шестерня заднего хода: при нажатии на рычаг коленчатого вала большая шестерня главного вала входит в зацепление с промежуточной шестерней заднего хода. Промежуточная шестерня заднего хода всегда находится в зацеплении с шестерней заднего хода промежуточного вала.

Поместив промежуточную шестерню между шестерней заднего хода промежуточного вала и большой шестерней главного вала, главный вал поворачивается в направлении, противоположном направлению вала сцепления. Это изменяет вращение колес с переднего на обратное, так что автомобиль движется назад.

Читайте также: 9 различных типов сцеплений

Коробка передач с постоянным зацеплением

В этой коробке передач все шестерни главного вала находятся в постоянном зацеплении с соответствующими шестернями промежуточного вала (промежуточного вала).Как показано на рисунке, на главном валу предусмотрены две скользящие кулачковые муфты.

Одна скользящая кулачковая муфта расположена между шестерней сцепления и второй передачей, а другая — между первой передачей и шестерней заднего хода. Все шестерни на шлицевом главном валу свободны.

Кулачковая муфта скользит по главному валу и вращается вместе с ним. С его помощью фиксируются все шестерни на промежуточном валу. Когда левую кулачковую муфту заставляют скользить влево через рычаг переключения передач, она входит в зацепление с шестерней сцепления, и достигается передача на максимальной скорости.

Когда левая муфта бревна входит в зацепление со второй передачей, получается вторая передача. Аналогичным образом, сдвигая правую кулачковую муфту влево и вправо, можно получить первую передачу и передачу заднего хода.

В этом типе коробки передач все шестерни находятся в постоянном зацеплении, они защищены от повреждений, и при их включении и выключении не возникает неприятного скрежета.

Полные примечания к коробке передач с постоянным зацеплением

Synchromesh GearBox

В современных автомобилях используются косозубые шестерни и синхронизаторы в коробках передач, которые синхронизируют вращение шестерен, которые вот-вот зацепятся.Это исключает столкновение шестерен и упрощает переключение передач.

Этот тип коробки передач аналогичен коробке передач с постоянным зацеплением. Синхронизирующая коробка передач снабжена синхронизирующим устройством, с помощью которого две включаемые шестерни сначала входят во фрикционный контакт, который регулирует их скорость, после чего они легко включаются.

В большинстве автомобилей синхронизаторы установлены не на всех передачах. Они устанавливаются только на высшие передачи. Передача заднего хода, а в некоторых случаях и первой передачи, не имеют синхронизаторов.Потому что они предназначены для включения, когда автомобиль неподвижен.

При перемещении рычага переключения передач конус синхронизатора встречается с аналогичным конусом на шестерне. Из-за трения вращающаяся шестерня приводится во вращение с той же скоростью, что и блок синхронизатора. Чтобы обеспечить принудительный привод, дальнейшее движение рычага переключения передач позволяет муфте преодолевать несколько нагруженных пружинами шариков, и муфта входит в зацепление с упорами на ходу шестерни.

Поскольку и шестерня, и синхронизатор движутся с одинаковой скоростью, это зацепление необходимо перед зацеплением кулачков, чтобы конусы имели возможность привести синхронизатор и шестерню к одной и той же скорости.

Epicyclic GearBox

В обычном зубчатом зацеплении оси различных зубчатых колес фиксированы, причем движение зубчатых колес представляет собой просто вращение вокруг их собственных осей. В планетарной передаче, по крайней мере, одна шестерня не только вращается вокруг своей оси, но и полностью вращается вокруг другой оси.

Эти типы коробок передач являются наиболее широко используемой системой автоматических трансмиссий. В системе АКПП будет только акселератор и будет предусмотрен тормоз. Таким образом, на автомобиле не будет педали сцепления или рычага переключения передач.

Конструкция планетарной коробки передач :

Она имеет планетарную передачу. Как показано на рисунке, редуктор вид спереди и сбоку. Этот тип коробки передач имеет солнечную шестерню с тремя шестернями, планетарную шестерню и коронную шестерню. Солнечная шестерня установлена ​​на валу солнечной шестерни. Планетарный редуктор установлен на водило планетарной передачи, а коронная шестерня — на валу водила планетарной передачи.

Кольцевая шестерня имеет внутренние шестерни, которые входят в зацепление с планетарной шестерней и вращаются вместе с ней.В планетарной коробке передач это блокирующая передача. Если одна передача заблокирована, оставшиеся две передачи будут действовать как входная и выходная. Например, если солнечная шестерня заблокирована, коронная шестерня и планетарная шестерня действуют как входные и выходные элементы.

Будет доступна эта типичная схема, позволяющая одновременно блокировать шестерню и снимать выходную мощность с любой шестерни и передавать мощность на любую шестерню, так что такая компоновка будет доступна.

Итак, заблокировав любую передачу, мы можем получить совсем другую скорость.Особенностью этой планетарной коробки передач является то, что мы можем добиться большего разнообразия вариаций скорости.


Спасибо за чтение.

Вот и все. Мы обсудили все четыре различных типа коробки передач , но если у вас все еще есть вопросы по этой статье, вы можете задать их в комментарии, я отвечу вам. Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею со своими друзьями.

А также вы можете загрузить бесплатный файл PDF этой статьи, нажав ниже.

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать уведомления о наших новых технических статьях.

Читать далее: Какие 6 наиболее распространенных проблем с коробкой передач [которые приводят к ненужному ремонту]

Что такое коробка передач | KG International FZCO

Зубчатая передача — это вращающаяся часть машины с нарезанными зубьями или зубьями, которая должна зацепляться с другой зубчатой ​​частью для передачи крутящего момента. Шестерни — одна из самых важных частей любых двигателей и машин, которые помогают увеличить выходной крутящий момент, обеспечивая редуктор и регулируя направление вращения.Две или более шестерен, работающих вместе в тандеме, называются трансмиссией или коробкой передач. Редукторные устройства с большей вероятностью изменят скорость, крутящий момент, направление источника энергии.

Как они работают?
Электрический или гидравлический двигатель применяется на одном конце коробки передач, а на другом конце энергия преобразуется в крутящий момент низкоскоростного привода. Внутри коробки используются материалы, обладающие высокой износостойкостью, что обеспечивает необходимую прочность. Можете ли вы представить себе энергию, необходимую для того, чтобы справиться с обломками круизного лайнера во время маневра? Или контейнерного крана? Или даже подземная землеройная машина?

Типы коробок передач:

Цилиндрическая коробка передач:

Цилиндрическая зубчатая передача и косозубая коробка передач обладают способностью обеспечивать плавную работу.Зубья косозубой шестерни срезаны под углом к ​​торцу шестерни. Таким образом, во время процесса, когда два зуба начинают зацепляться, контакт происходит постепенно — начиная с одного конца зуба и сохраняя контакт по мере того, как шестерня вращается до полного зацепления. Когда дело доходит до трансмиссий, наиболее часто используются косозубые шестерни, и они даже создают большую тягу.

Уникальная точка цилиндрической коробки передач:

Его уникальная особенность заключается в том, что он закреплен под углом, который при движении обеспечивает большее взаимодействие в одном и том же направлении.Это дает постоянный контакт в течение определенного периода времени. Цилиндрический редуктор экструдера дополнительно используется, когда прочность на кручение должна быть максимально раскрыта и, кроме того, для приложений с низким уровнем вибрации. Применения включают сталь, прокатные станы, конвейеры, лифты, нефтяную промышленность.

Конический цилиндрический редуктор:

Знаете ли вы критическую особенность этой коробки передач? Это изогнутый набор зубцов, которые расположены на конусообразной поверхности рядом с ободом агрегата.Конический редуктор также используется для обеспечения вращательного движения между непараллельными валами. Свою роль они играют в карьерах горнодобывающей промышленности, в смесителях, конвейерах.

Червячные редукторы: В червячном редукторе

используется червячное колесо большого диаметра. Червяк или винт входит в зацепление с зубьями на периферии редуктора. Вращательное движение червячного редуктора заставляет колесо двигаться точно так же из-за винтового движения. Установка устроена таким образом, что установка может вращать шестерню, но шестерня не может вращать червяк.Угол червяка небольшой, поэтому шестерня используется в конвейерных системах для торможения или аварийной остановки. Эти редукторы также используются в фармацевтических и упаковочных машинах, конвейерах разливочных заводов, машинах для пищевой промышленности.

Планетарный редуктор:

Планетарный редуктор считается идеальным, а также известен своей выносливостью, точностью и отличной функциональностью, а также отличается высокой точностью.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.