Луфт в червячната предавка — източници, измерване и контрол
Спецификацията за хлабина от 0,05 мм на ръба не е едно число, а сбор от пет хлабини. Разделете ги на части, измерете всяка от тях и желаната точност на индексиране изведнъж е постижима.
Хлабината на червяк и червячно колело не е еднократна величина, а сума от пет източника: хлабина на шпонковия канал, съвпадение между главината и вала, радиален хлабина на изходния лагер, хлабина на профила на зъбите и несъответствие в термичното разширение. Общата хлабина, измерена на джантата на колелото, обикновено е от 0,05 до 0,30 мм за общи индустриални задвижвания и от 0,02 до 0,05 мм за прецизно индексиране. Намаляването на общата стойност под 0,02 мм изисква контролиране на всеки източник поотделно, като дуплексната геометрия на червяка обработва компонента на профила на зъбите почти до нула. Повечето оплаквания от „шумно реверсивно задвижване“ се дължат на един или два доминиращи източника, а не на равномерно увеличение във всичките пет. Диагностицирането на това кой източник доминира е първата стъпка във всеки проект за намаляване на хлабината.
Защо обратната реакция е важна — тестът с пет дъгови минути
Миналия месец ръководител на нов проект в корейски производител на машинни инструменти ни потърси червячна предавка 60:1 с „индустриален стандартен луфт“. Приложението се оказа 4-позиционна ротационна индексираща маса с толеранс на позициониране от плюс или минус пет дъгови минути. Индустриалният стандартен луфт на типична червячна скоростна кутия е от 30 до 60 дъгови минути - шест до дванадесет пъти по-голям от толеранса на приложението. Несъответствието не е по вина на доставчика, нито по вина на клиента. То е следствие от третирането на луфта като едно число, а не като системно свойство, съставено от пет независими приноса.
Всяка двойка червячни зъбни колела носи известно загубено движение между червячната резба и зъбите на червячното колело. Това загубено движение е необходимо, за да се осигури смазочен филм, да се поеме термично разширение и да се предотврати заклинване. Въпросът не е дали да има луфт, а колко да се позволи и как да се контролират източниците му. Статии, които казват, че „луфтът е между 30 и 60 дъгови минути“, повтарят каталожен номер, който може или не може да съответства на приложението. Статии, които говорят за „червячни зъбни колела без луфт“, прескачат към решението, преди да определят откъде всъщност идва луфтът. Правилната отправна точка е разлагането.
Петте източника на негативна реакция - разлагане
Общият луфт, измерен на венчето на червячното колело, е сума от пет компонента. Всеки компонент има свой собствен физически механизъм, свой собствен контролируем диапазон и собствено конструктивно действие. Разлагането е важно, защото не можете да намалите общия луфт под най-големия единичен компонент, независимо колко силно затягате останалите.
Повечето индустриални задвижвания имат един или два доминиращи компонента – обикновено профил на зъба и радиална хлабина на лагера – като останалите допринасят малко. Приложенията за прецизно индексиране трябва да контролират и петте до сравними нива.
Добавете типичните приноси и картината става ясна. Обикновена индустриална червячна зъбна предавка има общ хлабинен ход от приблизително 0,08 до 0,34 мм на ръба - което се преобразува в 30 до 90 дъгови минути при радиус на стъпката от 100 мм. Този диапазон съответства на каталожните номера, които повечето статии цитират без обяснение. Разлагането разкрива защо тези числа не са предопределени: всеки източник може да бъде намален поотделно и е постижим резултат с точност от 0,02 мм, когато всеки компонент се държи в тесния край на диапазона си.
Как да се измери хлабината — методът на индикатора на часовника
Измерването на хлабината е лесно, но лесно може да се сбърка от първия опит. Процедурата по-долу работи за всяка двойка червячни зъбни колела, от миниатюрен задвижващ механизъм до голям индустриален редуктор. Ключовата дисциплина е пълното заключване на червячния вал, така че цялото измерено движение на колелото да идва от хлабините на съединението, а не от червяка, който се върти леко под товар.
- Заключете червячния вал срещу въртене. При комплектен редуктор, дръжте входния вал срещу движение с помощта на скоба или плоска повърхност през шпонковия канал. При гола предавка, поставена в тестово приспособление, затегнете директно червячния вал.
- Монтирайте индикаторен часовник върху стабилна референтна повърхност, съседна на джантата на червячното колело. Позиционирайте върха на индикатора върху равна повърхност на джантата, перпендикулярно на оста на колелото, на най-големия наличен радиус за чувствителност на измерването.
- Приложете лека тангенциална сила към джантата на колелото в една посока, докато зъбите на червячното колело се зацепят напълно от едната страна. Нулирайте индикатора.
- Обърнете тангенциалната сила, прилагайки същата величина в обратната посока, докато зъбите се зацепят отново на противоположния ръб. Отчетете изместването на индикатора - това е общият хлабинен ход по радиуса на измерване.
- Преобразувайте в ъглов хлабина, ако е необходимо: ъглов хлабина (радиани) = линеен хлабина (mm), разделен на радиуса на измерване (mm). Умножете по 3437,75, за да преобразувате радианите в дъгови минути.
- Повторете на четири позиции по обиколката на колелото (на 90 градуса една от друга). Вариацията на хлабината около колелото разкрива грешки в разстоянието между зъбите и ефекти на биене, които еднократно измерване пропуска.
- Документирайте четирите показания, средната стойност и диапазона на вариация. Средната стойност е работният хлабинен ход; вариацията е сигнал за качество на самото колело.
Отклонение, по-голямо от 25 процента от средната стойност, обикновено показва некръгло колело или грешка в разстоянието между зъбите, причинена от износена плоча. Ако отклонението е равномерно по цялото колело, но абсолютното число е твърде високо, доминиращият източник е фиксирана хлабина (шпонков канал, сглобка, лагер) и регулирането на колелото няма да я коригира.
Тънкост при измерване, която привлича начинаещите техници: индикаторът с часовников механизъм трябва да отчита изместването на джантата на колелото, а не изместването на основата на индикатора спрямо корпуса на колелото. Ако индикаторът е монтиран на същия корпус, в който се върти колелото, огъването на корпуса под въздействието на тангенциална сила се проявява като фалшив луфт. Монтирайте индикатора върху външна твърда рамка, а не върху самия корпус на скоростната кутия. Първия път, когато проведохме одит на луфта на индексираща маса на японски клиент, видимият луфт спадна с 40 процента в момента, в който преместихме основата на индикатора от капака на скоростната кутия към отделна магнитна стойка върху гранитната повърхност.
Проектиране на бюджет за обратна реакция за приложение за индексиране
След като петте източника бъдат разложени, проектирането става лесно. Разпределете общия бюджет между петте компонента, като вземете предвид, че най-евтините намаления идват от компонентите, които вече имат най-голям контролируем диапазон, а най-скъпите намаления идват от компоненти като профила на зъба, които изискват специализирана геометрия.
Да разгледаме прецизна индексираща въртяща се маса за корейски заваръчен апарат за автомобилни части. Спецификация за точност на индекса: плюс или минус 30 дъгови секунди на детайла, разположен на 250 мм от центъра на колелото. Това се преобразува в плюс или минус 0,036 мм линейно по радиуса на детайла, мащабирайки се до плюс или минус 0,018 мм при джанта на колело 125 мм. Общ двупосочен бюджет за хлабина: 0,036 мм на джантата. Разпределение между петте източника в тесния край на всеки контролируем диапазон:
Обърнете внимание, че компонентът на профила на зъба заема повече от половината от общия бюджет. Това е типично - хлабината на профила на зъба е структурно най-големият източник и се нуждае от най-агресивното намаляване (дуплексна червячна геометрия), за да се вмести в прецизен бюджет. Другите четири компонента са по-лесни за контролиране поотделно и допринасят пропорционално по-малко.
Технология на дуплексната (анти-отворена) червячна предавка
Дуплексният червяк има малка умишлена разлика в стъпката на резбата между десния и левия страничен ръб на всяка резба. Разликата в стъпката създава дебелина на зъба, която варира по дължината на червея - по-тънка в единия край, по-дебела в другия.
Плъзгането на червяка аксиално спрямо колелото променя кое аксиално положение е в зацепване и следователно коя дебелина на зъба е в контакт със зъбите на колелото. Преместването на червяка към по-дебелия край и хлабината на профила на зъба намалява. Преместването му в обратната посока и хлабината се отваря. Същата зъбна двойка се адаптира към широк диапазон от настройки на хлабината, без да е необходимо да се обработва повторно каквото и да било.
Типичната дуплексна конструкция променя хлабината с 0,02 мм за всеки 1 мм аксиално движение на червяка. С производствени допуски на колелото от плюс или минус 0,045 мм, аксиално изместване на червяка с 2 мм покрива пълния диапазон на допуски от отворен хлабина до нулева хлабина. Регулирането се извършва при сглобяване с помощта на подредба с подложка и контрагайка, а настройката се запазва за целия живот на задвижването, освен ако не се постави подложка отново.
Две предупреждения относно дуплексната геометрия. Първо, нулевият хлабинен ход рядко е правилната цел — при нулева хлабина смазочният филм не може да се установи, триенето се увеличава и износването се ускорява. Повечето дуплексни приложения се стремят към хлабина на профила на зъбите от 0,02 до 0,04 мм, оставяйки място за маслен филм, без да се прави компромис с точността на позициониране. Второ, дуплексната геометрия не може да се дооборудва допълнително. Червякът и колелото са сдвоени като двойка от производството, а замяната на стандартен червяк в дуплексен корпус на колелото премахва изцяло възможността за регулиране.
Отклонение на обратния ход с течение на експлоатационния срок
Луфтът не е постоянен през целия живот на задвижването. Всеки от петте източника се променя в собствена времева скала, а общата сума нараства по характерен модел, който екипите по поддръжка могат да наблюдават.
Проследяването на обратния ход чрез планирани измервания е една от най-евтините техники за наблюдение на състоянието – 5-минутна проверка с индикатор на всеки тримесечие улавя развиващото се износване много преди то да стане видимо по други начини.
Хлабината на профила на зъбите нараства постоянно с работните часове, тъй като зъбите на бронзовото колело се износват. Типично индустриално задвижване показва растеж на профила на зъбите от 0,003 до 0,008 мм на 1000 работни часа при номинално натоварване, като се ускорява до 0,015 мм на 1000 часа при хронично претоварване. Радиалният хлабина на лагерите се увеличава стъпаловидно, когато лагерите се износват над прага си на умора. Хлабината на шпонковия канал се увеличава, когато шпонковите изрезки се деформират под реверсивно натоварване. Сглобката на главината и вала и термичното разширение са по същество постоянни, освен ако нещо не се повреди катастрофално.
Екип по поддръжка, който записва луфта на тримесечие и изобразява тенденцията, обикновено може да предвиди подмяната на скоростната кутия шест до дванадесет месеца предварително - много преди нарастващият луфт да започне да влияе върху точността на позициониране на изхода или да задейства аларми надолу по веригата. За пълни задвижващи агрегати разгледайте стандартните червячен редуктор опции, които включват фабрични спецификации за хлабина и разпоредби за регулиране на място за повечето размери рамки.
Три реални случая на контрол на обратната реакция
Случай 1 — Индексираща маса за корейски машинни инструменти
Корейски заварчик на автомобилни части се нуждаеше от точност на индекса плюс или минус 30 дъгови секунди на 4-позиционна въртяща се маса за заваръчни приспособления за рамки на врати. Първоначална спецификация: стандартен червячен редуктор 50:1. Измереният хлабинен ход на първия прототип беше 35 дъгови минути - 70 пъти допустимото отклонение на приложението. Диагноза: хлабината на зъбния профил доминираше при 0,12 мм на ръба, като шпонковият канал добавя още 0,04 мм. Решение: преминаване към дуплексна двойка червяк и колело с целеви профил на зъба 0,020 мм, ръчно монтирана успоредна шпонка, намаляваща хлабината на шпонковия канал до 0,005 мм, предварително натоварени ъглови контактни лагери, намаляващи радиалния хлабина до 0,005 мм. Крайно измереният хлабинен ход: 0,034 мм на ръба, еквивалентно на плюс или минус 28 дъгови секунди - в рамките на допустимото отклонение на приложението с малък марж. Обща премия за разходите спрямо стандартния редуктор: приблизително 2,4 пъти. Приложението изискваше тази премия, тъй като грешката в позиционирането пряко влияеше върху качеството на заварката.
Случай 2 — етап на производство на полупроводникови пластини в Япония
Японски производител на полупроводниково оборудване се нуждаеше от позициониране с под-дъгова секунда на ротационна платформа за обработка на пластини. Бюджет на луфта на ръба на колелото: 0,005 мм — доста под практическия лимит на която и да е технология с червячна предавка. Диагноза: червячната предавка е била грешен технологичен избор за този клас на точност. Решение: замяна на концепцията с червячна предавка изцяло с двигател с директно задвижване и резервно хармонично задвижване, като се изостави подходът с червячна предавка. Урок: когато изчислението на бюджета показва, че дори най-строгият контрол на всеки източник на луфт не може да отговори на изискването, отговорът не е по-добра технология с червячна предавка. Отговорът е различна технология с предавка. Червячни предавки с пълен дуплекс и плътни лагери могат да достигнат приблизително 0,02 мм на ръба; под това ниво хармоничното задвижване или директното задвижване се превръщат в правилния отговор.
Случай 3 — Виетнамски позиционер за текстилен стан
Виетнамски производител на текстилен стан съобщи за „шумно обръщане“ на задвижване за позициониране на конеца след 4 месеца работа. Първоначално предположение: износено бронзово колело, нуждаещо се от подмяна. Измерването на луфта показа 0,42 мм на ръба, много над фабричната спецификация от 0,18 мм. Диагноза на разлагането: профилът на зъба е нараснал само незначително от 0,08 мм до 0,12 мм. Доминиращият нов източник е радиалният луфт на лагера, който се е увеличил от 0,02 мм при доставка до 0,18 мм — износени са лагерите, а не зъбната двойка. Решение: сменете лагерите, запазете оригиналния червяк и колело, възстановете луфта до 0,16 мм. Обща цена: около 8 процента от пълната подмяна на зъбната двойка. Урок: не всяко оплакване за увеличен луфт означава износени зъбни колела. Разлагането преди подмяна спестява пари за частите, които все още могат да се обслужват.
Често задавани въпроси
В: Нулевата хлабина (отрицателна реакция) реалистична ли е целта за проектиране?
Почти никога. Нулевият луфт означава, че червякът и зъбите на колелото са в непрекъснат контакт едновременно от двете страни, което предотвратява образуването на смазочен филм между контактуващите повърхности. Триенето се увеличава, генерирането на топлина се увеличава и износването се ускорява драстично. Практическите конструкции „без луфт“ са насочени към хлабина на профила на зъбите от 0,01 до 0,04 мм – достатъчно малка за прецизно позициониране, но достатъчно голяма, за да поддържа масления филм. Истинските конструкции с нулев луфт (пружинно предварително натоварен разделен червяк) работят, но изискват внимателен подбор на смазка и приемат по-кратък експлоатационен живот като компромис.
В: Как се преобразува хлабината между линейни и ъглови единици?
Линейният хлабина при радиус R се преобразува в ъглов хлабина по формулата: ъглов хлабина (радиани) = линейна (mm), делено на R (mm). Умножете по 3437,75, за да преобразувате радиани в дъгови минути, или по 206265, за да преобразувате в дъгови секунди. Пример: 0,05 mm линеен хлабина, измерена при радиус на ръба 100 mm, е равна на 0,0005 радиана, равно на 1,72 дъгови минути, равно на 103 дъгови секунди. Същите 0,05 mm при радиус на ръба 25 mm дават 6,88 дъгови минути, четири пъти по-лошо. Винаги посочвайте радиуса на измерване заедно с линейната стойност или посочвайте директно ъгловата стойност.
В: Мога ли да намаля хлабината на съществуваща скоростна кутия, без да сменям части?
Понякога — зависи кой източник доминира. Ако луфтът на изходния лагер е доминиращият източник, подмяната на лагери с по-тесен клас хлабина често възстановява 50 процента от оригиналния бюджет за луфт, без да се докосва до зъбните колела. Ако хлабината на шпонковия канал се е увеличила поради износване на шпонката, монтирането на леко по-голяма шпонка възстановява оригиналните спецификации. Ако хлабината на профила на зъбите е доминираща, червякът и колелото с фиксирана геометрия не могат да се регулират на място — подмяната е единственият път. Конструкциите с регулируемо междуосово разстояние позволяват известно възстановяване на профила на зъбите, но само върху корпуси, проектирани за това. Диагностицирайте доминиращия източник, преди да решите да смените зъбните колела.
В: Каква е връзката между хлабината и класа на точност на зъбното колело?
Класът на точност (DIN 5, 6, 7, 8) контролира грешката в профила между зъбите и общата кумулативна грешка в стъпката, а не средния хлабинен ход. Двойка червячни зъбни колела с шлифовка по DIN 5 има по-плътна геометрия на зъбните страни от двойка с фрезоване по DIN 8, но средният им хлабинен ход може да бъде зададен на сходни стойности. Разликата между тях е в вариацията на хлабината около колелото — DIN 5 може да показва вариация от 0,005 мм, докато DIN 8 показва 0,030 мм. За приложения, където вариацията на хлабината е от значение (серво позициониране, плавно управление на движението), класът на точност има същото значение, както и средният хлабинен ход. За приложения, които се нуждаят само от постоянна позиция при заден ход, средният хлабинен ход е доминиращата спецификация.
В: Как температурата влияе на хлабината на колело от фосфорен бронз и стоманен червей?
Фосфорният бронз има коефициент на термично разширение от приблизително 18 ppm на градус Целзий, докато закалената стомана е 11 ppm на градус Целзий. Бронзовото колело расте по-бързо от стоманения червяк и корпус с повишаване на температурата. За колело с диаметър на стъпката от 100 mm, температурна амплитуда от 30°C променя диаметъра на колелото с приблизително 0,054 mm - по-голямата част от което се изразява директно в намален хлабина на профила на зъбите при работна температура. Следователно хлабината при студен старт е по-голяма от хлабината при гореща работа и прецизните приложения, които работят в широк температурен диапазон, трябва да бъдат проектирани за случая на студен старт (най-голяма хлабина), като същевременно се гарантира, че случаят при гореща работа никога няма да достигне нулева хлабина.
В: Трябва ли да посоча хлабината в дъгови минути или милиметри в чертежа си?
Както корейските, така и японските спецификации на OEM обикновено посочват ъгловата стойност като основна спецификация (напр. „12 дъгови минути максимален двупосочен хлабинен ход“) с еквивалентната линейна стойност при определен радиус като вторична референтна стойност (напр. „еквивалентно на 0,07 мм при радиус на стъпката от 100 мм“). Двойната спецификация елиминира неяснотата за доставчика и дава на екипа за инспекция директна цел за измерване. Самостоятелните линейни стойности без определен радиус са двусмислени; самостоятелните ъглови стойности са точни, но по-трудни за измерване на стенд. И двете заедно правят спецификацията недвусмислена и инспектируема.
В: Как взаимодейства хлабината с изчисляването на предавателното число на червячната предавка и избора на монтаж?
По-високите предавателни числа водят до по-голям хлабина на изхода при същото входно движение, тъй като изходът се върти по-малко на единица входен сигнал. Предаване 100:1 с хлабина на ръба от 0,1 мм показва 10 мм ход на входния вал, преди зацепването на изхода да се обърне - дразнещо, но безвредно на конвейер, непоносимо на серво позиционер. Методът на монтаж също има значение: затягането с разделена главина въвежда нулева хлабина в съединението, тъй като фрикционното захващане е равномерно по цялата обиколка на отвора, докато монтажът с шпонков канал винаги носи приноса на хлабината на шпонковия канал. За прецизни приложения с високо предавателно число, както изборът на предавателно число, така и изборът на монтаж трябва да се вземат предвид, наред със спецификацията на хлабината на зъбната двойка.
Хлабината на червячна зъбна предавка не е еднократно число, което да се договаря с доставчика. Това е бюджет, съставен от пет независими източника, всеки от които е измерим, всеки е контролируем чрез специфични проектни действия, всеки от които е подложен на колебания през експлоатационния живот в собствена времева скала. Статии, които цитират „типично от 30 до 60 дъгови минути“, без да обясняват разлагането, не оставят на инженера-конструктор никакъв път път към прецизен резултат. Инженерът, който разлага бюджета, разпределя честно всеки компонент и измерва сглобеното задвижване спрямо бюджета, достига надеждно допустимото отклонение на приложението от първия път.
За корейски и японски екипи от дизайнери на OEM, разработващи приложения за прецизно индексиране, позициониране на машинни инструменти или серво позициониране, нашият инженерен екип извършва петизточников анализ на хлабината спрямо вашите изисквания за точност и препоръчва зъбна двойка, монтаж, лагер и разположение на шпонката, които се вписват в бюджета. Стандартен каталог прецизни и дуплексни червячни зъбни колела покриват пълния диапазон от общопромишлени до индексиращи приложения. Изработват се персонализирани геометрии по чертеж със срок на изпълнение от 6 до 8 седмици — заявете преглед на бюджета с вашата спецификация за точност и нашият екип ще ви върне разпределение от пет източника в рамките на един работен ден в Корея.
Проектиране на прецизно индексиращо или позициониращо задвижване?
Изпратете спецификацията за точност (в дъгови секунди или милиметри по радиуса на детайла) и работния температурен диапазон. Ще разложим бюджета за хлабина по петте източника и ще препоръчаме комбинацията от зъбни колела, монтаж и лагер, която се вписва в допустимите граници.
Редактор: Cxm
