Kuidas ussiülekanded töötavad – mehaanika 5 sammuga
Kaaderhaaval ülevaade sellest, mis tegelikult hamba liideses toimub – füüsikast, mis otsustab, kas teie ketas töötab jahedalt, vaikselt või saab kolme kuuga pronks otsa.
Mehhanism on viieetapiline: sisendvõll paneb ussi pöörlema, ussi spiraalne keere surub külgsuunas ussiratta hamba vastu, kontakt libiseb, mitte ei veere (see on määrav füüsikaline fakt), pöördemoment korrutatakse proportsionaalselt reduktsioonisuhtega miinus hõõrdekaod ja madalate juhtnurkade korral lukustub geomeetria ise, nii et ratas ei saa ussi tagurpidi liigutada. Kõik muu ussi ja ussirattapaari kohta – kuumus, müra, määrdeaine valik, kasutusiga – tuleneb sellest viieetapilise tsüklist.
Miks staatilised diagrammid ei kajasta seda, mis tegelikult toimub
Enamik ussiülekande mehaanika seletusi tugineb plahvatusjoonisele, mis on tähistatud nooltega, mis osutavad „sisendile“ ja „väljundile“. See visualiseering on õige, kuid disainiotsuste tegemisel kasutu. Nooled ei näita neljakümmet millisekundit kestvat kokkupuudet ühe rattahamba ja ussi keerme vahel ega seda, kuidas kokkupuutepunkt liigub esiküljelt tagaküljele või miks määrdeainekihi paksus otse kokkupuutepunkti all määrab, kas tegemist on 40 000-tunnise või 4000-tunnise sõiduga.
Järgnevalt kujutage ette ühte hammast ussirattal – nimetage seda 40-hambulise ratta 17. hambaks – ja jälgige seda läbi ühe täieliku haardumistsükli, kui uss pöörleb. Kõik viis allolevat sektsiooni on selle tsükli diskreetne faas. Kujutage see pilt ette ja ülejäänud ussiülekande projekteerimine – materjali valik, määrimine, täpsusklass, juhtnurga määramine – loksub paika peaaegu ilma pingutuseta.
1. samm — sisendmoment jõuab ussivõllile
Ussvõlli pöörleb mootor, käsivänt või ülesvoolu käik. Tööstusmootorite sisendkiirus on tavaliselt vahemikus 500–3000 p/min; servomootoriga täppisrakendused võivad töötada madalamal kiirusel; kiired otseülekandega seadmed ulatuvad aeg-ajalt 5000 p/min-ni. Võllile jõudev pöördemoment on sama, mida mootor annab – sageli vaid mõni njuutonmeeter murdosa hobujõuga ajami puhul.
Kaks sisendvõlli kohta käivat fakti on olulised kõige allavoolu liikuva jaoks. Esiteks on uss ise täppislihvitud spiraalkeermega hammas, mitte puuritud hammas – pinna karedus Ra alla 0,4 mikromeetri on kvaliteetse seadme puhul standardpraktika, sest iga mikromeeter karedust tõuseb libiseva kontakti faasis hõõrdumisele. Teiseks peab võll kandma märkimisväärset aksiaalset tõukejõudu (näeme, miks, 3. etapis), mis tähendab, et sisendlaagrite paigutus ei ole lihtne, ainult radiaalne, mida kasutatakse silinderajamil.
2. samm — Niit haakub hambaga 17
Ussi pöörlemisel läheneb ühe spiraali keerdu esiserv küljelt hambale 17. Haardumine algab hambakurru põhjast (ratta nõgus pind, mis mähitakse ümber ussi) ja liigub mööda hamba külge tipu poole. Ühekurrulisel ühe käivitusega ussirattal on igal hetkel kolm kuni neli hammast hambus – hammas 16 on väljumas, hammas 17 on maksimaalses kokkupuutes, hammas 18 on just sisenemas, hammas 19 läheneb.
Ühe käivitusega ussi puhul, mis pöörleb kiirusel 1500 p/min, haakub iga 40 hambaga ratta iga hammas ühe korra ussipöörde kohta – see on iga 40 millisekundi järel. Tegelik kokkupuute kestus on umbes 12–15 millisekundit tsükli kohta. Nende 12 millisekundi jooksul liigub ussi keere üle kogu kasuliku hamba külje juurest tipuni, mitte aga lühikese tangentsiaalse harja, mis toimub silinderhammasrataste paaril.
Kui ussil on kaks käivitust (kahe käivitusega spiraal), liigutab ratast iga pööre kahe hamba võrra ühe asemel edasi. Hammas 17 näeb endiselt sama 12–15 millisekundilist haardumisakent, kuid tsükkel kordub kaks korda ussi pöörde kohta. Mitme käivitusega ussid eksisteerivad just selleks, et suurendada efektiivsust – rohkem käivitusi tähendab suuremat juhtnurka, väiksemat libisemisdistantsi haarduvuse kohta ja vähem soojust.
3. samm – libisev kontakt kannab jõudu üle
See on füüsikaline fakt, mis määratleb kõik muu ussi ja ussiratta süsteemi kohta. Kuigi ussi keere toetub hambale 17, on kontakt ülekaalukalt libisev – ussi spiraalne keere kraabib külgsuunas üle hamba külje, kandes jõudu tangentsiaalselt üle. Veeremiskomponent peaaegu puudub. See erineb põhimõtteliselt kaldhammasrattast või kaldhammasrattast, kus veeremine domineerib ja libisemine on väike teisejärguline liikumine hammasratta sammujoone lähedal.
Kui klient esitab mulle ühe küsimuse ja ma pean andma ühe vastuse, mis kaitseb teda 80 protsendi rikete eest, mida olen kahe aastakümne jooksul näinud, siis see on: „Pidage meeles, et kontakt on libisev, mitte veerev, ja valige määrdeaine vastavalt.“ Tavaline silinderkäigukastiõli hävitab pronksist ussiratta nädalate jooksul. Määrdeaine peab säilitama kile paksuse, mida kogu libisev pühkimine ei suuda maha pühkida, mis on palju raskem hüdrodünaamiline probleem kui lühiajaline veerev kontakt. Ohutu vaikeväärtus on ISO VG 460 või 680 koos kollase metalli ohutute lisanditega; alla 70 kraadi Celsiuse korral võib jääda mineraalõli juurde, sellest kõrgemal temperatuuril minna üle PAO või PAG sünteetilisele õlile.
Igal kokkupuutel kolm jõukomponenti
Libisemiskontakti ajal mõjuvad rattahambale kolm jõukomponenti ja ussi keermele kolm võrdse suurusega vastassuunalist jõukomponenti. Nende mõistmine on laagri valiku ja võlli konstruktsiooni alus.
Ussvõllile mõjuv aksiaalne jõud on see, mis algajaid projekteerijaid ootamatult tabab. 40:1 ajamil, mis edastab rattale 50 N·m, võib ussvõllile mõjuv aksiaalne tõukejõud kergesti ületada 800 N. Lihtne sügava soonega kuullaagrite paigutus, mis oleks täiesti piisav silinderülekande jaoks, laguneb usskäigukastil aasta jooksul. Standardvastuseks on koonilised rull-laagrid või selg-selg nurkkontaktlaagrite paarid.
4. samm – pöördemoment korrutatakse ratta väljundvõimsusel
Kui tangentsiaalne jõukomponent jõuab hambani 17, teisendatakse see ratta raadiuse hoova kaudu väljundvõllil pöördemomendiks. Aritmetika on lihtne: 40-hambulise rattaga haakuv ühekäiguline uss pöörab ratast täpselt 1/40 pöörde võrra ussi iga pöörde kohta. Sisendkiirus jagatakse 40-ga, sisendpöördemoment korrutatakse 40-ga – miinus hõõrdekaod.
Hõõrdekaod on konks. Liugkontakt hajutab olulise osa sisendvõimsusest soojusena. Ühe käivitusega ajam 4-kraadise juhtnurga ja hästi valitud määrdeainega töötab umbes 60–65-protsendilise efektiivsusega. Nelja käivitusega ajam 16-kraadise juhtnurgaga tõstab selle 88–92 protsendini – aga astmelise suhte neljakordse vähendamise hinnaga. Seos on geomeetriline; samas komplektis ei saa olla nii maksimaalset suhet kui ka maksimaalset efektiivsust.
Efektiivsuse valem, millega iga disainer lõpuks kokku puutub, on η = tan(λ) / tan(λ + φ), kus λ on ussi ettepoole suunatud nurk ja φ on kontakti hõõrdenurk (tavaliselt 5–8 kraadi hästi määritud terase ja pronksi puhul, 10–15 kraadi halva määrimise või kuivkäigu avariitingimuste korral).
Sisesta numbrid ja kompromiss saab ilmseks. λ = 4 kraadi ja φ = 6 kraadi juures on efektiivsus umbes 40 protsenti. λ = 12 kraadi ja sama hõõrdenurga korral tõuseb efektiivsus 67 protsendini. λ = 25 kraadi juures ulatub efektiivsus 80 protsendini. Põhjalikuma ülevaate ja näidetega tutvumiseks vaadake meie kaasnevat artiklit ussiülekande ülekandearvu ja arvutamise kohta.
5. samm – Iselukustuv funktsioon hoiab asendit, kui sisend peatub
Ussülekanne lõpetab pöörlemise, sisendmootor peatub ja hammast 17 enam ei lükata. Järgmisena juhtub see, mis eristab ussülekannet põhimõtteliselt kõigist teistest hammasrataste perekonnast: mitte midagi. Ratas ei veere tagasi, koormus ei libise alla, ajam lihtsalt hoiab paigal.
Iselukustuvus toimub siis, kui ussi ettepoole suunatud nurk on alla umbes 5–6 kraadi. Nende väikeste nurkade korral ületab staatiline hõõrdumine hamba kokkupuutel jõu, mida koormatud ratas suudab ussile tagasi avaldada, et seda külgsuunas lükata. Ajam on geomeetriliselt võimetu väljundpoolelt tagasi liikuma. See on omadus, mis paigutab ussi ja ussrattapaarid liftidesse, klapiajamitesse, tõstukitesse, antenni positsioneeridesse ja seisupidurimehhanismidesse – igasse rakendusse, kus tahtmatu tagasiliikumine oleks ohtlik või kulukas.
Mõned ettevaatusabinõud, mida tasub omaks võtta. Iselukustuv on geomeetriline, mitte absoluutne. Vibratsioon võib koorma alla raputada. Määrdekile muudab hõõrdetegurit – külmalt iselukustuv ajam võib kuumalt aeglaselt allapoole roomata. Üle 12-kraadise juhtnurga (tüüpiline mitme käivitusega ajamitele) kaob iselukustuv täielikult ja ratas saab vabalt tagasi liikuda. Ärge kunagi kasutage iselukustuvat süsteemi langeva koorma rakenduse peamise ohutusseadmena; määrake eraldi mehaaniline pidur ja käsitlege iselukustuvat süsteemi kasuliku abiseadmena.
Töötatud näide, mida saab salvrätikul reprodutseerida
Võtame tüüpilise tööstusliku rakenduse: elektriline kett-tõstuk, mis tõstab 200 kg raskust koormat 50 mm raadiusega trumlil. Matemaatika läbib ülaltoodud viis sammu otsekoheselt.
0,75 kW mootor sisendkiirusel 1400 p/min tekitab tõstetrumli väljundvõimsuse kiirusel 35 p/min ja pöördemomendil 98 N·m, tõstes 200 kg koormat ohutult, samal ajal kui iselukustuv omadus hoiab seda õhus, kui operaator kontrolleri vabastab. Pange tähele, kuidas iga number ahelas sõltub efektiivsuse hinnangu õigsusest – ja efektiivsus sõltub juhtnurgast, mis omakorda sõltub ülekandearvu valikust. Viieastmeline tsükkel on omavahel seotud; ühte parameetrit ei saa häälestada ilma teisi mõjutamata.
Mida disainerid kõige sagedamini eksivad
Efektiivsuse käsitlemine konstandina. Kataloogi andmelehel avaldatud 60-protsendiline efektiivsus on nimiväärtus nimikoormusel ja nimikiirusel. Kui käitada sama ajamit kümnendiku koormusega, langeb protsent sageli alla 40, kuna määrdekile on paksem kui vaja ja hõõrdemoment domineerib vähendatud kasuliku pöördemomendi üle. Kasutage alati tegelikku tööpunkti, mitte nimivõimsust.
Sisendmootori suuruse määramine ilma keti hõõrdumiseta. Kiusatus on võtta väljundmoment, jagada see suhtega ja nimetada mootori pöördemomendiks. See matemaatika annab vale vastuse, kuna see ignoreerib hõõrdumist. Lisage alati efektiivsuse jagaja: sisendmoment = väljundmoment ÷ (suhe × efektiivsus).
Unustades sisendvõllile mõjuva aksiaalse tõukejõu. Ainult radiaallaagrite paigutus on kõige levinum mehaaniline rike renoveerimistöödel, kus keegi on asendanud spiraalreduktori ussülekandega ja säilitanud originaallaagrid. Aksiaalne komponent lööb need laagrid enneaegselt pensionile.
Eeldades, et iselukustuv on püsiv. Iselukustuvus sõltub hõõrdetegurist, mis varieerub sõltuvalt temperatuurist, määrdeaine seisundist ja vibratsioonist. Äsja töökojast välja võetud ajam, mis iselukustub, võib aasta hiljem allapoole libiseda, kui õli on kuumuse tõttu vedeldunud ja kasutamise tõttu vananenud. Ohutuse seisukohalt olulise fikseerimise jaoks on vaja pidurit.
Kasutades geneerilist määrdeainet. Usskäigukastiõli on spetsiaalne toode. Liugkontakt vajab paksemat kihti kui veerekontakt ning ühilduvus kollase metalliga on kohustuslik, kuna enamik ussirattaid on pronksist. Diferentsiaaliõlis tavapäraselt kasutatavad aktiivse väävli EP-lisandid söövitavad pronksi külge temperatuuril üle 70 kraadi Celsiuse järgi. Kasutage alati selleks otstarbeks mõeldud õli – ja kui te pole kindel, milline klass sobib teie töötsükliga, küsige abi. määrdespetsifikatsiooni ülevaade insenerilaualt enne esimest õlitäitmist.
Korduma kippuvad küsimused
K: Miks vajab ussiülekanne sisendvõllil tõukelaagrit?
Ussi keerme ja ratta hamba vaheline libisev kontakt tekitab ussivõlli ulatuses aksiaalse jõukomponendi. Tüüpilise tööstusliku ajamil võib see aksiaalne tõukejõud ulatuda mõnesajast kuni mitme tuhande njuutonini, olenevalt pöördemomendist ja juhtnurgast. Lihtne radiaalne kuullaager ei suuda seda koormust pikka aega purunemata kanda, seega on koonusrullid või nurkkontaktpaarid ussivõllidel standardpraktikas.
K: Kas ussiülekanne võib isegi lühikeseks ajaks kuivaks minna?
Mitte mingil olulisel moel. Libisemiskontakt tugineb pidevale määrdekilele, et vältida metalli ja metalli vahelist hõõrdumist. Mõne sekundi jooksul pärast kuivaks töötamist tõuseb hõõrdenurk tavapärasest 6–8 kraadist 15 kraadini või rohkem, ajami efektiivsus langeb, tekivad pronksratta kriimustused ja pinnatemperatuur tõuseb. Ajamit, mis kaotab töötamise ajal õli, on sageli võimatu taastada – rattahambad vajavad väljavahetamist isegi siis, kui ussivõll jääb alles.
K: Miks on uss alati liikumapanev jõud, mitte kunagi käitatav element?
Iselukustuvates paigutustes (eelnurk alla 5–6 kraadi) ei saa ratas ussi vedada, kuna staatiline hõõrdumine kokkupuutel ületab tagasiliikumisjõu. Mitteiselukustuvates paigutustes (mitmekäiguline, suurem eelnurk) saab ratas ussi vedada, kuid süsteem on selles suunas palju vähem efektiivne, kuna hõõrdumine toimib nii edasi- kui ka tagasiliikumisele vastu. Ussi vedav ratas on geomeetria loomulik energiasuund.
K: Kui palju soojust ussikäigukast tegelikult tekitab?
See sõltub täielikult tööpunktist. 1 kW sisendajam 60-protsendilise efektiivsusega hajutab õlivannis 400 W soojust. Väikesel, suletud malmist korpusel on õlivanni temperatuuri püsiseisundis 30–50 kraadi Celsiuse võrra ümbritsevast temperatuurist kõrgemaks piisav. Üle 5 kW pidevalt töötavate ajamite puhul on täiendav jahutus (ribid, ventilaator või õlijahuti) kohustuslik, mitte valikuline. Soojuse hajumine on pideva töö korral sageli siduv piirang. ussikäigu reduktor suurus – mitte pöördemoment, mitte laagri eluiga, vaid see, kui kiiresti korpus suudab keskkonda heitsoojust eraldada.
K: Kas ussiülekande ülekandearv muutub, kui ma vahetan ussi materjali?
Ei, suhe on puhtalt geomeetriline – ratta hammaste arv jagatud ussi käivituste arvuga. Materjal mõjutab kandevõimet, kasutusiga ja efektiivsust, kuid mitte sisend- ja väljundkiiruse kinemaatilist suhet. 40:1 seadistus jääb 40:1-ks olenemata sellest, kas uss on karastatud SCM415 legeerterasest või karastamata pehmest terasest; ainult pronksratas kulub kahel juhul erinevalt.
K: Milline pöörete vahemik on ussivõlli sisendi jaoks mõistlik?
Tööstuslike ajamite puhul on mugav töövahemik sisendkiirusel 500–3000 p/min. Alla 500 on määrdekile moodustumine keeruline, kuna suhteline libisemiskiirus on hüdrodünaamiliste efektide jaoks liiga madal. Üle 3000 ületab soojuse tekkimise kiirus seda, mida tüüpiline suletud korpus suudab hajutada, seega on vajalikud jahutusmeetmed. Spetsiaalsed kiired ajamid võivad sundõliringlusega töötada kiirusel 5000 või 6000 p/min, kuid need on pigem erand kui standard.
K: Miks tundub ussülekanne käsitsi keerutades teistsugune kui silinderülekanne?
Sest suurem osa tuntavast takistusest on libisev hõõrdumine, mitte ainult inerts. Silinderhammasratas pöörleb pärast käivitamist suhteliselt vabalt, sest veeremiskontakt on väikese hõõrdumisega. Uss- ja ussrattapaar tundub raske ja summutatud, peaaegu nagu oleks sellel viskoosne takistus, sest iga pöörlemisaste hõlmab ussi keerme liikumist üle mitme ratta hambapinna. Käsitsi pöörlemistest on tegelikult kasulik esmane kontroll, kas määrdeaine on sobiv – liiga paks ja ajam tundub jäik, liiga vedel ja korpuse kaudu on kuulda nõrka mehaanilist kontakti.
Kui viieetapilise skeemi pilt on selge, siis kõik muud ussi ja ussiratta paari puudutavad tehnilised otsused on sellele otseselt seotud. Materjali valik sõltub sellest, millised kaks metalli libisemisfaasi üle elavad. Määrimine seisneb kile elus hoidmises kontakti pühkimise ajal. Hõõrdenurk on vahetuskurss suhte sügavuse ja efektiivsuskao vahel. Iselukustuvus tekib siis, kui hõõrdenurk ületab hõõrdenurga. Soojuse hajumine piirab tsükli käivitamise sagedust.
Korea ja Jaapani OEM-projekteerimismeeskondadele, kes töötavad välja oma esimest ussülekande spetsifikatsiooni, saab meie Ansanis asuv inseneribüroo üle vaadata teie töötsükli, soovitada juhtnurka ja materjalipaari ning teha hinnapakkumise sobivate ussülekandete põhjal. ühe- ja mitmekäigulised ussiülekanded meie standardkataloogis. Joonised vaadatakse enne pakkumiste saatmist üle konfidentsiaalsuslepingu alusel.
Kas olete ummikus juhtnurga ja efektiivsuse kompromissi juures?
Saatke meile oma väljundpöördemoment, sisendpöörded/min ja kas vajate iselukustuvaid vedrusid. Meie inseneribüroo teeb teile viieastmelise arvutuse, soovitab ülekandearvu ja juhtnurga ning hindab sobivat ussi ja rattapaari – tavaliselt ühe Korea tööpäeva jooksul.
Toimetaja: Cxm
