Mis on ussülekanne? Inseneri juhend
Miks see 2000 aastat vana mehhanism ikka veel liftide, autode roolisüsteemide ja CNC-pöördlaudade sees lõpeb – kirjutas insener.
Uss- ja ussrattapaar on täisnurkne ajam, kus keermestatud võll (uss) haakub hammasrattaga (ussrattaga). Ühekäigulise ussi üks pööre liigutab ratast täpselt ühe hamba võrra edasi – see annabki ühes kompaktses astmes 40:1 reduktsiooni. Kontakt on libisev, mitte veerev, mis muudab ajami vaikseks, sageli iselukustuvaks, aga ka raskemini määritavaks kui silinder- või kaldhammasrattad. Allpool: ajalugu, komponendid, matemaatika, materjalid, rakendused ja kompromissid, mida ausad insenerid ei jäta tähelepanuta.
Miks ussiülekanne üldse olemas on
Tööstusmehhanismid vajasid juba ammu enne elektrimootorite tulekut kahte asja: kiire võlli muutmist aeglaseks võlliks ja selle aeglase võlli pööramist külili. Antiikajal oli Archimedese kruvil juba olemas tänapäevase ussi geomeetrilised elemendid – silindril olev spiraalne keere, mis kandis jõudu üle 90-kraadise telje. 13. sajandi Itaalia ja Saksamaa siidivabrikud kasutasid varaseid ussi-ratta paare, et muuta käsivända sisend mähisetrumli aeglaseks ja ühtlaseks pöörlemiseks. Selleks ajaks, kui James Watti aurumasinate ajastu nõudis tehase jõuülekannete kompaktset vähendamist, oli ussiülekanne küpsenud tuttavaks pronksist terasel kujule, mida me tänaseni Ansanist tarnime.
Põhjus, miks see geomeetria keeldub pensionile jäämast, on lihtne: ükski teine paralleelvõllidega hammasrataste paigutus ei anna teile ühes etapis 40:1 ega 60:1 edastust. Sama ülesannet täitval silinder- või kaldhammasrattal oleks vaja kahte või kolme vahevõlli, rohkem laagreid ja suuremat korpuse mahtu. Kui sihikuks on põrandapind, kaal või müra, võidab uss- ja ussrattapaar sageli ainuüksi inseneritöö väärtuse tõttu – isegi kui selle madalam efektiivsus tavaliselt sellele vastu vaidleks.
On ka teine põhjus, mida õpikutes harvemini käsitletakse. Ussi ja ratta libisev kontakt toimib mehaanilise amortisaatorina. Samm-mootori, pulseeriva hüdraulilise pumba või haarava ja vabaneva töökoormuse tsüklilised pöördemomendi hüpped silutakse kõik hamba liidesel enne, kui need väljundvõllile jõuavad. Rakenduste puhul, kus koormus on tõmblev ja kasutaja ootab vaikset tööd, on see sisseehitatud summutus funktsioon, mida ei saa spiraalajami ja eraldi vibratsiooniühendusega hõlpsasti korrata.
Iga ussiülekandekomplekti kaks poolt
Olenemata kataloogi suurusest või lõppkasutusest, taandub ussi- ja ussirattasüsteem kaheks konstrueeritud komponendiks. uss – mida nimetatakse ka ussvõlliks või ajamikruviks – on silindriline võll, millele on freesitud üks kuni neli spiraalset keermest, mida nimetatakse alguspunktideks. ussiratas on ajamiga ketas, mille kaldus hambad sobivad ussi spiraaliga. Uss pöörleb; ratas järgneb. See on kogu mehhanism.
Ühe täpsustamine ilma teist täpsustamata on kõige levinum viga, mida uute klientide esimestel joonistel näeme. Need kaks osa sobitatakse paarina, nagu võti ja lukk. Ühekäigulise ussi jaoks lõigatud ussiratas ei saa sama mooduli kahekäigulise ussiratta vastu sujuvalt töötada, isegi kui mõlemad näevad varuosade riiulil omavahel asendatavad välja. Asenduskomponentide tellimisel esitage alati komplekti mõlemad pooled koos.
Ussivõll
Võll puutub kokku kõrgsurve libiseva kontaktiga, seega peab see olema piisavalt kõva, et see kriimustustele ja kulumisele vastu peaks. Korea ja Jaapani originaalseadmete tootjate programmide standardpraktika on karastatud legeerterasest – JIS SCM415, Hiina 20CrMnTi või Saksa 16MnCr5 – karastamine hamba küljel kõvadusega 58–62 HRC. Südamik jääb lööke neelava tugevamaks (umbes 30–35 HRC). Pärast kuumtöötlust lihvitakse keermeid profiillihvijal, et viia hamba külje karedus alla Ra 0,4 mikromeetri, sest iga mikromeeter karedust lisab libisevas pinnas hõõrdumist.
Ussiratas
Ratas on tahtlikult võllist pehmem, tavaliselt umbes 2:1 kõvadusega. Traditsiooniline valik on pronks – tinapronks (CuSn12) üldiste tööstuslike ajamite jaoks, alumiinium-raudpronks (CuAl10Fe5Ni5) raskeveokite jaoks. Pehmem pronks neelab eelistatavalt libisemiskulumist, mis kaitseb kallimat karastatud võlli. Kogu komplekti eluea jooksul tuleb ratast üks või kaks korda vahetada, kuni ussivõll töötab. See ongi kõvaduse erinevuse mõte: pronks on ohverduskiht, mis hoiab terast ohutuna.
Kuidas mehhanism tegelikult liigub
Kujutage ette ühe käivitusega ussi, mis pöörleb kiirusel 1500 p/min. Iga ussi täispööre liigutab ratast täpselt ühe hamba võrra edasi. Kui rattal on 40 hammast, pöörleb see iga ussipöörde kohta 1/40 pööret, andes väljundis kiiruseks 1500 ÷ 40 = 37,5 p/min. Vähendamine on 40:1, mis saavutatakse ühes etapis, kusjuures väljundvõll on suunatud sisendist 90 kraadi eemale.
Mitmekäiguline uss vähendab seda suhet proportsionaalselt. Samal 40-hambulisel rattal asuv kahekäiguline uss annab 20:1, neljakäiguline uss aga 10:1. Mida vähem käivitusi määratakse, seda suurem on suhe astme kohta – aga ka madalam on efektiivsus, kuna juhtnurk muutub väiksemaks ja hõõrdumine suureneb.
Väljundpöördemoment skaleerub ligikaudu suhtega miinus hõõrdekaod. 40:1 ussi- ja ussülekandepaar, mis töötab 75-protsendilise efektiivsusega, annab väljundvõllile 30 korda suurema sisendpöördemomendi – see on ühe komponendipaari kohta siiski märkimisväärne võimendus. Põhjalikuma teabe saamiseks täpse juhtnurga valemi ja töönäidete kohta vaadake meie kaasnevat artiklit ussiülekande ülekandearvu ja arvutamise kohta.
Määrav omadus: libisev kontakt, mitte veeremine
Silinderhammasrattas ehk kaldhammasrattas veerevad hambad üksteise kohal, kusjuures hammastelgede lähedal on vaid väike libisev komponent. Ussi ja ussiratta paaris on kontakt ülekaalukalt libisev – ussi spiraal kraabib pöörlemisel üle ratta hamba külje. See üksainus füüsikaline asjaolu määrab peaaegu kõik teised ussiülekande omadused.
Libisemine tekitab soojust. Täiskoormusel töötav ussülekanne võib soojendada õlivanni 30–50 kraadi Celsiuse järgi ümbritsevast temperatuurist kõrgemale, mis on palju kuumem kui samaväärne spiraalne reduktor. Libisemine kulutab pehmemat pinda – seepärast on pronksratas ohverdusväärne. Libisemine nõuab paksemat määrdekilet kui veeremine, mistõttu hävitab tavaline hüdraulikaõli usskäigukasti nädalate jooksul. Libisemine summutab ka vibratsiooni ja ei tekita peaaegu üldse kuuldavat hambumismüra, mistõttu on need ajamid vaikimisi valik kontoriseadmetes, meditsiiniseadmetes ja pakendamisliinidel, kus vaikne töö on oluline.
Kui te sellest osast midagi muud ei mäleta, siis pidage meeles libisemise ja veeremise erinevust. Iga vestlus ussikäigukasti kohta viitab lõpuks sellele.
Kahe aastakümne jooksul olen põrandal näinud, kuidas disainerid haarasid usskäigukasti kasuks, sest nad mäletasid koolist "suurt redutseerimist väikeses ruumis", ja seejärel määrasid määravaks hüdraulikaõli, sest seda kasutab ülejäänud masin. Ajam töötab viis nädalat enne, kui pronksist rattahambad siledaks sooneks kriimustuvad. Määrdeaine valik ei ole usskäigukasti puhul viimistlusdetail – see on pool inseneritööst. ISO VG 460 või 680 koos kollase metalli ohutute lisanditega on õige lähtepunkt peaaegu iga rakenduse jaoks alla 80 kraadi Celsiuse karteritemperatuuri korral.
Iselukustuv omadus – funktsioon, lõks ja millal see vahele jätta
Kui ussi ettepoole suunatud nurk on alla umbes 5 kraadi, ületab staatiline hõõrdumine hamba kokkupuutel jõu, mida ratas suudab ussile tagasi rakendada. Uss saab ratast edasi liigutada, kuid ratas ei saa ussi tagasi liigutada. Ajam hoiab oma asendit ka siis, kui sisendtoide eemaldatakse. See on iselukustuv omadus, mis paigutab need ajamid tõstukitesse, klapiajamitesse, antenni positsioneeridesse ja lifti ajamitesse – kõikidesse kohtadesse, kus tahtmatu tagasiliikumine oleks ohtlik.
Iselukustuvus on geomeetriline, mitte absoluutne. Vibratsioon võib selle murda – koormus, mis paigal ideaalselt püsib, võib tsüklilise löögi all aeglaselt allapoole libiseda. Määrdekihi paksus muudab hõõrdetegurit, seega võib sama ajam külmalt iselukustuda ja kuumalt tagasi liikuda. Iga rakenduse puhul, kus langev koormus võiks kedagi vigastada või seadmeid kahjustada, tuleks iselukustuvust käsitleda kasuliku lisafunktsioonina ja määrata peamise ohutusseadmena eraldi mehaaniline pidur. Oleme näinud liiga palju „iselukustuvaid“ ajameid, mis üleöö triivivad, kuna naabermasinate vibratsioon aitab koormat aeglaselt allapoole lükata.
Mõned ajamid vajavad tagasipööret sihilikult – sidurimehhanismid, käsitsi väntatavad avariilülitid või süsteemid, kus väljund peab sisendvoolu katkemisel vabalt pöörlema. Suuremad juhtnurgad (üle 12 kraadi, saavutatakse 3- või 4-käiguliste ussidega) välistavad iselukustuva käigu ja tõstavad efektiivsuse 85–92 protsendini. Kompromissiks on hoidevõime puudumine, kui mootor on välja lülitatud. Hankige see spetsifikatsioon juba projekteerimisetapis õigesti; iselukustuva ja tagasikäiva paigutuse vaheline üleminek pärast korpuse valamist tähendab tavaliselt täielikku ümberprojekteerimist.
Üheastmelise redutseerimise võimalus – peamine omadus
Ussi ja ussiülekande paari kompaktne ülekandearvu tihedus on põhjus, miks see hammasülekanne pole kahe sajandi jooksul teiste tehnoloogiate poolt välja tõrjutud. Allolev tabel näitab, milliseid paralleelvõllide paigutusi on vaja, et ühe ussiülekande pakutavale vastaks.
Iga täiendav etapp konkureerivas tehnoloogias lisab võlle, laagreid, korpuse pikkust, õlimahtu ja kaalu. Selleks ajaks, kui spiraalülekanne saavutab suhte 60:1, on see kaks korda suurem kui samaväärne usskäigukast ja materjalikulu on suurem, hoolimata seadme suuremast efektiivsusest. Üleminekupunkt, kus spiraalülekanne muutub kogukulude osas odavamaks, on umbes 10 hobujõudu ülekandearvudel üle 20:1 – alla selle läve võidab uss- ja ussrattakomplekt kapitalikulude osas peaaegu iga kord.
Millal peaksite valima ussiülekande – ja millal mitte
Aus valikujuhis on väärtuslikum kui omaduste loend. Allolev raamistik on see, mida meie inseneribüroo kasutab esimesel spetsifikatsioonikõnel uue Korea OEM-kliendiga.
Valige ussiajam, kui
- Teil on vaja suhteid vahemikus 20:1 kuni 200:1 ühes kompaktses etapis.
- Väljundvõll peab olema sisendvõlli suhtes 90 kraadi nurga all.
- Iselukustuv hoidmine on soovitav (tõstukid, tõstukid, seisupidurid, ventiiliajamid).
- Ajam töötab katkendlikult, mitte pidevalt, seega ei ole soojuse hajumine siduv piirang.
- Vaikne töö on oluline ja töötsükkel ei õigusta täisspiraalset rongi.
- Koguvõimsus on alla umbes 10 kilovati ja ühikuhind on hanke seisukohalt oluline näitaja.
Vali midagi muud, kui
- Ajam töötab tippkoormusel 24 tundi ööpäevas – libisev kuumus vähendab oluliselt selle kasutusiga.
- Energiatõhusus on kriitilise tähtsusega spetsifikatsioon (elektriautod, akutoitel töötavad tööriistad, päikeseenergial töötavad jälgimisseadmed, kus iga protsent loeb).
- Mõõduka ülekandearvu juures ületab võimsus 15 kilovatti – eluea jooksul võidab tavaliselt kaldhammasrattaga täisnurkkäigukast.
- Rakendus nõuab positiivset tagasikäitamist ilma eraldi sidurita.
- Hooldusvõimalus on võimatu ja konstruktsiooni eluiga ületab 60 000 tundi – pronksketaste kulumine saab piiravaks teguriks.
Materjalid, millest tasub teada
Viis materjalipaari katavad umbes 95 protsenti tellimustest, mida me Ansanist igal kvartalil välja saadame. Võlli ja ratta kõvaduse suhe on olulisem kui kummagi komponendi absoluutne kõvadus ning õige paar sõltub täielikult töökeskkonnast.
Süsinikteras tinapronksil on üldise tööstusliku ajami tööhobune. Legeerteras alumiiniumil raudpronksil on mõeldud raskete tõstukite ja ööpäevaringsete konveierite jaoks. Roostevaba teras roostevabal terasel katab toidu-, farmaatsia- ja merenduseesmärgid. Malm 40Cr-terasel on mõeldud madala kiirusega tsemendi- ja kaevandussuspensiooni ajamitesse. Plastikpaare (POM-uss, PA66-ratas) kasutatakse mikroinstrumentide rakendustes, kus koormus on väike ja vaikus on oluline.
Kus neid tegelikult aastal 2026 leida saab
Ussülekanne on tänapäeva seadmetes levinum, kui enamik insenere arvab. Allolev loend hõlmab meie Korea ja Jaapani tellimuste hulgas esinevaid suuremahulisi kasutusjuhtumeid, kuid see pole ammendav.
Kui teie rakendust selles nimekirjas pole, ei tähenda see, et ussülekanne teile sobiks – see tähendab, et peaksime koos vaatama töötsüklit ja koormusprofiili. Saatke joonis meie inseneribüroosse, et saaksime... ussikäigu valiku ülevaade ja saate ühe Korea tööpäeva jooksul ausa arvamuse, sealhulgas selle kohta, kas mõni muu käigukastitüüp teile tegelikult paremini sobiks.
Enne ühe täpsustamist tasub hajutada väärarusaamad
„Usskäigukastid on vananenud tehnoloogia.“ Geomeetria on sajandeid vana, kuid materjalid, pinnaviimistlus ja määrdeained on tohutult arenenud. Lihvitud SCM415 ussist, AlFe pronkskettast ja kollase metalli ohutust sünteetilisest PAG-õlist ehitatud moodne seade töötab väikese koormuse korral 90% efektiivsusega ja kestab 40 000 tundi. Selle vananenuks nimetamine on sama, mis hüdrosilindri vananenuks nimetamine seetõttu, et Pascali seadus avaldati 1647. aastal.
„Iselukustuvus on automaatne ohutus.“ Ei. Iselukustuvus on geomeetriline ja sõltub juhtnurgast, hõõrdetegurist, määrdekilest ja vibratsiooni puudumisest. Iga ohutuskriitilise lifti puhul tuleb määrata eraldi mehaaniline pidur ja käsitleda iselukustuvat pidurit kasuliku abimehhanismina.
"Võib kasutada mis tahes käigukastiõli." Liugkontakti määrdeaine on spetsiaalne toode. Tavalisel hüdraulikaõlil puuduvad vajalikud äärmusrõhu lisandid. Mõned EP-lisandid – eriti aktiivse väävli-fosfori klassi lisandid – söövitavad pronksvelgi temperatuuril üle 70 kraadi Celsiuse järgi. Kasutage alati õli, mis on selleks otstarbeks ette nähtud ja selgesõnaliselt ohutu kollaste metallide jaoks.
„Rohkem alustamisi tähendab alati paremat.“ Rohkem käivitusi suurendab efektiivsust, kuid vähendab astmetevahelist suhet. 4-käiguline seade 40 hambaga rattal annab 10:1 efektiivsuse umbes 88 protsendi juures. 1-käiguline seade samal rattal annab 40:1 efektiivsuse umbes 65 protsendi juures. Universaalset „parimat” lahendust pole – ainult õige käivituste arv konkreetse suhte ja efektiivsuse jaoks vastab teie rakenduse vajadustele.
Nagu iga konstrueeritud komponent, premeerib see seade hoolikat spetsifikatsiooni ja karistab otseteede eest. Sobita võlli kõvadus ratta kõvadusega õiges vahekorras. Vali määrdeaine enne korpuse geomeetria lõplikku vormistamist. Otsusta iselukustuv või tagasikäiguline ratas juba projekteerimisetapis, mitte pärast prototüübi valmimist. Käsitle pronksvelge kui kuluvat osa, millel on teadaolev hooldusintervall, mitte kui püsivat kinnitust. Tee need neli asja ja õigesti spetsifikatsiooniga seade kestab kauem kui kõik teised jõuülekande komponendid.
Korea ja Jaapani originaalvaruosade klientidele, kes võrdlevad kataloogivalikuid kohandatud geomeetria pakkumisega, on Ever-Poweri täielik tootesari... pronksist ja legeerterasest ussiülekandekomplektid Hõlmab Ø5 mm mikromooduleid kuni Ø300 mm tööstusrattaid. Joonised vaadatakse üle konfidentsiaalsuslepingu alusel ja hinnapakkumised esitatakse ühe tööpäeva jooksul.
Korduma kippuvad küsimused
K: Mis vahe on ussikäigul ja ussirattal?
Rangelt võttes on uss keermestatud veovõll ja ussiratas on hammastega ajamiketas. Tavakasutuses viitab „ussiülekanne” sageli kas komponendile või tervele paarile. Osade tellimisel täpsustage alati komplekti mõlemad pooled koos – need on paarina kokku sobitatud ja ei ole erinevate moodulite või käivitusarvude vahel vahetatavad.
K: Kas ussiülekanne ja ussikäigukast on sama asi?
Ei. Ussülekanne (või ussülekandekomplekt) on paljas komponentide paar — ussivõll ja ussiratas. ussikäigukast või ussikäigu reduktor on täielik suletud konstruktsioon, mis hõlmab neid komponente pluss korpust, laagreid, õlitihendeid ja võlli pikendusi. Ussülekanne on üldisem termin, mis viitab pigem mehhanismile kui konkreetsele tootevormingule.
K: Miks on ussiratas pehmem kui ussivõll?
Libisemiskontakt kulutab eelistatavalt pehmemat materjali. Muutes ratta pehmemaks (tavaliselt pronks) kui ussvõlli (tavaliselt karastatud teras), neelab ratas kogu seadme eluea jooksul kulumise, kaitstes kallimat võlli. Ussvõlli töökorras olemise ajal tuleb ratast üks või kaks korda vahetada. Kõvaduse suhe on tavapraktikas umbes 2:1.
K: Milline on ussiülekandekomplekti tüüpiline efektiivsus?
Efektiivsus sõltub suuresti ülekandenurgast, määrimisest ja koormusest. Kaasaegne 10:1 mitmekäiguline ussikäigukast võib töötada 88–92 protsendilise efektiivsusega. 60:1 ühekäiguline ajam töötab tavaliselt 55–70 protsendilise efektiivsusega. Seos on geomeetriline: väiksemad ülekandenurgad annavad suuremad ülekandearvud, kuid kaotavad libisemisele rohkem energiat.
K: Kui kaua ussiülekanne kestab?
Õigesti dimensioneeritud pronksist ussiratas töötab tavaliselt 20 000 kuni 40 000 töötundi enne väljavahetamist. Sünteetilise õli ja ülemõõduliste ratastega ajamid võivad seda pikendada 60 000 tunnini. Karastatud ussivõll ise peab piisava määrimise korral tavaliselt vastu kahele või kolmele rattavahetusele. Kasutusiga piirab enamasti määrdeaine seisukord, mitte hammaste kulumine.
K: Kas ussiratas saab ussivõlli ajada?
Iselukustuva paigutuse korral (eelnurk alla umbes 5 kraadi) – ei, ratas ei saa ussi tagasi ajada. Mitteiselukustuva paigutuse korral (suurem eelnurk, mitme käivitusega uss) – jah, tagasikäik on võimalik ja seda kasutatakse sageli sidurites ja avariivabastusmehhanismides. Geomeetria määrab vastuse; kahtluse korral kontrollige jooniselt eelnurka.
K: Millist määrdeainet peaksin ussikäigukastis kasutama?
Enamiku tööstuslike ajamite puhul sobib vaikimisi ISO VG 460 või 680 mineraalõli koos kollase metalli ohutute lisanditega. Üle 70 kraadi Celsiuse juures tuleks üle minna PAO sünteetilisele õlile. Suure tõhususega rakenduste puhul vähendavad polüglükooli (PAG) määrdeained oluliselt hõõrdumist ja töötemperatuuri, kuid ei ühildu mineraalõliga – vahetamisel on vaja täielikku loputust.
Kas sul on ussiülekande rakendus silmas peetud?
Saatke joonis või kirjeldage töötsüklit. Meie Ansani inseneribüroo ütleb teile, kas uss ja ussirattapaar on tõesti õige valik või sobiks teile paremini midagi muud – isegi kui aus vastus maksab meile müügi.
Toimetaja: Cxm
