Sonsuz Dişli Çarkların Çalışma Prensibi — 5 Adımda Mekaniği
Diş arayüzünde gerçekte neler olup bittiğini kare kare inceleyen bir rehber: Sürücünüzün serin çalışıp çalışmayacağına, sessiz çalışıp çalışmayacağına veya üç ay içinde bronzunun tükenip tükenmeyeceğine karar veren fiziksel prensipler.
Mekanizma beş adımda oldukça basittir: bir giriş mili sonsuz vidayı döndürür, sonsuz vidanın helisel dişi sonsuz dişli çarkındaki bir dişe yanal olarak baskı yapar, temas yuvarlanmak yerine kayar (bu, belirleyici fiziksel gerçektir), tork, sürtünme kayıpları çıkarıldıktan sonra indirgeme oranına orantılı olarak çarpılır ve düşük ilerleme açılarında geometri kendiliğinden kilitlenir, böylece çark sonsuz vidayı geriye doğru süremez. Bir sonsuz vida ve sonsuz dişli çark çiftiyle ilgili diğer her şey - ısı, gürültü, yağlayıcı seçimi, kullanım ömrü - bu beş adımlı döngüden kaynaklanır.
Statik diyagramlar neden gerçekte olanları kaçırıyor?
Sonsuz dişli mekaniğinin çoğu açıklaması, "giriş" ve "çıkış" noktalarını gösteren oklarla etiketlenmiş, detaylı bir şemaya dayanır. Bu görselleştirme doğru olsa da tasarım kararları için işe yaramaz. Oklar, bir tekerlek dişi ile sonsuz dişli arasındaki kırk milisaniyelik teması, temas yüzeyinin ön kanattan arka kanada nasıl hareket ettiğini veya temas noktasının hemen altındaki yağlama filmi kalınlığının 40.000 saatlik mi yoksa 4.000 saatlik mi bir tahrik sistemine sahip olacağınızı nasıl belirlediğini göstermez.
Aşağıda, sonsuz dişli çarkındaki tek bir dişi hayal edin – örneğin 40 dişli çarkın 17. dişi – ve sonsuz dişli çark dönerken bu dişi tam bir kavrama döngüsü boyunca takip edin. Aşağıdaki beş bölümün her biri, bu döngünün ayrı bir aşamasını temsil eder. Bu resmi zihninizde canlandırın ve sonsuz dişli mühendisliğinin geri kalanı – malzeme seçimi, yağlama, doğruluk sınıfı, hat açısı kararı – neredeyse zahmetsizce yerine oturacaktır.
Adım 1 — Giriş torku sonsuz dişli miline ulaşır.
Bir motor, el krankı veya yukarı akış dişlisi sonsuz vida milini döndürür. Endüstriyel motor girişleri tipik olarak 500 ile 3.000 devir/dakika arasında değişir; servo tahrikli hassas uygulamalar daha düşük devirlerde çalışabilir; yüksek hızlı doğrudan tahrik düzenlemeleri bazen 5.000 devir/dakikaya kadar çıkabilir. Milde oluşan tork, motorun sağladığı torktur - genellikle düşük beygir gücündeki bir tahrik için sadece birkaç Newton-metre.
Giriş miliyle ilgili iki gerçek, sonraki tüm işlemler için önemlidir. Birincisi, sonsuz vida, hassas taşlanmış helisel bir dişli olup, frezelenmiş bir dişli değildir; 0,4 mikrometrenin altındaki yüzey pürüzlülüğü (Ra), kaliteli bir ünitede standart uygulamadır, çünkü her mikrometre pürüz, kayma teması aşamasında sürtünmeyi artırır. İkincisi, milin önemli bir eksenel itme yükü taşıması gerekir (nedenini 3. adımda göreceğiz), bu da giriş yatağı düzenlemesinin, düz tahrikte kullanacağınız basit radyal-sadece kurulum olmadığı anlamına gelir.
Adım 2 — İplik 17 numaralı dişe takılır.
Sonsuz dişli dönerken, bir helis dönüşünün ön kenarı 17 numaralı dişe yandan yaklaşır. Kavrama, boğazın altından (solucan dişliyi saran tekerleğin içbükey yüzeyi) başlar ve dişin yan tarafı boyunca uca doğru ilerler. Tek boğazlı, tek başlangıçlı bir sonsuz dişli çarkında, herhangi bir anda üç ila dört diş birbirine geçmiş durumdadır — 16 numaralı diş dışarı doğru hareket etmektedir, 17 numaralı diş en yüksek temas noktasındadır, 18 numaralı diş yeni girmektedir, 19 numaralı diş yaklaşmaktadır.
1500 devir/dakika hızla dönen tek başlangıçlı bir sonsuz vida için, 40 dişli bir çark üzerindeki her bir diş, sonsuz vidanın her dönüşünde bir kez, yani her 40 milisaniyede bir kez temas eder. Gerçek temas süresi, döngü başına yaklaşık 12 ila 15 milisaniyedir. Bu 12 milisaniye boyunca, sonsuz vida dişi, düz dişli çiftinde olduğu gibi kısa bir teğetsel fırçalama değil, kökten uca kadar tüm kullanışlı diş yüzeyini tarar.
Eğer sonsuz vida iki başlangıç noktasına sahipse (2 başlangıçlı helis), her dönüşte dişli bir yerine iki diş ilerletir. 17. diş hala aynı 12 ila 15 milisaniyelik kavrama aralığını görür, ancak döngü sonsuz vidanın her dönüşünde iki kez tekrarlanır. Çoklu başlangıçlı sonsuz vidalar, verimlilik için orandan ödün vermek amacıyla tasarlanmıştır; daha fazla başlangıç noktası daha fazla ilerleme açısı, kavrama başına daha az kayma mesafesi ve daha az ısı anlamına gelir.
Adım 3 — Kayar temas kuvveti aktarır
İşte bir sonsuz vida ve sonsuz dişli sistemi hakkında her şeyi tanımlayan fiziksel gerçek: Sonsuz vida dişi 17 numaralı dişe temas ederken, temas büyük ölçüde kayma şeklindedir; sonsuz vidanın helisel dişi dişin yan yüzeyini yanal olarak sürterek kuvveti teğetsel olarak aktarır. Neredeyse hiç yuvarlanma bileşeni yoktur. Bu, yuvarlanmanın baskın olduğu ve kaymanın hat çizgisine yakın küçük bir ikincil hareket olduğu düz veya helisel dişliden temel olarak farklıdır.
Bir müşteri bana tek bir soru sorarsa ve yirmi yıldır gördüğüm arıza türlerinin 'inden onları koruyacak tek bir cevap vermem gerekirse, o cevap şudur: "Temas kayma hareketidir, yuvarlanma değil ve yağlayıcınızı buna göre seçin." Genel amaçlı düz dişli yağı, bronz bir sonsuz dişliyi haftalar içinde tahrip eder. Yağlayıcının, tüm kayma hareketinin silemeyeceği bir film kalınlığını koruması gerekir; bu, kısa süreli yuvarlanma temasından çok daha zor bir hidrodinamik problemdir. Sarı metal için güvenli katkı maddeleri içeren ISO VG 460 veya 680, güvenli varsayılan seçenektir; 70 derece C'nin altındaki karter sıcaklığında mineral yağ kullanabilirsiniz, bunun üzerinde ise PAO veya PAG sentetik yağa geçin.
Her temasta üç kuvvet bileşeni
Kayma teması sırasında, dişli çark dişine üç kuvvet bileşeni, sonsuz vida dişine ise bunlara eşit ve zıt üç kuvvet bileşeni etki eder. Bunları anlamak, rulman seçimi ve şaft tasarımının temelini oluşturur.
Sonsuz dişli miline etki eden eksenel kuvvet, ilk kez tasarım yapanları hazırlıksız yakalayan şeydir. 40:1 oranında bir tahrik sisteminde, tekerleğe 50 N·m tork iletilirken, sonsuz dişli miline etki eden eksenel itme kuvveti kolayca 800 N'yi aşabilir. Düz dişli tahrik sisteminde mükemmel derecede yeterli olacak basit bir derin oluklu bilyalı rulman düzenlemesi, sonsuz dişli kutusunda bir yıl içinde parçalanacaktır. Konik makaralı rulmanlar veya karşılıklı açılı temaslı çiftler standart çözümdür.
Adım 4 — Tork, tekerlek çıkışında çarpılır.
Teğetsel kuvvet bileşeni 17. dişe ulaştığında, tekerlek yarıçapının kaldıraç kolu vasıtasıyla çıkış milinde torka dönüştürülür. Hesaplama basittir: 40 dişli bir tekerlekle eşleşen tek başlangıçlı bir sonsuz vida, sonsuz vidanın her dönüşünde tekerleği tam olarak 1/40 devir döndürür. Giriş hızı 40'a bölünür, giriş torku 40 ile çarpılır - sürtünme kayıpları çıkarıldıktan sonra.
Sürtünme kayıpları asıl sorundur. Kayma teması, giriş gücünün önemli bir bölümünü ısı olarak dağıtır. 4 derecelik bir ön açıya ve iyi seçilmiş bir yağlayıcıya sahip tek başlangıçlı bir tahrik sistemi, yaklaşık ila verimlilikle çalışır. 16 derecelik bir ön açıya sahip 4 başlangıçlı bir tahrik sistemi bunu ila 'ye çıkarır; ancak bu, aşama başına oranı dört kat azaltma pahasına olur. İlişki geometrik; aynı sistemde hem maksimum oran hem de maksimum verimliliğe sahip olamazsınız.
Her tasarımcının eninde sonunda karşılaştığı verimlilik formülü η = tan(λ) / tan(λ + φ)'dir; burada λ, sonsuz vidanın ilerleme açısı ve φ, temasın sürtünme açısıdır (iyi yağlanmış çelik-bronz yüzeylerde tipik olarak 5 ila 8 derece, yetersiz yağlama veya kuru çalışma acil durumlarında 10 ila 15 derece).
Sayıları yerine koyduğunuzda, avantaj ve dezavantaj açıkça ortaya çıkar. λ = 4 derece ve φ = 6 derecede verimlilik yaklaşık 'tır. λ = 12 derecede, aynı sürtünme açısında, verimlilik 'ye yükselir. λ = 25 derecede ise verimlilik 'e ulaşır. Çalışılmış örneklerle daha ayrıntılı bir açıklama için, sonsuz dişli oranı ve hesaplaması hakkındaki diğer makalemize bakın.
Adım 5 — Giriş durduğunda otomatik kilitleme pozisyonunu korur.
Sonsuz dişli dönüşünü tamamlar, giriş motoru durur ve 17 numaralı diş artık itilmez. Bundan sonra olan şey, sonsuz dişli sistemini diğer tüm dişli ailelerinden temel olarak farklı kılan şeydir: hiçbir şey. Tekerlek geri dönmez, yük aşağı kaymaz, tahrik sistemi olduğu gibi kalır.
Kendiliğinden kilitlenme, sonsuz vidanın ön açısı yaklaşık 5 ila 6 derecenin altında olduğunda meydana gelir. Bu sığ açılarda, diş temasındaki statik sürtünme, yüklü tekerleğin sonsuz vidayı yana doğru itmek için uygulayabileceği kuvveti aşar. Tahrik sistemi, çıkış tarafından geri tahrik edilemeyecek şekilde geometrik olarak tasarlanmıştır. Bu özellik, sonsuz vida ve sonsuz dişli çiftlerini asansörlerde, valf aktüatörlerinde, vinçlerde, anten konumlandırıcılarında ve park freni mekanizmalarında – istenmeyen bir geri tahrikin tehlikeli veya maliyetli olacağı her uygulamada – kullanıma uygun hale getirir.
Birkaç önemli uyarıyı aklınızda tutmanızda fayda var. Kendiliğinden kilitlenme geometrik bir özelliktir, mutlak değildir. Titreşim, yükü aşağı doğru sallayabilir. Yağlama filmi sürtünme katsayısını değiştirir; soğukken kendiliğinden kilitlenen bir tahrik sistemi, ısındığında yavaşça aşağı doğru kayabilir. 12 derecelik ön açı (çoklu başlatma tahrik sistemlerinde tipik) üzerinde kendiliğinden kilitlenme tamamen ortadan kalkar ve tekerlek serbestçe geri dönebilir. Düşen yük uygulamalarında kendiliğinden kilitlenmeyi asla birincil güvenlik cihazı olarak kullanmayın; ayrı bir mekanik fren belirtin ve kendiliğinden kilitlenmeyi yararlı bir yardımcı olarak değerlendirin.
Peçete üzerinde çizebileceğiniz örnek bir uygulama.
Tipik bir endüstriyel uygulamayı ele alalım: 50 mm yarıçaplı bir tambur üzerinde 200 kg'lık bir yükü kaldıran elektrikli bir zincirli vinç. Matematiksel işlem yukarıdaki beş adımı doğrudan takip eder.
1400 rpm giriş gücünde 0,75 kW'lık bir motor, 98 N·m tork ile 35 rpm'lik bir kaldırma tamburu çıkışı üreterek 200 kg'lık yükü güvenli bir şekilde kaldırır; operatör kumandayı bıraktığında ise kendiliğinden kilitlenme özelliği yükü havada tutar. Zincirdeki her bir sayının verimlilik tahmininin doğru yapılmasına bağlı olduğuna dikkat edin; verimlilik ise oran seçimine bağlı olan ön açıya bağlıdır. Beş adımlı döngü birbirine bağlıdır; bir parametreyi diğerlerini etkilemeden ayarlayamazsınız.
Tasarımcıların en sık yaptığı hata
Verimliliği sabit bir değer olarak ele almak. Katalog veri sayfasında yayınlanan verimlilik, nominal yük ve nominal hızdaki nominal değerdir. Aynı tahrik sistemini yükün onda birinde çalıştırdığınızda, yağlama filmi gerekenden daha kalın olduğu ve sürtünme torku azalan faydalı torka baskın geldiği için verimlilik yüzdesi genellikle 'ın altına düşer. Her zaman başlıkta belirtilen değeri değil, gerçek çalışma noktasını kullanın.
Zincirde sürtünme olmadan giriş motorunun boyutlandırılması. Giriş torkunu orana bölüp motor torku diye hesaplamak cazip gelebilir. Ancak bu matematiksel işlem sürtünmeyi göz ardı ettiği için yanlış sonuç verir. Her zaman verimlilik bölenini de dahil edin: giriş torku = çıkış torku ÷ (oran × verimlilik).
Giriş miline etki eden eksenel itme yükünü göz ardı ediyoruz. Sadece radyal yatak düzenlemesi, helisel redüktörün sonsuz dişli üniteyle değiştirildiği ve orijinal yatakların korunduğu tadilatlarda en sık görülen mekanik arıza türüdür. Eksenel bileşen, bu yatakları erken kullanım ömrüne sokacaktır.
Kendiliğinden kilitlenmenin kalıcı olduğunu varsayarsak. Kendiliğinden kilitlenme, sıcaklık, yağlama maddesinin durumu ve titreşimle değişen bir sürtünme katsayısına bağlıdır. Atölyeden yeni çıkmış ve kendiliğinden kilitlenen bir tahrik sistemi, bir yıl sonra ısı nedeniyle yağın incelmesi ve kullanımla eskimesi sonucu yavaş yavaş kilitlenme özelliğini kaybedebilir. Güvenlik açısından kritik olan her tutuş için bir fren sistemi belirtin.
Genel amaçlı yağlayıcı kullanmak. Sonsuz dişli yağı özel bir üründür. Kayma teması, yuvarlanma temasına göre daha kalın bir film gerektirir ve çoğu sonsuz dişli bronz olduğundan sarı metal uyumluluğu zorunludur. Diferansiyel yağında rutin olarak kullanılan aktif kükürt EP katkı maddeleri, 70 santigrat derecenin üzerinde bronz yan yüzeyi aşındırır. Her zaman bu görev için derecelendirilmiş bir yağ kullanın ve hangi sınıfın görev döngünüze uygun olduğundan emin değilseniz, bir uzmandan bilgi isteyin. yağlama spesifikasyon incelemesi İlk yağ dolumundan önce mühendislik masasından.
Sıkça sorulan sorular
S: Sonsuz dişli çarkın giriş milinde neden bir baskı yatağına ihtiyaç duyulur?
Sonsuz vida dişi ile dişli çark dişi arasındaki kayma teması, sonsuz vida mili boyunca eksenel bir kuvvet bileşeni oluşturur. Tipik bir endüstriyel tahrik sisteminde bu eksenel itme kuvveti, tork ve ilerleme açısına bağlı olarak birkaç yüz ila birkaç bin Newton arasında değişebilir. Basit bir radyal bilyalı rulman, arızalanmadan bu yükü uzun süre taşıyamaz; bu nedenle sonsuz vida millerinde konik makaralar veya açılı temaslı çiftler standart uygulamadır.
S: Sonsuz dişli çark kısa süreliğine bile olsa kuru çalışabilir mi?
Hiçbir anlamlı şekilde değil. Kayar temas, metalin metale sürtünmesini önlemek için sürekli bir yağlama filmine dayanır. Yağsız çalışmaya başladıktan saniyeler sonra, sürtünme açısı normal 6-8 dereceden 15 dereceye veya daha yükseğe çıkar, tahrik verimliliği düşer, bronz tekerlek aşınır ve yüzey sıcaklığı yükselir. Çalışma sırasında yağ kaybeden tahrik sistemleri genellikle onarılamaz; sonsuz dişli mili sağlam kalsa bile tekerlek dişlerinin değiştirilmesi gerekecektir.
S: Solucan neden her zaman yönlendirici unsurdur, asla yönlendirilen unsur değildir?
Kendiliğinden kilitlenen düzenlerde (kurşun açısı 5 ila 6 derecenin altında), temas noktasındaki statik sürtünme geri itme kuvvetini aştığı için tekerlek sonsuz vidayı hareket ettiremez. Kendiliğinden kilitlenmeyen düzenlerde (çoklu başlangıçlı, daha yüksek kurş açısı), tekerlek sonsuz vidayı hareket ettirebilir, ancak sürtünme hem ileri hem de geri yönde harekete karşı etki ettiği için sistem bu yönde çok daha az verimlidir. Sonsuz vida tahrikli tekerlek, geometrinin doğal enerji yönüdür.
S: Bir sonsuz dişli kutusu aslında ne kadar ısı üretir?
Bu tamamen çalışma noktasına bağlıdır. verimlilikle çalışan 1 kW girişli bir sürücü, yağ karterinde 400 W ısı yayar. Küçük, sızdırmaz dökme demir bir gövdede bu, karter sıcaklığını sabit durumda ortam sıcaklığının 30 ila 50 derece üzerine çıkarmak için yeterlidir. 5 kW'ın üzerinde sürekli çalışan sürücüler için, ek soğutma (kanatçıklar, fan veya yağ soğutucu) isteğe bağlı olmaktan ziyade zorunlu hale gelir. Isı dağılımı, sürekli çalışma için genellikle en önemli kısıtlamadır. sonsuz dişli redüktörü Boyutlandırma; tork veya rulman ömrü değil, gövdenin atık ısıyı çevreye ne kadar hızlı atabildiğiyle ilgilidir.
S: Sonsuz dişli malzemesini değiştirirsem sonsuz dişli oranı değişir mi?
Hayır, oran tamamen geometrik — dişli çark diş sayısı bölü sonsuz vida başlangıç sayısı. Malzeme yük kapasitesini, kullanım ömrünü ve verimliliği etkiler, ancak giriş ve çıkış hızı arasındaki kinematik ilişkiyi etkilemez. 40:1'lik bir oran, sonsuz vida sertleştirilmiş SCM415 alaşımlı çelik veya sertleştirilmemiş yumuşak çelik olsun, 40:1 olarak kalır; sadece bronz dişli çark iki durum arasında farklı şekilde aşınır.
S: Sonsuz dişli mil girişinde makul devir aralığı nedir?
Endüstriyel tahrik sistemleri için konforlu çalışma aralığı 500 ila 3.000 rpm giriş devridir. 500 rpm'nin altında, hidrodinamik etkiler için bağıl kayma hızı çok düşük olduğundan yağlama filmi oluşmakta zorlanır. 3.000 rpm'nin üzerinde, ısı üretim hızı tipik bir sızdırmaz muhafazanın dağıtabileceğinden daha yüksek olur, bu nedenle soğutma önlemleri gerekli hale gelir. Özel yüksek hızlı tahrik sistemleri, zorlamalı yağ sirkülasyonu ile 5.000 veya 6.000 rpm'ye kadar çalışabilir, ancak bunlar standarttan ziyade istisnadır.
S: Sonsuz dişli çarkı elle çevirdiğinizde neden düz dişli çarktan farklı bir his verir?
Çünkü hissettiğiniz direncin çoğu sadece atalet değil, kayma sürtünmesidir. Düz dişli, yuvarlanma teması düşük sürtünmeli olduğu için çalışmaya başladıktan sonra nispeten serbestçe döner. Sonsuz vida ve sonsuz dişli çifti, her dönüş derecesinde sonsuz vida dişinin birden fazla dişli yüzeyini süpürmesi nedeniyle ağır ve sönümlü, neredeyse viskoz bir sürtünme varmış gibi hissettirir. Elle döndürme testi aslında yağlayıcınızın uygun olup olmadığını kontrol etmek için yararlı bir ilk adımdır; çok kalınsa tahrik sertleşir, çok inceyse gövdeden hafif bir mekanik temas sesi duyabilirsiniz.
Beş aşamalı tablo netleştikten sonra, bir sonsuz vida ve sonsuz dişli çiftiyle ilgili diğer tüm mühendislik kararları doğrudan buna göre şekillenir. Malzeme seçimi, hangi iki metalin kayma fazına dayanabileceğiyle ilgilidir. Yağlama, temas hareketi boyunca filmin canlı kalmasını sağlamakla ilgilidir. Kurşun açısı, oran derinliği ve verimlilik kaybı arasındaki dengeyi sağlar. Kendiliğinden kilitlenme, sürtünme açısının kurşun açısını aştığı zaman meydana gelir. Isı dağılımı, döngüyü ne sıklıkla çalıştırabileceğinizi sınırlar.
Koreli ve Japon OEM tasarım ekiplerinin ilk sonsuz dişli tahrik spesifikasyonları üzerinde çalışırken, Ansan'daki mühendislik masamız çalışma döngünüzü inceleyebilir, bir kılavuz açısı ve malzeme çifti önerebilir ve eşleşen malzemeye göre fiyat teklifi sunabilir. tek başlangıçlı ve çok başlangıçlı sonsuz dişli takımları Standart kataloğumuzda yer almaktadır. Çizimler, fiyat teklifi ofisten çıkmadan önce gizlilik sözleşmesi (NDA) kapsamında incelenir.
Öncülük açısı ve verimlilik arasındaki denge konusunda kararsız mısınız?
Bize çıkış torkunuzu, giriş devir sayınızı ve kendiliğinden kilitleme özelliğine ihtiyacınız olup olmadığını gönderin. Mühendislik ekibimiz sizin için beş adımlı hesaplamayı yapacak, bir oran ve kılavuz açısı önerecek ve uygun sonsuz dişli ve dişli çiftinin fiyatını belirleyecektir - genellikle bir Kore iş günü içinde.
Editör: Cxm
