Cách chọn tỷ lệ giảm tốc phù hợp: Hướng dẫn thực hành cho kỹ sư và nhóm mua sắm

Tỷ số giảm tốc là thông số kỹ thuật có ảnh hưởng nhất trong việc lựa chọn động cơ bánh răng hoặc hộp số. Nó xác định tốc độ đầu ra, mô-men xoắn đầu ra và liệu công suất của động cơ có được chuyển đổi một cách hiệu quả thành chuyển động cơ học mà ứng dụng yêu cầu hay không. Tỷ lệ giảm không chính xác là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất khiến động cơ bánh răng hoạt động kém trên hiện trường - động cơ và hộp số có thể được sản xuất hoàn hảo và có kích thước chính xác cho công suất, nhưng nếu tỷ lệ sai, trục đầu ra sẽ quay quá nhanh không hữu ích hoặc quay quá chậm để đáp ứng yêu cầu về thời gian chu kỳ của ứng dụng và trong cả hai trường hợp, mô-men xoắn ở đầu ra quá cao (lãng phí năng lượng) hoặc quá thấp (khiến động cơ ngừng hoạt động hoặc quá tải).

Đối với các kỹ sư thiết kế chỉ định hệ thống truyền động, nhóm thiết bị OEM chọn động cơ bánh răng tiêu chuẩn và nhóm mua sắm làm việc theo thông số kỹ thuật của kỹ sư, hiểu cách xác định tỷ lệ giảm thiểu, cách tính tỷ lệ cần thiết cho một ứng dụng cụ thể và cách lựa chọn tỷ lệ tương tác với lựa chọn động cơ là kiến ​​thức thực tế giúp ngăn ngừa các lỗi đặc điểm kỹ thuật và chi phí tiếp theo của chúng. Hướng dẫn này bao gồm tất cả các kích thước này một cách có hệ thống.

Tỷ lệ giảm bánh răng là gì?

Tỷ số truyền giảm tốc (còn được viết là tỷ số truyền, tỷ số truyền hoặc i) là tỷ số giữa tốc độ đầu vào và tốc độ đầu ra của hộp số hoặc động cơ bánh răng:

Tỷ lệ giảm (i) = Tốc độ đầu vào (RPM) / Tốc độ đầu ra (RPM)

Tỷ lệ 10:1 có nghĩa là trục đầu ra quay với tốc độ bằng 1/10 tốc độ của trục đầu vào (trục động cơ). Tỷ lệ 50:1 có nghĩa là trục đầu ra quay với tốc độ bằng 1/5 tốc độ động cơ. Tỷ số này càng cao thì hộp số càng làm chậm tốc độ trục động cơ ở đầu ra.

Mối quan hệ bổ sung với tốc độ là mô-men xoắn. Trong hộp số lý tưởng (không tổn hao), công suất được bảo toàn thông qua việc giảm tốc: nếu tốc độ giảm một nửa thì mô-men xoắn tăng gấp đôi. Về mặt toán học:

Mô-men xoắn đầu ra = Mô-men xoắn động cơ × Tỷ số giảm × Hiệu suất hộp số (η)

Trong đó hiệu suất hộp số η tính đến tổn thất ma sát trong các giai đoạn bánh răng - hộp số hành tinh xoắn hoặc trụ thẳng được thiết kế tốt có thể đạt được η = 0,92–0,97 mỗi giai đoạn; tầng bánh răng trục vít có tổn thất cao hơn nhiều, thường là η = 0,50–0,85 tùy thuộc vào góc nghiêng và tỷ số. Trong hộp số nhiều cấp, hiệu suất của từng cấp được nhân lên: hai cấp ở mức 0,95, mỗi cấp cho hiệu suất tổng hợp là 0,95 × 0,95 = 0,90.

Cách tính tỷ lệ cắt giảm cần thiết cho đơn đăng ký của bạn

Việc tính toán bắt đầu với hai đại lượng đã biết: tốc độ đầu ra cần thiết của ứng dụng (tính bằng RPM) và tốc độ định mức của động cơ (tính bằng RPM). Hai giá trị này xác định trực tiếp tỷ lệ giảm cần thiết:

Tỷ lệ yêu cầu (i) = Tốc độ định mức của động cơ (RPM) / Tốc độ đầu ra yêu cầu (RPM)

Ví dụ từng bước

Xét một bộ truyền động băng tải phải chuyển động với tốc độ băng tải 0,5 m/s. Con lăn truyền động có đường kính 100mm (bán kính = 0,05m). Động cơ đang được xem xét là động cơ bánh răng DC không chổi than có tốc độ không tải định mức là 3000 vòng/phút.

Bước 1: Chuyển đổi tốc độ dây đai cần thiết sang tốc độ trục con lăn (RPM) cần thiết.

Chu vi con lăn = 2π × 0,05m = 0,314m
RPM trục yêu cầu = Tốc độ đai / Chu vi = 0,5 m/s 0,314m = 1,59 vòng/s × 60 = 95,5 RPM

Bước 2: Tính tỷ lệ giảm cần thiết.

Tỷ lệ bắt buộc = 3000 vòng/phút / 95,5 vòng/phút = 31,4

Bước 3: Chọn tỷ lệ chuẩn gần nhất.

Tỷ số động cơ bánh răng hành tinh tiêu chuẩn có sẵn theo các bước riêng biệt - tỷ số chung bao gồm 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100 và các kết hợp của chúng. Tỷ lệ tiêu chuẩn gần nhất với 31,4 là 30 hoặc 35 (tùy thuộc vào phạm vi của nhà sản xuất). Chọn tỷ lệ 30 sẽ cho tốc độ đầu ra = 3000/30 = 100 RPM (cao hơn một chút so với yêu cầu - hãy xác minh điều này có thể chấp nhận được); chọn 35 cho 85,7 RPM (thấp hơn một chút - cũng xác minh khả năng chấp nhận). Đối với các ứng dụng có tốc độ đầu ra được yêu cầu cụ thể, nên sử dụng tốc độ vận hành thực tế của động cơ khi có tải (thấp hơn một chút so với tốc độ không tải đối với động cơ DC có chổi than) trong tính toán thay vì tốc độ không tải.

Bước 4: Xác minh mô-men xoắn là đủ.

Tính mô men xoắn cần thiết ở trục ra để di chuyển tải. Nếu mô men xoắn định mức của động cơ là T_motor và tỷ số đã chọn là 30 với hiệu suất η = 0,95:

Mômen đầu ra = T_motor × 30 × 0,95

So sánh mômen đầu ra này với mômen tải yêu cầu. Nếu mômen đầu ra ≥ mômen tải yêu cầu có giới hạn an toàn (thường là 1,5× đến 2× khi sử dụng không liên tục; 2× đến 3× đối với chế độ làm việc liên tục dưới tải sốc), thì lựa chọn là hợp lệ. Nếu không, phải chọn động cơ có mô men xoắn định mức cao hơn hoặc tỷ số cao hơn.

Phạm vi tỷ lệ giảm tiêu chuẩn theo loại động cơ bánh răng

Tỷ lệ giảm ảnh hưởng đến hiệu suất ứng dụng như thế nào

Tốc độ đầu ra

Tác động trực tiếp nhất: tỷ lệ cao hơn có nghĩa là tốc độ đầu ra chậm hơn. Đối với một động cơ nhất định, việc tăng gấp đôi tỷ lệ sẽ giảm một nửa tốc độ đầu ra. Các ứng dụng yêu cầu chuyển động tốc độ thấp chính xác - bộ truyền động van, bộ truyền động theo dõi năng lượng mặt trời, máy khuấy quay chậm, hệ thống băng tải tốc độ thấp - cần tỷ lệ cao (50: 1 đến vài trăm: một). Các ứng dụng yêu cầu tốc độ vừa phải với hệ số nhân mô-men xoắn — dụng cụ điện, bánh dẫn động AGV ở tốc độ đi bộ, khớp robot — thường sử dụng tỷ lệ trong phạm vi 10:1 đến 50:1.

mô-men xoắn đầu ra

Tỷ số cao hơn = mô-men xoắn đầu ra cao hơn từ cùng một động cơ, đến giới hạn mô-men xoắn đầu ra định mức của hộp số. Hộp số có mô-men xoắn đầu ra định mức tối đa không được vượt quá, bất kể tỷ lệ và sự kết hợp động cơ về mặt lý thuyết sẽ tạo ra bao nhiêu. Nếu mô-men đầu ra được tính toán (mô-men xoắn động cơ × tỷ lệ × hiệu suất) vượt quá mô-men đầu ra định mức của hộp số thì cần phải có khung hộp số lớn hơn.

Hiệu suất hệ thống và nhiệt

Mỗi cấp bánh răng đều gây ra tổn thất do ma sát. Tỷ lệ cao đạt được qua nhiều giai đoạn bánh răng có hiệu suất tổng thể thấp hơn tỷ lệ tương tự đạt được ở ít giai đoạn hơn. Đối với các ứng dụng mà hiệu quả sử dụng năng lượng là rất quan trọng — các hệ thống chạy bằng pin như rô-bốt AGV, thiết bị y tế, thiết bị cầm tay — giảm thiểu số lượng cấp bánh răng và chọn hình dạng bánh răng hiệu quả (hành tinh thay vì trục vít) giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng và sinh nhiệt.

Phản ứng dữ dội

Phản ứng dữ dội — the small amount of angular play at the output shaft when the input direction reverses — accumulates across gear stages. A single-stage planetary gearbox may have backlash of 3–5 arc-minutes; a three-stage assembly accumulates backlash from all three stages. For position-critical applications (robotic arms, CNC positioning, camera pan-tilt systems), specifying a precision planetary gearbox with low-backlash helical gear sets reduces position error from backlash to 1–3 arc-minutes or less, compared to 10–20 arc-minutes in standard spur gear designs.

Những sai lầm phổ biến khi lựa chọn tỷ lệ và cách tránh chúng

Sử dụng tốc độ không tải của động cơ thay vì tốc độ có tải đối với động cơ DC. Động cơ DC có chổi than và không chổi than chạy ở tốc độ thấp hơn khi có tải so với khi không tải. Tốc độ định mức trên bảng dữ liệu động cơ DC thường là tốc độ không tải; ở mô men xoắn định mức, tốc độ có thể thấp hơn 10–20%. Việc sử dụng tốc độ không tải để tính tỷ lệ sẽ tạo ra tỷ lệ cao hơn một chút, dẫn đến tốc độ đầu ra thấp hơn một chút so với dự định khi tải thực tế. Sử dụng tốc độ ở mômen định mức — hoặc ở mômen vận hành dự kiến ​​— để tính toán tỷ số nhằm có được dự đoán tốc độ đầu ra chính xác.

Chọn tỷ lệ chỉ dựa trên tốc độ mà không kiểm tra mô-men xoắn. Tỷ lệ này xác định cả tốc độ đầu ra và mô-men xoắn đầu ra. Tỷ số mang lại tốc độ đầu ra chính xác có thể vẫn không đủ nếu mô-men xoắn đầu ra không đủ cho tải. Luôn hoàn thành cả việc tính toán tốc độ và xác minh mô-men xoắn trước khi hoàn tất việc lựa chọn tỷ lệ.

Bỏ qua định mức mômen đầu ra cực đại của hộp số. Hộp số có giới hạn cơ học - mô-men xoắn đầu ra định mức tối đa - mà răng và trục bánh răng được thiết kế để chịu được. Nếu mô-men xoắn cực đại của động cơ nhân với tỷ số vượt quá giới hạn này thì hộp số có nguy cơ bị hỏng trong điều kiện tải cao điểm. Xác minh rằng định mức mô-men xoắn đầu ra tối đa của hộp số (có trong bảng dữ liệu sản phẩm) vượt quá mô-men xoắn đầu ra tối đa được tính toán với hệ số an toàn.

Chọn tỷ lệ quá cao "để có thêm mô-men xoắn." Việc tăng tỷ lệ vượt quá mức ứng dụng yêu cầu sẽ lãng phí phạm vi tốc độ của động cơ và có thể di chuyển điểm vận hành của động cơ đến tốc độ rất thấp, trong đó một số loại động cơ (đặc biệt là động cơ cảm ứng xoay chiều) hoạt động với hiệu suất và hệ số công suất giảm. Điều chỉnh tỷ lệ này với tốc độ đầu ra được yêu cầu với biên độ mô-men xoắn thích hợp thay vì tối đa hóa tỷ lệ một cách tùy tiện.

Lựa chọn tỷ lệ giảm theo loại ứng dụng

Câu hỏi thường gặp

Tôi có thể thay đổi tỷ số giảm tốc trên động cơ bánh răng hiện có mà không cần thay thế toàn bộ bộ phận không?

Trong hầu hết các thiết kế động cơ bánh răng tiêu chuẩn - đặc biệt là động cơ bánh răng tích hợp trong đó hộp số và động cơ là một bộ phận kín duy nhất - tỷ số giảm tốc được cố định tại nhà sản xuất và không thể thay đổi tại hiện trường. Để thay đổi tỷ số, phải thay thế hoàn toàn động cơ bánh răng. Trong các hệ thống mô-đun có hộp số riêng được lắp mặt bích với động cơ, đôi khi chỉ có thể thay thế hộp số bằng một tỷ số khác trong khi vẫn giữ nguyên động cơ, miễn là kích thước trục đầu ra của động cơ khớp với đầu vào của hộp số mới. Trong các ứng dụng cần tốc độ đầu ra thay đổi mà không cần thay đổi tỷ lệ, bộ điều khiển động cơ tốc độ thay đổi (bộ biến tần cho động cơ AC, trình điều khiển PLC cho động cơ DC) sẽ điều chỉnh tốc độ đầu vào của động cơ bằng điện tử, cung cấp hiệu quả tốc độ đầu ra thay đổi trong phạm vi hoạt động của động cơ.

Sự khác biệt giữa tỷ số truyền và tỷ số giảm là gì?

Trong cách sử dụng phổ biến cho động cơ bánh răng, các thuật ngữ này có thể thay thế cho nhau - cả hai đều đề cập đến tỷ lệ tốc độ đầu vào và tốc độ đầu ra. Nói đúng hơn, "tỷ lệ bánh răng" có thể đề cập đến tỷ lệ số lượng răng của một cặp bánh răng (có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1:1 đối với các ứng dụng tăng tốc cũng như giảm tốc độ), trong khi "tỷ lệ giảm" đặc biệt ngụ ý giảm tốc độ (đầu ra chậm hơn đầu vào, tỷ lệ lớn hơn 1:1). Đối với động cơ bánh răng có đầu ra luôn chậm hơn tốc độ động cơ, cả hai thuật ngữ đều mô tả cùng một giá trị và có thể được sử dụng thay thế cho nhau trong tài liệu mua sắm và thông số kỹ thuật.

Tỷ số giảm tốc ảnh hưởng như thế nào đến tiếng ồn và độ rung?

Động cơ bánh răng có tỷ số cao hơn thường có nhiều cấp bánh răng hơn, mỗi cấp góp phần tạo ra tiếng ồn và độ rung của lưới bánh răng ở tần số ăn khớp (một chức năng của số lượng răng và tốc độ trục). Thiết kế bánh răng hành tinh phân phối đồng thời tiếp xúc lưới răng trên nhiều bánh răng hành tinh, giúp giảm đáng kể tải trọng của từng răng và độ rung gây ra so với truyền bánh răng trụ tiếp xúc một răng có tỷ lệ tương đương. Đối với các ứng dụng nhạy cảm với tiếng ồn — thiết bị y tế, tự động hóa văn phòng, thiết bị tiêu dùng — răng bánh răng xoắn ốc, hoạt động dần dần thay vì tác động đột ngột như răng thúc, giúp giảm thêm tiếng ồn và độ rung ở tỷ lệ tương đương.

Động cơ bánh răng với đầy đủ tỷ lệ từ Sản xuất thông minh Chiết Giang Saiya

Công ty TNHH Sản xuất Thông minh Chiết Giang Saiya , Deqing, Chiết Giang, sản xuất động cơ hộp số AC vi mô, động cơ hộp số AC nhỏ, động cơ hộp số DC có chổi than, động cơ hộp số DC không chổi than, động cơ hộp số hành tinh và hộp số hành tinh chính xác với tỷ lệ giảm từ 3:1 đến hơn 10.000:1. Tỷ lệ tiêu chuẩn và cấu hình tỷ lệ tùy chỉnh có sẵn trên tất cả các dòng sản phẩm. Sản phẩm được sử dụng trong hệ thống AGV, robot công nghiệp, tự động hóa hậu cần, theo dõi quang điện, thiết bị y tế và tự động hóa chính xác trên các thị trường toàn cầu. Phát triển OEM và ODM có sẵn cho các thông số kỹ thuật động cơ bánh răng tùy chỉnh.

Liên hệ với chúng tôi về tốc độ đầu ra, mô-men xoắn tải, công suất đầu vào và chu kỳ làm việc cần thiết cho ứng dụng của bạn để nhận được đề xuất và báo giá về động cơ bánh răng.

Sản phẩm liên quan: Động cơ bánh răng hành tinh | Hộp số hành tinh chính xác | Động cơ bánh răng DC không chổi than | Động cơ bánh răng DC chải | Động cơ bánh răng siêu nhỏ AC | Động cơ bánh răng AC nhỏ