Для каких применений требуются бесшумные мотор-редукторы? Ответ может вас удивить — потому что человеческое ухо способно улавливать шум на 10 дБ ниже уровня окружающей среды, а многие мотор-редукторы работают в непосредственной близости от людей. В этой технической статье мы описываем недавние исследования и разработки штатных инженеров по проблеме (и потенциальным решениям) шума мотор-редуктора.

Габриэль Вензин, президент | ABM Drives Inc.

Звук — это возвратно-поступательная вибрация частиц в среде, возникающая при прохождении через нее бегущей волны. Шум — это нежелательный звук. Звуковое давление определяется с помощью логарифмов, которые сравнивают звуковое давление со стандартом звукового давления в децибелах (дБ), равным 0,00002 Па = 20 Мкн/м² почти на нижнем пределе слышимости человека. Один децибел равен одной десятой (деци-) от одного бела, названного в честь Александра Грэхема Белла.

Шум двигателя—редуктора — это не просто проблема с передачей, это системная проблема. Физические взаимодействия между передачами могут влиять на динамику системы, поэтому большая часть шума от передач исходит не от самих передач. Скрип зубчатых колес создается зубчатыми колесами при их зацеплении и усиливается резонансами в ребрах, балках и боковинах корпуса. Скрежет зубчатой передачи — это звук, который возбуждается источником возбуждения, таким как электродвигатель. Каждая шестерня имеет свой период вращения и, следовательно, уникальную основную частоту.

Зачем проектировать бесшумные мотор-редукторы? Подумайте, где в общественных местах должны работать мотор-редукторы. Здесь для управления движением в церквях, библиотеках, аудиториях и театрах требуются бесшумные мотор-редукторы для занавесей, подиумов и сцен, которые должны вращаться, подниматься или опускаться незаметно для зрителей.

Напротив, военная техника нуждается в бесшумных двигателях-редукторах для скрытных операций. Преимущества медицинского оборудования заключаются в бесшумных редукторных двигателях, повышающих комфорт и уверенность пациента. Жилые помещения — например, в системах отопления на биомассе — также выигрывают от бесшумных редукторных двигателей. Здесь хранящаяся в бункере древесная щепа или гранулы должна подаваться в котел с помощью шнека через вращающийся питатель с приводом от двигателя — и удаление золы осуществляется таким же образом.

Мотор-редуктор обеспечивает высокий крутящий момент на низкой скорости. Это комбинация зубчатого редуктора и электродвигателя. Короче говоря, редукторы потребляют мощность двигателя и снижают его частоту вращения, увеличивая при этом крутящий момент. Двумя наиболее важными факторами на выходном валу мотор-редуктора являются частота вращения и крутящий момент. Итак, как только требования к входному крутящему моменту известны, следующим шагом является расчет необходимой мощности двигателя.

Зубчатая передача внутри мотор-редуктора увеличивает крутящий момент со стороны двигателя на выходной вал. Это передаточное число коробки передач, которое определяет умножение крутящего момента на входной. 30:1 означает, что выходной крутящий момент в 30 раз превышает входной, без учета внутренних потерь КПД.

Коробка передач с прямым углом или параллельным валом может сочетаться с двигателями постоянного тока с постоянными магнитами, асинхронными двигателями переменного тока или бесщеточными двигателями постоянного тока. Передовая технология мотор-редукторов включает в себя использование новых материалов, покрытий, подшипников и конструкций зубьев шестерен, оптимизированных для снижения шума, прочности и увеличения срока службы в небольших помещениях.

Конструкции мотор-редукторов рассчитаны на конкретные условия эксплуатации и диапазоны нагрузок. Поэтому в начале сборки машины с известными проблемами или возможностями для улучшения (включая возможную экономическую выгоду или улучшение восприятия двигателя-редуктора персоналом или пользователями) рассмотрите компоненты движения и функции (включая опции двигателя-редуктора), которые могли бы работать. Затем сузьте круг возможных вариантов до осуществимых альтернатив. Затем определите те, которые обеспечивают наилучший баланс производительности и экономичности для достижения проектной цели. Наконец, интегрируйте наиболее осуществимые, снижающие риски и экономически выгодные функции и возможности в продукты, обладающие как формой, так и функциональностью.

Такой подход к проектированию сейчас проще, чем когда-либо. В прошлом проектирование часто начиналось с инженеров-механиков, а затем передавалось инженерам-электрикам команды и, наконец, инженерам по управлению. В конце концов, все недостатки были учтены в дизайне. Напротив, сегодня стандартом является интегрированное проектирование, поддерживаемое мехатронным моделированием. Но при целостном подходе к проектированию инженеры должны понимать требования к точности всей электромеханической системы. Еще одно предостережение заключается в том, что система управления, приводы, шестерни и механические соединения должны быть тщательно подобраны, чтобы максимально использовать возможности всех компонентов. Это требует подхода к проектированию, который начинается с привода и заканчивается двигателем.

Более тщательные и детализированные цели проектирования повышают шансы на успех проекта. Поэтому не забывайте о мотивации, лежащей в основе проекта, и позвольте этой мотивации руководить инженерными решениями. Цель состоит в том, чтобы создать систему, служащую людям, а не сам дизайн. Старая пословица “Ты никогда не доберешься туда, если не знаешь, куда идешь”, безусловно, применима к процессу проектирования.

Одним из незаменимых инструментов в арсенале инженеров — особенно при создании максимально бесшумных конструкций машин — является моделирование для оптимизации предлагаемых конструкций. Такое программное обеспечение может сократить общее время разработки на целых 75%. В случае с мотор—редукторами 3D-модели и связанные с ними данные помогают инженерам анализировать, виртуально собирать и проверять свои мотор-редукторы — и полностью определять сборку для улучшения качества, технологии изготовления и закупок.

Выбор передач и двигателей — это целая наука. Даже подходящие шестерни издают шум. Усложняет ситуацию то, что шум при переключении передач бывает разных типов. Чтобы решить проблемы, связанные с шумом редуктора, первым шагом является определение типа шума, который является нежелательным. То, что считается шумом редуктора, зависит от скорости работы. Используйте качественные и количественные термины, чтобы описать, как факторы проектирования и производственные ошибки влияют на уравнение шума. Затем обсудите с командой разработчиков (и потенциальными поставщиками) проблемы шума редуктора, динамики, измерений и моделирования.

Другой отправной точкой при проектировании коробки передач является определение коэффициента полезного действия, включая количество часов в день и требования к ударам или вибрации. Коробка передач с неравномерным профилем амортизации (как, например, в военной конструкции) требует более высокого коэффициента полезного действия, чем коробка передач, работающая с перебоями.

Шум шестерни возникает при передаче нагрузки от зуба к зубу, что приводит к появлению последовательностей импульсов давления, проходящих через редуктор и корпус двигателя. Частота шума является произведением частоты вращения зубчатого колеса и количества зубьев шестерни. Большинство типов шума зубчатых колес возникают на частоте зацепления зубьев или гармониках в слышимом диапазоне. Тем не менее, шум может также возникать в виде низкочастотной модуляции шума более высокой частоты зубчатой сетки. Это приводит к явлению, называемому боковыми полосами.

Шум редуктора может быть очень раздражающим — даже если это не самый значительный источник шума. Это потому, что он проявляется в виде чистых тонов, которые человеческое ухо может уловить даже при уровне шума на 10 дБ ниже общего.

Асимметричный спектр шума зубчатого колеса возникает в результате амплитудной и частотной модуляции возбуждения зубчатой сетки, вызванного низкочастотными ошибками при изготовлении и сборке. Звуки двигателя-редуктора от зубчатого зацепления, вращения подшипника, перемещения смазочного материала, вибрации двигателя и взаимодействия корпуса — все это вносит свой вклад в общий создаваемый звук.

Склонность к вибрации может быть сведена к минимуму благодаря высококачественной винтовой передаче и оптимизированному зацеплению зубчатых колес.

Винтовые зубья постепенно входят в зацепление по торцам зубьев, что обеспечивает более тихую и плавную работу, чем цилиндрические зубчатые передачи, и обладает более высокой нагрузочной способностью.

Усилие перемещения — это колебание силы зацепления зубьев из стороны в сторону вдоль профиля, когда пара зубьев проходит процесс зацепления. Колебательная сила может вызвать динамическое возбуждение системы коробки передач. Поскольку это происходит на частоте сетки, это влияет на шумовую характеристику редуктора. При использовании двойных винтовых передач это осевое усилие устраняется.

Отделка зубьев способствует получению звука. Винтовая передача, которая была только обработана фрезой, работает громче, чем винтовые редукторы, которые были выбриты или отшлифованы для удаления шероховатостей поверхности зубьев, образующихся при фрезеровании.

Используйте оптимизированную по шуму геометрию зубчатого колеса, чтобы свести к минимуму влияние импульсов включения отдельных зубчатых колес.

Проектирование и анализ зубчатых колес как системы позволяет инженерам улучшать и оптимизировать микрогеометрию для снижения шума зубчатых колес.

Подача: Зубчатая система с нормальным шагом ведущей шестерни, очень незначительно превышающим нормальный шаг ведомой шестерни, обеспечивает более бесшумную передачу. Минимальный уровень шума требует, чтобы коэффициент контакта был меньше 2 или 1. Даже при небольшой нагрузке влияние жесткости на кручение имеет важное значение.

Коэффициент контакта: Передаточное число зубчатого колеса — это среднее число зубьев, находящихся в контакте. Обычно оно колеблется от 1,2 на нижнем конце до 1,8. Цилиндрические и прямолинейные конические шестерни с рабочим передаточным числом менее 2,0 создают больше шума, чем шестерни с большим передаточным числом. Винтовые и спирально-конические зубчатые колеса имеют общее передаточное отношение значительно выше 2,0 и производят меньше шума.

Плавная, бесшумная и высокоскоростная передача может иметь больше зубьев, меньший диаметральный шаг, меньшее угловое давление и более высокое передаточное отношение. Изменение одного из них может привести к изменению многих других элементов дизайна. Оптимизация точек входа и выхода зубчатых колес снижает вибрацию, шум, трение скольжения и тепловыделение. Все конструкции редукторов являются компромиссом для достижения целевых результатов.

Тогда становится ясно, почему бесшумная передача должна быть изготовлена с высокой точностью. Высококачественная передача гарантирует бесшумную работу. Благодаря высокоточному изготовлению шум редуктора может быть снижен со среднего уровня в 82 дБ до 77 дБ, измеренного на расстоянии 300 мм от точки подачи.

Крутильные режимы могут возбуждаться гармониками низкого порядка вращения вала; величина возбуждения напрямую связана с погрешностями обработки зубчатых колес.

Независимо от конструкции, сделайте нормальную разницу в высоте звука как можно меньше. Погрешность формы профиля должна быть как можно ближе к теоретической эвольвенте. Ключевым моментом является метод финишной обработки после отверждения для обеспечения окончательной точности.

Также имейте в виду, что невозможно устранить все шумы при переключении передач, потому что невозможно установить идеальные передачи. Даже если бы это было возможно, невозможно ограничить влияние системной динамики. Можно только минимизировать и контролировать шум редуктора до такой степени, чтобы он не считался проблемным или слышимым.

Сведите к минимуму шум зубчатых колес на высокоскоростных этапах за счет точной механической обработки и шлифования. Скорость вращения редукторного двигателя играет значительную роль в создании шума. Существует очень небольшая разница между зубчатым колесом, вращающимся со скоростью 30 оборотов в минуту, и зубчатым колесом с обработанной поверхностью. Но при более высоких скоростях переключения передач они демонстрируют более заметную разницу в звуке. При изготовлении зубчатых колес фрезерование — это операция черновой обработки, которая позволяет получить гладкие и точные зубья зубчатого колеса. Бритье и закалка — это отделочные операции, повышающие точность размеров, чистоту поверхности и твердость. При бритье удаляется небольшое количество материала для исправления ошибок профиля. Завершающие операции шлифования обеспечивают высокую чистоту поверхности, исправляя любые искажения после термообработки. Прецизионное зацепление с грунтом обеспечивает низкий уровень шума и длительный срок службы.

Бесшумная работа требует минимального люфта шестерни. Зазор — это зазор между сопрягаемыми зубьями шестерни, и его должно быть достаточно для образования смазочной пленки между зубьями. Самый простой способ уменьшить люфт — сократить расстояние между центрами зубчатых колес с низким или даже нулевым зазором. Такой подход уменьшает различия в межосевом расстоянии, размерах зубьев и эксцентриситетах подшипников.

Такие переменные факторы, как производственные ошибки, допуски при монтаже и люфт подшипников, часто увеличивают люфт в мотор-редукторе. Прецизионные мотор-редукторы сводят к минимуму такие дефекты за счет использования деталей с близкими допусками. Как правило, они сочетают в себе закаленные прецизионные шестерни, качественные подшипники и обработанные корпуса с жесткими допусками.

Чтобы свести к минимуму шум, все компоненты коробки передач должны быть оптимально настроены друг на друга. Тремя типами погрешностей передачи зубьев зубчатых колес являются погрешности расстояния, случайные погрешности и упругие деформации, которые сочетаются со средними отклонениями профиля. Резонанс зубчатого колеса может быть уменьшен путем определения механизмов возбуждения; использования анализа методом конечных элементов для определения собственных частот отдельных зубчатых колес; исключения режимов кручения из рабочего диапазона; настройки и демпфирования винтовых и конических зубчатых колес; и выявления остающихся резонансных проблем с другими элементами двигателя-редуктора, такими как корпуса и принадлежности.

Вибрация возникает в зубчатой сетке из-за изменяющейся во времени жесткости сетки, ошибок изготовления и сборки. Эта вибрация передается на корпус через валы и подшипники. Излучаемый шум возникает из-за вибрации корпуса. Поскольку вибрация и шум geabox значительно ухудшают характеристики зубчатой передачи, прогнозирование и контроль вибрации коробки передач также имеют первостепенное значение для обеспечения надежности работы на выходе.

Смоделируйте излучаемый шум коробки передач с помощью программного обеспечения, использующего метод конечных элементов (FEM) и метод граничных элементов (BEM). Такое программное обеспечение помогает определить порядок режимов сборки и то, какие стороны корпуса вносят максимальный акустический вклад. Здесь одним из решений для особо шумных участков корпуса является добавление ребер для уменьшения излучаемого шума.

Уменьшите естественный резонанс за счет оптимизации конструкции корпуса с ребристыми и несимметричными компонентами — особенно в редукторах с параллельным валом. Корпус двигателя и крышки коробки передач должны быть изготовлены из цельных деталей, отлитых под давлением, чтобы исключить допуски на стыках двигателя и коробки передач (распространенная проблема шума и вибраций). Они должны идеально гармонировать друг с другом.

В зависимости от конструкции корпуса разделительные линии могут проходить сверху или снизу и быть ступенчатыми или угловыми. Для глушения шума обрезанные и точно обработанные алюминиевые корпуса, отлитые под давлением, дополнительно снижают уровень шума. Плотно прилегающие крышки корпуса и фланцы предотвращают искажения, которые могут усилить шум. Алюминиевые корпуса поглощают гармоники и другие вибрации лучше, чем чугунные.

Даже увеличение толщины стенок на 10% может повысить жесткость примерно на 33%. Но добавление ребер, гофр и изгибов к корпусам, отлитым под давлением, позволяет снизить затраты на материалы при сохранении жесткости и долговечности — даже в сборках с более тонкими стенками корпуса.

Эффективные места расположения ребер расположены в виде дуг на панелях с большим акустическим вкладом. Ребра эффективны, если они расположены вдоль линий, идущих от заданного местоположения к ближайшим неподвижным точкам корпуса. Расположение ребер жесткости на поверхности корпуса является одним из основных способов придания жесткости корпусу мотор-редуктора.

Наряду с выбором металла решающее значение имеет поддержание равномерной толщины стенок. Толщина стенок — это баланс между прочностью и весом. Толщина стенок определяет постоянство текучести и тепловых свойств в процессе литья под давлением.

Требования к размеру, геометрии и толщине стенок влияют на допуск. Более толстые стенки дают большую усадку в зависимости от материала. Вообще говоря, допуск на сжатие деталей для литья под давлением составляет ±0,002 дюйма. На дизайн здесь влияют многие факторы, включая материалы, сложность детали, оснастку и сам процесс литья под давлением.

Возбуждение от электромагнитного поля двигателя может передаваться на ротор, поэтому ищите прочные роторы двигателей. Магнитные силы статора заставляют ротор вибрировать, как любое кольцо, при ударе. Статор вибрирует в одном или нескольких режимах изгиба; модели представляют сердечник в виде балки, опирающейся на оба конца и изгибающейся в ответ на приложенные усилия.

Анализ показывает, что вибрация возникает из-за электрического дисбаланса или механической неуравновешенности (в двигателе, муфте, приводном оборудовании); механических воздействий (в виде ослабления, трения и несбалансированных подшипников); внешних воздействий (в базовом или приводном оборудовании или из-за несоосности); и возбуждения критических резонансных скоростей. Совет: Во время анализа перечислите все возможные причины исследуемых частот. Затем устраняйте причины одну за другой, пока не останется только истинный источник проблемы.

Ключом к бесшумной работе является высококачественная балансировка ротора. Все типы вращающихся механизмов нуждаются в балансировке на рабочей скорости. Балансировка ротора включает в себя всю конструкцию — вал, пластины ротора, торцевые головки, стержни ротора, концевые соединители, стопорные кольца и вентиляторы. Только тщательный контроль конструкции и изготовления этих компонентов движения обеспечивает стабильный и точный баланс двигателя.

Если рабочая частота вращения двигателя совпадает с резонансной частотой корпуса, произойдет усиление. Единственным вариантом является изменение резонансной частоты корпуса — обычно путем изменения жесткости или веса редуктора, корпуса или двигателя.

Выбирая партнеров-производителей во время сборки станка, помните, что существует два способа выбора мотор-редуктора. Один из них заключается в выборе предварительно спроектированного агрегата, а другой — в выборе комбинации коробки передач и двигателя и интеграции их в оборудование.

Готовые редукторные решения подходят, если у инженера-проектировщика нет времени или инженерных ресурсов для самостоятельной сборки редукторного двигателя — или если конструкция нуждается в быстрой настройке. Новые модульные подходы к поддержке производителей оборудования (и включению новых станков, средств автоматизации и программного обеспечения для проектирования) теперь позволяют инженерам приобретать мотор-редукторы по разумной цене даже в небольших объемах.

Это правда, что одно из преимуществ выбора отдельного двигателя и коробки передач с последующим их объединением может быть дешевле, чем выбор предварительно спроектированного мотор-редуктора. Еще одним преимуществом такого подхода является то, что можно спроектировать наиболее оптимизированный мотор-редуктор для конкретного применения, поскольку такой подход также дает инженеру-проектировщику наибольший контроль над окончательной конфигурацией и стоимостью.

Независимо от подхода к выбору редукторного двигателя, обязательно постоянно совершенствуйте конструкцию, сравнивая прогнозируемые уровни шума с измерениями шума с помощью спектрального анализа. Затем используйте результат анализа для улучшения следующей итерации редукторного двигателя.

Приводы ПРО | www.abm-drives.com

Об авторе:Габриэль Вензин — президент ABM Drives Inc. Штаб-квартира ПРО в США находится в Лавленде, штат Огайо. Позвоните Вензину по телефону (513) 576-1300 или напишите по электронной почте gabriel.venzin@abm-drives.com.