Для каких применений требуются бесшумные мотор-редукторы? Ответ может вас удивить — потому что человеческое ухо может 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 шума двигателя-редуктора (и возможные пути ее решения).

Автор: Габриэль Вензин, президент | ABM Drives Inc.

Звук — это возвратно-поступательная вибрация частиц в среде, возникающая при прохождении через среду 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 близок к нижнему пределу слышимости человека. Один децибел — это одна десятая (деци-) от одного бела, названного в честь Александра Грэхема Белла.

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

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

Напротив, военная техника нуждается в бесшумных редукторных двигателях для скрытных операций. Преимущества медицинского оборудования заключаются в бесшумных двигателях-редукторах, повышающих комфорт и уверенность пациента. В жилых помещениях — например, в системах отопления на биомассе — также используются бесшумные редукторные двигатели. Здесь хранящаяся в силосе древесная щепа или гранулы должны подаваться в котел шнеком через роторный питатель с приводом от двигателя — и удаление золы осуществляется таким же образом.

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

Зубчатая передача внутри двигателя-редуктора умножает крутящий момент со стороны двигателя на выходной вал. Это передаточное отношение коробки передач и число, определяющее умножение крутящего момента на вход. 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, повышения 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 редуктора персоналом или пользователями) рассмотрите компоненты и функции привода (включая опции редуктора), которые могут сработать. Затем сузьте выбор до приемлемых альтернатив. Затем определите те, которые обеспечивают наилучший баланс производительности и экономичности для достижения проектной цели. Наконец, интегрируйте наиболее осуществимые, снижающие риск и экономически целесообразные 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, затем передавалось инженерам-электрикам команды и, наконец, инженерам по управлению. В конце концов, все недостатки были учтены в дизайне. Напротив, сегодня стандартом является комплексное 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 обратно к двигателю и включает его.

Более тщательные и детализированные цели проектирования повышают шансы на успех проекта. Поэтому помните о мотивации, стоящей за проектом, и позвольте этой мотивации направлять инженерные решения. Цель состоит в том, чтобы создать систему, которая служила бы людям, а не самому дизайну. Старая пословица “Вы никогда не доберетесь туда, если не будете знать, куда идете”, безусловно, применима к процессу проектирования.

Одним из незаменимых инструментов в арсенале инженеров — особенно в работе по обеспечению максимальной бесшумности сборки машин — является моделирование для оптимизации предлагаемых конструкций. Такое программное обеспечение может сократить общее время разработки на целых 75%. В случае с редукторами 3D—модели и связанные с ними данные помогают инженерам анализировать, виртуально создавать и проверять свои редукторы, а также полностью определять сборку для улучшения качества, технологий производства и закупок.

Выбор шестерен и двигателей — это целая наука. Даже подходящие шестерни издают шум. Сложность заключается в том, что шум от зубчатого колеса бывает разных типов. Чтобы решить проблемы с шумом при передаче, первым шагом является определение типа шума, который является нежелательным. То, что считается шумом шестерни, зависит от скорости работы. Используйте качественные и количественные термины, чтобы описать, как конструктивные факторы и производственные ошибки влияют на уравнение шума. Затем обсудите с командой разработчиков (и потенциальными поставщиками) проблемы шума редуктора, динамики, измерения и моделирования.

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

Шум зубчатого колеса возникает при передаче нагрузки от зуба к зубу, что вызывает чередование импульсов давления, проходящих через редуктор и корпус двигателя. Частота шума равна произведению частоты вращения шестерни на количество зубьев шестерни. Большинство типов шума зубчатого колеса возникает на частоте зацепления зубьев или гармониках в слышимом диапазоне. Тем не менее, шум также может возникать в виде низкочастотной модуляции шума с более высокой частотой зубчатой сетки. Это приводит к явлению, называемому боковыми полосами.

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

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, издаваемые зубчатой передачей, вращением подшипника, перемещением смазки, вибрациями двигателя и взаимодействием 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, обеспечивая более тихую и плавную работу, чем цилиндрические зубчатые колеса, и обладают более высокой грузоподъемностью.

Усилие перемещения — это колебание силы зацепления зубьев из стороны в сторону вдоль профиля по мере того, как зубчатая пара подвергается процессу зацепления. Колебательная сила может вызвать динамическое возбуждение системы коробки передач. Поскольку это происходит на частоте сетки, это вносит свой вклад в шумовую характеристику редуктора. При использовании двойных винтовых зубчатых колес это осевое усилие устраняется.

Отделка зубьев вносит свой вклад в создаваемый звук. Винтовая передача, которая была только обработана фрезерованием, работает громче, чем винтовые передачи, которые были срезаны или отшлифованы для удаления шероховатости поверхности зубьев, возникающей 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: Система передач с нормальным шагом ведущей шестерни, на очень небольшую величину превышающую нормальный шаг ведомого колеса, обеспечивает более бесшумную передачу. Минимальный уровень шума требует коэффициента соприкосновения, меньшего, чем 2 или 1. Даже при незначительной нагрузке влияние жесткости на кручение имеет важное значение.

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

Плавная, бесшумная и высокоскоростная зубчатая 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 представляют собой компромисс для достижения целевых результатов.

Тогда понятно, почему бесшумная передача должна быть изготовлена очень точно. Высококачественная передача гарантирует бесшумную работу. Благодаря высокоточному изготовлению уровень шума зубчатого колеса может быть снижен со среднего уровня 82 дБ до 77 дБ, измеренного на расстоянии 300 мм от точки подачи.

Режимы кручения 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. Главное — это способ отделки после закалки, обеспечивающий окончательную точность.

Также имейте в виду, что невозможно устранить весь шум передачи, потому что невозможно нарезать идеальные передачи. Даже если бы это было возможно, невозможно ограничить влияние системной динамики. Можно только минимизировать и контролировать шум передачи до такой степени, чтобы он не считался проблематичным или слышимым.

Сведите к минимуму шум зубчатых колес на высокоскоростных ступенях за счет тонкой механической обработки и шлифования. Скорость вращения мотор-редуктора играет значительную роль в образовании шума. Существует очень небольшая разница между зубчатым колесом, вращающимся только с фрезерованием со скоростью 30 об / мин, и зубчатым колесом, обработанным шлифовкой. 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 ровные и точные зубья зубчатого колеса. Бритье и закалка — это чистовые операции, повышающие точность размеров, чистоту поверхности и твердость. При бритье удаляется небольшое количество материала для исправления ошибок в профиле. Окончательные операции шлифования обеспечивают высокую чистоту поверхности, устраняя любые искажения после термической обработки. Прецизионная зацепляющая передача обеспечивает низкий уровень шума и длительный срок службы.

Бесшумная работа требует минимального люфта шестерни. Зазор — это зазор между зубьями сопрягаемой шестерни, которого должно быть достаточно для образования смазочной пленки между зубьями. Самый простой способ уменьшить люфт — сократить расстояние между центрами зубчатых колес при низком или даже нулевом зазоре. Такой подход уменьшает различия в межосевом расстоянии, размерах зубьев и эксцентриситетах подшипников.

Такие переменные, как производственные ошибки, допуски при монтаже и люфт подшипника, 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. Существует три типа ошибок при передаче зубьев зубчатых колес: ошибки с шагом, случайные ошибки и упругие деформации, которые сочетаются со средними отклонениями профиля. Резонанс зубчатого колеса можно уменьшить путем определения механизмов возбуждения; использования анализа методом конечных элементов для определения собственных частот отдельных зубчатых колес; исключения режимов кручения из рабочего диапазона; расстройки и демпфирования винтовых и конических зубчатых колес; и выявления остающихся резонансных проблем с другими элементами мотор-редуктора, такими как корпуса и принадлежности.

Вибрация в зубчатой сетке возникает из-за изменяющейся во времени жесткости сетки, производственных ошибок и погрешностей сборки. Эта вибрация передается корпусу 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 выходного сигнала.

Имитируйте 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 обеспечивают максимальную акустическую отдачу. Здесь одним из решений для особенно 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 типах коробок передач с параллельными валами. 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 располагаться сверху или снизу и быть ступенчатыми или наклонными. Для обеспечения глушения звука обрезанные и точно обработанные алюминиевые корпуса, отлитые под давлением, дополнительно снижают уровень шума. Плотно прилегающие крышки корпуса и фланцы предотвращают искажения, которые могут усиливать 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 жесткости, гофр и изгибов к корпусам, отлитым под давлением, снижает затраты на материалы при сохранении прочности и долговечности конструкции — даже в сборках с более тонкими стенками корпуса.

Эффективное расположение ребер жесткости — в виде дуг на панелях с большим акустическим вкладом. Ребра жесткости эффективны при размещении вдоль линий от места установки до ближайших фиксированных точек корпуса. Размещение ребер жесткости на поверхности корпуса является одним из основных способов придания жесткости корпусу редукторного двигателя.

Помимо выбора металла, решающее значение имеет поддержание равномерной толщины стенок. Толщина стенок — это баланс между прочностью и весом. Толщина стенок определяет стабильную текучесть и тепловые свойства в процессе литья под давлением.

Требования к размерам, геометрии и толщине стенок влияют на допуски. Более толстые стенки обеспечивают большую степень усадки в зависимости от материала. Вообще говоря, допуск на герметичность 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 выбирайте прочные роторы двигателя. Магнитные силы статора заставляют ротор вибрировать, как и любое кольцо, при ударе. Статор вибрирует в одном или нескольких режимах изгиба; модели представляют сердечник в виде балки, поддерживаемой с обоих концов и изгибающейся в ответ на приложенные усилия.

Анализ показывает, что вибрация возникает из-за электрического дисбаланса или механического дисбаланса (в двигателе, муфте, приводном оборудовании); механических воздействий (в виде ослабления, трения и несбалансированности 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 машин 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 приводных компонентов 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 машины, помните, что существует два способа выбора двигателя-редуктора. Один из них заключается в выборе предварительно спроектированного агрегата, а другой — в выборе комбинации редуктор-двигатель и их интеграции в оборудование.

Готовые решения для зубчатых передач подходят, если у инженера-конструктора нет времени или инженерных ресурсов для создания мотор—редуктора собственными силами — или если конструкция требует быстрой настройки. Новые модульные подходы к поддержке производителей оборудования (и включающие новые станки, автоматизацию и программное обеспечение для проектирования) теперь позволяют инженерам получать редукторы по разумной цене даже в небольших объемах.

Это правда, что одно из преимуществ выбора отдельного двигателя и коробки передач, а затем их объединения, может быть менее дорогостоящим, чем выбор предварительно сконструированного двигателя-редуктора. Другим преимуществом такого подхода является то, что можно спроектировать наиболее оптимизированный мотор-редуктор для конкретного применения, поскольку такой подход также дает инженеру-проектировщику максимальный контроль над окончательной конфигурацией и стоимостью.

Независимо от подхода к выбору двигателя-редуктора, обязательно постоянно совершенствуйте конструкцию, сравнивая прогнозируемый уровень шума с измерениями шума с помощью спектрального анализа. Затем используйте результаты анализа для улучшения следующей итерации двигателя-редуктора.

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.