Xích con lăn và hộp số hành tinh
Xích con lăn và hộp số hành tinh mang lại khả năng điều khiển chuyển động chính xác, hiệu quả
Hộp số xích con lăn đang chứng tỏ là giải pháp khả thi nhất cho nhu cầu điều khiển chuyển động hiện đại.
Bánh răng bền cho máy móc tốc độ cao hoặc công suất lớn thường phức tạp để thiết kế, vì vậy các kỹ sư cơ khí có xu hướng tránh xa chúng và thay vào đó dựa vào điều khiển điện tử và dây đai có răng. Tuy nhiên, đối với máy móc tốc độ cao chuyên dụng, bánh răng là phương pháp tốt nhất trong điều kiện tiêu hao năng lượng thấp, độ chính xác cao và độ phát thấp.
Kỹ thuật hiện đại cũng đã dẫn đến những tiến bộ làm cho hộp số của tất cả các loại nhỏ hơn nhiều so với trước đây. Ví dụ, gia công nâng cao để chế tạo bánh răng và trục có nghĩa là có thể phù hợp hơn cho các răng bánh răng. Và các hộp số gắn mặt ngày nay có thể kéo dài ít nhất 2,5 inch so với động cơ và có trọng lượng thấp hơn tới 50% so với hầu hết các hộp số thương mại hiện có, tùy thuộc vào kiểu máy, công suất, tỷ số truyền và việc sử dụng vỏ nhôm.
Một trong những thay đổi lớn về công nghệ là sự phát triển từ tàu bánh răng trục song song tiêu chuẩn, sang tàu bánh răng hành tinh, sang tàu bánh răng hành tinh sử dụng bánh răng con lăn. Làm thế nào để họ so sánh với nhau?
Đây là phân tích của một bộ bánh răng hành tinh. Một trong những bánh răng hành tinh có bánh răng con lăn có 72 răng và bánh răng mặt trời có 30 răng. Các nhà thiết kế có thể nhận được rất nhiều tỷ số truyền khác nhau từ bộ bánh răng này. Ngoài ra, khóa bất kỳ hai trong ba thành phần với nhau sẽ khóa toàn bộ thiết bị với mức giảm bánh răng 1: 1. Lưu ý rằng tỷ số truyền đầu tiên được liệt kê (Trường hợp A) là một giảm; tốc độ đầu ra chậm hơn tốc độ đầu vào. Trường hợp thứ hai (Trường hợp B) là quá tải; tốc độ đầu ra nhanh hơn tốc độ đầu vào. Cuối cùng là giảm một lần nữa (Trường hợp C), nhưng hướng đầu ra bị đảo ngược. Có một số tỷ lệ khác mà bộ bánh răng này có thể cung cấp.
Trục song song với tàu bánh răng hành tinh
Trong một tàu bánh răng trục song song đơn giản, mỗi bánh răng chia lưới có trục riêng và tất cả các trục đều song song. Tải trọng được truyền từ bánh răng này sang bánh răng khác, vì vậy mỗi bánh răng và răng ăn khớp có cùng tải trọng. Tỷ số truyền của xe lửa trục song song đơn giản là tỷ số giữa số răng trên bánh răng đầu vào với số răng trên bánh răng đầu ra. Các bánh răng này dựa vào một số lượng nhỏ các điểm tiếp xúc để truyền lực truyền động (tải trọng). Điều đó có nghĩa là tất cả tải trọng chỉ tập trung vào một vài điểm tiếp xúc, khiến các bánh răng nhanh mòn và đôi khi bị nứt.
Bất kỳ bộ bánh răng hành tinh nào (còn được gọi là bộ bánh răng tuần hoàn) có ba loại bánh răng: bánh răng mặt trời, vòng và bánh răng hành tinh. Bánh răng mặt trời và bánh răng hành tinh kết nối với nhau và quay quanh nhau bên trong một bánh răng vòng. Mỗi thành phần trong số ba thành phần này có thể là đầu vào, đầu ra hoặc được giữ cố định. Việc chọn mảnh nào đóng vai trò nào xác định tỷ số của bộ bánh răng hành tinh.
Trong một ứng dụng điển hình, nguồn điện truyền động kết nối với bánh răng mặt trời. Sau đó bánh răng mặt trời dẫn động các bánh răng hành tinh được lắp ráp trong vòng bánh răng con lăn bên ngoài. Toàn bộ bộ bánh răng hành tinh quay trên trục của chính nó và dọc theo vòng bánh răng con lăn bên ngoài nơi trục đầu ra kết nối với bộ mang hành tinh để giảm tốc độ. Tỷ lệ giảm cao hơn có thể đạt được bằng cách tăng gấp đôi bánh răng đa cấp và bánh răng hành tinh.
Được thể hiện là một đầu bánh răng hành tinh truyền thống với ba bánh răng hành tinh và một bánh răng vòng. Bánh răng vòng đặc đòi hỏi thời gian và chi phí gia công để tạo ra và nặng hơn xích con lăn, được sử dụng trong các thiết kế bánh răng gần đây hơn của G Gear Solutions.
Kiểu hộp số này được sử dụng trong băng tải, thiết bị chế biến thực phẩm, thiết bị xử lý nguyên liệu, bộ truyền động trộn, ròng rọc, máy bơm, tuabin năng lượng gió, v.v. Không giống như các bánh răng song song truyền thống, bộ truyền động bánh răng hành tinh có một số bề mặt tiếp xúc trải giữa một số bánh răng. Nhìn chung, chúng có diện tích tiếp xúc lớn hơn bánh răng song song và có thể phân bổ tải trọng đều xung quanh trục trung tâm. Chúng cũng chia sẻ mọi tải trọng tác động tức thời, vì vậy chúng chống lại thiệt hại tốt hơn từ các mô-men xoắn cao hơn. Vỏ và các bộ phận chịu lực cũng ít bị hư hỏng và nứt do tải trọng cao.
Tải trọng trong một đoàn tàu bánh răng hành tinh cũng được chia sẻ cho một số hành tinh; do đó, khả năng mô-men xoắn được tăng lên rất nhiều. Càng nhiều bánh răng hành tinh trong ổ thì khả năng chịu tải càng lớn và mật độ mômen xoắn càng cao. Các đoàn tàu bánh răng hành tinh cũng cung cấp sự ổn định do khối lượng phân bố đều và tăng độ cứng quay. Mô-men xoắn tác dụng hướng tâm lên các bánh răng của bộ truyền bánh răng hành tinh được bánh răng truyền hướng tâm mà không có bất kỳ áp lực bên nào lên các răng bánh răng.
Tàu bánh răng hành tinh có thể có mật độ công suất cao hơn so với tàu bánh răng trục song song tiêu chuẩn. Chúng cũng nhỏ gọn hơn, cung cấp nhiều tổ hợp động học và có phản ứng xoắn hoàn toàn. Chúng cũng hiệu quả. Tổn thất hiệu suất trong tàu bánh răng hành tinh thường khoảng 3% mỗi giai đoạn. Điều này đảm bảo rằng hầu hết năng lượng đưa vào (khoảng 97%) được truyền qua hộp số chứ không bị lãng phí do tổn thất cơ học.
Nhược điểm bao gồm tải trọng chịu lực cao, yêu cầu bôi trơn liên tục, không thể tiếp cận và thiết kế phức tạp.
Bộ truyền động bánh răng này từ Giải pháp bánh răng sử dụng sáu bánh răng hành tinh và xích con lăn.
Thêm vòng lăn
Trong cải tiến mới nhất, bánh răng của bộ bánh răng hành tinh đã được thay thế bằng xích con lăn. Còn được gọi là xích con lăn, đây là bộ truyền động thường được sử dụng để truyền lực cơ học trên nhiều loại máy móc. Một trong những ví dụ phổ biến nhất là xích xe đạp. Nó bao gồm một loạt các con lăn hình trụ ngắn được tổ chức với nhau bằng liên kết bên và thường được dẫn động bởi một bánh răng hoặc đĩa xích. Chúng đơn giản, đáng tin cậy và hiệu quả.
Thực tế có hai loại liên kết xen kẽ trong xích con lăn ống lót. Loại đầu tiên là các liên kết bên trong với hai tấm bên trong được giữ với nhau bằng hai ống bọc hoặc ống lót mà trên đó hai con lăn quay. Các liên kết bên trong xen kẽ với loại thứ hai, các liên kết bên ngoài, và chúng được tạo thành từ hai tấm bên ngoài được giữ với nhau bằng các chốt đi qua ống lót của các liên kết bên trong.
Thiết kế xích con lăn giảm ma sát so với các thiết kế đơn giản hơn, mang lại hiệu quả cao hơn và ít hao mòn hơn. Các giống xích truyền lực ban đầu thiếu con lăn và ống lót, với cả tấm bên trong và bên ngoài được giữ bằng các chốt tiếp xúc trực tiếp với răng đĩa xích; tuy nhiên, cấu hình này thể hiện sự mài mòn cực kỳ nhanh chóng của cả răng đĩa xích và các đĩa nơi chúng quay trên các chốt. Việc bổ sung các con lăn bao quanh ống lót của xích giúp lăn tiếp xúc với các răng của đĩa xích, dẫn đến khả năng chống mài mòn tuyệt vời của cả đĩa xích và xích. Thậm chí có ma sát rất thấp, nếu xích được bôi trơn đầy đủ. Bôi trơn liên tục, sạch sẽ của xích con lăn là điều quan trọng hàng đầu để vận hành hiệu quả cũng như kéo căng chính xác.
Việc phát triển một bánh răng hành tinh sử dụng xích con lăn để tạo thành bánh răng bên trong cho phép một bộ bánh răng nhỏ gọn hơn và tùy chọn sử dụng vỏ nhôm nhẹ. Xích cung cấp một loạt các kích cỡ và tỷ lệ. Ví dụ: nếu chỉ sử dụng một mẫu từ 27 đến 100 nốt, chín kích thước xích và 10 tỷ lệ, thì có thể định cấu hình 657 kích thước. Mỗi tỷ lệ có tập hợp các biến riêng của nó, tạo ra hàng nghìn kết hợp có thể có. Điều này cho phép bộ bánh răng duy trì mức năng lượng cao với mức tiêu hao năng lượng tối thiểu. Các thiết bị mới hơn cũng yêu cầu ít điện năng hoặc nhiên liệu hơn để hoạt động, giúp tăng hiệu suất.
Các tuabin gió Phoenix 20 kW của QED Wind Power sử dụng bộ truyền động bánh răng nhẹ, nhỏ gọn và hiệu quả từ G Gear Solutions để điều khiển trục quay của tuabin và giữ cho các cánh của nó hướng về phía gió.
Tua bin gió và bộ truyền động hàm
Để phù hợp với giới hạn Betz, các tuabin gió không thể khai thác hơn 59% động năng của gió. (Nếu tuabin gió hoạt động hiệu quả 100%, thì sẽ không còn gió để làm quay các cánh quạt). Để tăng khả năng phát điện và tiến gần nhất có thể đến giới hạn 59% đó, các tuabin gió dựa vào hệ thống truyền động ngang để hướng các cánh theo hướng gió. Tuy nhiên, ngay cả với các bộ truyền động, các tuabin gió có kích thước tiện ích chỉ đạt được trong khoảng 75% đến 80% giới hạn Betz.
QED Wind Power sản xuất các tuabin gió Phoenix 20 kW, tạo ra 50.000 kw / giờ hàng năm (giả sử là gió 20 hải lý), đủ để cung cấp năng lượng cho một trang trại cỡ vừa hoặc tối đa tám ngôi nhà. Bộ truyền động hàm từ G Gear Solutions, giúp cánh quạt quay theo gió, là một yếu tố quan trọng trong việc giữ cho các tua-bin của QED quay và tạo ra nhiều điện nhất có thể.
Khi QED bắt đầu xem xét việc thiết kế lại tuabin 20 kW của mình, các thành phần đều được sản xuất tại Trung Quốc. Nhóm nghiên cứu muốn các bộ phận do Mỹ sản xuất đảm bảo kiểm soát chất lượng và khả năng tiếp cận các bộ phận sửa chữa tốt hơn. QED đã đạt được mong muốn của mình, và Phoenix là một chuyến tham quan thực sự về ngành sản xuất của Mỹ: lưỡi dao từ Texas, cảm biến khí tượng từ Oregon và động cơ lái từ Gears Solutions ở Ohio.
Những bản phác thảo thế kỷ 16 này cho thấy rằng da Vinci đã đưa ra lý thuyết, nếu không phải là phát minh ra, xích con lăn từ lâu.
QED đã nói chuyện với một số nhà cung cấp hệ thống lái yaw trước khi chọn Giải pháp tăng tốc, nhưng họ muốn bán các sản phẩm bán sẵn của nhóm không thể tận dụng tối đa thiết kế hoặc đáp ứng nhu cầu cụ thể của họ. Các nhân viên kỹ thuật tại Giling Solutions đã nói chuyện với QED nhiều lần trước khi đưa ra một nguyên mẫu tùy chỉnh đáp ứng nhu cầu của nó.
Nguyên mẫu có trục mạnh hơn, bền hơn và có thể sử dụng động cơ ba pha 1,5 mã lực làm động cơ truyền động. Ổ đĩa cũng được thiết kế để sử dụng đĩa mỡ thay vì dầu hộp số để đơn giản hóa việc bảo trì. Sau vài tháng thử nghiệm và sửa đổi về kích thước và vật liệu trục, bộ truyền động yaw mới đã sẵn sàng.
Nó kết hợp công nghệ bánh răng con lăn với kết cấu bánh răng sáng tạo để tối ưu hóa hộp số và giảm thiểu kích thước. Nó ngắn hơn 50% so với hộp số tiêu chuẩn và có thể xử lý trên 30 mã lực. Với việc bổ sung một bánh răng con lăn bên trong, bộ dẫn động và một số bánh răng hành tinh, bộ truyền động mới xử lý tải trọng gấp ba lần kích thước của bộ truyền động trước đó và vỏ nhôm làm cho bộ truyền động nhẹ hơn 50%, giảm tỷ lệ trọng lượng trên mô-men xoắn và tăng tỷ lệ công suất trên trọng lượng. Trọng lượng thấp hơn giúp đơn giản hóa việc lắp đặt và sửa chữa — cả hai đều rất quan trọng khi làm việc trên cao trong không gian chật hẹp. Kích thước nhỏ hơn cũng cho phép ống tuabin nhẹ hơn và khí động học hơn.
Mặc dù có trọng lượng nhẹ hơn, các ổ cứng vẫn đủ bền để cung cấp nhiều năm sử dụng mà không gặp sự cố. Nhiều chiếc đã được phục vụ liên tục trong hơn năm năm mà không có thời gian ngừng hoạt động.
Anh em nhà Wright đã sử dụng xích con lăn để truyền lực từ trục động cơ quay tới các cánh quạt. Điều đó không có gì lạ khi họ điều hành một cửa hàng xe đạp và có thể đã quen thuộc với công nghệ này.
Bánh răng: Dòng thời gian
150 đến 100 trước Công nguyên, Hy Lạp. Cơ chế Antikythera được thực hiện với hơn 30 bánh răng. Nó được cho là được sử dụng để tính toán thiên văn.
Thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên, Trung Quốc. Các ví dụ ban đầu về bánh răng được tìm thấy vào thời nhà Chu.
50 SCN, Ai Cập. Bánh răng xuất hiện trong thiết kế của nhà toán học và kỹ sư Heron of Alexandria.
Năm 1206 sau Công Nguyên, Thổ Nhĩ Kỳ. Ismail al-Jazari, một người đàn ông được giáo dục tốt, đã đề cập đến một sự sắp xếp giống như hộp số trong cuốn sách của mình, Cuốn sách Kiến thức về Thiết bị Cơ khí khéo léo.
1510, Ý. Leonardo da Vinci phác thảo một xích con lăn.
1817, Vương quốc Anh. Watt và Boulton Engine sử dụng hộp số có hai bánh răng và bộ điều tốc để duy trì tốc độ quay.
1880, Vương quốc Anh. Hans Renold phát minh ra xích con lăn ống lót để truyền lực cơ học.
1881, Pháp. Dion-Bouton bắt đầu sản xuất hộp số cho xe hơi.
1898, Pháp. Các nhà phát minh Louis-Rene Panhard và Emile Levassor phát triển cụm bánh răng và trục truyền động đầu tiên được sử dụng để cung cấp năng lượng cho hộp số tay.
1904, Hoa Kỳ Anh em nhà Sturtevant ở Boston đã phát minh ra “hộp số xe ngựa không đuôi”. Thật không may, các nhà sản xuất sau đó không có các kim loại như chúng ta ngày nay, và các bánh răng được chuyển đổi đột ngột dẫn đến sự cố truyền động.
1908, Hoa Kỳ Henry Ford ra mắt Model T, có các bánh răng hoạt động bằng hộp số hành tinh.
