Table of Contents
מבוא ל-Gear Tooth Geometry ב- Electric Motor Drives
מנועים חשמליים הפכו למובילים העיקריים למגוון רחב של יישומים, ממנועי מכונות וכלי מכונה ועדויות אוויריות חשמליות ואווירה רוחיות.בניגוד למנועי הבעירה פנימית, מנועים חשמליים מספקים מומנט גבוה ממהירות אפס ופועלים על פני טווח מהיר רחב בהרבה, לעתים קרובות עם תחילת, עצירות, ושינויים נוספים.
בלב ביצועי הציוד הוא הגיאומטריה של חוטי השיניים ושורשים.הצורה, הגודל, וסיום של כל שן לקבוע כיצד העומס מועבר, כיצד החום נוצר, וכיצד המירש ההילוך מתנהג בתנאים דינמיים. מאמר זה מציג מדריך מקיף לגימטריה הילוכים במיוחד עבור כונן חשמלי, כיסוי פרמטרים בסיסיים, עיצוב, אופטימיזציה מתקדמת, ושיקולים אמיתיים בעולם.
למה Gear Geometry Matters More for Electric Motor Drives
בעוד עקרונות עיצוב ציוד חלים באופן אוניברסלי, מנוע חשמלי מניעים מציגים מספר אתגרים ספציפיים אשר מעלים את החשיבות של אופטימיזציה גיאומטרית של השן:
- (FLT:0) מהירויות סיבוביות גבוהות: 1FLT:1 יישומים רבים אלקטרוניים-אופנועים לרוץ 10,000-20,000 ריאל או גבוה יותר. במהירויות אלה, אפילו גיאומטריה קטנה גורמת לרעש משמעותי ועומס דינמי.
- (FLT:0) עומסים קשים ומשתנים: אנדרל 1); מנועים חשמליים מייצרים שינויים ליד דלקת קרום, תוך שימוש בציוד למחזורי מתח מהירים המזרזים עייפות.
- (FLT:0)NVH הרגישות: 1 בכלי רכב חשמליים ומכשירים פרימיום, whine הילוכים הוא מקור רעש ראשוני שיש למזער באמצעות פרופיל מדויק ושינויים מובילים.
- שילוב:0 (Compactאינטגרציה: FLT:1 Motors לעתים קרובות לחלוק דיור עם ארגזי הילוכים, הגבלת שטח עבור ציוד גדול יותר ודורש צפיפות כוח גבוהה יותר.
על ידי התאמת גיאומטריה הילוכים לתנאים אלה, מהנדסים יכולים להשיג אימון שקט, יעיל, יציב, אשר מנף באופן מלא את היתרונות של הנעה חשמלית.
המונחים: Gear Tooth Geometry
לפני צלילה לאסטרטגיות אופטימיזציה, זה שימושי לזכור את הפרמטרים גיאומטריים המרכזיים המגדירים שן הילוכים.ההילוך הנפוץ ביותר עבור כונן חשמלי הוא דחיפה לא רצונית או הילוכים helical, אם כי סוגים פלנטריים וגלול משמשים גם.
לחץ זווית
זווית הלחץ, בדרך כלל 20 מעלות עבור ציוד למטרות כלליות, קובע את הכיוון של הכוח המועבר בין השיניים משרפות. זווית לחץ גדולה יותר (25 מעלות) מניבה שורשים שן עבות יותר וכוח מתפתל גבוה יותר, אך מגביר מהירות מהירה ועומסים קורנל. עבור עומסים מהירים חשמליים, זווית לחץ של 20 מעלות תוקף איזון טוב בין כוח וחלקיות.
מודול ו Diametral Pitch
מודול (מדד) או diametral המגרש (אימפריאל) מגדיר גודל השן יחסית לקוטר המגרש.מודולים קטנים יותר מאפשרים יותר שיניים באותו קוטר, שיפור יחס הקשר וצמצום הרעש, אבל כל שן נושא פחות עומס. אלקטרוניקה מנועים לעתים קרובות להשתמש במודולים בסדר (1–3 מ"מ) כדי להשיג קומפקטי, גבוה יותר הפחתה תוך שמירה על מתחים מגע מקובלים.
פרופיל יתר ואינסטינקט
פרופיל לא רצוני כמעט אוניברסלי כי זה מספק יחס מהירות זוויתי קבוע ללא קשר שגיאות מרחק מרכז.עם זאת, את involute הבסיסי ניתן לשנות עם הקלה טיפ, הקלה שורש, וכתר לייעל הפצה עומס ולהפחית את הרגישות להתאמה.זה שינויים מיקרו-גאומטריה הם חיוניים עבור כונן מנוע חשמלי שבו מהירות ו torque להשתנות באופן נרחב.
Tooth Width ו- Faceגובה
רוחב הפנים משפיע על אזור מגע וקיבולת העומס. Wider Face להפחית את הלחץ מגע אבל להגביר את הרגישות לסט פיר דה השתקפות ו misalignment. עבור עיצובים קלים, מהירות גבוהה, מהנדסים לעתים קרובות להשתמש יחס של רוחב הפנים לקוטר הסיכות בין 0.5 ל 1.0, בשילוב עם זוויות הלילית (15-30°) כדי להשיג מעורבות חלקה, חופפת.
מפתחי אופטימיזציה של Gear Tooth Geometry
אופטימיזציה כוללת איזון יעילות, כוח, רעש, ומיומנות.הגורמים הבאים מקבלים תשומת לב מיוחדת ביישומים חשמליים.
צור קשר עם Ratio וOverlap Ratio
יחס הקשר (מספר זוגות שיניים במגע) משפיע ישירות על שיתוף העומס ורעש.עבור הילוכים, יחס מגע מינימלי של 1.2 הוא טיפוסי; עבור הילוכים הלילית, היחס החפיפה (בשל זווית הלילית) מוסיף לסך הכל. יחס מגע כולל של 2.0 או גבוה יותר מפחית באופן משמעותי את שן דה ורעש. Achieving זה דורש לעתים קרובות בחירת מספר גדול יותר של שיניים (גבוה) וזווית של שן מתאימה).
פרופיל ועופרת משתנים
שינויים מיקרו-גאומטריה - הקלה במנועי חשמל, הקלה שורש והכתר - מוחלים לפצות על השתקפות של סטיות אלסטית, התרחבות תרמית וסובלנות ייצור. עבור ציוד מוטורי חשמלי, הקלה טיפ של 10-30 מיקרומטר הוא נפוץ למנוע מגע קצה תחת עומס.עופרת הכתר של 5-15 מיקרומטר לאורך רוחב הפנים מסייע להתאים רע עקב סטיות.
Backlash
השבירה היא ההנקה בין דלפי שיניים שאינם מגעים.בעוד הצורך למנוע ייבוש ואפשר לסרטי סיכה, תגובה מוגזמת יוצרת עומסים השפעה ורעש.ביישומים של סרבו ומיקום שליטה, לחץ מינימלי (0.02-0.10 מ"מ) נדרש לעתים קרובות.אופטימיזציה עובי שיניים ושליטה מרחוק מרחוק יכול להשיג תגובה נמוכה באופן עקבי ללא עלויות הייצור.
שורש: רדינוס
רדיוס מילוי השורש בבסיס השן קובע ריכוז הלחץ. גדול יותר מלא רדיואי (0.3-0.4 × מודול) להפחית מתח מתפתל ולשפר את חיי העייפות.עם זאת, רדיוס מלא יכול להפחית את אורך הפרופיל הפעיל ולשנות את יחס הקשר. תוכנת עיצוב מודרנית עכשיו אופטימיזציה את צורת המילוי באמצעות עקומות סטרכואיד או ptical כדי למזער את הלחץ תוך שמירה על כוח השיניים.
מעבר לים והקשה
ציוד במהירות גבוהה נהנה משטח חלק מסימני (Ra ⁇ 0.4 μm) כדי להפחית את החיכוך ואת הדור החום. גרינינג, honing, או superfinishing נפוצים עבור ציוד חשמלי.בנוסף, ירידה במקרה (carburburizing או nitriding) מייצרת מקרה קשה, לביש (62 HRC) על פני ליבה קשה.
תגיות: Electric Motor Gears
מעבר לפרמטרים גיאומטריה, כמה שיקולים ברמת המערכת משפיעים על עיצוב הציוד הסופי.
High-Speed Dynamics
מהירויות רוטציה מעל 10,000 ריאל מציגות כוחות צנטריפוג משמעותיים שיכולים לשנות דפוסי מגע שיניים ולהגדיל עומסים דינמיים.המסה של Gear חייב להיות ממזער - לעתים קרובות באמצעות עיצובים מקוונים-spoke או רעמים דקים - כדי להפחית את איטרטיה וסטרס צנטריפוגה.בנוסף, תדרים טבעיים של מערכת ה-cu-shaft צריך לעבור מתדירות exצטט (מטורפתים להילוך) ותדירות הילוך כדי למנוע הילוך אחורית) כדי למנוע הילוך.
המונחים: thermal Management
תיבות הילוכים חשמליים לעתים קרובות להשתמש יינות שמן או סיכה סילון מאולץ.הגאומטריה ההילוך משפיעה על עובי סרט שמן ואת הדור החום.אופטימיזציה פרופילי שיניים עם מהירויות נמוכות של velocities (למשל, יחסי מגע גבוהים, שינוי תוספת נאות) להפחית את הפסדי שמן Shear וטמפרטורה הפעלה. במקרים קיצוניים, הילוך באמצעות מטוסי שמן ישירות על גבי האפר יכול להיות הכרחי.
בחירה חומרית
ציונים פלדה כמו AISI 8620, 4320, או 18CrNiMo7-6 נפוצים עבור ציוד נדרד במקרה. עבור יישומים מהירים, נמוך אינרציה, חומרים קלים כגון אלומיניום ברונזה או פולימרים מתקדמים (עם הוספת פלדה) מופיעים. Composites להפחית רעש ומשקל אבל יש קיבולת נמוכה יותר ומגבלות טמפרטורה.
שילוב עם מנוע שפט ודינגס
גירס לעתים קרובות רכוב ישירות על פיר המנוע או על פיר קלט נפרד.שפט דה סטה תחת עומס שינויים ההיערכות הציוד.אופטימיזציה חייבת לקחת בחשבון את הנוקשות המשולבת של פירים, נושאים, ודיור.שימוש הילוכים הליקליים עם כיוונים helix הפוכה על סיכות כפולות יכול לבטל דחף צירי, צמצום העומסים.
אופטימיזציה ליעילות
אובדן יעילות של Gear מורכב מהפסדים תלויים בעומס, הפסדים מתגלגלים (windage and churning), והפסדים ללא עומס (גרורה, חיכוך נושא) על ידי אופטימיזציה של גיאומטריה של שיניים, הפסדים מזחלים ניתן להפחית באופן משמעותי.
סלקציה ומניעה
מהירות סלידת בין צניחת שיניים הזדווגנת היא הגבוהה ביותר ליד הטיפים והשורשים.על ידי יישום שינוי פרופיל (תיקון פתאומי), המהירות השוטפת בכניסה ליציאה יכול להיות מאוזן.פרופיל משתנה כראוי להפחית הפסדים מחוסנים עד 30% תוך שמירה על כוח.קצבי שינוי פרופיל טיפוסי עבור הילוכים חשמליים בטווח של +0.2 ל +0.5 על הסימון ו -0.2 ל -0.2.2.
תגיות קשורות Ratio Helical Gears
הילוכים הלילית עם יחס מגע כולל של 2.5-3.0 יכול להכפיל את מספר העומס של השיניים שיתוף בהשוואה להילוך סטנדרטי.זה לא רק מקטין את לחץ השיניים אלא גם מוריד מהירות כי יותר שיניים נמצאים במגע בכל רגע, צמצום החיכוך coefficient.עם זאת, זוויות helix גבוהות יותר מגבירות דחף אקסקלי ודורשות.
אופטימיזציה באמצעות FEA ו- Multi-Objective Solvers
כלים מודרניים של הנדסה ממוחשבת (CAE) מאפשרים למהנדסים לדמות הילוך מתחת העומס ואופטימיזציה גיאומטריה עבור יעילות וכוח בו זמנית. Finite אלמנט ניתוח (FEA) חישוב שן דה השתקפות, לחץ מגע, ועומס מתפתל. אופטימיזציה רב-אובייקטיבי יכול לשנות זווית לחץ, שינוי פרופיל, הקלה טיפ, ופנים למזער את אובדן היעילות תוך עמידה בחבילות תוכנה כגון MAST, AST, REX, KISS, משמשות, KISS.
המונחים: uraability
יכולת ייצור בדחפים חשמליים נשלטת על ידי עייפות מגע (מתפתל) ועייפות מכושפת הגיאומטריה הנכונה יכולה להאריך את החיים מעבר ל 10 מיליון מחזורים.
לחץ מגע והתנגדות פיטינג
לחץ מגע הרץ בין שיני השחתות שולט על החיים.פחתת מתח מגע מושג על ידי הגדלת הרדיוס היחסי של ריפאווה (באמצעות זווית לחץ גדולה יותר או שינוי פרופיל) ועל ידי מיקסום יחס הקשר.בנוסף, באמצעות סיום על פני השטח באיכות גבוהה (Ra ⁇ 0.2 μm) והתאמה נאותה (עם תוספים) עיכובים משמעותיים בורות.
מתח על השורש
מתח בנד הוא קריטי ביותר שורש השן.הגדלת רדיוס מילוי השורש וליישם עובי שן נדיב (באמצעות שינוי פרופיל) מוריד את הלחץ.עבור עומסים גבוהים מאוד, ציוד הלילית להפיץ את הרגע השברירי לאורך הפנים, צמצום הלחץ שיא. ISO 6336 ו- AGMA 2001 לספק שיטות סטנדרטיות לחישוב גורמי בטיחות מכווצים; גיאומטריה לעתים קרובות מטרות של 1.5-2.0 נדרש.
« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «
Scuffing מתרחשת במהירויות גבוהות של נפיחות וטמפרטורות מגע גבוהות.על ידי שימוש בשינויים פרופיל להפחית מהירות סליעה בתחילת המעורבות, סיכון נפיחות הוא גם הוריד, החלת זווית בלחץ גבוה (25 °) ו משחית שיניים נאותה משחיתתפר את היווצרות הסרט lubricant. רבים e-אופנועים לשלב ציפוי או superfinishing כדי לשפר עוד התנגדות uffuffing.
טכניקות אופטימיזציה מתקדמות
כמו מנוע חשמלי מניע את הביקוש לדחיסות כוח גבוהה יותר ורעש נמוך יותר, שיטות מתקדמות מאומצות.
המונחים: over Topography Optimization
במקום להקלת טיפ ליניארית פשוטה, מהנדסים משתמשים כעת ב-FLT:0topographical ChangeFLT:1 - 3D מיקרומטרי וריאציות על ה-hhhhhh de השתקפות תחת עומס הן בפרופיל והן בכיוונים מובילים.זה יוצר דפוס מגע "אופטימי" המקטין את השגיאה שידור ורעש.
Dynamics ו-Gear Whine Reduction
(ב) מהדורת ה-Gear whine קשורה ישירות לשגיאה שידור - הסטייה ממהירות זוויתית קבועה.על ידי אופטימיזציה מיקרו-גיאומטריה למזער את השגיאה של שידור אמפליטודו ונזקיו, מהנדסים יכולים להפחית רעש ב-5-15 dB, זה דורש לולאות הדמיה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה, לעתים קרובות באמצעות FLT:0order מעקב אחר FLT:1 ו-FLT2 מוטציות:2 נטלימספקטיביים: 3.
אופטימיזציה Multi-Objective
בהתחשב במטרות סותרות של יעילות, כוח ורעש, מעצבים משתמשים אופטימיזציה Pareto כדי למצוא את הטוב ביותר סחר-offs. Variables כוללים זווית לחץ, זווית helix, שינוי פרופיל, הקלה טיפ, הכתרה, ואת רדיוס שורש. Constraints טווח ממרחק מרכזי ויחס הילוכים למגבלות הייצור. קבוצה טובה של פרמטרים יכול להשיג יעילות mesh תוך שמירה על גורם בטיחות מעל 1.5 מטר ו- 1 מיקרומטר מתחת ל- 1 מיקרומטר.
ייצור של שיני Gear
הדפסה תלת מימדית של ציוד מתכת (למשל, לייזר סלקטיבי חטא) מאפשר גיאומטריה בלתי אפשרית עם התכווצים קונבנציונליים או שחיקה - כגון ערוצי קירור פנימיים, מילוי שורש מורכב, או מבני מינוף קלים במשקל, בעוד עדיין מתפתח, תוספת ייצור מבטיח אופטימיזציה, ציוד ייצור עבור מנועים חשמליים מיוחדים.
מחקרים ודוגמאות מעשיות
יישומים בעולם האמיתי ממחישים את ההשפעה של אופטימיזציה גיאומטרית.
יחידת נהיגה ברכב חשמלי
יצרן EV הפחית את התכשיט על ידי 8 dB על ידי יישום שינוי טופוגרפי 3D לצמד ציוד הלייקאלי.הטיפ המקורי ישר הקלה יצר מגע קצה בשקע גבוה; פרופיל שונה עם הקלה הטיה ו 12 מיקרומטר הכתר המשיך קשר מרכזי על פני טווח התוספת המלאה.
מנועים תעשייתיים Servo Motorductionr
תיבת הילוכים פלנטרית קומפקטית עבור מנוע סרבו עוצב מחדש באמצעות שינוי פרופיל +0.3 על ציוד השמש ו -0.3 על כוכבי הלכת.יעילות הניתוק עלתה מ -96 עד 98.7%, ואת ה backlash היה מופחת מ 8 arcmin עד 2 arcmin.האופטימיזציה גם מבטלת רטט מהדהד ב 800 הרץ על ידי התאמת הנוקשות של ציוד.
תקנים ופרקטיקה טובה ביותר
מהנדסים צריכים להתייעץ עם תקני התעשייה כאשר אופטימיזציה של גיאומטריה עבור כונן חשמלי. ISO 6336 (או AGMA 2001) הוא ההתייחסות העיקרית לחישובים קיבולת העומס. ISO 1328 מגדירה ציונים דיוקים; עבור מנועים מהירים במהירות גבוהה, כיתה 5 או גבוה יותר (DIN 3962) נדרש לעתים קרובות.בנוסף, חישוב של העברת שגיאות ISO/TR 139 מסייע בחיזוי רעש.
מגמות עתידיות ב-Gear Geometry Optimization
- (FLT:0) עיצוב מונחה על ידי AI: אלגוריתמי למידת מכונות 1FLT 1 מאומן בתוצאות FEA יכול להציע אופטימיזציה מיקרו-גאומטריה תוך דקות ולא שבועות.
- (FLT:0 ⁇ חכמים עם חיישנים משובצים:FLT:1 אינטגרטיביים כי לפקח על לחץ שיניים וטמפרטורה יספק משוב בזמן אמת עבור גאומטריה אדפטיבית (באמצעות קשיחות מרש משתנה).
- (FLT:0) עיצוב מנוע משולב: FLT:1 במקום אופטימיזציה של הציוד בבידוד, עיצובים עתידיים יפתרו את הפורטוגיאומטריה האלקטרומגנטית של המנוע עבור משולב NVH ויעילות.
- חומרים בלתי אפשריים:0 (FLT:1ib) פולימרים המבוססים על ביולוגית אבקות פלדה ממוחזרים לייצור תוספים ידרוש התאמה גיאומטריה כדי להסביר התנהגות מופחתת או עייפות שונה.
מסקנה
אופטימיזציה של גיאומטריה לנהגים חשמליים היא אתגר רב תחומי המאחד עיצוב מכני, חומרים מדע, וסימולציה חישובית. על ידי בחירה בקפידה ושיקום זווית לחץ, מודול, שינוי פרופיל שיניים, יחס מגע וטיפולים על פני השטח, מהנדסים יכולים להשיג ערכות הילוכים כי הם גם יעיל מאוד ובאופן עקבי יותר עמידים על ידי אופטימיזציה של מערכות חשמל, יותר שקט, חיי אדם, וצריכה אנרגיה נמוכה יותר, כמו גם כדי להרחיב את הטכניקות חשמל מגנטיות הבאות: