DC Spur -vaihdemoottori: miten se toimii, tekniset tiedot ja valintaopas

Mikä DC Spur -vaihdemoottori oikeastaan on

A DC-hammasvaihdemoottori on DC-moottori yhdistettynä lieriömäiseen vaihteistoon – alennusvaiheeseen, joka koostuu sylinterimäisistä hammaspyöristä, joissa on suorat, yhdensuuntaiset hampaat, jotka on leikattu hammaspyörän pintaa pitkin. Moottori pyörii nopeasti ja suhteellisen alhaisella vääntömomentilla; vaihteisto hidastaa tätä nopeutta ja moninkertaistaa vääntömomentin suhteessa. Lähtöakselista tulee hitaampaa, voimakkaampaa pyörimistä kuin moottori yksin pystyisi tuottamaan. Tämä yhdistelmä tekee hammaspyörästöistä DC-moottoreista ensinnäkin hyödyllisiä.

"Spur"-osa viittaa erityisesti hammaspyörän hampaan geometriaan. Toisin kuin kierrehammaspyörissä, joissa on kulmikkaat hampaat, jotka kytkeytyvät asteittain, hammaspyörän hampaat kytkeytyvät akselin akselin suuntaisesti. Tämä tekee niistä yksinkertaisempia valmistaa, helpompi vaihtaa ja mekaanisesti tehokkaampia puhtaasti säteittäisissä kuormitusolosuhteissa – mutta se tarkoittaa myös, että ne ovat kuormitettuina meluisempia kuin kierteiset vaihtoehdot, mikä kannattaa tietää ennen niiden valintaa meluherkkiin sovelluksiin.

DC-hammasvaihdemoottoreita on saatavana harjattuina ja harjattomina versioina. Harjatut versiot ovat edullisempia ja helpompia ajaa; harjattomat versiot tarjoavat pidemmän käyttöiän, paremman tehokkuuden ja paremman suorituskyvyn vaativissa käyttöjaksoissa. Molemmissa kokoonpanoissa käytetään samaa hammasvaihteiston alennusperiaatetta – ero on kokonaan vaihteistoa käyttävässä moottoriosassa.

Kuinka vaihteiston alennus toimii ja miksi sillä on merkitystä

Vaihteen vähentämisen ymmärtäminen on olennaista valittaessa oikea DC-hammasvaihdemoottori mihin tahansa käyttötarkoitukseen. Välityssuhde – usein kirjoitettuna esimerkiksi 30:1 tai 100:1 – kertoo, kuinka monta kertaa tuloakseli (moottorin puoli) pyörii jokaisella lähtöakselin kierroksella. 30:1-suhde tarkoittaa, että moottori pyörii 30 kertaa jokaista lähtökierrosta kohden.

Tämän suhteen käytännön vaikutus toimii molempiin suuntiin samanaikaisesti. Jos moottori tuottaa 10 rpm 0,01 N·m vääntömomentilla, 30:1-vaihteisto tuottaa noin 0,33 rpm:n lähtönopeuden ja noin 0,3 Nm vääntömomentin – vähennettynä vaihteiston hyötysuhteen häviöillä, jotka tyypillisesti toimivat 85–95 % hyvin tehdyssä spur-vaiheessa. Enemmän alennusvaiheita tarkoittaa enemmän vääntömomentin kerrontaa, mutta myös kumulatiivista tehonmenetystä.

Useimmat DC-hammasvaihdemoottorit pinoavat useita vaihteiston alennusvaiheita saavuttaakseen korkean kokonaissuhteen. Kolmivaiheinen vaihteisto voi yhdistää 5:1, 5:1 ja 4:1 vaiheet saavuttaakseen 100:1 kokonaissuhteen. Jokaisella portaalla on oma kitkansa ja välyksensä, minkä vuoksi vaihdemoottoreilla, joilla on erittäin suuri välityssuhde (500:1 tai enemmän), on yleensä suurempi välys ja pienempi hyötysuhde kuin vastaavalla kaksivaiheisella yksiköllä vaatimattomalla suhteella.

Tärkeimmät tekniset tiedot, jotka on arvioitava valittaessa Spur Gear DC -moottoria

Tietosivujen luvut vaihtelevat huomattavasti valmistajien välillä, ja jotkin tekniset tiedot ovat paljon tärkeämpiä kuin toiset sovelluksesta riippuen. Tässä on, mihin kannattaa keskittyä:

Nopeus ilman lastausta ja nimellisnopeus

Kuormittamaton nopeus on se, kuinka nopeasti ulostuloakseli pyörii ilman mitään kiinni. Nimellisnopeus on ulostulon kierrosluku täydellä nimellismomenttikuormalla. Suunnittele aina nimellisnopeuden ympärille — kuormittamaton luku on käytännössä hyödytön todellisen sovelluksen mitoituksessa, koska mikä tahansa todellinen kuormitus vähentää tehon kierroslukua tämän luvun alapuolelle. Vaihdemoottori, jonka nopeus on 60 1/min ilman kuormitusta, voi tuottaa 45 rpm täydellä nimellisvääntömomentilla.

Nimellisvääntömomentti ja pysähtymismomentti

Nimellisvääntömomentti on jatkuva ulostulomomentti, jonka moottori voi ylläpitää ilman ylikuumenemista tai ennenaikaista kulumista. Pysäytysmomentti on suurin vääntömomentti nollanopeudella – piste, jossa kuorma pitää moottorin paikallaan. Pysäytysmomentti kuulostaa vaikuttavalta ja se on usein näkyvästi listattu, mutta jatkuva juoksen lähellä ajaminen ylikuumenee ja tuhoaa moottorin. Sovellus mitoitetaan siten, että huippumomentti pysyy alle 50–70 % jatkuvasti käyvän moottorin pysähtymismomentista.

Välityssuhde

Valitse välityssuhde sen nopeuden mukaan, jota todella tarvitset vaaditulla vääntömomentillasi, ei korkeinta saatavilla olevaa vääntömomenttisuhdetta. Suuremmat välityssuhteet lisäävät välystä ja vähentävät tehokkuutta. Jos molemmat välityssuhteet voivat saavuttaa vääntömomenttivaatimuksen, pienempi välitys antaa yleensä paremman nopeuden vakauden, vähemmän välystä ja pidemmän vaihteiston käyttöiän.

Syöttöjännite

DC-hammasvaihdemoottoreita on saatavana laajalla jännitealueella – yleensä 3V, 5V, 6V, 12V, 24V ja 48V. Nimellisjännite määrittää moottorin nopeuden tietyllä välityssuhteella. 12 V:n moottorin käyttäminen pienemmällä jännitteellä vähentää sekä nopeutta että vääntömomenttia suhteessa; sen käyttäminen nimellisjännitteellä lisää nopeutta, mutta vaarantaa käämien ylikuumenemisen ja lyhentää harjan käyttöikää harjatuissa malleissa.

Vastaisku

Vastavälys on pieni määrä pyörimisvälystä vaihteistossa – kulmaetäisyys, jonka lähtöakseli voi liikkua, ennen kuin vaihteisto kytkeytyy päälle ja vastustaa sitä. Se on väistämätön lieriövaihteistomoottoreissa ja lisääntyy vaihteiden lukumäärän myötä. Tyypillinen välys laadukkaalle monivaihevaihteistolle on 1–5 astetta. Sovelluksissa, kuten 3D-tulostimen akselit, CNC-asemointi tai robottiliitokset, tämä välyksen taso ei ehkä ole hyväksyttävää, ja sen sijaan tulisi harkita vaihtoehtoista vaihteistotyyppiä (planetaarinen tai nollavälysharmoninen käyttö).

Vaihteiston materiaali: metalli vs. muovi

Muoviset vaihteistot ovat halvempia, kevyempiä ja hiljaisempia, mutta niillä on huomattavasti pienempi vääntökapasiteetti ja ne kuluvat nopeammin raskaassa tai iskukuormituksessa. Metallivaihteistot – tyypillisesti messinkiä, sintrattua terästä tai karkaistua terästä – kestävät suurempia vääntömomentteja, kestävät pidempään jatkuvassa käytössä ja kestävät iskukuormitusta paljon paremmin. Kaikkiin vakaviin kantaviin sovelluksiin metallihammaspyörät ovat oikea valinta kustannuksista huolimatta.

Spur-vaihdemoottori vs. muut DC-vaihdemoottorityypit

Spur-vaihdemoottorit eivät ole ainoa vaihtoehto. Vaihteistotyyppien valintaan liittyy todellisia kompromisseja, jotka kannattaa ymmärtää ennen suunnitteluun sitoutumista.

Spur-hammasvaihteiset DC-moottorit ovat järkevintä, kun hinta on rajoitus, lähtöakseli on koaksiaalinen moottorin kanssa, kuormitustasot ovat kohtuulliset ja melu ei ole ensisijainen huolenaihe. Jos sovellus tarvitsee erittäin suurta vääntömomenttitiheyttä kompaktissa paketissa, planeettavaihteistomoottori on lähes aina parempi valinta korkeammasta hinnasta huolimatta. Jos vaaditaan itselukitus – portille, venttiilin toimilaitteelle tai nostomekanismille, jonka on pysyttävä asennossaan, kun virta katkaistaan ​​– kierukkavaihteinen tasavirtamoottori on sopiva valinta, koska hammaspyörämoottorit eivät lukkiudu itse.

DC Spur -hammasvaihdemoottoreiden tyypilliset sovellukset

Hammaspyörästöinen tasavirtamoottori esiintyy valtavassa tuotevalikoimassa eri toimialoilla. Sen alhaisten kustannusten, kohtuullisen tehokkuuden ja suoraviivaisen voimansiirtogeometrian yhdistelmä tekee siitä oletusvalinnan moniin kohtalaisen kuormituksen ja keskinopeiden sovelluksiin.

• Kulutuselektroniikka ja kodinkoneet: Tulostimet, skannerit, paperinsyöttölaitteet, sähköiset tölkinavaajat ja automaattiset saippua-annostelijat. Edulliset muoviset hammaspyörävaihdemoottorit hallitsevat täällä, missä vääntömomenttivaatimukset ovat vaatimattomat ja käyttöjaksot kevyitä.
• Robotiikka ja koulutusalustat: Pyörärobotit, pienet manipulaattorit ja harrastusautomaatioprojektit. Metallivaihteiset DC-hammasvaihdemoottorit 6V–12V ovat vakiokomponentteja sellaisissa alustoissa kuin LEGO Technic -vaihtoehdot, Arduino-käyttöinen alusta ja kilpailurobotit.
• Auton tarvikkeet: Sähkökäyttöiset ikkunanostimet, istuimen säätölaitteet, kattoluukun käyttölaitteet ja peilin säätimet. Niissä käytetään metallisia kantti- tai yhdistelmävaihteita yhdistettynä harjattuihin tasavirtamoottoreihin, jotka on mitoitettu kestämään ajoneuvon tärinää ja äärimmäisiä lämpötiloja.
• Teollisuusautomaatio: Kuljetinkäytöt, venttiilitoimilaitteet, pienet syöttömekanismit ja pakkauslaitteet. 24 V:n tai 48 V:n metallivaihteiset DC-hammasvaihdemoottorit kestävät jatkuvan kevyen ja keskisuuren käytön näissä asetuksissa luotettavasti ja edullisemmin kuin servojärjestelmät.
• Lääketieteelliset ja laboratoriolaitteet: Ruiskupumput, peristalttiset pumput, näytekarusellit ja mikroskoopin lava-asemat. Pienikokoiset metallihammasvaihdemoottorit tarjoavat yhdistelmän säädettävää hidasta tehoa ja kohtuullista vääntömomenttia, jota nämä sovellukset tarvitsevat.
• Lelut ja harrastusvälineet: RC-ajoneuvot, animatroniikka, moottoroitu rekvisiitta ja kameran liukusäätimet. Muoviset 3–6 V:n hammasvaihdemoottorit ovat kustannustehokkaita ja niitä on laajalti saatavilla näihin pienitehoisiin ja pienivääntömomenttisiin sovelluksiin.

Kuinka ajaa ja ohjata tasavirtahammaspyörämoottoria

Harjattu DC-hammasvaihdemoottori on yksi yksinkertaisimmista moottorityypeistä. Käytä jännitettä ja se pyörii; päinvastainen napaisuus ja se pyörii toiseen suuntaan. Nopeutta ohjataan vaihtelemalla jännitettä, useimmiten käyttämällä PWM:ää (pulssinleveysmodulaatio) H-siltaohjainpiirin kautta. H-silta mahdollistaa sekä eteen- että taaksepäin pyörimisen sekä jarrutuksen, ja se on saatavana kompakteissa integroiduissa IC-paketeissa pienvirtamoottoreille tai erillisinä ohjainmoduuleina suurempia virtoja varten.

Harjattomassa DC-hammasvaihdemoottorissa käyttövaatimukset ovat enemmän mukana – tarvitaan erillinen BLDC-ohjain kommutointilogiikalla, kuten kaikissa harjattomissa moottorisovelluksissa on kuvattu. Vaihteiston osa on identtinen moottorityypistä riippumatta; kaikki taajuusmuuttajan monimutkaisuusero on itse moottorissa.

Nopeuden takaisinkytkentä ja suljetun silmukan ohjaus voidaan lisätä mihin tahansa tasavirtahammasvaihdemoottoriin käyttämällä ulostuloakselilla olevaa akselianturia tai Hall-efektianturia. Tämä on erityisen arvokasta, kun kuormitus vaihtelee ja vaaditaan tasaista lähtönopeutta – avoimen silmukan PWM-käyttöjakson säätö sallii nopeuden laskemisen kasvavan kuormituksen alaisena, ellei PID-säädintä käytetä kompensoimaan. Sovelluksissa, kuten kuljetinkäytössä, kameran liukusäätimissä ja nestepumpuissa, joissa nopeuden tasaisuus on tärkeää, kooderin ja yksinkertaisen PID-silmukan lisääminen on monimutkaisuuden arvoista.

Pienissä harjatuissa tasavirtahammasvaihdemoottoreissa käytettyjä yleisiä ohjainpiirit ovat:

• L298N: Kaksois H-silta, jopa 2A per kanava, 46V max. Laajalti saatavilla, helppokäyttöinen, mutta tuottaa merkittävää lämpöä suuremmilla virroilla korkean katkeamisjännitteen vuoksi.
• DRV8833: Kaksois H-silta, jopa 1,5 A kanavaa kohti, pieni päällekytkentävastus, tehokkaampi kuin L298N pienille moottoreille. Yleinen robotiikassa ja harrastajasovelluksissa.
• TB6612FNG: Kaksois H-silta, jopa 1,2 A jatkuva kanavaa kohti, kompakti paketti, käytetään monissa robotiikkaalustoissa, mukaan lukien Pololu-moottoriohjaimet.
• BTS7960 (IBT-2): Suurvirta H-siltamoduuli, jopa 43A huippu, sopii suurempiin 12V tai 24V hammasvaihteistomoottoreihin teollisuuden tai autoteollisuuden sovelluksissa.

Yleiset vikatilat ja niiden välttäminen

DC-hammasvaihdemoottorit epäonnistuvat ennakoitavissa olevilla tavoilla. Vikatilojen ymmärtäminen tekee käyttöiän pidentämisen yksinkertaiseksi oikeiden sovellusten ja perushuoltokäytäntöjen avulla.

Vaihteiston hampaiden kuluminen ja kuoriminen

Yleisin mekaaninen vika, erityisesti muovivaihteistomoottoreissa. Syynä on vaihdemoottorin toistuva jumiutumismomentti tai sitä suurempi käyttö, nimellisvääntömomentin ylittävä iskukuormitus tai yksinkertaisesti kertynyt kuluminen korkean kierron sovelluksissa. Korjaus on valita moottori, jonka vääntömomentti ylittää selvästi sovelluksen huipputarpeen – ei vain yli sen keskimääräisen tarpeen – ja käyttää metallivaihteita kaikissa sovelluksissa, joihin liittyy iskukuormituksia tai korkeita käyttöjaksoja.

Harjan kuluminen (harjatut moottorit)

Harjatuilla tasavirtamoottoreilla on rajallinen harjan käyttöikä, tyypillisesti 500–3 000 tuntia virrasta, nopeudesta ja harjan materiaalista riippuen. Suuri jumivirta nopeuttaa harjan kulumista dramaattisesti. Pitkäaikaisissa sovelluksissa joko määritä harjaton versio tai suunnittele harjan vaihtovälit. Harjatun moottorin käyttäminen pysähdyksissä pitkiä aikoja on nopein tapa tuhota kommutaattori ja harjat samanaikaisesti.

Laakerin vika

Liiallinen säteittäinen (sivu) kuormitus toisioakseliin on ensisijainen syy laakerien vioittumiseen lieriövaihteistomoottoreissa. Ulostuloakseli on suunniteltu aksiaalista kytkentää varten kuormaan – hihnan, ketjun tai vaihteen käyttäminen suoraan poistoakselilta ilman asianmukaista akselin tukea kuormittaa vaihteiston ulostulolaakeria radiaalisesti, jolle sitä ei ole suunniteltu. Käytä oikein kohdistettua, akselin tukemaa kytkintä ja pidä radiaaliset kuormat valmistajan määrittämien rajojen sisällä.

Voiteluhäiriöt

Spur-vaihteistot ovat tehtaalla voideltuja ja yleensä tiivistettyjä. Korkeissa lämpötiloissa tai erittäin pitkän käyttöiän jälkeen rasva heikkenee ja menettää viskositeettiaan, mikä lisää vaihteiston ja laakereiden kulumista huomattavasti. Suljetuissa yksiköissä tämä ei ole kenttähuollossa. Avorunkoisille tai esteettömille vaihteistoille säännöllinen uudelleenrasvaus oikealla litium- tai synteettisellä vaihteistorasvalla pidentää käyttöikää huomattavasti.