Механизмы передачи являются ключевыми компонентами механического оборудования, которые передают мощность для достижения механического движения. При проектировании механизма передачи решающее значение имеет расчет инерции нагрузки, поскольку она напрямую влияет на устойчивость и надежность механизма передачи. Ниже приведены методы расчета и примеры инерции нагрузки для распространенных механизмов передачи:
I. Методика расчета инерции нагрузки обычных механизмов передачи
1. Механизм шарико-винтовой передачи.
Механизмы шарико-винтовой передачи широко используются в системах прецизионного позиционирования. При расчете инерции нагрузки необходимо учитывать такие факторы, как масса груза, ход винта, диаметр винта и коэффициент трения.
Предположим, что масса груза равна м, шаг винта — Pb, диаметр винта — Db, а скорость перемещения груза — V. Инерция нагрузки, пересчитанная на вал двигателя, может быть рассчитана по следующей формуле:
Инерция нагрузки=4×π2×скорость двигателя2м×Pb2
Скорость двигателя необходимо преобразовать в соответствии со скоростью перемещения нагрузки и шагом винта. Кроме того, следует учитывать инерцию самого винта и влияние потерь на трение на инерцию системы.
2. Механизм привода зубчатого шкива
Механизмы привода зубчатых шкивов широко используются в средствах автоматизации благодаря своим преимуществам плавной передачи, низкого уровня шума и высокой точности позиционирования. Их расчет инерции нагрузки включает в себя инерцию синхронизирующих шкивов и инерцию нагрузки.
Предположим, что диаметр зубчатого шкива равен D, а масса груза равна М. Инерцию распределительного шкива можно рассчитать по следующей формуле:
Инерция шкива ГРМ=21×M×D2
Инерция нагрузки рассчитывается в зависимости от массы и формы нагрузки, которая затем добавляется к инерции зубчатого шкива для полученияобщая инерция нагрузки.
3. Механизм зубчатой передачи
Механизмы зубчатой передачи отличаются точным передаточным числом, высокой эффективностью и компактной конструкцией. При расчете инерции нагрузки необходимо учитывать инерцию ступицы шестерни, инерцию вала шестерни и динамические эффекты во время зацепления шестерен.
Предположим, что масса ступицы шестерни равна m1 с радиусом r1, а масса вала шестерни равна m2 с радиусом r2. Инерция ступицы шестерни I1=m1×r12, а инерция вала-шестерни I2=m2×r22. Инерция нагрузки рассчитывается в зависимости от массы и формы нагрузки, которая затем добавляется к инерции ступицы шестерни и вала шестерни, чтобы получитьобщая инерция нагрузки.
Кроме того, следует учитывать влияние на инерцию системы таких факторов, как потери на трение, люфт шестерен и упругие деформации при зацеплении шестерен.
4. Ременный приводной механизм
Механизмы ременной передачи имеют преимущества плавной передачи, простой конструкции и удобного обслуживания. Их расчет инерции нагрузки включает инерцию шкивов ремня и инерцию ремня.
Метод расчета инерции ременных шкивов аналогичен методу расчета зубчатых шкивов, при этом инерцию ремня необходимо рассчитывать на основе таких факторов, как параметры материала ремня, условия работы и длина. Как правило, инерция ремня относительно невелика, но ее влияние нельзя игнорировать в высокоскоростных-системах передачи.
5. Механизм цепной передачи.
Механизмы цепного привода характеризуются высокой эффективностью трансмиссии, высокой-грузоподъемностью и способностью адаптироваться к суровым условиям окружающей среды. Их расчет инерции нагрузки включает в себя инерцию звездочек и инерцию цепи.
Метод расчета инерции звездочек аналогичен методу расчета ступиц шестерен, тогда как инерцию цепи необходимо рассчитывать на основе таких факторов, как параметры материала цепи, условия работы и длина. По сравнению с ременной передачей цепная передача, как правило, имеет большую инерцию, поэтому ее влияние на динамические характеристики системы необходимо полностью учитывать при проектировании.
II. Анализ случая
На примере шариковинтового механизма в системе сервопривода расчет инерции нагрузки и выбор двигателя выполняются следующим образом:
1. Известные условия
- Масса нагрузки м=200 кг, шаг винта Pb=20 мм, диаметр винта Db=50 мм, масса винта mb=40 кг
- Коэффициент трения µ=0.002, механический КПД η=0.9
- Скорость перемещения груза V=30 м/мин, общее время перемещения t=1.4 с
- Время разгона/торможения t1=t3=0.2 с, время выдержки t4=0.3 с
2. Процесс расчета
- Сначала рассчитайте инерцию нагрузки, преобразованную в вал двигателя, включая инерцию вращения тяжелой нагрузки, преобразованную в вал двигателя, и инерцию вращения винта, затем получитеобщая инерция нагрузки.
- Затем рассчитайте скорость двигателя и крутящий момент, необходимый для того, чтобы двигатель приводил в движение нагрузку, включая крутящий момент, необходимый для преодоления трения, и крутящий момент, необходимый для ускорения тяжелого груза и винта, и, наконец, получитемаксимальный требуемый крутящий момент.
3. Выбор двигателя
По результатам расчета,Серводвигатель TECO JSDEP-20A серииВыбирается вариант, имеющий следующие характеристики, соответствующие проектным требованиям:
Номинальная скорость: 3000 об/мин (регулируется до 2500 об/мин при работе)
Номинальный крутящий момент: 12 Н·м (удовлетворяет требованиям к моменту нагрузки)
Инерция ротора:
(близко к требуемому значению
, адаптируемый в пределах погрешности)
Коэффициент инерции нагрузки: 145/29≈5:1 (соответствует критериям проектирования)
III. Выводы
- При проектировании передаточных механизмов инерция нагрузки должна быть точно рассчитана, чтобы обеспечить устойчивость и надежность передаточного механизма.
- При расчете инерции нагрузки необходимо учитывать различные факторы, включая геометрические параметры, параметры материала и условия работы.
- При выборе двигателя необходимо всесторонне учитывать такие факторы, как инерция нагрузки, скорость двигателя и требуемый крутящий момент, чтобы выбрать наиболее подходящий двигатель.
Таким образом, методы расчета и анализ случаев инерции нагрузки для обычных механизмов передачи имеют большое значение для проектирования механизмов передачи и выбора двигателя. Точный расчет и рациональный выбор позволяют обеспечить устойчивость и надежность трансмиссионных механизмов, повысить производительность механического оборудования.