Str. 5 ABSTRAKT Bakalářská práce obsahuje odbornou rešerši zabývající se principem činnosti planetových převodovek a jejich využitím v praxi. Tato práce definuje základní vlastnosti evolventního ozubení, základní rozdělení planetových převodovek a způsoby jejich možných realizací v porovnání s běžnými typy převodovek. ABSTRACT This bachelor s thesis contains a technical recherche which is deal with a principle working planetary gearboxes and it s usage in practice. The work includes definitions of basic characteristic involute gear, the parting of the planetary gearboxes and ways of alternative usages in comparison with common gearbox types. Klíčová slova: planetové převodovky, převodovky Key words: planetary gears, gears Bibliografická citace mé práce: VEVERKA, I. Deskripce planetových převodovek pro pohony robotů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009, 40s. Vedoucí bakalářské práce prof. Ing. Zdeněk Kolíbal, CSc.
Str. 6
Str. 7 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a že jsem uvedl všechny použité informační zdroje. V Brně dne.. podpis
Str. 8
Str. 9 PODĚKOVÁNÍ: Děkuji všem, kteří mě jakkoliv pomáhali a podporovali při tvorbě této bakalářské práce. Obzvláště vedoucímu bakalářské práce prof. Ing. Zdeňku Kolíbalovi CSc., ale také Ing. Jiřímu Rýznarovi ze společnosti MAXON MOTOR za jeho čas a za poskytnutí podkladů, mé poděkování patří v neposlední řadě i panu Ing. Miroslavovi Zavadilovi ze společnosti OPIS Engineering k.s., který mne mimojiné odkázal na firmu STÖBER, jejíž podklady jsou také obsahem mé bakalářské práce.
Str. 10
Str. 11 OBSAH 1 ÚVOD 12 2 DRUHY OZUBENÍ. 13 2.1 Základní pojmy. 13 2.1.1 Druhy ozubených soukolí. 13 2.2 Kinematika geometrie ozubení. 13 2.2.1 Evolventní ozubení... 14 3 PRINCIP ČINNOSTI PLANETOVÝCH PŘEVODOVEK... 15 3.1 Základní součásti zjednodušený model. 15 3.2 Princip činnosti... 16 3.3 Výhody a nevýhody planetového převodu 16 3.4 Planetová převodovka s vysokým převodovým poměrem... 16 3.5 Planetová převodovka K 2350 3.4 ČVUT Praha.. 18 4 PŘEVODOVKY FIRMY HARMONIC DRIVE 20 4.1 Planetové převodovky HARMONIC DRIVE řady HPG.. 20 4.2 Popis produktu HPG převodovky 20 4.3 Princip činnosti Harmonic Drive HPG 21 4.4 Mazaní. 22 4.5 Zhodnocení harmonické planetové převodovky řady HPG. 23 5 PŘEVODOVKY FIRMY MAXON MOTOR. 24 5.1 Planetové převodovky Maxon řady GP... 24 5.2 Spolehlivost a životnost... 25 5.2.1 Redukce 25 5.2.2 Maximální kontinuální moment... 26 5.2.3 Účinnost... 26 5.3 Materiály planetových kol převodovky GP. 27 5.3.1 Keramika vs. ocel. 27 5.3.2 Plast.. 27 6 PŘEVODOVKY FIRMY STÖBER ANTRIENSTECHNIK 28 6.1 Planetové převodovky ServoFit... 28 6.1.1 Převodovka ServoFit řady P+PA. 29 6.1.2 Převodovka ServoFit řady PKX... 29 6.1.3 Převodovka ServoFit řady PK.. 30 6.1.4 Převodovka ServoFit řady PH.. 31 6.1.5 Převodovka ServoFit řady PHA(PHKX, PHK) 31 6.2 Nová řada Planetových převodovek ServoFit řady PHQ/PHQA. 32 6.3 Montáž motorového systému ServoFit. 33 6.4 Mazání, těsnění a údržba.. 33 7 PŘEVODOVKY FIRMI OPIS ENGINEERING K.S.... 34 7.1 Planetové převodovky Tecnoingranaggi.. 34 7.1.1 Převodovky Tecnoingranagii řady LC. 34 7.1.2 Převodovky Tecnoingranagii řady MP. 35 7.1.3 Převodovky Tecnoingranagii řady TR.. 36 ZÁVĚR... 37 Seznam použitých zdrojů(literatury).. 38 Seznam obrázků.. 39 Seznam tabulek... 39 Seznam příloh. 40
Str. 12 1 ÚVOD Princip tohoto převodu byl objeven přibližně v roce 1828 Bernardem Lassimonem, který se používal jako ořezávátko na tužky. Tato technologie je více než o století známější než cykloidní převody, které pracují na stejném principu. Tento mechanismus má však v dnešní době obrovské nároky na výrobu a smontovatelnost, proto v tehdejší době nebyla možnost ho vyrábět sériově. Až před několika lety byl tento patent převzat a zdokonalen technikou mnoha světových firem např. firma STÖBER ANTRIEBSTECHNIK, v dnešní době tato firma patří k předním výrobcům převodovek a také po celém Německu. Tato firma má zastoupení i v České republice ve společností REM-Technik s.r.o. se sídlem v Brně. Dalšími zástupci planetových převodek, které pracují na stejném principu, ale vždy mají svoji vlastní úpravu a design je čím dál více. Mezi nejznámější patří firma HARMONIC DRIVE, MAXON,OPIS a firma APLHA Getriebe spol s.r.o., která má taky zastoupení v České republice pod názvem CONSENTA spol s.r.o. sídlící v Praze. www.stoeber.de www.harmonic-drive.com www.maxonmotor.com Obr.1 Loga firem [5], [6], [7], [8] Tyto převodovky jsou v dnešní době čím dál více používané, jsou sice podstatně dražší oproti ostatním převodovým mechanismům, ale svým využitím i docílením vysokého převodového poměru jsou stále více používané. Princip tohoto planetového převodu je využíván u pohonů robotů a jejich samostatné ovladatelnosti a pohyblivosti ústrojí. www.opis.cz. Obr. 2 Planetový převod (pastorek-centrální kolo + 3 planetová kola)
Str. 13 2 DRUHY OZUBENÍ 2.1 Základní pojmy Při konstrukci technických zařízení je častým úkolem přenos otáčivého pohybu a krotícího momentu z jednoho místa na druhé. Přitom může být také požadovaná změna úhlové rychlosti. Funkčním prvkem ozubených převodů je ozubení. Pohyb se přenáší tím způsobem, že zuby jednoho ozubeného kola zapadají do mezer kola druhého. Tak je dosaženo jednoznačného přenosu sil bez možnosti vzájemného prokluzu kol, který může nastat například u převodů třecích nebo řemenových. 2.1.1 Druhy ozubených soukolí Podle vzájemných poloh os, mezi kterými jsou pohyb a kroutící moment přenášeny, může být soukolí označováno jako(tab. 1): - čelní, určené pro přenos pohybu mezi rovnoběžnými osami - kuželové, určené pro přenos pohybu mezi různoběžnými osami - šroubové, šnekové, hypoidní, spiroidní a další, určené pro přenos pohybu mezi mimoběžnými osami. Tab. 1 Základní druhy ozubení [3] Soukolí válcová se zuby přímými šikmými Kuželová Šneková Rovnoběžné osy Různoběžné osy Mimoběžné osy 2.2 Kinematika geometrie ozubení Tvar zubů a mezer musí splňovat podmínky stálého převodového poměru. To znamená splnění požadavku, aby při konstantní úhlové rychlosti hnacího kola byly konstantní také úhlové rychlosti kola hnaného. Změna úhlové rychlosti totiž vnáší do záběru přídavná namáhání. Převodový poměr soukolí: ϖ 1 u 1,2 = ϖ 2 kde: ω 1 [rad s -1 ] - úhlová rychlost pastorku ω 2 [rad s -1 ] - úhlová rychlost kola
Str. 14 Dané podmínce vyhovuje pouze ozubení, jehož funkční plochy mají profil ve tvaru cykloidy nebo evolventy. 2.2.1 Evolventní ozubení Evolventa vzniká jako křivka, kterou opisuje bod tzv. tvořící přímky při jejím valení po tzv. základní kružnici. Její konstrukce je naznačena na (Obr. 3). Evolventa dobře splňuje požadavky na konstantní převodový poměr, toto ozubení není citlivé vůči výrobním úchylkám, je relativně jednoduché na výrobu a má nízké ztráty třením. Evolventní ozubení je ve strojírenství nejrozšířenějším typem ozubení především díky snadné výrobě a dobré normalizaci nástrojů pro jeho výrobu. Základní rozměry ozubení: Obr. 3 Konstrukce evolventy Obr. 4 Základní rozměrové parametry evolventního ozubení d a hlavová kružnice, d b základní kružnice, d f patní kružnice, d roztečná kružnice, h a výška hlavy zubu, h f výška paty zubu, C hlavová vůle, S a šířka hlavy zubu, S t šířka rozteče zubu
Str. 15 3 PRINCIP ČINNOSTI PLANETOVÝCH PŘEVODOVEK 3.1 Základní součásti zjednodušený model Planetová soukolí jsou tvořena soustavou ozubených kol a unášečem. Takzvaná centrální ozubená kola jsou souosá s unášečem a centrální osou převodového mechanismu. Satelity jsou pak ozubená kola otočně uložená na unášeči a jsou v záběru s centrálními koly(mezi sebou). Satelity mohou mít jedno, dvě nebo více ozubení. Dvou a vícestupňové satelity mají více konstrukčních variant s většími možnostmi, jsou však složitější a výrobně dražší. Příklad jednoduchého planetového převodu s jednostupňovým ozubením je uveden na (Obr.5). Popis k Obr. 5: 0 - Centrální kolo 1 - Unašeč 2 - Korunové kolo 3 - Satelit Obr. 5 Jednoduchý model planetového převodu (diferenciální) Jestliže jsou u jednoduchého planetového převodu volné všechny tři základní členy(0, 1, 2), jedná se o diferenciál(2 stupně volnosti), který umožňuje skládat nebo rozkládat pohyby do jednoho. Toho se využívá například u obráběcích strojů(skládaní) nebo u automobilového diferenciálu(rozkládání pohybu). Jeli spojen s rámem jeden ze základních členů(0 nebo 2) vzniká planetový převod (1 stupeň volnosti) a to reduktor při pohonu směrem od centrálního kola nebo multiplikátor při pohonu směrem od unášeče. Pokud je s rámem spojen unášeč jedná se o normální převodovku neboli porovnávající převod. Planetové převody je možné vzájemně řadit nejrůznějšími způsoby. Nejčastějším způsob je řazení za sebou, kdy je celkový převodový poměr(účinnost) dán součinem dílčích převodových poměrů(účinností). U skládaných převodů je často používaná možnost brždění jednotlivých členů a tím řazení převodových stupňů.
Str. 16 3.2 Princip činnosti Všechna kola jsou ve stálém záběru a stále se otáčí, čímž přes satelity přenáší kroutící moment z centrálního kola na kolo korunové nebo naopak (záleží na tom na které kolo kroutící moment vstupuje a z kterého jej odebíráme). Rychlostní stupně se řadí zabrzděním nebo odbrzděním některé části převodovky. Převod do pomala: Pokud kroutící moment přivádíme na centrální kolo tak dochází k zabrzdění korunového kola. Dále se pak budou satelity odvalovat po vnitřním ozubení stojícího korunového kola a kroutící moment se odebírá z unášeče satelitů. Přímý záběr: Všechna kola musí být v záběru. Satelity se neodvalují ale fungují jako spojky mezi centrálním a korunovým kolem. Zpětný chod: Zpětného chodu se docílí zabrzděním unášeče satelitů a přivedením kroutícího momentu na centrální kolo. Satelity mění smysl otáčení a korunové kolo se otáčí opačně než kolo centrální. 3.3 Výhody a nevýhody planetového převodu Výhody: - Úspora místa souosým uspořádáním hnacího a hnaného hřídele - Nižší hmotnost proti normální převodovce - Vysoká účinnost i při velkých přenášených výkonech - Nízké radiální zatížení ložisek centrálních členů - Kompaktní konstrukce - Jednodušší řazení díky kolům ve stálém záběru - Větší životnost než kola v klasické převodovce Nevýhody: - Složitější konstrukce, vyšší požadavky na přesnost výroby a montáže - Vyšší výrobní náklady - Některé omezující podmínky (smontovatelnost) 3.4 Planetová převodovka s vysokým převodovým poměrem Tato převodovka je charakteristická tím, že lze dosáhnout vysokého převodového poměru pomocí stejného počtu zubů z 3, z 4 a u kol z 1, z 5 se počet zubů nepatrně liší. Aby se dosáhlo stejných roztečných průměru kol 1 a 5, tak se tyto ozubená kola korigují. Další změny převodu dosáhneme volbami různých počtů zubů z 3 a z 4 (např. z 1 =102, z 3 =49, z 4 = 50, z 5 =100), získáme diferenciální převodový systém s převode 1:2500(Tab.2).Kinematické schéma tohoto převodu schématicky naznačeno na (Obr. 6).
Str. 17 Obr. 6 Kinematické schéma planetové převodovky s vysokým převodovým poměrem Vztah pro výpočet uhlové rychlosti korunových kol: ω 51 =ω 21 [1-(z 1* z 3/ z 4* z 5 )] Tab. 2 Základní technické parametry Tento navržený systém, který byl vyvinut před několika lety už v té době úspěšně nahradil harmonickou převodovku a to tím, že unášeč který je rotačně symetrický nahrazuje deformační člen harmonické převodovky, protože v té době byl jak finančně tak i výrobně a materiálově náročný. Řez převodovkou a její samotný popis je ukázán na (Obr.7).
Str. 18 Obr. 7 Planetová převodovka s vysokým převodovým poměrem Popis Obr. 7: 1 - převodová skříň ; 2 výstupní hřídel ; 3 - dvojitá růžice; 4,5 ramena; 6,7 otočná ozubená satelitní kola; 8,9 čep zajištující osu satelitnímu kolu; 10 pevný ozubený věnec; 11 otočný ozubený věnec; 12 vstupní hřídel. 3.5 Planetová převodovka K 2350 3.4 ČVUT Praha Tato planetová převodovka dokáže velmi úspěšně řešit požadavky na snížení počtu otáček. K dosažení převodového poměru nám slouží dva ozubené záběry z 1 -z 3, z 3-z 2 a tím je dosažena minimální celkové vůle. Počet zubů z 3, z 3 satelitu 3 jsou voleny co nejblíže k spoluzabírajícím korunovým kolům z 1, z 2 kvůli maximálnímu koeficientu trvání záběru. Protizávaží 5 nám slouží k dynamickému vyvážení, které je pevně spojeno s excentrem 4(Obr.8). [2] Obr. 8 Schéma planetové převodovky K 2350 [2]
Str. 19 Výpočet převodového poměru: Výpočet uložení satelitu:, Obměnou počtu zubů v malém rozmezí je možno dosáhnout celé řady převodových poměrů Tato převodovka výrazně snižuje moment setrvačnosti a přináší nový způsob dynamického vyvážení satelitu, vyvinutý na K 2350 ČVUT (Obr.9). Obr. 9 Řez planetovou převodovkou K 2350 ČVUT [2] Popis k Obr. 9: 1 Pevný ozubený věnec, 2 výstupní korunové kolo, 3 satelit, 4 excentr, 5 protizávaží, 6 volně otočný kotouč Hmota protizávaží je tvořena dvěma volně otočnými kotouči 6, valivě uloženými na excentrech 5 s opačnou excentritou než satelit 3. Momentu setrvačnosti kotoučů odpadá složka příslušející rotaci okolo jejich osy, neboť kotouče se volně protáčejí a zatěžují motor jen pasivními odpory svého uložení. [2]
Str. 20 4 PŘEVODOVKY FIRMY HARMONIC DRIVE 4.1 Planetové převodovky HARMONIC DRIVE řady HPG Nová řada HPG série planetových převodovek byla vyvinuta na přesnost a kompaktnost spojená s Harmonic Drive zařízením pro snížení převodového poměru 45:1 a níže. Tato nová série je vyráběna na vysoké úrovni kvality jako ostatní Harmonic Drive převodovky. Inovační flexibilní kroužek zařízení udržuje vůli ozubení pod 1 arcmin v průběhu celé hodnocené provozní životnosti zařízení. Integrované křížové válečkové ložisko podporuje těžká břemena na výstupní straně, aniž by bylo zapotřebí druhého ložiska a pomáhá dosáhnout jedinečnou kombinaci kompaktních rozměrů s nízkou hmotností (Obr. 10). 4.2 Popis produktu HPG převodovky Obr. 10 Reálný model převodovky HPG [5] Vyjímečným rysem nové řady HPG přesných planetových převodovek je extrémně nízká vůle ozubení, která zůstává konstantní po celou dobu provozní životnosti zařízení. Tato jedinečná vlastnost je uskutečněna pružným kroužkem tohoto zařízení. Pomocí pružného kroužku planetová převodovka dosáhne vůli v ozubení menší než 3 arcmin. U běžných planetových převodovek dochází ke zvlnění kroutícího momentu, zhoršení hluku a dochází také k opotřebení. Aby se předešlo tomuto problému nová řada HPG převodovek má flexibilní vnitřní ozubený kroužek, který tyto problémy vyřešil. Tato technologie vyplívá z dlouholetých zkušeností firmy Harmonic Drive. Pružný kroužek převodovky zajišťuje,že vůle v ozubení je minimální a všechny planety převodovky sdílejí stejnou zátěž. Řez převodovkou je naznačen na (Obr. 11).
Str. 21 1 2 3 4 Obr. 11 Řez převodovkou HPG + popis činnosti jednotlivých částí (komponenty systému) [5] Vstupní spojovací článek Planetový prsten (kroužek) Jeden kus: Vnitřní kruhový váleček, ložisko, nosič druhého převodového stupně a Vstupní příruba. Seznam položek k Obr.11 : 1 - Vnitřní kruh složený z kříže, válcového ložiska a gufera (těsnící kroužek) 2 - Vysoká účinnost - V důsledku toho, že zub má optimalizovaný profil lze dosáhnout účinnosti více než 90%. 3 - Vysoká okamžitá tuhost - velmi kompaktní tuhý kříž, výstupní válečkové ložisko zajišťuje vysokou tuhost a vynikající toleranci na výstupu příruby. 4 - Snadná montáž motoru - Podpora motorových hřídelí a proměnné spojovací adaptérové příruby zaručují extrémně rychlou a snadnou montáž motoru. 4.3 Princip činnosti Harmonic Drive HPG Pro dvoustupňové HPG převodovky je čelní kolo v prvním stupni soukolí připojeno k motorové hřídeli. Vstupní kroutící moment od motoru je přenášen na tři rovnoměrně rozmístěná planetová kola a jejich náležitý oběh kolem čelního kola nosiče (hnacího kola). Kroužek převodovky je pro společný pro oba převodové stupně. Dopravce pro první stupeň je spojen s plně plovoucím čelním kolem a planetovým kolem ve druhém
Str. 22 převodovém stupni. Dopravce ve druhém převodovém stupni, který funguje jako výstupní prvek je integrován s přírubou a na vnitřní straně kruhu (výstupu) je křížové válečkové ložisko. Směr otáčení vstupního hřídele a výstupní příruby (hřídele) jsou stejné (Obr. 12). 4.4 Mazání Obr. 12 Schéma - princip planetového převodu HPG [5] HPG planetové převodovky jsou dodávány s naplní mazacího tuku. Mazaní je nezbytnou operací a do převodovky je dodáváno buď při montáži nebo v průběhu operace( za provozu). - aplikovaná maziva: SK-2 mazivo (velikost 14, 20, 32) - Epnoc mazivo AP(N)2 (velikost 11, 50, 65) - Výstupní ložisko musí být také mazáno pro jeho životnost - mazivo Multitemp HLD - Teplota prostředí je v rozmezí -10 C až do +40 C, maximální provozní teplota + 80 C (Obr.13) Obr. 13 Analýza: stanovené napětí pro kroužek převodovky [5]
Str. 23 4.5 Zhodnocení harmonické planetové převodovky řady HPG - nejmenší precizní planetové převodovky na světě. - vyvinuty pro přesné servo aplikace u kompaktních strojů (použití: lékařská technika, optika, přístrojové vybavení, polovodiče). - dlouhotrvající přesnost - vysoké vstupní rychlosti - možnost instalace pružného motoru Parametry Harmonické planetové převodovky HPG: - jsou k dispozici v 6 velikostech (11, 14, 20, 32, 50, 65) - převodový poměr mezi 3:1 až 45:1 (např.:3:1, 11:1, 21:1, 33:1,.) - kroutící moment: od 4 do 2200 Nm - vůle ozubení: Λφ2 1 arcmin - hmotnost: od 0,3 do 47 kg (podle velikosti, např.: velikost 11-0,3kg; velikost 20-2,1kg;.. - redukce: od 3 do 45 Nm
Str. 24 5 PŘEVODOVKY FIRMY MAXON MOTOR Pokud je mechanická energie požadovaná na vysokou kroutící sílu a odpovídající redukovanou rychlost (přesnost) vybavení je firma maxon doporučovaná. V souladu s převodovým poměrem rychlostí výstupu se sníží výstupní rychlost, zatímco výstupní moment je posílen. 5.1 Planetová převodovka Maxon řady GP Tyto planetové převodovky obsahují několik planetových stupňů řazených podél osy převodovky. Ozubená kola koncových stupňů jsou širší, takže převodovka s větším počtem stupňů má na výstupu vyšší přípustný kroutící moment. V každém stupni jsou v záběru 3 planetová kola a kroutící moment planetové převodovky proto několikanásobně převyšuje momenty přenášené převodovkami s předlohou. Tuhá náplň je trvalá. Reálný model převodovky GP je na (Obr.14) Obr. 14 Reálný pohled na planetovou převodovku Maxon GP [6] Planetová kola jsou vhodná obzvláště pro přenos vysokých kroutících momentů. Velká soukolí jsou obvykle vybavena kuličkovými ložisky na výstupu soukolí. Parametry planetové převodovky Maxon GP: - kroutící moment až do 180Nm - převodový poměr od 4:1 do 6285:1 - vnější rozměry od ø 6 až 81mm - vysoký výkon v malém prostoru
Str. 25 Přeměna rychlosti a točivého momentu na výstupním zařízení (n B, M B ) pro motorové hřídele (n mot, M mot ) vyplívá z následující rovnice: n mot = i*n B M mot = M B /i*η G i: snížení η G : převodová účinnost Obr.15 Popis jednotlivých částí převodovky Maxon GP [6] Popis k Obr.15: 1 výstupní hřídel, 2 montážní příruba, 3 ložisko na vstupním hřídeli, 4 axiální zabezpečení, 5 přechodová deska, 6 motor, 7 pastorek, 8 planetové kolo, 9 centrální kolo, 10 nosič planety, 11 vnitřní kolo (kroužek) 5.2 Spolehlivost a životnost Zařízení obvykle dosahuje 1000 až 3000 provozních hodin v nepřetržitém provozu na maximální přípustné zatížení a doporučené vstupní rychlosti. Životnost je výrazně prodloužena, pokud tyto hranice nejsou překročeny. Převodovky mají následující vliv na: - překročení max. točivého momentu může vést k nadměrnému opotřebení - místní teplotní vrcholy v oblasti zubního kontaktu můžou zničit mazivo - masivní přesahující vstupní rychlosti zařízení snižují životnost - radiální a axiální zatížení na ložisko 5.2.1 Redukce Redukci udává poměr snížení, u kterého je rychlost daného výstupního hřídele menší než motorová rychlost.
Str. 26 5.2.2 Maximální kontinuální moment Kontinuální moment poskytuje maximální zatížení trvale používané na výstupní hřídeli. Pokud je překročen, životnost je výrazně zkrácena. Je to způsobené krakováním maziva při vysokých teplotách až může dojít ke zničení převodovky. 5.2.3. Účinnost Žádaná účinnost je maximální hodnota, která platí pro maximální trvalý moment. Účinnost je výrazně snížena velmi malou zátěží( viz. obr.16,17). Je závislá na fázi, ale není dotčena motorovou rychlostí. Obr.16 Převodová účinnost jako funkce momentu (schématicky) [6] Obr.17 Měření vůle v ozubení [6]
Str. 27 5.3 Materiály planetových kol převodovky GP 5.3.1 Keramika vs. ocel Keramické komponenty jsou stále více používané u planetových převodovek, protože mohou výrazně zlepšit vlastnosti kritických opotřebení. Jaký to má následek: - delší životnost - vyšší nepřetržité kroutící momenty - vyšší střídavé kroutící momenty - vyšší vstupní rychlosti Keramika vyřešila opotřebení v kritickém místě konvenčních planetových převodovek mazaným plastovým trvanlivým mazivem. Nevýhodou ocelových os je, že během určitých odpracovaných pracovních hodin dochází k značnému opotřebení. Na rozdíl u os keramických nedochází k žádnému výraznému opotřebení během celé doby životnosti (obr.18). Obr.18 Srovnání točivého momentu u planetového soukolí (keramika vs. ocel) [6] 5.3.2 Plast Obr.19 Reálný pohled na keramické a ocelové ozubení planety [6] Cenově výhodné a přesto může být kompaktní pohon realizovaný s plastovými koly. Mechanické zatížení je poněkud menší než u kovových, ale stále výrazně vyšší než u čelních převodovek.
Str. 28 6 PŘEVODOVKY FIRMY STÖBER ANTRIEBSTECHNIK 6.1 Planetové převodovky ServoFit Výrobní program společnosti Stöber je rozdělen do několika skupin podle způsobu použití. Jde o planetové převodovky ServoFit, úhlové planetové převodovky, MGS převodovky a jejich vzájemná kombinace. Planetové převodovky Stöber se díky svým technickým výhodám jako jsou malé setrvačnosti, malé zástavbové rozměry a vysoká účinnost stále častěji uplatňují při konstrukci nových strojů, a to přes vyšší cenu oproti klasickým převodovkám. Díky převratnému způsobu uložení převodů mezi dvěma ložisky vynikají planetové převodovky Stöber vysokou tuhostí až desetinásobnou životností a nižší třecí silou (menší zahřívání) oproti klasickým planetovým převodovkám. ServoFit planetové převodovky přicházejí ve čtyřech řadách P, PA, PH, PHA. Používají se v kombinaci s různými možnostmi jako je např. montáž motorových adaptérů vstupních sestav s možností úhlové kompenzace různých řídících kombinací. Řez převodovkou ServoFit je znázorněn a popsán na (Obr. 20). Obr. 20 Řez převodovkou ServoFit a popis jednotlivých částí [7] Popis k Obr. 20: 1 vstupní hřídel(příruba); 2 planetové kolo(satelit); 3 zařízení nesoucí planetové soukolí; 4 IP65(ochranný kroužek); 5 výstupní hřídel; 6,7 převodová skříň; 8 NBR dvojité radiální olejové ložisko; 9 hřídelové ložisko
Str. 29 6.1.1 Převodovka ServoFit řady P + PA Řada P: Jsou vybaveny šikmým ozubením, které poskytuje plynulost jízdy řadící jednotky a protireakcí (odporem) stability. Jsou mimořádné svojí vysokou účinností. Třecí momenty vystupující z rychlého chodu vstupního hřídele jsou sníženy na minimum. ServoFit umožňuje nepřetržitý provoz za vysokých rychlostí bez menších problémů(obr. 21). Tato řada je k dispozici v 7 velikostech (PA2 PA9). Obr.21 Planetová převodovka ServoFit řady P + PA [7] Převodový poměr: 3:1 až 651:1 Kroutící moment: od 22 do 3000[Nm] Vůle ozubení: Λφ2 3 8,5 arcmin Řada PA: PA řada má optimální vlastnosti servo pohonu bez ztráty účinnosti. Vůlí ložiska na volném vstupu a výstupu se tuhost zvýšila. Svorkové spoje s tepelnou délkou kompenzace byli upraveny tak, aby se vysoká tuhost této převodovky mohla rozměrově vyrovnat změně na servo motoru. Tato řada je k dispozici v 5 velikostech (PA3 PA8). Převodový poměr: 3:1 až 100:1 Kroutící moment: od 65 do 1600[Nm] Vůle ozubení: Λφ2 1-3 arcmin 6.1.2 Převodovka ServoFit řady PKX U této převodovky je možnost planetové soukolí kombinovat s jednotkou uhlového zařízení KX. Tato kombinace umožňuje velmi kompaktní úhlové planetové soukolí(obr. 22). Tato řada je k dispozici v 7 velikostech (PKX2- PKX9).
Str. 30 Převodový poměr: 3:1 až 300:1 Kroutící moment: od 22 do 3000[Nm] Vůle ozubení: Λφ2 3-8,5 arcmin 6.1.3 Převodovka ServoFit řady PK Obr. 22 Planetová převodovka ServoFit PKX [7] Planetové převodové jednotky lze kombinovat s omezenou vůlí ozubení šroubovitého kuželového ozubení jednotky ze série K s MGS třídy. Tyto převodové jednotky mají vstupní konstrukci s leštěným šikmým ozubením, které umožňuje velmi tichý chod. Spirálová leštěná kuželová kola zajišťují extrémně nízké vůle ozubení(obr. 23). Tato řada je k dispozici ve velikosti PK5. Obr. 23 Planetová převodovka ServoFit řady PK [7]
Str. 31 Převodový poměr: 3:1 až 561:1 Kroutící moment: od 22 do 3000[Nm] Vůle ozubení: Λφ2 3,5-5 arcmin 6.1.4 Převodovka ServoFit řady PH Planetové převodovky řady PH nabízejí vyšší torzní tuhost, naklápění a delší životnost výstupního ložiska. Pro stávající planetové soukolí bylo použito šroubovitého ozubeného kola (PH3 PH8). Výstupní hřídel je navržen jako příruba dle ISO 9409 (PH3 PH8). Přenos hřídelového vedení je umožněn pastorkem a ozubeným řemenem kladky. PH převodové jednotky jsou vhodné zejména pro pohon řešený s nejnáročnějšími požadavky na torzní tuhost, naklápění, hladký průběh, přesnost provozu a provozní spolehlivost. Převodové jednotky jsou dodávány jako smontované nebo motorové jednotky montované pomocí nulové vůle ozubení spoje(obr.24). Tato řada je k dispozici v 5 velikostech (PH3 PH8). Obr.24 Planetová převodovka ServoFit řady PH [7] Převodový poměr: 4:1 až 561:1 Kroutící moment: od 65 do 7500[Nm] Vůle ozubení: Λφ2 3 arcmin (PH3 4 arcmin) 6.1.5 Převodovka ServoFit řady PHA (PHKX, PHK) PHA série je založena na PH sérii s nízkou vůlí v ozubení a mají optimální vlastnosti servo bez ztráty účinnosti. Vzhledem k vůli ozubení na volném vstupu a výstupu převodovky se tuhost v prvním bodě z nuly zvýšila. Svorkový spoj s tepelnou délkou kompenzace byl upraven tak, aby se vysoká tuhost této převodovky a servo motory vyrovnaly rozměrovým změnám(obr.25). Převodovka ServoFit řady PHA a PHKX je k dispozici v 7 velikostech (PHA3 PHA10, PHKX3 PHKX10) a řady PHK je pouze ve velikosti PHK5. Převodovka řady PHA má stejný design jako řady PH.
Str. 32 ServoFit řady PHKX SerfoFit řady PHK Obr.25 Planetová převodovka ServoFit řady PHK, PHKX [7] Převodový poměr: 4:1 až 121:1 Kroutící moment: od 65 do 7500[Nm] Vůle ozubení: Λφ2 1 arcmin pro PHA4 a 2 arcmin pro PHA3 6.2 Nová série Planetových převodovek ServoFit řady PHQ/PHQA Základ nové konstrukce tvoří 4planetový systém s šikmým ozubením(obr. 26). Rozdělení momentu na 4 planety vede ke zvýšení maximálního točivého momentu, bezpečnosti a vyšší životnosti. Malé vůle při zátěži a snížení vibrací jsou výhody, které jsou dosaženy extrémní tuhosti převodovky. Kombinace známé preciznosti chodu a zvýšení momentu při stejných rozměrech umožňuje při vícestupňovém provedení rozběhový moment až 10 000Nm. Obr. 26 ServoFit řady PHQ, PHQA [7] Obr. 27 Řez převodovkou PHQ, PHQA [7]
Str. 33 Vlastnosti převodovek ServoFit řady PHQ, PHQA: - vysoký výkon díky šikmému ozubení - rozdíl mezi oběma řadami je v preciznosti. Provedení PHQ dosahuje vůle v ozubení <3 arcmin, PHQA provedení < 1 arcmin. - zvýšení momentu o 35% znamená více bezpečnosti a vyšší životnost - zvýšení tuhosti o 80% zaručuje malé vůle při zátěži a snížení stroje - nižší váha je zvláště důležitá u pohonů na pohyblivých částech stroje - jednorázové mazání pro celou dobu životnosti zajišťuje vysokou bezpečnost pohonu. - převodový poměr pro 2-stupňový převod 22:1 až 60:1 a 3-stupňový převod 88:1 až 600:1 - Akcelerační moment od 950 do 10 000 Nm a jmenovitý moment od 580 do 6000 Nm Tyto převodovky jsou k dispozici ve 4 velikostech (PHQ(A)7-PHQ(A)10) ve 2- a 3- stupňovém provedení s převodovým poměrem od 18 do 600. Při použití máte možnost volby: - vyšší tuhost a vyšší rozběhový moment při stejných rozměrech nebo stejný moment a tuhost při menších rozměrech a váze. - Nízká váha bez ztráty momentu dává nové impulzy při použití na pohyblivých částech stroje. 6.3 Montáž motorového systému ServoFit Servo pohony jsou namontované na koaxiální konstrukci planetové převodovky pomocí nulové vůle v ozubení svorkovým spojem. Je-li hřídel motoru dodávána s klíčem, klíč se odstraní a převodová jednotka je připojena na motor(v ose hřídele převodovky). Motor je na převodovku připojen a zajištěn pomocí příruby na vstupním hřídeli. 6.4 Mazání, těsnění a údržba Stöber převodové jednotky se dodávají s vysoce kvalitním mazáním radiálního těsnění a jsou testovány na těsnost maziva podle výrobce. Protože radiální hřídelové těsnící kroužky jsou díly, které podléhají opotřebení nelze vyloučit, že nebude docházet k úniku po celou dobu životnosti převodovky. Proto je olej neslučitelné zboží pro provoz.
Str. 34 7 PŘEVODOVKY FIRMY OPIS ENGINEERING K.S. 7.1 Planetové převodovky Tecnoingranaggi Planetové převodovky firmy Tecnoingranaggi jsou založeny na velmi malých vůlích v ozubení. Proto jsou nazývané planetové převodovky s malou vůli, což je taky docíleno velmi malým provedením a designem. Kroutící moment se u těchto převodovek pohybuje v rozmezí od 28 až do 360 Nm, s toho taky vyplívá převodový poměr, který se pohybuje od 3 do 100. Na trhu jsou k dostání ve 3 sériích (LC, MR, TR), tyto je jednotlivé série se liší jak designem, tak i hlavně vůlí v ozubení(níže jsou jednotlivé série popsány a také daný rozdíl vůlí v ozubení). Tyto převodovky jsou velmi používané v dnešním průmyslu pro malé pohony a menší výrobní ústrojí, to je docíleno obzvláště jejich miniaturním provedením, které je úměrné jejich velmi dostupné ceně. Aby nedocházelo k házení na výstupním hřídeli je převodovka vybavena dvěmi kuličkovými ložisky, které velmi dobře tlumí rázy. Řez převodovkou Tecnoingranaggi je naznačen na (Obr. 28). Obr. 28 Řez převodovkou Tecnoingranaggi [8] 7.1.1 Převodovky Tecnoingranaggi řady LC Převodovky řady LC jsou k dispozici buď se standardní nebo sníženou vůlí. Používají kuličková ložiska, která jsou vhodná po životnost do 20 000 hod. za normálních pracovních podmínek. Pro tento model se používá syntetické mazivo o viskozitě ISO VG 22O vhodné pro provoz v jakékoliv poloze při pokojové teplotě od 0 do 40 C. Tyto převodovky mají velmi nízkou vůli (téměř žádný mrtvý chod), plynulý chod motoru a snadnou montáž motoru(obr. 29).
Str. 35 Obr. 29 Planetová čelní převodovka řady LC [8] Vlastnosti převodovek řady LC: - standardní vůle 12 až 15 - redukovaná vůle 6 až 8 - jmenovitý kroutící moment 10 až 110 Nm - max. kroutící moment při zrychlení 16 až 160 Nm - kroutící moment při nouzovém STOP zastavení 28 až 360 Nm - převodový stupeň 3:1 až 100:1 Tyto planetové převodovky jsou k dispozici ve 4 velikostech(lc 050(070,090) LC 120) 7.1.2 Převodovky Tecnoingranaggi řady MP Planetové převodovky řady MP mají stejné vlastnosti jako řada LC, jen se liší dosažitelným kroutícím momentem a vůlí v ozubení. Řada MP je k dispozici ve 4 provedeních a to: MP-čelní převodovka, MP...IS-oboustranné hřídele, MP Gpravoúhlá převodovka, MP MB-kuželočelní s dutou výstupní hřídelí a stahovacím diskem.(obr. 30a,b,c,d). Obr. 30b Převodovka s oboustrannými hřídeli Obr. 30a Čelní planetová převodovka(mp,tr) [8] (MP IS, TR IS) [8]
Str. 36 Obr. 30c Pravoúhlá převodovka(mp G,TR G) [8] Obr. 30d Kuželočelní s dutou výstupní hřídelí a stahovacím diskem(mp MB,TR MB) [8] Vlastnosti převodovek řady MP: - standardní vůle: 1 stupňová 15, 2 stupňová 15, 3 stupňová 17 - redukovaná vůle: 1 stupňová 10, 2 stupňová 10, 3 stupňová 12 - jmenovitý kroutící moment 20 až 1000 Nm - max. kroutící moment(akcelerace) 30 až 1200 Nm - kroutící moment: 1 stupeň 3:1 i 10:1; 2 stupeň 9:1 i 100:1; 3 stupeň 48:1 i 1000 7.1.3 Převodovky Tecnoingranaggi řady TR Tato řada se od řady MR výrazně neliší, jsou také k dispozici ve 4 provedeních a to: TR-čelní převodovka, TR...IS-oboustranné hřídele, TR G-pravoúhlá převodovka, TR MB-kuželočelní s dutou výstupní hřídelí a stahovacím diskem.(obr. 30a,b,c,d). Liší se pouze extrémně sníženou vůlí, která umožňuje tichý chod a spolu se servomotorem tvoří špičkovou spolehlivou jednotku. Vlastnosti převodovek řady TR: - standardní vůle: 1 stupňová 5, 2 stupňová 5, 3 stupňová 7 - redukovaná vůle: 1 stupňová 3, 2 stupňová 3, 3 stupňová 5 - jmenovitý kroutící moment 20 až 1000 Nm - max. kroutící moment(akcelerace) 30 až 1200 Nm - kroutící moment: 1 stupeň 3:1 i 10:1; 2 stupeň 9:1 i 100:1; 3 stupeň 48:1 i 1000
Str. 37 ZÁVĚR Tyto převody jsou již v delší dobu používané v nejrůznějších strojírenských aplikacích a to hlavně díky jejich přijatelné pořizovací ceně. Z velké částí jsou používané u zařízení, kde je potřeba dosáhnout vysokých převodových poměrů při velmi přesné kinematice pohybu(robotizace). Nástupcem těchto převodů, jsou převody cykloidní, které dosahují podstatně vyšších převodových poměrů, ale jejich menší použivatelnost má za následek jejich stále vysoká pořizovací cena. Planetové převody jsou proto v dnešní době jedny z nejpoužívanějších. Úvodní část se zabývá historií planetových převodů, rozborem kinematické geometrie a obecným návrhem evolventního ozubení. V druhé části je objasněn samotný princip činnosti planetových převodů s podrobným rozborem jednotlivých částí(také rozbor planetové převodovky s vysokým převodovým poměrem a převodovky K 2350 3.4 ČVUT Praha). Dále je pak vytvořen přehled vybraných firem(rozbor výroby převodovek) využívající tento typ převodu.
Str. 38 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ(LITERATURY) [1] DONNER, D., SEIREG, A. The Kinematic geometry of gearing. A Wiley- Interscience publication, 1995. ISBN 0-471-04597-7 [2] CHVÁLA, D., MATIČKA, R., TALÁCKO, J., Průmyslové roboty a manipulátory. Praha: Nakladatelství technické literatury SNTL, 1990 [3] ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FSI VUT v Brně [online]. Poslední revize 2009 [cit. 2009-03-25] prezentace k výuce URL: <http://www.uk.fme.vutbr.cz /> [4] ÚSTAV MATEMATIKY FSI VUT v Brně online skripta URL: <http://mathonline.fme.vutbr.cz/> [5] HARMONIC DRIVE AG [online]. Poslední revize 2009 [cit. 2009-04-14] katalogy URL: <http://www.harmonic-drive.com/> [6] MAXON MOTOR spol. s.r.o. [online]. Poslední revize 2009 [cit. 2009-04-17] katalogy URL: <http://www.maxonmotor.com/> [7] STÖBER ANTRIEBSTECHNIK GmbH + Co. KG [online]. Poslední revize 2009 [cit. 2009-04-18] katalogy URL: <http://www.stoeber.de/> [8] OPIS ENGINEERING K.S. [online]. Poslední revize 2009 [cit. 2009-04-29] katalogy URL: <http://www.opis.cz/> [9] WITTENSTEIN Alpha spol. s.r.o. [online]. Posledni revize 2008 katalogy URL: <http://www.wittenstein-alpha.de/>
Str. 39 Seznam obrázků: Obr. 1 Loga firem [5], [6], [7], [8]... 12 Obr. 2 Planetový převod (pastorek-centrální kolo + 3 planetová kola). 12 Obr. 3 Konstrukce evolventy.. 14 Obr. 4 Základní rozměrové parametry evolventního ozubení... 14 Obr. 5 Jednoduchý model planetového převodu (diferenciální)... 15 Obr. 6 Kinematické schéma planetové převodovky s vysokým převodovým poměrem... 17 Obr. 7 Planetová převodovka s vysokým převodovým poměrem.. 18 Obr. 8 Schéma planetové převodovky K 2350... 18 Obr. 9 Řez planetovou převodovkou K 2350 ČVUT [2]... 19 Obr. 10 Reálný model převodovky HPG [5].. 20 Obr. 11 Řez převodovkou HPG + popis činnosti jednotlivých částí (komponenty systému) [5]... 21 Obr. 12 Schéma - princip planetového převodu HPG [5]... 22 Obr. 13 Analýza: stanovené napětí pro kroužek převodovky [5].. 23 Obr. 14 Reálný pohled na planetovou převodovku Maxon GP [6]... 24 Obr. 15 Popis jednotlivých částí převodovky Maxon GP [6] 25 Obr. 16 Převodová účinnost jako funkce momentu (schématicky) [6]. 26 Obr. 17 Měření vůle v ozubení [6]. 26 Obr. 18 Srovnání točivého momentu u planetového soukolí (keramika vs. ocel) [6].. 27 Obr. 19 Reálný pohled na keramické a ocelové ozubení planety [6] 27 Obr. 20 Řez převodovkou ServoFit a popis jednotlivých částí [7] 28 Obr. 21 Planetová převodovka ServoFit řady P + PA [7]. 29 Obr. 22 Planetová převodovka ServoFit PKX [7]. 30 Obr. 23 Planetová převodovka ServoFit řady PK [7] 30 Obr. 24 Planetová převodovka ServoFit řady PH [7] 31 Obr. 25 Planetová převodovka ServoFit řady PHK, PHKX [7] 32 Obr. 26 ServoFit řady PHQ, PHQA [7]. 32 Obr. 27 Řez převodovkou PHQ, PHQA [7].. 32 Obr. 28 Řez převodovkou Tecnoingranaggi [8] 34 Obr. 29 Planetová čelní převodovka řady LC [8]. 35 Obr. 30a Čelní planetová převodovka(mp,tr) [8].. 35 Obr. 30b Převodovka s oboustrannými hřídeli(mp IS, TR IS) [8]. 35 Obr. 30c Pravoúhlá převodovka(mp G,TR G) [8]. 36 Obr. 30d Kuželočelní s dutou výstupní hřídelí a stahovacím diskem (MP MB,TR MB) [8] 36 Seznam tabulek: Tab. 1 Základní druhy ozubení [3]... 13 Tab. 2 Základní technické parametry. 17
Str. 40 Seznam příloh: 1. CD obsahující:..kompletní zprávu(formát PDF)