Четири източника на загуба на мощност в задвижване с спирална предавка
Общият коефициент на полезно действие η_total на a спирална предавка задвижването е произведение на ефективността на всички отделни източници на загуби. За едностепенен затворен спирална скоростна кутия, четири независими механизма консумират енергия от спирална предавка карам:
Плъзгащо триене между страничните стени на зъба по време на фазите на приближаване и вдлъбване при зацепване. Това е доминиращата загуба на ефективност в... спирална предавка задвижване, което представлява 50–70% от общата загуба на мощност в скоростната кутия. Загубата в мрежата се мащабира директно с предаваното натоварване (изчезва при нулево натоварване). Типичен принос: 0,5–1,5% предавана мощност на стъпало в мрежата.
Триене на търкалящите се лагери в опорните лагери на вала. За сачмени лагери с дълбок канал: η_bearing ≈ 99,5% на лагер при умерена скорост и натоварване. За цилиндрични ролкови лагери при висока скорост и натоварване: η_bearing ≈ 98,5–99%. Два чифта лагери на вал добавят 0,5–1,5% обща загуба на лагер за типичен едностепенен лагер. спирална предавка единица.
Вискозно разбиване на маслото, докато спирална предавка върти се през маслената баня и аеродинамичното влияние на вятъра при висока скорост. Загуба от разбъркване ∝ n² × ρ_oil × d_gear³ — става доминираща при високи скорости на стъпаловидна линия (>15 m/s) и при препълнени маслени картери. Разбъркването е причина за загуба на мощност от 0,5–3% в скоростни кутии, смазвани чрез пръскане, при висока скорост.
Съпротивление на уплътнението на входящия и изходящия вал. Всяко уплътнение разсейва приблизително 10–30 W при типични диаметри и скорости на вала — пренебрежимо малко за задвижвания с висока мощност (>50 kW), но е от значение за малки спирална предавка агрегати под 5 kW, където загубата на уплътнение може да представлява 1–3% от номиналната мощност.
Ефективност на зацепването на спиралните зъбни колела — формула за загуби при плъзгане
Ефективността на зъбното зацепване на спирална предавка двойката се определя главно от коефициента на триене при плъзгане f в зоната на контакт на зъбите и геометрията на зъбното колело. Подходите за загуба на плъзгане на Бенедикт-Кели и Ниман дават загубата на мощност в мрежата P_VZP като:
η_mesh = 1 − P_VZP / P_предадено
P_VZP = f × F_t × v_s_mean × ε_α
където: f = среден коефициент на триене при плъзгане (вижте таблицата по-долу)
F_t = тангенциална сила в делителната окръжност [N]
v_s_mean = средна скорост на плъзгане при контакт със зъба ≈ π × (1/z₁ + 1/z₂) × F_t/(b × mn) × [mm/s]
ε_α = съотношение на напречен контакт
За практичност спирална предавка При проектирането, опростената формула на Ниман дава ефективността на зацепването като функция на предавателното число u и коефициента на триене f:
η_mesh ≈ 1 − f × π × (1/z₁ + 1/z₂) / cos(α_t) × (1 + 0,25 × ε_β²)⁰·5
Опростено до: η_mesh ≈ 1 − f × π × (u + 1) / (u × z₁ × cos α_t)
| Работно състояние | Коефициент на триене f | Типична η_mesh на етап | Забележки |
|---|---|---|---|
| Наземна предавка, синтетично масло PAO, изцяло EHL филм (λ ≥ 2) | 0,025–0,040 | 99.0–99.5% | Най-доброто постижимо: прецизност спирална предавка, DIN клас 4–5, ISO VG 100–220 PAO при работна температура |
| Наземна предавка, минерално масло, EHL филм (λ = 1,5–2,5) | 0,040–0,060 | 98.5–99.2% | Стандартна индустриална прецизност спирална предавка с минерално масло ISO VG 220 |
| Зъбно колело с фрезована обработка, минерално масло, частично EHL (λ = 1.0–1.5) | 0,060–0,090 | 97.5–98.5% | Зъбно колело с фрезован профил по DIN клас 7–8; по-грапавата повърхност на зъба увеличава граничното триене |
| QT зъбно колело с меки странични повърхности, масло с висок вискозитет, маргинален филм | 0,090–0,120 | 96.5–97.5% | Меко-бокално зъбно колело, HB 280, трансмисионно масло ISO VG 320 — по-високо триене поради контакт с грапавини |
Пълна ефективност на скоростната кутия — комбиниране на всички източници на загуби
Спирална скоростна кутия — четирите източника на загуба на мощност са разположени в зъбното зацепване (доминиращо при високо натоварване), лагерите на вала (пропорционално на натоварването на лагера), масления картер (загубата от разбиване се увеличава със скоростта) и уплътненията на вала (незначителни, освен при много малки нива на мощност). Сумата определя общата ефективност и топлинното натоварване, което трябва да се разсее.
За типичен едноетапен затворен спирална предавка редукторна кутия с два сачмени лагера с дълбок канал на вал и две уплътнения:
η_общо = η_мрежа × η_лагери × η_разбиване × η_уплътнения
Пример: 75 kW, 1500 об/мин вход, M5, земна предавка, минерално масло, нормална скорост
η_mesh = 98.8% (f = 0.055, u = 3.0, z₁ = 24)
η_лагери = 99.0% (4 сачмени лагера с дълбок канал, умерено натоварване)
η_взбиване = 99.5% (v = 5 m/s скорост по линията на тангажа; умерено взбиване)
η_уплътнения = 99,8% (2 × 30 W загуба на уплътнение при 75 kW)
η_общо = 0,988 × 0,990 × 0,995 × 0,998 = 97,2%
P_загуба = 75 kW × (1 − 0,972) = 2,1 kW топлина, генерирана в корпуса на скоростната кутия
Изчисляване на генерирането на топлина и повишаването на температурата на маслото
Топлинното натоварване от 2,1 kW в горния спирална предавка например трябва непрекъснато да се разсейва през повърхността на корпуса на скоростната кутия в околния въздух. Равновесното повишаване на температурата на маслото ΔT над околната температура е:
ΔT_масло = P_загуба / (k_h × A_корпус)
където: k_h = коефициент на топлопреминаване с естествена конвекция на повърхността на корпуса
= 15–25 W/(m²·K) за стандартен чугунен или алуминиев корпус без вентилатор
= 25–40 W/(m²·K) за корпус с външни охлаждащи ребра
= 40–80 W/(m²·K) за корпус с вграден вентилатор
A_корпус = външна повърхност на корпуса на скоростната кутия [m²]
За примерната скоростна кутия с мощност 75 kW с външна площ на корпуса A = 0,8 m² и k_h = 20 W/(m²·K):
ΔT_oil = 2100 W / (20 × 0,8) = 131°C над околната температура
Кога е необходим маслен охладител? — Решение за термична оценка
| Метод на охлаждане | k_h (W/m²·K) | Максимално топлинно натоварване P_загуба на m² корпус | Когато е достатъчно |
|---|---|---|---|
| Естествена конвекция, небоядисан корпус | 12–18 | 600–900 W/m² (за ΔT = ограничение 50°C) | Малък спирални скоростни кутии под ~30 kW при стандартни индустриални скорости |
| Охлаждащи ребра на външната страна на корпуса | 18–30 | 900–1500 W/m² | Средни редуктори 30–100 kW, където площта на корпуса може да бъде увеличена |
| Външен охлаждащ вентилатор, задвижван от вал | 35–60 | 1750–3000 W/m² | Компактни редуктори 50–200 kW, където разширяването на корпуса е непрактично |
| Външен охладител масло-въздух или масло-вода | Няма данни (охладител, номинален по kW мощност) | Неограничен (оразмерен до P_loss) | Всякакви спирална скоростна кутия над 200 kW или всяка скоростна кутия, където температурата на околната среда > 40°C |
Сравнение на ефективността — спирална предавка спрямо други видове задвижвания
Изпитателен стенд за ефективност на Korea Ever-Power — входящият и изходящият въртящ момент и скоростта се измерват едновременно; загубата на мощност = P_in − P_out; резултатите потвърждават прогнозата за ефективността на мрежата от модела на коефициента на триене за посочения спирална предавка материал, вид масло и скорост по линията на стъпката
| Тип на устройството | Ефективност на етап | Диапазон на предавателното число (едностепенно) | Бележки |
|---|---|---|---|
| Спирална предавка (смляно, синтетично масло) | 98,5–99,5% | 1:1 до 8:1 | Най-висока ефективност; изисква успоредни валове |
| Спирално зъбно колело (фрезеровано, минерално масло) | 97.5–98.5% | 1:1 до 8:1 | Стандартно индустриално качество |
| Конично зъбно колело (право или спирално) | 97–99% | 1:1 до 6:1 | Ъгъл на вала от 90°; спираловиден скос се доближава до винтова ефективност |
| Планетарни спираловидни (3 планети) | 97–99% (пълен стадий) | 3:1 до 10:1 | Множество мрежи, свързани паралелно; компактно, но 3 мрежи утежняват загубата |
| Червячна предавка (ъгъл на водеща част 20–25°) | 82–90% | 5:1 до 80:1 | Високо съотношение в едностепенен режим, но 3–5 пъти повече топлина от спираловиден при същата мощност |
| Червячна предавка (ъгъл на водеща част 5–10°) | 60–75% | 20:1 до 100:1 | Риск от самозаключване; високо генериране на топлина; определяща топлинна мощност |
Korea Ever-Power — Документация за термични характеристики при поръчки на скоростни кутии
За всеки приложен персонализиран продукт спирална предавка Поръчка за монтаж на задвижване, Korea Ever-Power предоставя изчисление на топлинната характеристика, потвърждаващо равновесната температура на маслото при посочените работни условия (мощност, скорост, температура на околната среда, работен цикъл). Изчислението използва действителния коефициент на триене на мрежата, изчислен от посочения клас масло и клас на точност на зъбното колело, площта на корпуса от размерната схема и необходимия метод на охлаждане, за да се поддържа температурата на маслото в определения диапазон. Като директен... производител на спирални зъбни колелаТермичната характеристика на Korea Ever-Power е включена в документацията на поръчката — не като допълнителна мисъл, а като стандартна стъпка за проверка преди сглобяването на скоростната кутия. Разгледайте продуктова гама от спирални зъбни колела за всички стандартни и персонализирани приложения на задвижвания.
Често задавани въпроси
Синтетичното масло PAO (полиалфаолефин) има индекс на вискозитет от 140–160 в сравнение с 90–110 за минералното масло. Това означава, че PAO поддържа адекватен вискозитет при висока работна температура, като същевременно има по-нисък вискозитет при стайна температура – и двата ефекта са полезни. По-ниският коефициент на сцепление (съотношението на тангенциалната сила към контактната сила в контактната зона EHL) е основният механизъм: контактите на PAO имат приблизително 20–30% по-нисък коефициент на сцепление от еквивалентните контакти с минерално масло при същия вискозитет. За a спирална предавка При задвижване, работещо с минерално масло при η_mesh = 98.8%, превключването към PAO подобрява до приблизително 99.1–99.2% — намаление на топлинното натоварване от 20–25% при същата предавана мощност.
На теория, увеличаването на β леко намалява η_mesh за стандартна единична спирала спирална предавка защото компонентът на аксиалната скорост на плъзгане се увеличава с tan β. На практика този ефект е малък (разлика по-малка от 0,1% между β = 15° и β = 25°) и се компенсира от косвените ползи: по-високото β дава по-високо контактно съотношение ε_β, което намалява динамичния коефициент на натоварване K_V, което позволява по-малка (по-лека, с по-ниски загуби от въртене) предавка за същия предаван въртящ момент. За стандартния индустриален диапазон β = 15–25°, разликите в ефективността са под неопределеността на измерването за повечето скоростни кутии. Изборът на ъгъл на спиралата е правилно направен въз основа на шума, товароносимостта и контактното съотношение, а не на ефективността.
Механичната мощност на спирална скоростна кутия е максималната мощност, при която зъбите на зъбното колело не се повредят при контактна умора или умора от огъване в рамките на проектния експлоатационен живот. Номиналната топлинна мощност (номинална топлинна мощност) е максималната мощност, при която корпусът на скоростната кутия може да разсее достатъчно топлина, за да поддържа температурата на маслото под максимално допустимата (обикновено 80–90°C за минерално масло, 100–110°C за синтетично). За големи, бавно работещи... спирална предавка При скоростни кутии с малка площ на корпуса, термичната мощност често е по-ниска от механичната — механичните зъби са достатъчно здрави, за да предават мощността, но корпусът не може да разсее получената топлина достатъчно бързо. В този случай използваемата мощност е термичната, а не механичната.
Спирална предавка Ефективността на мрежата се подобрява леко при частично натоварване, тъй като загубата от триене на плъзгане P_VZP е пропорционална на предаваната тангенциална сила F_t — при натоварване 50% загубата в мрежата е 50% от стойността при пълно натоварване. Загубите от разбъркване и уплътнение обаче са независими от натоварването. Следователно, общата спирална скоростна кутия ефективността при натоварване 50% е малко по-ниска, отколкото при пълно натоварване — фиксираните загуби от бъркане и уплътнение представляват по-голяма част от (по-малката) предавана мощност. За спирална предавка При задвижвания, работещи предимно при частично натоварване (под 60% от номиналното), този ефект оправдава разглеждането на по-малка скоростна кутия с по-висок коефициент на безопасност, вместо да се преоразмерява до голяма скоростна кутия, която работи предимно при натоварване 20–30% с непропорционално високи постоянни загуби.
Изчисляване на топлинната мощност за вашето спираловидно зъбно колело
Посочете мощност, скорост, предавателно число, околна температура и работен цикъл. Korea Ever-Power изчислява η_total, P_loss и равновесна температура на маслото — потвърждавайки дали е необходима естествена конвекция, принудително въздушно охлаждане или маслен охладител, преди да бъде сглобена скоростната кутия.
Формула η_mesh · Изчисляване на P_загубата · Повишаване на температурата на маслото · Избор на метод на охлаждане · Включено във всяка поръчка на скоростна кутия
Редактор: Cxm
