Štyri zdroje strát výkonu v pohone so špirálovým ozubeným kolesom
Celková účinnosť η_total a špirálové ozubené koleso pohon je súčinom účinnosti všetkých jednotlivých zdrojov strát. Pre jednostupňový uzavretý špirálová prevodovka, štyri nezávislé mechanizmy spotrebúvajú energiu z špirálové ozubené koleso pohon:
Klzné trenie medzi bokmi zubov počas fázy priblíženia a zahĺbenia pri zábere. Toto je dominantná strata účinnosti v špirálové ozubené koleso pohon, čo predstavuje 50 – 701 TP3T celkovej straty výkonu prevodovky. Strata v sieti sa priamo škáluje s prenášaným zaťažením (pri nulovom zaťažení mizne). Typický príspevok: 0,5 – 1,51 TP3T prenášaného výkonu na stupeň siete.
Trenie valivého ložiska v ložiskách hriadeľa. Pre guľkové ložiská s hlbokou drážkou: η_bearing ≈ 99,5% na ložisko pri strednej rýchlosti a zaťažení. Pre valčekové ložiská pri vysokej rýchlosti a zaťažení: η_bearing ≈ 98,5 – 99%. Dva páry ložísk na hriadeľ pridávajú 0,5 – 1,5% celkovú stratu v ložisku pre typický jednostupňový motor. špirálové ozubené koleso jednotka.
Viskózne vírenie oleja ako špirálové ozubené koleso otáča sa v olejovom kúpeli a aerodynamické vetranie pri vysokej rýchlosti. Strata vírením ∝ n² × ρ_olej × d_prevodovka³ – stáva sa dominantnou pri vysokých rýchlostiach na línii stúpania (> 15 m/s) a pri preplnených olejových vaniach. Vírenie predstavuje 0,5 – 31 TP3T straty výkonu v prevodovkách mazaných rozstrekovaním pri vysokej rýchlosti.
Odpor tesnenia perom na vstupnom a výstupnom hriadeli. Každé tesnenie perom rozptyľuje približne 10 – 30 W pri typických priemeroch hriadeľa a otáčkach – zanedbateľné pre pohony s vysokým výkonom (> 50 kW), ale relevantné pre malé špirálové ozubené koleso jednotky s výkonom pod 5 kW, kde strata tesnenia môže predstavovať 1–3% menovitého výkonu.
Účinnosť záberu špirálového ozubeného kolesa – vzorec pre straty pri klznom ráze
Účinnosť záberu ozubených kolies špirálové ozubené koleso Dvojica je primárne určená koeficientom klzného trenia f v kontaktnej zóne zubov a geometriou ozubeného kolesa. Prístupy Benedictovho-Kelleyho a Niemannovho prístupu k strate klzného trenia dávajú stratu výkonu v zábere P_VZP ako:
η_mesh = 1 − P_VZP / P_transmitted
P_VZP = f × F_t × v_s_priemer × ε_α
kde: f = stredný koeficient klzného trenia (pozri tabuľku nižšie)
F_t = tangenciálna sila na rozstupovej kružnici [N]
v_s_mean = priemerná rýchlosť posuvu pri kontakte zuba ≈ π × (1/z₁ + 1/z₂) × F_t/(b × mn) × [mm/s]
ε_α = priečny kontaktný pomer
Pre praktické špirálové ozubené koleso Zjednodušený Niemannov vzorec udáva účinnosť záberu ako funkciu prevodového pomeru u a koeficientu trenia f:
η_mesh ≈ 1 − f × π × (1/z₁ + 1/z₂) / cos(α_t) × (1 + 0,25 × ε_β²)⁰·⁵
Zjednodušene: η_mesh ≈ 1 − f × π × (u + 1) / (u × z₁ × cos α_t)
| Prevádzkový stav | Súčiniteľ trenia f | Typická η_mesh na etapu | Poznámky |
|---|---|---|---|
| Podvozok, syntetický olej PAO, plne EHL film (λ ≥ 2) | 0,025 – 0,040 | 99,0–99,5% | Najlepšie dosiahnuteľné: presnosť špirálové ozubené koleso, DIN trieda 4–5, ISO VG 100–220 PAO pri prevádzkovej teplote |
| Podvozok, minerálny olej, film EHL (λ = 1,5–2,5) | 0,040 – 0,060 | 98,5–99,2% | Štandardná priemyselná presnosť špirálové ozubené koleso s minerálnym olejom ISO VG 220 |
| Ozubené koleso s odvalovacím mechanizmom, minerálny olej, čiastočné EHL (λ = 1,0–1,5) | 0,060 – 0,090 | 97,5–98,5% | Ozubené ozubené koleso triedy DIN 7–8; drsnejší povrch zubov zvyšuje medzné trenie |
| Mäkký bočný prevod QT, vysoko viskózny olej, okrajový film | 0,090 – 0,120 | 96,5–97,5% | Prevodový olej s mäkkým bokom, HB 280, ISO VG 320 – vyššie trenie v dôsledku kontaktu s drsnosťou |
Celková účinnosť prevodovky – kombinácia všetkých zdrojov strát
Špirálová prevodovka – štyri zdroje strát výkonu sa nachádzajú v zábere zubov (dominantný pri vysokom zaťažení), ložiskách hriadeľa (úmerné zaťaženiu ložiska), olejovej vani (strata vírením sa zvyšuje s rýchlosťou) a tesneniach hriadeľa (menšie, okrem veľmi nízkych úrovní výkonu). Súčet určuje celkovú účinnosť a tepelné zaťaženie, ktoré sa má rozptýliť.
Pre typický jednostupňový uzavretý špirálové ozubené koleso Prevodová jednotka s dvoma radiálnymi guľôčkovými ložiskami na hriadeli a dvoma tesniacimi krúžkami:
η_total = η_sieť × η_ložiská × η_churning × η_tesnenia
Príklad: 75 kW, vstupné otáčky 1500 ot./min, M5, pozemný prevod, minerálny olej, normálna rýchlosť
η_sieť = 98,8% (f = 0,055, u = 3,0, z₁ = 24)
η_ložiská = 99,0% (4 guľkové ložiská s hlbokou drážkou, stredné zaťaženie)
η_vírenie = 99,5% (v = rýchlosť na čiare sklonu 5 m/s; mierne vírenie)
η_tesnenie = 99,8% (strata tesnenia 2 × 30 W pri 75 kW)
η_celkom = 0,988 × 0,990 × 0,995 × 0,998 = 97,2%
P_strata = 75 kW × (1 − 0,972) = 2,1 kW teplo generované v telese prevodovky
Výpočet generovania tepla a zvýšenia teploty oleja
Tepelné zaťaženie 2,1 kW vo vyššie uvedenom špirálové ozubené koleso Napríklad musí byť kontinuálne rozptyľovaný cez povrch skrine prevodovky do okolitého vzduchu. Rovnovážny nárast teploty oleja ΔT nad teplotu okolitého vzduchu je:
ΔT_olej = P_strata / (k_h × A_skriňa)
kde: k_h = koeficient prestupu tepla prirodzenou konvekciou povrchu krytu
= 15–25 W/(m²·K) pre štandardnú liatinovú alebo hliníkovú skriňu bez ventilátora
= 25–40 W/(m²·K) pre puzdro s vonkajšími chladiacimi rebrami
= 40–80 W/(m²·K) pre kryt s integrovaným ventilátorom
A_housing = vonkajšia plocha krytu prevodovky [m²]
Pre príklad prevodovky s výkonom 75 kW s vonkajšou plochou krytu A = 0,8 m² a k_h = 20 W/(m²·K):
ΔT_olej = 2100 W / (20 × 0,8) = 131 °C nad teplotou okolia
Kedy je potrebný olejový chladič? – Rozhodnutie o tepelnom hodnotení
| Metóda chladenia | k_h (W/m²·K) | Maximálne tepelné zaťaženie P_strata na m² bývania | Keď je to dostatočné |
|---|---|---|---|
| Prirodzená konvekcia, nenalakované puzdro | 12 – 18 | 600 – 900 W/m² (pre limit ΔT = 50 °C) | Malý špirálové prevodovky pod ~30 kW pri štandardných priemyselných rýchlostiach |
| Chladiace rebrá na vonkajšej strane krytu | 18 – 30 | 900 – 1 500 W/m² | Stredné prevodovky 30 – 100 kW, kde je možné zväčšiť plochu krytu |
| Externý chladiaci ventilátor poháňaný hriadeľom | 35 – 60 | 1750 – 3 000 W/m² | Kompaktné prevodovky 50 – 200 kW, kde je zväčšenie skrine nepraktické |
| Externý chladič olej-vzduch alebo olej-voda | N/A (menovitý výkon chladiča podľa výkonu kW) | Neobmedzené (veľkosť podľa P_loss) | Akékoľvek špirálová prevodovka nad 200 kW alebo akákoľvek prevodovka, kde je teplota okolia > 40 °C |
Porovnanie účinnosti – Špirálové ozubené koleso vs. iné typy pohonov
Skúšobná lavica na účinnosť Kórea Ever-Power – vstupný a výstupný krútiaci moment a rýchlosť sa merajú súčasne; strata výkonu = P_in − P_out; výsledky potvrdzujú predpoveď účinnosti siete z modelu koeficientu trenia pre špecifikované špirálové ozubené koleso materiál, druh oleja a rýchlosť na čiare rozstupu
| Typ pohonu | Účinnosť na etapu | Rozsah prevodového pomeru (jednostupňový) | Poznámky |
|---|---|---|---|
| Špirálové ozubené koleso (mletý, syntetický olej) | 98,5–99,5% | 1:1 až 8:1 | Najlepšia účinnosť; vyžaduje paralelné hriadele |
| Špirálové ozubené koleso (odvalcované, minerálny olej) | 97,5–98,5% | 1:1 až 8:1 | Štandardná priemyselná kvalita |
| Kužeľové ozubené koleso (rovné alebo špirálové) | 97–99% | 1:1 až 6:1 | Uhol hriadeľa 90°; špirálovitý skosený tvar sa blíži k špirálovej účinnosti |
| Planetárny špirálový (3 planéty) | 97–99% (celkové štádium) | 3:1 až 10:1 | Viacero ôk paralelne; kompaktné, ale 3 oká zvyšujú stratu |
| Závitovkový prevod (uhol nábehu 20–25°) | 82–90% | 5:1 až 80:1 | Vysoký pomer v jednom stupni, ale 3–5× viac tepla ako špirálový pri rovnakom výkone |
| Závitovkový prevod (uhol nábehu 5–10°) | 60–75% | 20:1 až 100:1 | Riziko samosvorenia; vysoký vývin tepla; rozhodujúce je tepelné zaťaženie |
Korea Ever-Power – Dokumentácia k tepelným hodnoteniam s objednávkami prevodoviek
Pre každý priložený zákazkový produkt špirálové ozubené koleso Pri objednávke zostavy pohonu poskytuje spoločnosť Korea Ever-Power výpočet tepelného výkonu potvrdzujúci rovnovážnu teplotu oleja za špecifikovaných prevádzkových podmienok (výkon, otáčky, teplota okolia, pracovný cyklus). Výpočet používa skutočný koeficient trenia v zábere odhadnutý zo špecifikovanej triedy oleja a triedy presnosti prevodovky, plochu krytu z rozmerového rozloženia a požadovaný spôsob chladenia na udržanie teploty oleja v špecifikovanom rozsahu. Ako priamy... výrobca špirálových ozubených koliesTepelné hodnotenie spoločnosti Korea Ever-Power je zahrnuté v dokumentácii objednávky – nie ako dodatočná myšlienka, ale ako štandardný overovací krok pred montážou prevodovky. Prezrite si sortiment špirálových ozubených kolies pre všetky štandardné aj zákazkové aplikácie pohonov.
Často kladené otázky
Syntetický olej PAO (polyalfaolefín) má index viskozity 140 – 160 oproti 90 – 110 pre minerálny olej. To znamená, že PAO si udržiava primeranú viskozitu pri vysokej prevádzkovej teplote, pričom má nižšiu viskozitu pri izbovej teplote – oba účinky sú prospešné. Primárnym mechanizmom je nižší koeficient trakcie (pomer tangenciálnej sily ku kontaktnej sile v kontaktnej zóne EHL): kontakty PAO majú približne o 20 – 301 TP3T nižší koeficient trakcie ako ekvivalentné kontakty z minerálneho oleja pri rovnakej viskozite. Pre špirálové ozubené koleso Pri pohone s minerálnym olejom pri η_mesh = 98,8% sa prepnutím na PAO zlepší hodnota približne na 99,1 – 99,2% – čo predstavuje zníženie tepelného zaťaženia o 20 – 25% pri rovnakom prenášanom výkone.
Teoreticky zvýšenie β mierne znižuje η_mesh pre štandardnú jednozávitnicovú štruktúru. špirálové ozubené koleso pretože zložka axiálnej klznej rýchlosti sa zvyšuje s tan β. V praxi je tento účinok malý (rozdiel menší ako 0,1% medzi β = 15° a β = 25°) a je vyvážený nepriamymi výhodami: vyššie β poskytuje vyšší kontaktný pomer ε_β, čo znižuje dynamický súčiniteľ zaťaženia K_V, čo umožňuje použiť menší (ľahší, s nižšími stratami vírenia) prevodový stupeň pri rovnakom prenášanom krútiacom momente. Pre štandardný priemyselný rozsah β = 15–25° sú rozdiely v účinnosti pod neistotou merania pre väčšinu prevodoviek. Voľba uhla skrutkovice sa správne vykonáva na základe hluku, axiálnej únosnosti a kontaktného pomeru – nie účinnosti.
Mechanický výkon špirálová prevodovka je maximálny výkon, pri ktorom zuby ozubeného kolesa nezlyhajú v dôsledku kontaktnej únavy alebo únavy v ohybe v rámci projektovanej životnosti. Menovitý tepelný výkon (menovitý tepelný výkon) je maximálny výkon, pri ktorom môže teleso prevodovky odvádzať dostatok tepla na udržanie teploty oleja pod maximálnou povolenou hodnotou (zvyčajne 80 – 90 °C pre minerálny olej, 100 – 110 °C pre syntetický olej). Pre veľké, pomaly bežiace špirálové ozubené koleso Pri prevodovkách s malou plochou krytu je tepelný výkon často nižší ako mechanický výkon – mechanické zuby sú dostatočne pevné na prenos výkonu, ale kryt nedokáže dostatočne rýchlo odviesť výsledné teplo. V tomto prípade je využiteľným výkonom tepelný výkon, nie mechanický výkon.
Špirálové ozubené koleso Účinnosť siete sa mierne zlepšuje pri čiastočnom zaťažení, pretože strata klzným trením P_VZP je úmerná prenášanej tangenciálnej sile F_t – pri zaťažení 50% je strata siete 50% hodnoty pri plnom zaťažení. Straty vírením a tesnením sú však nezávislé od zaťaženia. Preto celková špirálová prevodovka Účinnosť pri zaťažení 50% je o niečo nižšia ako pri plnom zaťažení – fixné straty vírením a tesnením predstavujú väčší zlomok (menšieho) prenášaného výkonu. Pre špirálové ozubené koleso Pri pohonoch pracujúcich prevažne s čiastočným zaťažením (pod 60% menovitého), tento efekt odôvodňuje zváženie menšej prevodovky s vyšším bezpečnostným faktorom, a nie predimenzovanie na veľkú prevodovku, ktorá pracuje prevažne so zaťažením 20 – 30% s neúmerne vysokými fixnými stratami.
Výpočet tepelného výkonu pre váš špirálový prevodový pohon
Uveďte svoj výkon, rýchlosť, prevodový pomer, okolitú teplotu a pracovný cyklus. Korea Ever-Power vypočíta η_total, P_loss a rovnovážnu teplotu oleja – pred zostavením prevodovky potvrdí, či je potrebná prirodzená konvekcia, nútené chladenie vzduchom alebo olejový chladič.
Vzorec η_mesh · Výpočet_straty_P · Zvýšenie teploty oleja · Výber spôsobu chladenia · Súčasťou každej objednávky prevodovky
Redaktor: Cxm
