Прямозубый мотор-редуктор постоянного тока: как он работает, характеристики и руководство по выбору

Что на самом деле представляет собой цилиндрический мотор-редуктор постоянного тока

А Прямозубый мотор-редуктор постоянного тока представляет собой двигатель постоянного тока в сочетании с прямозубым редуктором — ступенью редуктора, состоящей из цилиндрических шестерен с прямыми параллельными зубьями, прорезанными по торцу шестерни. Двигатель вращается быстро и с относительно низким крутящим моментом; коробка передач замедляет эту скорость и пропорционально увеличивает крутящий момент. Выходной вал вращается медленнее и сильнее, чем мог бы произвести один только двигатель. Именно эта комбинация делает цилиндрические двигатели постоянного тока полезными.

«Шпорная» часть конкретно относится к геометрии зуба шестерни. В отличие от косозубых шестерен, которые имеют наклонные зубья, которые входят в зацепление постепенно, зубья прямозубых шестерен входят в зацепление по прямой линии, параллельной оси вала. Это делает их более простыми в производстве, более легкими в замене и более механически эффективными в условиях чисто радиальной нагрузки, но это также означает, что они более шумны под нагрузкой, чем винтовые альтернативы, что стоит знать, прежде чем выбирать их для чувствительных к шуму применений.

Цилиндрические мотор-редукторы постоянного тока доступны в щеточном и бесщеточном вариантах. Матовые версии более доступны по цене и проще в управлении; Бесщеточные версии обеспечивают более длительный срок службы, более высокую эффективность и лучшую производительность в сложных рабочих циклах. В обеих конфигурациях используется один и тот же принцип прямозубого редуктора — разница полностью заключается в моторной части, приводящей в движение зубчатую передачу.

Как работает редуктор и почему это важно

Понимание редуктора имеет основополагающее значение для выбора подходящего цилиндрического мотор-редуктора постоянного тока для любого применения. Передаточное число, часто обозначаемое примерно как 30:1 или 100:1, показывает, сколько раз входной вал (со стороны двигателя) вращается за один оборот выходного вала. Соотношение 30:1 означает, что двигатель совершает 30 оборотов за один выходной оборот.

Практический эффект этого соотношения действует в обоих направлениях одновременно. Если двигатель развивает 10 об/мин при крутящем моменте 0,01 Н·м, коробка передач 30:1 обеспечивает выходную скорость примерно 0,33 об/мин и примерно 0,3 Н·м выходного крутящего момента – за вычетом потерь КПД коробки передач, которые обычно составляют 85–95% для хорошо изготовленной прямозубой ступени. Большее количество ступеней понижения означает большее увеличение крутящего момента, но также и большую совокупную потерю эффективности.

Большинство прямозубых мотор-редукторов постоянного тока имеют несколько ступеней редуктора для достижения высоких передаточных чисел. Трехступенчатая коробка передач может сочетать ступени 5:1, 5:1 и 4:1 для достижения общего передаточного числа 100:1. Каждая ступень создает свое собственное трение и люфт, поэтому мотор-редукторы с очень высокими передаточными числами (500:1 или более), как правило, имеют более высокий люфт и меньший КПД, чем сопоставимый двухступенчатый агрегат с умеренным передаточным числом.

Ключевые характеристики, которые следует учитывать при выборе двигателя постоянного тока с цилиндрической шестерней

Данные в технических характеристиках значительно различаются у разных производителей, и некоторые характеристики имеют гораздо большее значение, чем другие, в зависимости от применения. Вот на что следует обратить внимание:

Скорость холостого хода и номинальная скорость

Скорость холостого хода — это скорость вращения выходного вала, когда ничего не прикреплено. Номинальная скорость — это выходное число оборотов в минуту при полной номинальной крутящей нагрузке. Всегда проектируйте с учетом номинальной скорости — показатель холостого хода по существу бесполезен для определения реальных размеров приложения, поскольку любая реальная нагрузка снизит выходное число оборотов ниже этого значения. Мотор-редуктор, рассчитанный на скорость 60 об/мин на холостом ходу, может развивать скорость 45 об/мин при полном номинальном крутящем моменте.

Номинальный крутящий момент и момент остановки

Номинальный крутящий момент — это непрерывный выходной крутящий момент, который двигатель может выдерживать без перегрева или преждевременного износа. Момент срыва — это максимальный крутящий момент при нулевой скорости — точке, в которой двигатель удерживается в неподвижном состоянии под действием нагрузки. Крутящий момент при остановке звучит впечатляюще и часто указывается на видном месте, но постоянная работа вблизи останова приведет к перегреву и выходу двигателя из строя. Подберите размер приложения так, чтобы пиковый рабочий крутящий момент оставался ниже 50–70 % крутящего момента при опрокидывании для любого двигателя, работающего непрерывно.

Передаточное число

Выбирайте передаточное число на основе выходной скорости, которая вам действительно нужна при требуемом крутящем моменте, а не самого высокого доступного передаточного числа. Более высокие передаточные числа увеличивают люфт и снижают эффективность. Если оба передаточных числа могут удовлетворить ваши требования к крутящему моменту, то более низкое из них обычно обеспечивает лучшую стабильность скорости, меньший люфт и более длительный срок службы коробки передач.

Напряжение питания

Цилиндрические мотор-редукторы постоянного тока доступны в широком диапазоне напряжений — обычно 3 В, 5 В, 6 В, 12 В, 24 В и 48 В. Номинальное напряжение определяет скорость двигателя при заданном передаточном отношении. Работа двигателя 12 В при более низком напряжении пропорционально снижает скорость и крутящий момент; эксплуатация при напряжении выше номинального увеличивает скорость, но может привести к перегреву обмоток и сокращению срока службы щеток в щеточных конструкциях.

Люфт

Люфт — это небольшой вращательный люфт в коробке передач — угловое расстояние, на которое выходной вал может переместиться, прежде чем зубчатая передача зацепится и окажет сопротивление. Оно неизбежно в цилиндрических мотор-редукторах и увеличивается с увеличением числа ступеней редуктора. Типичный люфт для качественного многоступенчатого цилиндрического редуктора составляет 1–5 градусов. Для таких приложений, как оси 3D-принтеров, позиционирование ЧПУ или роботизированные соединения, такой уровень люфта может быть неприемлем, и вместо этого следует рассмотреть альтернативный тип редуктора (планетарный или гармонический привод с нулевым люфтом).

Материал коробки передач: металл или пластик.

Пластиковые зубчатые передачи дешевле, легче и тише, но имеют значительно меньший крутящий момент и быстрее изнашиваются при тяжелых или ударных нагрузках. Металлические редукторы — обычно из латуни, спеченной стали или закаленной стали — выдерживают более высокие крутящие моменты, дольше служат в непрерывной работе и гораздо лучше переносят ударные нагрузки. Для любого серьезного приложения, несущего нагрузку, металлические шестерни являются правильным выбором, несмотря на высокую стоимость.

Прямозубый мотор-редуктор по сравнению с другими типами мотор-редукторов постоянного тока

Цилиндрические мотор-редукторы – не единственный вариант. Выбор между типами передач предполагает реальные компромиссы, которые стоит понять, прежде чем приступать к проектированию.

Двигатели постоянного тока с цилиндрической передачей наиболее целесообразны, когда стоимость является ограничением, выходной вал соосен двигателю, уровни нагрузки умеренные, а шум не является основной проблемой. Если приложение требует очень высокой плотности крутящего момента в компактном корпусе, планетарный мотор-редуктор почти всегда является лучшим выбором, несмотря на более высокую цену. Если требуется самоблокировка — для ворот, привода клапана или подъемного механизма, который должен сохранять положение при отключении питания — подходящим выбором будет червячный двигатель постоянного тока, поскольку цилиндрические мотор-редукторы не самоблокируются.

Типичные применения прямозубых мотор-редукторов постоянного тока

Двигатель постоянного тока с цилиндрической шестерней встречается в огромном ассортименте продукции в различных отраслях. Сочетание низкой стоимости, разумной эффективности и простой геометрии трансмиссии делает его выбором по умолчанию для многих приложений с умеренной нагрузкой и средней скоростью.

• Бытовая электроника и бытовая техника: Принтеры, сканеры, устройства подачи бумаги, электрические консервные ножи и автоматические дозаторы мыла. Недорогие пластмассовые цилиндрические мотор-редукторы доминируют там, где требования к крутящему моменту скромные, а рабочие циклы легкие.
• Робототехника и образовательные платформы: Колесные роботы, небольшие манипуляторы и хобби-проекты автоматизации. Прямозубые мотор-редукторы постоянного тока с металлическим редуктором в диапазоне 6–12 В являются стандартными компонентами таких платформ, как альтернативы LEGO Technic, шасси с приводом от Arduino и роботов для соревнований.
• Аutomotive accessories: Электростеклоподъёмники, приводы регулировки сидений, приводы люка и регуляторы зеркал. В них используются металлические цилиндрические или составные зубчатые передачи в сочетании с коллекторными двигателями постоянного тока, способными выдерживать вибрацию автомобиля и экстремальные температуры.
• Промышленная автоматизация: Приводы конвейеров, приводы клапанов, малые механизмы подачи и упаковочное оборудование. Прямозубые мотор-редукторы постоянного тока с металлическим редуктором на 24 В или 48 В в таких условиях надежно и с меньшими затратами справляются с непрерывными легкими и средними режимами работы, чем сервосистемы.
• Медицинское и лабораторное оборудование: Шприцевые насосы, перистальтические насосы, карусели для проб и приводы столиков микроскопов. Металлические цилиндрические мотор-редукторы малого формата обеспечивают сочетание контролируемой выходной мощности на низких скоростях и разумного крутящего момента, необходимого для этих применений.
• Игрушки и хобби-оборудование: Радиоуправляемые автомобили, аниматроника, моторизованный реквизит и слайдеры для камер. Пластиковые цилиндрические мотор-редукторы на напряжение 3–6 В экономически эффективны и широко доступны для маломощных применений с низким крутящим моментом.

Как управлять цилиндрическим мотор-редуктором постоянного тока и управлять им

А brushed DC spur gearmotor is among the simplest motor types to drive. Apply voltage and it spins; reverse polarity and it spins the other direction. Speed is controlled by varying the voltage, most practically using PWM (pulse-width modulation) through an H-bridge driver circuit. The H-bridge allows both forward and reverse rotation as well as braking, and is available in compact integrated IC packages for low-current motors or as discrete driver modules for higher currents.

Для бесщеточного прямозубого мотор-редуктора постоянного тока требования к приводу более сложны — требуется специальный контроллер BLDC с логикой коммутации, как описано в любом применении бесщеточного двигателя. Секция коробки передач одинакова независимо от типа двигателя; вся разница в сложности привода кроется в самом двигателе.

Обратная связь по скорости и управление с обратной связью могут быть добавлены к любому прямозубому мотор-редуктору постоянного тока с помощью энкодера вала или датчика Холла на выходном валу. Это особенно ценно, когда нагрузка меняется и требуется постоянная выходная скорость — управление рабочим циклом ШИМ с разомкнутым контуром позволит скорости падать при увеличении нагрузки, если для компенсации не используется ПИД-регулятор. Для таких приложений, как приводы конвейеров, слайдеры камер и насосы для жидкостей, где важна постоянство скорости, добавление энкодера и простого контура ПИД стоит дополнительных сложностей.

Общие микросхемы драйвера, используемые с небольшими коллекторными цилиндрическими мотор-редукторами постоянного тока, включают:

• Л298Н: Двойной Н-мост, до 2 А на канал, макс. 46 В. Широко доступен, прост в использовании, но выделяет значительное тепло при более высоких токах из-за высокого напряжения падения.
• ДРВ8833: Двойной Н-мост, ток до 1,5 А на канал, низкое сопротивление в открытом состоянии, более эффективен, чем L298N, для небольших двигателей. Распространен в робототехнике и любительских приложениях.
• ТБ6612ФНГ: Двойной Н-мост, постоянный ток до 1,2 А на канал, компактный корпус, используется во многих платформах робототехники, включая драйверы двигателей Pololu.
• БТС7960 (ИБТ-2): Сильноточный модуль H-моста, пиковый ток до 43 А, подходит для более крупных прямозубых мотор-редукторов на 12 В или 24 В в промышленности или автомобилестроении.

Распространенные виды отказов и как их избежать

Прямозубые мотор-редукторы постоянного тока выходят из строя предсказуемым образом. Понимание режимов отказов позволяет значительно продлить срок службы за счет правильного применения и базовых методов обслуживания.

Износ и зачистка зубьев шестерни

Наиболее распространенная механическая неисправность, особенно в двигателях с пластиковыми редукторами. Вызывается повторяющейся работой мотор-редуктора с крутящим моментом срыва или выше, ударной нагрузкой, превышающей номинальный пиковый крутящий момент, или просто накопленным износом в многоцикловых приложениях. Решение состоит в том, чтобы выбрать двигатель с номинальным крутящим моментом, значительно превышающим пиковые требования приложения, а не просто выше среднего значения, и использовать металлические шестерни для любого применения, связанного с ударными нагрузками или высокими рабочими циклами.

Износ щеток (щеточные двигатели)

Коллекторные двигатели постоянного тока имеют ограниченный срок службы щеток, обычно 500–3000 часов в зависимости от тока, скорости и материала щеток. Высокий ток остановки резко ускоряет износ щеток. Для применений с длительным сроком службы либо укажите бесщеточный вариант, либо запланируйте интервалы замены щеток. Работа коллекторного двигателя в режиме ожидания в течение длительного времени — это самый быстрый способ одновременно вывести из строя коллектор и щетки.

Выход из строя подшипника

Чрезмерные радиальные (боковые) нагрузки на выходной вал являются основной причиной выхода из строя подшипников прямозубых мотор-редукторов. Выходной вал предназначен для осевого соединения с нагрузкой — снятие ремня, цепи или шестерни непосредственно с выходного вала без надлежащей опоры вала создает радиальные нагрузки на выходной подшипник коробки передач, для которых он не предназначен. Используйте правильно выровненную муфту с опорой на вал и поддерживайте радиальные нагрузки в пределах, указанных производителем.

Распад смазки

Цилиндрические редукторы смазываются на заводе и, как правило, герметизированы. В условиях высоких температур или после очень длительного срока службы смазка разрушается и теряет вязкость, заметно увеличивая скорость износа шестерен и подшипников. Для герметичных устройств это не подлежит обслуживанию на месте. Для коробок передач с открытой рамой или доступных коробок передач периодическая замена подходящей литиевой или синтетической трансмиссионной смазкой существенно продлевает срок службы.