Jednosmerný ozubený motor: Ako to funguje, špecifikácie a sprievodca výberom

Čo je to vlastne jednosmerný ozubený motor

A DC motor s čelnou prevodovkou je jednosmerný motor kombinovaný s čelnou prevodovkou – redukčný stupeň tvorený valcovými ozubenými kolesami s priamymi, rovnobežnými zubami vyrezanými pozdĺž čela ozubeného kolesa. Motor sa točí rýchlo a pri relatívne nízkom krútiacom momente; prevodovka spomalí túto rýchlosť a úmerne znásobí krútiaci moment. To, čo vychádza z výstupného hriadeľa, je pomalšia a silnejšia rotácia, ako by mohol produkovať samotný motor. Táto kombinácia je to, čo robí jednosmerné motory s čelným ozubením v prvom rade užitočnými.

Časť "ostroha" konkrétne odkazuje na geometriu zubov ozubeného kolesa. Na rozdiel od špirálových ozubených kolies, ktoré majú šikmé zuby, ktoré zaberajú postupne, zuby čelného ozubeného kolesa zaberajú pozdĺž priamky rovnobežnej s osou hriadeľa. Vďaka tomu sú jednoduchšie na výrobu, ľahšie sa vymieňajú a sú mechanicky účinnejšie v podmienkach čisto radiálneho zaťaženia – ale tiež to znamená, že sú pri zaťažení hlučnejšie ako špirálové alternatívy, čo stojí za to vedieť pred ich výberom pre aplikácie citlivé na hluk.

Jednosmerné motory s čelným ozubením sú dostupné v kartáčovanom a bezkefovom variante. Kartáčované verzie sú cenovo dostupnejšie a jednoduchšie na ovládanie; bezkartáčové verzie ponúkajú dlhšiu životnosť, vyššiu účinnosť a lepší výkon v náročných pracovných cykloch. Obe konfigurácie využívajú rovnaký princíp redukcie čelnej prevodovky — rozdiel je úplne v motorovej časti, ktorá poháňa ozubené súkolesie.

Ako funguje redukcia prevodového stupňa a prečo je to dôležité

Pochopenie redukcie prevodov je základom pre výber správneho jednosmerného čelného prevodového motora pre akúkoľvek aplikáciu. Prevodový pomer – často písaný ako niečo ako 30:1 alebo 100:1 – vám povie, koľkokrát sa vstupný hriadeľ (strana motora) otočí pri každej jednej otáčke výstupného hriadeľa. Pomer 30:1 znamená, že sa motor otočí 30-krát na každú otáčku výstupu.

Praktický efekt tohto pomeru pôsobí v oboch smeroch súčasne. Ak motor produkuje 10 otáčok za minútu pri krútiacom momente 0,01 N·m, prevodovka 30:1 poskytuje výstupné otáčky približne 0,33 ot./min. a výstupný krútiaci moment približne 0,3 Nm – mínus straty účinnosti prevodovky, ktoré zvyčajne dosahujú 85–95 % pre dobre vyrobený čelný stupeň. Viac stupňov redukcie znamená väčšie znásobenie krútiaceho momentu, ale aj väčšiu kumulatívnu stratu účinnosti.

Väčšina jednosmerných motorov s čelným ozubením naskladá viac stupňov redukcie prevodových stupňov, aby sa dosiahli vysoké celkové pomery. Trojstupňová prevodovka môže kombinovať stupne 5:1, 5:1 a 4:1 na dosiahnutie celkového pomeru 100:1. Každý stupeň má svoje vlastné trenie a vôľu, a preto prevodové motory s veľmi vysokými prevodmi (500:1 alebo viac) majú tendenciu mať vyššiu vôľu a nižšiu účinnosť ako porovnateľná dvojstupňová jednotka pri skromnom pomere.

Kľúčové špecifikácie, ktoré treba posúdiť pri výbere jednosmerného motora s čelným ozubeným kolesom

Údaje z údajových listov sa medzi výrobcami výrazne líšia a na niektorých špecifikáciách záleží oveľa viac ako na iných v závislosti od aplikácie. Tu je to, na čo sa zamerať:

Rýchlosť bez zaťaženia a menovitá rýchlosť

Rýchlosť bez zaťaženia je rýchlosť otáčania výstupného hriadeľa, keď nie je nič pripojené. Menovité otáčky sú výstupné otáčky za minútu pri plnom zaťažení menovitého momentu. Vždy navrhujte okolo menovitých otáčok – hodnota bez zaťaženia je v podstate zbytočná pre skutočné dimenzovanie aplikácie, pretože akékoľvek skutočné zaťaženie zníži výstupné otáčky pod túto hodnotu. Prevodový motor s otáčkami 60 otáčok za minútu bez zaťaženia môže poskytnúť 45 otáčok za minútu pri plnom menovitom krútiacom momente.

Menovitý krútiaci moment a krútiaci moment zastavenia

Menovitý krútiaci moment je trvalý výstupný krútiaci moment, ktorý motor dokáže udržať bez prehriatia alebo predčasného opotrebovania. Krútiaci moment zastavenia je maximálny krútiaci moment pri nulovej rýchlosti – bod, v ktorom je motor držaný v nehybnom stave záťažou. Krútiaci moment pri zastavení znie pôsobivo a je často uvedený na poprednom mieste, ale nepretržitý chod v blízkosti zastavenia sa prehrieva a zničí motor. Dimenzujte aplikáciu tak, aby špičkový prevádzkový krútiaci moment zostal pod 50–70 % krútiaceho momentu pri zastavení pre akýkoľvek motor, ktorý beží nepretržite.

Prevodový pomer

Vyberte prevodový pomer na základe výstupných otáčok, ktoré skutočne potrebujete pri požadovanom krútiacom momente, nie podľa najvyššieho dostupného pomeru krútiaceho momentu. Vyššie prevodové pomery zvyšujú vôľu a znižujú účinnosť. Ak dva prevodové pomery môžu dosiahnuť vašu požiadavku na krútiaci moment, nižší z nich vo všeobecnosti poskytne lepšiu stabilitu rýchlosti, menšiu vôľu a dlhšiu životnosť prevodovky.

Napájacie napätie

Jednosmerné motory s čelným ozubením sú dostupné v širokom rozsahu napätia – bežne 3V, 5V, 6V, 12V, 24V a 48V. Menovité napätie určuje otáčky motora pri danom prevodovom pomere. Spustenie 12V motora pri nižšom napätí úmerne znižuje rýchlosť aj krútiaci moment; jeho prevádzka nad menovitým napätím zvyšuje rýchlosť, ale riskuje prehriatie vinutia a skrátenie životnosti kefy v kartáčovaných prevedeniach.

Vôľa

Vôľa je malé množstvo rotačnej vôle v prevodovke – uhlová vzdialenosť, o ktorú sa môže výstupný hriadeľ posunúť, kým sa ozubené koleso zapojí a odolá. Pri motoroch s čelným ozubením je nevyhnutná a zvyšuje sa s počtom prevodových stupňov. Typická vôľa pre kvalitnú viacstupňovú čelnú prevodovku je 1–5 stupňov. Pre aplikácie, ako sú osi 3D tlačiarní, CNC polohovanie alebo robotické kĺby, môže byť táto úroveň vôle neprijateľná a namiesto toho by sa mal zvážiť alternatívny typ prevodovky (planetárny pohon alebo harmonický pohon s nulovou vôľou).

Materiál prevodovky: kov vs. plast

Plastové ozubené prevody sú lacnejšie, ľahšie a tichšie, ale majú výrazne nižšiu kapacitu krútiaceho momentu a rýchlejšie sa opotrebúvajú pri veľkom alebo rázovom zaťažení. Kovové prevodovky – zvyčajne mosadz, spekaná oceľ alebo kalená oceľ – zvládajú vyššie krútiace momenty, vydržia dlhšie v nepretržitej prevádzke a oveľa lepšie znášajú rázové zaťaženie. Pre akúkoľvek vážnu nosnú aplikáciu sú kovové prevody tou správnou voľbou aj napriek vyššej cene.

Motor s čelnou prevodovkou vs. iné typy jednosmerných prevodových motorov

Čelné prevodové motory nie sú jedinou možnosťou. Výber medzi typmi výstroja zahŕňa skutočné kompromisy, ktoré stojí za to pochopiť predtým, ako sa pustíte do návrhu.

Jednosmerné motory s čelným ozubením majú najväčší zmysel, keď sú obmedzením náklady, výstupný hriadeľ je koaxiálny s motorom, úrovne zaťaženia sú mierne a hluk nie je primárnym problémom. Ak aplikácia vyžaduje veľmi vysokú hustotu krútiaceho momentu v kompaktnom balení, planétový prevodový motor je takmer vždy lepšou voľbou napriek vyššej cene. Ak sa vyžaduje samouzamykanie – pre bránu, ovládač ventilu alebo zdvíhací mechanizmus, ktorý musí držať polohu, keď je odpojený prúd – závitovkový jednosmerný motor je vhodnou voľbou, pretože motory s čelným ozubením nie sú samosvorné.

Typické aplikácie jednosmerných prevodových motorov s čelným ozubením

Jednosmerný motor s čelným ozubením sa objavuje v obrovskej škále produktov v rôznych odvetviach. Jeho kombinácia nízkej ceny, primeranej účinnosti a priamej geometrie hnacieho ústrojenstva z neho robí predvolenú voľbu pre mnohé aplikácie so strednou záťažou a strednou rýchlosťou.

• Spotrebná elektronika a spotrebiče: Tlačiarne, skenery, podávače papiera, elektrické otvárače na konzervy a automatické dávkovače mydla. Tu dominujú lacné plastové motory s čelným ozubením, kde sú požiadavky na krútiaci moment skromné ​​a pracovné cykly nízke.
• Robotika a vzdelávacie platformy: Kolesové roboty, malé manipulátory a hobby automatizačné projekty. Kovové jednosmerné prevodové motory s čelným ozubením v rozsahu 6V–12V sú štandardnými komponentmi v platformách, ako sú alternatívy LEGO Technic, podvozky poháňané Arduino a súťažné roboty.
• Automobilové príslušenstvo: Elektricky ovládané zdvíhače okien, ovládače nastavenia sedadiel, pohony strešného okna a nastavovače zrkadiel. Používajú kovové čelné alebo zložené ozubené súkolesia kombinované s brúsenými jednosmernými motormi, ktoré odolávajú vibráciám vozidla a extrémnym teplotám.
• Priemyselná automatizácia: Pohony dopravníkov, pohony ventilov, malé podávacie mechanizmy a baliace zariadenia. 24V alebo 48V prevodové motory s priamym jednosmerným prúdom s kovovým prevodom zvládajú nepretržitú ľahkú až strednú prevádzku v týchto nastaveniach spoľahlivo a za nižšiu cenu ako servosystémy.
• Lekárske a laboratórne prístroje: Injekčné pumpy, peristaltické pumpy, karusely na vzorky a pohony stolíka mikroskopov. Maloformátové kovové čelné prevodové motory poskytujú kombináciu regulovateľného výstupu pri nízkych otáčkach a primeraného krútiaceho momentu, ktorý tieto aplikácie potrebujú.
• Hračky a hobby vybavenie: RC vozidlá, animatronika, motorizované rekvizity a posúvače kamier. Plastové čelné prevodové motory s napätím 3–6 V sú cenovo výhodné a široko dostupné pre tieto aplikácie s nízkym zaťažením a nízkym krútiacim momentom.

Ako poháňať a ovládať jednosmerný motor s čelným ozubením

Kefovaný jednosmerný čelný prevodový motor patrí medzi najjednoduchšie typy motorov na pohon. Použite napätie a točí sa; obrátenou polaritou a otáča sa opačným smerom. Rýchlosť je riadená zmenou napätia, najpraktickejšie pomocou PWM (modulácia šírky impulzu) cez obvod vodiča H-mostíka. H-bridge umožňuje otáčanie dopredu aj dozadu, ako aj brzdenie a je k dispozícii v kompaktných integrovaných IC balíkoch pre nízkoprúdové motory alebo ako samostatné moduly budičov pre vyššie prúdy.

Pre bezkomutátorový jednosmerný čelný prevodový motor sú požiadavky na pohon náročnejšie – vyžaduje sa vyhradený BLDC regulátor s komutačnou logikou, ako je opísané v akejkoľvek aplikácii bezkomutátorového motora. Sekcia prevodovky je identická bez ohľadu na typ motora; celý rozdiel v zložitosti pohonu spočíva v samotnom motore.

Spätnú väzbu otáčok a reguláciu v uzavretej slučke možno pridať k akémukoľvek jednosmernému čelnému prevodovému motoru pomocou hriadeľového enkodéra alebo snímača Hallovho javu na výstupnom hriadeli. Toto je obzvlášť cenné, keď sa zaťaženie mení a je potrebná konzistentná výstupná rýchlosť – riadenie pracovného cyklu PWM s otvorenou slučkou umožní pokles rýchlosti pri zvyšujúcom sa zaťažení, pokiaľ sa na kompenzáciu nepoužije PID regulátor. Pre aplikácie, ako sú pohony dopravníkov, posúvače kamier a čerpadlá tekutín, kde záleží na konzistencii rýchlosti, stojí za dodatočnú zložitosť pridanie kódovača a jednoduchej slučky PID.

Bežné integrované obvody vodiča používané s malými kartáčovanými jednosmernými čelnými prevodovými motormi zahŕňajú:

• L298N: Duálny H-bridge, až 2A na kanál, 46V max. Široko dostupný, ľahko použiteľný, ale generuje značné teplo pri vyšších prúdoch v dôsledku vysokého výpadkového napätia.
• DRV8833: Duálny H-mostík, až 1,5A na kanál, nízky odpor pri zapnutí, efektívnejší ako L298N pre malé motory. Bežné v robotických a amatérskych aplikáciách.
• TB6612FNG: Duálny H-mostík, až 1,2 A nepretržite na kanál, kompaktný balík, používaný v mnohých robotických platformách vrátane motorov Pololu.
• BTS7960 (IBT-2): Vysokoprúdový modul H-bridge, až 43A špičkový, vhodný pre väčšie 12V alebo 24V čelné prevodové motory v priemyselných alebo automobilových aplikáciách.

Bežné režimy porúch a ako sa im vyhnúť

Jednosmerné motory s čelným ozubením zlyhávajú predvídateľným spôsobom. Pochopenie režimov porúch umožňuje výrazne predĺžiť životnosť prostredníctvom správnej aplikácie a základných postupov údržby.

Opotrebenie a odizolovanie ozubených kolies

Najčastejšia mechanická porucha, najmä u motorov s plastovou prevodovkou. Spôsobené opakovaným chodom prevodového motora pri alebo nad krútiacim momentom zastavenia, rázovým zaťažením presahujúcim menovitý maximálny krútiaci moment alebo jednoducho akumulovaným opotrebovaním vo vysokocyklových aplikáciách. Riešením je vybrať motor s menovitým krútiacim momentom vysoko nad špičkovou požiadavkou aplikácie – nielen nad jej priemernou požiadavkou – a použiť kovové prevody pre akúkoľvek aplikáciu zahŕňajúcu rázové zaťaženie alebo vysoké pracovné cykly.

Opotrebenie kief (kartáčované motory)

Kartáčované jednosmerné motory majú obmedzenú životnosť kefy, zvyčajne 500 – 3 000 hodín v závislosti od prúdu, rýchlosti a materiálu kefy. Vysoký blokovací prúd výrazne urýchľuje opotrebovanie kefy. Pre aplikácie s dlhou životnosťou buď špecifikujte bezkefový variant alebo naplánujte intervaly výmeny kief. Spustenie motora s kefami pri zastavení na dlhšiu dobu je najrýchlejší spôsob, ako súčasne zničiť komutátor a kefy.

Porucha ložiska

Nadmerné radiálne (bočné) zaťaženie výstupného hriadeľa je hlavnou príčinou zlyhania ložísk v motoroch s čelným ozubením. Výstupný hriadeľ je navrhnutý pre axiálne spojenie so záťažou – pohon remeňa, reťaze alebo ozubeného kolesa priamo z výstupného hriadeľa bez správnej podpery hriadeľa kladie radiálne zaťaženie na výstupné ložisko prevodovky, pre ktoré nebolo navrhnuté. Používajte správne vyrovnanú spojku podoprenú hriadeľom a udržujte radiálne zaťaženie v rámci limitu špecifikovaného výrobcom.

Porucha mazania

Čelné prevodovky sú z výroby namazané a spravidla utesnené. V prostredí s vysokou teplotou alebo po veľmi dlhej životnosti mazivo degraduje a stráca viskozitu, čím sa výrazne zvyšuje miera opotrebovania ozubených kolies a ložísk. V prípade zapečatených jednotiek to nie je možné servisovať v teréne. V prípade prevodoviek s otvoreným rámom alebo prevodoviek, ktoré sú prístupné, pravidelné premazávanie správnym lítiovým alebo syntetickým mazivom na prevody podstatne predlžuje životnosť.