Voimansiirtomekanismit ovat avainkomponentteja mekaanisissa laitteissa, jotka välittävät voimaa mekaanisen liikkeen aikaansaamiseksi. Voimansiirtomekanismia suunniteltaessa kuormitushitauden laskeminen on ratkaisevan tärkeää, sillä se vaikuttaa suoraan voimansiirtomekanismin vakauteen ja luotettavuuteen. Seuraavassa on laskentamenetelmät ja esimerkkejä kuormitushitauksesta yleisille voimansiirtomekanismeille:

I. Yhteisten voimansiirtomekanismien kuormitushitauden laskentamenetelmät

1. Palloruuvikäyttömekanismi

Palloruuvikäyttöisiä mekanismeja käytetään laajalti tarkkuusasemointijärjestelmissä. Niiden kuormitushitautta laskettaessa on otettava huomioon sellaiset tekijät kuin kuorman massa, ruuvin johdin, ruuvin halkaisija ja kitkakerroin.

Oletetaan, että kuorman massa on m, ruuvin johdin on Pb​, ruuvin halkaisija on Db​ ja kuorman siirtonopeus on V. Moottorin akseliin muunnettu kuormitushitaus voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

Kuorman hitaus=4×π2×moottorin nopeus2m×Pb2​​

Moottorin nopeus on muutettava kuorman liikkumisnopeuden ja ruuvin johdon mukaan. Lisäksi tulee ottaa huomioon itse ruuvin hitaus ja kitkahäviön vaikutus järjestelmän hitausvoimaan.

2. Jakopyörän käyttömekanismi

Ajoitushihnapyörän käyttömekanismeja käytetään laajalti automaatiolaitteissa, koska niiden edut ovat tasainen voimansiirto, alhainen melutaso ja korkea paikannustarkkuus. Niiden kuormitushitauslaskelma sisältää ajoituspyörien inertian ja kuorman hitauden.

Oletetaan, että ajoituspyörän halkaisija on D ja kuormitusmassa M. Ajoituspyörän inertia voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

Ajoituspyörän hitaus=21​×M×D2

Kuorman hitaus lasketaan kuorman massan ja muodon mukaan, joka sitten lisätään ajoituspyörän inertiaan, jotta saadaankokonaiskuorman inertia.

3. Vaihteistomekanismi

Vaihteistomekanismeissa on tarkka välityssuhde, korkea hyötysuhde ja kompakti rakenne. Niiden kuormitushitautta laskettaessa on otettava huomioon hammaspyörän navan inertia, hammaspyörän akselin inertia ja dynaamiset vaikutukset hammaspyörien yhdistämisen aikana.

Oletetaan, että vaihteen navan massa on m1​ säteellä r1​ ja hammaspyörän akselin massa on m2​ säteellä r2​. Vaihteen navan inertia on I1​=m1​×r12​ ja hammaspyörän akselin hitaus on I2​=m2​×r22​. Kuorman inertia lasketaan kuorman massan ja muodon mukaan, joka sitten lisätään vaihteen navan ja akselin hitaukseen, jolloin saadaankokonaiskuorman inertia.

Lisäksi tulee ottaa huomioon sellaisten tekijöiden, kuten kitkahäviön, vaihteiston välyksen ja kimmoisten muodonmuutosten vaikutus järjestelmän hitausvoimaan hammaspyörien kytkeytymisen aikana.

4. Hihnakäyttömekanismi

Hihnakäyttömekanismien etuna on tasainen voimansiirto, yksinkertainen rakenne ja kätevä huolto. Niiden kuormitushitauslaskelma sisältää hihnapyörien inertian ja hihnan hitauden.

Hihnapyörien inertian laskentatapa on samanlainen kuin jakopyörien, kun taas hihnan hitaus on laskettava perustuen tekijöihin, kuten hihnan materiaaliparametrit, työolosuhteet ja pituus. Yleensä hihnan hitaus on suhteellisen pieni, mutta sen vaikutusta ei voida jättää huomiotta nopeissa voimansiirtojärjestelmissä.

5. Ketjun käyttömekanismi

Ketjukäyttömekanismeille on ominaista korkea voimansiirron tehokkuus, vahva{0}}kuormankestävyys ja sopeutumiskyky vaativiin ympäristöihin. Niiden kuormitushitauslaskenta sisältää ketjupyörien hitauden ja ketjun hitauden.

Ketjupyörien inertian laskentatapa on samanlainen kuin vaihdenapojen, kun taas ketjun hitaus on laskettava ketjun materiaaliparametrien, työolosuhteiden ja pituuden perusteella. Hihnakäyttöön verrattuna ketjukäytöllä on yleensä suurempi inertia, joten sen vaikutus järjestelmän dynaamiseen suorituskykyyn on otettava täysin huomioon suunnittelussa.

II. Tapausanalyysi

Kun otetaan esimerkkinä servokäyttöjärjestelmän kuularuuvimekanismi, kuormitushitauslaskenta ja moottorin valinta suoritetaan seuraavasti:

1. Tunnetut olosuhteet

• Kuormamassa m=200 kg, ruuvin johdin Pb​=20 mm, ruuvin halkaisija Db​=50 mm, ruuvin massa mb​=40 kg
• Kitkakerroin μ=0.002, mekaaninen hyötysuhde η=0.9
• Kuorman siirtonopeus V=30 m/min, kokonaisliikeaika t=1.4 s
• Kiihtyvyys/hidastusaika t1​=t3​=0.2 s, viipymäaika t4​=0.3 s

2. Laskentaprosessi

1. Laske ensin moottorin akseliksi muunnettu kuormitusinertia, mukaan lukien raskaan kuorman kiertohitaus, joka on muunnettu moottorin akseliksi ja ruuvin pyörimisinertia, ja laske sittenkokonaiskuorman inertia.
2. Laske seuraavaksi moottorin nopeus ja vääntömomentti, joka tarvitaan moottorin käyttämiseen kuorman, mukaan lukien vääntömomentti, joka tarvitaan kitkan voittamiseksi sekä vääntömomentti, joka tarvitaan raskaan kuorman ja ruuvin kiihtymiseen, ja lopuksi saadaansuurin vaadittu vääntömomentti.

3. Moottorin valinta

Laskentatulosten perusteellaTECO JSDEP-20A sarjan servomoottorion valittu, jolla on seuraavat suunnitteluvaatimukset täyttävät tekniset tiedot:

Nimellisnopeus: 3000 RPM (säädettävissä 2500 RPM toimintaan)

Nimellisvääntömomentti: 12 N·m (täyttää kuormitusmomenttivaatimuksen)

Roottorin inertia:(lähellä vaadittua arvoa, mukautettavissa virhealueen sisällä)

Kuorman hitaussuhde: 145/29≈5:1 (täyttää suunnittelukriteerit)

III. Johtopäätökset

1. Voimansiirtomekanismien suunnittelussa kuorman hitaus on laskettava tarkasti voimansiirtomekanismin vakauden ja luotettavuuden varmistamiseksi.
2. Kuormitushitauden laskennassa on otettava huomioon erilaiset tekijät, mukaan lukien geometriset parametrit, materiaaliparametrit ja työolosuhteet.
3. Moottorin valinnassa on otettava kattavasti huomioon sellaiset tekijät kuin kuorman hitaus, moottorin nopeus ja vaadittu vääntömomentti sopivimman moottorin valitsemiseksi.

Yhteenvetona voidaan todeta, että yleisten voimansiirtomekanismien kuormitushitauden laskentamenetelmillä ja tapausanalyysillä on suuri merkitys voimansiirtomekanismien suunnittelussa ja moottorin valinnassa. Tarkka laskenta ja järkevä valinta voivat varmistaa voimansiirtomekanismien vakauden ja luotettavuuden sekä parantaa mekaanisten laitteiden suorituskykyä.