INCT GmbH
I. Grundlegendes Bewegungsmodell eines Planetengetriebes: Kopplung von Drehung und Umdrehung
Das Herzstück eines Planetengetriebes ist das Planetengetriebe, dessen Bewegungseigenschaften einem sonnensystemähnlichen mechanischen Prinzip folgen: Das zentrale Zahnrad (Sonnenrad) befindet sich in der Mitte des Systems, während die Planetengetriebe um das Sonnenrad kreisen und entlang der Innenwand des Hohlrads (Ringraum) rollen. Diese zusammengesetzte Bewegung umfasst zwei grundlegende Aktionen:
1. Selbstdrehung von Planetengetrieben
Wenn sich das Sonnenrad im Uhrzeigersinn dreht, erfährt die Zahnfläche des Planetenrads, das mit dem Sonnenrad in Eingriff steht, eine tangentiale Antriebskraft. Aufgrund der Rückwärtsrichtungscharakteristik des Zahnradeingriffs bewirkt diese Kraft, dass sich das Planetenrad gegen den Uhrzeigersinn um seine eigene Achse dreht.
2. Revolution der Planetengetriebe
Während des Eingriffs mit den Innenverzahnungen des Zahnkranzes drehen sich die Planetenräder, während sie sich um ihre eigenen Achsen drehen, im Uhrzeigersinn entlang der Umfangsbahn des Zahnkranzes. Der Mittelpunkt dieser Umdrehung fällt mit der Achse des Sonnenrads zusammen.
Die kombinierte Wirkung dieser beiden Bewegungen bewirkt, dass der Planetenträger (das Bauteil, das die Planetengetriebewellen trägt) eine mit der Umdrehung der Planetengetriebe synchrone Drehbewegung entwickelt, wodurch ein Hochgeschwindigkeitseingang mit niedrigem Drehmoment in einen Hochgeschwindigkeitsausgang mit hohem Drehmoment umgewandelt wird.
II. Drei Elemente der Kraftübertragung: feste Teile, Eingangsteile und Ausgangsteile
Die Getriebeeigenschaften eines Planetengetriebes werden durch die Auswahl des "festen Bauteils" bestimmt, d. h. eine der drei Komponenten - Sonnenrad, Hohlrad oder Planetenträger - kann fest sein oder als Eingangs- / Ausgangsanschluss dienen. Die drei gängigen Betriebsarten sind wie folgt:
1.Festes Hohlrad (typischster Verzögerungsmodus)
· Eingabe: Das Sonnenrad (Antriebsrad) dreht sich im Uhrzeigersinn.
· Feste Teile: Der Zahnkranz (Innenkranz) ist fest.
· Ausgang: Der Planetenträger (der die Abtriebswelle antreibt) dreht sich im Uhrzeigersinn.
· Bewegungsübertragungsprozess:
· Das Sonnenrad treibt das Planetenrad zum Drehen an (gegen den Uhrzeigersinn), und gleichzeitig wird das Planetenrad gezwungen, sich entlang der Innenwand des Hohlrads (im Uhrzeigersinn) zu drehen, da das Hohlrad fixiert ist.
· Der Planetenträger dreht sich synchron mit der Umdrehung der Planetengetriebe mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als das Sonnenrad.
· Berechnung des Übersetzungsverhältnisses: Die Anzahl der Zähne des Sonnenrads soll Z seinS, die Anzahl der Zähne des Zahnkranzes ist Zr, die Rotationsgeschwindigkeit des Planetenträgers ist nc, und die Drehzahl des Sonnenrads ist nS. Entsprechend dem Verhältnis der Eingriffsgeschwindigkeit des Getriebes: (nS-nc) / (nr-NC) = -Zr/ ZS. Wenn der Zahnkranz befestigt ist und nr = 0, das Übersetzungsverhältnis wird vereinfacht auf: i = nS/ nr= 1 + Zr/ ZS
· Zum Beispiel ZS= 20, Zr= 60, dann i = 4, die Ausgangsdrehzahl beträgt 1 / 4 des Eingangs, und das Drehmoment wird um das Vierfache erhöht (ohne Berücksichtigung des Wirkungsgradverlustes).
2. Sonnengetriebe fest (Geschwindigkeitserhöhungsmodus)
· Eingabe: Der Planetenträger dreht sich im Uhrzeigersinn.
· Fester Teil: Die Sonnenausrüstung ist stationär.
·Ausgang:Das Hohlrad dreht sich im Uhrzeigersinn mit einer höheren Geschwindigkeit als der Planetenträger
· Übersetzungsverhältnis: i = nS/ nr= 1 + Zr/ ZsErreicht zu diesem Zeitpunkt eine Geschwindigkeitssteigerung, wird aber in der Praxis aufgrund der großen Eingangsträgheit des Planetenträgers nur selten in Geschwindigkeitserhöhungsszenarien eingesetzt.
3. Planetenträger fest (Differentialmodus)
·Eingang:Das Sonnenrad und das Hohlrad drehen sich in Verbindung (wobei die Richtungen gleich oder entgegengesetzt sind).
· Fester Teil: Der Planetenträger ist stationär.
· Ausgang: Keine direkte Ausgabe, häufig verwendet in Szenarien, in denen eine Bewegungssynthese erforderlich ist (z. B. bei Autodifferentialen).
III. Prinzip der Überlagerung des Übersetzungsverhältnisses eines mehrstufigen Planetengetriebes
Das Übersetzungsverhältnis eines einstufigen Planetengetriebes liegt typischerweise zwischen 3 und 10. Wird ein größeres Übersetzungsverhältnis (z. B. mehr als 100) benötigt, ist eine mehrstufige Reihenschaltung erforderlich. Nehmen wir als Beispiel ein zweistufiges Planetengetriebe:
· Erste Stufe: Sonnenrad Zs1 Eingang, Hohlrad Zr1 fest, Planetenträger C1 Ausgang (Geschwindigkeit).
· Zweite Stufe: Planetenträger C1 der ersten Stufe dient als Eingang für das Sonnenrad Zs2 der zweiten Stufe, Hohlrad Zr2 ist fest, und die zweite Stufe Planetenträger C2 Ausgänge.
· Gesamtübertragungsverhältnis: iS= i1Xi2= (1 + Zr1/ ZStufe 1) x (1 + ZR2/ Zs2).Die mehrstufige Konstruktion kann durch die Optimierung der Getriebeparameter (z. B. ungleiche Zahndifferenz, versetztes Eingreifen) ein großes Übersetzungsverhältnis auf kompaktem Raum erreichen und gleichzeitig die Last jedes Planetengetriebes durch eine Lastverteilungsstruktur (z. B. ein schwimmendes Sonnenrad, einen flexiblen Planetenträger) ausgleichen, um eine Überlastung durch einzelne Zähne zu vermeiden.
IV. Grundlegende Unterstützung der wichtigsten technischen Vorteile
Die hohe Leistung von Planetengetrieben beruht auf ihren einzigartigen Bewegungsübertragungseigenschaften:
1. Effekt der Leistungsumleitung: Mehrere Planetengetriebe (in der Regel 3-6) sind gleichmäßig um das Sonnenrad herum verteilt, zerlegen das Eingangsdrehmoment in mehrere Teile und übertragen es durch Zahnoberflächenkontakt auf das Hohlrad und den Planetenträger. Diese Mehrpunktverzahnung reduziert den Tragdruck eines einzelnen Getriebes, und die Drehmomenttragfähigkeit ist 3-5 Mal höher als die eines einstufigen Zylindergetriebes bei gleichem Volumen.
2. Fehlerausgleichsmechanismus: Die Umdrehung des Planetengetriebes mittelt die Bearbeitungsfehler jedes Zahnrads (z. B. Teilungsabweichung) in Umfangsrichtung. Mit dem hochpräzisen Zahnradschleifverfahren (Genauigkeitsstufe ISO 4-6) kann das Rücklaufspiel (die Winkeldifferenz zwischen Eingang und Ausgang im Leerlauf) innerhalb von 1-10 Bogenminuten gesteuert werden, um die Anforderungen an die Präzisionspositionierung zu erfüllen.
3. Selbstausgleichende Axiallast: Die von den schrägverzahnten Planetengetrieben beim Eingriff erzeugten Axialkräfte werden durch die symmetrisch angeordneten Planetengetriebe ausgeglichen, ohne dass zusätzliche Axiallager erforderlich sind, was den Aufbau vereinfacht und die Steifigkeit verbessert.
V. Bewegungssimulation und Kraftanalyse unter typischen Arbeitsbedingungen
Nehmen wir als Beispiel den Gelenkantrieb von Industrierobotern, wenn sich das Planetengetriebe in der Hochgeschwindigkeits-Anfahrphase mit geringer Last befindet:
- Das Sonnenrad dreht sich schnell, und die Drehzahl des Planetengetriebes ist höher als die Drehzahl. Zu diesem Zeitpunkt gleitet der Eingriffspunkt zwischen dem Planetengetriebe und dem Hohlrad entlang der Zahnoberfläche und erzeugt einen Eingriffsschlag. Das Aufprallgeräusch kann durch Modifikation der Zahnoberfläche (z. B. Optimierung der Trommelzähne und des Schrägungswinkels) reduziert werden.
- Nach dem Eintritt in die stabile Belastungsstufe wird die Drehzahl des Planetengetriebes mit der Abtriebsdrehzahl synchronisiert, der Eingriffspunkt wird zum reinen Walzen, und die Kontaktspannung wird gleichmäßig in Richtung der Zahnbreite verteilt. Mit Ölbadschmierung oder Fettschmierung kann eine Lebensdauer von 10.000 Stunden erreicht werden.
VI. Grundlegende Unterschiede zu anderen Reduzierstücken
Im Vergleich zu Schneckengetrieben (die sich auf ein Schnecken- und Zahnradgetriebe stützen) und zykloidalen Schneckenradgetrieben (die das Eingreifen zwischen Zykloidrädern und Stiftzähnen nutzen) sind die Hauptvorteile of Planetengetriebe sind wie folgt:
· Reines Zahnradeingreifen: Eliminiert die Gleitreibung von Schneckengetrieben und erhöht den Wirkungsgrad um 20-30%.
· KoaxIal Reduzierstücke: Die Eingangs- und Ausgangswellen sind koaxial, und die Raumausnutzung ist höher als bei parallelen Untersetzungsgetrieben.
· Kombinierbarkeit: Durch den modularen Aufbau, die mehrstufige Übertragung und verschiedene Installationsmethoden (Flanschtyp, Wellenverlängerungstyp) können leicht realisiert werden.
VII. Schlussfolgerung
Das Funktionsprinzip des Planetengetriebes besteht im Wesentlichen darin, durch die Verbundbewegung des Planetengetriebes eine "Hochgeschwindigkeitsrotation" in ein "hohes Drehmoment mit niedriger Drehzahl" umzuwandeln. Sein Kerngeheimnis liegt in der präzisen Steuerung der Eingriffsbewegung des Getriebes - vom einstufigen Differentialprinzip bis zur mehrstufigen Übersetzungsüberlagerung, von der Lastumleitung der Materialmechanik bis zur Fehlermittelung der Präzisionsfertigung, jedes Glied spiegelt die Weisheit des Maschinenbaus wider. Da die Anforderungen der Industrieautomation an Präzision, Effizienz und Zuverlässigkeit weiter steigen, wird sich die prinzipielle Innovation von Planetengetrieben in den Bereichen Materialien, Schmierung, Regelalgorithmen usw. weiter vertiefen und zum "Präzisionsherz" werden, das die moderne Industrie antreibt.
I. Grundlegendes Bewegungsmodell eines Planetengetriebes: Kopplung von Drehung und Umdrehung
Das Herzstück eines Planetengetriebes ist das Planetengetriebe, dessen Bewegungseigenschaften einem sonnensystemähnlichen mechanischen Prinzip folgen: Das zentrale Zahnrad (Sonnenrad) befindet sich in der Mitte des Systems, während die Planetengetriebe um das Sonnenrad kreisen und entlang der Innenwand des Hohlrads (Ringraum) rollen. Diese zusammengesetzte Bewegung umfasst zwei grundlegende Aktionen:
1. Selbstdrehung von Planetengetrieben
Wenn sich das Sonnenrad im Uhrzeigersinn dreht, erfährt die Zahnfläche des Planetenrads, das mit dem Sonnenrad in Eingriff steht, eine tangentiale Antriebskraft. Aufgrund der Rückwärtsrichtungscharakteristik des Zahnradeingriffs bewirkt diese Kraft, dass sich das Planetenrad gegen den Uhrzeigersinn um seine eigene Achse dreht.
2. Revolution der Planetengetriebe
Während des Eingriffs mit den Innenverzahnungen des Zahnkranzes drehen sich die Planetenräder, während sie sich um ihre eigenen Achsen drehen, im Uhrzeigersinn entlang der Umfangsbahn des Zahnkranzes. Der Mittelpunkt dieser Umdrehung fällt mit der Achse des Sonnenrads zusammen.
Die kombinierte Wirkung dieser beiden Bewegungen bewirkt, dass der Planetenträger (das Bauteil, das die Planetengetriebewellen trägt) eine mit der Umdrehung der Planetengetriebe synchrone Drehbewegung entwickelt, wodurch ein Hochgeschwindigkeitseingang mit niedrigem Drehmoment in einen Hochgeschwindigkeitsausgang mit hohem Drehmoment umgewandelt wird.
II. Drei Elemente der Kraftübertragung: feste Teile, Eingangsteile und Ausgangsteile
Die Getriebeeigenschaften eines Planetengetriebes werden durch die Auswahl des "festen Bauteils" bestimmt, d. h. eine der drei Komponenten - Sonnenrad, Hohlrad oder Planetenträger - kann fest sein oder als Eingangs- / Ausgangsanschluss dienen. Die drei gängigen Betriebsarten sind wie folgt:
1.Festes Hohlrad (typischster Verzögerungsmodus)
· Eingabe: Das Sonnenrad (Antriebsrad) dreht sich im Uhrzeigersinn.
· Feste Teile: Der Zahnkranz (Innenkranz) ist fest.
· Ausgang: Der Planetenträger (der die Abtriebswelle antreibt) dreht sich im Uhrzeigersinn.
· Bewegungsübertragungsprozess:
· Das Sonnenrad treibt das Planetenrad zum Drehen an (gegen den Uhrzeigersinn), und gleichzeitig wird das Planetenrad gezwungen, sich entlang der Innenwand des Hohlrads (im Uhrzeigersinn) zu drehen, da das Hohlrad fixiert ist.
· Der Planetenträger dreht sich synchron mit der Umdrehung der Planetengetriebe mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als das Sonnenrad.
· Berechnung des Übersetzungsverhältnisses: Die Anzahl der Zähne des Sonnenrads soll Z seinS, die Anzahl der Zähne des Zahnkranzes ist Zr, die Rotationsgeschwindigkeit des Planetenträgers ist nc, und die Drehzahl des Sonnenrads ist nS. Entsprechend dem Verhältnis der Eingriffsgeschwindigkeit des Getriebes: (nS-nc) / (nr-NC) = -Zr/ ZS. Wenn der Zahnkranz befestigt ist und nr = 0, das Übersetzungsverhältnis wird vereinfacht auf: i = nS/ nr= 1 + Zr/ ZS
· Zum Beispiel ZS= 20, Zr= 60, dann i = 4, die Ausgangsdrehzahl beträgt 1 / 4 des Eingangs, und das Drehmoment wird um das Vierfache erhöht (ohne Berücksichtigung des Wirkungsgradverlustes).
2. Sonnengetriebe fest (Geschwindigkeitserhöhungsmodus)
· Eingabe: Der Planetenträger dreht sich im Uhrzeigersinn.
· Fester Teil: Die Sonnenausrüstung ist stationär.
·Ausgang:Das Hohlrad dreht sich im Uhrzeigersinn mit einer höheren Geschwindigkeit als der Planetenträger
· Übersetzungsverhältnis: i = nS/ nr= 1 + Zr/ ZsErreicht zu diesem Zeitpunkt eine Geschwindigkeitssteigerung, wird aber in der Praxis aufgrund der großen Eingangsträgheit des Planetenträgers nur selten in Geschwindigkeitserhöhungsszenarien eingesetzt.
3. Planetenträger fest (Differentialmodus)
·Eingang:Das Sonnenrad und das Hohlrad drehen sich in Verbindung (wobei die Richtungen gleich oder entgegengesetzt sind).
· Fester Teil: Der Planetenträger ist stationär.
· Ausgang: Keine direkte Ausgabe, häufig verwendet in Szenarien, in denen eine Bewegungssynthese erforderlich ist (z. B. bei Autodifferentialen).
III. Prinzip der Überlagerung des Übersetzungsverhältnisses eines mehrstufigen Planetengetriebes
Das Übersetzungsverhältnis eines einstufigen Planetengetriebes liegt typischerweise zwischen 3 und 10. Wird ein größeres Übersetzungsverhältnis (z. B. mehr als 100) benötigt, ist eine mehrstufige Reihenschaltung erforderlich. Nehmen wir als Beispiel ein zweistufiges Planetengetriebe:
· Erste Stufe: Sonnenrad Zs1 Eingang, Hohlrad Zr1 fest, Planetenträger C1 Ausgang (Geschwindigkeit).
· Zweite Stufe: Planetenträger C1 der ersten Stufe dient als Eingang für das Sonnenrad Zs2 der zweiten Stufe, Hohlrad Zr2 ist fest, und die zweite Stufe Planetenträger C2 Ausgänge.
· Gesamtübertragungsverhältnis: iS= i1Xi2= (1 + Zr1/ ZStufe 1) x (1 + ZR2/ Zs2).Die mehrstufige Konstruktion kann durch die Optimierung der Getriebeparameter (z. B. ungleiche Zahndifferenz, versetztes Eingreifen) ein großes Übersetzungsverhältnis auf kompaktem Raum erreichen und gleichzeitig die Last jedes Planetengetriebes durch eine Lastverteilungsstruktur (z. B. ein schwimmendes Sonnenrad, einen flexiblen Planetenträger) ausgleichen, um eine Überlastung durch einzelne Zähne zu vermeiden.
IV. Grundlegende Unterstützung der wichtigsten technischen Vorteile
Die hohe Leistung von Planetengetrieben beruht auf ihren einzigartigen Bewegungsübertragungseigenschaften:
1. Effekt der Leistungsumleitung: Mehrere Planetengetriebe (in der Regel 3-6) sind gleichmäßig um das Sonnenrad herum verteilt, zerlegen das Eingangsdrehmoment in mehrere Teile und übertragen es durch Zahnoberflächenkontakt auf das Hohlrad und den Planetenträger. Diese Mehrpunktverzahnung reduziert den Tragdruck eines einzelnen Getriebes, und die Drehmomenttragfähigkeit ist 3-5 Mal höher als die eines einstufigen Zylindergetriebes bei gleichem Volumen.
2. Fehlerausgleichsmechanismus: Die Umdrehung des Planetengetriebes mittelt die Bearbeitungsfehler jedes Zahnrads (z. B. Teilungsabweichung) in Umfangsrichtung. Mit dem hochpräzisen Zahnradschleifverfahren (Genauigkeitsstufe ISO 4-6) kann das Rücklaufspiel (die Winkeldifferenz zwischen Eingang und Ausgang im Leerlauf) innerhalb von 1-10 Bogenminuten gesteuert werden, um die Anforderungen an die Präzisionspositionierung zu erfüllen.
3. Selbstausgleichende Axiallast: Die von den schrägverzahnten Planetengetrieben beim Eingriff erzeugten Axialkräfte werden durch die symmetrisch angeordneten Planetengetriebe ausgeglichen, ohne dass zusätzliche Axiallager erforderlich sind, was den Aufbau vereinfacht und die Steifigkeit verbessert.
V. Bewegungssimulation und Kraftanalyse unter typischen Arbeitsbedingungen
Nehmen wir als Beispiel den Gelenkantrieb von Industrierobotern, wenn sich das Planetengetriebe in der Hochgeschwindigkeits-Anfahrphase mit geringer Last befindet:
- Das Sonnenrad dreht sich schnell, und die Drehzahl des Planetengetriebes ist höher als die Drehzahl. Zu diesem Zeitpunkt gleitet der Eingriffspunkt zwischen dem Planetengetriebe und dem Hohlrad entlang der Zahnoberfläche und erzeugt einen Eingriffsschlag. Das Aufprallgeräusch kann durch Modifikation der Zahnoberfläche (z. B. Optimierung der Trommelzähne und des Schrägungswinkels) reduziert werden.
- Nach dem Eintritt in die stabile Belastungsstufe wird die Drehzahl des Planetengetriebes mit der Abtriebsdrehzahl synchronisiert, der Eingriffspunkt wird zum reinen Walzen, und die Kontaktspannung wird gleichmäßig in Richtung der Zahnbreite verteilt. Mit Ölbadschmierung oder Fettschmierung kann eine Lebensdauer von 10.000 Stunden erreicht werden.
VI. Grundlegende Unterschiede zu anderen Reduzierstücken
Im Vergleich zu Schneckengetrieben (die sich auf ein Schnecken- und Zahnradgetriebe stützen) und zykloidalen Schneckenradgetrieben (die das Eingreifen zwischen Zykloidrädern und Stiftzähnen nutzen) sind die Hauptvorteile of Planetengetriebe sind wie folgt:
· Reines Zahnradeingreifen: Eliminiert die Gleitreibung von Schneckengetrieben und erhöht den Wirkungsgrad um 20-30%.
· KoaxIal Reduzierstücke: Die Eingangs- und Ausgangswellen sind koaxial, und die Raumausnutzung ist höher als bei parallelen Untersetzungsgetrieben.
· Kombinierbarkeit: Durch den modularen Aufbau, die mehrstufige Übertragung und verschiedene Installationsmethoden (Flanschtyp, Wellenverlängerungstyp) können leicht realisiert werden.
VII. Schlussfolgerung
Das Funktionsprinzip des Planetengetriebes besteht im Wesentlichen darin, durch die Verbundbewegung des Planetengetriebes eine "Hochgeschwindigkeitsrotation" in ein "hohes Drehmoment mit niedriger Drehzahl" umzuwandeln. Sein Kerngeheimnis liegt in der präzisen Steuerung der Eingriffsbewegung des Getriebes - vom einstufigen Differentialprinzip bis zur mehrstufigen Übersetzungsüberlagerung, von der Lastumleitung der Materialmechanik bis zur Fehlermittelung der Präzisionsfertigung, jedes Glied spiegelt die Weisheit des Maschinenbaus wider. Da die Anforderungen der Industrieautomation an Präzision, Effizienz und Zuverlässigkeit weiter steigen, wird sich die prinzipielle Innovation von Planetengetrieben in den Bereichen Materialien, Schmierung, Regelalgorithmen usw. weiter vertiefen und zum "Präzisionsherz" werden, das die moderne Industrie antreibt.