Mis on ussülekanne? Täielik tehniline juhend

Iselukustuv paradoks – miks on liikumisele vastu pidav käik kasulik?

Hammasrataste komplekt, mis blokeerib pöörlemist ühes suunas, kõlab nagu disainiviga. Enamikus mehaanilistes süsteemides on liikumistakistus midagi, mille kõrvaldamiseks insenerid pingutavad. Kuid rakendustes, alates käsitsi tõstukitest kuni päikesejälgijate ja kirurgiliste robotite liigesteni, on ajam, mis aktiivselt takistab tagasipöörlemist – ilma välise pidurita, ilma mootori hoidevooluta, ilma vedrude või hammasratasteta – just see, mida disain nõuab. ussikäigukomplekt annab selle omaduse geomeetrilise tagajärjena, mitte lisatud mehhanismina.

Selle mõistmiseks on vaja mõista juhtnurka. Ja juhtnurga mõistmiseks on vaja alustada ussi keerme ja ussiratta haardumise põhigeomeetriast. See juhend arendab seda arusaamist komponendi tasandilt ülespoole, käsitledes iselukustuva füüsikat, pronksratta materjalide paaristamise põhjust, kontaktmehaanikat, mis määrab kandevõime, ja efektiivsuse kompromissi, mida iga ussajamit spetsialiseeriv insener peab oma mootori suuruse arvutamisel arvesse võtma.

Tehniline tabel

Ussülekande komplekti anatoomia — komponendid ja terminoloogia

A ussikäigukomplekt Koosneb täpselt kahest komponendist. Uss on vedav element – ​​silindriline võll, mille pinnale on lõigatud üks või mitu spiraalset keeret, mis meenutab suurt kruvi või keermestatud varda. Ussiratas (nimetatakse ka ussülekandeks või lihtsalt rattaks) on vedav element – ​​hammasratas, mille hambad on hambapinna laiuse ulatuses nõgusalt kõverdatud, et ussisilindrit osaliselt ümbritseda. Kõige tavalisemas konfiguratsioonis on kaks võlli teineteise suhtes 90-kraadise nurga all, kuigi spetsiaalsetes konstruktsioonides on võimalikud ka muud ristumisnurgad.

Keerme geomeetria, mis määrab kõik muu

Eelnurk ei ole lihtsalt joonisel olev number – see on parameeter, mis füüsiliselt seob ülekandearvu, iselukustuva käitumise ja ülekande efektiivsuse ühtseks sidusaks süsteemiks. Ussülekande kõik muud omadused tulenevad eelnurgast, mistõttu on selle mõistmine kasulikum kui spetsifikatsioonide meeldejätmine.

Mõelge, mis toimub ussi keerme ja ussiratta hamba vahelise võrkkontakti juures. Uss pöörleb ja keerme pind libiseb üle ratta hamba pinna. See on põhimõtteliselt libisev kontakt – mitte kald-, kald- või koonushammasrataste veerev kontakt. Libisemise suund on piki ussispiraali, nurga all jõuülekande suunaga rattale. Kontaktjõu komponent, mis edastab pöördemomenti rattale, määratakse juhtnurga koosinuse järgi; komponent, mis tekitab hõõrdumist (ja seega soojust), määratakse juhtnurga ja materjalipaari hõõrdeteguri järgi.

Väikese juhtnurga korral (madal spiraal – nagu on leitud suure ülekandearvuga ühekäigulistel ussidel) surub suurem osa kontaktjõust rattahammast külgsuunas hõõrdumise suunas, selle asemel et seda ettepoole ajada. Seetõttu on suure ülekandearvuga ussidel madal efektiivsus – geomeetria on sisendliikumise väljundpöördemomendiks teisendamisel loomupäraselt ebaefektiivne. Suure juhtnurga korral (järsk spiraal – nagu on leitud väikese ülekandearvuga mitmekäigulistel ussidel) läheb suurem osa kontaktjõust kasuliku pöördemomendi ülekannese ja efektiivsus paraneb. 10:1 ühekäiguline uss võib saavutada efektiivsuse 80–88%; 4:1 kolmekäiguline uss võib saavutada efektiivsuse 93–96%.

Iselukustuvus – füüsika kõige valesti mõistetud omaduse taga

Iselukustuvus tekib siis, kui ussiratas ei saa ussi liigutada – ratta väljundvõllile pöördemomendi rakendamine tekitab haardekontaktis hõõrdumise, mis ületab ussi pööramiseks vajaliku tangentsiaaljõu. Iselukustuvuse tingimus on: tõusunurk λ on väiksem kui hõõrdenurk ρ'. Valemina: λ on väiksem kui arctan(μ ÷ cos α).

Tüüpilise terasussi ja tinapronksratta puhul, millel on õlimäärimine, on hõõrdetegur μ ligikaudu 0,05–0,10. 20-kraadise rõhunurga korral ρ' = arctan(0,07 ÷ cos 20°) ≈ 4,3 kraadi. Iga uss, mille tõusunurk on alla ligikaudu 4,3 kraadi, lukustub nende määrimistingimuste korral ise. Ühe käivitusega ussil suhtega 40:1 ja standardse sammuga silindri läbimõõdu valikuga on tõusunurk tavaliselt 2–3 kraadi – õlimäärimisega mugavalt iselukustuv.

Sellest füüsikast tulenevad kolm praktilist tagajärge, mida spetsifikatsioonides sageli tähelepanuta jäetakse:

■ Iselukustuvus sõltub määrdeaine viskoossusest. Temperatuuri tõustes määrdeaine viskoossus langeb, efektiivne hõõrdetegur hõõrdesõrmel väheneb ja hõõrdenurk väheneb. Ajam, mis mineraalõliga usaldusväärselt iselukustub temperatuuril 20 °C, ei pruugi täissünteetilise käigukastiõliga iselukustuda temperatuuril 75 °C – sama ajam, sama käigukast, erinevad töötingimused. Rakenduste puhul, kus iselukustuv olek on ohutusnõue (tõstukid, päikeseenergia jälgimisseadmed, positsioneerimismehhanismid, mis peavad koormust hoidma, kui mootor on välja lülitatud), tuleb iselukustuvust kontrollida maksimaalsel töötemperatuuril konkreetse määrdeainega, mitte eeldada üldise niminurga põhjal.

■ Mitme käivitusega ussid üldiselt ei ole iselukustuvad. Kahekäigulisel ussil ülekandearvuga 20:1 on tõusunurk ligikaudu kaks korda suurem kui sama ülekandearvuga ühekäigulisel ussil. Suurem tõusunurk võib ületada hõõrdenurka, välistades iselukustuva toime. Kui on vaja iselukustuvat nurka, on standardspetsifikatsiooniks ühekäigulised ussid ülekandearvuga üle 15:1–20:1. Sellest ülekandearvust väiksemate või mitmekäiguliste usside puhul võib vaja minna välist pidurit või kinnitusmehhanismi.

■ „Iselukustuv” ei ole sama mis „tõrkekindel”. Iselukustuvus hoiab ära staatilise koormuse all väljundvõllilt algatatud pöörlemise. See ei takista dünaamiliste koormuste algatatud pöörlemist – vibratsioon, löögiimpulss või võnkuvad koormused, mis hetkeks jõu suunda muudavad, võivad aja jooksul põhjustada iselukustuva ajami roomamist. Kriitiliste ohutusrakenduste puhul tuleks iselukustuvat ajami käsitleda täiendava ohutusfunktsioonina, mitte peamise koormust hoidva mehhanismina.

Võtke ühendust mehaanikutega — miks ussiratta hammas sissepoole kõverdub

Ussiratta hambapind ei ole kogu laiuses tasane nagu silinderhammasrattal. See on nõgus – kaarjas sissepoole, mis vastab ussi hammasratta sammu silindri läbimõõdule. See kumerus saavutatakse ussiprofiiliga freesi (lõikeriist, mille profiil vastab ussi keerme geomeetriale) abil ratta hammaste lõikamiseks. Tulemuseks on see, et kui uss ja ratas on õige keskpunkti kaugusel kokku pandud, on nende vaheline kontakt pigem joon kui punkt.

See joonkontakt on võtmetähtsusega, mis annab õigesti valmistatud ussiülekandekomplekti kandevõime eelise lihtsa ristuva kaldhammasülekande ees (kus tavaline kaldhammas on ühendatud ussiga, tekitades ainult punktkontakti). Kontaktpinge hambumuses on kontaktjõud jagatud kontaktpindalaga. Joonkontakttsoon, mis katab 15–30 mm hambapinna laiusest, jaotab sama jõu 5–10 korda suuremale alale kui punktkontakttsoon, vähendades kontaktpinget sama palju. Madalam kontaktpinge tähendab pikemat pinna väsimuse vastupidavust, suuremat jätkusuutlikku pidevat pöördemomenti ja paremat vastupidavust äkilisele ülekoormusele.

Praktiline tagajärg ostjatele: ussprofiilfreesiga lõigatud ussiratas on põhimõtteliselt erinev toode tavalise spiraalfreesiga lõigatud ussrattast – isegi kui moodul, hammaste arv, ava läbimõõt ja välismõõtmed on identsed. Esimesel on joonkontakt ja suur kandevõime; teisel on punktkontakt ja väike kandevõime. Neid ei ole võimalik väljastpoolt visuaalselt eristada. Ainus usaldusväärne kontroll on kokkupuutepinna test: monteerige uss ja ratas õigele keskpunktide kaugusele, rullige alla märgistuspasta ja veenduge, et kokkupuutepind katab vähemalt 60–70% hambapinna laiusest. Korea Ever-Power teeb selle testi kõigil sobitatud paaridel ja lisab kokkupuutepinna foto saatedokumentatsiooni.

Miks tinapronksratas karastatud terasest ussi vastu — triboloogiline põhjus

Ussülekandekomplektide standardne materjalide paar – karastatud terasest uss vs tinapronksist ratas – ei ole suvaline kokkulepe. See tuleneb ussivõrgu libiseva kokkupuute spetsiifilisest olemusest ja rikkeviisist, mida see paar ära hoiab.

Kahe teraspinna libisev kontakt, isegi määrimise korral, tekitab adhesiivkulumise – protsessi, kus ühe pinna kõrged kohad keevituvad kontaktrõhu ja -temperatuuri all hetkeks teise pinna kõrgete kohtadega ning seejärel libisemise jätkudes rebenevad. Rebenenud killud muutuvad õlifilmis abrasiivseteks osakesteks, kiirendades kulumist eksponentsiaalselt. Seda protsessi, mida nimetatakse kriimustumiseks või söövitamiseks, on domineeriv rikkeviis, kui teras jookseb vastu terast ussiülekande kokkupuutele tüüpilise libisemiskiirusega (0,5–15 m/s).

Tinapronks (ZCuSn10Pb1) hoiab ära selle purunemisviisi spetsiifilise mehhanismi abil: kontaktrõhu ja võrgusilma libisemise koosmõjul moodustab pronksi pind karastatud terasest ussikeermele õhukese, iseenesest uueneva tsingirikka pronksist ülekandekihi. See ülekandekiht toimib ohverdava tahke määrdeainena – sellel on madalam nihketugevus kui kummalgi põhimetallil, seega toimub libisemine eelistatavalt kihi sees, mitte ei põhjusta alusmaterjalide vahel adhesiooni. Kiht uueneb pronksist rattapinnalt pidevalt, kui see kulub. Tulemuseks on stabiilne ja vähese kulumisega libisev liides, mis talub miljoneid kokkupuutetsükleid ilma kriimustusteta.

Ussvõlli pinna kõvadusnõue (55–62 HRC CNC-kvaliteediga usside puhul) on seotud selle mehhanismiga: mida kõvem on ussikeerme pind, seda siledam on esialgne pinnaviimistlus pärast lihvimist ja seda täielikumalt moodustub ülekandekiht sissetöötamise ajal, mitte karedates kõrgendatud kohtades, mis tekitavad abrasiivseid osakesi. Pehme või kare ussikeerme pind häirib ülekandekihi moodustumist ja viib enneaegse liimi kulumiseni, olenemata pronksketta materjali kvaliteedist.

Silindrilised vs globoidsed ussiülekanded — kui tüüp loeb

Tootmises kasutatakse kahte põhimõtteliselt erinevat ussi geomeetriat. silindriline uss (kõige levinum tüüp) on ussivõlli läbimõõt kogu kasuliku pikkuse ulatuses sama – keere on lõigatud konstantse läbimõõduga silindriks. Seda tüüpi on lihtne valmistada, mõõtmeid on lihtne kontrollida ja seda saab valmistada DIN-täpsusklassidesse standardsete lihvimisseadmetega. Valdav enamus tööstuslikest ussiülekannetest – sealhulgas kõik Korea Ever-Poweri kataloogis olevad tooted – on silindrilised ussiülekanded.

See globoidne uss (nimetatakse ka liivakellaussiks või Hindley ussiks) on ussivõll, mis on keskelt kitsam kui otstest – uss paindub radiaalsuunas, et osaliselt ratast ümber kerida. See kõverus võimaldab rohkemal rattahambal igal hetkel ussiga samaaegselt kokku puutuda, mis teoreetiliselt parandab kandevõimet ja efektiivsust. Praktilised puudused on märkimisväärsed: ussi on oluliselt raskem valmistada kitsaste tolerantside järgi, selle mõõtmeid on raskem kontrollida ja seda ei saa aksiaalselt reguleerida, et lõtku taastada nagu silindrilist ussi. Globoidsed ussid esinevad spetsiaalsetes suure koormusega rakendustes, näiteks ehituskraanade ja suurte sõjaväe tornide pöördajamites, kus koormustiheduse põhjendus on piisavalt tugev, et aktsepteerida tootmise keerukust.

Valdavalt enamiku tööstuslike rakenduste jaoks – CNC-tööpinkide pöördteljed, konveieri ajamite, päikesejälgijate, põllumajandusmasinate, pakendamisseadmete, meditsiiniseadmete ja autotööstuse ajamite jaoks – on silindriline uss õige spetsifikatsioon. Globoidne tüüp pakub eeliseid ainult siis, kui kontaktkoormus korpuse mahuühiku kohta on nii äärmuslik, et standardne silindrilise ussi konstruktsioon ei suuda paigaldusruumi piirangute raames saavutada nõutavat kasutusiga.

Levinud terminoloogiavead – mida inimesed ütlevad vs mida nad mõtlevad

Ussülekande komponentide terminoloogia on eri tööstusharudes, piirkondades ja inseneritraditsioonides ebaühtlane. Allolev tabel selgitab hankeläbirääkimistel kõige levinumaid segaduse allikaid:

Kuhu ussiülekanded kuuluvad – ja kuhu mitte

Ussülekanne on õige mehaaniline lahendus, kui rakenduses on samaaegselt kaks või enam järgmistest omadustest: on vaja täisnurkset võlli paigutust; ühes etapis on vaja suurt ülekandearvu; on vaja iselukustuvat asendihoidmist ilma eraldi pidurita; müra tuleb minimeerida võrreldes teiste käigukastitüüpidega; ja kompaktne pakkimine suure ülekandearvu juures on oluline.

Kui need tingimused puuduvad – eriti kui esmane nõue on suur jõuülekande efektiivsus, kui võlli paigutus on paralleelne või kui on vaja väikest ülekandearvu –, tuleks kaaluda alternatiive, nagu kaldhammasrattad, planetaarkäigukastid või koonushammasrattad. Ussülekande efektiivsuse langus (mis võib suurte ülekandearvude korral ulatuda 30–401 TP3T sisendvõimsusest soojuse kujul) on reaalne tegevuskulu, mida tuleb arvestada süsteemi koguenergia eelarves ja mootori soojuskoormuse arvutamisel.

Täielike suletud ajamisüsteemide jaoks, mis ühendavad ussiülekande komplekti korpuse, laagrite, tihendite ja mootori kinnitusäärikuga, kompaktne ussiülekande reduktorid on saadaval paigaldusvalmis üksustena. Paljaste hammasrataste komponentide puhul, mille korpus on osa masina raami konstruktsioonist, individuaalsed ussi- ja rattakomplektid Korea Ever-Power pakub kõiki mooduleid, materjale ja täpsusklasse. 

Korduma kippuvad küsimused