Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Přesné reduktory v pohonných řetězcích moderních strojů

číslo 5/2002

Přesné reduktory v pohonných řetězcích moderních strojů

Požadavky současného průmyslu na pohonné agregáty jsou často spojeny s nutností přeměny velikosti silových účinků za velmi přesných podmínek přenosu kinematických veličin. Nezbytnou součástí řetězce pohonů jsou reduktory, obecněji převodové mechanismy, jejichž hlavní úlohou je transformace výkonových (silových a kinematických) veličin.

Přesné reduktory jsou zařízení založená na různých mechanických principech, ale se stejným cílem: zajistit vysokou kinematickou přesnost pohonného uzlu, do kterého jsou montovány. V praxi to znamená, že pohonný řetězec, ve kterém je reduktor namontován, je schopen zajistit polohování poháněného zařízení s přesností na tisíciny milimetru nebo v případě rotačního pohonu s přesností jednotek úhlových vteřin. Současně musí pohon zajistit přenos silových účinků na části zařízení, které vykonávají požadovanou funkci. Tyto požadavky musí být respektovány při konstrukci reduktoru i při návrhu technologie výroby.

Obr. 1.

Oblastí nejčastějšího použití jsou tedy výrobní zařízení, především obráběcí stroje a manipulační technika (roboty, polohovadla apod.). Další oblasti použití jsou zařízení pro letecký a vojenský průmysl, papírenské, dřevozpracující, textilní a sklářské stroje.

V zásadě jsou tyto reduktory koncipovány jako planetové převody s evolventním ozubením v nejrůznějších kombinacích uspořádání členů planetového převodu (např. firma ZF Friederichshafen AG, Alpha), nebo jsou to převody cykloidní (firma Cyclo), nebo harmonické (firma Harmonic Drive). Vzhledem k tomu, že jsou tyto reduktory určeny pro podobné aplikace, jsou na ně kladeny podobné technické požadavky. Jde především o velký převodový poměr, kinematickou přesnost, malý mrtvý chod a vysokou momentovou kapacitu. Převod je obvykle uspořádán v kompaktní skříni a lze jej velmi snadno spojit s vhodným hnacím motorem.

Na principu cykloidní převodovky pracují i ložiskové reduktory Twinspin, patentované a vyráběné firmou Spinea, s. r. o., v Prešově na Slovensku. Jsou to převodové mechanismy, v nichž jsou integrována velmi přesná cykloidní ozubená kola s velmi přesným radiálně-axiálním ložiskem. V těchto převodech je zcela vyloučen přenos silových účinků třením ploch po sobě, protože veškeré silové účinky jsou přenášeny přes valivé prvky.

Na obr. 1 je řez touto převodovkou s popisem hlavních částí mechanismu. Skříň nosným prvkem konstrukce a obsahuje oběžné dráhy radiálně-axiálního ložiska. To je tvořeno válečky, jejichž osy jsou uspořádány v axiálním i radiálním směru vůči ose převodu. Příruby jsou výstupní členy, umístěné ze vstupní a výstupní strany. Obsahují oběžné dráhy radiálně-axiálního ložiska, jsou spojeny a otáčejí se redukovanými otáčkami. Cykloidní ozubená kola přenášejí točivý moment. Transformační člen přenáší planetový pohyb cykloidních ozubených kol na rotační pohyb přírub. Těsnění zamezuje prosakování maziva a vstupu nečistot do reduktoru. Excentry vstupního rychloběžného hřídele, který je uložen ve válečkových ložiskách, vynucují valivý pohyb cykloidních kol. Trochoidní profil na vnějším obvodě kol je v záběru s ložiskovými jehličkami vloženými v drážkách skříně. Planetový pohyb cykloidních kol se mění na otočný pohyb přírub pomocí transformačních členů. Jejich ramena jsou podpírána drážkami cykloidních ozubených kol a přírub valivými prvky.

Všechny typy jmenovaných převodů jsou výrobcem nabízeny ve velikostních řadách. To umožňuje při návrhu struktury zařízení použít postupně od největších až po nejmenší reduktory stejného výrobce. Jejich velikost v systému je obvykle odvozována od velikosti potřebného torzního momentu a frekvence otáčení.

Obr. 2.

Na obr. 2 je příklad použití ložiskových reduktorů Twinspin různých velikostí v konstrukci robotu. Pro hlavní osu robotu je použit největší převod ve variantě upevnění za přírubu k neotočnému základu a za skříň k otočné hlavní ose robotu. Z konstrukčního schématu je také patrná zásadní výhoda reduktoru Twinspin, která spočívá v integraci reduktoru s radiálně-axiálním ložiskem. To umožňuje realizovat přímou vazbu otočné a neotočné části osy přes ložiskový reduktor. Pro pohonný mechanismus dalších kloubů robotu jsou použity další typy převodů.

Při použití reduktoru Twinspin je pro konstruktéra nevýhodou, že s těmito reduktory nejsou dlouhodobější provozní zkušenosti. Oporou mohou být podklady s údaji deklarovanými výrobcem, zpracované na vysoké úrovni, ke kterým ale zatím chybí ekvivalentní experimentální a výpočtové posouzení nezávislým pracovištěm. Cenným přínosem se pro odbornou veřejnost stává každá práce, která se problematikou reduktorů Twinspin zabývá.

V posledních letech je v Ústavu výrobních strojů a mechanismů, odboru částí a mechanismů strojů, Fakulty strojní ČVUT v Praze díky podpoře výzkumného záměru J04/98: 212200008 systematicky modernizována aparatura pro experimentální posuzování provozních parametrů komponent strojních pohonů. V rámci tohoto projektu MŠMT byla navržena studie experimentálního hodnocení celé série převodových mechanismů od různých světových výrobců. Tento výzkum bude v Ústavu výrobních strojů a mechanismů realizován v druhé polovině roku 2002 a v průběhu celého roku 2003. Se všemi dílčími i celkovými výsledky bude technická veřejnost seznamována v odborných publikacích.

Příspěvek je součástí řešení podporovaného Výzkumným záměrem J04/98: 212200008.

Literatura:

[1] DYNYBYL, V.: Posouzení napjatosti pružného kola harmonického ozubeného převodu komparační metodou. [Disertační práce.], ČVUT Praha, Praha 2000.

[2] DYNYBYL, V. – JANČÍK, L.: The Reliability and Service Life of Precise Mechanical Drives in Robots. In: RAAD 2001, IHRT TU Wien, Wien 2001.

[3] DYNYBYL, V. – JANČÍK, L. – ŠIMEK, D. – ŠPANIEL, M.: The Results of Modelling and Testing of Harmonic Drive. In: 18th Danubia-Adria Symphosium on Experimental Methods in Solid Mechanics. Steyr 2001.

[4] BAUER, Z. – ČEŠPÍRO, Z. – DYNYBYL, V. – KANAVAL, J. – NĚMEC, R. – TOMEK, P.: Experimentální hodnocení planetové převodovky TS 030383/125. Výzkumná zpráva, ČVUT FSI, Praha 1997.

[5] KIMEX, s. r. o.: Catalogue of Twinspin, Edition II. Košice 2000.

[6] ČEŠPÍRO, Z. – DYNYBYL, V. – KANAVAL, J. – TOMEK, P.: Hodnocení funkční spolehlivosti kotoučových brzd EBA. In: XXXIX. konference kateder částí a mechanismů strojů. TU Liberec 1998.

[7] DYNYBYL, V.: Identification of Drive’s Service Parameters Using Experimental Simulations. In: Workshop 2002, CTU in Prague, pp. 736-737.

[8] ŠPANIEL, M. a kol.: Modelování harmonické převodovky MKP, Výpočty 2000. Praha 2000.

[9] ŠPANIEL, M. a kol.: Modelling and Testing of Harmonic Drive. In: 17th Danubia-Adria Symphosium on Experimental Methods in Solid Mechanics. Praha 2000.

[10] JANČÍK, L.: Příspěvek ke konstrukčnímu výpočtu vlnových ozubených převodů. Praha, ČVUT Praha 1990.

[11] www.twinspin.sk

Ing. Vojtěch Dynybyl, Ph.D.,
České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní,
Ústav výrobních strojů a mechanismů, odbor částí a mechanismů strojů
(dynybyl@fsid.cvut.cz)

Inzerce zpět