运动控制和负载保持技术的概念

在电机和负载之间提供连接性的机制与最终保持负载静止的设备是一样的。

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一个这是即将到来的Motion + Power技术博览会的导语,我这个月的文章将专注于负载保持技术。这篇文章的主题是一句古老的格言,“一辆车上的刹车不停车;轮胎让车停下来了。”刹车使轮胎停止转动。也许有一点过于微妙,然而,我们想要详细查看运动控制和保持技术频谱的每个部分,以评估和分析问题和改进的机会。

首先,让我定义两个在本文中使用的术语:

  • 运动控制,其中我们试图通过弹性连接器(即绳索或电缆等)减速和/或加速连接到系统的负载(质量)。
  • 载荷保持装置是指,一旦载荷固定,其工作原理是保持载荷相对于参考点的位置或方向(即在某一特定位置停留一段时间)。

当我们观察我们的传动系作为一种装置的下游效应以及我们控制它们的方式和它们正在移动的负载时,我们必须考虑我们如何开始不移动的负载,停止正在移动的负载,并在给定位置保持该负载。当停止移动质量时,例如通过弹性介质连接到齿轮系的实际质量,我们需要非常清楚负载和支撑结构对惯性变化的响应。如果我们试图过快地停止大质量,连接器和/或支撑结构上产生的荷载可能会超过其他可管理的设计极限。一般认为,在设计系统时,应使用大约2.0的系数,该系统可逐步改变施加的荷载(对于电缆、拉伸荷载等)。该系数用于说明电缆存储和释放负载保持装置产生的能量的能力。这只是设计具有负载保持能力的任何类型齿轮箱时应考虑的因素的一个示例。组件和行业适用性的每一种组合都有其自身的使用价值。

从这个角度来看,到目前为止,基本上只有两种停止运动的方式:摩擦和机械锁存。

摩擦

摩擦法依赖于组件界面,通过表面磨损以热量的形式耗散相对运动,然后当两个组件停止运动时,只要在能量耗散阶段表面没有损坏,并且夹紧力足够,摩擦就会保持它们。基于摩擦的运动控制承载能力是基于局部摩擦有效系数和可实现的法向力两个因素。在设计这些系统时,假设所施加的法向力在整个摩擦面上是一致的,如果使用多片离合器组件,则在整个离合器组件中是均匀的。通过确保刚性结构和均匀的法向力施加机制(例如液压活塞等),这个假设在实践中相当容易实现。

第二种假设是啮合和持荷状态下的局部有效摩擦系数是恒定的。这是一个更大的问题,因为它几乎是一个功能的摩擦材料和润滑剂使用在离合器(这一评论适用于“干”润滑)。润滑剂对负载减速过程中能量耗散的作用是控制界面摩擦,并以热量的形式耗散减速能量。然而,热量引起粘度的变化,粘度的变化导致有效摩擦系数以一种不受控制的方式发生变化。此外,大多数中级润滑油在滑动时的摩擦系数与离合器锁定时的摩擦系数不同。这两种状态下的有效摩擦系数通常被标记为动摩擦或滑动摩擦和静摩擦。

这种差异对系统的影响的一个主要缺点是,通常动态摩擦系数比静态摩擦系数的值大。这种现象通常用系数梯度来定义。如果动态高于静态,润滑剂呈现负系数梯度。类似地,如果静态比动态高,则润滑剂具有正梯度。为什么这很重要?如果动态系数高于静态的,然后随着负载的降低管理应用上的负载摩擦界面(这是我们唯一的控制机制)的内部能量转化为热量的负载离合器和刷新的润滑剂。对于一个恒定的法向力(我们的控制)到一个稳定的摩擦系数,在给定的半径,系统发展一个能量耗散率,反过来减缓负载。问题:当负载停止时,有效摩擦系数作为摩擦材料与润滑剂相互作用的函数,从动态(高)值变化到静态(低)值。这是导致离合器抖动/颤抖/颤振等的机制。更重要的是,当离合器通过这种非常瞬态的能量传递机制时,摩擦材料通常会因过度磨损或产生多余的热量而退化,这反过来又会导致润滑剂退化。

当摩擦面磨损时,摩擦装置就会失效,因为它会随着时间的推移而磨损,或者在接触过程中由于温度过高而摩擦性能发生变化,或者摩擦面上有污垢或油,等等。

基本上,摩擦装置在其使用过程中会以一种不受欢迎的方式发生变化。当摩擦界面最终使两个部件相对停止时,载荷保持系统需要保持一个法向力,以保持摩擦面啮合和保持。这两个问题都不可取。摩擦材料和系统容易发生磨损、故障和/或滑移。

另一个常见的锁紧技术的例子是蜗杆和齿轮传动。它允许在一个方向上的相对运动,但不允许它在相反的方向。嗯,这是真的。蜗杆和齿轮组被称为非后驱动,或不能“后驱动”。事实是,在逆驱动方向的功率流(轮驱动蜗杆)的效率非常低,通常只有几个百分点。因此,反向驱动实际上需要很大的能量,但理论上是可以反向驱动的。这是不可接受的,特别是当需要完全锁定一个组件到另一个组件时。这一机制再次基于局部有效摩擦系数,这是归因于摩擦材料,润滑剂,和施加到离合器组的力。众所周知,低滑动速度(接触平面上的螺线速度之差)很难形成完整的弹流剪切层(EHL)或润滑膜层。

一般来说,蜗轮蜗杆传动是在边界润滑区或混合油膜润滑区工作的。在这些润滑区域中,齿轮之间的界面要么是粗糙接触,要么甚至是完全的界面接触。无论哪种情况,这两种情况都依赖于接触摩擦。正如我们所知,接触模型着眼于粗糙面接触,即焊接在一起的实际摩擦点——理论上是这样的。这个模型被广泛接受,并且可以在这里使用。接触点处于远高于弹性应力极限的应力状态,容易发生冷流或脆性断裂。由于这种“非常接近失效极限”,任何添加到接触区域的额外能量都将导致材料超过其屈服极限并失效。对于蜗轮蜗杆副,接触面通常没有润滑剂,因此材料在屈服极限附近紧密接触。如果任何额外的能量被驱动到界面接触片中,比如说任何振动,这些额外的能量将导致接触点失效并发生运动。这正是我们所看到的,如果我们将振动载荷引入到静态蜗杆和轮对中。它的“非后驱动”功能不再适用,事实上,车轮可以驱动蜗杆,尽管效率非常低。因此,不能将蜗杆和轮对视为完全非后驱动。

机械自锁

另一种将两个旋转部件固定在一起的常用方法是某种形式的积极闩锁,它不依赖于摩擦,而是依赖于一个部件(闩锁)与两个旋转部件之一接合。这种接合,如果做得不好,会给门闩造成很大的冲击负荷,这会导致门闩灾难性地断裂,或者至少很快地磨损接合面。

锁扣在许多产品中已经使用了很长时间。一个简单的门闩和眼钩是一个很好的例子,以保持大门或门关闭。然而,如果门上有任何负荷(如风试图把它吹开),那么很难使门闩与眼钩对齐。再举一个例子,我们可能都试过在车还在轻微移动的时候把车移到停车场。当汽车停在停车场时,自动变速器使用一个门闩(掣爪)和吊耳系统使汽车固定不动。如果我们试图在汽车仍在移动的时候“停车”,在汽车最终停下来之前,我们会听到一些哐啷哐啷的声音,门闩可以正确地与吊耳或停车掣接合。最后的叮当声通常伴随着车辆的倾斜,这在门闩是一个冲击负荷。

这两种技术都没有提供我们正在寻找的操作特性。我们真正需要的是不要将负载驱动机构(在我们的示例中,齿轮系)与运动控制机构分离。现在存在的技术为正向驱动方向的扭矩流提供了旋转路径,该旋转路径还包括一个机制,通过相同的齿轮组完全锁定施加的扭矩负载。该技术以及该机构使用传动中承载扭矩负载的齿轮系作为制动机构,因此其非后驱动负载极限与齿轮系的功率容量相同。

它是基于运动学关系的驾驶geartrain也锁主要power-path齿轮,因此,两个组件连接到这些齿轮,移动和锁没有任何摩擦界面磨损或改变特征反应随着时间的推移,或没有任何锁组件,可以在冲击加载失败。运动的输入来自系统的驱动器(即电机或其他源旋转能量)。此输入导致解锁,这反过来允许基于驱动器的输入转速旋转。作为设计和包装的一部分,这些机构也可以包括一个比率作为一个功能的共同齿轮设计考虑。

该技术的这方面提供了一个有趣的功能属性,其他锁机制都没有。在基于摩擦的设备中,负载减速到受控停止的速率是摩擦界面的函数,这意味着,随着时间的推移,界面的变化导致摩擦设备的响应特性发生变化。此外,很难为用户提供一致的响应或集成一个补偿时变响应的控制系统。锁存技术提供不控制减缓控制负载的运动。它只能在系统使其停止移动(并且闩锁系统被占用)时承载负载。

相比之下,这些新技术使用驱动电机的转速作为负载的控制输入。这意味着当驱动电机变慢时,设备以基于其比率的可控方式降低负载。当驱动电机停止时,该装置将此传输到负载,然后保持负载静止,无需从驱动电机继续输入(或在摩擦制动器的情况下,不需要向离合器施加恒定的法向力来维持)。因此,负载的受控加速或减速受到提供电机和负载之间传动比的同一装置的影响。在电机和负载之间提供连接性的机制与最终使负载保持静止的设备是一样的。

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William Mark McVea博士,P.E.是KBE+,Inc.的总裁兼首席工程师,该公司为汽车和非公路车辆开发完整的动力系统。他是Kinatech的首席工程师,Kinatech是Gear Motions/Nixon Gear的合资企业。他发表了大量著作,持有或被列为与机械动力传动相关的多项专利的共同发明人。马克是一名持照专业工程师,拥有罗切斯特理工学院机械工程学士学位和博士学位。普渡大学设计工程专业。