运动控制和承载技术的概念

在电机和负载之间提供连接的机构与最终将负载固定的装置是相同的。

0
2726

一个it’作为即将到来的运动+电力技术博览会的先导,我本月的文章将聚焦于负载保持技术。这篇文章的主题是那句古老的谚语,“汽车的刹车并不能使汽车停下来;轮胎会让汽车停下来。”刹车使轮胎不能转动。也许这是一个不恰当的微妙点,然而,我们想要详细查看运动控制和保持技术谱的每个部分,以评估和分析问题和改进的机会。

首先,让我定义本文将要使用的两个术语:

  • 运动控制,其中我们试图减速和/或加速负载(质量)通过弹性连接器(即绳子或电缆等)连接到我们的系统。
  • 负载保持装置是指一旦负载静止,就能保持负载相对于参考点的位置或方向(即在一段时间内保持在特定位置)的装置。

当我们把齿轮系作为一个装置和我们控制它们和它们移动的负载的方法来看待下游效应时,我们必须考虑我们如何启动一个不移动的负载,停止一个移动的负载,并将负载保持在给定的位置。当停止一个移动的质量,例如一个实际的质量连接到我们的齿轮传动通过弹性介质,我们需要非常意识到负载的响应和支撑结构的这种变化的惯性。如果我们试图过快地停止一个大质量物体,连接器和/或支撑结构上的负载可能会超过其他可管理的设计极限。人们普遍认为,在设计系统时,应使用大约2.0的因子来逐步改变施加的载荷(在电缆、拉伸载荷等情况下)。这一因素的使用是为了解决电缆储存和释放由负载保持装置引起的能量的能力。这只是一个例子的考虑,应该考虑,当设计任何类型的变速箱承载能力。组件和行业适用性的每一个组合都有自己的价值。

从这个角度来看,到目前为止,基本上只有两种阻止运动的方法:摩擦和机械锁紧。

摩擦

摩擦方法依赖于通过表面磨损将相对运动作为热量耗散的组件界面,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且夹紧力足够,摩擦就能保持它们。基于摩擦的运动控制承载能力基于两个因素-局部有效摩擦系数和可实现的施加法向力。在设计这些系统时,假设施加的法向力在整个摩擦面是一致的,如果使用多片离合器包,则整个离合器包是一致的。通过确保刚性结构和均匀的法向力施加机构(如液压活塞等),这一假设在实践中相当容易实现。

第二种假设是啮合时和保持载荷时的局部有效摩擦系数是恒定的。这就更有问题了,因为它几乎完全是摩擦材料和离合器中使用的润滑剂的作用(这一评论甚至适用于“干式”润滑)。润滑剂对负载减速过程中能量耗散的作用是管理界面摩擦,以热量的形式耗散减速能量。然而,热量会引起粘度的变化,而粘度的变化会导致有效摩擦系数不受控制地变化。此外,大多数中级润滑油在滑动过程中表现出不同的摩擦系数,而不是当离合器被锁定时。两种情况下的有效摩擦系数通常被标记为动态摩擦,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。如果动态系数高于静态系数,则润滑剂呈现负的系数梯度。同样地,如果静态比动态高,润滑剂就可以说具有正的梯度。为什么这很重要?如果动态系数高于静态系数,那么当负载通过管理摩擦界面上的施加负载(这是我们对机构的唯一控制)而变慢时,负载的内能在离合器中转化为热,并被润滑剂冲掉。对于一个恒定的法向力(我们的控制)变成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,反过来降低负载。问题是:当负载停止时,作为摩擦材料与润滑剂相互作用的函数的有效摩擦系数从动态(较高)值变为静态(较低)值。这是导致离合器抖动/抖动/颤振等的机制。更重要的是,当离合器经过这种非常短暂的能量传递机制时,摩擦材料通常会因过度磨损或产生过多的热量而退化,这反过来又会导致润滑剂退化。

当摩擦表面磨损时,摩擦装置就会失效,随着时间的推移,摩擦性能会因接触过程中温度过高而改变,或者污垢或油沾到摩擦表面——清单还在继续。

基本上,摩擦装置在其使用寿命中会以一种不希望的方式发生变化。当摩擦界面最终使两个部件相对停止时,负载保持系统需要维持一个法向力,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磨损失效和/或滑移。

另一个常见的锁紧技术是蜗轮传动。它允许相对运动在一个方向的潮流,但不允许它在相反的方向。嗯,这是对的。蜗轮齿轮组被称为不可反驱,或不能“反驱”。事实是,在反驱动方向的功率流(蜗轮驱动)有一个非常低的效率,通常只有几个百分点。因此,它需要大量的反驱动能量,实际上,反驱动,但理论上在可以反驱动。这是不可接受的,特别是当需要将一个组件完全锁定到另一个组件时。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,和施加到离合器包的力。众所周知,较低的滑动速度(接触平面上的俯角线速度差)很难形成完整的弹水动力剪切层(EHL)或润滑膜层。

一般来说,蜗轮传动在边界润滑区或混合膜润滑区工作。在这些润滑区域,齿轮之间的界面要么是粗糙接触,甚至可能是完全界面接触。不管怎样,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的接触,实际的摩擦点焊接在一起——或者理论是这样的。这个模型已被广泛接受,并且工作良好,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,容易发生冷流动或脆性断裂。由于这个“非常接近失效极限”,任何额外的能量添加到接触区域将导致材料超过其屈服极限和失效。在蜗杆和齿轮组的情况下,接触片通常没有润滑剂,因此材料在屈服极限附近是密切接触的。如果任何额外的能量被驱动到界面接触贴片,例如任何振动,这种额外的能量将导致接触点失效和运动发生。这正是我们所看到的,如果我们诱导一个振动负荷到静态蜗杆和轮组。 Its “non-back-drivable” function no longer applies and, in fact, the wheel can drive, albeit very inefficiently, the worm. Thus, a worm and wheel set cannot be considered fully non-back-drivable.

机械自锁

另一种将两个旋转部件固定在一起的常见方法是某种形式的正锁存器,它不依赖于摩擦,但依赖于一个组件(锁存器)与两个旋转部件中的一个接触。这种接合,如果做得不恰当,就会在插销上施加大量的冲击载荷,这可能导致插销灾难性地断裂,或者至少会很快磨损配合表面。

闩锁已经在许多产品中使用了很长一段时间。一个简单的门闩和锁眼钩就是一个很好的例子。然而,如果门上有任何负荷(比如风试图把它吹开),那么就很难让门闩与眼钩对齐。再举个例子,我们可能都试过在车还在轻微移动时就把它换到停车位。自动变速器使用门闩(爪)和凸耳系统,以保持汽车静止时,它是在公园。如果我们试图在汽车还在行驶的时候启动“停车”,在汽车最终停下来之前,我们会听到大量的“咔”声,然后插销才能正确地连接上制动爪或停车爪。最后的哐啷声通常伴随着车辆的倾斜,这在门闩处是一个冲击负荷。

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(在我们的例子中,齿轮传动系统)从运动控制机构中分离出来。现在的技术提供了一个旋转路径,使扭矩在正向驱动方向流动,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。该技术和机构使用在驱动中承载扭矩负载的齿轮传动作为制动机构,因此其不可反驱动负载极限与齿轮传动的功率能力相同。

它是基于驱动齿轮系的运动关系也锁定主要动力路径齿轮,因此两个组件附加到这些齿轮,移动和锁定没有任何摩擦界面磨损或改变特性响应,或没有任何闩锁组件可能在冲击负载失效。运动的输入来自系统的驱动(即电机或其他转动能量来源)。这个输入导致解锁,进而允许基于驱动程序的输入转速旋转。作为设计和包装的一部分,这些机构也可以包括一个比率的功能,作为普通齿轮设计的考虑。

该技术的这一方面展示了一种有趣的功能属性,这是其他锁定机制所不具备的。在基于摩擦的装置中,负载被减慢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,界面的变化会导致摩擦装置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。闭锁技术不能控制减速的运动控制的负载。它只能在系统使它停止移动(并且锁定系统被使用)的情况下保持负载。

相比之下,这些新技术使用驱动电机的转速作为对负载的控制输入。这意味着当驱动电机减速时,设备根据其比例以可控的方式减慢负载。当驱动电机停止时,装置将此传递给负载,然后保持负载静止,而不需要驱动电机的任何持续输入(或在摩擦制动的情况下,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同一装置的影响,该装置提供电机和负载之间的驱动比。在电机和负载之间提供连接的机构与最终将负载固定的装置是同一种。