盾构刀盘驱动用行星齿轮减速器（硕士论文）

zengxiaodong

woodee 发表于 2022-4-3 19:26
多电机驱动，齿圈为拼接且尺寸大（看样子直径10米以上），变形在所难免，是否得采用电、液伺服，才能实现 ...

齿圈（无论是内齿圈还是外齿圈）直径最大8000mm就够了（16个驱动，可以输出1.6亿牛米），这个尺寸卡帕尼尔斯有对应的磨齿机，因此也无需设计成拼接式。

即使是拼接式齿圈，接头处的影响也仅是单台驱动过渡是否平顺，而对整体均载没有影响。另外，如采取适当的拼接工装，实际上是可以完全消除接头处的不平顺。

对于电机的均载（同步问题不存在，齿轮是刚性的因此属于自动强制同步），不少人认识有误区：

1、对于不可控电机驱动，例如工频直接驱动，电机（异步电机、直流电机）机械特性都是下垂的，这种下垂就是类似于“弹性”，机械特性越软意味着均载性能越好。稍微设计得机械特性软一些（弹性联轴器有瞬态均载作用，但无稳态均载效果），然后对批量生产的电机稍加挑选，就可以实现近乎完美的均载。大跨度行车的大车驱动电机，建筑施工电梯（2~4电机齿条驱动）都是采用这种办法，而且行车轮轨系统也有某种自动校正功能（说白了就是超前运行的话，阻力变大）；

2、对于不可控电机驱动，例如同步电机，机械特性虽然不是下垂的，但是，定子磁场与转子磁极之间并不是刚性不变的，有一个“功角”存在，而且这个功角特性在力学模型上可以等效为一个扭转弹簧，也就是定子电流产生的磁场与转子磁极之间具有某种“弹性”，正是靠这种弹性，才能实现发电厂全国联网！当然，这种弹性也会导致同步电机的振荡，阻尼绕组就是解决振荡问题的必要手段之一；

3、现代的变频调速系统，尤其是有传感器的矢量控制系统，无论是异步电机，还是永磁同步电机，都是模仿闭环控制直流调速系统，可以实现完美的性能。1个环（电流环）就是恒张力控制，用于收卷系统等；2个环最常见（电流环、转速环），就是各种工业上用的调速系统；3个环最高档（电流环、转速环、位置环），就是所谓的伺服系统，以前也叫随动系统，高射炮随动系统好坏是能否击落敌机的前提！

4、换句话说，只要是闭环控制系统，总是包含电流环，而电流环也就是转矩环，或者叫加速度环。无传感器（无编码器）也可以构成闭环控制，只是性能没有那么完美而已。既然有了转矩环，也就意味着可以实时控制电机的转矩，而且多台变频器之间可以通信协调各自的转矩，确保大家转矩一致。多台变频器中只要1台进行转速控制即可，也就是这台变频器（及其驱动的马达）决定了系统的转速和转向。

zengxiaodong

假设16路驱动，扭矩160000000牛米，分别设计成外齿轮和内齿轮，看看齿圈直径
可见，内外齿圈方案差别不大，由于内齿圈承载力略微高一些，因此齿轮厚度可以薄一些。



外齿圈





内齿圈


如果设计成斜齿轮，强度还能得到一定的提高，或者尺寸还能略微减小一些。





补充内容 (2022-4-6 13:35):
这个例子恰好可以印证64楼的理论分析

woodee

zengxiaodong 发表于 2022-4-4 09:46
齿圈（无论是内齿圈还是外齿圈）直径最大8000mm就够了（16个驱动，可以输出1.6亿牛米），这个尺寸卡帕尼 ...

  
看见貌似拼接缝。  

前几年在“中国机械社区”，与一位大神聊过大齿圈的变形补偿问题。
他的实际做法是，先测量得到补偿曲线，然后行星齿轮用偏心轴，动态转动来补偿，使得各行星轮侧隙保持一致。  
我感觉挺麻烦的。

所以在这儿有此一问，指望解惑。

woodee

哈哈，居然找到了！9年前的：  
http://www.cmiw.cn/thread-347197-1-1.html

zengxiaodong

woodee 发表于 2022-4-4 19:15
哈哈，居然找到了！9年前的：  
http://www.cmiw.cn/thread-347197-1-1.html

仔细拜读了这篇帖子，感觉简单问题复杂化了。

所有误差其实都跟刚度和惯量有关，如果刚度低惯量小，那么误差的影响就小！

啮合干涉为什么不能容忍？就是因为刚度太大，从而会导致极大的力造成结构破坏！

反之，对于齿轮的齿形误差，还有齿面径向跳动，这种误差会转化成转速的波动，换句话说，相啮合齿轮相对转角的变化可以补偿径向跳动误差（或者转角强制不允许变化的话，靠中心距变动来补偿），因此，啮合冲击程度跟机械刚度（如弹性联轴器）和转动惯量会高度相关！这是机械方面的因素，还有电机电气方面的因素，上面的帖子已经分析过电机电气方面的“弹性”，对于转速闭环的调速系统而言，PI控制的目的是消除稳态静差（也就是转速稳态无误差），但是瞬态误差是无法消除的，也就是即使转速闭环控制了，在瞬态时还是会有转速波动，这种波动也是体现出某种“弹性”。

总之，机械刚度、惯量，以及电气“弹性”共同决定了啮合冲击力的大小，即使采用中心距可随动的补偿方案，照样也逃避不了齿轮中心瞬态移动时系统的动力载荷，孰大孰小还不一定呢。

zengxiaodong

即使是纯正弦波驱动的电机，其实转矩也是有脉动的！

电气一个周期，转矩脉动6次，如果脉动率低于额定转矩的1%，那就是属于高性能驱动系统了。

woodee

zengxiaodong 发表于 2022-4-5 09:08
仔细拜读了这篇帖子，感觉简单问题复杂化了。

所有误差其实都跟刚度和惯量有关，如果刚度低惯量小，那 ...

明白你说的观点。
也就是因为我也有疑惑，不知道那位大神的解决方案的会有多少的解决效果，才在这问问，看有没有更多的看法和思路。

zengxiaodong

woodee 发表于 2022-4-5 14:55
明白你说的观点。
也就是因为我也有疑惑，不知道那位大神的解决方案的会有多少的解决效果，才在这问问， ...

还有一种办法可以完全消除接头处的冲击，那就是电气控制上的瞬态转矩减小。

具体的方法是，根据啮合位置（可由编码器精确测得），在一定的区间内减小电机驱动转矩，很显然，这个方案的效果依赖于控制系统的带宽，特别是电流环的带宽，也就是对电机转矩控制的响应快慢。在目前已知的商业化的各种电机控制模式中，直接转矩控制（DTC）模式可以实现最快的转矩响应（比矢量控制VC还快速），但是会有超调……


而且，从基本原理上来说，这属于前馈控制了，显著不同于普通的反馈控制。在普通的反馈控制中，接头处的误差会导致转矩的变化，进而导致转速的变化，转速的变化被测量出来，然后控制系统迅速根据测量结果调节电流，也就是调节转矩。可见，接头处的误差构成了一个扰动，由于反馈控制的天然滞后性，故振动冲击难以避免！

zengxiaodong

拼接式的超大齿圈，大约20米直径，我只见过旋转餐厅驱动上面用的。
用激光切割钢板做的，精度很低，速度极慢极慢（半小时转一圈），所以也没有振动冲击方面的问题。

zengxiaodong

zengxiaodong 发表于 2022-4-4 10:43
假设16路驱动，扭矩160000000牛米，分别设计成外齿轮和内齿轮，看看齿圈直径
可见，内外齿圈方案差别不大 ...

对比一下斜齿轮的方案，可见斜齿轮比直齿轮具有明显的减重效果



外斜齿轮





内斜齿轮