什么应用需要安静的减速电机？答案可能让你大吃一惊 - 因为人耳可以检测到比环境10 dB的噪声，而且许多减速电机在靠近人的地方工作。在这篇技术文章中，我们概述了最近的工作人员工程师对齿轮电机噪音问题（以及潜在的解决方案）的研究和发展。
声音是行波穿过介质时产生的介质中颗粒的来回振动。噪音是不受欢迎的声音。声压的定义是将声压与接近人类可听度下限的0.00002Pa =20μN/ m 2的分贝（dB）声压标准进行比较的对数。一分贝是一个贝尔的十分之一（十分之一），以纪念亚历山大格雷厄姆贝尔命名。
齿轮电机噪音不仅仅是齿轮问题 - 这是一个系统问题。齿轮之间的物理相互作用可以激发系统动力学，所以大多数齿轮噪音不是来自齿轮。齿轮发出的呜呜声是由齿轮在啮合时产生的，并通过壳体的加强筋，横梁和侧面的共振来放大。齿轮整体噪音是由诸如电动机之类的驱动源激发的声音。每个齿轮都有其旋转周期，因此具有独特的基本频率。
通过仿真来优化建议的低噪齿轮电机设计，可以将总体设计时间缩短高达75％ - 并且完全定义齿轮电机的3D模型可供质量，制造和采购团队用于分析，构建和检查齿轮电机。3D插图礼貌ABM Drives Inc.
为什么要设计安静的减速电机？考虑减速电机必须在公共场所使用。在这里，教堂，图书馆，礼堂和剧院的运动控制需要安静的窗帘，领奖台和需要旋转，抬起或滑动的舞台的齿轮电动机，而不会被观众注意到。
相比之下，军事装备需要安静的齿轮电动机进行隐身作战。医疗设备从安静的减速电机中获益，可增加患者的舒适度和保证。住宅环境 - 例如生物质加热系统 - 也需要安静的减速电机。
Gearmotor基础知识：功能和当今的设计过程
减速电机在低速下提供高转矩。它是齿轮减速机和电机的组合。简而言之，减速电机在放大扭矩的同时可以降低电机功率并降低转速。齿轮马达输出轴上最重要的两个参数是转速和扭矩。所以一旦知道输入转矩要求，下一步就是计算所需的电动机输入马力。
齿轮电机内的齿轮系将电机侧的扭矩与输出轴相乘。这是变速箱的比例，是决定输入转矩倍增的数字。30：1意味着输出转矩是输入的30倍，而不是考虑内部效率损失。
直角或平行轴齿轮箱可与永磁直流，交流感应或无刷直流电机结合使用。先进的齿轮电机技术包括在较小的空间内使用新材料，涂层，轴承和齿轮齿设计，以优化噪音降低，强度和更长的使用寿命。
减速电机设计适用于特定的运行条件和负载范围。因此，在有已知问题或改进机会（包括可能的经济收益或改善人员或用户对减速电机的感知方式）的机器开始时，应考虑可能起作用的运动部件和功能（包括减速电机选件）。然后缩小可行方案的选择范围。接下来找出性能和经济性达到最佳平衡以达到设计目标的那些人。最后，将最可行，风险最小，经济可行的特性和功能集成到具有形式和功能的产品中。
这种设计方法现在比以往更容易。过去，设计通常由机械工程师开始，然后传交付给团队的电气工程师，最后交付给控制工程师。到最后，所有的缺陷都被出现在设计中。相比之下，今天该标准是由机电一体化建模支持的集成设计。但采用整体设计方法，工程师必须了解整个机电系统的精度要求。另一个需要注意的是控制系统，驱动装置，齿轮和机械连接必须仔细选择，以充分利用所有组件的全部功能。这就需要一种设计方法，从驱动器开始回到电机。
更全面和更详细的设计目标提高了项目成功的可能性。因此，将项目背后的动机放在首要位置，并让动力指导工程决策。目标是建立一个服务于人类的系统，而不是设计本身。旧的格言"如果你不知道自己要去哪里，你永远不会到达那里"当然也适用于设计过程。
工程师的一个不可或缺的工具 - 特别是在尽可能安静地制造机器的工作中 - 包括模拟以优化提议的设计。这样的软件可以将总体设计时间减少多达75％。对于减速电机，3D模型和相关数据可帮助工程师分析并虚拟建立并检查其减速电机 - 并完全定义组件以改进质量，制造技术和采购。
齿轮啮合时产生噪音
选择齿轮和电机是一门科学。即使合适的齿轮也会产生噪音 复杂的事情是齿轮噪音有多种类型。为了解决齿轮噪音问题，第一步是确定令人反感的噪音类型。考虑到齿轮噪音取决于操作的速度。用定性和定量的术语来描述设计因素和制造错误如何影响噪音方程。然后与设计团队（和潜在供应商）讨论齿轮噪音，动力学，测量和建模问题。
齿轮箱设计的另一个起点是定义一个服务因素 - 包括每天的小时数和冲击或振动要求。具有不规则冲击特性的变速箱（例如军用设计）需要比间歇运行的变速箱更高的维修系数。
齿对齿负载传递会产生齿轮噪声，从而导致压力脉冲串通过齿轮组和电机壳体辐射。噪音的频率是齿轮转速和齿轮齿数的乘积。大多数类型的齿轮噪声出现在齿形啮合频率或可听范围内的谐波上。也就是说，噪声也可以作为较高齿面频率噪声的低频调制而发生。这导致了一种称为边带的现象。
齿轮噪音可能非常烦人 - 即使它不是最重要的噪音源。这是因为它以人耳可以检测到的纯音调的形式出现，甚至比整体噪声水平低10 dB。
不对称齿轮噪声谱由低频制造和装配误差产生的齿轮啮合激励的幅度和频率调制产生。减速电机从齿轮啮合，轴承旋转，润滑剂运动，电机振动和壳体的相互作用中发出的声音都会对所产生的整体声音起作用。
高质量的螺旋齿轮传动和优化的齿轮啮合可以将振动趋势降至最低。
螺旋齿逐渐啮合在齿面上，比直齿轮更安静平稳的运行，并具有更高的承载能力。
随着齿对经历啮合过程，梭动力是沿着轮廓的齿啮合力的一侧到另一侧的摆动。振荡力可以引起齿轮箱系统的动态激励。由于它出现在网格频率上，因此会对齿轮噪音响应产生影响。采用双螺旋齿轮时，该轴向力被消除。
牙齿表面有助于产生的声音。只有被滚刀的螺旋齿轮比螺旋齿轮已经被剃光或研磨，以去除滚齿产生的粗糙齿表面光洁度。
单级斜齿轮减速电机和螺旋齿轮传动装置确保了安静的操作和长久的使用寿命。
使用噪声优化的齿轮几何结构可以最大限度地减少单个齿轮啮合脉冲的影响。
设计和分析齿轮作为一个系统可以让工程师改进和优化微型几何，减少齿轮噪音。
螺距：齿轮系统的驱动齿轮的正常齿距比从动齿轮的正常齿距小很多，可以提供更安静的传动。最小噪音要求接触比小于2或1.即使在轻微载荷下，扭转刚度的影响也很重要。
接触比：齿轮接触比是接触中的平均齿数。它通常在1.2的低端到1.8之间变化。工作接触比率低于2.0的直齿圆柱齿轮和直齿锥齿轮比具有较大接触比的齿轮产生更多的噪音。螺旋锥齿轮和螺旋锥齿轮的总接触比远高于2.0，噪音更小。
平稳，安静和高速的齿轮组可以具有更多的齿，更细的直径节距，更低的角度压力和更高的接触比。改变其中一个可以改变许多其他设计元素。优化齿轮的进入和退出点可降低振动，噪音，滑动摩擦和发热。所有的齿轮设计都是达成目标结果的妥协方案。
很明显，为什么安静齿轮必须非常精确地制造。高品质的齿轮传动保证了安静的操作。凭借高精度制造，齿轮噪音可从平均水平82 dB降至77 dB，距离节点300 mm。
扭转模式可能由轴旋转的低次谐波激发; 激励的大小直接与齿轮加工误差有关。
无论设计如何，使正常的音高差异尽可能小。轮廓形状误差应尽可能接近理论渐开线。关键在于硬化后的精加工方法，以确保最终的准确性。
另外请记住，消除所有齿轮噪音是不可能的，因为不可能切割完美的齿轮。即使可以，也不可能限制系统动力学的影响。人们只能最大限度地减少和控制齿轮噪声，以免被认为是有问题或听不到的。
通过精加工和磨削，将高速阶段的齿轮噪音降至最低。齿轮电机转速在噪音产生中起着重要作用。只有30转/分的滚刀齿轮组与磨齿齿轮组之间的差异很小。但在更高的齿轮组速度下，它们表现出更明显的声音差异。在齿轮制造过程中，滚齿是一种粗加工操作，可以产生平滑和精确的齿轮齿。剃须和硬化是精加工操作，可提高尺寸精度，表面光洁度和硬度。剃须清除少量材料以纠正轮廓错误。最终研磨操作产生高表面光洁度，纠正热处理后的任何变形。精密的地面传动装置可降低噪音并延长使用寿命。
安静的操作需要最小的齿轮间隙。齿隙是相互啮合的齿轮齿之间的间隙，并且应该足以允许齿之间的润滑膜。减少齿隙的最简单方法是缩短齿轮中心之间的距离，以减小零甚至零间隙。这种方法减少了中心距，齿尺寸和轴承偏心率的变化。
诸如制造误差，安装公差和轴承间隙等变量通常会增加齿轮电机的齿隙。精密减速电机通过采用紧公差部件来最大限度地减少这种缺陷。通常情况下，它们结合了精密齿轮，优质轴承和精密公差的机加工外壳。
为了尽量减少噪音，所有齿轮箱部件应该相互调整。三种类型的齿轮传动误差是间距误差，随机误差和弹性变形，它们与平均轮廓偏差相结合。通过识别激励机制可以减少齿轮共振; 使用有限元分析来确定各个齿轮的固有频率; 消除操作范围内的扭转模式; 失谐和阻尼螺旋和锥齿轮; 并识别与齿轮马达的其他元件（例如外壳和附件）存在的谐振问题。
牵引传动系统可以配置为锥齿轮箱，螺旋齿轮箱或轮毂传动，并提供高效率和安静。
由于时变网格刚度，制造误差和组装误差，齿轮网格会产生振动。这种振动通过轴和轴承传递到壳体。辐射噪声是由外壳振动引起的。由于齿轮箱的振动和噪音明显降低了齿轮传动的性能，所以齿轮箱振动的预测和控制对于设计输出运动的可靠性也是至关重要的。
使用有限元法（FEM）和边界元法（BEM）的软件模拟齿轮箱的辐射噪声。这种软件有助于识别组件的模式顺序以及哪些外壳侧面可以实现最大的声学贡献。在此，针对壳体的特别噪声部分的一种解决方案是增加肋状物以减少辐射噪声。
通过优化带肋和非对称部件的壳体设计来减少自然共振 - 特别是在平行轴齿轮箱类型上。电机外壳和齿轮箱盖应该是单个压铸部件，以消除电机齿轮箱接口的公差（噪音和振动的常见问题）。他们应该相互理想地协调一致。
根据外壳设计，分型线可能会落在顶部或底部，并且可能呈阶梯式或成角度。为了消音，修剪和精确加工的铝合金压铸外壳可以减少噪音。紧凑的外壳盖和法兰可防止可能放大噪音的变形。铝制外壳比铸铁更能吸收谐波和其他振动。
即使壁厚增加10％，也能将刚度提高33％左右。但是，在压铸外壳中加入肋骨，波纹和曲线，可以保持较低的材料成本，同时保持坚固的强度和耐用性 - 即使在具有较薄外壳壁的组件中也是如此。
具有较大声学贡献的面板上的有效肋布置位置是弧形的。当沿着从有效位置到最近的壳体固定点的线放置时，肋是有效的。在壳体表面上设置肋条是加强齿轮马达壳体的主要技术之一。
除了金属选择之外，保持均匀的壁厚是至关重要的。壁厚是强度和重量之间的平衡。壁厚决定了压铸过程中一致的流动和热性能。
紧凑型平行轴电机和驱动器设计非常适合小型空间和安静运行要求。
尺寸，几何尺寸和壁厚要求对公差有影响。取决于材料，较厚的壁会产生较大的收缩率。一般来说，用于压铸的紧公差部件为±0.002英寸。这里有许多因素影响设计 - 包括材料，零件复杂性，工具和压铸工艺本身。
电机电磁场的激励可以传递给转子，因此寻找结实坚固的电机转子。定子磁力在撞击时像任何环一样振动转子。定子以其一种或多种弯曲模式振动; 模型将核心表示为两端支撑的梁和响应施加的力而弯曲的梁。
分析表明，振动是由电气不平衡或机械不平衡（在电机，联轴器，驱动设备中）引起的。机械效应（以松动，摩擦和不平衡轴承的形式）; 外部影响（在基地或从动设备或错位）; 并激发临界共振速度。提示：在分析过程中，列出检查频率的所有可能原因。然后逐个消除原因，直到所有剩下的问题成为问题的真正根源。
安静操作的关键是高品质的转子平衡。所有类型的旋转机械都需要在工作速度下平衡。转子平衡涉及整个结构 - 轴，转子叠片，端头，转子条，端部连接器，挡圈和风扇。只有仔细控制这些运动部件的设计和制造才能确保稳定和精确的电机平衡。
如果电机的运行速度与壳体谐振频率一致，则会发生放大。唯一的选择是改变外壳的谐振频率 - 通常通过改变齿轮组，外壳或电机的刚度或重量。
ABM Drives公司生产的两级和三级螺旋电机和驱动器安静，耐用，能耗低，效率高。
在机器制造期间选择制造合作伙伴时，请记住选择减速电机有两种方法。一个是选择一个预先设计的单元，另一个是选择一个变速箱 - 电机组合并将它们集成到设备中。
如果设计工程师没有时间或工程资源来制造减速电机，或者设计需要快速设置，预设计的齿轮解决方案就非常适合。支持原始设备制造商（并支持新机床，自动化和设计软件）的新模块化方法现在可让工程师获得价格合理的减速电机，即使数量适中。
确实，选择单独的电机和齿轮箱并将它们组合在一起的好处之一是比选择预先设计的齿轮电机更便宜。这种方法的另一个好处是，人们可以为手头的应用设计最优化的减速电机......因为这种方法还可以使设计工程师对最终配置和成本进行最大的控制。
无论采用何种齿轮电机选择方案，都必须通过频谱分析比较噪声预测和噪声测量来不断改进设计。然后使用分析结果来改进下一次齿轮电机迭代。
閱讀更多 運控網 的文章
