موتور دنده DC Spur: نحوه کارکرد، مشخصات و راهنمای انتخاب

موتور دنده DC Spur در واقع چیست

الف موتور دنده ای دی سی یک موتور DC است که با یک گیربکس خار ترکیب شده است - مرحله کاهشی که از چرخ دنده های استوانه ای با دندانه های مستقیم و موازی بریده شده در امتداد صفحه دنده تشکیل شده است. موتور سریع و با گشتاور نسبتا کم می چرخد. گیربکس این سرعت را کاهش می دهد و گشتاور را به نسبت چند برابر می کند. چیزی که از شفت خروجی بیرون می آید، چرخش کندتر و قوی تر از آن چیزی است که موتور به تنهایی می تواند ایجاد کند. این ترکیب همان چیزی است که موتورهای DC دنده خار را در وهله اول مفید می کند.

قسمت "Spur" به طور خاص به هندسه دندانه چرخ دنده اشاره دارد. برخلاف چرخ دنده های مارپیچ که دارای دندانه های زاویه دار هستند که به تدریج درگیر می شوند، دندانه های چرخ دنده در امتداد یک خط مستقیم موازی با محور شفت درگیر می شوند. این امر باعث می‌شود تولید آن‌ها ساده‌تر، جایگزینی آن‌ها آسان‌تر و از نظر مکانیکی کارآمدتر در شرایط بار شعاعی صرف شود - اما همچنین به این معنی است که آنها تحت بار پر سر و صداتر از جایگزین‌های حلزونی هستند، که قبل از انتخاب آنها برای کاربردهای حساس به نویز ارزش دانستن دارد.

موتورهای دنده خار DC در انواع برس دار و بدون جاروبک موجود هستند. نسخه های برس دار مقرون به صرفه تر و رانندگی ساده تر هستند. نسخه‌های بدون براش عمر طولانی‌تر، راندمان بالاتر و عملکرد بهتر در چرخه‌های کاری سخت‌تر ارائه می‌دهند. هر دو پیکربندی از یک اصل کاهش گیربکس خار استفاده می کنند - تفاوت کاملاً در بخش موتوری است که قطار دنده را به حرکت در می آورد.

کاهش دنده چگونه کار می کند و چرا اهمیت دارد

درک کاهش دنده برای انتخاب موتور دنده DC مناسب برای هر کاربرد اساسی است. نسبت دنده - اغلب به صورت چیزی شبیه به 30:1 یا 100:1 نوشته می شود - به شما می گوید که شفت ورودی (سمت موتور) برای هر چرخش شفت خروجی چند بار می چرخد. نسبت 30:1 به این معنی است که موتور برای هر دور خروجی 30 بار می چرخد.

اثر عملی این نسبت در هر دو جهت به طور همزمان عمل می کند. اگر موتور 10 دور در دقیقه در گشتاور 0.01 نیوتن متر تولید کند، یک گیربکس 30:1 سرعت خروجی تقریباً 0.33 دور در دقیقه و تقریباً 0.3 نیوتن متر گشتاور خروجی ارائه می دهد - منهای تلفات راندمان گیربکس، که معمولاً 85 تا 95 درصد برای یک مرحله خار خوب ساخته می شود. مراحل کاهش بیشتر به معنای ضرب گشتاور بیشتر و همچنین کاهش بازده تجمعی بیشتر است.

اکثر موتورهای دنده خار DC چندین مرحله کاهش دنده را برای رسیدن به نسبت های کلی بالا پشته می کنند. یک گیربکس سه مرحله ای ممکن است مرحله 5:1، 5:1 و 4:1 را ترکیب کند تا به نسبت کلی 100:1 برسد. هر مرحله اصطکاک و واکنش برگشتی خود را معرفی می‌کند، به همین دلیل است که گیربکس‌هایی با نسبت‌های بسیار بالا (500:1 یا بیشتر) نسبت به یک واحد دو مرحله‌ای قابل مقایسه با نسبت متوسط، عکس‌العمل بالاتر و بازده کمتری دارند.

مشخصات کلیدی برای ارزیابی هنگام انتخاب موتور DC دنده Spur

ارقام دیتاشیت به طور قابل توجهی بین تولیدکنندگان متفاوت است و برخی از مشخصات بسته به کاربرد بسیار بیشتر از سایرین اهمیت دارند. در اینجا چیزی است که باید روی آن تمرکز کرد:

سرعت بدون بار و سرعت نامی

سرعت بی باری سرعت چرخش شفت خروجی بدون هیچ چیز متصل است. سرعت نامی RPM خروجی تحت بار گشتاور نامی کامل است. همیشه حول و حوش سرعت نامی طراحی کنید - رقم بدون بار اساساً برای اندازه واقعی برنامه بی فایده است زیرا هر بار واقعی RPM خروجی را کمتر از این رقم کاهش می دهد. یک گیربکس با سرعت 60 دور در دقیقه بدون بار ممکن است 45 دور در دقیقه را با گشتاور نامی کامل ارائه دهد.

گشتاور درجه بندی شده و گشتاور استال

گشتاور نامی، گشتاور خروجی پیوسته ای است که موتور می تواند بدون گرم شدن بیش از حد یا فرسودگی پیش از موعد حفظ کند. گشتاور استال حداکثر گشتاور در سرعت صفر است - نقطه ای که موتور توسط بار ثابت نگه داشته می شود. گشتاور استال چشمگیر به نظر می رسد و اغلب به صورت برجسته ذکر شده است، اما کارکردن مداوم در نزدیکی استال موتور را بیش از حد گرم کرده و از بین می برد. اندازه برنامه را به گونه ای تنظیم کنید که حداکثر گشتاور عملیاتی برای هر موتوری که به طور مداوم کار می کند زیر 50 تا 70 درصد گشتاور استال باقی بماند.

نسبت دنده

نسبت دنده را بر اساس سرعت خروجی مورد نیاز خود در گشتاور مورد نیاز خود انتخاب کنید، نه بالاترین نسبت گشتاور موجود. ضریب دنده بالاتر باعث افزایش عکس العمل و کاهش راندمان می شود. اگر دو ضریب دنده هر دو بتوانند گشتاور مورد نیاز شما را برآورده کنند، نسبت پایین تر به طور کلی پایداری سرعت بهتر، عکس العمل کمتر و عمر گیربکس طولانی تر خواهد داشت.

ولتاژ تغذیه

موتورهای دنده خار DC در طیف وسیعی از ولتاژ در دسترس هستند - معمولاً 3 ولت، 5 ولت، 6 ولت، 12 ولت، 24 ولت و 48 ولت. ولتاژ نامی سرعت موتور را در یک نسبت دنده معین تعیین می کند. راه اندازی یک موتور 12 ولت با ولتاژ کمتر سرعت و گشتاور را به طور متناسب کاهش می دهد. استفاده از آن بالاتر از ولتاژ نامی سرعت را افزایش می دهد اما خطر گرم شدن بیش از حد سیم پیچ ها و کوتاه شدن عمر برس در طرح های برس خورده را به همراه دارد.

عکس العمل

واکنش برگشتی مقدار کمی بازی چرخشی در گیربکس است - فاصله زاویه ای که شفت خروجی می تواند قبل از درگیر شدن و مقاومت چرخ دنده حرکت کند. در موتورهای چرخ دنده غیر قابل اجتناب است و با تعداد مراحل دنده افزایش می یابد. واکنش متقابل معمول برای یک گیربکس خار چند مرحله ای با کیفیت 1 تا 5 درجه است. برای کاربردهایی مانند محورهای چاپگر سه بعدی، موقعیت یابی CNC، یا اتصالات روباتیک، این سطح از عکس العمل ممکن است غیرقابل قبول باشد و باید به جای آن یک نوع گیربکس جایگزین (درایو هارمونیک سیاره ای یا بدون پسرفت) در نظر گرفته شود.

جنس گیربکس: فلز در مقابل پلاستیک

قطارهای دنده پلاستیکی ارزان‌تر، سبک‌تر و کم‌صدا هستند، اما ظرفیت گشتاور بسیار کمتری دارند و تحت بارهای سنگین یا ضربه‌ای سریع‌تر سایش می‌شوند. گیربکس‌های فلزی - معمولاً برنجی، فولاد متخلخل یا فولاد سخت شده - گشتاورهای بالاتری را تحمل می‌کنند، در کار مداوم بیشتر دوام می‌آورند و بار ضربه‌ای را به مراتب بهتر تحمل می‌کنند. برای هر کاربرد جدی باربر، چرخ دنده های فلزی با وجود هزینه بالای آن انتخاب صحیحی هستند.

موتور چرخ دنده ای در مقابل سایر انواع گیربکس DC

گیربکس های اسپار تنها گزینه نیستند. انتخاب بین انواع چرخ دنده ها شامل معاوضه های واقعی است که ارزش درک قبل از تعهد به یک طرح را دارد.

موتورهای DC چرخ دنده خار بیشترین معنا را دارند زمانی که هزینه یک محدودیت باشد، شفت خروجی با موتور کواکسیال باشد، سطح بار متوسط باشد، و نویز یک نگرانی اصلی نیست. اگر برنامه به چگالی گشتاور بسیار بالایی در یک بسته فشرده نیاز دارد، یک گیربکس سیاره ای تقریبا همیشه با وجود قیمت بالاتر انتخاب بهتری است. اگر نیاز به خود قفل شدن باشد - برای یک گیت، محرک سوپاپ، یا مکانیزم بالابر که باید در هنگام قطع برق موقعیت خود را حفظ کند - موتور DC چرخ دنده حلزونی انتخاب مناسبی است زیرا موتورهای چرخ دنده خار خود قفل نمی شوند.

کاربردهای معمولی موتورهای چرخ دنده DC Spur

موتور DC دنده خار در طیف وسیعی از محصولات در سراسر صنایع ظاهر می شود. ترکیبی از هزینه کم، راندمان معقول و هندسه پیشرانه ساده، آن را به یک انتخاب پیش‌فرض برای بسیاری از برنامه‌های با بار متوسط ​​و سرعت متوسط ​​تبدیل می‌کند.

• لوازم الکترونیکی مصرفی و لوازم خانگی: پرینترها، اسکنرها، فیدرهای کاغذ، درب بازکن های برقی قوطی، و صابون ریزهای اتوماتیک. گیربکس‌های خار پلاستیکی ارزان‌قیمت در اینجا غالب هستند، جایی که تقاضای گشتاور متوسط ​​و چرخه‌های کاری سبک هستند.
• رباتیک و بسترهای آموزشی: ربات های چرخ دار، دستکاری های کوچک و پروژه های اتوماسیون سرگرمی. موتورهای چرخ دنده DC Spur با چرخ دنده فلزی در محدوده 6 ولت تا 12 ولت اجزای استاندارد در پلتفرم هایی مانند جایگزین های LEGO Technic، شاسی آردوینو و ربات های رقابتی هستند.
• الفutomotive accessories: بالابرهای شیشه برقی، محرک های تنظیم صندلی، درایوهای سانروف و تنظیم کننده های آینه. اینها از خارهای فلزی یا قطارهای دنده مرکب همراه با موتورهای DC برس خورده استفاده می‌کنند که از ارتعاشات و دماهای شدید خودرو مقاومت می‌کنند.
• اتوماسیون صنعتی: درایوهای نوار نقاله، محرک های شیر، مکانیسم های تغذیه کننده کوچک و تجهیزات بسته بندی. گیربکس های DC با چرخ دنده فلزی 24 ولت یا 48 ولت در این تنظیمات به طور قابل اعتماد و با هزینه کمتر نسبت به سیستم های سروو، وظیفه نور تا متوسط ​​مداوم را انجام می دهند.
• تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی: پمپ های سرنگ، پمپ های پریستالتیک، چرخ فلک های نمونه و درایوهای مرحله میکروسکوپی. گیربکس های فلزی با فرمت کوچک ترکیبی از خروجی سرعت پایین قابل کنترل و گشتاور معقول مورد نیاز این کاربردها را فراهم می کنند.
• اسباب بازی و وسایل سرگرمی: وسایل نقلیه RC، انیماترونیک، وسایل موتوری و لغزنده دوربین. گیربکس های خار پلاستیکی در 3-6 ولت مقرون به صرفه هستند و به طور گسترده برای این کاربردهای کم کار و گشتاور کم در دسترس هستند.

نحوه رانندگی و کنترل موتور دنده DC Spur

الف brushed DC spur gearmotor is among the simplest motor types to drive. Apply voltage and it spins; reverse polarity and it spins the other direction. Speed is controlled by varying the voltage, most practically using PWM (pulse-width modulation) through an H-bridge driver circuit. The H-bridge allows both forward and reverse rotation as well as braking, and is available in compact integrated IC packages for low-current motors or as discrete driver modules for higher currents.

برای یک موتور گیربکس بدون جاروبک DC، الزامات درایو بیشتر درگیر است - یک کنترلر BLDC اختصاصی با منطق کموتاسیون مورد نیاز است، همانطور که در هر کاربرد موتور بدون براش توضیح داده شده است. بخش گیربکس صرف نظر از نوع موتور یکسان است. تمام تفاوت پیچیدگی درایو در خود موتور نهفته است.

بازخورد سرعت و کنترل حلقه بسته را می توان با استفاده از رمزگذار شفت یا سنسور اثر هال روی شفت خروجی به هر گیربکس خار DC اضافه کرد. این امر به ویژه زمانی ارزشمند است که بار تغییر می کند و سرعت خروجی ثابت مورد نیاز است - کنترل چرخه وظیفه PWM حلقه باز به کاهش سرعت تحت افزایش بار اجازه می دهد مگر اینکه از یک کنترل کننده PID برای جبران استفاده شود. برای کاربردهایی مانند درایوهای نوار نقاله، لغزنده های دوربین، و پمپ های مایع که ثبات سرعت اهمیت دارد، افزودن یک رمزگذار و یک حلقه PID ساده ارزش پیچیدگی بیشتری را دارد.

آی سی های رایج درایور مورد استفاده با گیربکس های خار DC کوچک برس دار عبارتند از:

• L298N: دو پل H، حداکثر 2 آمپر در هر کانال، حداکثر 46 ولت. به طور گسترده در دسترس، آسان برای استفاده، اما گرمای قابل توجهی در جریان های بالاتر به دلیل ولتاژ افت بالا تولید می کند.
• DRV8833: پل H دوگانه، حداکثر 1.5 آمپر در هر کانال، مقاومت کم، کارآمدتر از L298N برای موتورهای کوچک. در کاربردهای روباتیک و سرگرمی رایج است.
• TB6612FNG: پل H دوگانه، تا 1.2 آمپر پیوسته در هر کانال، بسته فشرده، که در بسیاری از پلتفرم‌های روباتیک از جمله درایورهای موتور پولولو استفاده می‌شود.
• BTS7960 (IBT-2): ماژول پل H با جریان بالا، حداکثر تا 43 آمپر، مناسب برای گیربکس‌های بزرگتر 12 ولت یا 24 ولت در کاربردهای صنعتی یا خودرویی.

حالت های رایج شکست و نحوه اجتناب از آنها

موتورهای دنده خار DC به روش های قابل پیش بینی از کار می افتند. درک حالت‌های خرابی باعث می‌شود که از طریق کاربرد صحیح و شیوه‌های تعمیر و نگهداری اولیه، عمر سرویس را به میزان قابل توجهی افزایش دهید.

سایش دندان چرخ دنده و کندن

شایع ترین خرابی مکانیکی، به ویژه در موتورهای دنده پلاستیکی. ناشی از کارکردن گیربکس با یا بالاتر از گشتاور استال، بارگذاری ضربه ای فراتر از حداکثر گشتاور نامی، یا صرفاً سایش انباشته در کاربردهای سیکل بالا. راه حل این است که موتوری با درجه گشتاور بسیار بالاتر از حداکثر تقاضای برنامه انتخاب کنید - نه فقط بالاتر از میانگین تقاضای آن - و استفاده از چرخ دنده های فلزی برای هر برنامه ای که شامل بارهای ضربه ای یا چرخه های کاری زیاد است.

سایش برس (موتورهای برس خورده)

موتورهای DC برس دار دارای عمر برس محدودی هستند، معمولاً 500 تا 3000 ساعت بسته به جریان، سرعت و مواد برس. جریان استال بالا سایش برس را به طرز چشمگیری تسریع می کند. برای کاربردهای طولانی مدت، یا نوع بدون برس را مشخص کنید یا برای فواصل تعویض برس برنامه ریزی کنید. راه اندازی یک موتور برس خورده در حالت توقف برای مدت طولانی، سریع ترین راه برای از بین بردن کموتاتور و برس ها به طور همزمان است.

خرابی بلبرینگ

بارهای شعاعی (جانبی) بیش از حد روی شفت خروجی، علت اصلی خرابی یاتاقان در گیربکس های اسپار است. شفت خروجی برای اتصال محوری به بار طراحی شده است - هدایت یک تسمه، زنجیر یا چرخ دنده مستقیماً از شفت خروجی بدون پشتیبانی مناسب شفت، بارهای شعاعی را روی یاتاقان خروجی گیربکس وارد می کند که برای آن طراحی نشده است. از یک کوپلینگ مناسب تراز شده با تکیه گاه محور استفاده کنید و بارهای شعاعی را در محدوده تعیین شده سازنده نگه دارید.

خرابی روغن کاری

گیربکس های اسپار روغن کاری شده و عموماً آب بندی شده اند. در محیط های با دمای بالا یا پس از عمر طولانی، گریس تحلیل رفته و ویسکوزیته را از دست می دهد و نرخ سایش دنده و یاتاقان را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. برای واحدهای مهر و موم شده، این قابل سرویس دهی نیست. برای گیربکس‌های با فریم باز یا در دسترس، روغن‌کاری دوره‌ای با لیتیوم یا گریس دنده مصنوعی به طور قابل‌توجهی عمر را افزایش می‌دهد.