Przekładnia ślimakowa a planetarna – różnice, zasada działania i kiedy wybrać którą

Wybór między przekładnią ślimakową a planetarną wpływa na sprawność, dokładność, dynamikę i sposób zabudowy napędu. Przekładnia ślimakowa wykorzystuje współpracę ślimaka z kołem ślimakowym i pozwala uzyskać duże przełożenie przy osiach ustawionych zwykle pod kątem 90°. Przekładnia planetarna opiera się natomiast na kole słonecznym, satelitach i kole pierścieniowym, dzięki czemu zapewnia wysoką sprawność, dużą gęstość momentu i niewielki luz. Kiedy lepszym wyborem będzie każda z nich?

Czym jest przekładnia ślimakowa i jak działa?

Przekładnia ślimakowa składa się przede wszystkim ze ślimaka przypominającego śrubę oraz współpracującego z nim koła ślimakowego. Obrót ślimaka powoduje przesuwanie powierzchni jego zwoju po zębach koła i w rezultacie obrót wału wyjściowego.

Osie wałów najczęściej:

• przecinają się pozornie pod kątem 90°,
• nie leżą w jednej płaszczyźnie,
• pozwalają wygodnie zmienić kierunek przenoszenia napędu.

Istotną różnicą w stosunku do klasycznych przekładni zębatych jest sposób kontaktu zębów. W przekładni ślimakowej znaczna część ruchu ma charakter ślizgowy. Zapewnia to płynną i stosunkowo cichą pracę, ale jednocześnie zwiększa straty energii i ilość wydzielanego ciepła.

Jak wygląda schemat przekładni ślimakowej?

Na rysunku technicznym przekładni warto zaznaczyć:

• wał wejściowy ze ślimakiem,
• liczbę zwojów ślimaka,
• koło ślimakowe,
• wał wyjściowy,
• kierunek obrotu obu wałów,
• kąt ustawienia osi,
• kierunek przenoszenia momentu.

Taki schemat dobrze pokazuje podstawową różnicę względem przekładni planetarnej: w przekładni ślimakowej wał wejściowy i wyjściowy są zwykle ustawione pod kątem, natomiast klasyczna przekładnia planetarna pozwala zachować współosiowość wejścia i wyjścia.

Czy przekładnia ślimakowa jest samohamowna?

Przekładnia ślimakowa może wykazywać samohamowność, czyli utrudniać lub uniemożliwiać napędzenie ślimaka od strony koła ślimakowego. Nie jest to jednak właściwość każdej przekładni tego typu.

Na samohamowność wpływają między innymi:

• kąt wzniosu linii śrubowej,
• liczba zwojów ślimaka,
• współczynnik tarcia,
• zastosowane materiały,
• smarowanie,
• temperatura,
• stan zużycia współpracujących powierzchni.

Mniejszy kąt wzniosu zwiększa tendencję do samohamowności. Nie należy jednak traktować tego zjawiska jako pewnego zabezpieczenia przed ruchem wstecznym. Producent KHK wskazuje wprost, że jeżeli całkowite uniemożliwienie ruchu wstecznego jest wymagane ze względów funkcjonalnych lub bezpieczeństwa, należy zastosować dodatkowy mechanizm hamujący.

Co to jest przekładnia planetarna i jak działa?

Przekładnia planetarna to przekładnia zębata, w której kilka kół obraca się równocześnie wokół wspólnej osi. Typowy układ składa się z:

• centralnego koła słonecznego,
• kilku kół planetarnych, czyli satelitów,
• jarzma utrzymującego satelity,
• wewnętrznie uzębionego koła pierścieniowego.

Moment jest rozdzielany pomiędzy kilka punktów zazębienia. Dzięki temu przy stosunkowo niewielkich wymiarach można przenosić wysokie obciążenia i zachować dużą sztywność układu. W przekładniach stosowanych w automatyce ważnymi zaletami są również wysoka sprawność i możliwość uzyskania bardzo małego luzu kątowego.

Dokładną budowę oraz parametry istotne przy projektowaniu napędu opisuje materiał najważniejsze parametry przy wyborze przekładni planetarnej.

W przekładniach planetarnych AMG sprawność mechaniczna może sięgać około 97–98%, zależnie od konstrukcji, liczby stopni, obciążenia i warunków pracy. Wysoka sprawność oznacza mniejsze straty energii i mniejsze nagrzewanie układu niż w rozwiązaniach bazujących na intensywnym tarciu ślizgowym.

Przekładnia ślimakowa, a planetarna — najważniejsze różnice

Wybór nie powinien więc sprowadzać się do pytania, która konstrukcja jest „lepsza”. Przekładnie rozwiązują częściowo inne problemy.

Jakie są zalety i wady przekładni ślimakowej?

Zalety przekładni ślimakowej

Do najważniejszych zalet należą:

• możliwość uzyskania dużego przełożenia w jednym stopniu,
• kompaktowa konstrukcja,
• łatwa zmiana kierunku osi napędu,
• płynna praca,
• niski poziom hałasu przy prawidłowym wykonaniu,
• możliwość wystąpienia samohamowności,
• stosunkowo prosta integracja w mniej dynamicznych mechanizmach.

Przekładnia ślimakowa może być dobrym rozwiązaniem tam, gdzie ważniejsza od bardzo wysokiej sprawności jest prostota, duża redukcja prędkości i odpowiednie ustawienie wału wyjściowego.

Wady przekładni ślimakowej

Największym ograniczeniem jest tarcie ślizgowe pomiędzy ślimakiem a kołem.

Może ono powodować:

• niższą sprawność,
• większe wydzielanie ciepła,
• wyższe wymagania dotyczące smarowania,
• szybsze zużycie przy nieprawidłowych warunkach pracy,
• ograniczenia przy wysokich prędkościach i pracy dynamicznej.

Samohamowność również nie powinna być traktowana bezwarunkowo jako zaleta. Zależy od geometrii, smarowania i współczynnika tarcia, dlatego nie stanowi automatycznie funkcji bezpieczeństwa.

Jakie są zalety i wady przekładni planetarnej?

Zalety przekładni planetarnej

Do najważniejszych zalet należą:

• wysoka sprawność,
• duża gęstość momentu,
• małe wymiary względem przenoszonych obciążeń,
• wysoka sztywność skrętna,
• możliwość uzyskania bardzo małego luzu,
• dobre właściwości dynamiczne,
• współosiowe wejście i wyjście,
• łatwa współpraca z serwomotorami i silnikami krokowymi.

Dlatego przekładnie planetarne są szczególnie użyteczne w automatyce precyzyjnej, gdzie napęd często zmienia kierunek i musi szybko osiągać zadaną pozycję.

Przykładowa przekładnia TDP dostępna w AMG osiąga — zależnie od wariantu — wyjściowy moment znamionowy od 142 do 335 Nm, a wersje o zmniejszonym luzie mogą mieć backlash do 1 minuty kątowej. Seria jest zintegrowana z kołem zębatym skośnym i przeznaczona m.in. do osi pozycjonujących, portali oraz układów rack & pinion.

Wady przekładni planetarnej

Ograniczeniami mogą być:

• bardziej złożona konstrukcja,
• wyższy koszt przekładni precyzyjnych,
• brak typowej samohamowności,
• konieczność dokładnego dopasowania do silnika i obciążenia,
• wzrost gabarytów przy zastosowaniu większej liczby stopni.

Nie każda aplikacja wymaga więc przekładni o minimalnym luzie i bardzo wysokiej sprawności. W prostym mechanizmie pracującym wolno zastosowanie zaawansowanego rozwiązania planetarnego może być ekonomicznie nieuzasadnione.

Jak obliczyć przełożenie przekładni ślimakowej?

Dla przekładni ślimakowej przełożenie oblicza się ze wzoru:

i = z₂ / z₁

gdzie:

• i — przełożenie,
• z₂ — liczba zębów koła ślimakowego,
• z₁ — liczba zwojów, czyli zaczepów ślimaka.

Jeżeli ślimak jest jednozwojowy, a koło ma 40 zębów:

i = 40 / 1 = 40

Oznacza to, że ślimak musi wykonać 40 obrotów, aby koło ślimakowe wykonało jeden obrót.

Jeżeli ten sam mechanizm wykorzystuje ślimak dwuzwojowy:

i = 40 / 2 = 20

Przełożenie wynosi więc 20:1. Zależność liczby zębów koła od liczby zwojów ślimaka jest podstawowym sposobem określania przełożenia przekładni ślimakowej.

Jak obliczyć przełożenie przekładni planetarnej?

W przekładni planetarnej wzór zależy od tego, który element jest napędzany, który stanowi wyjście, a który zostaje unieruchomiony.

W popularnym układzie, w którym:

• koło słoneczne jest wejściem,
• koło pierścieniowe pozostaje nieruchome,
• jarzmo jest wyjściem,

przełożenie wynosi:

i = 1 + zᵣ / zₛ

gdzie:

• zᵣ — liczba zębów koła pierścieniowego,
• zₛ — liczba zębów koła słonecznego.

Przykładowo dla koła słonecznego z 20 zębami i pierścieniowego z 60 zębami:

i = 1 + 60 / 20 = 4

Otrzymujemy przełożenie 4:1.

W praktycznym doborze gotowej przekładni ważniejsze od samodzielnego projektowania geometrii jest jednak sprawdzenie przełożenia katalogowego razem z dopuszczalnym momentem, prędkością wejściową, luzem, sprawnością i bezwładnością.

Kiedy wybrać przekładnię ślimakową?

Przekładnia ślimakowa może być uzasadniona, gdy aplikacja:

• pracuje ze stosunkowo niewielką prędkością,
• wymaga dużego przełożenia w jednym stopniu,
• ma wały ustawione pod kątem 90°,
• nie wymaga bardzo wysokiej sprawności,
• wykonuje stosunkowo niewiele dynamicznych zmian kierunku,
• może wykorzystać tendencję układu do samohamowności.

Typowymi przykładami są proste mechanizmy regulacyjne, napędy pomocnicze, mechanizmy ustawiające oraz urządzenia, w których ruch jest powolny i okresowy.

Jeżeli natomiast oś pracuje praktycznie bez przerwy, szybko przyspiesza, zmienia kierunek i wymaga precyzyjnego pozycjonowania, coraz większego znaczenia nabierają sprawność, luz kątowy, sztywność i bezwładność przekładni.

Kiedy wybrać przekładnię planetarną zamiast ślimakowej?

Przekładnia planetarna jest szczególnie korzystna w aplikacjach wykorzystujących serwonapędy i silniki krokowe.

Warto ją rozważyć, gdy wymagane są:

• częste zmiany kierunku,
• szybkie przyspieszenia i hamowania,
• wysoka sprawność energetyczna,
• precyzyjne pozycjonowanie,
• mały luz kątowy,
• duży moment przy niewielkich wymiarach,
• wysoka sztywność napędu,
• długa praca cykliczna.

Dotyczy to między innymi robotów przemysłowych, maszyn CNC, systemów pick-and-place, maszyn pakujących, modułów liniowych i osi wykorzystujących listwy zębate.

Przy takim zastosowaniu warto uwzględnić nie tylko przełożenie, lecz także moment znamionowy i szczytowy, luz, sztywność oraz bezwładność. Kryteria te szerzej opisuje materiał jak wybrać przekładnię planetarną do aplikacji precyzyjnych.

A kiedy warto rozważyć przekładnię cykloidalną?

Przekładnia ślimakowa i planetarna nie wyczerpują dostępnych możliwości. W aplikacjach wymagających dużej odporności na przeciążenia oraz bardzo dużej sztywności alternatywą może być przekładnia cykloidalna.

Jej mechanizm opiera się na współpracy dysku cykloidalnego z rolkami. Wielopunktowe przenoszenie obciążenia pozwala uzyskać dużą nośność i niewielki luz, dlatego konstrukcje tego typu stosuje się między innymi w robotyce i cięższych mechanizmach precyzyjnych.

Budowę mechanizmu opisuje artykuł przekładnie cykloidalne – budowa i zasada działania, natomiast porównanie obu precyzyjnych technologii znajduje się w materiale przekładnia planetarna a cykloidalna – różnice.

Dlaczego w automatyce precyzyjnej częściej stosuje się przekładnie planetarne i cykloidalne?

W automatyce dokładność nie zależy wyłącznie od nominalnego przełożenia. Ważne jest, jak układ zachowuje się podczas przyspieszania, hamowania i odwracania kierunku.

W takich aplikacjach szczególnie istotne są:

• luz kątowy,
• sztywność skrętna,
• sprawność,
• bezwładność,
• zdolność do przenoszenia momentu szczytowego,
• powtarzalność ruchu,
• trwałość przy dużej liczbie cykli.

Przekładnia ślimakowa może spełniać wymagania prostszego mechanizmu, ale przy bardzo dynamicznej osi serwo straty wynikające z tarcia oraz luz stają się istotniejszym ograniczeniem.

Dlatego oferta AMG koncentruje się na rozwiązaniach planetarnych i cykloidalnych przeznaczonych właśnie do takich napędów. Dostępne serie przekładni planetarnych GearKo obejmują wykonania przeznaczone do współpracy z różnymi serwosilnikami i silnikami krokowymi.

Przekładnię dobiera się do aplikacji, a nie tylko do wymaganego przełożenia

Przekładnia ślimakowa jest dobrym rozwiązaniem dla określonej grupy prostych i wolniejszych mechanizmów. Jeżeli jednak układ ma współpracować z serwonapędem lub silnikiem krokowym i wykonywać tysiące dynamicznych cykli, istotniejsze stają się sprawność, luz, bezwładność i sztywność.

Przed doborem warto określić:

• wymagane przełożenie,
• moment znamionowy i szczytowy,
• prędkość wejściową i wyjściową,
• moment bezwładności obciążenia,
• częstotliwość zmian kierunku,
• wymagany luz kątowy,
• pozycję montażową,
• oczekiwaną żywotność,
• warunki środowiskowe.

Na tej podstawie można ocenić, czy aplikacja wymaga prostego reduktora, czy precyzyjnej przekładni planetarnej lub cykloidalnej.

FAQ

Czym różni się przekładnia ślimakowa od planetarnej?

Przekładnia ślimakowa wykorzystuje ślimak i koło ślimakowe oraz zwykle zmienia kierunek osi napędu o 90°. Przekładnia planetarna wykorzystuje koło słoneczne, satelity i wieniec. Planetarna zapewnia zwykle wyższą sprawność, lepszą dynamikę i mniejszy luz, natomiast ślimakowa umożliwia uzyskanie dużego przełożenia w jednym stopniu.

Jak działa przekładnia ślimakowa?

Obracający się ślimak przesuwa swoje zwoje po zębach koła ślimakowego. Każdy obrót ślimaka powoduje przesunięcie koła o liczbę zębów odpowiadającą liczbie zwojów ślimaka.

Czy przekładnia ślimakowa jest samoblokująca?

Nie każda. Samohamowność zależy między innymi od kąta wzniosu, współczynnika tarcia, liczby zwojów i smarowania. Nie powinna być traktowana jako gwarantowana funkcja bezpieczeństwa.

Jak obliczyć przełożenie przekładni ślimakowej?

Przełożenie oblicza się ze wzoru i = z₂ / z₁, gdzie z₂ oznacza liczbę zębów koła ślimakowego, a z₁ liczbę zwojów ślimaka. Dla koła 60-zębnego i ślimaka dwuzwojowego przełożenie wynosi 30:1.

Kiedy wybrać przekładnię planetarną zamiast ślimakowej?

Planetarną warto wybrać przede wszystkim w dynamicznych napędach wymagających wysokiej sprawności, niskiego luzu, dużej sztywności i precyzyjnego pozycjonowania. Typowe zastosowania to serwonapędy, roboty, maszyny CNC oraz szybkie osie automatyki.

Jakie są najważniejsze wady przekładni ślimakowej?

Do podstawowych ograniczeń należą niższa sprawność wynikająca z tarcia ślizgowego, większe nagrzewanie, wymagania dotyczące smarowania oraz mniejsza przydatność w szybkich i wysoko dynamicznych osiach.