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maxon的GPX UP微型齿轮箱
maxon针对其标准微型齿轮箱特别开发出升级版本作为新产品系列:性能范围明显改良,紧凑的结构结合更高的性能,带来全新的应用可能性。
开发UP齿轮箱的最初想法是在欧洲航天局 (ESA) 的火星探测计划 (ExoMars) 以及美国国家航空航天局 (NASA) 的“火星2020”项目背景之下形成的;在这类项目中,即使是在极端环境条件下也必须确保尽可能高的可用性。
说到开创性的技术进步,人们通常会联想到例如一级方程式赛车中的先进技术会逐渐普及至日常的机动车辆——对于maxon公司,这些进步通常发生在航空航天领域,然后再逐步引入工业领域。
GPX UP:性能强大的新型齿轮箱产品范围
这个新的齿轮箱产品范围的一大优势就是效率极高。效率可以定义为输出功率与输入功率之间的关系。在任何机械系统中,只要尽可能减少摩擦,自然就会直接带来驱动装置的优化。在UP系列的新型GPX行星齿轮箱中,技术性的重新定位意味着:原本直接装在支承轴滑动轴承上的行星齿轮,现在改为装在滚珠或滚针轴承上。在机械工程中,这种改变代表“从滑动摩擦转变为滚动摩擦”。
如果我们以一个三级结构的GPX32 UP为例,最大效率可达到90%左右。同类微型齿轮箱的效率可达到大约70%。与传统设计相比,我们可以说:通过上述工程设计改进措施,可以将效率提高1.3倍,即30%(图3)。
这也直接影响到驱动系统的其他参数:在输入功率相同的情况下,即使用相同的电机和相同的电机控制系统,齿轮箱的转矩可以提高30%。换句话说:要获得相同的输出功率,驱动装置的输入功率可以减少23%。这使得在下一次充电之前的可运行时间更长,特别是对于电池驱动的应用尤其有利。
由于输入功率需求降低,所使用的电机因此可以在更有利的工作点运行。这也有助于提高电机效率,并随之提高了整个驱动系统的效率。
可以使用较小和/或较轻的电机和电子装置作为替代方案,这在重量和成本方都颇具优势。
齿轮箱的使用寿命也明显延长:如上所述,可以大幅度减少行星齿轮轴系统的摩擦。与此同时,驱动装置在运行时产生的热量也因为摩擦力减少而明显降低。尤其是在温度不得超过一定水平的应用中(例如医疗技术电动工具),功率输出也得以改善。
润滑剂的耐久性对于齿轮箱机械部件的损耗快慢也有很大影响。热应力越大,润滑功效损失得就会越快,导致机械系统磨损越早出现,也因此磨损程度越严重。因磨损形成的金属颗粒也会导致润滑剂质地变得粘稠,从而可能润滑功能失效。
在其他运行条件都相同的前提下,抑制热输入可以延长使用寿命。这种效果是GPX UP齿轮箱的突出特性之一:使用寿命比类似的传统maxon齿轮箱延长5倍。与目前市场上的竞品机型相比,更是高出11倍。
另外,由于转矩-直径比(功率密度)显著改善,因此也可以使用更小更轻的齿轮箱达到延长使用寿命的目的。
齿轮箱的反转功能
新设计的优势不仅体现在齿轮箱规格中经过改进的各个参数上。现在,GPX UP齿轮箱增加了许多新用途,特别是所谓的力反馈应用。
在这些应用中,GPX UP的工程设计优势尤其能发挥功用。在常规运行中,内部安装的行星齿轮可以使齿轮箱平稳反向旋转,必要时还可以为操作人员提供反馈。更准确地说:用来产生力和转矩的元件会接收到可测量或可触知的机械反馈。为了实现这一点,齿轮箱必须能够反向运行,也就是说,任何施加在驱动装置输出侧的转矩或转矩变化,都必须按比例传递到输入侧。
以下例子演示了这种应用:电子飞行控制(fly-by-wire,电传操纵)与传统系统的不同之处在于:飞行员的操控动作不是以机械或液压方式传递到执行器,而是通过电子方式。但这样一来,操作人员在刚开始会失去所有操控动作的触知反馈。在控制杆中加装一个驱动装置后,通过电子方式传递的反馈便会以机械方式传递到飞行员的手上。反向旋转在常规运行中尤为必要,因为额外安装的驱动装置不应该妨碍控制杆的运动。
类似的过程也被用于显微外科和远程外科领域的创新外科手术机器人(图5)。此处也很重要的是,操作人员不仅必须能直接接收到本身执行动作的触知反馈,而且必须能直接感觉到务必保持完整的健全组织。工厂设备和机械结构中也需要反向驱动:在进行设置时,机器轴需要能够在没有电力的情况下从输出侧移开。
可定制的高性能齿轮箱
新型的GPX UP型号结合了一系列重要的产品优势:更高的功率、更大的转矩、提高的效率、显著延长的使用寿命、生热更少、驱动系统重量更轻,以及多级齿轮箱的额外反向功能。
如果只考虑前两个因素,我们可以称之为“超强功率”齿轮箱。但加上在这里列出的其他特征,就不难理解为什么说UP确实代表了“超高性能”(Ultra Performance)。
maxon的Ultra Performance GPX齿轮箱已推出GPX22 UP和GPX32 UP直径型号,并与其他所有“X”系列一样,都可以定制并在线订购。GPX42 UP版本将于2020年春季推出。此外,Ultra Performance系列的可定制齿轮箱现在也提供直径Ø 8–58 mm的尺寸。