Испытания производительности планетарной передачи при очень низких температурах

Jun 01, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21815 (2022) Цитировать эту статью

525 Доступов

Подробности о метриках

В статье представлены результаты исследования сопротивления движению в многоступенчатой ​​планетарной передаче, изготовленной из легких конструкционных материалов, таких как алюминиевый сплав 2017, с подшипниковыми узлами на стальных шарикоподшипниках из сплава Х65Х14, смазанных порошком дисульфида молибдена. Были представлены подробности конструкции планетарной передачи, после чего были проведены эксплуатационные испытания. В ходе эксплуатационных испытаний температура работающей трансмиссии постепенно снижалась с помощью жидкого азота до −190 °C. Анализ охватывал, среди прочего, энергопотребление механизма в зависимости от температуры. Результаты сравнивались с параметрами механизмов, уже работающих в космосе. Измерения проводились с целью подтверждения применимости зубчатой ​​передачи в системах привода манипуляторов, предназначенных для работы в открытом космосе или во внеземных условиях, например на Марсе.

Планетарные и деформационно-волновые передачи имеют наиболее компактные конструкции. В планетарных передачах крутящий момент, передаваемый зубчатой ​​передачей, почти одинаково распределяется более чем на одно зубчатое колесо. Обычно их количество колеблется от 3 до 6, что обеспечивает высокую грузоподъемность, несмотря на компактные размеры редуктора. Кроме того, эти трансмиссии обычно рассчитаны на передаточное число 4–10, обеспечивают высокую устойчивость и КПД около 97%1. Еще большие передаточные числа, до 5000, предлагает двухступенчатая дифференциальная планетарная передача2, но конструкция такой передачи сложна.

Планетарные передачи могут использоваться в различных конфигурациях в качестве редукторов, мультипликаторов и дифференциалов1. В узле зубчатой ​​передачи, описанном в этой статье, использовалась конфигурация редуктора с фиксированным кольцевым колесом, солнечной шестерней, расположенной на входном валу, и водилом шестерни, соединенным с выходным валом. На рис. 1 представлена ​​схема механизма спроектированной четырехступенчатой ​​планетарной передачи, в которой водило последней ступени передачи соединено с частью вращающегося тела.

Схема спроектированной планетарной передачи.

Температуры, при которых, как ожидается, будет работать трансмиссия, не встречаются на Земле, поэтому при попытке найти сопоставимые конструкции приходится обращать внимание в основном на решения, применяемые в машинах, используемых на Марсе. Температура на поверхности Марса колеблется от - 140 до 27 ° C из-за того, что планета находится в 1,52 раза дальше от Солнца, чем Земля. Вот почему только 43% энергии, попадающей на Землю, достигает эквивалентной площади поверхности Марса3,4.

Учитывая условия на Марсе, используемое там оборудование, включая зубчатые передачи, должно выдерживать очень низкие температуры, что обсуждалось в исследованиях по проектированию марсианских спускаемых аппаратов и марсоходов. Очень важно также влияние температуры на изменение момента трения в процессе работы трансмиссии5.

Посадочный модуль Mars Volatiles and Climate Surveyor был оснащен роботизированной рукой — манипулятором с четырьмя степенями свободы. Его приводы могли генерировать крутящий момент соответственно: 26 Нм, 91 Нм, 53 Нм и 10 Нм при нормальной работе, а пиковый моментальный крутящий момент был на 50 % выше. Приводы были спроектированы как двухступенчатые передачи, содержащие планетарную передачу и гармоническую передачу или планетарную передачу и коническую передачу. Редукторы приводились в движение щеточными двигателями постоянного тока. Общие передаточные числа приводов составили 4000 и 16000. Механические системы приводов рассчитаны на работу при температурах от − 105 °С (− 90 °С) до 35 °С; Чтобы защитить их от более экстремальных климатических условий, соединения были оснащены нагревателями мощностью 1 Вт и 4 Вт6,7,8. Результаты испытаний по влиянию температуры на силу тока, потребляемую двигателями актуатора при работе на холостом ходу, показали, что с понижением температуры потребляемая приводом мощность значительно увеличивается.