1. Inleiding: een technisch probleem en de impact ervan op de betrouwbaarheid van apparatuur
Versnellingsbakken zijn kritische componenten van industriële aandrijvingen en verantwoordelijk voor de overdracht van koppel bij een verandering in de rotatiefrequentie. De keuze van het type verloopstuk heeft rechtstreeks invloed op de energie-efficiëntie, positioneringsnauwkeurigheid, geluidsniveau en onderhoudsperiode van de apparatuur. Volgens SKF is tot 30% van de aandrijfstoringen te wijten aan onjuiste versnellingskeuze of -bediening, wat resulteert in 50-200 uur productiestilstand per jaar voor de gemiddelde staalfabriek.
De belangrijkste technische uitdagingen bij het kiezen van verloopstukken:
- Minimalisering van vermogensverliezen (efficiëntie van 50% tot 98%, afhankelijk van het type)
- Spelingsbeheersing (van 1 tot 30 boogminuten voor diverse uitvoeringen)
- Thermische stabiliteit onder langdurige belasting (bedrijfstemperaturen tot 120°C)
- Weerstand tegen schokbelastingen (overbelastingsfactor 1,5-3,0)
Deze technische gids biedt een vergelijkende analyse van de vier belangrijkste typen versnellingsbakken (planetair, spiraalvormig, wormvormig en schuin) met de nadruk op hun energie-efficiëntie en speling. Het materiaal voldoet aan de eisen van DSTU EN 10083-1:2009 (materialen voor tandwielen) en ISO 6336:2019 (berekening van de sterkte van tandwielen).
2. Fundamentele principes van de werking van de versnellingsbak
2.1. Kinematische schema's en overbrengingsverhouding
De overbrengingsverhouding van de versnellingsbak wordt gedefinieerd als:
i = nin / nout = zout / zout
waarbij n de rotatiefrequentie (tpm) is, z het aantal tanden. Voor meertrapsversnellingsbakken is de totale overbrengingsverhouding gelijk aan het product van de overbrengingsverhoudingen van de afzonderlijke trappen.
| Enkele fase | Tweetraps | Drietraps | |
|---|---|---|---|
| Planetair | 3-12 | 10-100 | 50-500 |
| Cilindrisch (schuin) | 1,25-6,3 | 6,3-40 | 30-250 |
| Worm | 5-100 | 25-4000 | — |
| Conisch | 1-6 | 6-36 | — |
2.2. Vermogensverliezen en efficiëntie
De efficiëntieverhouding van het verloopstuk wordt gedefinieerd als:
η = steenbolk / steenbolk = (steenbolk - steenbolk) / steenbolk
waarbij Pvtr het totale vermogensverlies is, inclusief:
- Wrijvingsverliezen bij aangrijping (50-70% van de totale verliezen)
- Oliespattenverliezen (10-20%)
- Verliezen in lagers (10-15%)
- Afdichtingsverliezen (5-10%)
De formule uit ISO/TR 14179-1:2001 wordt gebruikt om wrijvingsverliezen bij aangrijping te berekenen:
Pz = (μ · Fn · vg) / 1000
waarbij μ de wrijvingscoëfficiënt is (0,03-0,1 voor stalen tandwielen), Fn de normaalkracht bij aangrijping (N), vg de glijsnelheid (m/s).
2.3. Speling en het effect ervan op de transmissienauwkeurigheid
Speling (hoekspeling) is de rotatiehoek van de uitgaande as wanneer de ingaande as stilstaat. Het komt voor als gevolg van:
- Technologische hiaten in betrokkenheid (0,01-0,1 mm, afhankelijk van de module)
- Vervormingen van behuizingen en assen onder belasting
- Slijtage van tanden tijdens bedrijf
De maximaal toegestane speling wordt geregeld door DIN 3967:1978 en is afhankelijk van de transmissienauwkeurigheidsklasse:
| Module 1-3,5 mm | Module 3,5-6 mm | Module 6-10 mm | |
|---|---|---|---|
| 5 | 2-5 | 3-6 | 4-8 |
| 6 | 3-8 | 4-10 | 6-12 |
| 7 | 5-12 | 6-16 | 8-20 |
| 8 | 8-20 | 10-25 | 12-30 |
3. Technische kenmerken en normen
3.1. Planetaire verloopstukken
De structuur bestaat uit een centraal zonnewiel, satellieten, een epicykel en een drager. Voordelen:
- Hoog rendement (95-98% voor eentraps, 90-95% voor meertraps)
- Compactheid (overbrengingsverhouding tot 500 in één behuizing)
- Hoog specifiek vermogen (tot 10 kW/kg)
- Kleine speling (1-5 boogminuten voor precisiemodellen)
Basisnormen:
- ISO 6622:2012 — Afmetingen en toleranties voor planetaire tandwielen
- AGMA 6123-C16 — Sterkteberekening van planetaire tandwielkasten
- DIN 3990-1:1987 — Berekening van het draagvermogen van tandwielen
Typische specificaties (UNITEC-D PLG-serie):
| Waarde | |
|---|---|
| Nominaal koppel (N·m) | 50-5000 |
| Overbrengingsverhouding | 3-100 |
| Efficiëntie (eentraps) | 96-98% |
| Speling (hoekminuten) | 1-3 (nauwkeurigheidsklasse 5) |
| Maximale rotatiefrequentie (tpm) | 3000-6000 |
| Bedrijfstemperatuur (°C) | -20 tot +100 |
| Betrokkenheidsnauwkeurigheidsklasse | 5-6 (ISO 1328) |
3.2. Cilindrische (spiraalvormige) verloopstukken
Het meest voorkomende type verloopstukken in de industrie vanwege het eenvoudige ontwerp en de hoge betrouwbaarheid. Functies:
- Efficiëntie: 96-98% voor eentraps, 94-96% voor tweetraps
- Overbrengingsverhouding: 1,25-250 (afhankelijk van het aantal stappen)
- Speling: 3-15 boogminuten (nauwkeurigheidsklasse 6-7)
- Glijsnelheid in aangrijping: 0,5-5 m/s
Belangrijkste normen:
- ISO 6336:2019 — Sterkteberekening van rechte tandwielen
- DIN 3960:1987 — Geometrie van cilindrische tandwielen
- AGMA 2001-D04 — Berekening van laadvermogen
Een voorbeeld van het berekenen van de koppelmodulus volgens ISO 6336:
mn ≥ (2 · KA · T1 · YF · YS · Yβ · YB · YDT) / (z1 · σFP · b · d1)
waarbij KA de bedrijfsfactor is (1,0-1,75), T1 het koppel op het tandwiel is (N·m), Y de coëfficiënten van de tandvorm en de helling van de tandlijn is, σFP de toelaatbare buigspanning (MPa) is.
3.3. Wormenverminderaars
Ze worden gebruikt voor grote overbrengingsverhoudingen in één trap (5-100). Functies:
- Laag rendement (40-85% afhankelijk van de overbrengingsverhouding)
- Zelfremmend bij i > 30 (er moet rekening mee worden gehouden bij het ontwerpen van aandrijvingen met achteruit)
- Hoog geluidsniveau (70-85 dB op een afstand van 1 m)
- Speling: 5-30 boogminuten (afhankelijk van nauwkeurigheidsklasse)
Normen:
- ISO 14521:2020 — Sterkteberekening van wormwielen
- DIN 3975:2016 — Termen en definities voor wormwielen
- AGMA 6034-B92 - Ontwerppraktijk voor wormwieloverbrengingen
Berekening van de efficiëntie van het wormwiel:
η = (bruin γ) / (bruin (γ + ρ'))
waarbij γ de elevatiehoek van de wormwinding is, is ρ' de gecombineerde wrijvingshoek (afhankelijk van het materiaal en de glijsnelheid). Voor een bronzen kroon en een stalen worm, ρ' ≈ 1°-3°.
3.4. Conische verloopstukken
Ze worden gebruikt om de richting van de krachtoverbrenging te veranderen (meestal met 90 °). Functies:
- Efficiëntie: 95-97% voor rechte tanden, 96-98% voor spiraal
- Overbrengingsverhouding: 1-6 (eentraps)
- Speling: 3-15 boogminuten
- Hoge gevoeligheid voor montagenauwkeurigheid (afwijkingstolerantie ≤ 0,05 mm)
Normen:
- ISO 10300:2014 — Sterkteberekening van kegelwielen
- DIN 3971:1980 — Geometrie van kegelwielen
- AGMA 2005-D03 — Berekening van het laadvermogen
4. Handleiding voor de selectie en berekening van verloopstukken
4.1. Criteria voor het selecteren van het type versnellingsbak
De keuze voor het optimale type versnellingsbak hangt af van:
- Vereiste overbrengingsverhouding
- Vereisten voor efficiëntie en energie-efficiëntie
- Toegestane speling (voor servoaandrijvingen)
- Dimensionale beperkingen
- Type belasting (permanent, schok, omkeerbaar)
- Bedrijfsomstandigheden (temperatuur, vochtigheid, stoffigheid)
| Planetair | Cilindrisch | Worm | Conisch | |
|---|---|---|---|---|
| Overbrengingsverhouding (eentraps) | 3-12 | 1,25-6,3 | 5-100 | 1-6 |
| Maximaal rendement (%) | 98 | 98 | 85 | 98 |
| Speling (hoekminuten) | 1-5 | 3-15 | 5-30 | 3-15 |
| Specifiek vermogen (kW/kg) | 0,5-10 | 0,2-5 | 0,1-2 | 0,3-4 |
| Toegestane schokbelasting (coëfficiënt) | 2,5-3,0 | 2,0-2,5 | 1,5-2,0 | 2,0-2,5 |
| Geluid (dB op een afstand van 1 m) | 60-75 | 65-80 | 70-85 | 65-80 |
| Kosten (ten opzichte van cilindrisch) | 1,5-3,0 | 1,0 | 0,8-1,5 | 1,2-2,0 |
4.2. Berekening van het vereiste koppel
Het nominale koppel van de versnellingsbak wordt bepaald door de formule:
Tnom = Tnav · KA · Krej · S
де:
- Tnav — belastingsmoment op de uitgaande as (N·m)
- KA — bedrijfsfactor (1,0-1,75 volgens ISO 6336)
- Cirkel — bedrijfsmoduscoëfficiënt (1,0 voor licht, 1,25 voor gemiddeld, 1,5 voor zwaar)
- S — reservefactor (1,1-1,5, afhankelijk van de kriticiteit van de apparatuur)
Een voorbeeld van een berekening voor een transportbandaandrijving:
- Belastingsmoment: 800 N·m
- Bedrijfscoëfficiënt (zware omstandigheden): 1.5
- Modusfactor: 1,25
- Voorraadfactor: 1,2
Tnom = 800 1,5 1,25 1,2 = 1800 N·m
4.3. Thermische berekening en selectie van smeermiddel
Het thermische vermogen van het verloopstuk wordt bepaald volgens ISO/TR 14179-2:2001:
Pterm = (ΔT · A · k) / 1000
де:
- ΔT — toegestane oververhitting van het smeermiddel (meestal 50-60°C)
- A — Oppervlakte van de woning (m²)
- k — warmteoverdrachtscoëfficiënt (12-20 W/(m²·K) voor natuurlijke koeling)
Voor wormwielkasten is thermische berekening van cruciaal belang vanwege het lage rendement. Gebruik bij onvoldoende thermisch vermogen:
- Geforceerde luchtkoeling (verhoogt k tot 30-50 W/(m²·K))
- Olieradiatoren met waterkoeling
- Verlaging van de viscositeit van het smeermiddel (van ISO VG 460 naar ISO VG 220)
De keuze van het smeermiddel wordt uitgevoerd volgens DIN 51509-1:2018, rekening houdend met:
- Bedrijfstemperatuurbereik
- Snelheden van glijden bij verloving
- Contactspanningen (tot 1500 MPa voor zwaarbelaste tandwielen)
5. Installatie en inbedrijfstelling: best practices
5.1. Voorbereiding van de fundering en controle van de uitlijning
Eisen aan de fundering worden geregeld door DIN ISO 10816-3:2009:
- Tolerantie oppervlakteoneffenheden: ≤ 0,05 mm per 100 mm
- Sterkte van beton: niet minder dan M200
- Gebruik van voorgespannen ankerbouten (sterkteklasse 8.8)
De uitlijning wordt nauwkeurig gecontroleerd met behulp van laser- of indicatorapparatuur:
- Radiale verplaatsing: ≤ 0,05 mm
- Hoekverplaatsing: ≤ 0,05 mm/100 mm
Bij kegeltandwielkasten wordt de hoek tussen de assen van de assen bovendien geregeld met een nauwkeurigheid van ±0,03°.
5.2. Smering en eerste inbedrijfstelling
Het volume smeermiddel wordt berekend volgens de formule:
V = (0,3-0,5) · Ptherm / (c · ρ · ΔT)
waarbij c de soortelijke warmtecapaciteit van het smeermiddel is (1,8-2,0 kJ/(kg·K)), ρ de dichtheid van het smeermiddel is (850-900 kg/m³).
Vulprocedure:
- Reiniging van de binnenholte van het verloopstuk van conserveermiddel (volgens ISO 16232:2018)
- Vullen met smeermiddel tot het niveau van het controlegat (voor versnellingsbakken met een oliebad)
- Controle van het oliepeil bij bedrijfstemperatuur (na 1-2 bedrijfsuren)
- Smeermiddeldrukregeling voor versnellingsbakken met circulatiesmering (0,1-0,3 MPa)
De eerste start wordt zonder belasting uitgevoerd met een geleidelijke verhoging van de rotatiefrequentie naar de nominale frequentie binnen 30-60 minuten. Gecontroleerd:
- Lichaamstemperatuur (mag niet hoger zijn dan 80°C)
- Geluidsniveau (niet meer dan 3 dB boven de paspoortwaarde)
- Trillingen (volgens ISO 10816-3, zone A/B)
6. Typische storingen en analyse van de hoofdoorzaken
6.1. Slijtage en schade aan tanden
Soorten tandschade worden geclassificeerd volgens ISO 10825:1995:
| Visuele tekenen | De grondoorzaak | Gemiddelde levensduur (uur) | |
|---|---|---|---|
| Vermoeidheid | Kleine schelpjes op het oppervlak van de tanden, meestal in het gebied van de begincirkel | Cyclische contactspanningen die de vermoeidheidslimiet van het materiaal overschrijden | 10.000-50.000 |
| Resterende vervorming | Plastische vervorming van het tandprofiel, vorming
Related Articles
Synchrone reluctantiemotoren: energie-efficiëntie zonder zeldzame metalenSynchrone reluctantiemotoren zijn een efficiënt en duurzaam alternatief voor traditionele synchrone machines. Ze bieden hoge efficiëntie zonder zeldzame metalen en… 
Ultrasone flowmeters: transittijd versus Doppler-principes voor industriële toepassingenUltrasone flowmeters maken gebruik van transittijd- of Doppler-principes voor nauwkeurige flowmeting. Transittijdmeters zijn ideaal voor schone vloeistoffen, terwijl Doppler-meters geschikt… 
Sferische rolleerlagers voor zware industrie: ontwerpprincipes en montagebest practicesSferische rolleerlagers zijn essentieel in zware industriële toepassingen. Deze artikelen biedt technische richtlijnen voor keuze, montage en onderhoud van sferische… |