So wählen Sie das richtige Untersetzungsverhältnis: Ein praktischer Leitfaden für Ingenieure und Beschaffungsteams

Das Untersetzungsverhältnis ist die einflussreichste Spezifikation bei der Auswahl eines Getriebemotors oder Getriebes. Es bestimmt die Ausgangsgeschwindigkeit, das Ausgangsdrehmoment und ob die Motorleistung effizient in die mechanische Bewegung umgewandelt wird, die die Anwendung erfordert. Ein falsches Untersetzungsverhältnis ist eine der häufigsten Ursachen für eine mangelhafte Leistung von Getriebemotoren im Feld. Der Motor und das Getriebe sind zwar perfekt gefertigt und für die Leistung richtig dimensioniert, aber wenn das Verhältnis falsch ist, dreht sich die Abtriebswelle entweder zu schnell, um nützlich zu sein, oder zu langsam, um die Zykluszeitanforderungen der Anwendung zu erfüllen, und in beiden Fällen ist das Drehmoment am Abtrieb entweder zu hoch (Energieverschwendung) oder zu niedrig (was zum Abwürgen oder Überlasten des Motors führt).

Für Konstrukteure, die Antriebssysteme spezifizieren, OEM-Ausrüstungsteams, die Standardgetriebemotoren auswählen, und Beschaffungsteams, die auf der Grundlage der Spezifikationen eines Ingenieurs arbeiten, ist das Verständnis, wie das Untersetzungsverhältnis definiert ist, wie das für eine bestimmte Anwendung erforderliche Übersetzungsverhältnis berechnet wird und wie die Übersetzungsauswahl mit der Motorauswahl interagiert, praktisches Wissen, das Spezifikationsfehler und die damit verbundenen Folgekosten verhindert. Dieser Leitfaden deckt alle diese Dimensionen systematisch ab.

Was ist das Untersetzungsverhältnis?

Das Untersetzungsverhältnis (auch Untersetzungsverhältnis, Übersetzungsverhältnis oder i genannt) ist das Verhältnis der Antriebsdrehzahl zur Abtriebsdrehzahl eines Getriebes oder Getriebemotors:

Untersetzungsverhältnis (i) = Eingangsgeschwindigkeit (U/min) / Ausgangsgeschwindigkeit (U/min)

Ein Übersetzungsverhältnis von 10:1 bedeutet, dass sich die Abtriebswelle mit einem Zehntel der Drehzahl der Eingangswelle (der Motorwelle) dreht. Ein Übersetzungsverhältnis von 50:1 bedeutet, dass sich die Abtriebswelle mit einem Fünfzigstel der Motordrehzahl dreht. Je höher das Übersetzungsverhältnis, desto stärker verlangsamt das Getriebe die Drehzahl der Motorwelle am Abtrieb.

Die komplementäre Beziehung zur Drehzahl ist das Drehmoment. Bei einem idealen (verlustfreien) Getriebe wird durch die Untersetzung Leistung eingespart: Bei einer Halbierung der Drehzahl verdoppelt sich das Drehmoment. Mathematisch:

Ausgangsdrehmoment = Motordrehmoment × Untersetzungsverhältnis × Getriebewirkungsgrad (η)

Wenn der Getriebewirkungsgrad η die Reibungsverluste innerhalb der Gangstufen berücksichtigt, kann ein gut konstruiertes Stirnrad- oder Stirnrad-Planetengetriebe η = 0,92–0,97 pro Stufe erreichen; Eine Schneckengetriebestufe hat viel höhere Verluste, typischerweise η = 0,50–0,85, abhängig vom Steigungswinkel und Übersetzungsverhältnis. In einem mehrstufigen Getriebe vervielfachen sich die Wirkungsgrade jeder Stufe: Zwei Stufen mit jeweils 0,95 ergeben einen kombinierten Wirkungsgrad von 0,95 × 0,95 = 0,90.

So berechnen Sie das erforderliche Untersetzungsverhältnis für Ihre Anwendung

Die Berechnung beginnt mit zwei bekannten Größen: der erforderlichen Ausgangsdrehzahl der Anwendung (in U/min) und der Nenndrehzahl des Motors (in U/min). Diese beiden Werte definieren direkt das erforderliche Untersetzungsverhältnis:

Erforderliches Verhältnis (i) = Motornenngeschwindigkeit (U/min) / erforderliche Ausgangsgeschwindigkeit (U/min)

Schritt-für-Schritt-Beispiel

Stellen Sie sich einen Förderantrieb vor, der sich mit einer Bandgeschwindigkeit von 0,5 m/s bewegen muss. Die Antriebsrolle hat einen Durchmesser von 100 mm (Radius = 0,05 m). Bei dem betrachteten Motor handelt es sich um einen bürstenlosen Gleichstromgetriebemotor mit einer Nenn-Leerlaufdrehzahl von 3000 U/min.

Schritt 1: Konvertieren Sie die erforderliche Bandgeschwindigkeit in die erforderliche Rollenwellengeschwindigkeit (U/min).

Rollenumfang = 2π × 0,05 m = 0,314 m
Erforderliche Wellendrehzahl = Bandgeschwindigkeit / Umfang = 0,5 m/s ÷ 0,314 m = 1,59 U/s × 60 = 95,5 U/min

Schritt 2: Berechnen Sie das erforderliche Untersetzungsverhältnis.

Erforderliches Verhältnis = 3000 U/min / 95,5 U/min = 31,4

Schritt 3: Wählen Sie das nächstgelegene Standardverhältnis.

Standardübersetzungen für Planetengetriebemotoren sind in diskreten Schritten erhältlich – gängige Übersetzungsverhältnisse sind 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100 und Kombinationen daraus. Das nächstgelegene Standardverhältnis zu 31,4 ist 30 oder 35 (je nach Herstellerbereich). Bei Auswahl des Übersetzungsverhältnisses 30 beträgt die Ausgangsgeschwindigkeit = 3000/30 = 100 U/min (etwas höher als erforderlich – überprüfen Sie, ob dies akzeptabel ist); Die Auswahl von 35 ergibt 85,7 U/min (etwas niedriger – überprüfen Sie auch die Akzeptanz). Bei Anwendungen mit einer bestimmten erforderlichen Ausgangsdrehzahl sollte bei der Berechnung die tatsächliche Betriebsdrehzahl des Motors unter Last (die bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren etwas unter der Leerlaufdrehzahl liegt) anstelle der Leerlaufdrehzahl verwendet werden.

Schritt 4: Überprüfen Sie, ob das Drehmoment ausreichend ist.

Berechnen Sie das Drehmoment, das an der Abtriebswelle zum Bewegen der Last erforderlich ist. Wenn das Nenndrehmoment des Motors T_Motor ist und das ausgewählte Übersetzungsverhältnis 30 mit einem Wirkungsgrad von η = 0,95 beträgt:

Ausgangsdrehmoment = T_Motor × 30 × 0,95

Vergleichen Sie dieses Ausgangsdrehmoment mit dem erforderlichen Lastdrehmoment. Wenn das Ausgangsdrehmoment ≥ dem erforderlichen Lastdrehmoment mit einem Sicherheitsspielraum (typischerweise 1,5× bis 2× für intermittierenden Einsatz; 2× bis 3× für Dauerbetrieb unter Stoßbelastung) ist, ist die Auswahl gültig. Ist dies nicht der Fall, muss ein Motor mit einem höheren Nenndrehmoment oder einer höheren Übersetzung ausgewählt werden.

Standard-Untersetzungsverhältnisbereiche nach Getriebemotortyp

Wie sich das Reduktionsverhältnis auf die Anwendungsleistung auswirkt

Ausgabegeschwindigkeit

Der direkteste Effekt: Ein höheres Übersetzungsverhältnis bedeutet eine langsamere Ausgangsgeschwindigkeit. Bei einem gegebenen Motor halbiert die Verdoppelung des Übersetzungsverhältnisses die Ausgangsgeschwindigkeit. Anwendungen, die eine präzise Bewegung bei niedriger Geschwindigkeit erfordern – Ventilantriebe, Solar-Tracker-Antriebe, langsam rotierende Rührwerke, langsame Fördersysteme – erfordern hohe Übersetzungsverhältnisse (50:1 bis mehrere Hundert zu eins). Anwendungen, die eine moderate Geschwindigkeit mit Drehmomentvervielfachung erfordern – Elektrowerkzeuge, AGV-Antriebsräder mit Schrittgeschwindigkeit, Robotergelenke – verwenden typischerweise Verhältnisse im Bereich von 10:1 bis 50:1.

Ausgangsdrehmoment

Höheres Übersetzungsverhältnis = höheres Ausgangsdrehmoment vom gleichen Motor, bis zur Nennausgangsdrehmomentgrenze des Getriebes. Das Getriebe hat ein maximales Nennausgangsdrehmoment, das nicht überschritten werden darf, unabhängig davon, welches Übersetzungsverhältnis und welche Motorkombination theoretisch entstehen würden. Wenn das berechnete Ausgangsdrehmoment (Motordrehmoment × Verhältnis × Wirkungsgrad) das Nennausgangsdrehmoment des Getriebes übersteigt, ist ein größerer Getrieberahmen erforderlich.

Systemeffizienz und Wärme

Jede Gangstufe bringt Reibungsverluste mit sich. Ein hohes Übersetzungsverhältnis, das durch mehrere Gangstufen erreicht wird, hat einen geringeren Gesamtwirkungsgrad als das gleiche Übersetzungsverhältnis, das durch weniger Stufen erreicht wird. Bei Anwendungen, bei denen die Energieeffizienz von entscheidender Bedeutung ist – batteriebetriebene Systeme wie AGV-Roboter, medizinische Geräte, Handgeräte – werden durch die Minimierung der Anzahl der Getriebestufen und die Wahl einer effizienten Getriebegeometrie (Planeten statt Schnecke) der Stromverbrauch und die Wärmeerzeugung erheblich reduziert.

Gegenreaktion

Gegenreaktion — the small amount of angular play at the output shaft when the input direction reverses — accumulates across gear stages. A single-stage planetary gearbox may have backlash of 3–5 arc-minutes; a three-stage assembly accumulates backlash from all three stages. For position-critical applications (robotic arms, CNC positioning, camera pan-tilt systems), specifying a precision planetary gearbox with low-backlash helical gear sets reduces position error from backlash to 1–3 arc-minutes or less, compared to 10–20 arc-minutes in standard spur gear designs.

Häufige Fehler bei der Verhältnisauswahl und wie man sie vermeidet

Bei Gleichstrommotoren wird die Leerlaufdrehzahl des Motors anstelle der Lastdrehzahl verwendet. Bürstenbehaftete und bürstenlose Gleichstrommotoren laufen unter Last mit einer geringeren Drehzahl als im Leerlauf. Die Nenndrehzahl im Datenblatt eines Gleichstrommotors ist normalerweise die Leerlaufdrehzahl; Bei Nenndrehmoment kann die Drehzahl um 10–20 % niedriger sein. Wenn man zur Berechnung des Verhältnisses die Leerlaufdrehzahl verwendet, ergibt sich ein etwas höheres Verhältnis, was zu einer etwas niedrigeren Ausgangsdrehzahl führt, als unter tatsächlicher Last vorgesehen ist. Verwenden Sie die Drehzahl bei Nenndrehmoment – ​​oder beim erwarteten Betriebsdrehmoment – ​​für die Verhältnisberechnung, um eine genaue Vorhersage der Ausgangsdrehzahl zu erhalten.

Wählen Sie ein Übersetzungsverhältnis nur basierend auf der Geschwindigkeit, ohne das Drehmoment zu überprüfen. Das Verhältnis bestimmt sowohl die Abtriebsgeschwindigkeit als auch das Abtriebsdrehmoment. Ein Übersetzungsverhältnis, das die richtige Ausgangsdrehzahl liefert, kann dennoch unzureichend sein, wenn das Ausgangsdrehmoment für die Last nicht ausreicht. Schließen Sie immer sowohl die Geschwindigkeitsberechnung als auch die Drehmomentüberprüfung ab, bevor Sie die Auswahl des Übersetzungsverhältnisses abschließen.

Ignorieren des maximalen Ausgangsdrehmoments des Getriebes. Das Getriebe hat eine mechanische Grenze – sein maximales Nennausgangsdrehmoment –, für die die Zähne und Wellen des Getriebes ausgelegt sind. Wenn das Spitzendrehmoment des Motors multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis diesen Grenzwert überschreitet, besteht die Gefahr einer Beschädigung des Getriebes unter Spitzenlastbedingungen. Stellen Sie sicher, dass das maximale Ausgangsdrehmoment des Getriebes (siehe Produktdatenblatt) das berechnete Spitzenausgangsdrehmoment mit einem Sicherheitsfaktor übersteigt.

Zu hohes Übersetzungsverhältnis „für zusätzliches Drehmoment“ wählen. Durch Erhöhen des Verhältnisses über das für die Anwendung erforderliche Maß hinaus wird der Drehzahlbereich des Motors verschwendet und der Betriebspunkt des Motors kann auf eine sehr niedrige Drehzahl verschoben werden, bei der einige Motortypen (insbesondere Wechselstrom-Induktionsmotoren) mit verringertem Wirkungsgrad und Leistungsfaktor arbeiten. Passen Sie das Übersetzungsverhältnis mit einem angemessenen Drehmomentspielraum an die erforderliche Ausgangsdrehzahl an, anstatt das Verhältnis willkürlich zu maximieren.

Auswahl des Untersetzungsverhältnisses nach Anwendungstyp

Häufig gestellte Fragen

Kann ich das Untersetzungsverhältnis eines vorhandenen Getriebemotors ändern, ohne die gesamte Einheit auszutauschen?

Bei den meisten Standard-Getriebemotorkonstruktionen – insbesondere bei integrierten Getriebemotoren, bei denen Getriebe und Motor eine einzige abgedichtete Einheit bilden – ist das Untersetzungsverhältnis bei der Herstellung festgelegt und kann vor Ort nicht geändert werden. Um die Übersetzung zu ändern, muss der komplette Getriebemotor ausgetauscht werden. In modularen Systemen, bei denen ein separates Getriebe an einen Motor angeflanscht ist, kann manchmal das Getriebe allein durch ein anderes Übersetzungsverhältnis unter Beibehaltung des Motors ersetzt werden, vorausgesetzt, dass die Abtriebswellenabmessungen des Motors mit dem Eingang des neuen Getriebes übereinstimmen. In Anwendungen, in denen eine variable Ausgangsgeschwindigkeit ohne Änderung des Übersetzungsverhältnisses erforderlich ist, passt eine Motorsteuerung mit variabler Geschwindigkeit (Wechselrichter für Wechselstrommotoren, PWM-Treiber für Gleichstrommotoren) die Motoreingangsgeschwindigkeit elektronisch an und sorgt so effektiv für eine variable Ausgangsgeschwindigkeit innerhalb des Betriebsbereichs des Motors.

Was ist der Unterschied zwischen einem Übersetzungsverhältnis und einem Untersetzungsverhältnis?

Im allgemeinen Sprachgebrauch für Getriebemotoren sind die Begriffe austauschbar – beide beziehen sich auf das Verhältnis von Antriebsdrehzahl zu Abtriebsdrehzahl. Streng genommen kann sich „Übersetzungsverhältnis“ auf das Zähnezahlverhältnis eines einzelnen Zahnradpaares beziehen (das sowohl für Anwendungen zur Erhöhung als auch zur Geschwindigkeitsreduzierung größer oder kleiner als 1:1 sein kann), während „Untersetzungsverhältnis“ speziell eine Geschwindigkeitsreduzierung impliziert (Ausgang langsamer als Eingang, Verhältnis größer als 1:1). Bei Getriebemotoren, bei denen die Leistung immer geringer ist als die Motordrehzahl, beschreiben beide Begriffe denselben Wert und können in Beschaffungs- und Spezifikationsdokumenten austauschbar verwendet werden.

Wie wirkt sich das Untersetzungsverhältnis auf Geräusche und Vibrationen aus?

Getriebemotoren mit höherem Übersetzungsverhältnis verfügen in der Regel über mehr Getriebestufen, von denen jede zu Zahneingriffsgeräuschen und Vibrationen bei der Eingriffsfrequenz beiträgt (eine Funktion der Zähnezahl und der Wellengeschwindigkeit). Planetengetriebekonstruktionen verteilen den Zahneingriffskontakt auf mehrere Planetenräder gleichzeitig, wodurch die Belastung der einzelnen Zähne und die daraus resultierenden Vibrationen im Vergleich zu einem Stirnradgetriebe mit Einzelzahnkontakt und gleicher Übersetzung erheblich reduziert werden. Bei geräuschempfindlichen Anwendungen – medizinische Geräte, Büroautomation, Verbrauchergeräte – reduzieren Schrägverzahnungen, die schrittweise und nicht wie Stirnzähne mit einem plötzlichen Aufprall ineinandergreifen, Geräusche und Vibrationen bei gleichen Verhältnissen weiter.

Getriebemotoren mit Full Ratio Range von Zhejiang Saiya Intelligent Manufacturing

Zhejiang Saiya Intelligent Manufacturing Co., Ltd. , Deqing, Zhejiang, stellt Mikro-AC-Getriebemotoren, kleine AC-Getriebemotoren, bürstenbehaftete DC-Getriebemotoren, bürstenlose DC-Getriebemotoren, Planetengetriebemotoren und Präzisionsplanetengetriebe mit Untersetzungsverhältnissen von 3:1 bis über 10.000:1 her. Standardverhältnisse und kundenspezifische Verhältniskonfigurationen sind für alle Produktlinien verfügbar. Produkte werden in AGV-Systemen, Industrierobotern, Logistikautomatisierung, Photovoltaik-Tracking, medizinischen Geräten und Präzisionsautomatisierung auf globalen Märkten eingesetzt. OEM- und ODM-Entwicklung für kundenspezifische Getriebemotorspezifikationen verfügbar.

Kontaktieren Sie uns mit der für Ihre Anwendung erforderlichen Ausgangsdrehzahl, dem Lastdrehmoment, der Eingangsleistung und dem Arbeitszyklus, um eine Empfehlung und ein Angebot für einen Getriebemotor zu erhalten.

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