一种 回转驱动装置 (亦称 回转驱动器)是一种集成式轴承与齿轮总成,可在回转负载的同时承受轴向力、径向力和倾覆力矩。回转驱动减速箱同时承担两项功能:传递扭矩,并承载轴承载荷。

回转驱动装置

因此,选型不能只按电机扭矩与样本型号进行简单对应。

回转驱动装置选型指南
简明答案:5个步骤
步骤 1:明确工况:正常运行、紧急停机、风载以及静止保持。
步骤 2:计算工作输出扭矩与峰值输出扭矩。
步骤 3:将同时作用的轴向力、径向力和倾覆力矩与型号的联合载荷数据进行核对。
步骤 4:根据所需输出转速匹配减速比和电机。
步骤 5:验证回程间隙、保持性能、工作制及环境限制。

较高的扭矩额定值并不能弥补轴承承载能力不足。如需了解该机构的基础介绍,请参见 什么是回转驱动装置。

先从工况入手,而不是从型号开始

常见的选型错误,是只比较样本中每一行最大的扭矩数值。正确做法应当从设备本身的工况出发。

输入工程团队需要什么
运动回转轴方向、行程、所需输出转速
扭矩运行、启动、加速、峰值及静止保持扭矩
轴承载荷同时作用的轴向力、径向力和倾覆力矩
工作制运行时间、启停次数、换向、冲击和停歇时长
定位允许的空回、刚性和总角度误差
安装安装结构、可用空间、环境条件

应将正常运行、紧急停机、风载工况和静止保持分别作为独立载荷工况处理。最大扭矩与最大倾覆力矩未必出现在同一时刻。

计算输出扭矩

对于作用在垂直力臂上的切向力, T = F × r。2,000 N 的力作用于 0.5 m 力臂时,可产生 1,000 N·m。

加速工况还会叠加 T_acc = J × α其中,J 为绕旋转轴的转动惯量(kg·m²),α 为角加速度(rad/s²)。当 J = 500 kg·m² 和 α = 0.2 rad/s²时,加速所需扭矩增加 100 N·m。若同时存在 1,000 N·m 的阻力扭矩,则简化后的总需求为 1,100 N·m。

对于实际设备,应评估完整的扭矩—时间曲线。连续工况应与制造商的额定值进行比对,短时瞬态工况则应与适用的峰值额定值进行比对。必要时应采用制造商的 服务系数或应用系数 ,具体以制造商规定为准;并非所有回转驱动和工况循环都适用同一系数。关于启动扭矩与运行扭矩的进一步说明,请参见 回转支承扭矩计算。

独立校核轴承载荷

回转驱动上的力与力矩回转驱动环示意:轴向力平行于垂直旋转轴,径向力与其垂直,输出扭矩绕旋转轴作用,倾覆力矩绕横向轴作用。回转驱动上的力与力矩坐标系示意·仅表示方向;非特定产品或载荷工况z:旋转轴轴向力 Fₐ平行于 z 轴径向力 Fᵣ垂直于 z 轴输出扭矩 T绕 z 轴旋转倾覆力矩 M绕横向 x 轴注:力矩箭头仅表示轴向,不代表轴承实际位移。
图 2. 载荷与力矩的坐标方向示意图。概念性示意,不是产品图。
  • 轴向力(Fₐ) 沿旋转轴方向作用。垂直安装、承受 1,000 kg 载荷的轴承所承受的力约为 9.81 kN ,前提是其承担全部重量并由重力产生。

  • 径向力(Fᵣ) 作用方向垂直于旋转轴。风载荷和设备横向力是常见来源。

  • 倾覆力矩(M) 绕与旋转轴相垂直的轴作用。对于垂直力及其偏心距, M = F × e。

  • 输出扭矩(T) 作用于旋转轴方向,驱动或阻抗回转运动。

扭矩与倾覆力矩的单位均为 N·m,但对组件中受载部位的作用不同。驱动装置即使能够传递足够扭矩,也仍可能超过轴承允许的组合载荷。

核算 同时作用的 轴向力、径向力和倾覆力矩,应依据具体型号的组合载荷曲线或制造商认可的计算方法进行校核。在 LILY 产品页面中,这通常表现为极限载荷图:以等效倾覆力矩对应等效轴向载荷绘制,并给出螺栓曲线和滚道曲线。静载极限、动载承载能力与疲劳寿命对应的失效机理不同,因此目录中的较大额定值并不代表可接受的服役寿命。

制造商的极限载荷图具有型号专属性。其坐标轴可能采用等效载荷,并对径向力、螺栓受载及安装刚度作出假设。在与允许范围比较之前,必须按照规定方法将每一种实际工况换算为等效载荷;除非说明明确允许,否则不要直接将原始轴向力和倾覆力矩对照曲线进行判断。

算例:轴承可能成为控制因素

横向力引起的倾覆力矩立轴式结构承受单个 8 kN 水平力,作用点位于轴承基准平面上方 1.5 m,产生 12 kN·m 的倾覆力矩。横向力引起的倾覆力矩立轴定位结构 · 单一一致受力工况旋转轴水平力 F = 8 kNe = 1.5 m轴承基准平面倾覆力矩 MM = F × e= 8 kN × 1.5 m= 12 kN·m轴承处 Fᵣ = 8 kN,且绕横向轴的 M = 12 kN·m:一个力,两种作用。
图 4. 示意载荷工况,非已记录的客户项目。

设想一台户外立轴式定位结构。其需要 2,000 N·m 的输出扭矩才能回转,而其轴承承受 12 kN 的轴向载荷。在某一横向载荷工况下,单个 8 kN 水平力 作用 高出轴承基准平面 1.5 m。

该单一力会产生 Fᵣ = 8 kN 作用于轴承处,并产生倾覆力矩 M = 8 kN × 1.5 m = 12 kN·m,无需另行叠加单独的径向载荷。

仅凭最大扭矩额定值,无法满足 2,000 N·m 的工况要求:必须首先核对候选产品的额定扭矩、允许峰值持续时间以及工作制。另需假设其经制造商认可的联合载荷评估结果表明,在同时承受 12 kN 轴向力、8 kN 径向力和 12 kN·m 倾覆力矩时,该载荷工况已超出其许可极限。即使其扭矩额定值足够,该候选产品也不适用。提高电机扭矩并不会提高轴承承载能力。本示例仅用于教学说明,不构成任何 LILY Bearing 型号的测试结果或选型结论。

使减速比与电机和转速相匹配

减速比、转速与扭矩:计算示例假设传动系统:输入 60 rpm、20 N·m,采用 60:1 减速、效率 0.45,输出为 1 rpm 和 540 N·m。减速比、转速与扭矩:计算示例假设传动系统 · η 仅用于说明,不代表产品额定值输入n_in = 60 rpmT_in = 20 N·m减速i = 60 : 1η = 0.45(示例)输出n_out = 1 rpmT_out = 540 N·m= 20 × 60 × 0.45转速按 i 下降;扭矩按 i × η 提升。功率核算:输入约 126 W(60 rpm、20 N·m);输出约 57 W(1 rpm、540 N·m),为输入的 45 %。实际电机与减速机组合必须依据型号额定值核对。
图 5. 假设总体减速的计算示例,不代表某一具体产品的内部传动结构。

对于减速比 i = n_in / n_out,当 60 rpm 的输入进入 60:1 减速后可得到 1 rpm 的输出转速。稳态输出扭矩估算为 T_out = T_in × i × η,其中 η 为传动效率。若 T_in = 20 N·m, i = 60,以及一个示意性的 η = 0.45:

T_out = 20 × 60 × 0.45 = 540 N·m

0.45 的效率仅为整套减速传动链的计算假设,并非任何 LILY Bearing 驱动装置的实测值。进行电机选型时,应以实际工况下的效率和允许转速为准。切勿仅凭假定效率推断自锁或安全保持能力;应核查该型号公开的保持性能与可逆驱动特性,并在应用需要时配置制动器或锁止机构。

如果电机转速远高于 60 rpm,例如 1,800 rpm,则需要在前级增加减速箱,或采用更大的总传动比,才能获得较低的输出转速。应核查电机的转矩—转速曲线、热极限以及传动装置允许的输入转速。 UC San Diego 关于齿轮传动比的机械设计说明 阐述了速度、功率与转矩之间的基本关系。

应分别标注侧隙与定位误差

侧隙是指传递转矩方向反转时,齿轮啮合间隙所导致的空程位移。它只是总定位误差的组成部分之一。

在 2 m 的半径处, 0.1° (6 角分)对应的弧长为 s = r × θ = 2 × (0.1π/180) ≈ 3.49 mm。这只是几何换算,并非机床的实测误差。

为确保不同驱动方案的可比性,应明确允许的输出侧隙、测试转矩及测量方法。结构挠度、轴承游隙、安装刚度和编码器位置,其影响有时与齿轮啮合本身同样重要。

核查工况、保持、保护与寿命

在确定最终型号之前,请先明确以下问题:

  • 静载与动载: 轴承是否能够承受最不利的静止载荷,且工况是否能够满足可接受的疲劳寿命要求?

  • 工况与使用系数: 设备启动、停止、反转或承受冲击载荷的频次如何?应按该型号规定的工况限制和系数进行选型。

  • 保持与反驱: 是否需要制动器或独立锁止装置?自锁性能取决于几何结构、摩擦条件、润滑状态和磨损情况,因此蜗杆传动不能默认具备自锁。

  • 防护等级: 传动装置、电机、密封件和连接器将承受何种粉尘与水分侵入? IP防护等级 仅适用于接受测试的总成或部件;不能仅凭密封外壳推断其防护性能。

  • 润滑与环境: 润滑脂、补脂周期、温度范围以及防腐要求是否匹配?

蜗轮与直齿轮回转驱动对比及 LILY Bearing 系列

回转驱动中两类齿轮均有应用。以下仅为一般设计倾向,具体参数仍应以各型号数据为准。

对比项蜗轮回转驱动直齿轮回转驱动
单级减速比单级减速比高,结构紧凑单级减速比较低;小齿轮前端通常配置减速箱或齿轮电机
效率与发热效率较低,持续工况下发热较大效率较高,发热较小,适用于较高转速
保持性能可能具备自锁,但不能保证不具备固有自锁性;需配置制动器
典型适用场景结构紧凑、空间受限、间歇定位较高工作循环与较高转速

LILY Bearing 发布 蜗轮传动 WD-H 和 WD-L 系列,以及直齿轮(spur)SP-H 和 SP-I 系列。以下以一款已验证的 WD-H 尺寸为例,说明为何必须将额定扭矩与最大扭矩分开看待。

LILY Bearing WD-H 0300:公布的配置额定值
配置齿轮形式输入数传动比额定扭矩最大扭矩自锁
WD-H 0300 / 1 drive蜗轮130.5:114,000 N·m22,360 N·m否
WD-H 0300 / 2 drive蜗轮230.5:128,000 N·m44,720 N·m否

WD-H 0300 的公布数据属于样本册额定值,并不代表对某一特定载荷工况的认可。与之对应的轴承载荷图、安装条件、电机配置、工况以及保持要求仍需单独评估。系列级倾覆力矩范围不能替代具体型号的组合载荷分析。来源: WD-H 0300 / 1 drive 技术参数。

WD-H 系列样本将这类配置标注为“自锁齿轮:否”。当非预期旋转存在安全风险时,应评估额定参数匹配的制动装置或独立锁止机构,而不应默认蜗杆传动能够可靠 удерж载荷。

询价用回转驱动选型检查清单

请提交上方填写完整的输入表,同时附上安装图、标明各载荷作用位置的受力图、电机偏好以及环境条件。若需技术选型支持, 请联系我们。

常见问题

回转驱动是否可以连续旋转?

可以,但前提是所选型号的额定值满足相关转速、工况、温度和润滑要求。 请在型号数据中确认是否具备连续工作额定值;间歇定位额定值并不等同于连续运行能力。

回转驱动与回转支承轴承是同一种产品吗?

不是。 回转支承轴承仅用于支撑旋转;回转驱动则将轴承与驱动齿轮机构集成为一体,可通过输入端施加扭矩。slew drive 与 slewing drive 指的是同一种组件。

编码器能消除齿隙吗?

不是。 编码器用于测量位置。闭环控制可以补偿部分可重复的运动间隙,但机械间隙本身仍然存在。