極低温での遊星伝動性能試験

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21815 (2022) この記事を引用

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この記事では、2017 アルミニウム合金などの軽量構造材料で構築され、X65Cr14 合金で作られ、二硫化モリブデン粉末で潤滑された鋼製ボール ベアリングを特徴とするベアリング ノードを備えた多段遊星トランスミッションの動きに対する抵抗に関する研究結果を紹介します。 遊星歯車の構造の詳細が説明され、続いて動作性能テストが行​​われました。 性能テスト中、走行中のトランスミッションの温度は液体窒素で徐々に下げられ、最大 -190 °C まで下がりました。 分析では、特に、温度の関数としての機構の電力消費が取り上げられました。 結果は、宇宙ですでに動作しているメカニズムのパラメータと比較されました。 測定は、広場や火星のような地球外条件下で動作することを目的としたマニピュレーターの駆動システムにおける歯車装置の適用可能性を確認するために実行されました。

遊星歯車および波動歯車セットは最もコンパクトな設計になっています。 遊星変速機では、歯車装置によって伝達されるトルクが複数の歯車にほぼ均等に分配されます。 通常、その数は 3 ～ 6 の範囲であり、ギアセットのコンパクトなサイズにもかかわらず、高い負荷容量が可能になります。 さらに、これらのトランスミッションは通常 4 ～ 10 のギア比で設計されており、高い安定性と約 97% の効率を実現します1。 2 段差動遊星変速機 2 を使用すると、最大 5000 までのさらに大きなギア比が得られますが、このような変速機の設計は複雑です。

遊星歯車セットは、減速機、増倍機、差動装置としてさまざまな構成で使用できます1。 この文書で説明されている歯車アセンブリでは、リング ホイールが固定され、サン ギアが入力シャフトに配置され、ピニオン キャリアが出力シャフトに接続された減速機構成が使用されています。 図 1 は、設計された 4 段遊星歯車セットの機構の図を示しています。ここでは、歯車セットの最終段のピニオンキャリアが回転体の一部に接続されています。

設計された遊星歯車装置の図。

トランスミッションが動作すると予想される温度は地球では発生しないため、同等の設計を見つけようとするときは、主に火星で使用される機械に適用されるソリューションに注目する必要があります。 火星の太陽からの距離は地球の 1.52 倍であるため、火星の表面の温度は -140 ～ 27 °C の範囲です。 そのため、地球に到達するエネルギーのわずか 43% が、火星の表面の同等の領域に到達します 3,4。

火星の条件を考慮すると、そこで使用されるギアセットを含む機器は非常に低い温度に耐える必要があり、これは火星着陸船と探査機の設計に関する研究で議論されています。 トランスミッション動作中の摩擦モーメントの変化に対する温度の影響も非常に重要です5。

Mars Volatiles and Climate Surveyor 着陸船には、4 つの自由度を持つマニピュレーターであるロボット アームが取り付けられていました。 そのアクチュエータは、通常動作時にそれぞれ 26 Nm、91 Nm、53 Nm、10 Nm のトルクを生成でき、瞬間的には 50% 高いピーク トルクを生成できました。 アクチュエータは、遊星歯車と調和歯車、または遊星歯車と傘歯車を含む 2 段歯車として設計されました。 ギアセットは DC ブラシ モーターによって駆動されました。 アクチュエータの全体的な比率は 4000 と 16,000 でした。 アクチュエータの機械システムは、-105 °C (-90 °C) ～ 35 °C の温度で動作するように設計されています。 より極端な気候条件からそれらを保護するために、接合部には 1 W および 4 W のヒーターが取り付けられました 6、7、8。 無負荷動作時にアクチュエータ モータが必要とするアンペア数に対する温度の影響に関するテストの結果は、温度が低下するとアクチュエータが使用する電力が大幅に増加することを示しました。