Het fundamentele principe: snelheid en koppel zijn een afweging.

Elke aftakasoverbrenging – of deze nu de snelheid verhoogt of verlaagt – gehoorzaamt dezelfde wet van de mechanica: in elk tandwielsysteem is het ingaande vermogen gelijk aan het uitgaande vermogen min de wrijvingsverliezen. Vermogen is het product van koppel en rotatiesnelheid. Dus wanneer een overbrenging de uitgaande snelheid verhoogt boven de ingaande snelheid, moet het uitgaande koppel evenredig afnemen. Omgekeerd, wanneer de uitgaande snelheid wordt verlaagd onder de ingaande snelheid, moet het uitgaande koppel evenredig toenemen. Er bestaat geen overbrenging die tegelijkertijd snelheid en koppel vermenigvuldigt – de wet van behoud van energie verbiedt dit.

Dit principe heeft diepgaande praktische gevolgen voor elk werktuig dat op een tractor wordt gemonteerd. PTO-versnellingsbak De aandrijving van een roterende maaier moet zware messen door dichte begroeiing en begraven puin laten draaien. De messen stuiten op plotselinge, enorme weerstand – een verborgen stronk, een steen, een wirwar van prikkeldraad diep in het struikgewas. Wat het werktuig nodig heeft, is brute rotatiekracht bij een gematigde snelheid. Een aftakasreductor levert precies dat: hij neemt de 540 of 1000 toeren per minuut van de aftakas en verlaagt deze tot bijvoorbeeld 200 of 300 toeren per minuut, terwijl het beschikbare koppel wordt vermenigvuldigd met het omgekeerde van de snelheidsreductieverhouding.

Een hydraulische pompaandrijving stelt juist de tegenovergestelde eisen. De interne componenten van de pomp – tandwielen, schoepen of zuigers – zijn ontworpen om efficiënt te werken bij 1500 tot 3000 toeren per minuut. De 540 toeren per minuut van de aftakas is veel te laag om de pomp op het ontwerptoerental te laten draaien. Een tandwielkast met snelheidsverhoging op de aftakas verhoogt de rotatiesnelheid met een factor 2 tot 6, waardoor het hoge toerental wordt bereikt dat de pomp nodig heeft, terwijl een lager uitgangskoppel wordt geaccepteerd – wat acceptabel is omdat pompen kracht genereren door hydraulische druk, niet door mechanisch koppel.

Binnenin een aftakasreductor: mechanische architectuur

De meeste aftakasreductoren voor landbouwvoertuigen maken gebruik van een haakse constructie met een spiraalvormig kegeltandwiel. De ingaande as, die via een spieverbinding met de aftakas van de tractor is verbonden, is voorzien van een spiraalvormig kegeltandwiel met een kleine diameter. Dit rondsel grijpt in op een spiraalvormig kegeltandwiel met een grotere diameter, gemonteerd op de uitgaande as, die de versnellingsbak onder een hoek van 90 graden ten opzichte van de ingaande as verlaat. De verhouding tussen het aantal tanden van het kegeltandwiel en het rondsel bepaalt de snelheidsreductie: een rondsel met 12 tanden dat een kegeltandwiel met 36 tanden aandrijft, levert een reductie van 3:1 op, waardoor een ingaande snelheid van 540 tpm wordt omgezet in een uitgaande snelheid van 180 tpm, terwijl het beschikbare koppel verdrievoudigd wordt.

Spiraalvormige kegeltandwielen hebben de voorkeur boven rechte kegeltandwielen om dezelfde reden dat schroefvormige tandwielen de voorkeur hebben boven rechte tandwielen in parallelle asopstellingen: het schuine tandcontact verloopt geleidelijk over het tandwielvlak, wat resulteert in een soepelere koppeloverdracht en aanzienlijk minder geluid. In een landbouwversnellingsbak die gedurende zijn levensduur duizenden uren kan draaien, verlengt de verminderde trillingsbelasting van spiraalvormige kegeltandwielen ook de levensduur van lagers en behuizingen in vergelijking met alternatieven met rechte kegeltandwielen.

De behuizing van een haakse tandwielkast moet meerdere functies tegelijk vervullen. Hij positioneert de in- en uitgaande lagers met micronprecisie om de juiste tandwieluitlijning onder belasting te behouden. Hij bevat het smeeroliebad en zorgt voor spatsmering naar de bovenste lagers, die anders droog zouden lopen. Hij biedt de structurele bevestigingsinterface – meestal vier of zes boutgaten in een flenspatroon – die de tandwielkast met het werktuigframe verbindt. En hij moet het reactiekoppel van de tandwieloverbrenging absorberen zonder zodanig te vervormen dat de lageruitlijning wordt verstoord.

Gietijzer blijft het meest gebruikte materiaal voor de behuizing van landbouwreductoren, omdat het uitstekende trillingsdemping, goede warmtegeleiding, nauwkeurige gietbaarheid voor lagerboringen en natuurlijke corrosiebestendigheid biedt in de buitenlucht op de boerderij. Aluminium behuizingen worden gebruikt bij sommige lichte of hogesnelheidstoepassingen, vanwege het lagere gewicht en de betere warmteafvoer per oppervlakte-eenheid. De lagere stijfheid van aluminium betekent echter dat dikkere wanden nodig zijn om dezelfde weerstand tegen doorbuiging te bereiken, waardoor het gewichtsvoordeel bij de koppelwaarden die typisch zijn voor grondbewerkingswerktuigen gedeeltelijk teniet wordt gedaan.

Binnenin een aftakas-toerentalverhoger: omgekeerde krachtstroom

Een snelheidsverhoger gebruikt dezelfde tandwieltypen als een reductiekast — rechte, schuine of planetaire tandwielen — maar keert de krachtstroomverhouding om. Het grote, langzame tandwiel ontvangt vermogen van de aftakas, en het kleine, snelle tandwiel levert vermogen aan de uitgang. Bij een parallelle asconstructie met schuine tandwielen drijft de aftakas een groot schuin tandwiel aan dat ingrijpt op een kleiner tandwiel op de uitgaande as. De verhouding van het aantal tanden is omgekeerd: waar een reductiekast bijvoorbeeld een tandwiel met 48 tanden gebruikt dat een tandwiel met 16 tanden aandrijft voor een snelheidsverhoging van 3:1 (en een bijbehorende koppelverlaging van 3:1).

De technische uitdagingen bij een snelheidsverhoger verschillen op een aantal belangrijke punten van die bij een snelheidsverlager. Ten eerste draait de uitgaande as sneller dan de ingaande as – vaak twee tot zes keer sneller. Dit betekent dat de uitgaande lagers hogere snelheden moeten kunnen verwerken, wat de centrifugale belasting op de rolelementen verhoogt, meer warmte genereert door wrijving van het smeermiddel en kleinere lagerspelingen vereist. Een lager met een nominale levensduur van 2000 uur bij 500 tpm gaat mogelijk slechts 800 uur mee bij 2500 tpm onder dezelfde radiale en axiale belastingen, omdat de levensduur van een lager afneemt naarmate de snelheid toeneemt volgens een algemeen bekend omgekeerd verband.

Ten tweede moet de afdichting van de uitgaande as bij hogere oppervlaktesnelheden werken. Bij 3000 toeren per minuut op een as met een diameter van 40 mm glijdt de afdichtingslip met een snelheid van 6,3 meter per seconde over het asoppervlak. Bij deze snelheden genereert de afdichtingslip aanzienlijke wrijvingswarmte, waardoor het elastomeer na verloop van tijd uithardt en de afdichting uiteindelijk gaat lekken. Hogesnelheidsafdichtingen maken gebruik van PTFE (Teflon) lipmaterialen of labyrintafdichtingen om wrijving te verminderen en de levensduur te verlengen – een detail dat commerciële aftakasversnellingsbakken onderscheidt van budgetvriendelijke alternatieven.

Ten derde veranderen de smeerbehoeften bij hogere snelheden. De olieverliezen door wrijving nemen toe met het kwadraat van de rotatiesnelheid. Dit betekent dat een tandwiel dat met 3000 toeren per minuut draait, negen keer zoveel wrijvingsverliezen genereert als hetzelfde tandwiel bij 1000 toeren per minuut. Snelheidsverhogers compenseren dit door lagere olieniveaus te gebruiken – net genoeg om de onderste tandwielen onder te dompelen – en te vertrouwen op spatsmering en gerichte oliestroom vanuit de ondergedompelde tandwielen om de bovenste lagers te smeren. Sommige planetaire snelheidsverhogers met een hoge overbrengingsverhouding gebruiken geforceerde smering met een interne trochoïdale pomp die door de tandwieloverbrenging wordt aangedreven om een ​​adequate olietoevoer naar de lagers van het zonnetandwiel te garanderen. Deze lagers bevinden zich in het midden van de roterende assemblage en ontvangen minimale spatsmering in een zwaartekrachtsmeringssysteem.

Directe vergelijking: Verkleiner versus Vergroter

De volgende tabel vat de belangrijkste technische en toepassingsverschillen samen tussen een aftakasreductor en een aftakasversnellingsbak met snelheidsverhoging. Gebruik deze tabel als snel naslagwerk bij het specificeren van een nieuwe aftakas. landbouwversnellingsbak voor een ontwerp of vervanging van een werktuig.

Toepassingsafstemming: Welke versnellingsbak voor welk werktuig?

De keuze tussen een snelheidsverhoger en een tandwielreductor begint met één vraag: moet de uitgaande as van het werktuig langzamer of sneller draaien dan de aftakas? Het antwoord is vrijwel altijd duidelijk zodra je begrijpt wat het werkingsmechanisme van het werktuig vereist.

Grondbewerkingswerktuigen → Tandwielreductor

Elk werktuig waarvan het werkende element in contact komt met de grond, gewassen of puin, heeft een hoog koppel nodig om weerstand te overwinnen. Rotorkmaaiers die door hoog gras en jonge boompjes draaien, rotorkultivatoren die verdichte grond omwoelen, klepelmaaiers die houtachtige vegetatie verpulveren en grondboren die in klei boren – al deze machines ondervinden plotselinge weerstandspieken die een hoge snelheid en een laag koppel zouden laten afslaan. De tandwielreductor absorbeert deze schokken door een koppelreserve te bieden: de overbrengingsverhouding zorgt ervoor dat zelfs wanneer het werktuig weerstand ondervindt die veel hoger is dan de constante belasting, de aftakas en de motor via de versnellingsbak voldoende mechanisch voordeel hebben om de uitgaande as te laten draaien.

Binnen de categorie tandwielreductoren moet de specifieke overbrengingsverhouding overeenkomen met de eisen van het werktuig. versnellingsbak van de roterende snijder Een ronde balenpers gebruikt doorgaans een overbrengingsverhouding tussen 1,47:1 en 1,92:1, wat resulteert in een uitgangssnelheid van 280 tot 367 tpm bij een aftakas van 540 tpm. Een ronde balenpers gebruikt een hogere overbrengingsverhouding (2,5:1 tot 3:1) omdat het balenpersmechanisme een zeer hoog koppel nodig heeft om het gewasmateriaal tot een compacte cilindrische bal te persen. Een rotorkultivator gebruikt een gemiddelde overbrengingsverhouding (doorgaans 1,6:1 tot 2,5:1) die de snelheid van de messenpunt voor effectieve grondbewerking in balans brengt met voldoende koppel om wortelkluiten en rotsachtige grond te verwerken.

Pomp- en generatoraandrijvingen → Snelheidsverhoger

Hydraulische pompen, centrifugaalwaterpompen, luchtcompressoren en aftakas-aangedreven generatoren hebben allemaal één ding gemeen: hun interne componenten zijn ontworpen voor rotatiesnelheden die ver boven het aftakasvermogen van de tractor liggen. Een hydraulische pomp met tandwieloverbrenging produceert een verwaarloosbare doorstroming bij 540 tpm – de interne spelingen die bij 2000 tpm voor een adequate afdichting zorgen, worden bij 540 tpm proportioneel groter, waardoor het grootste deel van de verplaatste vloeistof teruglekt langs de tandwielen. Door dezelfde pomp op zijn ontwerpsnelheid van 2000 tpm of meer te laten draaien met behulp van een snelheidsverhoger wordt dit efficiëntieverlies geëlimineerd en wordt de nominale doorstroming bereikt.

PTO-aangedreven generatoren vormen een speciaal geval waarbij de uitgangssnelheid moet overeenkomen met een vaste elektrische frequentie. In markten met 50 Hz netspanning (het grootste deel van Azië, Europa en Oceanië) moet de generator exact 1500 toeren per minuut (voor een 4-polige dynamo) of 3000 toeren per minuut (voor een 2-polige dynamo) draaien. Een PTO van 540 toeren per minuut die een snelheidsverhoger met een overbrengingsverhouding van 1:2,78 aandrijft, produceert exact 1500 toeren per minuut. Elke variatie in de PTO-snelheid wordt echter direct doorgegeven aan de generatorfrequentie, wat spanningsschommelingen veroorzaakt. De kwaliteit van de snelheidsverhoger heeft in deze toepassingen een directe invloed op de stabiliteit van de elektrische output: onregelmatigheden in de tandwieloverbrenging, slingering van de lagers en trillingen in de behuizing dragen allemaal bij aan snelheidsfluctuaties die zich vertalen in frequentieschommelingen in de elektrische output.

Uitgewerkte rekenvoorbeelden

Voorbeeld 1: Het selecteren van een tandwielreductor voor een roterende snijder

Een roterende maaier van 72 inch vereist een bladsnelheid van ongeveer 68 m/s voor het effectief maaien van gemengd struikgewas met een diameter tot 3 inch. Het blad meet 27 inch (0,686 m) van draaipunt tot punt. De bladsnelheid is gelijk aan π × rotordiameter × toerental ÷ 60. Terugrekenend: 68 = π × (0,686 × 2) × toerental ÷ 60, dus toerental = 68 × 60 ÷ (π × 1,372) = 947 toeren per minuut. Dit is de benodigde rotorsnelheid aan de bladpunten. Omdat de uitgaande as van de versnellingsbak via een directe aandrijving (zonder tussenliggende riem of ketting) met de bladdrager is verbonden, moet de uitgaande as van de versnellingsbak met ongeveer 947 toeren per minuut draaien.

Wacht even — 947 tpm is hoger dan een aftakastoerental van 540 tpm. Betekent dit dat je een snelheidsverhoger nodig hebt? Nee. Bij de meeste rotorkultivatoren is de diameter van de messenhouder veel kleiner dan de lengte van het mes van draaipunt tot punt. De messenhouder (de draaiende schijf) heeft een diameter van ongeveer 66 cm; de afmeting van 68 cm is de lengte van het mes zelf, van de draaibout tot de punt. De rotatiesnelheid van de messenhouder, aangedreven door de uitgang van de versnellingsbak, is doorgaans 300 tot 400 tpm. De hoge mespuntsnelheid komt door de lange mesarm, niet door een hoog astoerental. De juiste versnellingsbak is dus inderdaad een reductiekast: 540 tpm ingang ÷ 1,5:1 verhouding = 360 tpm uitgang, wat in combinatie met de mesgeometrie de gewenste mespuntsnelheid oplevert. Dit voorbeeld illustreert waarom inzicht in de mechanische opbouw van het werktuig — en niet alleen de snelheidsvereiste — essentieel is voor het kiezen van het juiste type versnellingsbak.

Voorbeeld 2: Het selecteren van een snelheidsverhoger voor een hydraulische pomp

Een aftakas-aangedreven houtkloofmachine gebruikt een tandwielpomp van 16 cc/omwenteling met een nominaal toerental van 2200 tpm, werkend bij 180 bar met een overdrukventiel ingesteld op 210 bar. De tractor heeft een aftakas met een nominaal vermogen van 35 pk (26,1 kW) en een toerental van 540 tpm. Vereiste overbrengingsverhouding: 2200 ÷ 540 = 4,07:1. Kies de dichtstbijzijnde commerciële overbrengingsverhouding daarboven: 1:4,5, wat resulteert in 540 × 4,5 = 2430 tpm — binnen het nominale toerentalbereik van de pomp, maar niet boven het maximaal toegestane toerental (doorgaans 101 tpm tot 151 tpm boven het nominale toerental).

Theoretische doorstroming: 16 cc/omwenteling × 2430 tpm ÷ 1000 = 38,9 l/min. Toepassen van een volumetrisch rendement van 921 TP3T: werkelijke doorstroming 35,8 l/min. Hydraulisch vermogen bij ontlasting: 35,8 × 210 ÷ 600 = 12,5 kW. Verliezen in de versnellingsbak erbij optellen (51 TP3T voor een spiraalvormige snelheidsverhoger): 12,5 ÷ 0,95 = 13,2 kW aftakasvermogen. Dit is 13,2 ÷ 26,1 = 50,61 TP3T beschikbaar aftakasvermogen — ruim binnen het veilige werkingsbereik, met voldoende marge voor tijdelijke overbelastingen wanneer de splijtwig een knoop of weerstand dwars op de houtnerf tegenkomt.

Vijf veelvoorkomende selectiefouten en hoe je ze kunt vermijden

Na twintig jaar ervaring met het specificeren van aftakasoverbrengingen voor agrarische en industriële toepassingen, blijken bepaalde fouten steeds weer terug te komen. Elk van deze fouten leidt tot voortijdige uitval, slechte prestaties of onnodige kosten.

Fout 1: Een versnellingsbak kiezen uitsluitend op basis van het vermogen in pk's. Het vermogen (pk) is een product van koppel en snelheid. Een versnellingsbak met een nominale waarde van 50 pk bij een overbrengingsverhouding van 1:3 kan een compleet ander koppel verwerken dan dezelfde versnellingsbak met een overbrengingsverhouding van 1:1,5. Het koppel op de uitgaande as verdubbelt namelijk wanneer je de overbrengingsverhouding verdubbelt voor hetzelfde vermogen. Controleer daarom altijd het koppel bij de specifieke overbrengingsverhouding die je wilt gebruiken, en niet het piekvermogen dat op het typeplaatje staat.

Fout 2: Een aftakas van 540 tpm gebruiken met een snelheidsverhoger met een hoge overbrengingsverhouding, terwijl een aftakas van 1000 tpm beschikbaar is. Zoals besproken in ons artikel over PTO-as Bij deze configuraties levert de 540 RPM aftakas tweemaal zoveel koppel als een 1000 RPM aftakas bij hetzelfde vermogen. Een snelheidsverhoger met een hoge overbrengingsverhouding op een 540 RPM aftakas concentreert het extreme koppel op de ingaande as en de tandwielen van de eerste trap. Door over te schakelen naar een 1000 RPM aftakas met een lagere overbrengingsverhouding wordt dezelfde uitgangssnelheid bereikt met de helft van het ingangskoppel, waardoor de levensduur van alle componenten in de aandrijflijn wordt verlengd.

Fout 3: Het negeren van de duty cycle. Een tandwielkast met een nominale waarde van "50 pk intermitterend" kan geen 50 pk gedurende 8 uur continu leveren. Landbouwtandwielkasten die roterende maaiers aandrijven, werken van nature in een intermitterende cyclus: zware belasting tijdens maaigangen, bijna geen belasting tijdens bochten. Snelheidsverhogers die hydraulische pompen aandrijven, werken continu met een belasting die dicht bij het nominale vermogen ligt. Zorg ervoor dat de nominale waarde van de tandwielkast overeenkomt met de bedrijfscyclus van de toepassing: intermitterend (S3), kortdurend (S2) of continu (S1).

Fout 4: Het negeren van de radiale belasting door de pompmontage. Wanneer een zware hydraulische pomp aan de uitgangsflens van een snelheidsverhoger hangt, creëert het gewicht van de pomp een statische radiale belasting op het uitgaande lager – bovenop de dynamische radiale belasting als gevolg van de interne druk van de pomp. Versnellingsbakcatalogi die alleen koppelwaarden vermelden, houden mogelijk geen rekening met deze gecombineerde radiale belasting. Specificeer een unit met uitgaande lagers die geschikt zijn voor zowel het berekende koppel als de gecombineerde radiale belastingen van het pompgewicht plus de hydraulische reactiekrachten.

Fout 5: Een te grote maat kiezen "voor de zekerheid". Een overgedimensioneerde tandwielkast lijkt een conservatieve keuze, maar creëert zijn eigen problemen. Een tandwielkast die 20% van zijn nominale capaciteit benut, genereert zo weinig interne warmte dat condenswater nooit uit de olie verdampt. De tandwielkast werkt daardoor continu in een "koude" toestand, wat interne corrosie bevordert, met name op de nauwkeurig geslepen tandwieloppervlakken. Het condensatieprobleem is het grootst in klimaten met een hoge luchtvochtigheid en grote temperatuurschommelingen tussen dag en nacht. Een correct gedimensioneerde tandwielkast die 50% tot 75% van zijn continue nominale capaciteit benut, wordt warm genoeg om condensatie te voorkomen en tegelijkertijd een comfortabele veiligheidsmarge voor piekbelastingen te behouden.

Combinatie-eenheden: Versnellingsbakken met beide functies

Sommige landbouwmachines vereisen zowel snelheidsverlaging als snelheidsverhoging binnen dezelfde machine. Een zelfrijdende voederhakselaar gebruikt bijvoorbeeld een tandwielreductor om de maaierkop met een hoog koppel en een lage snelheid aan te drijven, terwijl tegelijkertijd een snelheidsverhoger een hydraulische pomp aandrijft die de aanvoerrol en de draaicircuits van de uitlaat aandrijft. In plaats van twee aparte versnellingsbakken te monteren, specificeren sommige fabrikanten een gecombineerde unit: een enkele behuizing met meerdere uitgaande assen die met verschillende overbrengingsverhoudingen werken vanuit een gemeenschappelijke ingang.

Deze gecombineerde eenheden zijn complexer om te produceren, maar bieden aanzienlijke voordelen op het gebied van uitlijningsnauwkeurigheid (alle assen worden door hetzelfde gietstuk gepositioneerd) en compactheid (geen externe beugels of koppelingen tussen afzonderlijke versnellingsbakken). Ever-Power PTO-versnellingsbak Het engineeringteam ontwerpt regelmatig op maat gemaakte combinatie-units voor OEM-klanten die beide functies in één ruimtebesparend pakket nodig hebben. neem contact met ons op om uw sollicitatievereisten te bespreken.

Bij de beoordeling of een gecombineerde unit geschikt is voor uw toepassing, is het belangrijk rekening te houden met de thermische interactie tussen de twee uitgangspaden. Een reductie-unit met hoog koppel en lage snelheid genereert warmte voornamelijk door wrijving in de tandwieloverbrenging, terwijl een verhogingsunit met hoge snelheid warmte genereert door werveling en wrijving in de lagers. Beide warmtebronnen verwarmen het gedeelde olievolume. Als de gecombineerde warmteontwikkeling de dissipatiecapaciteit van de behuizing overschrijdt, raakt de gedeelde olie oververhit, wat mogelijk de prestaties van beide uitgangspaden tegelijkertijd kan verslechteren. Een goede thermische analyse tijdens de ontwerpfase zorgt ervoor dat het oppervlak van de behuizing en het olievolume van de gecombineerde unit de totale thermische belasting onder alle bedrijfsomstandigheden aankunnen.

Veelgestelde vragen

Redacteur: Cxm