Die gebräuchlichste Art, Objekte mit einem V5-Roboter zu starten, besteht darin, ein Rad mit hoher Geschwindigkeit zu drehen und das Objekt dann in das Rad einzuführen. In diesem Dokument wird die relevante Physik hinter einem sich drehenden System erläutert, was passiert, wenn ein Objekt gestartet wird, und wie Sie ein System anpassen können, um Objekte besser zu starten.
Physik hinter sich drehenden Objekten
Rotationsenergie, die Messung der in einem rotierenden Objekt enthaltenen Energie, wird durch die Gleichung definiert:
E = 12 Iw
- I steht für Rotationsträgheit (auch „Trägheitsmoment“ oder „MOI“ genannt), was ein Maß dafür ist, wie schwer es ist, das Objekt zu drehen.
- w ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Objekt dreht.
Das bedeutet, dass wir zwei Variablen ändern können – entweder die Rotationsträgheit unseres Systems (I) oder die Geschwindigkeit, mit der es sich dreht (w) –, um die Rotationsenergie in unserem Trägersystem zu ändern.
Warum ist uns die Rotationsenergie in unserer Trägerrakete wichtig? Das Energieerhaltungsgesetz besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört, sondern nur übertragen wird. Das bedeutet, dass das Abschusssystem einen Teil seiner Rotationsenergie auf das Objekt überträgt, das wir abschießen, und es ist diese Energie, die das Objekt durch die Luft schleudert!
Ein Objekt, das sich in eine Richtung bewegt, hat eine lineare Energie, die durch die Gleichung definiert wird:
ELinear = 2 mv
- m steht für die Masse des Objekts
- v ist die Geschwindigkeit des Objekts
Das bedeutet, dass ein Objekt, das mit einer bestimmten Geschwindigkeit abgefeuert wird, über eine bestimmte Energiemenge verfügt. Dieser Wert ist für eine bestimmte Geschwindigkeit festgelegt, die Energie in unserem Launcher jedoch nicht. Die Energie in unserer Trägerrakete ist unmittelbar nach dem Start aufgrund der Energieübertragung auf das abgefeuerte Objekt geringer als unmittelbar davor. Indem wir die Energie in unserem Trägersystem vor dem Start ändern, können wir den Anteil der auf das abgefeuerte Objekt übertragenen Energie ändern und so sowohl beeinflussen, wie gut der Träger das Objekt abfeuert, als auch wie gut er auf den Abschuss des nächsten Objekts vorbereitet ist.
Was ist ein Schwungrad?
Wie oben erwähnt, besteht eine Möglichkeit, die Rotationsenergie unserer Trägerrakete zu ändern, darin, die Rotationsträgheit des Systems zu ändern. Es ist wichtig, zwei Dinge zu wissen: Erstens hat jedes Objekt einen bestimmten Rotationsträgheitswert um eine Rotationsachse, und zweitens addieren sich die Rotationsträgheit aller Teile eines Systems zu der Rotationsträgheit des Systems. Ein Objekt, das zur Erhöhung der Rotationsträgheit eines Systems verwendet wird, wird als Schwungrad bezeichnet, und es gibt ein neues VEX V5 Schwungradgewicht um genau dies im V5-Ökosystem zu tun.
Einfluss eines Schwungrads auf die Systemleistung
Das Wichtigste, was es zu verstehen gilt, ist, wie sich unterschiedliche Trägheitsmomente in einem System auf seine Leistung auswirken.
Wenn wir das Trägheitsmoment erhöhen, nimmt die Rotationsenergie zu (wie in der ersten Gleichung oben gezeigt). Wenn bei einer bestimmten Geschwindigkeit mehr Energie im System vorhanden ist, dauert es länger, die Energie in das System zu bringen, sodass sich die Hochlaufzeit verlängert. Mit einem höheren Trägheitsmoment nimmt der Drehzahlabfall nach dem Abschuss ab und ein Objekt wird im Allgemeinen weiter abgeschossen. Mit einer Verringerung des Trägheitsmoments erhalten wir alle gegenteiligen Effekte: Rotationsenergie und Hochlaufzeit nehmen ab, der Drehzahlabfall nimmt zu und sowohl die auf das Objekt übertragene Energie als auch die Reichweite des Objekts nehmen ab.
| Höheres MOI | Geringeres Trägheitsmoment |
| Höhere Stromaufnahme beim ersten Hochfahren | Niedrigere Stromaufnahme beim ersten Hochfahren |
| Es ist weniger Geschwindigkeit erforderlich, um das Objekt auf die gewünschte Distanz zu schleudern | Höhere Geschwindigkeit erforderlich, um das Objekt über die gewünschte Distanz zu schleudern |
| Geringerer Geschwindigkeitsabfall beim Start des Objekts (kürzere Zeit zwischen den Starts) | Höherer Geschwindigkeitsabfall beim Abschuss des Objekts (längere Zeit zwischen den Abschüssen) |
So verwenden Sie das V5-Schwungradgewicht
Das V5-Schwungradgewicht kann auf zwei verschiedene Arten montiert werden. Erstens ermöglicht ein standardmäßiges Vierkant-Montagemuster mit ½" Teilung die Montage des Schwungrads an den hochfesten Zahnrädern 48T, 60T, 72T und 84T.1 ermöglicht ein standardmäßiges Sechskant-Montagemuster mit 1,875" die Montage des Schwungrads an einem Versahub, der wiederum mit einem Versahub-Adapteran einer hochfesten Welle montiert werden kann. Das Bild links zeigt die Befestigungslöcher am V5-Schwungradgewicht. Die roten Löcher entsprechen dem standardmäßigen quadratischen Montagemuster und die blauen Löcher entsprechen dem Versahub-Sechskantmuster.
Ein Beispiel für die Montage des V5-Schwungradgewichts, Beispiel Nr. 1.
Ein Beispiel für die Montage des V5-Schwungradgewichts, Beispiel Nr. 2.
Wie bei allem, was hergestellt wird, unterliegen alle Teile aufgrund kleiner, unvermeidbarer Ungenauigkeiten im Herstellungsprozess einer Konstruktionstoleranz. Das V5-Schwungradgewicht stellt keine Ausnahme von dieser Regel dar und es besteht die Möglichkeit einer geringfügigen Asymmetrie im Schwungrad, die zu Vibrationen führt. Vibrationen in Ihrem Roboter können Schrauben lockern, Ihren Werfer ungenau machen oder sogar Roboterkomponenten beschädigen. Es gibt zwei Möglichkeiten, dem entgegenzuwirken. Erstens: Wenn mehr als ein Schwungrad verwendet wird, können die Schwungräder relativ zueinander gedreht werden, sodass sie das asymmetrische Gleichgewicht des anderen aufheben. Zweitens kann, wenn nur ein Schwungrad verwendet wird, eine Schraube in ein ungenutztes Montageloch eingesetzt werden, um dem asymmetrischen Gleichgewicht entgegenzuwirken. In beiden Fällen empfiehlt es sich, mithilfe eines Trial-and-Error-Verfahrens herauszufinden, welche Konfiguration die beste ist.
Lager oder Buchse: Welches brauchen Sie?
Mit der Einführung des hochfesten Wellenkugellagershaben VEX-Benutzer jetzt Zugriff auf zwei verschiedene Möglichkeiten zur Unterstützung von Rotationssystemen in ihren Robotern. Der als „Lagerfläche“ bekannte Teil wird in der Industrie eigentlich als Buchse bezeichnet, da er keine beweglichen Teile enthält. Sowohl Lager als auch Buchsen reduzieren die Reibung zwischen der rotierenden Welle und der festen Halterung. Buchsen – die „Lagerfläche“ oder „Hochfestes Wellenlager“ in VEX (in diesem Dokument als Buchsen bezeichnet) – tun dies, indem sie eine glatte, runde Oberfläche bereitstellen, mit der die Welle in Kontakt kommen kann. Lager hingegen enthalten viele kleine Kugeln, die rollen, wenn sich die Welle dreht. Obwohl die Reibung verringert wird, wird sie weder durch Lager noch durch Buchsen vollständig beseitigt. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Konstruktion und einer Reihe anderer Faktoren haben Lager und Buchsen unterschiedliche Stärken, Schwächen und Anwendungsfälle.
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Stärken | Schwächen |
| Lager |
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| Buchse |
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Wenn wir einen sich drehenden Mechanismus im Zusammenhang mit seiner Energie betrachten, wie wir es zuvor in diesem Leitfaden getan haben, „lecken“ Lager oder Buchsen durch Reibung ständig Energie aus dem System in Form von Wärme. Die Geschwindigkeit, mit der sie dies tun, ist jedoch unterschiedlich. Buchsen verlieren schneller Energie aus dem System als Kugellager, und die Auswirkungen sind erheblich.
Wir haben eine Reihe von Tests mit einem Launcher durchgeführt, zunächst mit Buchsen und dann mit Lagern. In beiden Versionen hatte der Werfer 2 Lager/Buchsen mit einem Getriebe von 600 U/min und 2 Lager/Buchsen mit einem Getriebe von 3600 U/min und verwendete zwei V5 Smart Motors mit blauen Kartuschen. Der Unterschied zwischen den Lagern und Buchsen war erheblich. Dies ist das Diagramm der Motorgeschwindigkeit während eines normalen Hochlaufs.
Die Lager erreichten eine deutlich höhere stabile Höchstgeschwindigkeit und beschleunigten schneller als die Buchsen. Im Energiekontext bedeutet dies, dass das System mit Lagern mehr Energie im System halten und sein Objekt weiter und schneller starten konnte als das System mit Buchsen. Der Wirkungsgradunterschied betrug etwa 8 %, mit einem Unterschied von 300 U/min am Ausgang des Getriebes.
Mit dem gleichen Aufbau haben wir die Stromaufnahme eines der Motoren während eines normalen Hochlaufs der Trägerrakete gemessen. Genau wie beim letzten Test haben wir einen Test mit Buchsen und einen weiteren mit Lagern durchgeführt, bei ansonsten identischem Aufbau. Der Unterschied in der Stromaufnahme war erheblich: Die buchsenbasierte Trägerrakete zog mehr als doppelt so viel Strom wie die lagerbasierte Trägerrakete. Dies ist die Grafik der aktuellen Ziehung im Zeitverlauf.
Um schließlich die Wirkung von Schwungrädern zu demonstrieren, die weiter oben in diesem Artikel besprochen wurden, führten wir einen Test durch, bei dem wir die Drehzahl eines der Motoren beim Starten von drei Scheiben verfolgten. Ein Test hatte keine Schwungräder, während der andere zwei hatte. Dies ist die Grafik:
Es gibt ein paar wichtige Dinge, die wir in dieser Grafik sehen können:
- Der Drehzahlabfall – der Unterschied zwischen der Zieldrehzahl (600) und der niedrigsten Drehzahl direkt nach einem Schuss – wurde im Test mit zwei Schwungrädern deutlich reduziert. Die Tests mit 0 Schwungrädern hatten einen Abfall von etwa 150 U/min, während der Test mit 2 Schwungrädern einen Abfall von etwa 75 U/min aufwies.
- Die Erholungszeit – die Zeit, die der Werfer benötigt, um wieder die Zieldrehzahl (600) zu erreichen – wurde im Test mit zwei Schwungrädern deutlich verkürzt. Dies ist sinnvoll, da ein geringerer Anteil der Gesamtenergie auf die gestartete Scheibe übertragen wird, wie weiter oben in diesem Artikel erläutert.
- Die Gesamtabschusszeit wurde pro Schuss und insgesamt für den Test mit 2 Schwungrädern um ca. 40 % verkürzt.
Schlussfolgerungen
- Es ist am einfachsten, Trägerraketen im Hinblick auf ihre Rotationsenergie zu betrachten und Starts als eine Übertragung dieser Rotationsenergie auf das abgefeuerte Objekt.
- Mit Schwungrädern können Sie die Rotationsenergie in Ihrem Werfer erhöhen und so Objekte weiter schleudern. Das neue V5-Schwungradgewicht eröffnet neue Optionen für Schwungräder in VRC und im V5-Ökosystem.
- V5-Schwungradgewichte müssen möglicherweise relativ zueinander angebracht werden, um das während des Herstellungsprozesses entstehende asymmetrische Gleichgewicht zu reduzieren.
- Lager und Buchsen „lecken“ Energie aus Ihrem Werfer durch Reibungswärme. Durch die Verwendung der neuen hochfesten Lager anstelle herkömmlicher Lagerflächen (Buchsen) können Sie eine höhere Höchstgeschwindigkeit in Ihrer Trägerrakete erreichen und die dauerhafte Stromaufnahme Ihrer Trägerraketenmotoren reduzieren. Dies erhöht die Energie in Ihrem Trägersystem und hält gleichzeitig Ihre Motoren kühler.