Das VEX EDR-System verfügt über zwei Arten von Stirnrädern, das Gear Kit und das High Strength Gear Kit (sieheSo wählen Sie ein Stirnrad aus“). Diese Zahnräder können zusammengebaut werden, um die Kraftübertragung anzupassen, das Drehmoment zu erhöhen oder die Geschwindigkeit zu steigern. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zwei oder mehr Zahnräder auf Antriebswellen montiert werden, so dass die Zähne der Zahnräder ineinander greifen. Ein Motor treibt die Antriebswelle eines der Zahnräder an.
Übersetzungsverhältnisse
Bei einfachen Übersetzungsverhältnissen wird nur ein Zahnrad pro Antriebswelle verwendet. Das Zahnrad, das die Leistung bzw. den Eingang liefert, wird als Antriebszahnrad bezeichnet und das Zahnrad, das gedreht wird bzw. für den Ausgang verantwortlich ist, wird als Abtriebszahnrad bezeichnet. Das Übersetzungsverhältnis wird mithilfe der folgenden Formel berechnet:
Sehen Sie sich die untenstehende Animation an, um ein Beispiel für ein Antriebs- und ein Abtriebszahnrad gleicher Größezu sehen, in diesem Fall 60 Zähne und 60 Zähne.
1:1 Übersetzungsverhältnis
Ein Übersetzungsverhältnis von : bedeutet, dass das Antriebszahnrad eine Umdrehung ausführt, damit das angetriebene Zahnrad eine Umdrehung vollendet. Dieses Übersetzungsverhältnis bietet folgende Vorteile:
- Ausgeglichene Drehzahl und Drehmoment: Da das Verhältnis zwischen Antriebs- und Abtriebszahnrad gleich ist, gibt es zwischen den beiden Zahnrädern keine Veränderung bei Drehzahl oder Drehmoment. Diese Balance ist ideal für Anwendungen, bei denen die natürliche Leistung des Motors ausreicht.
- Direkte Kraftübertragung: Diese Getriebeübersetzung sorgt dafür, dass die vom Motor erzeugte Kraft direkt und ohne Verluste auf das angetriebene Bauteil übertragen wird.
- Vereinfachtes Design: Ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 vereinfacht das mechanische Design des Roboters und macht den Design- und Bauprozess einfacher.
- Vorhersehbare Leistung: Da die Eingangs- und Ausgangsgeschwindigkeiten identisch sind, ist die Leistung des Roboters vorhersehbarer. Dies kann für Aufgaben von Vorteil sein, bei denen eine gleichbleibende Leistung erforderlich ist oder die zeitliche Abstimmung der Aufgaben von entscheidender Bedeutung ist.
Die untenstehende 3D-Darstellung zeigt ein Beispiel für ein Übersetzungsverhältnis von 1:1. Das Antriebsrad und das Abtriebsrad haben die gleiche Zähnezahl (60T). Der Motor dreht das 60-Zahn-Antriebszahnrad einmal, um das 60-Zahn-Abtriebszahnrad eine Umdrehung zu vollenden.
5:1 Übersetzungsverhältnis
Ein Übersetzungsverhältnis von : bedeutet, dass das Antriebszahnrad fünf Umdrehungen machen muss, damit das angetriebene Zahnrad eine Umdrehung vollendet. Dieses Übersetzungsverhältnis bietet folgende Vorteile:
- Erhöhtes Drehmoment: Das Drehmoment ist die Drehkraft, die der Motor auf die Komponenten des Roboters ausüben kann. Durch die Erhöhung des Drehmoments kann ein Roboter schwerere Lasten handhaben und Aufgaben ausführen, die mehr Kraft erfordern, wie das Heben und Schieben von Objekten. Das Antriebszahnrad hat weniger Zähne als das Abtriebszahnrad, wodurch das Drehmoment fünfmal so hoch ist, die Drehzahl jedoch nur ein Fünftel beträgt.
- Reduzierte Drehzahl: Während das Drehmoment erhöht wird, verringert sich die Drehzahl des angetriebenen Zahnrads. Bei Aufgaben, die mehr Kontrolle und Präzision erfordern, ist eine Geschwindigkeitsreduzierung von Vorteil.
- Verbesserte Motoreffizienz: Eine höhere Übersetzung ermöglicht einen effizienteren Motorbetrieb. Dieses Übersetzungsverhältnis kann den Verschleiß des Motors verringern und die Lebensdauer des Motors verlängern.
- Anpassung an spezielle Aufgaben: Dieses Übersetzungsverhältnis kann in ein größeres Getriebesystem integriert werden, wodurch die Leistungsmerkmale des Roboters individuell angepasst werden können.
Sehen Sie sich die Animation und das 3D-Modell unten an, um Beispiele für ein viel kleineres Zahnrad zu sehen, das ein viel größeres Zahnrad antreibt, in diesem Fall 12 Zähne und 60 Zähne.
Übersetzungsverhältnis 1:5
Geschwindigkeit erhöhen (hohe Geschwindigkeit) – Bei dieser Art von Übersetzungsverhältnis besteht das Ziel darin, die Geschwindigkeit des Motors zu erhöhen, beispielsweise von einem Motor auf ein Rad. Das Antriebsrad hat mehr Zähne als das Abtriebsrad. Wenn beispielsweise ein Motor ein 60T-Zahnrad auf ein 12T-Abtriebszahnrad an einem Rad antreibt, dreht sich das 60T-Antriebszahnrad fünf (5) Mal, wenn sich das 12T-Abtriebszahnrad einmal dreht. Dies wird als Übersetzungsverhältnis von 1:5 bezeichnet. In diesem Fall beträgt die Geschwindigkeitsabgabe das 5/1-fache, die Drehmomentabgabe jedoch nur 1/5.
Sehen Sie sich die Animation und das 3D-Modell unten an, um Beispiele für ein viel größeres Zahnrad zu sehen, das ein viel kleineres Zahnrad antreibt, in diesem Fall 60 Zähne und 12 Zähne.
Getriebe
Ein -Getriebestrang besteht aus einer Reihe von Zahnrädern, die Bewegung und Kraft von einem Teil des Roboters auf einen anderen übertragen. Getriebe verändern Geschwindigkeit, Drehmoment und Richtung der Drehbewegung. Getriebe bestehen aus Zahnrädern, deren Zähne ineinandergreifen, um Bewegung zu übertragen; Wellen, die die Zahnräder an ihrem Platz halten und ihre Drehung ermöglichen; und Wellenmanschetten, die dabei helfen, alle Komponenten an ihrem Platz zu halten. Zu den Funktionen eines Getriebes gehören:
- Geschwindigkeitseinstellung: Zahnradgetriebe erhöhen oder verringern die Drehzahl. Ein kleineres Antriebszahnrad, das in ein größeres angetriebenes Zahnrad greift, verringert die Drehzahl, erhöht aber das Drehmoment, während ein größeres Antriebszahnrad, das in ein kleineres angetriebenes Zahnrad greift, die Drehzahl erhöht, aber das Drehmoment verringert.
Zahnradgetriebe werden verwendet, um Räder zu drehen, die nicht mit einem Motor verbunden sind, wie in den beiden untenstehenden 3D-Modellen gezeigt wird.
Besondere Hinweise
Die Übersetzungsverhältnisse für Kettenrad- und Kettensysteme funktionieren genauso wie die Übersetzungsverhältnisse. Kettenrad- und Kettensysteme haben den Vorteil, dass die Kettenräder in unterschiedlichen Abständen zueinander platziert werden können, da sie durch eine Kette verbunden sind. Allerdings können die Kettenglieder schon bei geringerer Krafteinwirkung brechen, als ein Zahn eines hochfesten Zahnrads brechen kann. Beide Arten von Schäden müssen repariert werden, damit der Roboter wieder voll funktionsfähig ist.
Zwischen dem Antriebszahnrad und dem Abtriebszahnrad können in einer einfachen Übersetzung Zahnräder beliebiger Größe und Anzahl angeordnet werden, ohne dass sich dadurch die Übersetzung ändert. Wenn beispielsweise ein 12Z-Zahnrad ein 36Z-Zahnrad antreibt, das wiederum ein 60Z-Abtriebszahnrad antreibt, beträgt das Übersetzungsverhältnis immer noch 5:1, genauso, als ob das 60Z-Zahnrad direkt vom 12Z-Zahnrad angetrieben würde.
Geschwindigkeit
Die Rotationsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich etwas dreht. Sie wird üblicherweise in Umdrehungen pro Minute (RPM) gemessen. Beispielsweise könnte sich die Welle eines V5 Smart Motors mit 100 Umdrehungen pro Minute oder 100 U/min drehen. Das Übersetzungsverhältnis beeinflusst die Drehzahl des Abtriebs. In diesem Artikel wird das Übersetzungsverhältnis als Abtriebszahnrad : Antriebszahnrad angegeben.
Bei einem Übersetzungsverhältnis von 1:5 treibt ein 60-zahniges Antriebsrad ein 12-zahniges Abtriebsrad an. Da das angetriebene Zahnrad kleiner ist, dreht es sich 5-mal schneller als die Motorwelle. Wenn sich die Motorwelle mit 100 Umdrehungen pro Minute dreht, dreht sich das 12-zahnige Antriebsrad mit 500 Umdrehungen pro Minute.
Bei einem Übersetzungsverhältnis von 5:1 treibt ein 12-zahniges Antriebsrad ein 60-zahniges Abtriebsrad an. Da das angetriebene Zahnrad größer ist, dreht es sich 5-mal langsamer als die Motorwelle. Wenn sich die Motorwelle mit 100 Umdrehungen pro Minute dreht, dreht sich das 60-zahnige Antriebsrad mit 20 Umdrehungen pro Minute.
Dies hilft zu erklären, warum die schnellste Gangübersetzung nicht immer die beste Wahl ist. Ein schnellerer Roboter klingt zwar besser, aber wenn sich die Räder oder der Arm zu schnell bewegen, kann der Roboter schwieriger zu steuern sein. Eine langsamere Getriebeübersetzung kann die Bewegung leichter kontrollierbar und präziser machen.
Drehmoment
Drehmoment ist eine Drehkraft, die dabei hilft, etwas zu drehen, wie zum Beispiel ein Rad, ein Zahnrad oder einen Roboterarm. Motoren können nur ein bestimmtes Drehmoment erzeugen. Das Übersetzungsverhältnis beeinflusst auch das Drehmoment des Ausgangssystems.
Bei einem Übersetzungsverhältnis von 1:5 treibt ein 60-zahniges Antriebsrad ein 12-zahniges Abtriebsrad an. Dadurch dreht sich der Abtrieb schneller, aber gleichzeitig reduziert sich das Ausgangsdrehmoment auf 1/5 des Drehmoments des Motors. Wenn der Motor beispielsweise ein Drehmoment von 1 Nm erzeugt, beträgt das Ausgangsdrehmoment 0,2 Nm.
Bei einem Übersetzungsverhältnis von 5:1 treibt ein 12-zahniges Antriebsrad ein 60-zahniges Abtriebsrad an. Dadurch dreht sich der Ausgang langsamer, aber das Ausgangsdrehmoment erhöht sich auf das Fünffache des Drehmoments des Motors. Wenn der Motor beispielsweise ein Drehmoment von 1 Nm erzeugt, beträgt das Ausgangsdrehmoment 5 Nm.
Das Drehmoment ist ein weiterer Grund, warum nicht immer die schnellste Getriebeübersetzung verwendet werden kann. Wenn ein Roboter auf höhere Geschwindigkeit ausgelegt ist, hat er ein geringeres Drehmoment. Das bedeutet, dass der Roboter möglicherweise nicht gut schieben kann, einen Arm nicht heben kann oder sich nicht so bewegt, wie Sie es wünschen. Ein Roboter mit höherem Drehmoment kann beispielsweise einen anderen Roboter besser schieben. Ein Roboterarm benötigt möglicherweise auch mehr Drehmoment, um Spielgegenstände anzuheben oder sein eigenes Gewicht zu bewegen. In solchen Fällen ist eine Getriebeübersetzung, die das Drehmoment erhöht, die bessere Wahl.
Die Drehzahl und das Drehmoment eines V5 Smart Motors können mit dem Motor Dashboard gemessen werden.
Roboter-Realität
Glücklicherweise reichen die in der Bauanleitung für die Montage des V5 ClawBot verwendeten Übersetzungsverhältnisse aus, um mit der Konstruktion benutzerdefinierter Roboter zu beginnen. Viele Antriebsstränge funktionieren gut, indem sie die Wellen von Rädern oder Kettenrädern mit dem V5 Smart Motor mit der grünen 200-RPM-V5-Getriebekartusche direkt antreiben. Wenn jedoch eine Struktur im Design, wie beispielsweise ein Turm oder eine Spielsteinaufnahme, dort platziert werden muss, wo sich ein Motor befindet, kann eine Kraftübertragung mithilfe von Kettenrädern und Ketten oder Zahnrädern, wie oben erläutert, verwendet werden. Für die meisten Arme ist das oben erläuterte Drehmomenterhöhungsverhältnis von 7:1 ausreichend, indem das 12-Zahnrad mit einem 200-U/min-Motor angetrieben und ein 84-Zahn-Abtriebszahnrad am Arm angebracht wird. Da Wettbewerbsvorteile immer wichtiger werden, ist es umso wichtiger, die optimale Balance zwischen Drehzahl und Drehmoment zu finden. Dies kann erreicht werden, indem ein V5 Smart Motor mit einer der drei verfügbaren V5-Getriebekartuschen (Rot: 100 U/min, Grün: 200 U/min, Blau: 600 U/min) verwendet und der Motor bei Bedarf mit einer Übersetzung zur Erhöhung des Drehmoments oder einer Übersetzung zur Erhöhung der Geschwindigkeit kombiniert wird.
Zahnräder und Antriebskomponenten können im Robotics Store erworben werden.