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:
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 folgende Grafik 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.
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 60-Zahnrad und ein angetriebenes 12-Zahnrad auf einem Rad antreibt,dreht sich das 60-Zahn-Antriebszahnrad, während sich das 12-Zahn-Abtriebszahnrad fünf (5) Mal dreht. Dies wird als Übersetzungsverhältnis 1:5 bezeichnet. In diesem Fall beträgt die Geschwindigkeitsabgabe das 5/1-fache, die Drehmomentabgabe jedoch nur 1/5.
Sehen Sie sich die folgende Grafik an, um alle Winkel eines Übersetzungsverhältnisses von 1:5 anzuzeigen.
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.
Getriebe dienen zum Drehen von Rädern, die nicht mit einem Motor verbunden sind.
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 gibt an, wie schnell sich ein Objekt dreht. Beispielsweise könnte sich die Wellenbuchse eines V5 Smart Motors mit 100 Umdrehungen pro Minute oder 100 U/min drehen. Wie oben erläutert, wird bei einem Übersetzungsverhältnis von 5:1 ein Antriebszahnrad mit 60 Zähnen durch die Motorwelle gedreht und dreht dann ein angetriebenes Zahnrad mit 12 Zähnen. Das Zahnrad mit 12 Zähnen rotiert fünfmal schneller. Im obigen Beispiel dreht sich das 12-Zahn-Zahnrad dann mit 500 U/min, im Vergleich zu den 100 U/min der Motorwelle. Bei einem Übersetzungsverhältnis von 1:5 wird ein Antriebszahnrad mit 12 Zähnen durch die Motorwelle gedreht und dreht dann ein angetriebenes Zahnrad mit 60 Zähnen. Das Zahnrad mit 60 Zähnen rotiert mit einer Geschwindigkeit, die 1/5 der Geschwindigkeit beträgt. Um das obige Beispiel noch einmal zu verwenden: Das Zahnrad mit 60 Zähnen dreht sich mit 20 U/min, die Motorwelle hingegen mit 100 U/min.
Warum sollte also nicht immer die größtmögliche Übersetzung verwendet werden? Man könnte meinen, je schneller sich ein Roboter bewegen könnte, desto wettbewerbsfähiger wäre er. Der erste Grund besteht darin, dass es eine Höchstgeschwindigkeit gibt, mit der die Funktionen eines Roboters gesteuert werden können. Um ein paar Beispiele zu nennen: Wenn die Funktion darin besteht, dass der Roboter herumfährt, kann es sehr schwierig sein, ihn zu steuern, wenn sich die Räder zu schnell drehen. Wenn die Funktion aus einem auf und ab rotierenden Arm besteht und die Drehung zu schnell ist, kann es auch schwierig sein, sie zu steuern.
Drehmoment
Das Drehmoment ist die Kraftmenge, die erforderlich ist, um eine Last über eine gewisse Distanz zu drehen. Motoren haben ein begrenztes Drehmoment. Wenn beispielsweise ein V5 Smart-Motor ein Drehmoment von 1 Nm (Newtonmeter) erzeugt und ein Übersetzungsverhältnis von 5:1 verwendet wird, gibt das angetriebene 12-Zahnrad ⅕ des Eingangsdrehmoments des Motors ab, die Ausgabe beträgt 0,2 Nm, und bei einem Übersetzungsverhältnis von 1:5 gibt das 60-Zahnrad das 5-fache des Eingangsdrehmoments des Motors ab, die Ausgabe beträgt 5 Nm.
Das Drehmoment ist der zweite Grund, warum bei der Konstruktion eines Roboters nicht immer das größtmögliche Übersetzungsverhältnis verwendet werden kann. Wenn zum Beschleunigen der Räder eines Roboters eine Übersetzung mit erhöhter Geschwindigkeit verwendet wird, ist es möglich, dass die Übersetzung das verfügbare Drehmoment des Motors übersteigt und der Roboter sich nicht so schnell oder überhaupt nicht bewegt. Außerdem ist es möglich, dass bei der Interaktion zwischen zwei Robotern mit nahezu identischem Design der Roboter mit dem Antriebsstrang mit niedrigerer Übersetzung den Roboter mit dem Antriebsstrang mit höherer Übersetzung wahrscheinlich schieben kann, da der Roboter mit der niedrigeren Übersetzung über mehr Drehmoment verfügt. Ein weiteres Beispiel: Ein Arm dreht sich möglicherweise nicht, selbst wenn er direkt an einer Welle befestigt ist, die in einen Motor eingesetzt ist, weil die Drehung das verfügbare Drehmoment des Motors überschreiten könnte. In diesem Fall muss ein Übersetzungsverhältnis mit erhöhtem Drehmoment verwendet werden, um die Drehmomentabgabe des Motors zu erhöhen und das Drehmoment zu überschreiten, das zum Drehen des Arms erforderlich ist.
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 andere Bewegungshardware können unter https://www.vexrobotics.com/vexedr/products/motionerworben werden.