Välityssuhteiden käyttäminen V5-moottorin kanssa

VEX EDR -järjestelmässä on kahden tyyppisiä hammaspyöriä, Gear Kit ja High Strength Gear Kit (katsoHammaspyörästön valinta). Nämä vaihteet voidaan koota mukauttamaan voimansiirtoa, lisäämään vääntömomenttia tai lisäämään nopeutta. Tämä voidaan tehdä kokoamalla kaksi tai useampi hammaspyörä yhteen vetoakseleille siten, että hammaspyörien hampaat kohtaavat. Moottori antaa voiman yhden vaihteen käyttöakselille. 

Välityssuhteet 

Yksinkertaiset välityssuhteet käyttävät vain yhtä vaihdetta vetoakselia kohti. Vaihdetta, joka tuottaa tehon tai syötteen, kutsutaan -ajovaihteeksi ja vaihdetta, jota käännetään tai joka vastaa ulostulosta, kutsutaan -vetovaihteeksi. Välityssuhde lasketaan seuraavalla kaavalla:

 

• Vääntömomentti: Pyörimisvoima, jonka moottori voi kohdistaa robotin osiin.
• Nopeus: Pyörimisnopeus on objektin pyörimisnopeus. 
• Tehonsiirto: Prosessi, jossa energiaa siirretään moottorista robotin eri osiin vaihteiden, pyörien tai muiden mekaanisten komponenttien käyttämiseksi. 

1:1 välityssuhde 

1:1 välityssuhde tarkoittaa, että ajovaihde tekee yhden kierroksen saadakseen ajetusta vaihteesta yhden kierroksen. Tämä välityssuhde tarjoaa seuraavat edut:

• Tasapainotettu nopeus ja vääntömomentti: Koska ajovaihteen ja ajettavan vaihteen välinen suhde on sama, nopeudessa tai vääntömomentissa ei tapahdu muutosta kahden vaihteen välillä. Tämä tasapaino on ihanteellinen sovelluksiin, joissa moottorin luontainen suorituskyky on riittävä.
• Suora tehonsiirto: Tämä välityssuhde varmistaa, että moottorin tuottama teho siirtyy suoraan käytettävään komponenttiin ilman häviötä.
• Yksinkertaistettu suunnittelu: 1:1-välityssuhde yksinkertaistaa robotin mekaanista suunnittelua, mikä tekee suunnittelusta ja rakentamisesta yksinkertaisempaa.
• Ennustettava suorituskyky: Koska tulo- ja lähtönopeudet ovat samat, robotin suorituskyky on paremmin ennustettavissa. Tästä voi olla hyötyä tehtävissä, joissa vaaditaan tasaista suorituskykyä tai joissa tehtävien ajoitus on ratkaisevan tärkeää.

Alla olevassa kuvassa on esimerkki 1:1-välityssuhteesta. Vetovaihteessa ja vetovaihteessa on sama määrä hampaita (60T). Moottori pyörittää 60T:n vetovaihdetta kerran saadakseen 60T:n vetovaihteen yhden kierroksen. 

 

5:1 välityssuhde 

5:1 välityssuhde tarkoittaa, että ajovaihteen on tehtävä viisi kierrosta, jotta ajettava vaihde ehtii yhden kierroksen. Tämä välityssuhde tarjoaa seuraavat edut:

• Lisääntynyt vääntömomentti: Vääntömomentti on pyörimisvoima, jonka moottori voi kohdistaa robotin osiin. Lisäämällä vääntömomenttia robotti pystyy käsittelemään raskaampia kuormia ja suorittamaan enemmän voimaa vaativia tehtäviä, kuten esineiden nostamista ja työntämistä. Vetovaihteessa on vähemmän hampaita kuin vetävässä vaihteessa, jolloin vääntömomentti on 5 kertaa suurempi, kun nopeus on vain 1/5. 
• Alennettu nopeus: Kun vääntömomenttia kasvatetaan, käytetyn vaihteen nopeus pienenee. Nopeuden vähentäminen on hyödyllistä tehtävissä, jotka vaativat enemmän hallintaa ja tarkkuutta.
• Parannettu moottorin hyötysuhde: Suurempi välityssuhde mahdollistaa moottorin toiminnan tehokkaammin. Tämä välityssuhde voi vähentää moottorin kulumista ja pidentää moottorin käyttöikää.
• Räätälöinti tiettyjä tehtäviä varten: Tämä välityssuhde voidaan integroida suurempaan vaihdejärjestelmään, mikä mahdollistaa robotin suorituskykyominaisuuksien mukauttamisen.

1:5 välityssuhde 

Lisää nopeutta (suuri nopeus) - Tämän tyyppisellä välityssuhteella tavoitteena on lisätä nopeutta moottorista, kuten moottorista pyörään. Vetovaihteessa on enemmän hampaita kuin vetovaihteessa. Esimerkiksi, jos moottori käyttää 60T:n vaihdetta pyörässä olevaan 12T-vaihteeseen,, kun 60T-vaihteisto pyörii kerran, 12T:n vetopyörä pyörii viisi (5) kertaa. Tätä kutsutaan 1:5-välityssuhteeksi. Tässä tapauksessa nopeuslähtö on 5/1 kertaa niin suuri, mutta vääntömomenttilähtö on 1/5.

Tutustu seuraavaan grafiikkaan nähdäksesi kaikki 1:5-välityssuhteen kulmat. 

Gear Train 

-vaihteisto koostuu sarjasta vaihteita, jotka välittävät liikettä ja tehoa robotin yhdestä osasta toiseen. Vaihteistot muokkaavat pyörimisliikkeen nopeutta, vääntömomenttia ja suuntaa. Hammaspyörät koostuvat hammaspyöristä, joissa on hampaat, jotka yhdistyvät liikkeen välittämiseksi; akselit, jotka pitävät vaihteet paikoillaan ja mahdollistavat niiden pyörimisen; ja akselin kaulukset, jotka auttavat pitämään kaikki komponentit paikoillaan. Vaihteiston toiminnot sisältävät seuraavat:

• Nopeuden säätö: Vaihteistot lisäävät tai vähentävät pyörimisnopeutta; pienempi ajovaihde, joka yhdistää suuremman vetovaihteen, vähentää nopeutta, mutta lisää vääntömomenttia, kun taas isompi vetovaihde, joka yhdistää pienemmän vetovaihteen, lisää nopeutta, mutta vähentää vääntöä.

Vaihteistoa käytetään pyörittämään pyöriä, joita ei ole kytketty moottoriin. 

Erityishuomautuksia

Hammaspyörä- ja ketjujärjestelmien välitykset toimivat samalla tavalla kuin välityssuhteet. Hammaspyörä- ja ketjujärjestelmillä on se etu, että ketjupyörät voidaan sijoittaa useille etäisyyksille toisistaan, koska ne on yhdistetty ketjulla. Kuitenkin ketjun lenkit voivat katketa ​​pienemmällä voimalla kuin hammas voi katketa ​​High Strength Gearissa. Kumpikin rikkoutuminen on korjattava, jotta robotti olisi täysin toimiva.

Ajovaihteen ja ajettavan vaihteen väliin voidaan asettaa mikä tahansa määrä minkä tahansa kokoisia vaihteita yksinkertaisella välityssuhteella, eikä se muuta välityssuhdetta. Esimerkiksi 12T vaihde käyttää 36T vaihdetta, joka käyttää 60T vaihdetta, välityssuhde on edelleen 5:1, sama kuin jos 60T vaihde olisi suoraan 12T vaihde.

Nopeus

Pyörimisnopeus on objektin pyörimisnopeus. Esimerkiksi V5 Smart Motorin akselikanta voisi pyöriä 100 kierrosta minuutissa tai 100 rpm. Kuten edellä on selitetty, jos käytetään 5:1 välityssuhdetta, 60-hampaista vetopyörää pyöritetään moottorin akselilla ja sitten se kääntää 12-hampaista hammaspyörää, 12-hampainen hammaspyörä pyörii 5 kertaa nopeammin. Yllä olevaa esimerkkiä käyttämällä 12-hampainen hammaspyörä pyörii 500 rpm:n nopeudella verrattuna moottorin akselin 100 kierrokseen minuutissa. Jos käytetään 1:5 välityssuhdetta, 12-hampaista vetopyörää pyöritetään moottorin akselilla ja sen jälkeen se kääntää 60-hampaista hammaspyörää, 60-hampainen hammaspyörä pyörii nopeudella 1/5 yhtä nopeasti. Yllä olevaa esimerkkiä käyttäen 60-hampainen hammaspyörä pyörii nopeudella 20 rpm verrattuna moottorin akselin 100 kierrokseen minuutissa. 

Joten miksi ei aina käytettäisi nopeinta mahdollista välityssuhdetta? Vaikuttaa siltä, ​​että mitä nopeammin robotti voisi liikkua, sitä kilpailukykyisempi se olisi. Ensimmäinen syy on se, että robotin toimintoja voidaan ohjata ylänopeudella. Pari esimerkkiä, jos toiminto on robotti ajaa ympäriinsä, jos pyörät pyörivät liian nopeasti, sitä voi olla erittäin vaikea hallita. Jos toiminto on ylös ja alas pyörivä käsivarsi, jos se pyörii liian nopeasti, sitä voi myös olla vaikea hallita.

Vääntömomentti

Vääntömomentti on voima, joka tarvitaan kuorman pyörittämiseen etäisyyden päässä. Moottoreilla on rajoitettu vääntömomentti. Esimerkiksi jos V5 Smart -moottori tuottaa 1 Nm (newtonmetriä) vääntömomenttia, kun käytetään 5:1-välityssuhdetta, 12-hampainen vaihteisto tuottaa ⅕ moottorin vääntömomenttitulon, ulostulo on 0,2 Nm ja 1:5 välityssuhde, 60-hampainen hammaspyörä tuottaa 5 kertaa moottorin vääntömomentin tulon, lähtö on 5 Nm. 

Vääntömomentti on toinen syy, miksi robottia suunniteltaessa ei aina voida käyttää nopeinta mahdollista välityssuhdetta. On mahdollista, että kun nostettua nopeuden välityssuhdetta käytetään robotin pyörien ajamiseen nopeammin, välityssuhde voi ylittää moottorin käytettävissä olevan vääntömomentin ja robotti ei liiku yhtä nopeasti tai liiku ollenkaan. On myös mahdollista, että jos kaksi robottia, joilla on lähes sama rakenne, ovat vuorovaikutuksessa, robotti, jolla on pienempi välityssuhde, pystyy todennäköisesti työntämään robottia, jolla on suurempi välityssuhde, koska pienemmän välityssuhteen robotilla on enemmän vääntöä. Toinen esimerkki on, että varsi ei välttämättä pyöri, vaikka se olisi kiinnitetty suoraan akseliin, joka on asetettu moottoriin, koska sen pyörittäminen voi ylittää moottorin käytettävissä olevan vääntömomentin. Tässä tapauksessa on käytettävä suurempaa vääntömomentin välityssuhdetta moottorin vääntömomentin tehon lisäämiseksi ja varren pyörittämiseen tarvittavan vääntömomentin ylittämiseksi.

V5 Smart Motorin nopeus ja vääntömomentti voidaan mitata moottorin kojelaudalla

Robotin todellisuus

Onneksi V5 ClawBotin kokoonpanoohjeissa käytetyt välityssuhteet riittävät räätälöityjen robottien suunnittelun aloittamiseen. Monet voimansiirrot toimivat hyvin ohjaamalla suoraan pyörien akseleita tai ketjupyöriä V5 Smart -moottorilla, jossa on vihreä 200 RPM V5-vaihdekasetti. Kuitenkin, jos suunnittelussa oleva rakenne, kuten torni tai pelikappaleen imuaukko, on sijoitettava moottoriin, voidaan käyttää voimansiirtoa, jossa käytetään ketjupyöriä ja ketjuja tai vaihteita, kuten edellä on selitetty. Useimmille käsivarsille edellä selitetty 7:1-vääntömomentin välityssuhde on riittävä ajamalla 12T-vaihdetta 200 rpm:n moottorilla ja kiinnittämällä varteen 84T-vaihteisto. Kun kilpailuetu tulee entistä tärkeämmäksi, nopeuden ja vääntömomentin välisen "sweet spot" -balanssin löytäminen tulee entistä tärkeämmäksi. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä V5 Smart -moottoria jollakin kolmesta saatavilla olevasta V5-vaihdepatruunasta (punainen: 100 rpm, vihreä: 200 rpm, sininen: 600 rpm) ja tarvittaessa yhdistämällä moottorin välityssuhteeseen vääntömomentin lisäämiseksi tai välityssuhde nopeuden lisäämiseksi.

Vaihteita ja muita liikelaitteita voi ostaa osoitteesta https://www.vexrobotics.com/vexedr/products/motion.