ボールベアリングとフライホイールについてさらに詳しく知りたい場合は、製品紹介ビデオ Product Spotlight をご覧ください。
V5 ロボットで物体を発射する最も一般的な方法は、ホイールを高速で回転させ、物体をホイールに送り込むことです。このドキュメントでは、回転システムの背後にある関連する物理学、物体が打ち上げられるときに何が起こるか、および物体をより適切に打ち上げるためにシステムを調整する方法について説明します。
回転する物体の背後にある物理学
回転エネルギー、つまり回転する物体に含まれるエネルギーの測定値は、次の方程式で定義されます。
E回転 = 12
- I 回転慣性 (「慣性モーメント」または「MOI」とも呼ばれます) を表し、物体を回転させるのにどれくらいの強さかを測定します。
- w はオブジェクトが回転する速度です。
これは、システムの回転慣性 (I) またはシステムの回転速度 (w) の 2 つの変数を変更して、ランチャー システムの回転エネルギーを変更できることを意味します。
では、なぜ発射装置の回転エネルギーを気にするのでしょうか? エネルギー保存の法則では、エネルギーは生成も破壊もされず、伝達されるだけであると規定されています。これは、ランチャー システムがその回転エネルギーの一部を発射する物体に伝達し、そのエネルギーが物体を空中に発射させることを意味します。
ある方向に移動する物体には、次の方程式で定義される線形エネルギーがあります。
Eリニア =12 mv
- m 物体の質量を表します
- v は物体の速度です
これは、一定の速度で発射された物体には一定量のエネルギーがあることを意味します。この値は特定の速度に対して固定されていますが、ランチャーのエネルギーは固定されていません。打ち上げ直後の発射装置内のエネルギーは、打ち上げられた物体へのエネルギーの伝達により直前よりも減少します。打ち上げ前にランチャーシステムのエネルギーを変更することで、打ち上げられる物体に伝達されるエネルギーの割合を変えることができ、そうすることで、ランチャーが物体をどれだけうまく打ち上げるか、そして次の物体を打ち上げる準備がどの程度整っているかの両方に影響を与えます。
フライホイールとは何ですか?
上で述べたように、ランチャーの回転エネルギーを変更する方法の 1 つは、システムの回転慣性を変更することです。 2 つのことを知っておくことが重要です。1 つ目は、すべてのオブジェクトが回転軸の周りに特定の回転慣性値を持っていること、2 つ目は、システムのすべての部分の回転慣性が合計されてシステムの回転慣性が形成されることです。システムの回転慣性を高めるために使用されるオブジェクトはフライホイールと呼ばれ、V5 エコシステムにはまさにこれを実現する新しい VEX V5 フライホイール ウェイト があります。
フライホイールがシステムパフォーマンスに及ぼす影響
理解すべき最も重要なことは、システム内の異なる慣性モーメントがそのパフォーマンスにどのように影響するかということです。
慣性モーメントを増加させると、回転エネルギーが増加します (上記の最初の式で示されているように)。特定の速度でシステム内のエネルギーが増加すると、システム内でエネルギーを取得するのにより多くの時間がかかるため、スピンアップ時間が増加します。 MOI が大きくなると、発射後の RPM の低下が減少し、通常、物体はより遠くまで発射されます。慣性モーメントが減少すると、すべての逆の効果が得られます。つまり、回転エネルギーとスピンアップ時間が減少し、RPM の低下が増加し、物体に伝達されるエネルギーと物体の移動距離の両方が減少します。
| より高いMOI | 低いMOI |
|---|---|
| 初期スピンアップ時の消費電流が増加 | 初期スピンアップ時の消費電流の低減 |
| 物体を目的の距離まで発射するために必要な速度が低下する | 物体を目的の距離まで発射するには、より高速な速度が必要です |
| 物体の発射時の速度低下が少なくなる（発射間隔が短くなる） | オブジェクトが発射されると速度が低下します (発射間の時間が長くなります)。 |
V5フライホイールウェイトの使い方
V5 フライホイール ウェイトは 2 つの異なる方法で取り付けることができます。まず、標準の 1/2 インチ ピッチの正方形の取り付けパターンにより、フライホイールを 48T、60T、72T、および 84T の高強度ギアに取り付けることができます。 次に、標準の 1.875 インチの六角取り付けパターンにより、フライホイールを versahubに取り付けることができます。これは、 versahub アダプターを使用して高強度シャフトに取り付けることができます。左の画像は、V5 フライホイール ウェイトの取り付け穴を示しています。赤い穴は標準の正方形の取り付けパターンに一致し、青い穴はバーサハブの六角パターンに一致します。
V5フライホイールウェイト取付例その1を示す例です。
V5フライホイールウェイト取付例その2を示す例です。
製造されるあらゆるものと同様、製造プロセスにおける避けられない小さな誤差により、すべての部品の設計には公差が生じます。 V5 フライホイールの重量もこの規則の例外ではなく、フライホイールに少量の非対称性があり、振動が発生する可能性があります。ロボットの振動によりボルトが緩んだり、ランチャーが不正確になったり、ロボットのコンポーネントが損傷したりする可能性があります。これに対処するには 2 つの方法があります。第一に、複数のフライホイールが使用されている場合、フライホイールは互いの非対称バランスを打ち消すように互いに対して回転させることができます。第 2 に、フライホイールが 1 つだけ使用されている場合は、非対称バランスを防ぐために未使用の取り付け穴にボルトを配置できます。どちらの場合も、試行錯誤のプロセスを使用して、どの構成が最適かを判断することをお勧めします。
ベアリングとブッシュ: どちらが必要ですか?
高強度シャフトボールベアリングの導入により、VEX ユーザーはロボットの回転システムをサポートする 2 つの異なる方法を利用できるようになりました。「ベアリング フラット」として知られる部品は、可動部品がないため、業界では実際にはブッシュとして知られています。ベアリングとブッシュは両方とも、回転シャフトと固定サポートの間の摩擦を軽減することによって機能します。ブッシング（VEX の「ベアリング フラット」または「高強度シャフト ベアリング」（このドキュメントではブッシングと呼びます））は、シャフトが接触できる滑らかな丸い表面を提供することでこれを実現します。一方、ベアリングには小さなボールが多数含まれており、シャフトが回転すると転がります。摩擦は軽減されますが、ベアリングもブッシュも摩擦を完全に排除することはできません。ベアリングとブッシングは、構造やその他のいくつかの要因が異なるため、長所、短所、使用例が異なります。
| 強み | 弱点 | |
|---|---|---|
| ベアリング |
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|
| ブッシング |
|
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このガイドで以前に行ったように、回転機構をそのエネルギーの観点から考察する場合、ベアリングまたはブッシュは、摩擦による熱の形でシステムからエネルギーを常に「漏洩」させます。ただし、その速度は異なります。ブッシングはボール ベアリングよりも早くシステムからエネルギーを失い、その影響は重大です。
ランチャーを使って一連のテストを実施しました。最初はブッシングを使用し、次にベアリングを使用しました。どちらのバージョンでも、ランチャーには600rpmで回転するベアリング/ブッシングが2つと、3600rpmで回転するベアリング/ブッシングが2つ搭載されており、青色のカートリッジを備えた V5スマートモーター 2つ使用されています。ベアリングとブッシュの差は大きかった。これは、通常の回転開始時のモーター速度のグラフです。
ベアリングは、ブッシュに比べて安定した最高速度が大幅に向上し、加速性能も優れていた。エネルギーの観点から言えば、ベアリングを備えたシステムは、ブッシングを備えたシステムよりも多くのエネルギーをシステム内に保持でき、物体をより遠く、より速く発射することができたということである。効率の差は約8%で、ギアボックスの出力回転数に300RPMの差が見られた。
同じ設定で、ランチャーの通常の回転中にモーターの 1 つが消費する電流を測定しました。前回のテストと同様に、1 回のテストはブッシュを使用し、もう 1 回のテストはベアリングを使用し、それ以外は同一の設定で行いました。消費電流の違いは大きく、ブッシュベースのランチャーはベアリングベースのランチャーの 2 倍以上の電流を消費します。これは、時間の経過に伴う電流引き込みのグラフです。
最後に、この記事の前半で説明したフライホイールの影響を実証するために、3 つのディスクを起動しながらモーターの 1 つの RPM を追跡するテストを実行しました。 1 つのテストにはフライホイールがありませんでしたが、もう 1 つのテストには 2 つのフライホイールがありました。これがグラフです:
このグラフからわかることがいくつかあります。
- 2 つのフライホイールを使用したテストでは、RPM 低下 (目標 RPM (600) とショット直後の最も遅い RPM の差) が大幅に減少しました。フライホイール 0 個を使用したテストでは最大 150 RPM の低下が見られましたが、2 つのフライホイールを使用したテストでは最大 75 RPM の低下が発生しました。
- 回復時間 (ランチャーが目標 RPM (600) に戻るまでにかかる時間) は、2 つのフライホイールを使用したテストで大幅に短縮されました。記事の前半で説明したように、打ち上げられたディスクに転送される総エネルギーの割合が低くなるため、これは理にかなっています。
- 全体的な発射時間は、2 つのフライホイールを使用したテスト全体で 1 ショットあたり最大 40% 短縮されました。
結論
- 発射装置について、その回転エネルギーとその回転エネルギーの発射された物体への伝達として発射について考えるのが最も簡単です。
- フライホイールを使用すると、ランチャーの回転エネルギーが増加し、物体をより遠くまで打ち上げることができます。新しい V5 フライホイール ウェイトは、VRC および V5 エコシステムのフライホイールの選択肢を広げます。
- V5 フライホイール ウェイトは、製造プロセス中に生じる非対称バランスを軽減するために、相互に相対的な方法で取り付ける必要がある場合があります。
- ベアリングとブッシュは、摩擦による熱によって発射装置からエネルギーを「漏洩」させます。従来のベアリング フラット (ブッシュ) に代わって新しい高強度ベアリングを使用すると、ランチャーの最高速度を向上させ、ランチャー モーターの持続的な消費電流を減らすことができます。これにより、モーターを低温に保ちながら、ランチャー システムのエネルギーが増加します。