VEX EDR システムには、ギア キットと高強度ギア キットの 2 種類の平歯車があります (平歯車の選択方法」を参照してください)。 これらのギアを組み立てることで、動力伝達をカスタマイズしたり、トルクを増大させたり、速度を増大させたりすることができます。 これは、ギアの歯が互いに噛み合うように、2 つ以上のギアをドライブ シャフト上に組み立てることによって実現できます。 モーターがギアの 1 つのドライブ シャフトに動力を供給します。
ギア比
シンプルなギア比では、ドライブシャフトごとに 1 つのギアのみを使用します。 動力、つまり入力を供給するギアは 駆動ギア と呼ばれ、回転する、 出力を担当するギアは 従動ギア 3 と呼ばれます。ギア比は次の式を使用して計算されます。
1:1 ギア比
1:1 ギア比 は、駆動ギアが 1 回転して従動ギアが 1 回転することを意味します。 このギア比には次のような利点があります。
- バランスのとれた速度とトルク: 駆動ギアと従動ギアの比率が等しいため、2 つのギア間の速度やトルクに変化はありません。 このバランスは、モーター本来の性能が十分なアプリケーションに最適です。
- 直接動力伝達: このギア比により、モーターによって生成された動力が損失なく駆動コンポーネントに直接伝達されます。
- 簡素化された設計: 1:1 のギア比により、ロボットの機械設計が簡素化され、設計と構築のプロセスがより簡単になります。
- 予測可能なパフォーマンス: 入力速度と出力速度が同じなので、ロボットのパフォーマンスがより予測しやすくなります。 これは、一貫したパフォーマンスが求められるタスクや、タスクのタイミングが重要なタスクに有利です。
下の図は、ギア比 1:1 の例を示しています。 駆動ギアと従動ギアの歯数は同じ（60T）です。 モーターは 60T 駆動ギアを 1 回転させ、60T 従動ギアを 1 回転させます。
5:1 ギア比
5:1 ギア比 は、従動ギアが 1 回転するために駆動ギアが 5 回転する必要があることを意味します。 このギア比には次のような利点があります。
- トルクの増加: トルクは、モーターがロボットのコンポーネントに適用できる回転力です。 トルクを増加させることで、ロボットはより重い負荷を処理できるようになり、物体を持ち上げたり押したりするなど、より大きな力を必要とする作業を実行できるようになります。 駆動ギアの歯数は従動ギアより少ないため、トルク出力は 5 倍になりますが、速度出力は 1/5 になります。
- 減速: トルクが増加する一方で、従動ギアの速度は低下します。 速度を低下させることは、より高い制御と精度が求められるタスクには有益です。
- モーター効率の向上: ギア比が高くなると、モーターはより効率的に動作します。 このギア比により、モーターの摩耗が軽減され、モーターの寿命が延びます。
- 特定のタスクのカスタマイズ: このギア比は、より大きなギアシステムと統合することができ、ロボットのパフォーマンス特性をカスタマイズできます。
1:5 ギア比
速度を上げる (高速) - このタイプのギア比では、モーターからホイールへの速度など、モーターからの速度を上げることが目的です。 駆動ギアには従動ギアよりも多くの歯があります。 たとえば、モーターが 60T ギアを車輪上の 12T 従動ギアに駆動する場合、60T 駆動ギアが回転すると、12T 従動ギアは 5 回転します。 これは 1:5 のギア比として知られています。 この場合、速度出力は 5/1 倍になりますが、トルク出力は 1/5 になります。
1:5 のギア比の各角度を確認するには、次の図を参照してください。
ギアトレイン
ギア トレイン は、ロボットの一部から別の部分に動きと動力を伝達する一連のギアで構成されています。 ギアトレインは回転運動の速度、トルク、方向を変更します。 ギアトレインは、動きを伝達するために噛み合う歯を持つギア、ギアを所定の位置に保持して回転できるようにするシャフト、およびすべてのコンポーネントを所定の位置に保持するのに役立つシャフトカラーで構成されます。 ギアトレインの機能は次のとおりです。
- 速度調整: ギア トレインにより回転速度が増減します。小さい駆動ギアが大きい従動ギアと噛み合うと速度は低下しますがトルクは増加します。一方、大きい駆動ギアが小さい従動ギアと噛み合うと速度は上昇しますがトルクは減少します。
ギアトレインは、モーターに接続されていない車輪を回転させるために使用されます。
特記事項
スプロケットとチェーン システムの比率は、ギア比と同じように機能します。 スプロケットとチェーンのシステムの利点は、スプロケットがチェーンで接続されているため、スプロケットを複数の距離に離して配置できることです。 ただし、高強度ギアでは、歯が破損するよりも少ない力でチェーンリンクが破損する可能性があります。 ロボットが完全に機能するためには、どちらのタイプの破損も修理する必要があります。
駆動ギアと従動ギアの間に、任意の数、任意のサイズのギアを単純なギア比で配置することができ、ギア比は変わりません。 たとえば、12T ギアが 36T ギアを駆動し、36T ギアが 60T 被駆動ギアを駆動する場合、ギア比は 5:1 のままで、60T ギアが 12T ギアによって直接駆動される場合と同じです。
スピード
回転速度とは、物体が回転する速さのことです。 たとえば、V5 スマート モーターのシャフト ソケットは、1 分間に 100 回転、つまり 100 RPM で回転している可能性があります。 上で説明したように、5:1 のギア比を使用すると、60 歯の駆動ギアがモーターのシャフトによって回転し、次に 12 歯の従動ギアが回転し、12 歯のギアは 5 倍の速度で回転します。 上記の例を使用すると、モーターのシャフトの 100 RPM と比較して、12 歯のギアは 500 RPM で回転することになります。 1:5 のギア比を使用すると、12 歯の駆動ギアがモーターのシャフトによって回転し、次に 60 歯の従動ギアが回転します。60 歯のギアは 1/5 の速度で回転します。 上記の例をもう一度使用すると、60 歯のギアは、モーター シャフトの 100 RPM と比較して 20 RPM で回転します。
では、なぜ可能な限り最速のギア比が常に使用されないのでしょうか? ロボットがより速く動けるほど、競争力が増すと思われます。 第一の理由は、ロボットの機能を制御できる速度の上限があることです。 たとえば、ロボットが走り回る機能の場合、車輪の回転が速すぎると制御が非常に難しくなる可能性があります。 上下に回転するアームの機能の場合、回転が速すぎると制御が難しくなることもあります。
トルク
トルクとは、ある距離にある負荷を回転させるために必要な力の量です。 モーターのトルクには限界があります。 たとえば、V5 スマート モーターが 1 Nm (ニュートン メートル) のトルクを生成している場合、5:1 のギア比を使用すると、駆動される 12 歯ギアはモーターのトルク入力の 1/5 を出力し、出力は 0.2 Nm になります。また、1:5 のギア比を使用すると、60 歯ギアはモーターのトルク入力の 5 倍を出力し、出力は 5 Nm になります。
トルクは、ロボットを設計するときに可能な限り最速のギア比を常に使用できない 2 番目の理由です。 ロボットの車輪をより速く駆動するために速度を上げるギア比を使用すると、ギア比がモーターから得られるトルクを超え、ロボットがそれほど速く動かないか、まったく動かなくなる可能性があります。 また、ほぼ同じ設計の 2 台のロボットが相互作用する場合、ギア比の低いロボットの方がトルクが大きいため、ギア比の低いドライブトレインを持つロボットの方が、ギア比の高いドライブトレインを持つロボットを押せる可能性が高くなります。 別の例としては、アームがモーターに挿入されたシャフトに直接取り付けられていても、回転するとモーターの利用可能なトルクを超える可能性があるため、アームが回転しない場合があります。 この場合、モーターのトルクの出力を増加させ、アームを回転させるために必要なトルクの量を超えるために、増加トルクギア比を使用する必要があります。
V5スマートモーターの速度とトルクは、モーターダッシュボードを使用して測定できます。
ロボットリアリティ
幸いなことに、V5 ClawBot の組み立て手順書で使用されているギア比は、カスタム ロボットの設計を開始するのに十分です。 多くのドライブトレインは、緑色の 200 RPM V5 ギア カートリッジを備えた V5 スマート モーターを使用して、ホイールまたはトラック スプロケットのシャフトを直接駆動することで適切に機能します。 ただし、タワーやゲームピースの取入口などの設計上の構造をモーターの配置場所に配置する必要がある場合は、上記で説明したようなスプロケットとチェーンまたはギアを使用した動力伝達を使用できます。 ほとんどのアームの場合、12T ギアを 200 RPM モーターで駆動し、84T 駆動ギアをアームに取り付けることで、上で説明した 7:1 のトルク増加ギア比で十分です。 競争上の優位性がより重要になるにつれて、速度とトルクの間の「スイートスポット」バランスを見つけることがより重要になります。 これは、V5 スマート モーターと、使用可能な 3 つの V5 ギア カートリッジ (赤: 100 RPM、緑: 200 RPM、青: 600 RPM) のいずれかを使用し、必要に応じて、モーターとギア比を組み合わせてトルクを増加したり、ギア比を組み合わせて速度を増加したりすることで実現できます。
ギアやその他のモーション ハードウェアは https://www.vexrobotics.com/vexedr/products/motionで購入できます。