De meest gebruikelijke manier om objecten te lanceren met een V5-robot is door met hoge snelheid een wiel te laten draaien en het object vervolgens in het wiel te voeren. In dit document wordt de relevante natuurkunde achter een ronddraaiend systeem uitgelegd, wat er gebeurt als een object wordt gelanceerd en hoe je een systeem kunt aanpassen om objecten beter te lanceren.
Fysica achter draaiende objecten
Rotatie-energie, de meting van de energie in een draaiend object, wordt gedefinieerd door de vergelijking:
ERoterend = 12 Iw
- I staat voor rotatietraagheid (ook wel het “Traagheidsmoment” of “MOI” genoemd), wat een maat is voor hoe moeilijk het is om het object te draaien.
- w is de snelheid waarmee het object draait.
Dit betekent dat we twee variabelen kunnen veranderen – ofwel de rotatietraagheid van ons systeem (I) of de snelheid waarmee het draait (w) – om de rotatie-energie in ons lanceersysteem te veranderen.
Dus waarom geven we om de rotatie-energie in onze draagraket? De Wet van Behoud van Energie stelt dat energie niet wordt gecreëerd of vernietigd, maar alleen wordt overgedragen. Dit betekent dat het lanceersysteem een deel van zijn rotatie-energie zal overbrengen naar het object dat we lanceren, en het is die energie die ervoor zorgt dat het object door de lucht wordt gelanceerd!
Een object dat in een bepaalde richting beweegt, heeft een lineaire energie, gedefinieerd door de vergelijking:
ELineair = 2 mv
- m staat voor de massa van het object
- v is de snelheid van het object
Dit betekent dat een object dat met een bepaalde snelheid wordt gelanceerd, een bepaalde hoeveelheid energie heeft. Deze waarde staat vast voor een bepaalde snelheid, maar de energie in onze draagraket niet. De energie in onze draagraket zal direct na een lancering minder zijn dan vlak ervoor vanwege de overdracht van energie naar het gelanceerde object. Door de energie in ons lanceersysteem vóór de lancering te veranderen, kunnen we het aandeel van de energie die naar het gelanceerde object wordt overgedragen veranderen, en daarmee zowel beïnvloeden hoe goed de lanceerinrichting het object lanceert als hoe voorbereid hij is om het volgende object te lanceren.
Wat is een vliegwiel?
Zoals hierboven vermeld, is een van de manieren waarop we de rotatie-energie van onze draagraket kunnen veranderen, het veranderen van de rotatietraagheid van het systeem. Het is belangrijk om twee dingen te weten: ten eerste heeft elk object een bepaalde rotatietraagheidswaarde rond een rotatie-as, en ten tweede heeft de rotatietraagheid van alle delen van een systeem bij elkaar opgeteld de rotatietraagheid van het systeem. Een object dat wordt gebruikt om de rotatietraagheid van een systeem te vergroten, staat bekend als een vliegwiel, en er is een nieuw VEX V5 vliegwielgewicht om precies dit te doen in het V5-ecosysteem.
Impact van een vliegwiel op de systeemprestaties
Het belangrijkste dat u moet begrijpen, is hoe verschillende traagheidsmomenten in een systeem de prestaties ervan beïnvloeden.
Als we het traagheidsmoment vergroten, zal de rotatie-energie toenemen (zoals blijkt uit de eerste vergelijking hierboven). Als er bij een bepaalde snelheid meer energie in het systeem zit, zal het meer tijd kosten om de energie in het systeem te krijgen, waardoor de opstarttijd zal toenemen. Bij meer MOI zal de RPM-daling na een lancering afnemen en zal een object doorgaans verder gelanceerd worden. Met een afname van het traagheidsmoment krijgen we alle tegenovergestelde effecten: de rotatie-energie en de opstarttijd zullen afnemen, de daling van het toerental zal toenemen, en zowel de energie die naar het object wordt overgedragen als hoe ver het object zal gaan, zullen afnemen.
| Hogere MOI | Lagere MOI |
| Hoger stroomverbruik bij initiële spin-up | Lager stroomverbruik bij initiële spin-up |
| Er is minder snelheid nodig om het object op de gewenste afstand te lanceren | Er is een hogere snelheid nodig om het object over de gewenste afstand te lanceren |
| Minder snelheidsdaling wanneer object wordt gelanceerd (minder tijd tussen lanceringen) | Hogere snelheidsdaling wanneer object wordt gelanceerd (meer tijd tussen lanceringen) |
Hoe het V5-vliegwielgewicht te gebruiken
Het V5 vliegwielgewicht kan op twee verschillende manieren gemonteerd worden. Ten eerste zorgt een standaard vierkant montagepatroon van ½” ervoor dat het vliegwiel kan worden gemonteerd op de 48T, 60T, 72T en 84T tandwielen met hoge sterkte. Ten tweede maakt een standaard 1,875” zeskantig montagepatroon het mogelijk om het vliegwiel te monteren op een versahub, die kan worden gemonteerd op een zeer sterke as met een versahub-adapter. De afbeelding links toont de montagegaten op het V5-vliegwielgewicht. De rode gaten komen overeen met het standaard vierkante montagepatroon en de blauwe gaten komen overeen met het zeskantige versahub-patroon.
Een voorbeeld van montagevoorbeeld nr. 1 van het V5-vliegwielgewicht.
Een voorbeeld van montagevoorbeeld nr. 2 van het V5-vliegwielgewicht.
Zoals bij alles dat wordt vervaardigd, hebben alle onderdelen een tolerantie in hun ontwerp als gevolg van kleine, onvermijdelijke onnauwkeurigheden in het fabricageproces. Het V5-vliegwielgewicht vormt geen uitzondering op deze regel, en er is kans op een kleine mate van asymmetrie in het vliegwiel die tot trillingen leidt. Trillingen in uw robot kunnen bouten losmaken, uw lanceerinrichting onnauwkeurig maken of zelfs robotonderdelen beschadigen. Er zijn twee manieren om dit te bestrijden. Ten eerste kunnen, indien meer dan één vliegwiel wordt gebruikt, de vliegwielen zodanig ten opzichte van elkaar worden geroteerd dat zij elkaars asymmetrische balans opheffen. Ten tweede, als er slechts één vliegwiel wordt gebruikt, kan een bout in een ongebruikt montagegat worden geplaatst om de asymmetrische balans tegen te gaan. In beide gevallen is het raadzaam om via een proces van vallen en opstaan uit te vinden welke configuratie de beste is.
Lager of bus: welke heb je nodig?
Met de introductie van het askogellager met hoge sterktehebben VEX-gebruikers nu toegang tot twee verschillende manieren om rotatiesystemen in hun robots te ondersteunen. Het onderdeel dat bekend staat als het “lagervlak” staat in de industrie feitelijk bekend als een bus, omdat het geen bewegende delen heeft. Zowel lagers als bussen werken door de wrijving tussen de roterende as en de vaste steun te verminderen. Bussen – het “lager plat” of “Hoge sterkte aslager” in VEX (in dit document ook bussen genoemd) – doen dit door een glad, rond oppervlak te bieden waar de as contact mee kan maken. Lagers bevatten daarentegen veel kleine balletjes die rollen als de as draait. Ondanks dat de wrijving wordt verminderd, elimineren noch lagers noch bussen deze volledig. Vanwege hun verschillende constructies en een aantal andere factoren hebben lagers en bussen verschillende sterke en zwakke punten en gebruiksscenario's.
|
|
Sterke punten | Zwakke punten |
| Handelswijze |
|
|
| Bus |
|
|
Als we naar een draaiend mechanisme kijken in de context van zijn energie, zoals we eerder in deze gids hebben gedaan, ‘lekken’ lagers of bussen voortdurend energie weg van het systeem in de vorm van warmte door wrijving. Het tempo waarin ze dat doen verschilt echter. Bussen verliezen sneller energie uit het systeem dan kogellagers, en de impact is aanzienlijk.
We hebben een reeks tests uitgevoerd met een draagraket, eerst met bussen en daarna met lagers. In beide versies had de draagraket 2 lagers/bussen met een snelheid van 600 tpm en 2 lagers/bussen met een snelheid van 3600 tpm, waarbij gebruik werd gemaakt van twee V5 Smart Motors met blauwe cartridges. Het verschil tussen de lagers en bussen was aanzienlijk. Dit is de grafiek van de motorsnelheid tijdens een normale spin-up.
De lagers bereikten een aanzienlijk hogere stabiele topsnelheid en accelereerden sneller dan de bussen. In de context van energie betekent dit dat het systeem met lagers meer energie in het systeem kon houden en zijn object verder en sneller kon lanceren dan het systeem met de bussen. Het verschil in efficiëntie bedroeg grofweg 8%, met een verschil van 300 tpm aan de uitgang van de versnellingsbak.
Met dezelfde opstelling hebben we het stroomverbruik van een van de motoren gemeten tijdens een normale spin-up van de draagraket. Net als de vorige test hebben we een test met bussen en een andere met lagers gedaan, met een verder identieke opstelling. Het verschil in stroomafname was aanzienlijk, waarbij de op bussen gebaseerde draagraket meer dan het dubbele van de stroom trok van de op lagers gebaseerde draagraket. Dit is de grafiek van de stroomafname in de loop van de tijd.
Ten slotte hebben we, om de impact van de eerder in dit artikel besproken vliegwielen aan te tonen, een test uitgevoerd waarbij we het toerental van een van de motoren volgden terwijl drie schijven werden gelanceerd. De ene test had geen vliegwielen, de andere had er twee. Dit is de grafiek:
Er zijn een paar belangrijke dingen die we in deze grafiek kunnen zien:
- De toerentaldaling – het verschil tussen het beoogde toerental (600) en het langzaamste toerental direct na een schot – werd in de test met 2 vliegwielen aanzienlijk verminderd. De tests met vliegwielen zonder vliegwielen hadden een daling van ~150 toeren per minuut, terwijl de test met 2 vliegwielen een daling van ~75 toeren per minuut had.
- De hersteltijd (de tijd die de draagraket nodig heeft om terug te keren naar het beoogde toerental (600)) werd in de test aanzienlijk verkort met twee vliegwielen. Dit is logisch omdat een kleiner deel van de totale energie naar de gelanceerde schijf wordt overgebracht, zoals eerder in het artikel werd besproken.
- De totale lanceertijd werd met ~40% per schot verkort en in totaal voor de test met 2 vliegwielen.
Conclusies
- Het is het gemakkelijkst om over draagraketten te denken in termen van hun rotatie-energie en lanceringen als een overdracht van die rotatie-energie naar het gelanceerde object.
- Met vliegwielen kun je de rotatie-energie in je draagraket vergroten, waardoor je objecten verder kunt lanceren. Het nieuwe V5-vliegwielgewicht opent de mogelijkheden voor vliegwielen in VRC en het V5-ecosysteem.
- V5-vliegwielgewichten moeten mogelijk op een manier worden bevestigd die relatief ten opzichte van elkaar is om de asymmetrische balans die tijdens het productieproces ontstaat te verminderen.
- Lagers en bussen ‘lekken’ energie uit uw draagraket door de hitte van wrijving. Door de nieuwe, zeer sterke lagers te gebruiken in plaats van traditionele lagervlakken (bussen) kunt u een hogere topsnelheid in uw lanceerinrichting bereiken en het aanhoudende stroomverbruik van uw lanceermotoren verminderen. Dit verhoogt de energie in uw lanceersysteem terwijl uw motoren koeler blijven.