Het VEX EDR-systeem heeft twee soorten tandwielen: de tandwielset en de tandwielset met hoge sterkte (zieEen tandwiel selecteren). Deze tandwielen kunnen worden gemonteerd om de krachtoverbrenging aan te passen, het koppel te verhogen of de snelheid te verhogen. Dit kan worden gedaan door twee of meer tandwielen op aandrijfassen te monteren, zodat de tanden van de tandwielen in elkaar grijpen. Een motor drijft de aandrijfas van een van de tandwielen aan.
Overbrengingsverhoudingen
Bij eenvoudige overbrengingsverhoudingen wordt er slechts één tandwiel per aandrijfas gebruikt. Het tandwiel dat het vermogen levert, of de invoer, wordt een aandrijftandwiel genoemd en het tandwiel dat wordt gedraaid, of verantwoordelijk is voor de uitvoer, wordt het aangedreven tandwiel genoemd. De overbrengingsverhouding wordt berekend met behulp van de volgende formule:
1:1 overbrengingsverhouding
Een overbrengingsverhouding van 1:1 betekent dat het aandrijftandwiel één omwenteling maakt om het aangedreven tandwiel één omwenteling te laten voltooien. Deze overbrengingsverhouding biedt de volgende voordelen:
- Evenwichtige snelheid en koppel: Omdat de verhouding tussen het aandrijftandwiel en het aangedreven tandwiel gelijk is, is er geen verandering in snelheid of koppel tussen de twee tandwielen. Deze balans is ideaal voor toepassingen waarbij het eigen vermogen van de motor voldoende is.
- Directe vermogensoverdracht: Deze overbrengingsverhouding zorgt ervoor dat het door de motor gegenereerde vermogen direct en zonder verlies wordt overgebracht op het aangedreven onderdeel.
- Vereenvoudigd ontwerp: Een overbrengingsverhouding van 1:1 vereenvoudigt het mechanische ontwerp van de robot, waardoor het ontwerp- en bouwproces eenvoudiger wordt.
- Voorspelbare prestaties: Omdat de invoer- en uitvoersnelheden identiek zijn, zijn de prestaties van de robot beter voorspelbaar. Dit kan voordelig zijn voor taken waarbij consistente prestaties vereist zijn, of waarbij de timing van de taak cruciaal is.
De onderstaande afbeelding toont een voorbeeld van een overbrengingsverhouding van 1:1. Het aandrijftandwiel en het aangedreven tandwiel hebben hetzelfde aantal tanden (60T). De motor laat het 60T aandrijftandwiel één keer draaien, zodat het 60T aangedreven tandwiel één omwenteling maakt.
5:1 overbrengingsverhouding
Een overbrengingsverhouding van :1 betekent dat het aandrijftandwiel vijf omwentelingen moet maken om het aangedreven tandwiel één omwenteling te laten voltooien. Deze overbrengingsverhouding biedt de volgende voordelen:
- Verhoogd koppel: Koppel is de rotatiekracht die de motor op de componenten van de robot kan uitoefenen. Door het koppel te vergroten, kan een robot zwaardere lasten hanteren en taken uitvoeren die meer kracht vereisen, zoals het tillen en duwen van voorwerpen. Het aandrijftandwiel heeft minder tanden dan het aangedreven tandwiel, waardoor het geleverde koppel 5 keer zo groot is, terwijl het geleverde toerental slechts 1/5 bedraagt.
- Verlaagde snelheid: Terwijl het koppel wordt verhoogd, wordt de snelheid van het aangedreven tandwiel verlaagd. Een lagere snelheid is gunstig voor taken waarbij meer controle en precisie vereist zijn.
- Verbeterde motorefficiëntie: Een hogere overbrengingsverhouding zorgt ervoor dat de motor efficiënter werkt. Deze overbrengingsverhouding kan slijtage van de motor verminderen en de levensduur van de motor verlengen.
- Aanpassing voor specifieke taken: Deze overbrengingsverhouding kan worden geïntegreerd met een groter tandwielsysteem, waardoor de prestatiekenmerken van de robot kunnen worden aangepast.
1:5 overbrengingsverhouding
Snelheid verhogen (hoge snelheid) - Bij dit type overbrengingsverhouding is het doel om de snelheid van de motor te verhogen, bijvoorbeeld van een motor naar een wiel. Het aandrijftandwiel heeft meer tanden dan het aangedreven tandwiel. Als een motor bijvoorbeeld een 60T tandwiel aandrijft naar een aangedreven 12T tandwiel op een wiel, dan iswanneer het 60T aandrijftandwiel één keer draait, terwijl het 12T aangedreven tandwiel vijf (5) keer draait. Dit staat bekend als een 1:5 overbrengingsverhouding. In dit geval is het afgegeven toerental 5/1 keer zo groot, maar het afgegeven koppel is 1/5.
Bekijk de onderstaande afbeelding om elke hoek van een overbrengingsverhouding van 1:5 te bekijken.
Tandwieltrein
Een tandwieltrein bestaat uit een reeks tandwielen die beweging en kracht van het ene deel van de robot naar het andere overbrengen. Tandwieloverbrengingen veranderen de snelheid, het koppel en de richting van de draaibeweging. Tandwieloverbrengingen bestaan uit tandwielen met tanden die in elkaar grijpen om beweging over te brengen; assen die de tandwielen op hun plaats houden en ervoor zorgen dat ze kunnen draaien; en asringen die helpen om alle componenten op hun plaats te houden. De functies van een tandwieloverbrenging omvatten het volgende:
- Snelheidsaanpassing: Tandwieloverbrengingen verhogen of verlagen de rotatiesnelheid. Een kleiner aandrijftandwiel dat in een groter aangedreven tandwiel grijpt, verlaagt de snelheid maar verhoogt het koppel, terwijl een groter aandrijftandwiel dat in een kleiner aangedreven tandwiel grijpt, de snelheid verhoogt maar het koppel verlaagt.
Tandwieloverbrengingen worden gebruikt om wielen te laten draaien die niet aan een motor zijn gekoppeld.
Speciale opmerkingen
De verhoudingen voor ketting- en tandwielsystemen werken op dezelfde manier als overbrengingsverhoudingen. Ketting- en tandwielsystemen hebben als voordeel dat de tandwielen op meerdere afstanden van elkaar geplaatst kunnen worden omdat ze met een ketting verbonden zijn. De schakels van de ketting kunnen echter met minder kracht breken dan een tand bij een tandwiel met hoge sterkte. Beide soorten breuken moeten worden gerepareerd om de robot weer volledig functioneel te maken.
Er kan een willekeurig aantal tandwielen van elke grootte tussen het aandrijftandwiel en het aangedreven tandwiel worden geplaatst in een eenvoudige overbrengingsverhouding, zonder dat de overbrengingsverhouding hierdoor verandert. Bijvoorbeeld, een 12T tandwiel drijft een 36T tandwiel aan, dat op zijn beurt een 60T tandwiel aandrijft. De overbrengingsverhouding is dan nog steeds 5:1, net als wanneer het 60T tandwiel direct door het 12T tandwiel zou worden aangedreven.
Snelheid
Rotatiesnelheid is hoe snel een object ronddraait. De as van een V5 Smart Motor kan bijvoorbeeld 100 omwentelingen per minuut of 100 RPM maken. Zoals hierboven uitgelegd, als er een overbrengingsverhouding van 5:1 wordt gebruikt, wordt een aandrijftandwiel met 60 tanden door de as van de motor aangedreven. Vervolgens wordt een aangedreven tandwiel met 12 tanden aangedreven. Het tandwiel met 12 tanden draait dan 5 keer sneller. In bovenstaand voorbeeld draait het tandwiel met 12 tanden met 500 toeren per minuut, terwijl de as van de motor 100 toeren per minuut draait. Als er een overbrengingsverhouding van 1:5 wordt gebruikt, wordt een aandrijftandwiel met 12 tanden door de as van de motor aangedreven. Vervolgens wordt een aangedreven tandwiel met 60 tanden aangedreven. Het tandwiel met 60 tanden draait dan met een snelheid die 1/5 zo snel is. Als we het bovenstaande voorbeeld nog eens gebruiken, draait het tandwiel met 60 tanden met 20 toeren per minuut, terwijl de motoras 100 toeren per minuut draait.
Waarom zou dan niet altijd de hoogst mogelijke overbrengingsverhouding gebruikt worden? Het lijkt erop dat hoe sneller een robot kan bewegen, hoe competitiever hij is. De eerste reden is dat er een maximumsnelheid bestaat waarmee de functies van een robot kunnen worden aangestuurd. Om een paar voorbeelden te noemen: als de functie is dat de robot rondrijdt, kan het lastig zijn om de robot te besturen als de wielen te snel draaien. Als de functie een arm is die op en neer draait, kan het lastig zijn om deze te besturen als deze te snel draait.
Koppel
Koppel is de hoeveelheid kracht die nodig is om een last over een bepaalde afstand te draaien. Motoren hebben een beperkt koppel. Bijvoorbeeld, als een V5 Smart-motor een koppel van 1 Nm (Newtonmeter) produceert, zal het aangedreven tandwiel met 12 tanden bij een overbrengingsverhouding van 5:1 ⅕ van het ingevoerde koppel van de motor afgeven. De uitvoer is dan 0,2 Nm. Bij een overbrengingsverhouding van 1:5 zal het tandwiel met 60 tanden 5 keer het ingevoerde koppel van de motor afgeven. De uitvoer is dan 5 Nm.
Koppel is de tweede reden waarom niet altijd de hoogst mogelijke overbrengingsverhouding kan worden gebruikt bij het ontwerpen van een robot. Wanneer een hogere overbrengingsverhouding wordt gebruikt om de wielen van een robot sneller aan te drijven, is het mogelijk dat de overbrengingsverhouding het beschikbare koppel van de motor overschrijdt. Hierdoor beweegt de robot minder snel of beweegt hij helemaal niet meer. Het is ook mogelijk dat als twee robots met vrijwel hetzelfde ontwerp samenwerken, de robot met de aandrijflijn met de lagere overbrengingsverhouding de robot met de aandrijflijn met de hogere overbrengingsverhouding kan voortduwen, omdat de robot met de lagere overbrengingsverhouding meer koppel heeft. Een ander voorbeeld is dat een arm mogelijk niet kan draaien, zelfs niet als deze direct is bevestigd aan een as die in een motor is geplaatst. Door de arm te draaien, kan het beschikbare koppel van de motor worden overschreden. In dit geval moet een overbrengingsverhouding met een groter koppel worden gebruikt om het motorkoppel te verhogen en de hoeveelheid koppel te overschrijden die nodig is om de arm te laten draaien.
De snelheid en het koppel van een V5 Smart Motor kunnen worden gemeten met behulp van het Motor Dashboard
Robotrealiteit
Gelukkig zijn de overbrengingsverhoudingen die in de bouwinstructies voor de montage van de V5 ClawBot worden gebruikt, voldoende om te beginnen met het ontwerpen van aangepaste robots. Veel aandrijflijnen werken goed door rechtstreeks de assen van wielen of tandwielen aan te drijven met de V5 Smart Motor met de groene 200 RPM V5 Gear Cartridge. Als er echter een constructie in het ontwerp, zoals een toren of een invoer voor een speelstuk, op de plek van een motor moet worden geplaatst, kan er gebruik worden gemaakt van een krachtoverbrenging met behulp van tandwielen en een ketting of tandwielen, zoals hierboven uitgelegd. Voor de meeste armen is de hierboven uitgelegde 7:1 koppelverhogingsverhouding voldoende door het 12T-tandwiel aan te drijven met een 200 RPM-motor en een 84T-aangedreven tandwiel aan de arm te bevestigen. Naarmate een concurrentievoordeel belangrijker wordt, wordt het vinden van de juiste balans tussen snelheid en koppel steeds belangrijker. Dit kan worden bereikt door een V5 Smart Motor te gebruiken met een van de drie beschikbare V5 Gear Cartridges (rood: 100 RPM, groen: 200 RPM, blauw: 600 RPM) en indien nodig de motor te combineren met een overbrengingsverhouding om het koppel te verhogen of een overbrengingsverhouding om de snelheid te verhogen.
Tandwielen en andere bewegingshardware kunnen worden gekocht op https://www.vexrobotics.com/vexedr/products/motion.