Korzystanie ze współczynników przełożeń w silniku V5 – Biblioteka VEX

System VEX EDR posiada dwa rodzaje kół zębatych walcowych: zestaw kół zębatych walcowych i zestaw kół zębatych walcowych o dużej wytrzymałości (patrzJak wybrać koło zębate walcowe walcowe). Koła zębate można montować w celu dostosowania przeniesienia mocy, zwiększenia momentu obrotowego lub zwiększenia prędkości. Można to zrobić poprzez zamontowanie dwóch lub więcej kół zębatych na wałach napędowych tak, aby zęby kół zębatych zazębiały się. Silnik będzie napędzał wał napędowy jednej z przekładni.

Przełożenia

Proste przełożenia wykorzystują tylko jedno koło zębate na wał napędowy. Koło zębate zapewniające moc lub wejście nazywane jest kołem napędowym , a koło zębate, które jest obracane lub odpowiada za wyjście, nazywane jest kołem napędzanym Przełożenie przekładni oblicza się przy użyciu następującego wzoru:

Przełożenie wyraża się jako stosunek liczby zębów koła zębatego napędzanego (wyjściowego) do liczby zębów koła zębatego napędzającego (wejściowego).

Obejrzyj animację poniżej, aby zobaczyć przykład koła zębatego napędowego i napędzanego o tym samym rozmiarze, w tym przypadku 60 zębów i 60 zębów.

Moment obrotowy: Siła obrotowa, jaką silnik może wywierać na komponenty robota.
Prędkość: Prędkość obrotowa to szybkość, z jaką obraca się obiekt.
Przenoszenie mocy: Proces przenoszenia energii z silnika do różnych części robota w celu napędzania przekładni, kół lub innych elementów mechanicznych.

Przełożenie 1:1

Przełożenie 1: oznacza, że koło napędowe wykonuje jeden obrót, aby koło napędzane mogło wykonać jeden pełny obrót. Taki stosunek przełożeń zapewnia następujące korzyści:

Zrównoważona prędkość i moment obrotowy: Ponieważ stosunek między kołem napędowym a kołem napędzanym jest równy, nie następuje zmiana prędkości ani momentu obrotowego między dwoma kołami. Taka równowaga sprawdza się idealnie w zastosowaniach, w których naturalna wydajność silnika jest wystarczająca.
Bezpośredni transfer mocy: Ten stosunek przekładni zapewnia, że moc generowana przez silnik jest przenoszona bezpośrednio do napędzanego elementu, bez żadnych strat.
Uproszczona konstrukcja: Przełożenie 1:1 upraszcza konstrukcję mechaniczną robota, dzięki czemu proces projektowania i budowy staje się łatwiejszy.
Przewidywalna wydajność: Ponieważ prędkości wejściowe i wyjściowe są identyczne, wydajność robota jest bardziej przewidywalna. Może to być korzystne w przypadku zadań, w których wymagana jest stała wydajność lub w których czas wykonania zadania ma kluczowe znaczenie.

Poniższy model 3D przedstawia przykład przełożenia 1:1. Koło napędowe i koło napędzane mają taką samą liczbę zębów (60T). Silnik obraca koło napędowe 60T jeden raz, co powoduje, że koło napędowe 60T wykonuje jeden pełny obrót.

Przełożenie 5:1

Przykład przełożenia podano jako 60 zębów na 12 zębów. Następnie upraszczamy to do 5 przez 1 lub stosunku 5 do 1.

Przełożenie 5: oznacza, że koło napędowe musi wykonać pięć obrotów, aby koło napędzane wykonało jeden pełny obrót. Taki stosunek przełożeń zapewnia następujące korzyści:

Zwiększony moment obrotowy: Moment obrotowy to siła obrotowa, jaką silnik może przekazać do podzespołów robota. Dzięki zwiększeniu momentu obrotowego robot może obsługiwać cięższe ładunki i wykonywać zadania wymagające większej siły, takie jak podnoszenie i pchanie przedmiotów. Koło napędowe ma mniej zębów niż koło napędzane, przez co moment obrotowy jest 5 razy większy, a prędkość wyjściowa wynosi zaledwie 1/5.
Zmniejszona prędkość: Wraz ze wzrostem momentu obrotowego zmniejsza się prędkość napędzanego koła zębatego. Zmniejszenie prędkości jest korzystne w przypadku zadań wymagających większej kontroli i precyzji.
Większa wydajność silnika: Wyższy przełożenie pozwala silnikowi pracować wydajniej. Taki stosunek przełożeń może zmniejszyć zużycie silnika i wydłużyć jego żywotność.
Dostosowanie do konkretnych zadań: Ten stosunek przełożeń można zintegrować z większym układem przełożeń, co pozwala na dostosowanie charakterystyki pracy robota.

Obejrzyj animację i model 3D poniżej, aby zobaczyć przykłady znacznie mniejszego koła zębatego napędzającego znacznie większe koło zębate, w tym przypadku 12- i 60-zębowe.

Przełożenie 1:5

Przykład przełożenia podano jako 12 zębów na 60 zębów. Następnie upraszczamy to do 1 do 5 lub stosunku 1 do 5.

Zwiększenie prędkości (wysoka prędkość) - Przy tym typie przełożenia celem jest zwiększenie prędkości silnika, np. silnika do koła. Koło napędowe ma więcej zębów niż koło napędzane. Na przykład, jeśli silnik napędza koło zębate 60T do koła zębatego 12T, to gdy koło zębate 60T obróci się jeden raz, koło zębate 12T obróci się pięć (5) razy. Jest to znane jako przełożenie 1:5. W tym przypadku prędkość wyjściowa jest 5/1 razy większa, natomiast moment obrotowy wynosi 1/5.

Obejrzyj animację i model 3D poniżej, aby zobaczyć przykłady znacznie większego koła zębatego napędzającego znacznie mniejsze koło zębate, w tym przypadku 60 i 12 zębów.

Przekładnia

Przekładnia składa się z szeregu kół zębatych, które przenoszą ruch i moc z jednej części robota do drugiej. Przekładnie zębate zmieniają prędkość, moment obrotowy i kierunek ruchu obrotowego. Układy zębate składają się z kół zębatych z zębami, które zazębiają się ze sobą, aby przekazywać ruch; wałów, które utrzymują koła zębate na miejscu i umożliwiają im obrót; oraz kołnierzy wałów, które pomagają utrzymać wszystkie elementy na miejscu. Funkcje przekładni obejmują:

Regulacja prędkości: Przekładnie zębate zwiększają lub zmniejszają prędkość obrotową; mniejsze koło napędowe zazębiające się z większym kołem napędzanym zmniejsza prędkość, ale zwiększa moment obrotowy, podczas gdy większe koło napędowe zazębiające się z mniejszym kołem napędzanym zwiększa prędkość, ale zmniejsza moment obrotowy.

Przekładnie zębate służą do obracania kół, które nie są połączone z silnikiem, jak pokazano na dwóch poniższych modelach 3D.

Uwagi specjalne

Pokazano dwa przełożenia, które następnie mnożono przez siebie. Pierwszy współczynnik przełożenia wynosi 36 zębów na 12 zębów, a można go uprościć do 3 na 1. Drugie przełożenie wynosi 60 zębów na 36 zębów, a w uproszczeniu 5 na 3. Wynikowy współczynnik wynosi zatem 3 przez 1 pomnożone przez 5 przez 3, co równa się 5 przez 1.

Przełożenia w układach zębatek i łańcuchów działają na tej samej zasadzie co przełożenia przekładni zębatych. Systemy zębatek i łańcuchów mają tę zaletę, że zębatki można rozmieścić w różnych odległościach od siebie, ponieważ są połączone łańcuchem. Jednakże ogniwa łańcucha mogą pęknąć z mniejszą siłą, niż ząb w przekładni o dużej wytrzymałości. Aby robot mógł w pełni funkcjonować, konieczna będzie naprawa obu rodzajów uszkodzeń.

Między kołem napędowym a napędzanym można umieścić dowolną liczbę kół zębatych dowolnej wielkości, tworząc prosty przełożenie, nie powodując zmiany przełożenia. Na przykład, przekładnia 12T napędza przekładnię 36T, która z kolei napędza przekładnię napędzaną 60T, więc przełożenie wynosi nadal 5:1, tak samo jak gdyby przekładnia 60T była napędzana bezpośrednio przez przekładnię 12T.

Prędkość

Prędkość obrotowa to szybkość, z jaką coś się obraca. Zazwyczaj mierzy się ją w obrotach na minutę, czyli RPM. Na przykład wał silnika V5 Smart Motor może obracać się z prędkością 100 obrotów na minutę, czyli 100 obr./min. Przełożenie może zmienić prędkość obrotową wyjścia. W tym artykule przełożenie przekładni jest zapisywane jako koło zębate napędzane : koło zębate napędzające.

Jeżeli zastosowane zostanie przełożenie 1:5, koło napędowe o 60 zębach obraca koło napędzane o 12 zębach. Ponieważ koło zębate napędzane jest mniejsze, obraca się ono 5 razy szybciej niż wał silnika. Jeżeli wał silnika obraca się z prędkością 100 obr./min., to 12-zębowe koło zębate będzie się obracać z prędkością 500 obr./min.

Jeżeli zastosowane zostanie przełożenie 5:1, koło napędowe o 12 zębach obraca koło napędzane o 60 zębach. Ponieważ koło zębate napędzane jest większe, obraca się ono 5 razy wolniej niż wał silnika. Jeżeli wał silnika obraca się z prędkością 100 obr./min., to koło zębate o 60 zębach będzie się obracać z prędkością 20 obr./min.

Pomaga to wyjaśnić, dlaczego najszybsze przełożenie nie zawsze jest najlepszym wyborem. Szybszy robot może wydawać się lepszy, ale jeśli koła lub ramię poruszają się zbyt szybko, sterowanie robotem może stać się trudniejsze. Wolniejszy przełożenie może sprawić, że ruch będzie łatwiejszy do kontrolowania i bardziej precyzyjny.

Moment obrotowy

Moment obrotowy to siła skręcająca, która pomaga obrócić jakiś obiekt, np. koło, przekładnię lub ramię robota. Silniki mogą wytworzyć tylko ograniczoną wartość momentu obrotowego. Przełożenie może również zmieniać moment obrotowy na wyjściu.

Jeżeli zastosowane zostanie przełożenie 1:5, koło napędowe o 60 zębach obraca koło napędzane o 12 zębach. Dzięki temu wyjściowy moment obrotowy obraca się szybciej, ale jednocześnie moment obrotowy wyjściowy zostaje zredukowany do 1/5 momentu obrotowego silnika. Na przykład, jeśli silnik wytwarza moment obrotowy 1 Nm, to moment wyjściowy będzie wynosił 0,2 Nm.

Jeżeli zastosowane zostanie przełożenie 5:1, koło napędowe o 12 zębach obraca koło napędzane o 60 zębach. Dzięki temu wyjściowy moment obrotowy jest wolniejszy, ale moment obrotowy na wyjściu wzrasta pięciokrotnie w stosunku do momentu obrotowego silnika. Na przykład, jeśli silnik wytwarza moment obrotowy 1 Nm, moment wyjściowy będzie wynosił 5 Nm.

Moment obrotowy to kolejny powód, dla którego nie zawsze można zastosować najszybsze przełożenie. Jeśli robot jest przystosowany do większej prędkości, ma mniejszy moment obrotowy. Oznacza to, że robot może nie być w stanie dobrze pchać, podnosić ramienia, a nawet poruszać się w sposób, jakiego oczekujesz. Na przykład robot o większym momencie obrotowym może lepiej popychać innego robota. Ramię robota może również potrzebować większego momentu obrotowego, aby podnosić obiekty w grze lub poruszać własnym ciężarem. W takich przypadkach lepszym wyborem będzie przełożenie zwiększające moment obrotowy.

Prędkość i moment obrotowy silnika V5 Smart Motor można zmierzyć za pomocą Motor Dashboard
Ekran mózgu jest wyświetlany na desce rozdzielczej Smart Motor. W tym menu wyświetlane są różne dane dotyczące silnika, ale w szczególności wyświetlane są wartości prędkości i momentu obrotowego silnika.

Rzeczywistość robota

Na szczęście przełożenia podane w instrukcji montażu V5 ClawBot są wystarczające, aby rozpocząć projektowanie niestandardowych robotów. Wiele układów napędowych działa sprawnie, bezpośrednio napędzając wałki kół lub zębatki gąsienic za pomocą inteligentnego silnika V5 z zieloną kasetą przekładniową V5 200 RPM. Jeśli jednak konstrukcja, taka jak wieża lub wlot elementów do gry, musi zostać umieszczona w miejscu, w którym znajduje się silnik, można zastosować przeniesienie mocy za pomocą kół zębatych i łańcucha lub przekładni, jak wyjaśniono powyżej. W przypadku większości ramion, opisany powyżej stosunek momentu obrotowego 7:1 jest wystarczający przy napędzaniu koła zębatego 12T silnikiem 200 obr./min i przymocowaniu do ramienia koła zębatego 84T. W miarę jak rośnie znaczenie przewagi konkurencyjnej, coraz istotniejsze staje się znalezienie idealnej równowagi między prędkością a momentem obrotowym. Można to osiągnąć, stosując silnik V5 Smart Motor z jedną z trzech dostępnych kaset przekładniowych V5 (czerwona: 100 obr./min, zielona: 200 obr./min, niebieska: 600 obr./min), a w razie potrzeby łącząc silnik z przekładnią w celu zwiększenia momentu obrotowego lub przekładnią w celu zwiększenia prędkości.

Przekładnie i inne elementy ruchowe można kupić w sklepie VEX Robotics Store.