Система VEX EDR имеет два типа цилиндрических зубчатых колес: комплект зубчатых колес и комплект зубчатых колес повышенной прочности (см. раздел«Как выбрать цилиндрическую зубчатую передачу»). Эти шестерни можно собирать для настройки передачи мощности, увеличения крутящего момента или увеличения скорости. Это можно сделать, собрав две или более шестерен на приводных валах так, чтобы зубья шестерен вошли в зацепление. Двигатель будет приводить в действие приводной вал одной из шестерен.
Передаточные числа
Простые передаточные числа используют только одну шестерню на приводной вал. Шестерня, которая обеспечивает мощность или вход, называется шестерней , а шестерня, которая вращается или отвечает за выход, называется ведомой шестерней отношение рассчитывается по следующей формуле:
Передаточное отношение 1:1
отношение 1: означает, что ведущая шестерня совершает один оборот, чтобы ведомая шестерня совершила один оборот. Такое передаточное отношение обеспечивает следующие преимущества:
- Сбалансированная скорость и крутящий момент: Поскольку передаточное отношение между ведущей и ведомой шестернями одинаковое, между двумя шестернями нет никаких изменений в скорости или крутящем моменте. Такой баланс идеально подходит для случаев, когда достаточно собственной производительности двигателя.
- Прямая передача мощности: Это передаточное отношение гарантирует, что мощность, вырабатываемая двигателем, напрямую передается на ведомый компонент без каких-либо потерь.
- Упрощенная конструкция: Передаточное отношение 1:1 упрощает механическую конструкцию робота, делая процесс проектирования и сборки более простым.
- Предсказуемая производительность: Поскольку входная и выходная скорости идентичны, производительность робота более предсказуема. Это может быть полезно для задач, где требуется стабильная производительность или где решающее значение имеет время выполнения задач.
На рисунке ниже показан пример передаточного числа 1:1. Ведущая и ведомая шестерни имеют одинаковое количество зубьев (60T). Двигатель совершает один оборот ведущей шестерни 60T, заставляя ведомую шестерню 60T совершить один оборот.
Передаточное отношение 5:1
Передаточное отношение 5:1 означает, что ведущая шестерня должна совершить пять оборотов, чтобы ведомая шестерня совершила один оборот. Такое передаточное отношение обеспечивает следующие преимущества:
- Увеличенный крутящий момент: Крутящий момент — это вращательная сила, которую двигатель может приложить к компонентам робота. Увеличивая крутящий момент, робот может переносить более тяжелые грузы и выполнять задачи, требующие больших усилий, например, поднимать и толкать предметы. Ведущая шестерня имеет меньше зубьев, чем ведомая шестерня, в результате чего крутящий момент на выходе в 5 раз больше, а скорость на выходе составляет всего 1/5.
- Пониженная скорость: При увеличении крутящего момента скорость ведомой шестерни уменьшается. Снижение скорости полезно для задач, требующих большего контроля и точности.
- Повышение эффективности двигателя: Более высокое передаточное отношение позволяет двигателю работать более эффективно. Такое передаточное отношение может снизить износ двигателя и продлить срок его службы.
- Настройка для конкретных задач: Это передаточное отношение может быть интегрировано с более крупной системой передач, что позволяет настраивать эксплуатационные характеристики робота.
Передаточное отношение 1:5
Увеличение скорости (высокая скорость) — При использовании этого типа передаточного числа целью является увеличение скорости двигателя, например, от двигателя к колесу. Ведущая шестерня имеет больше зубьев, чем ведомая. Например, если двигатель приводит в движение шестерню 60T и ведомую шестерню 12T на колесе,когда ведущая шестерня 60T совершает один оборот, ведомая шестерня 12T совершает пять (5) оборотов. Это известно как передаточное отношение 1:5. В этом случае выходная скорость составляет 5/1, однако выходной крутящий момент составляет 1/5.
Изучите следующий рисунок, чтобы рассмотреть каждый угол передаточного числа 1:5.
Зубчатая передача
передача состоит из ряда шестерён, которые передают движение и мощность от одной части робота к другой. Зубчатые передачи изменяют скорость, крутящий момент и направление вращательного движения. Зубчатые передачи состоят из шестерен с зубьями, которые входят в зацепление для передачи движения; валов, которые удерживают шестерни на месте и позволяют им вращаться; и хомутов валов, которые помогают удерживать все компоненты на месте. Функции зубчатой передачи включают в себя следующее:
- Регулировка скорости: Зубчатые передачи увеличивают или уменьшают скорость вращения; меньшая ведущая шестерня, входящая в зацепление с большей ведомой шестерней, снижает скорость, но увеличивает крутящий момент, в то время как большая ведущая шестерня, входящая в зацепление с меньшей ведомой шестерней, увеличивает скорость, но уменьшает крутящий момент.
Зубчатые передачи используются для вращения колес, не соединенных с двигателем.
Особые примечания
Передаточные числа для систем звездочек и цепей работают так же, как и передаточные числа передач. Преимущество звездочек и цепных систем заключается в том, что звездочки можно размещать на разных расстояниях друг от друга, поскольку они соединены цепью. Однако звенья цепи могут сломаться с меньшей силой, чем зуб высокопрочной шестерни. Любую поломку необходимо будет устранить, чтобы робот снова стал полностью функциональным.
Между ведущей и ведомой шестернями можно разместить любое количество шестерен любого размера в простом передаточном отношении, и это не изменит передаточное отношение. Например, шестерня 12T приводит в движение шестерню 36T, которая приводит в движение ведомую шестерню 60T, передаточное отношение по-прежнему составляет 5:1, как если бы шестерня 60T приводилась в движение непосредственно шестерней 12T.
Скорость
Скорость вращения — это скорость вращения объекта. Например, вал двигателя V5 Smart Motor может вращаться со скоростью 100 оборотов в минуту или 100 об/мин. Как объяснялось выше, если используется передаточное отношение 5:1, то ведущая шестерня с 60 зубьями вращается валом двигателя, а затем она вращает ведомую шестерню с 12 зубьями, при этом 12-зубая шестерня будет вращаться со скоростью в 5 раз быстрее. Используя приведенный выше пример, 12-зубчатая шестерня будет вращаться со скоростью 500 об/мин по сравнению со 100 об/мин вала двигателя. Если используется передаточное отношение 1:5, то ведущая шестерня с 12 зубьями вращается валом двигателя, а затем она вращает ведомую шестерню с 60 зубьями, причем ведомая шестерня с 60 зубьями будет вращаться со скоростью, в пять раз меньшей. Используя приведенный выше пример еще раз, можно сказать, что шестерня с 60 зубьями будет вращаться со скоростью 20 об/мин по сравнению со скоростью вращения вала двигателя 100 об/мин.
Так почему бы не использовать всегда максимально возможное передаточное отношение? Казалось бы, чем быстрее может двигаться робот, тем более конкурентоспособным он будет. Первая причина заключается в том, что существует максимальная скорость, на которой можно управлять функциями робота. Приведем несколько примеров: если функция заключается в том, что робот ездит, а колеса вращаются слишком быстро, то им может быть очень трудно управлять. Если функция представляет собой вращение руки вверх и вниз, и она вращается слишком быстро, ее также может быть трудно контролировать.
Крутящий момент
Крутящий момент — это величина силы, необходимая для вращения груза на расстоянии. Двигатели имеют ограниченный крутящий момент. Например, если двигатель V5 Smart развивает крутящий момент 1 Нм (Ньютон-метр), то при передаточном отношении 5:1 ведомая 12-зубая шестерня будет выдавать крутящий момент, равный ⅕ входного крутящего момента двигателя, выходной сигнал составит 0,2 Нм, а при передаточном отношении 1:5 60-зубая шестерня будет выдавать крутящий момент, в 5 раз превышающий крутящий момент двигателя, выходной сигнал составит 5 Нм.
Крутящий момент — вторая причина, по которой при проектировании робота не всегда можно использовать максимально возможное передаточное отношение. При использовании передаточного числа с увеличенной скоростью для более быстрого вращения колес робота возможно превышение крутящего момента двигателя, и робот не будет двигаться так быстро или вообще не будет двигаться. Также возможно, что при взаимодействии двух роботов, имеющих почти одинаковую конструкцию, робот с трансмиссией с меньшим передаточным числом, скорее всего, сможет толкать робота с трансмиссией с большим передаточным числом, поскольку у робота с меньшим передаточным числом будет больший крутящий момент. Другой пример: рычаг не может вращаться, даже если он напрямую прикреплен к валу, вставленному в двигатель, поскольку его вращение может превысить доступный крутящий момент двигателя. В этом случае необходимо использовать передаточное отношение для увеличения крутящего момента, чтобы увеличить выходной крутящий момент двигателя и превысить величину крутящего момента, необходимую для вращения рычага.
Скорость и крутящий момент интеллектуального двигателя V5 можно измерить с помощью панели управления двигателем.
Реальность робота
К счастью, передаточные числа, используемые в инструкциях по сборке V5 ClawBot, достаточны для начала проектирования индивидуальных роботов. Многие трансмиссии хорошо работают, напрямую приводя в движение валы колес или звездочки гусениц с помощью интеллектуального двигателя V5 с экологичным редуктором V5 Gear Cartridge на 200 об/мин. Однако если в конструкции, например, башне или устройстве для забора игровых фишек, необходимо разместить двигатель, можно использовать передачу мощности с помощью звездочек и цепи или шестерен, как описано выше. Для большинства рычагов достаточно передаточного отношения крутящего момента 7:1, описанного выше, при приводе шестерни 12T в действие двигателем со скоростью 200 об/мин и прикреплении ведомой шестерни 84T к рычагу. Поскольку конкурентное преимущество становится все более важным, поиск «золотой середины» баланса между скоростью и крутящим моментом становится все более важным. Это можно сделать, используя интеллектуальный двигатель V5 с одним из трех доступных редукторных картриджей V5 (красный: 100 об/мин, зеленый: 200 об/мин, синий: 600 об/мин) и, при необходимости, комбинируя двигатель с передаточным отношением для увеличения крутящего момента или передаточным отношением для увеличения скорости.
Шестерни и другие элементы движения можно приобрести по адресу https://www.vexrobotics.com/vexedr/products/motion.