VEX EDR-systemet har två typer av cylindriska kugghjul, kugghjulssatsen och höghållfasthetskugghjulssatsen (seHur man väljer ett cylindriskt kugghjul). Dessa kugghjul kan monteras för att anpassa kraftöverföringen, öka vridmomentet eller öka hastigheten. Detta kan göras genom att montera två eller flera kugghjul tillsammans på drivaxlar så att kugghjulens tänder griper in i varandra. En motor driver drivaxeln på ett av kugghjulen.
Utväxlingsförhållanden
Enkla utväxlingsförhållanden använder endast en växel per drivaxel. Det växel som ger kraften, eller ingången kallas ett drivande växel och det växel som vrids, eller ansvarar för uteffekten, kallas det drivna växeln Utväxlingsförhållandet beräknas med hjälp av följande formel:
Se animationen nedan för att se ett exempel på ett drivande kugghjul och ett drivet kugghjul av samma storlek, i det här fallet 60 tänder och 60 tänder.
1:1 utväxlingsförhållande
En utväxling på 1: betyder att drivkugghjulet gör ett varv för att det drivna kugghjulet ska fullborda ett varv. Denna utväxling ger följande fördelar:
- Balanserad hastighet och vridmoment: Eftersom förhållandet mellan drivkugghjulet och det drivna kugghjulet är lika, sker ingen förändring i hastighet eller vridmoment mellan de två kugghjulen. Denna balans är idealisk för tillämpningar där motorns ursprungliga prestanda är tillräcklig.
- Direkt kraftöverföring: Denna utväxling säkerställer att kraften som genereras av motorn överförs direkt till den drivna komponenten utan förlust.
- Förenklad design: En utväxling på 1:1 förenklar robotens mekaniska design, vilket gör design- och byggprocessen enklare.
- Förutsägbar prestanda: Eftersom in- och utgångshastigheterna är identiska är robotens prestanda mer förutsägbar. Detta kan vara fördelaktigt för uppgifter där konsekvent prestanda krävs, eller där uppgiftstimalpunkten är avgörande.
3D-konstruktionen nedan visar ett exempel på en utväxling på 1:1. Drivkugghjulet och det drivna kugghjulet har samma antal tänder (60T). Motorn roterar 60T-drivhjulet en gång för att göra det drivna 60T-drevet ett varv.
5:1 utväxling
En utväxling på 5: betyder att drivkugghjulet måste göra fem varv för att det drivna kugghjulet ska fullborda ett varv. Denna utväxling ger följande fördelar:
- Ökat vridmoment: Vridmomentet är den rotationskraft som motorn kan applicera på robotens komponenter. Genom att öka vridmomentet kan en robot hantera tyngre laster och utföra uppgifter som kräver mer kraft, som att lyfta och skjuta föremål. Drivkugghjulet har färre kuggar än det drivna kugghjulet, vilket gör att vridmomentet är 5 gånger så högt medan hastighetsutgången bara är 1/5.
- Reducerad hastighet: Medan vridmomentet ökas, minskas den drivna växelns hastighet. Minskning av hastigheten är fördelaktigt för uppgifter som kräver mer kontroll och precision.
- Förbättrad motoreffektivitet: En högre utväxling gör att motorn kan arbeta mer effektivt. Denna utväxling kan minska slitaget på motorn och förlänga motorns livslängd.
- Anpassning för specifika uppgifter: Denna utväxling kan integreras med ett större växelsystem vilket möjliggör anpassning av robotens prestandaegenskaper.
Se animationen och 3D-konstruktionen nedan för att se exempel på ett mycket mindre kugghjul som driver ett mycket större kugghjul, i det här fallet 12 kuggar och 60 kuggar.
1:5 utväxling
Öka hastigheten (hög hastighet) - Med denna typ av utväxling är målet att öka hastigheten från motorn, till exempel från en motor till ett hjul. Drivkugghjulet har fler tänder än det drivna kugghjulet. Om till exempel en motor driver ett 60T-drev till ett drivet 12T-drev på ett hjul, så roterar det 12T-drivna drevet fem (5) gånger när det 60T-drivande drevet roterar en gång. Detta kallas ett utväxlingsförhållande på 1:5. I detta fall är utgående hastighet 5/1 gånger så mycket, men utgående vridmoment är 1/5.
Se animationen och 3D-konstruktionen nedan för att se exempel på ett mycket större kugghjul som driver ett mycket mindre kugghjul, i det här fallet 60 kuggar och 12 kuggar.
Kugghjulståg
En kugghjulslinje består av en serie kugghjul som överför rörelse och kraft från en del av roboten till en annan. Kugghjulståg modifierar hastigheten, vridmomentet och rotationsriktningen. Kugghjulståg består av kugghjul med tänder som griper in i varandra för att överföra rörelse; axlar som håller kugghjulen på plats och gör att de kan rotera; och axelhylsor som hjälper till att hålla alla komponenter på plats. Funktionerna hos en kugghjulsdrift inkluderar följande:
- Hastighetsjustering: Kugghjulslinjer ökar eller minskar rotationshastigheten; ett mindre drivkugghjul som griper in i ett större drivet kugghjul minskar hastigheten men ökar vridmomentet, medan ett större drivkugghjul som griper in i ett mindre drivet kugghjul ökar hastigheten men minskar vridmomentet.
Kugghjulståg används för att rotera hjul som inte är anslutna till en motor, som visas i de två 3D-byggena nedan.
Särskilda anmärkningar
Utväxlingarna för kedje- och kedjesystem fungerar på samma sätt som utväxlingsförhållandena. Kedjehjuls- och kedjesystem har fördelen att kedjehjulen kan placeras på flera avstånd från varandra eftersom de är sammankopplade med en kedja. Kedjelänkarna kan dock gå av med mindre kraft än en tand kan gå av på en höghållfast växel. Båda typerna av brott måste repareras för att roboten ska vara fullt fungerande.
Valfritt antal kugghjul av valfri storlek kan placeras mellan drivkugghjulet och det drivna kugghjulet med en enkel utväxling och det kommer inte att ändra utväxlingsförhållandet. Till exempel, om ett 12T-drev driver ett 36T-drev som driver ett 60T-drivet drev, är utväxlingen fortfarande 5:1, detsamma som om 60T-drevet drevs direkt av 12T-drevet.
Hastighet
Rotationshastighet är hur snabbt något snurrar. Det mäts vanligtvis i varv per minut, eller RPM. Till exempel kan en V5 Smart Motor-axel rotera med 100 varv per minut, eller 100 varv/min. En utväxling kan ändra hur snabbt utgången roterar. I den här artikeln skrivs utväxlingsförhållandet som driven växel: drivande växel.
Om en utväxling på 1:5 används, vrider ett 60-tandat drivkugghjul ett 12-tandat drivet kugghjul. Eftersom det drivna kugghjulet är mindre roterar det 5 gånger snabbare än motoraxeln. Om motoraxeln roterar med 100 varv/min, kommer det 12-tandade kugghjulet att rotera med 500 varv/min.
Om en utväxling på 5:1 används, vrider ett 12-tandat drivande kugghjul ett 60-tandat drivet kugghjul. Eftersom det drivna kugghjulet är större roterar det 5 gånger långsammare än motoraxeln. Om motoraxeln roterar med 100 varv/min, kommer det 60-tandade kugghjulet att rotera med 20 varv/min.
Detta hjälper till att förklara varför den snabbaste utväxlingen inte alltid är det bästa valet. En snabbare robot kanske låter bättre, men om hjulen eller armen rör sig för snabbt kan roboten bli svårare att kontrollera. En lägre utväxling kan göra rörelsen lättare att kontrollera och mer exakt.
Vridmoment
Vridmoment är en vridkraft som hjälper till att vrida något, som ett hjul, ett kugghjul eller en robotarm. Motorer kan bara producera en viss mängd vridmoment. En utväxling kan också ändra hur mycket vridmoment uteffekten har.
Om en utväxling på 1:5 används, vrider ett 60-tandat drivkugghjul ett 12-tandat drivet kugghjul. Detta gör att utgången roterar snabbare, men det minskar också utgångsmomentet till 1/5 av motorns vridmoment. Om motorn till exempel producerar 1 Nm vridmoment, blir utgångsmomentet 0,2 Nm.
Om en utväxling på 5:1 används, vrider ett 12-tandat drivande kugghjul ett 60-tandat drivet kugghjul. Detta gör att utgången roterar långsammare, men det ökar utgångsmomentet till 5 gånger motorns vridmoment. Om motorn till exempel producerar 1 Nm vridmoment, blir utgångsmomentet 5 Nm.
Vridmoment är en annan anledning till att den snabbaste utväxlingen inte alltid kan användas. Om en robot är utrustad för högre hastighet har den mindre vridmoment. Det betyder att roboten kanske inte trycker bra, kan lyfta en arm eller ens röra sig som du vill. Till exempel kan en robot med mer vridmoment vara bättre på att knuffa en annan robot. En robotarm kan också behöva mer vridmoment för att lyfta spelföremål eller flytta sin egen vikt. I sådana fall är en utväxling som ökar vridmomentet det bättre valet.
En V5 Smart-motors hastighet och vridmoment kan mätas med hjälp av motorinstrumentpanelen.
Robotverklighet
Lyckligtvis är utväxlingsförhållandena som används med bygginstruktionerna för montering av V5 ClawBot tillräckliga för att börja designa anpassade robotar. Många drivlinor fungerar bra genom att direkt driva hjulaxlarna eller banddreven med V5 Smart Motor med den gröna 200 RPM V5-växelkassetten. Om emellertid en struktur i konstruktionen, såsom ett torn eller intag för spelpjäser, behöver placeras där en motor är placerad, kan en kraftöverföring med hjälp av kedjehjul och kedja eller kugghjul, såsom förklarats ovan, användas. För de flesta armar räcker det ovan beskrivna vridmomentsutväxlingsförhållandet på 7:1 genom att driva 12T-växeln med en 200 varv/min-motor och fästa en 84T-driven växel på armen. I takt med att en konkurrensfördel blir viktigare blir det allt viktigare att hitta den rätta balansen mellan hastighet och vridmoment. Detta kan åstadkommas genom att använda en V5 Smart Motor med en av de tre tillgängliga V5-växelkassetterna (röd: 100 varv/min, grön: 200 varv/min, blå: 600 varv/min) och vid behov kombinera motorn med en utväxling för att öka vridmomentet eller en utväxling för att öka hastigheten.
Kugghjul och annan rörelsehårdvara kan köpas på VEX Robotics Store.