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:
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.
Grafiken 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.
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 roterarnär det 60T-drivande drevet roterar en gång, det 12T-drivna drevet fem (5) gånger. Detta kallas en utväxling på 1:5 I detta fall är utgående hastighet 5/1 gånger så mycket, men utgående vridmoment är 1/5.
Utforska följande grafik för att se varje vinkel vid en utväxling på 1:5.
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.
Kugghjul används för att rotera hjul som inte är anslutna till en motor.
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 ett föremål roterar. Till exempel kan axelhylsan på en V5 Smart Motor rotera 100 varv per minut eller 100 varv/min. Som förklarats ovan, om en utväxling på 5:1 används, vrids ett 60-tandat drivkugghjul av motorns axel och sedan vrider det ett 12-tandat drivet kugghjul, vilket kommer att rotera med en hastighet som är 5 gånger snabbare. Med hjälp av exemplet ovan kommer 12-tandsdrevet då att rotera vid 500 varv/min jämfört med 100 varv/min för motoraxeln. Om en utväxling på 1:5 används, vrids ett 12-tandat drivkugghjul av motorns axel och sedan vrider det ett 60-tandat drivet kugghjul, 60-tandat kugghjul kommer att rotera med en hastighet som är 1/5 så snabbt. Om vi använder exemplet ovan igen, kommer 60-tandad växel att snurra vid 20 varv/min jämfört med motoraxelns 100 varv/min.
Så varför skulle inte den snabbaste möjliga utväxlingen alltid användas? Det verkar som att ju snabbare en robot kunde röra sig, desto mer konkurrenskraftig skulle den vara. Den första anledningen är att det finns en övre hastighet med vilken en robots funktioner kan styras. För ett par exempel, om funktionen är roboten som kör runt, kan det vara mycket svårt att kontrollera den om hjulen snurrar för snabbt. Om funktionen är en arm som roterar upp och ner, om den roterar för snabbt, kan den också vara svår att kontrollera.
Vridmoment
Vridmoment är den mängd kraft som behövs för att rotera en last på ett visst avstånd. Motorer har en begränsad mängd vridmoment. Om till exempel en V5 Smart-motor producerar 1 Nm (Newtonmeter) vridmoment, kommer det drivna 12-kugghjulet, när en utväxling på 5:1 används, att mata ut ⅕ av motorns vridmomentingång, utgången blir 0,2 Nm. Med utväxlingen 1:5 kommer 60-kugghjulet att mata ut 5 gånger motorns vridmomentingång, utgången blir 5 Nm.
Vridmoment är den andra anledningen till att den snabbaste möjliga utväxlingen inte alltid kan användas vid design av en robot. Det är möjligt att när en utväxling med ökad hastighet används för att driva en robots hjul snabbare, kan utväxlingen överstiga det tillgängliga vridmomentet från motorn och roboten kommer inte att röra sig lika snabbt eller röra sig alls. Det är också möjligt att om två robotar som har nästan samma design interagerar, kommer roboten med en drivlina med lägre utväxling sannolikt att kunna knuffa roboten med en drivlina med högre utväxling eftersom roboten med lägre utväxling kommer att ha mer vridmoment. Ett annat exempel är att en arm kanske inte roterar även om den är direkt fäst vid en axel som är insatt i en motor eftersom rotationen kan överstiga motorns tillgängliga vridmoment. I detta fall måste en utväxling med ökande vridmoment användas för att öka motorns utgående vridmoment och överskrida den mängd vridmoment som krävs för att rotera armen.
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 https://www.vexrobotics.com/vexedr/products/motion.