การใช้อัตราทดเกียร์กับมอเตอร์ V5 – ห้องสมุด VEX

ระบบ VEX EDR มีเฟืองตรง 2 ประเภท ได้แก่ ชุดเฟืองและชุดเฟืองที่มีความแข็งแรงสูง (โปรดดูวิธีเลือกเฟืองตรง) สามารถประกอบเฟืองเหล่านี้เพื่อปรับแต่งการถ่ายโอนกำลัง เพิ่มแรงบิด หรือเพิ่มความเร็วได้ สามารถทำได้โดยการประกอบเฟืองสองตัวหรือมากกว่าเข้าด้วยกันบนเพลาขับเพื่อให้ฟันของเฟืองกระทบกัน มอเตอร์จะทำหน้าที่ขับเคลื่อนเพลาขับเคลื่อนของเฟืองตัวหนึ่ง

อัตราทดเกียร์

อัตราทดเกียร์แบบง่ายใช้เกียร์เพียงตัวเดียวต่อเพลาขับเคลื่อนหนึ่งเพลา เกียร์ที่จ่ายกำลังหรืออินพุตเรียกว่าเกียร์ขับเคลื่อน และเกียร์ที่กำลังหมุนหรือรับผิดชอบเอาต์พุตเรียกว่าเกียร์ขับเคลื่อน อัตราทดเกียร์คำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:

อัตราทดเกียร์แสดงเป็นอัตราส่วนของจำนวนฟันเฟืองตัวตาม (เอาต์พุต) ต่อจำนวนฟันเฟืองตัวขับ (อินพุต)

ดูภาพเคลื่อนไหวด้านล่างเพื่อดูตัวอย่างของเฟืองขับและเฟืองตามที่มีขนาดเท่ากันในกรณีนี้คือ 60 ฟันและ 60 ฟัน

แรงบิด: แรงหมุนที่มอเตอร์สามารถใช้กับชิ้นส่วนของหุ่นยนต์ได้
ความเร็ว: ความเร็วในการหมุนคือความเร็วในการหมุนของวัตถุ
การถ่ายโอนพลังงาน: กระบวนการถ่ายโอนพลังงานจากมอเตอร์ไปยังส่วนต่างๆ ของหุ่นยนต์เพื่อขับเคลื่อนเฟือง ล้อ หรือส่วนประกอบทางกลอื่นๆ

อัตราทดเกียร์ 1:1

อัตราทดเกียร์ 1:1 หมายความว่าเกียร์ขับเคลื่อนหมุนหนึ่งรอบ เพื่อให้เกียร์ขับเคลื่อนหมุนครบหนึ่งรอบ อัตราทดเกียร์นี้ให้ประโยชน์ดังต่อไปนี้:

ความเร็วและแรงบิดที่สมดุล: เนื่องจากอัตราส่วนระหว่างเกียร์ขับเคลื่อนและเกียร์ขับเคลื่อนเท่ากัน จึงไม่มีการเปลี่ยนแปลงของความเร็วหรือแรงบิดระหว่างเกียร์ทั้งสอง สมดุลนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพโดยธรรมชาติของมอเตอร์เพียงพอ
การถ่ายโอนพลังงานโดยตรง: อัตราทดเกียร์นี้รับประกันว่าพลังงานที่สร้างโดยมอเตอร์จะถูกถ่ายโอนโดยตรงไปยังส่วนประกอบที่ขับเคลื่อนโดยไม่มีการสูญเสียใดๆ
การออกแบบที่เรียบง่าย: อัตรา เกียร์ 1:1 ทำให้การออกแบบเชิงกลของหุ่นยนต์ง่ายขึ้น ทำให้กระบวนการออกแบบและการสร้างตรงไปตรงมามากขึ้น
ประสิทธิภาพที่คาดเดาได้: เนื่องจากความเร็วอินพุตและเอาต์พุตเท่ากัน ประสิทธิภาพของหุ่นยนต์จึงคาดเดาได้มากกว่า สิ่งนี้อาจเป็นประโยชน์สำหรับงานที่ต้องมีความสม่ำเสมอหรือเวลาที่กำหนดเวลาของงานเป็นสิ่งสำคัญ

ภาพจำลอง 3 มิติข้างล่างแสดงตัวอย่างอัตราทดเกียร์ 1:1 เฟืองขับเคลื่อนและเฟืองขับมีจำนวนฟันเท่ากัน (60T) มอเตอร์จะหมุนเฟืองขับเคลื่อน 60T หนึ่งครั้ง เพื่อให้เฟืองขับเคลื่อน 60T หมุนครบหนึ่งรอบ

อัตราทดเกียร์ 5:1

ตัวอย่างอัตราทดเกียร์แสดงไว้เป็น 60 ฟันต่อ 12 ฟัน จากนั้นจึงลดรูปให้เหลือ 5 ส่วน 1 หรืออัตราส่วน 5 ต่อ 1

อัตราทดเกียร์ 5:1 หมายความว่าเกียร์ขับเคลื่อนจะต้องหมุน 5 รอบเพื่อให้เกียร์ขับเคลื่อนหมุนครบ 1 รอบ อัตราทดเกียร์นี้ให้ประโยชน์ดังต่อไปนี้:

แรงบิดที่เพิ่มขึ้น: แรงบิดคือแรงหมุนที่มอเตอร์สามารถใช้กับส่วนประกอบของหุ่นยนต์ได้ การเพิ่มแรงบิดทำให้หุ่นยนต์สามารถรับน้ำหนักที่หนักขึ้นและทำงานที่ต้องใช้แรงมากขึ้นได้ เช่น การยกและผลักวัตถุ เฟืองขับเคลื่อนมีฟันน้อยกว่าเฟืองขับ ทำให้แรงบิดเอาต์พุตอยู่ที่ 5 เท่า ในขณะที่ความเร็วเอาต์พุตอยู่ที่เพียง 1/5 เท่านั้น
ความเร็วลดลง: ในขณะที่แรงบิดเพิ่มขึ้น ความเร็วของเกียร์ขับเคลื่อนจะลดลง การลดความเร็วจะมีประโยชน์สำหรับงานที่ต้องการการควบคุมและความแม่นยำมากขึ้น
ประสิทธิภาพมอเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุง: อัตราทดเกียร์ที่สูงขึ้นช่วยให้มอเตอร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น อัตราทดเกียร์นี้สามารถลดการสึกหรอของมอเตอร์และยืดอายุการใช้งานของมอเตอร์ได้
การปรับแต่งสำหรับงานเฉพาะ: อัตราทดเกียร์นี้สามารถรวมเข้ากับระบบเกียร์ขนาดใหญ่ได้ ทำให้สามารถปรับแต่งลักษณะการทำงานของหุ่นยนต์ได้

ชมภาพเคลื่อนไหวและแบบจำลอง 3 มิติ ด้านล่าง เพื่อดูตัวอย่างของเฟืองขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนเฟืองขนาดใหญ่กว่ามาก ในกรณีนี้คือเฟือง 12 ฟันและ 60 ฟัน

อัตราทดเกียร์ 1:5

ตัวอย่างอัตราทดเกียร์แสดงไว้เป็น 12 ฟันต่อ 60 ฟัน จากนั้นจึงลดรูปให้เหลือเป็น 1 ส่วน 5 หรืออัตราส่วน 1 ต่อ 5

เพิ่มความเร็ว (ความเร็วสูง) – สำหรับอัตราทดเกียร์ประเภทนี้ วัตถุประสงค์คือเพื่อเพิ่มความเร็วจากมอเตอร์ เช่น จากมอเตอร์ไปยังล้อ เฟืองขับเคลื่อนมีฟันมากกว่าเฟืองขับ ตัวอย่างเช่น หากมอเตอร์ขับเฟือง 60T ไปยังเฟืองขับ 12T บนล้อ เมื่อเฟืองขับ 60T หมุนหนึ่งรอบ เฟืองขับ 12T จะหมุนห้า (5) รอบ นี่คืออัตราทดเกียร์ 1:5 ในกรณีนี้ ความเร็วเอาต์พุตจะอยู่ที่ 5/1 เท่า อย่างไรก็ตาม แรงบิดเอาต์พุตจะอยู่ที่ 1/5

ชมภาพเคลื่อนไหวและแบบจำลอง 3 มิติ ด้านล่าง เพื่อดูตัวอย่างของเฟืองขนาดใหญ่ที่ขับเคลื่อนเฟืองขนาดเล็กกว่ามาก ในกรณีนี้คือเฟือง 60 ฟันและ 12 ฟัน

ชุดเฟืองเกียร์

ชุดเฟือง ประกอบด้วยชุดเฟืองที่ถ่ายทอดการเคลื่อนที่และพลังงานจากส่วนหนึ่งของหุ่นยนต์ไปยังอีกส่วนหนึ่ง ชุดเฟืองจะปรับเปลี่ยนความเร็ว แรงบิด และทิศทางของการเคลื่อนที่หมุน ชุดเฟืองประกอบด้วยเฟืองที่มีฟันเฟืองที่ประกบกันเพื่อถ่ายทอดการเคลื่อนที่ เพลาที่ยึดเฟืองเข้าที่และทำให้หมุนได้ และปลอกเพลาที่ช่วยยึดส่วนประกอบทั้งหมดเข้าที่ ฟังก์ชั่นของระบบเฟืองเกียร์มีดังต่อไปนี้:

การปรับความเร็ว: ชุดเฟืองจะเพิ่มหรือลดความเร็วในการหมุน เฟืองขับเคลื่อนที่มีขนาดเล็กกว่าที่ผสานกับเฟืองขับเคลื่อนที่มีขนาดใหญ่กว่าจะช่วยลดความเร็ว แต่จะเพิ่มแรงบิด ในขณะที่เฟืองขับเคลื่อนที่มีขนาดใหญ่กว่าที่ผสานกับเฟืองขับเคลื่อนที่มีขนาดเล็กกว่าจะช่วยเพิ่มความเร็ว แต่จะทำให้แรงบิดลดลง

ชุดเฟืองใช้สำหรับหมุนล้อที่ไม่เชื่อมต่อกับมอเตอร์ ดังแสดงในแบบจำลอง 3 มิติสองแบบด้านล่าง

หมายเหตุพิเศษ

แสดงอัตราทดเกียร์สองค่า จากนั้นจึงนำมาคูณกัน อัตราทดเกียร์แรกคือ 36 ฟันต่อ 12 ฟัน ซึ่งเมื่อลดรูปแล้วจะเหลือ 3 ต่อ 1 อัตราทดเกียร์ที่สองคือ 60 ฟันต่อ 36 ฟัน ซึ่งเมื่อลดรูปแล้วจะเหลือ 5 ต่อ 3 อัตราส่วนที่ได้จึงเท่ากับ 3 ส่วน 1 คูณด้วย 5 ส่วน 3 ซึ่งเท่ากับ 5 ส่วน 1

อัตราทดสำหรับระบบสเตอร์และโซ่ทำงานในลักษณะเดียวกันกับอัตราทดเกียร์ ระบบสเตอร์และโซ่มีข้อได้เปรียบคือสามารถวางสเตอร์ได้ในระยะห่างหลายระยะเนื่องจากเชื่อมต่อกันด้วยโซ่ อย่างไรก็ตาม ข้อต่อโซ่สามารถแตกหักได้โดยมีแรงน้อยกว่าการที่ฟันเฟืองสามารถแตกหักได้ การแตกหักประเภทใดก็ตามจำเป็นต้องได้รับการซ่อมแซมเพื่อให้หุ่นยนต์สามารถทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ

สามารถวางเกียร์ขนาดใดๆ ก็ได้ระหว่างเกียร์ขับเคลื่อนและเกียร์ขับเคลื่อนด้วยอัตราทดเกียร์ที่เรียบง่าย และจะไม่เปลี่ยนอัตราทดเกียร์ ตัวอย่างเช่น เฟือง 12T ขับเคลื่อนเฟือง 36T ซึ่งขับเคลื่อนเฟืองที่ขับเคลื่อนด้วยเฟือง 60T อัตราทดเกียร์ยังคงเป็น 5:1 เหมือนกับว่าเฟือง 60T ถูกขับเคลื่อนโดยเฟือง 12T โดยตรง

ความเร็ว

ความเร็วเชิงมุม คือ ความเร็วในการหมุนของวัตถุ โดยทั่วไปจะวัดเป็นรอบต่อนาที หรือ RPM ตัวอย่างเช่น เพลาของมอเตอร์อัจฉริยะ V5 อาจหมุนด้วยความเร็ว 100 รอบต่อนาที หรือ 100 RPM อัตราทดเกียร์สามารถเปลี่ยนความเร็วในการหมุนของชิ้นส่วนที่ส่งออกได้ ในบทความนี้ อัตราทดเกียร์จะเขียนในรูปแบบ เกียร์ตาม : เกียร์ขับ

ถ้าใช้อัตราทดเกียร์ 1:5 เฟืองขับ 60 ฟันจะหมุนเฟืองตาม 12 ฟัน เนื่องจากเฟืองขับมีขนาดเล็กกว่า จึงหมุนเร็วกว่าเพลาของมอเตอร์ถึง 5 เท่า ถ้าเพลาของมอเตอร์หมุนด้วยความเร็ว 100 รอบต่อนาที เฟืองขับ 12 ฟันจะหมุนด้วยความเร็ว 500 รอบต่อนาที

ถ้าใช้อัตราทดเกียร์ 5:1 เฟืองขับ 12 ฟันจะหมุนเฟืองตาม 60 ฟัน เนื่องจากเฟืองขับมีขนาดใหญ่กว่า จึงหมุนช้ากว่าเพลาของมอเตอร์ถึง 5 เท่า ถ้าเพลาของมอเตอร์หมุนด้วยความเร็ว 100 รอบต่อนาที เฟืองขับ 60 ฟันจะหมุนด้วยความเร็ว 20 รอบต่อนาที

นี่จึงช่วยอธิบายว่าทำไมอัตราทดเกียร์ที่เร็วที่สุดจึงไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีที่สุดเสมอไป หุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่เร็วขึ้นอาจฟังดูดีกว่า แต่ถ้าล้อหรือแขนเคลื่อนที่เร็วเกินไป หุ่นยนต์ก็จะควบคุมได้ยากขึ้น อัตราทดเกียร์ที่ช้าลงจะช่วยให้ควบคุมการเคลื่อนไหวได้ง่ายขึ้นและแม่นยำยิ่งขึ้น

แรงบิด

แรงบิด คือ แรงบิดที่ช่วยให้วัตถุหมุนได้ เช่น ล้อ เฟือง หรือแขนหุ่นยนต์ มอเตอร์สามารถสร้างแรงบิดได้ในปริมาณจำกัดเท่านั้น อัตราทดเกียร์ยังสามารถเปลี่ยนแปลงแรงบิดที่ส่งออกได้อีกด้วย

ถ้าใช้อัตราทดเกียร์ 1:5 เฟืองขับ 60 ฟันจะหมุนเฟืองตาม 12 ฟัน วิธีนี้ทำให้ใบพัดหมุนเร็วขึ้น แต่ก็ลดแรงบิดของใบพัดลงเหลือเพียง 1/5 ของแรงบิดของมอเตอร์ด้วย ตัวอย่างเช่น หากมอเตอร์สร้างแรงบิด 1 นิวตันเมตร แรงบิดเอาต์พุตจะเท่ากับ 0.2 นิวตันเมตร

ถ้าใช้อัตราทดเกียร์ 5:1 เฟืองขับ 12 ฟันจะหมุนเฟืองตาม 60 ฟัน วิธีนี้ทำให้การหมุนของชิ้นส่วนเอาต์พุตช้าลง แต่จะเพิ่มแรงบิดของชิ้นส่วนเอาต์พุตเป็น 5 เท่าของแรงบิดของมอเตอร์ ตัวอย่างเช่น หากมอเตอร์สร้างแรงบิด 1 นิวตันเมตร แรงบิดเอาต์พุตจะเท่ากับ 5 นิวตันเมตร

แรงบิดเป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้ไม่สามารถใช้เกียร์ที่เร็วที่สุดได้เสมอไป ถ้าหุ่นยนต์ถูกออกแบบมาให้ทำงานที่ความเร็วสูงขึ้น แรงบิดก็จะลดลง นั่นหมายความว่าหุ่นยนต์อาจไม่สามารถผลักได้ดี ยกแขนได้ หรือแม้กระทั่งเคลื่อนไหวได้ไม่ตรงตามที่คุณต้องการ ตัวอย่างเช่น หุ่นยนต์ที่มีแรงบิดมากกว่า อาจจะสามารถผลักหุ่นยนต์ตัวอื่นได้ดีกว่า แขนหุ่นยนต์อาจต้องการแรงบิดมากขึ้นเพื่อยกวัตถุในเกมหรือเคลื่อนย้ายน้ำหนักของตัวเอง ในกรณีเหล่านั้น อัตราทดเกียร์ที่เพิ่มแรงบิดจะเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า

สามารถวัดความเร็วและแรงบิดของมอเตอร์อัจฉริยะ V5 ได้โดยใช้แผงควบคุมมอเตอร์
หน้าจอแสดงข้อมูลสมองจะปรากฏบนแผงควบคุมของรถยนต์อัจฉริยะ เมนูนี้แสดงข้อมูลต่างๆ เกี่ยวกับมอเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะแสดงค่าความเร็วและแรงบิดของมอเตอร์

ความเป็นจริงของหุ่นยนต์

โชคดีที่อัตราทดเกียร์ที่ใช้กับคำแนะนำการสร้างเพื่อประกอบ V5 ClawBot นั้นเพียงพอสำหรับการเริ่มออกแบบหุ่นยนต์แบบกำหนดเอง ระบบส่งกำลังจำนวนมากทำงานได้ดีโดยการขับเคลื่อนเพลาของล้อหรือเฟืองโซ่โดยตรงด้วยมอเตอร์อัจฉริยะ V5 พร้อมตลับเกียร์ V5 สีเขียว 200 RPM อย่างไรก็ตาม หากจำเป็นต้องวางโครงสร้างในแบบออกแบบ เช่น หอคอยหรือช่องรับชิ้นเกม ไว้ตรงตำแหน่งที่มีมอเตอร์ ก็สามารถใช้การถ่ายโอนพลังงานโดยใช้สเตอร์และโซ่หรือเฟืองตามวิธีที่อธิบายไว้ข้างต้นได้ สำหรับแขนส่วนใหญ่ อัตราทดเกียร์เพิ่มแรงบิด 7:1 ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นนั้นเพียงพอโดยการขับเคลื่อนเกียร์ 12 ตันด้วยมอเตอร์ 200 รอบต่อนาทีและติดเกียร์ขับเคลื่อน 84 ตันเข้ากับแขน เมื่อข้อได้เปรียบในการแข่งขันกลายเป็นสิ่งสำคัญมากขึ้น การค้นหาจุดสมดุลระหว่างความเร็วและแรงบิดที่ลงตัวก็กลายเป็นสิ่งสำคัญมากขึ้นเช่นกัน สามารถทำได้โดยใช้มอเตอร์อัจฉริยะ V5 พร้อมตลับเกียร์ V5 ที่มีให้เลือก 3 ตลับ (สีแดง: 100 รอบต่อนาที, สีเขียว: 200 รอบต่อนาที, สีน้ำเงิน: 600 รอบต่อนาที) และหากจำเป็น ให้ใช้มอเตอร์ร่วมกับอัตราทดเกียร์เพื่อเพิ่มแรงบิด หรืออัตราทดเกียร์เพื่อเพิ่มความเร็ว

เฟืองและ เคลื่อนไหวอื่นๆ สามารถซื้อได้ที่ร้าน VEX Robotics Store