VEX EDR 系统有两种类型的正齿轮,齿轮套件和高强度齿轮套件(请参阅如何选择正齿轮)。 这些齿轮可以组装起来以定制动力传输、增加扭矩或提高速度。 这可以通过在驱动轴上组装两个或多个齿轮来实现,这样齿轮的齿就可以互相啮合。 电动机将为其中一个齿轮的驱动轴提供动力。
传动比
简单的齿轮比每个驱动轴仅使用一个齿轮。 提供动力或输入的齿轮称为 主动齿轮 而被转动或负责输出的齿轮称为 从动齿轮。 齿轮比使用以下公式计算:
1:1 齿轮比
1:1 齿轮比 表示主动齿轮转一圈,从动齿轮便可完成一圈旋转。 此齿轮比具有以下优点:
- 平衡的速度和扭矩: 由于主动齿轮和从动齿轮之间的比率相等,因此两个齿轮之间的速度或扭矩没有变化。 这种平衡对于电机原生性能足够的应用来说是理想的。
- 直接动力传输: 此齿轮比确保电机产生的动力直接传输到从动部件而不会产生任何损失。
- 简化设计: 1:1 的齿轮比简化了机器人的机械设计,使设计和构建过程更加简单。
- 可预测的性能: 由于输入和输出速度相同,机器人的性能更可预测。 这对于需要一致性能或任务时间至关重要的任务来说非常有利。
下图显示的是 1:1 齿轮比的示例。 主动齿轮与从动齿轮的齿数相同(60T)。 电动机带动60T主动齿轮旋转一周,使60T从动齿轮完成一转。
5:1 齿轮比
5:1 齿轮比 表示主动齿轮必须旋转五圈才能使从动齿轮完成旋转一圈。 此齿轮比具有以下优点:
- 增加的扭矩: 扭矩是电机可以施加到机器人部件上的旋转力。 通过增加扭矩,机器人可以处理更重的负载并执行需要更大力量的任务,例如举起和推动物体。 主动齿轮的齿数比从动齿轮少,导致输出扭矩是主动齿轮的5倍,而速度输出仅为从动齿轮的1/5。
- 减速: 在增加扭矩的同时,降低从动齿轮的速度。 降低速度对于需要更多控制和精度的任务是有益的。
- 提高电机效率: 更高的齿轮比使电机运行更有效率。 该齿轮比可以减少电机的磨损并延长电机的使用寿命。
- 针对特定任务的定制: 该齿轮比可以与更大的齿轮系统集成,从而可以定制机器人的性能特征
1:5 齿轮比
增加速度(高速) - 这种齿轮比的目的是增加电机的速度,例如从电机到车轮的速度。 主动齿轮的齿数比从动齿轮的多。 例如,如果一个电机驱动一个 60T 齿轮至车轮上的一个从动 12T 齿轮,当 60T 主动齿轮旋转一次时,12T 从动齿轮就会旋转五 (5) 次。 这被称为 1:5 齿轮比。 这种情况下,速度输出是5/1倍,但是扭矩输出是1/5。
探索下图来查看 1:5 齿轮比的每个角度。
齿轮系
齿轮系 由一系列齿轮组成,将运动和动力从机器人的一部分传输到另一部分。 齿轮系改变旋转运动的速度、扭矩和方向。 齿轮系由齿轮、齿轮齿组成,齿轮齿相互啮合以传递运动;轴将齿轮固定到位并使其旋转;轴环帮助将所有部件固定到位。 齿轮系的功能包括:
- 速度调节: 齿轮系增加或减少转速;较小的主动齿轮与较大的从动齿轮啮合会降低速度但增加扭矩,而较大的主动齿轮与较小的从动齿轮啮合会增加速度但会降低扭矩。
齿轮系用于旋转未连接到电动机的车轮。
特别说明
链轮和链条系统的传动比与齿轮比的工作方式相同。 链轮和链条系统的优点在于,由于链轮通过链条连接,因此可以将其放置在多个相距一定距离的位置。 然而,链节断裂的力比高强度齿轮上的齿断裂的力要小。 为了保证机器人能够完全发挥作用,任何类型的损坏都需要进行修复。
可以在主动齿轮和从动齿轮之间以简单的齿轮比放置任意数量和任意尺寸的齿轮,并且不会改变齿轮比。 例如,12T 齿轮驱动 36T 齿轮,36T 齿轮又驱动 60T 从动齿轮,齿轮比仍为 5:1,与 60T 齿轮直接由 12T 齿轮驱动相同。
速度
旋转速度是指物体旋转的速度。 例如,V5 智能电机的轴套可以以每分钟 100 转或 100 RPM 的速度旋转。 如上所述,如果使用 5:1 的齿轮比,则电机轴会转动一个 60 齿的主动齿轮,然后转动一个 12 齿的从动齿轮,12 齿的齿轮将以 5 倍的速度旋转。 使用上面的例子,12 齿齿轮将以 500 RPM 的速度旋转,而电机轴的速度为 100 RPM。 如果使用 1:5 的齿轮比,电机轴会转动一个 12 齿的主动齿轮,然后转动一个 60 齿的从动齿轮,60 齿的齿轮将以 1/5 的速度旋转。 再次使用上面的例子,60 齿齿轮将以 20 RPM 的速度旋转,而电机轴的速度为 100 RPM。
那么为什么不总是使用最快的齿轮比呢? 看起来机器人移动得越快,竞争力就越强。 第一个原因是,机器人的功能控制有一个上限速度。 举几个例子,如果功能是机器人四处行驶,如果轮子旋转得太快,可能就很难控制。 如果该功能是手臂上下旋转,那么如果旋转得太快,也可能难以控制。
扭矩
扭矩是在一定距离内旋转负载所需的力的大小。 电机的扭矩有限。 例如,如果 V5 Smart 电机产生 1 Nm(牛顿米)的扭矩,则当使用 5:1 的齿轮比时,从动 12 齿齿轮将输出电机扭矩输入的 ⅕,输出为 0.2 Nm,而当使用 1:5 的齿轮比时,60 齿齿轮将输出 5 倍的电机扭矩输入,输出为 5 Nm。
扭矩是设计机器人时不能总是使用最快的齿轮比的第二个原因。 当使用增速齿轮比来更快地驱动机器人的轮子时,齿轮比可能会超过电机的可用扭矩,并且机器人将不会移动得那么快或者根本不会移动。 如果两个具有几乎相同设计的机器人相互作用,则具有较低齿轮比传动系统的机器人很可能能够推动具有较高齿轮比传动系统的机器人,因为较低齿轮比的机器人将具有更大的扭矩。 另一个例子是,即使将臂直接连接到插入电机的轴上,它也可能不会旋转,因为旋转它可能会超过电机的可用扭矩。 在这种情况下,需要使用增加扭矩齿轮比来增加电机扭矩的输出并超过旋转臂所需的扭矩量。
可以使用电机仪表板测量 V5 智能电机的速度和扭矩
机器人现实
幸运的是,V5 ClawBot 组装说明中使用的齿轮比足以开始设计定制机器人。 许多传动系统通过使用带有绿色 200 RPM V5 齿轮筒的 V5 智能电机直接驱动车轮轴或履带链轮,从而实现良好的运行。 然而,如果设计中的结构(例如塔或游戏件进气口)需要放置在电机所在的位置,则可以使用如上所述的链轮和链条或齿轮进行动力传输。 对于大多数臂而言,通过使用 200 RPM 电机驱动 12T 齿轮并将 84T 从动齿轮连接到臂,上面解释的 7:1 增加扭矩齿轮比就足够了。 随着竞争优势变得越来越重要,找到速度和扭矩之间的“最佳平衡点”变得越来越重要。 这可以通过使用 V5 智能电机和三个可用 V5 齿轮筒(红色:100 RPM、绿色:200 RPM、蓝色:600 RPM)之一来实现,并且如果需要,将电机与齿轮比相结合以增加扭矩或与齿轮比相结合以增加速度。
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