1i7 (1i7) wrote,
1i7
1i7

Category:

Редуктор не тянет

Красивые редукторы не тянут конструкцию

ДОБАВЛЕНО: на самом деле тянут, нужно было заменить батарейки


Редуктор2 - не тянет from 1i7 on Vimeo.




Редуктор4 не тянет from 1i7 on Vimeo.



С наскока на заработало, придётся разбираться.



Габариты и обороты редуктора

Маленькая шестеренка крутится быстро, но тянет слабо, большая шестеренка крутится медленно, но тянет сильнее; организуем систему передач от маленьких шестеренок к большим шестеренкам так, чтобы быстрый, но слабый моторчик, превратился в медленный, но сильный мотор-редуктор, способный повезти Робота Машинку.

Эксперимент проводился с двумя редукторами: редуктор2 на 2 ступени и редуктор4 на 3 ступени. В обоих случаях цель - получить на колесе 150-200 оборотов в минуту (моторчик с редуктором Pololu из первой версии Робота Машинки дает номинал 80 оборотов, но было желание сделать новую машинку пошустрее).

При проектировании редукторов на этой итерации отталкивался исключительно от целевых оборотов на колесе и габаритов конструкции, силовые характеристики моторов не рассматривались.

Итого, исходные ограничения на габариты:
1) Все базовые размеры решил оставить старые: диаметр колес 50мм (плюс примерно 10 мм к радиусу добавляют покрышки, но на них не закладываемся), расстояние между центрами колес 70мм.
2) Шестеренка на валу мотора стандартная 8 или 9 зубов (на картинке и при рассчетах 9, но по факту тестировал на 8, большое влияние на рассчеты это не оказывает), шаг между зубами (circular pitch - шаг по дуге, шаг зацепления, от него также зависит размер зуба) 1.5мм.
3) Мы хотим передавать движение с мотора сразу на два боковых колеса, поэтому конструкция должна быть симметричная.

Идем в Inkscape, обозначаем исходные габариты с колесами, открываем диалог Расширения / Отрисовка / Зубчатое колесо и начинаем генерировать шестеренки, играя с их параметрами. Ключевые паметры - количество зубов и шаг зацепления; угол зацепления (pressure angle) влияет на форму зуба, которая для наших рассчетов (покак что?) не существенна, для всех шестеренок оставляем значение 20.

Шаг зацепления шестерни на валу мотора равен 1.5мм; это значит, что как минимум на первой шестеренке первой передачи он должен быть таким же. Симметричность конструкции задает ограничение на расположение шестерней на первой передаче; в сумме с этим ограничением размеры колес задают ограничение на их размер (должен оставаться просвет между нижней границей редуктора и дорогой минимум 10-20мм, лучше больше). После ряда экспериментов получаем, что максимальное количество зубов на большой шестерне первой передачи находится в районе 61-64 зуба. Для экспериментального редуктора для первой ступени я взял шестерню на 61 зуб.

Чем меньше ступеней на редукторе, тем проще конструкция, тем меньше вероятность того, что какая-то из частей будет негативно влиять на работу целого устройства (особенно существенно для 3д-печати, где точность изготовления и так может гулять, тем более для мелких деталей). Поэтому для начала попробуем сделать редуктор, состоящий из двух ступеней: мотор -> (передача1-1, передача1-2) -> колесо. Еще более простой одноступенчатый редуктор мотор -> колесо сходу не получится сделать в силу того, что размер шестеренки на колесе при заданных габаритах будет слишком велик (можете проверить самостоятельно).

Размер шестерни на колесе напрямую ограничивается размером колеса (шестерня, очевидно, не может быть быть больше колеса, ну и не плохо оставить дорожный просвет те же 10-20мм). В свою очередь, размер шестерни на колесе определяет размер 2й маленькой шестерни на передаче1: положение центра колеса фиксировано, центр шестерни на передаче1 можно немного перемещать, но с учетом предыдущих ограничений на стыковку с мотором, свободы для этого не слишком много, можно сказать, что её вообще нет. Зато на второй ступени можно произвольно менять значение шага зацепления (он определяет размер зуба и габариты колеса), который дает дополнительное пространство для маневра. Соотношение между размерами шестеренок на второй ступени даст нам финальную скорость вращения вала на колесе (точнее, определит окончательное значение понижающего коэффициента редуктора, скорость даст воткнутый в редуктор мотор).

По ряду причин для этой модели на второй ступени я взял шестеренки с шагом зацепления 3мм, вторая шестерня на передаче1 13 зубов, шестерня на колесе - 27 зубов.

Итого имеем редуктор2:
ступень1:
Мотор: зубцов: 9; шаг (circular pitch): 1.5 мм; угол зацепления: 20
Передача1-1: зубцов: 61; шаг (circular pitch): 1.5 мм; угол зацепления: 20
ступень2:
Передача1-2: зубцов: 13; шаг (circular pitch): 3 мм; угол зацепления: 20
Колесо: зубцов: 27; шаг (circular pitch): 3 мм; угол зацепления: 20


Редуктор2-2 ступени.jpg

Редуктор4 - на Дизайнере-41.jpg

Значит, по оборотам - включаем простую логику и немного арифметики.

Для пары шестеренок на первой ступени [мотор -> передача1-1]: 9 зубов на моторе, 61 зуб на передаче. Зубы сцеплены, поэтому двигаются вместе. За один полный поворот мотора (9 зубов), шестеренка передача1-1 повернется на 9 своих зубов, т.е. пройдет 9/61~0.148 полного круга. На второй ступени: [передача1-2 -> колесо]: 13 зубов на шестерне передача1-2, 27 зубов на колесе. За полный круг передачи колесо повернется на 13/27~0.481 оборота.

В итоге получаем для нашего редуктора: 0.148*0.481=0.071 оборота делает колесо машинки при полном повороте вала мотора (для определения названия этого коэффециента см. передаточное отношение и передаточное число, не хочу ошибиться в терминологии).
Значит, если у нас мотор 3000 оборотов в минуту, редуктор даст на колесе 3000*0.071~210 оборотов в минуту (3000*0.148~444 оборотов на первоой передаче; 444*0.481~210 оборотов на колесе).
Для мотора 1000 оборотов в минуту редуктор даст ~70 оборотов.
Для мотора 6000 оборотов редуктор даст ~430 оборотов и т.п.


И сделаем еще один редуктор4 на 3 ступеньки

ступень1:
Мотор: зубцов: 9; шаг (circular pitch): 1.5 мм; угол зацепления: 20
Передача1-1: зубцов: 41; шаг (circular pitch): 1.5 мм; угол зацепления: 20
ступень2:
Передача1-2: зубцов: 13; шаг (circular pitch): 1.5 мм; угол зацепления: 20
Передача2-1: зубцов: 41; шаг (circular pitch): 1.5 мм; угол зацепления: 20
ступень3:
Передача2-2: зубцов: 13; шаг (circular pitch): 1.5 мм; угол зацепления: 20
Колесо: зубцов: 41; шаг (circular pitch): 1.5 мм; угол зацепления: 20


Редуктор4-3 ступени.jpg

Рудуктор2 и Редуктор4 в Робота Машинку2.0-60.jpg

Аналогично считаем коэффициент для понижения оборотов с мотора на колесах:
9/41*13/41*13/41=0,02 - 0.02 оборота сделает колесо машинки, когда вал мотора сделает полный оборот.

для мотора 3000 оборотов получаем ~70 оборотов на колесе
для мотора 1000 оборотов получаем ~20 оборотов на колесе
для мотора 6000 оборотов получаем ~130 оборотов на колесе

Выбираем моторчик через обороты и эксперименты

Хотелось бы написать, что моторчик берем стандартный из обычной детской игрушки,






моторчик.png

но не тут-то было: таких моторчиков, абсолютно одинаковых по внешнему виду и габаритам (которые, действительно, стандартные), существует превеликое множество, и по остальным характеристикам они между собой могут очень сильно отличаться (и не только вольтажу).

Существует как минимум 2 серии подобных моделей: F130 (послабее и чуть меньше) и F280 (помощнее и чуть больше), внутри серии они все выглядят абсолютно одинаково (если соскоблить с корпуса бумажную наклейку с маркировкой, которая в любом случае очень быстро улетает, а иногда ее изначально нет, то нужно еще поискать способ, как их между собой отличить).

Подробные характеристики каждой модели можно посмотреть в специальной технической документации.

Для F130: http://www.zip-2002.ru/?z=html&separ=108/

Моторы F130.jpg

Для F280: http://www.zip-2002.ru/jpg/file.php?id=356 (pdf)

Моторы F280.jpg


Следуя нашим исходным пожеланиям получить 150-200 оборотов (можно меньше, но больше уже незачем) на колесе, смотрим на столбец Скорость об/мин.

Следуя нашим рассчетам, для редуктора2 (2 ступеньки, коэффициент понижения 0.071) нам подойдут моторы с количеством оборотов не более 3000 (лучше меньше); для редуктора4 (3 ступеньки, коэффициент понижения 0.02) подойдут моторы не более 7000-10000 оборотов (лучше поменьше).

И еще дополнительное требование: рабочее напряжение должно включать диапазон 6-9 Вольт, номинал желательно иметь близким к 9 Вольтам, т.к. мы будем питать машинку от отсека с 6 батарейками (1.5В*6=9), но иногда может быть от 4х (1.5В*4=6В). На практике, по крайне мере в процессе экспериментов, это требование не страшно нарушить - слабовольтный моторчкик от 9В скорее всего не сгорит (с какой скоростью он при этом будет крутиться - это другой вопрос, но на реальное количество оборотов влияет еще множество других внешних факторов).

Итак, эксперименты проводились с 2мя редукторами и несколькими типами моторов. Моторы питались от отсека с 6ю немного разряженными батарейками, которые давали 8 Вольт (проверял вольтметром). Вес конструкции на глаз - в районе 300 грамм.

На редукторе2 (2 ступени):
* мотор F130-08450 из Уфы (2800 оборотов, 6В номинальное напряжение): идеальный кандидат для этого редуктора (собственно, на него изначально и был расчет при проектировании) - 2800×0,071=200 оборотов на колесе, напряжение 8В - чуть выше нужных 6В - ОК. Результат на первом видео наверху (собственный вес машинки не тянет вообще).

На редукторе4 (3 ступени)
* мотор F130-16155 (в таблице, судя по всему, опечатка: он отмечен как F130-15155; 6800 оборотов, 4.5В номинальное напряжение): 6800×0,02=136 оборотов на колесе, напряжение 8В в 1.5 раз превышает диапазон, но вроде фиг с ним, много - не мало. Результат на втором видео наверху (собственный вес машинки можно сказать вообще не тянет)
* мотор F130-08450 (2800 оборотов, 6В номинальное напряжение): от первого редуктора -  2800×0,02=56 (результат плюс-минус тот же, хотя можно было ожидать, что на таких малых оборотах будет хоть какая тяга)
* мотор 12В то ли F130-09350 (7500 оборотов), толи F130-08450 (ага, название как у предыдущего 6Вольтового, но здесь 12В и 5800 оборотов): так или иначе, на колесе будет 116-150 оборотов, 8В ниже номинальных 12, поэтому кто его знает, сколько в реале, результат все равно не изменился.


Итак, мы видим, что попытка опереться на одни только обороты и вольтаж моторчика не дает желаемый результат. Как минимум 6тивольтовый F130-08450 на редукторе4 крутится медленнее, чем эталонный Pololu (80 оборотов/мин на 4.5В), а аналогичный вес и близко не тянет. Значит при подборе мотора нам следует обратить внимание (как неожиданно) на остальные его характеристики и учесть их также при рассчете редуктора, чтобы в итоге у нас получился механизм, который сможет тянуть свои 300 грамм (с запасом - 500 грамм). Верхнюю планку скорости для упрощения задачи также опустим до 80 оборотов в минуту. Вариант с несостоятельностью любого редуктора, напечатанного на 3д-принтере, сразу отбрасываем, как неконструктивный. А что это будут за характеристики и как их правильно учитывать оставим на домашнее задание (в том числе мне).




исходники редуктора2 (2 ступени): https://github.com/1i7/metalrobot/tree/master/gearbox/gearbox-prototype2
исходники редуктора4 (3 ступени): https://github.com/1i7/metalrobot/tree/master/gearbox/gearbox-prototype4
Tags: 2д-моделирование, 3д-печать, Редуктор, Робот Машинка, компоненты, механика, типовые задачи, шестеренки
Subscribe

Posts from This Journal “Редуктор” Tag

  • Редуктор5 тянет машинку

    Перед тем, как решать задачки по физике с нетянущим редуктором, решил напоследок сделать еще один редуктор и поменять в отсеке батарейки. По…

  • Механика, гидравлика и синксроника

    Неторопливо переношу некоторые производственные посты на ресурс synxronica.com, посвященный робототехнике и микропроизводству, по приглашению юзера…

  • Редуктор превращается...

    превращается редуктор... в Робота Машинку 2.0!…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 4 comments