Tsüklonoidne käigukast

Põhimõtteliselt on tsükloidkäigukast käigukast, mis kasutab pöörlemisliikumise teostamiseks tsükloidset liikumist. See on väga lihtne ja tõhus konstruktsioon, mida saab kasutada mitmesugustes rakendustes. Tsükloidkäigukasti kasutatakse sageli rakendustes, mis nõuavad raskete koormate liigutamist. Sellel on planetaarkäigukasti ees mitmeid eeliseid, sealhulgas võime taluda suuremaid koormusi ja suuremaid kiirusi.

Tsükloidse käigukasti dünaamilised ja inertsiaalsed efektid

Tsükloidkäigukasti dünaamiliste ja inertsiaalsete efektide kohta on läbi viidud mitu uuringut. Mõned neist keskenduvad tööpõhimõtetele, teised aga käigukasti matemaatilisele mudelile. Käesolev artikkel uurib tsükloidkäigukasti matemaatilist mudelit ja võrdleb selle jõudlust reaalsete mõõtmistega. Tsükloidkäigukasti projekteerimiseks ja juhtimiseks on oluline omada sobivat matemaatilist mudelit. Tsükloidkäigukast on kaheastmeline käigukast, millel on tsükloidketas ja hammasratas, mis pöörleb ümber oma telje.
Matemaatiline mudel koosneb enam kui 1,6 miljonist elemendist. Iga hammasrattapaari esindab redutseeritud mudel, millel on 500 omamoodi. Silinderhammasratta omasagedus on 70 kHz. Modaalselt redutseeritud mudel sobib hästi tsükloidkäigukasti jaoks.
Matemaatilist mudelit valideeriti ABAQUS tarkvara abil. Tsükloidketast diskretiseeriti, et saada väga peen mudel. See nõuab 400 elemendipunkti hamba kohta. Seda kontrolliti ka staatilise lõplike analüüside (FEA) abil. Seejärel kasutati seda mudelit hammasrataste hõõrdumise modelleerimiseks kõigis kvadrantides. See on uus lähenemisviis tsükloidkäigukasti hõõrdumise modelleerimiseks. On näidatud, et see annab EMBS-mudeli tulemustega võrreldavaid tulemusi. Tulemused vastavad ka elastse mitmekehalise simulatsioonimudeli tulemustele. See sobib hästi tsükloidse hammasratta kontaktjõudude ja suuruse jaoks. Samuti leiti, et tsükloidse hammasratta ja rõngashammasratta vaheline ülekandetäpsus on umbes 98,5%. See väärtus on aga madalam kui rõngashammasrataste paari ülekandetäpsus. Korrigeeritud mudeli ülekandeviga on umbes 0,3%. Ülekandetäpsus on väiksem hambakülgedel esineva elastse deformatsiooni väiksema hulga tõttu.
Oluline on märkida, et tsükloidkäigukasti iga hamba kõige täpsemad kontaktjõud ei ole sujuvad. Üksiku hamba kontaktjõud algab lineaarse tõusuga ja lõpeb seejärel järsu langusega. See ei ole nii sujuv kui punktkontakti kontaktjõud, mistõttu seda on võrreldud ellipskontakti kontaktjõuga. Ellipskontakti kontakt on aga ikkagi suhteliselt väike ja EMBS-mudel ei suuda seda tabada.
Tsükloidketta lõpp-mudel koosneb umbes 1,6 miljonist elemendist. Lõpp-mudeli kõige olulisem osa on tsükloidketta diskretiseerimine. Tsükloidketta diskretiseerimine on väga oluline teha väga hoolikalt, kuna see kogeb suurt vibratsiooni. Tsükloidketas tuleb diskreteerida peenelt, et tulemused oleksid võrreldavad staatilise lõpp-mehaanika tulemustega. See peab olema võimalikult täpne mudel, et oleks võimalik täpselt simuleerida tsükloidketta ja hammasvöö vahelisi kontaktjõude.

Tsükloidse ajami kinemaatika

Kasutades suvalist koordinaatsüsteemi, saame jälgida tsükloidkäigukasti komponentide liikumist. Näeme, et tsükloidketas pöörleb ringis ümber fikseeritud tihvtide, samal ajal kui tõukurvõll pöörleb ümber ekstsentrilise nuki. Lisaks näeme, et sisendvõll on veerelaagri suhtes ekstsentriliselt kinnitatud.
Samuti täheldame, et tsükloidketas pöörleb iseseisvalt ekstsentrilise laagri ümber, samas kui tõukurvõll pöörleb ümber sümmeetriatelje. Võime järeldada, et tsükloidkettal on tsükloidkäigukasti kinemaatikas keskne roll.
Tsükloidse reduktori efektiivsuse arvutamiseks kasutame mudelit, mis põhineb kontaktide mittelineaarsel jäikusel. Selles mudelis määrab kontakti mittelineaarsuse jõu mittelineaarsus ja kontakti deformatsioon. Oleme näidanud, et tsükloidse reduktori efektiivsus suureneb koormuse suurenedes. Lisaks sõltub efektiivsus libisemiskiirusest ja normaalkoormuse deformatsioonidest. Neid tegureid peetakse tsükloidse ajami efektiivsuse määramise võtmemuutujateks.
Samuti arvestame tsükloidaalreduktori efektiivsust sisendpöördemomendi ja sisendkiirusega. Efektiivsuse arvutamiseks jagame hammasratta netopöördemomendi väljundpöördemomendiga. Efektiivsust saab reguleerida vastavalt erinevatele töötingimustele. Tsükloidajami efektiivsus suureneb koormuse suurenedes.
Tsükloidkäigukast on mitmeastmeline käigukast väikese võlli ja suure võlliga. Sellel on 19 hammast ja messingist seibid. Välimised kettad liiguvad keskmise ketta vastassuunas ja on 180 kraadi võrra nihutatud. Keskmine ketas on kaks korda massiivsem kui välimine ketas. Tsükloidkettal on üheksa laba, mis liiguvad ühe laba võrra veovõlli pöörde kohta. Kettas olevate tihvtide arv peaks olema väiksem kui ümbritsevates tihvtides olevate tihvtide arv.
Sisendvõll ajab ekstsentrilist laagrit, mis suudab edastada jõu väljundvõllile. Lisaks rakendab sisendvõll tsükloidkettale vahelaagri kaudu jõude. Seejärel liigub tsükloidketas 360 kraadi/pöörde/rulli sammudega edasi. Väljundvõlli tihvtid liiguvad seejärel aukudes ringi, pannes väljundvõlli pidevalt pöörlema. Sisendvõll rakendab sinusoidaalset liikumist, et säilitada baasvõlli konstantset kiirust. See siinuslaine põhjustab tõukurvõllil väikeseid korrektsioone. Sisemistele hülssidele rakendatavad jõud on osa tasakaalumehhanismist.
Lisaks näeme, et tsükloidülekanne on võimeline edastama suuremat pöördemomenti kui planetaarülekanne. See on tingitud tsükloidkäigu suuremast aksiaalsest pikkusest ja hammasratta väiksemast ava läbimõõdust. Samuti on võimalik saavutada fikseeritud rõnga ja ketta vahel positiivne sobivus, mis saavutatakse fikseeritud rõnga ja ketta vahelise hambumise abil. Tsükloidketas on tavaliselt konstrueeritud lühikese tsükloidiga, et minimeerida tasakaalustamatuse jõude suurtel kiirustel.

Võrdlus planetaarkäigukastidega

Võrreldes planetaarkäigukastidega on tsükloidkäigukastil mõned eelised. Nende hulka kuuluvad: väike tagasilöök, parem ülekoormustaluvus, kompaktne disain ja võimekus töötada laias valikus rakendustes. Tsükloidkäigukast on muutunud populaarseks mitmeteljelise robootika turul. Käigukasti kasutatakse üha enam ka esimestes liigendites ja positsioneerides.
Tsükloidkäigukast on käigukast, mis koosneb neljast põhikomponendist: tsükloidkettast, väljundäärikust, hammasvööst ja fikseeritud rõngast. Tsükloidketast ajab ekstsentriline võll, mis liigub 360°/pöörde/rulliku sammuga edasi. Väljundäärik on fikseeritud tihvtiga ketas, mis edastab jõu väljundvõllile. Hammasvöö on fikseeritud rõngas ja sisendvõll on ühendatud servomootoriga.
Tsükloidne käigukast on loodud inertsi juhtimiseks väga dünaamilistes olukordades. Neid käigukaste kasutatakse tavaliselt robootikas ja positsioneerides, kus neid kasutatakse raskete koormate positsioneerimiseks. Neid kasutatakse laialdaselt ka mitmesugustes tööstuslikes rakendustes. Neil on suurem pöördemomendi tihedus ja väike lõtk, mistõttu need sobivad ideaalselt raskete koormate jaoks.
Väljundäärik on konstrueeritud ka kuni 500 Nm pöördemomendi talumiseks. Selle pöörlemiskiirus on madalam kui planetaarkäigukastil, kuid väljundpöördemoment on palju suurem. See on konstrueeritud suure jõudlusega käigukastina ja seda saab kasutada rakendustes, mis vajavad suuri ülekandeid ja suurt pöördemomendi tihedust. Tsükloidkäigukast on ka odavam ja sellel on väiksem lõtk. Tsükloidkäigukastil on aga puudusi, mida tuleks käigukasti projekteerimisel arvesse võtta. Peamine probleem on vibratsioon.
Võrreldes planetaarkäigukastidega on tsükloidkäigukastidel väiksem üldine suurus ja need on odavamad. Lisaks on tsükloidkäigukastil ühes astmes suur edastusarv. Üldiselt on tsükloidkäigukastidel üks või kaks astet, kolmas aste on vähem levinud. Tsükloidkäigukast pole aga ainus käigukasti tüüp, millel on selline konfiguratsioon. Samuti on tavaline leida üheastmeline planetaarkäigukast.
Tsükloidseid käigukaste on mitut erinevat tüüpi ja neid nimetatakse sageli tsükloidseteks kiiruse reduktoriteks. Need käigukastid on mõeldud igale tööstusharule, kus kasutatakse servomootoreid. Need on planetaarkäigukastidest lühemad ja sama pöördemomendi juures suurema läbimõõduga. Mõned neist on saadaval ka ülekandearvuga alla 30:1.
Tsükloidkäigukast võib olla hea valik rakenduste jaoks, kus on suured pöörlemiskiirused ja suured pöördemomendi nõuded. Need käigukastid on ka kompaktsemad kui planetaarkäigukastid ja sobivad suure pöördemomendiga rakenduste jaoks. Lisaks on nad vastupidavamad ja taluvad löökkoormusi. Neil on ka väike lõtk ning suurem täpsus ja positsioneerimistäpsus. Neid kasutatakse ka paljudes rakendustes, sealhulgas tööstusrobotites.

editor by CX 2023-06-12