साइक्लोनोइडल गियरबॉक्स

मूलतः, साइक्लोइडल गियरबॉक्स एक ऐसा गियरबॉक्स है जो घूर्णी गति के लिए साइक्लोइडल गति का उपयोग करता है। यह एक बहुत ही सरल और कुशल डिज़ाइन है जिसका उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जा सकता है। साइक्लोइडल गियरबॉक्स का उपयोग अक्सर उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जिनमें भारी भार को स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है। प्लेनेटरी गियरबॉक्स की तुलना में इसके कई फायदे हैं, जिनमें उच्च भार और उच्च गति को संभालने की क्षमता शामिल है।

साइक्लोइडल गियरबॉक्स के गतिशील और जड़त्वीय प्रभाव

साइक्लोइडल गियरबॉक्स के गतिशील और जड़त्वीय प्रभावों पर कई अध्ययन किए गए हैं। इनमें से कुछ अध्ययन संचालन सिद्धांतों पर केंद्रित हैं, जबकि अन्य गियरबॉक्स के गणितीय मॉडल पर। यह शोधपत्र साइक्लोइडल गियरबॉक्स के गणितीय मॉडल का विश्लेषण करता है और इसके प्रदर्शन की तुलना वास्तविक मापों से करता है। साइक्लोइडल गियरबॉक्स को डिज़ाइन और नियंत्रित करने के लिए एक उपयुक्त गणितीय मॉडल का होना महत्वपूर्ण है। साइक्लोइडल गियरबॉक्स एक दो-चरणीय गियरबॉक्स है जिसमें एक साइक्लोइड डिस्क और एक रिंग गियर होता है जो अपनी धुरी के चारों ओर घूमता है।
गणितीय मॉडल में 16 लाख से अधिक तत्व शामिल हैं। प्रत्येक गियर युग्म को 500 आइगनमोड वाले एक सरलीकृत मॉडल द्वारा दर्शाया गया है। स्पर गियर की आइगन आवृत्ति 70 किलोहर्ट्ज़ है। यह सरलीकृत मॉडल साइक्लोइडल गियरबॉक्स के लिए उपयुक्त है।
गणितीय मॉडल को ABAQUS सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके मान्य किया गया है। एक साइक्लॉइड डिस्क को विवेचित करके एक बहुत ही सूक्ष्म मॉडल तैयार किया गया। इसके लिए प्रति दांत 400 तत्व बिंदुओं की आवश्यकता होती है। इसे स्थैतिक FEA का उपयोग करके भी सत्यापित किया गया। इस मॉडल का उपयोग सभी चतुर्थांशों में गियर के घर्षण को मॉडल करने के लिए किया गया। यह साइक्लॉइडल गियरबॉक्स में घर्षण को मॉडल करने का एक नया दृष्टिकोण है। यह EMBS मॉडल के समान परिणाम देने में सक्षम पाया गया है। इसके परिणाम लोचदार मल्टीबॉडी सिमुलेशन मॉडल से भी मेल खाते हैं। यह साइक्लॉइड गियर डिस्क के संपर्क बलों और परिमाण के लिए एक अच्छा फिट है। यह भी पाया गया कि साइक्लॉइड गियर डिस्क और रिंग गियर के बीच संचरण सटीकता लगभग 98.5% है। हालांकि, यह मान रिंग गियर जोड़ी की संचरण सटीकता से कम है। संशोधित मॉडल की संचरण त्रुटि लगभग 0.3% है। दांतों के किनारों पर लोचदार विरूपण की कम मात्रा के कारण संचरण सटीकता कम है।
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि साइक्लॉइड गियरबॉक्स के प्रत्येक दांत के लिए सबसे सटीक संपर्क बल एकसमान नहीं होते हैं। एक दांत पर संपर्क बल रैखिक वृद्धि से शुरू होता है और फिर अचानक गिरावट के साथ समाप्त होता है। यह बिंदु संपर्क पर संपर्क बल जितना एकसमान नहीं होता है, इसलिए इसकी तुलना दीर्घवृत्त संपर्क पर संपर्क बल से की गई है। हालांकि, दीर्घवृत्त संपर्क पर संपर्क बल अपेक्षाकृत कम होता है, और EMBS मॉडल इसे सटीक रूप से नहीं दर्शा पाता है।
साइक्लॉइड डिस्क के लिए FE मॉडल में लगभग 1.6 मिलियन तत्व हैं। FE मॉडल का सबसे महत्वपूर्ण भाग साइक्लॉइड डिस्क का विखंडन है। साइक्लॉइड गियर डिस्क का विखंडन बहुत सावधानीपूर्वक करना अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि इसमें कंपन की मात्रा बहुत अधिक होती है। साइक्लॉइड डिस्क का विखंडन इतना बारीक होना चाहिए कि परिणाम स्टैटिक FEA के परिणामों के तुलनीय हों। साइक्लॉइड डिस्क और रिंग गियर के बीच संपर्क बलों का सटीक अनुकरण करने के लिए यह मॉडल यथासंभव सटीक होना चाहिए।

साइक्लोइडल ड्राइव की गतिकी

किसी भी निर्देशांक प्रणाली का उपयोग करके, हम साइक्लोइडल गियरबॉक्स में घटकों की गति का अवलोकन कर सकते हैं। हम देखते हैं कि साइक्लोइडल डिस्क स्थिर पिनों के चारों ओर एक वृत्त में घूमती है, जबकि अनुगामी शाफ्ट विलक्षण कैम के चारों ओर घूमती है। इसके अतिरिक्त, हम देखते हैं कि इनपुट शाफ्ट रोलिंग-एलिमेंट बेयरिंग पर विलक्षण रूप से लगा हुआ है।
हम यह भी देखते हैं कि साइक्लोइडल डिस्क सनकी बेयरिंग के चारों ओर स्वतंत्र रूप से घूमती है, जबकि फॉलोवर शाफ्ट समरूपता अक्ष के चारों ओर घूमता है। हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि साइक्लोइडल गियरबॉक्स की गतिकी में साइक्लोइडल डिस्क एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।
साइक्लोइडल रिड्यूसर की दक्षता की गणना करने के लिए, हम संपर्कों की गैर-रैखिक कठोरता पर आधारित एक मॉडल का उपयोग करते हैं। इस मॉडल में, संपर्क की गैर-रैखिकता बल की गैर-रैखिकता और संपर्क में होने वाले विरूपण द्वारा नियंत्रित होती है। हमने दिखाया है कि भार बढ़ने पर साइक्लोइडल रिड्यूसर की दक्षता बढ़ती है। इसके अतिरिक्त, दक्षता स्लाइडिंग वेग और सामान्य भार के विरूपण पर निर्भर करती है। इन कारकों को साइक्लोइडल ड्राइव की दक्षता निर्धारित करने के लिए प्रमुख चर माना जाता है।
हम इनपुट टॉर्क और इनपुट गति के साथ साइक्लोइडल रिड्यूसर की दक्षता पर भी विचार करते हैं। हम रिंग गियर में कुल टॉर्क को आउटपुट टॉर्क से विभाजित करके दक्षता की गणना कर सकते हैं। दक्षता को विभिन्न परिचालन स्थितियों के अनुरूप समायोजित किया जा सकता है। लोड बढ़ने पर साइक्लोइडल ड्राइव की दक्षता बढ़ जाती है।
साइक्लोइडल गियरबॉक्स एक बहु-चरणीय गियरबॉक्स है जिसमें एक छोटा शाफ्ट और एक बड़ा शाफ्ट होता है। इसमें 19 दांत और पीतल के वॉशर होते हैं। बाहरी डिस्क मध्य डिस्क के विपरीत दिशा में चलती हैं और 180 डिग्री पर ऑफसेट होती हैं। मध्य डिस्क का वजन बाहरी डिस्क से दोगुना होता है। साइक्लोइडल डिस्क में नौ लोब होते हैं जो ड्राइव शाफ्ट के प्रत्येक चक्कर में एक लोब घूमते हैं। डिस्क में पिनों की संख्या आसपास के पिनों की संख्या से कम होनी चाहिए।
इनपुट शाफ्ट एक विलक्षण बेयरिंग को चलाता है जो आउटपुट शाफ्ट को शक्ति संचारित करने में सक्षम है। इसके अतिरिक्त, इनपुट शाफ्ट मध्यवर्ती बेयरिंग के माध्यम से साइक्लोइडल डिस्क पर बल लगाता है। साइक्लोइडल डिस्क फिर 360 डिग्री/पिवट/रोलर चरणों में आगे बढ़ती है। आउटपुट शाफ्ट के पिन फिर छेदों में घूमते हैं जिससे आउटपुट शाफ्ट निरंतर घूमता रहता है। इनपुट शाफ्ट आधार शाफ्ट की स्थिर गति बनाए रखने के लिए एक साइनसोइडल गति लगाता है। यह साइन तरंग फॉलोवर शाफ्ट में छोटे समायोजन का कारण बनती है। आंतरिक स्लीव्स पर लगने वाले बल संतुलन तंत्र का एक हिस्सा हैं।
इसके अतिरिक्त, हम देख सकते हैं कि साइक्लोइडल ड्राइव प्लेनेटरी गियर की तुलना में अधिक टॉर्क संचारित करने में सक्षम है। इसका कारण साइक्लोइडल गियर की अधिक अक्षीय लंबाई और रिंग गियर के छोटे छिद्र व्यास है। फिक्स्ड रिंग और डिस्क के बीच टूथिंग के माध्यम से एक सटीक फिट प्राप्त करना भी संभव है। उच्च गति पर असंतुलन बलों को कम करने के लिए साइक्लोइडल डिस्क को आमतौर पर एक छोटे साइक्लोइड के साथ डिज़ाइन किया जाता है।

प्लेनेटरी गियरबॉक्स के साथ तुलना

प्लेनेटरी गियरबॉक्स की तुलना में साइक्लोइडल गियरबॉक्स के कुछ फायदे हैं। इनमें कम बैकलैश, बेहतर ओवरलोड क्षमता, कॉम्पैक्ट डिज़ाइन और विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में काम करने की क्षमता शामिल है। साइक्लोइडल गियरबॉक्स मल्टी-एक्सिस रोबोटिक्स बाजार में लोकप्रिय हो गया है। इसका उपयोग फर्स्ट जॉइंट्स और पोजिशनर्स में भी तेजी से बढ़ रहा है।
साइक्लोइडल गियरबॉक्स चार मूलभूत घटकों से मिलकर बना होता है: एक साइक्लोइड डिस्क, एक आउटपुट फ्लेंज, एक रिंग गियर और एक फिक्स्ड रिंग। साइक्लोइड डिस्क एक एक्सेंट्रिक शाफ्ट द्वारा संचालित होती है, जो 360 डिग्री/पिवट/रोलर स्टेप में आगे बढ़ती है। आउटपुट फ्लेंज एक फिक्स्ड पिन डिस्क होती है जो आउटपुट शाफ्ट को शक्ति संचारित करती है। रिंग गियर एक फिक्स्ड रिंग होती है, और इनपुट शाफ्ट एक सर्वोमोटर से जुड़ा होता है।
साइक्लोइडल गियरबॉक्स को अत्यधिक गतिशील परिस्थितियों में जड़त्व को नियंत्रित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। ये गियरबॉक्स आमतौर पर रोबोटिक्स और पोजिशनर्स में उपयोग किए जाते हैं, जहां इनका उपयोग भारी भार को सही स्थिति में रखने के लिए किया जाता है। इनका उपयोग औद्योगिक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में भी व्यापक रूप से होता है। इनमें उच्च टॉर्क घनत्व और कम बैकलैश होता है, जो इन्हें भारी भार के लिए आदर्श बनाता है।
आउटपुट फ्लेंज को 500 एनएम तक के टॉर्क को संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसकी घूर्णन गति प्लेनेट गियरबॉक्स की तुलना में कम है, लेकिन इसका आउटपुट टॉर्क कहीं अधिक है। इसे उच्च-प्रदर्शन गियरबॉक्स के रूप में डिज़ाइन किया गया है और इसका उपयोग उन अनुप्रयोगों में किया जा सकता है जिनमें उच्च अनुपात और उच्च स्तर की टॉर्क घनत्व की आवश्यकता होती है। साइक्लॉइड गियरबॉक्स कम खर्चीला भी है और इसमें बैकलैश भी कम होता है। हालांकि, साइक्लॉइड गियरबॉक्स की कुछ कमियां भी हैं जिन पर गियरबॉक्स डिज़ाइन करते समय विचार किया जाना चाहिए। मुख्य समस्या कंपन है।
प्लेनेटरी गियरबॉक्स की तुलना में, साइक्लोइडल गियरबॉक्स आकार में छोटे और कम खर्चीले होते हैं। इसके अलावा, साइक्लोइडल गियरबॉक्स में एक चरण में उच्च रिडक्शन अनुपात होता है। सामान्यतः, साइक्लोइडल गियरबॉक्स एक या दो चरणों वाले होते हैं, तीसरा चरण कम ही देखने को मिलता है। हालांकि, साइक्लोइडल गियरबॉक्स ही एकमात्र ऐसा गियरबॉक्स नहीं है जिसमें इस प्रकार की संरचना होती है। प्लेनेटरी गियरबॉक्स में भी एक चरण वाला गियरबॉक्स मिलना आम बात है।
साइक्लोइडल गियरबॉक्स कई प्रकार के होते हैं, और इन्हें अक्सर साइक्लोइडल स्पीड रिड्यूसर कहा जाता है। ये गियरबॉक्स उन सभी उद्योगों के लिए डिज़ाइन किए गए हैं जो सर्वो का उपयोग करते हैं। ये प्लेनेटरी गियरबॉक्स से छोटे होते हैं और समान टॉर्क के लिए इनका व्यास अधिक होता है। इनमें से कुछ 30:1 से कम अनुपात में भी उपलब्ध हैं।
साइक्लॉइड गियरबॉक्स उन अनुप्रयोगों के लिए एक अच्छा विकल्प हो सकता है जहाँ उच्च घूर्णी गति और उच्च टॉर्क की आवश्यकता होती है। ये गियरबॉक्स प्लेनेटरी गियरबॉक्स की तुलना में अधिक कॉम्पैक्ट होते हैं और उच्च टॉर्क वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं। इसके अलावा, ये अधिक मजबूत होते हैं और झटके सहन कर सकते हैं। इनमें बैकलैश कम होता है और सटीकता एवं स्थिति निर्धारण का स्तर भी उच्च होता है। इनका उपयोग औद्योगिक रोबोटिक्स सहित कई प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जाता है।

सीएक्स द्वारा संपादित, 2023-05-09