Den cyklonoidala växellådan

I grund och botten är en cykloidväxellåda en växellåda som använder en cykloidrörelse för att utföra sin rotationsrörelse. Det är en mycket enkel och effektiv design som kan användas i en mängd olika tillämpningar. En cykloidväxellåda används ofta i tillämpningar som kräver förflyttning av tunga laster. Den har flera fördelar jämfört med planetväxellådan, inklusive dess förmåga att hantera högre laster och högre hastigheter.

Dynamiska och tröghetseffekter av en cykloidväxellåda

Flera studier har genomförts om de dynamiska och tröghetsmässiga effekterna av en cykloidväxellåda. Vissa av dem fokuserar på funktionsprinciper, medan andra fokuserar på den matematiska modellen för växellådan. Denna artikel undersöker den matematiska modellen för en cykloidväxellåda och jämför dess prestanda med verkliga mätningar. Det är viktigt att ha en korrekt matematisk modell för att designa och styra en cykloidväxellåda. En cykloidväxellåda är en tvåstegsväxellåda med en cykloidskiva och ett ringhjul som roterar runt sin egen axel.
Den matematiska modellen består av mer än 1,6 miljoner element. Varje kugghjulspar representeras av en reducerad modell med 500 egenmoder. Egenfrekvensen för det cylindriska kugghjulet är 70 kHz. Den modalt reducerade modellen passar bra för den cykloidala växellådan.
Den matematiska modellen valideras med hjälp av ABAQUS-programvara. En cykloidskiva diskretiserades för att producera en mycket fin modell. Den kräver 400 elementpunkter per tand. Den verifierades också med statisk FEA. Denna modell användes sedan för att modellera kugghjulens liktion i alla kvadranter. Detta är en ny metod för att modellera liktion i en cykloidväxellåda. Den har visat sig ge resultat som är jämförbara med EMBS-modellens. Resultaten matchas också av den elastiska flerkroppssimuleringsmodellen. Detta passar bra för kontaktkrafterna och magnituden hos den cykloida kugghjulskivan. Det konstaterades också att transmissionsnoggrannheten mellan den cykloida kugghjulskivan och ringhjulet är cirka 98,5%. Detta värde är dock lägre än transmissionsnoggrannheten för ringhjulsparet. Transmissionsfelet för den korrigerade modellen är cirka 0,3%. Transmissionsnoggrannheten är mindre på grund av den lägre mängden elastisk deformation på tandflankerna.
Det är viktigt att notera att de mest exakta kontaktkrafterna för varje tand i en cykloidväxellåda inte är jämna. Kontaktkraften på en enskild tand börjar med en linjär ökning och slutar sedan med ett kraftigt fall. Den är inte lika jämn som kontaktkraften på en punktkontakt, vilket är anledningen till att den har jämförts med kontaktkraften på en ellipskontakt. Kontakten på en ellipskontakt är dock fortfarande relativt liten, och EMBS-modellen kan inte fånga detta.
FE-modellen för cykloidskivan består av cirka 1,6 miljoner element. Den viktigaste delen av FE-modellen är diskretiseringen av cykloidskivan. Det är mycket viktigt att diskretisera cykloidkugghjulet mycket noggrant på grund av den höga graden av vibration som det upplever. Cykloidskivan måste diskretiseras fint så att resultaten är jämförbara med de från en statisk FEA. Det måste vara en så exakt modell som möjligt för att kunna simulera kontaktkrafterna mellan cykloidskivan och ringhjulet på ett korrekt sätt.

Kinematik för en cykloidal drivning

Med hjälp av ett godtyckligt koordinatsystem kan vi observera komponenternas rörelse i en cykloidväxellåda. Vi observerar att den cykloidala skivan roterar runt fasta tappar i en cirkel, medan följaraxeln roterar runt den excentriska kammen. Dessutom ser vi att ingående axel är monterad excentriskt i förhållande till rullagret.
Vi observerar också att den cykloidala skivan roterar oberoende runt det excentriska lagret, medan följaraxeln roterar runt en symmetriaxel. Vi kan dra slutsatsen att den cykloidala skivan spelar en central roll i kinematiken hos en cykloidal växellåda.
För att beräkna effektiviteten hos den cykloidala reducern använder vi en modell som är baserad på kontakternas ickelinjära styvhet. I denna modell styrs kontaktens ickelinjäritet av kraftens och deformationens ickelinjäritet i kontakten. Vi har visat att effektiviteten hos den cykloidala reducern ökar när belastningen ökar. Dessutom är effektiviteten beroende av glidhastigheten och deformationerna av normalbelastningen. Dessa faktorer betraktas som nyckelvariabler för att bestämma effektiviteten hos den cykloidala drivningen.
Vi beaktar också verkningsgraden hos den cykloidala reducern med ingångsmomentet och ingångsvarvtalet. Vi kan beräkna verkningsgraden genom att dividera nettomomentet i ringdrevet med utgångsmomentet. Verkningsgraden kan justeras för att passa olika driftsförhållanden. Verkningsgraden hos den cykloidala drivningen ökar när belastningen ökar.
Cykloidväxellådan är en flerstegsväxellåda med en liten axel och en stor axel. Den har 19 kuggar och mässingsbrickor. De yttre skivorna rör sig i motsats till den mellersta skivan och är förskjutna med 180 grader. Den mellersta skivan är dubbelt så massiv som den yttre skivan. Cykloidväxellådan har nio lober som rör sig med en lob per drivaxelvarv. Antalet tappar i skivan bör vara mindre än antalet tappar i de omgivande tapparna.
Ingångsaxeln driver ett excentriskt lager som kan överföra kraften till utgående axel. Dessutom applicerar ingångsaxeln krafter på den cykloidala skivan genom mellanlagret. Den cykloidala skivan rör sig sedan framåt i 360 graders/vridnings-/rullsteg. Utgående axelns stiften rör sig sedan runt i hålen för att få utgående axeln att rotera kontinuerligt. Ingångsaxeln applicerar en sinusformad rörelse för att bibehålla basaxelns konstanta hastighet. Denna sinusvåg orsakar små justeringar av följaraxeln. Krafterna som appliceras på de inre hylsorna är en del av jämviktsmekanismen.
Dessutom kan vi observera att cykloiddrivningen kan överföra ett större vridmoment än planetväxeln. Detta beror på cykloidväxelns större axiella längd och ringväxelns mindre håldiameter. Det är också möjligt att uppnå en positiv passning mellan den fasta ringen och skivan, vilket uppnås genom kuggning mellan den fasta ringen och skivan. Cykloidskivan är vanligtvis utformad med en kort cykloid för att minimera obalanskrafter vid höga hastigheter.

Jämförelse med planetväxellådor

Jämfört med planetväxellådor har cykloidväxellådan vissa fördelar. Dessa fördelar inkluderar: lågt glapp, bättre överbelastningskapacitet, en kompakt design och förmågan att fungera inom en mängd olika applikationer. Cykloidväxellådan har blivit populär på marknaden för fleraxliga robotar. Växellådan används också i allt större utsträckning i första leder och positionerare.
En cykloidväxellåda är en växellåda som består av fyra grundläggande komponenter: en cykloidskiva, en utgående fläns, ett ringdrev och en fast ring. Cykloidskivan drivs av en excentrisk axel, som rör sig i ett 360 graders/vridnings-/rullsteg. Utgående fläns är en fast tappskiva som överför kraften till utgående axel. Ringdreven är en fast ring, och ingående axel är ansluten till en servomotor.
Cykloidväxellådan är konstruerad för att kontrollera tröghet i mycket dynamiska situationer. Dessa växellådor används vanligtvis inom robotteknik och positioneringsmaskiner, där de används för att positionera tunga laster. De används också ofta i en mängd olika industriella applikationer. De har högre momenttäthet och lågt glapp, vilket gör dem idealiska för tunga laster.
Utgångsflänsen är också konstruerad för att hantera ett vridmoment på upp till 500 Nm. Dess rotationshastighet är lägre än planetväxellådans, men dess utgångsmoment är mycket högre. Den är konstruerad för att vara en högpresterande växellåda, och den kan användas i applikationer som kräver höga utväxlingsförhållanden och en hög momentdensitet. Cykloidväxellådan är också billigare och har mindre glapp. Cykloidväxellådan har dock nackdelar som bör beaktas vid konstruktion av en växellåda. Det största problemet är vibrationer.
Jämfört med planetväxellådor har cykloidväxellådor en mindre totalstorlek och är billigare. Dessutom har cykloidväxellådan ett stort utväxlingsförhållande i ett steg. Generellt sett har cykloidväxellådor ett eller två steg, där det tredje steget är mindre vanligt. Cykloidväxellådan är dock inte den enda typen av växellåda som har denna typ av konfiguration. Det är också vanligt att hitta en planetväxellåda med ett steg.
Det finns flera olika typer av cykloidala växellådor, och de kallas ofta för cykloidala hastighetsreducerare. Dessa växellådor är konstruerade för alla industrier som använder servon. De är kortare än planetväxellådor och de har större diameter för samma vridmoment. Vissa av dem finns också tillgängliga med ett lägre utväxlingsförhållande än 30:1.
Cykloidväxellådan kan vara ett bra val för applikationer med höga rotationshastigheter och höga vridmomentkrav. Dessa växellådor är också mer kompakta än planetväxellådor och är lämpliga för applikationer med högt vridmoment. Dessutom är de mer robusta och kan hantera stötbelastningar. De har också lågt glapp och en högre noggrannhet och positioneringsnoggrannhet. De används också i en mängd olika applikationer, inklusive industriell robotik.

redaktör av CX 2023-04-20