เกียร์ไซโคลนเทียบกับเกียร์อินโวลูต

ไม่ว่าคุณจะใช้เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์หรือแบบอินโวลูตสำหรับงานของคุณ ก็มีบางสิ่งที่คุณควรรู้ บทความนี้จะเน้นถึงสิ่งเหล่านั้น รวมถึง: เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์เทียบกับเกียร์ทดรอบแบบอินโวลูต น้ำหนัก แรงอัด ความแม่นยำ และความหนาแน่นของแรงบิด

แรงอัด

มีการศึกษาวิจัยหลายชิ้นเพื่อวิเคราะห์ลักษณะทางสถิตของเฟือง ในบทความนี้ ผู้เขียนได้ศึกษาหลักการทางโครงสร้างและจลนศาสตร์ของเกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์เป็นเกียร์ทดรอบที่ใช้ตลับลูกปืนเยื้องศูนย์อยู่ภายในโครงหมุน ไม่มีเฟืองตัวเล็กและเฟืองตัวใหญ่คู่กัน จึงเหมาะสำหรับอัตราทดรอบสูง
วัตถุประสงค์ของบทความนี้คือการศึกษาการกระจายความเค้นบนแผ่นดิสก์รูปทรงไซคลอยด์ โดยได้ทำการศึกษาโปรไฟล์ของเฟืองหลายแบบเพื่อศึกษาการกระจายภาระและผลกระทบทางพลศาสตร์
ชุดเกียร์ไซคลอยด์มีความเสี่ยงต่อการบีบอัดและการคลายตัว ซึ่งจำเป็นต้องใช้อัตราส่วนที่เหมาะสมสำหรับอัตราการรับน้ำหนักและค่า TSA บทความนี้ยังเน้นถึงหลักการทางจลศาสตร์ของตัวลดเกียร์ด้วย นอกจากนี้ ผู้เขียนยังใช้เทคนิคการวิเคราะห์มาตรฐานสำหรับเพลา/เกียร์และจานไซคลอยด์
ก่อนหน้านี้ ผู้เขียนได้ทำการจำลองพลศาสตร์ของวัตถุแข็งเกร็งของตัวลดเกียร์แบบไซคลอยด์ การวิเคราะห์ใช้โปรไฟล์แบบโทรคอยด์บนขอบของแผ่นดิสก์ไซคลอยด์ โปรไฟล์แบบโทรคอยด์ได้มาจากแบบร่างการผลิตและคำนึงถึงค่าความคลาดเคลื่อนด้วย
ความหนาแน่นของตาข่ายในแผ่นดิสก์ไซคลอยด์สามารถจำลองรูปทรงเรขาคณิตของชิ้นส่วนได้อย่างแม่นยำ ทำให้ได้ค่าความเค้นสัมผัสที่ถูกต้อง
จานไซคลอยด์ประกอบด้วยกลีบเก้ากลีบ ซึ่งเคลื่อนที่ไปหนึ่งกลีบต่อการหมุนหนึ่งรอบของเพลาขับ อย่างไรก็ตาม เมื่อจานหมุนรอบหมุด จานไซคลอยด์จะไม่เคลื่อนที่รอบจุดศูนย์ถ่วง ดังนั้น จานไซคลอยด์จึงแบ่งรับแรงบิดกับลูกกลิ้งด้านนอกทั้งห้าตัว
อัตราส่วนลดต่ำในเกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ส่งผลให้เกิดความเค้นเหนี่ยวนำในจานไซคลอยด์สูงขึ้น เนื่องจากรูที่ออกแบบมาเพื่อลดปริมาณวัสดุภายในจานมีขนาดใหญ่กว่า

ความหนาแน่นของแรงบิด

มีการศึกษาเกี่ยวกับเกียร์แม่เหล็กหลายประเภท เกียร์แม่เหล็กบางประเภทมีความหนาแน่นของแรงบิดสูงกว่าประเภทอื่น แต่ก็ยังไม่สามารถแข่งขันกับเกียร์เชิงกลได้
ได้มีการพัฒนาและทดสอบเกียร์แม่เหล็กไซคลอยด์ความหนาแน่นแรงบิดสูงแบบใหม่โดยใช้โรเตอร์ Halbach การออกแบบได้รับการตรวจสอบความถูกต้องโดยการสร้างต้นแบบ CPCyMG ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าแรงบิดสลิปที่จำลองขึ้นนั้นเทียบได้กับแรงบิดสลิปที่ได้จากการทดลอง แรงบิดสูงสุดที่วัดได้คือฮาร์มอนิกเชิงพื้นที่ p3 = 14 และสอดคล้องกับความหนาแน่นแรงบิดในบริเวณแอคทีฟที่ 261.4 N*m/L
ชุดเกียร์ไซคลอยด์นี้ยังมีอัตราทดเกียร์สูงอีกด้วย ผ่านการทดสอบแล้วว่าสามารถสร้างแรงบิดสูงสุดได้ถึง 147.8 นิวตันเมตร ซึ่งมากกว่าแรงบิดของชุดเกียร์ไซคลอยด์แบบดั้งเดิมถึงสองเท่า การออกแบบยังรวมถึงส่วนรองรับด้านหลังที่เป็นวัสดุแม่เหล็กซึ่งช่วยเสริมความแข็งแรงในการผลิตทางกล
เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์นี้ยังแสดงให้เห็นว่าเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กสามารถให้แรงบิดสูงได้อย่างไร มันถูกออกแบบให้มีความยาวตามแนวแกน 50 มม. แรงดัดงอในแนวรัศมีไม่รุนแรงที่ความยาวนี้ การออกแบบใช้ช่องว่างอากาศขนาดเล็กเพื่อลดแรงดัดงอในแนวรัศมี แต่ก็ไม่ใช่ตัวเลือกการออกแบบเพียงอย่างเดียว
การออกแบบที่เน้นความสมดุลนี้ยังมีแรงบิดต่อปริมาตรสูง มีช่องว่างอากาศน้อยกว่า และมีแรงบิดต่อมวลสูงกว่า สามารถผลิตได้จริงและมีความแข็งแรงทางกล การออกแบบนี้ยังเป็นหนึ่งในแบบที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในประเภทเดียวกันอีกด้วย
การออกแบบเฟืองเกลียวเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ให้ความแม่นยำสูงขึ้นแก่เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ ช่วยให้เซอร์โวมอเตอร์สามารถรับภาระหนักได้ที่อัตราการทำงานสูง และยังเหมาะสำหรับงานที่ต้องการพื้นที่ออกแบบที่กะทัดรัดอีกด้วย

น้ำหนัก

เมื่อเทียบกับเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ น้ำหนักของเกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์นั้นไม่มากนัก อย่างไรก็ตาม เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ก็มีข้อดีอยู่บ้าง ข้อดีที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งคือการทำงานที่ปราศจากระยะคลอน ซึ่งช่วยให้การเคลื่อนไหวราบรื่นและแม่นยำ
นอกจากนี้ ยังมีประสิทธิภาพสูง ซึ่งหมายความว่ามอเตอร์เซอร์โวสามารถทำงานที่ความเร็วสูงขึ้นได้ ที่สำคัญที่สุดคือ ไม่จำเป็นต้องนำมาเรียงซ้อนกันเพื่อให้ได้อัตราส่วนที่สูง
ข้อดีอีกประการหนึ่งของเกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์คือ โดยทั่วไปแล้วจะมีราคาถูกกว่าเกียร์ทดรอบแบบแพลเนตารี ซึ่งหมายความว่าเกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์เหมาะสำหรับอุตสาหกรรมการผลิตและหุ่นยนต์ นอกจากนี้ยังเหมาะสำหรับหุ่นยนต์ใช้งานหนักที่ต้องการเกียร์ทดรอบที่แข็งแรงทนทานอีกด้วย
นอกจากนี้ยังให้อัตราส่วนลดที่ดีกว่า เฟืองไซคลอยด์สามารถทำอัตราส่วนลดได้ตั้งแต่ 30:1 ถึง 300:1 ซึ่งดีกว่าเฟืองแพลเนตารีมาก อย่างไรก็ตาม มีเพียงไม่กี่รุ่นเท่านั้นที่ให้อัตราส่วนลดต่ำกว่า 30:1
เฟืองไซคลอยด์มีความทนทานต่อการสึกหรอมากกว่า ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้งานได้นานกว่าเฟืองแพลเนตารี นอกจากนี้ยังมีขนาดกะทัดรัดกว่า ทำให้สามารถสร้างอัตราส่วนสูงได้ในพื้นที่ที่เล็กกว่า การออกแบบของเฟืองไซคลอยด์ยังทำให้มีโอกาสเกิดการคลายตัวน้อยลง ซึ่งเป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่งของเกียร์แพลเนตารี
นอกจากนี้ เฟืองไซคลอยด์ยังให้ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งที่ดีกว่าอีกด้วย อันที่จริง นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่เลือกใช้เฟืองไซคลอยด์แทนเฟืองแพลเนทารี เนื่องจากจานไซคลอยด์หมุนรอบแบริ่งโดยอิสระจากเพลาอินพุต
เมื่อเทียบกับเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ เกียร์ไซคลอยด์นั้นสั้นกว่ามาก ซึ่งหมายความว่ามันให้ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งที่ดีที่สุด นอกจากนี้ยังมีน้ำหนักเบากว่า เนื่องจากมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าด้วย (50%)

ความแม่นยำ

ผู้เชี่ยวชาญหลายท่านได้ศึกษาเกี่ยวกับเกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ในระบบลดเกียร์ความแม่นยำสูง งานวิจัยของพวกเขาส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่แบบจำลองทางคณิตศาสตร์และวิธีการประเมินความแม่นยำของเกียร์ไซคลอยด์
การออกแบบดัดแปลงเฟืองไซคลอยด์แบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ทำได้โดยการตั้งค่าพารามิเตอร์การตัดเฉือนต่างๆ และตำแหน่งศูนย์กลางของล้อเจียร แต่มีข้อเสียบางประการเนื่องจากความแม่นยำในการเข้าคู่ที่ไม่คงที่และรูปทรงโค้งของโปรไฟล์ฟันที่ไม่สามารถควบคุมได้
ในการศึกษาครั้งนี้ ได้เสนอวิธีการออกแบบปรับปรุงเฟืองไซคลอยด์แบบใหม่ วิธีนี้อาศัยการคำนวณระยะห่างระหว่างฟันเฟืองและการกระจายมุมแรงดัน ซึ่งสามารถควบคุมความแม่นยำในการส่งกำลังของเฟืองไซคลอยด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และยังช่วยให้มั่นใจได้ถึงลักษณะการเข้าฟันเฟืองที่ดีอีกด้วย
วิธีการที่เสนอสามารถนำไปใช้ในการผลิตตัวลดความเร็วแบบหมุนได้ นอกจากนี้ยังสามารถนำไปใช้กับตัวลดความเร็วความแม่นยำสูงสำหรับหุ่นยนต์ได้อีกด้วย
สามารถสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับเฟืองไซคลอยด์ได้โดยใช้มุมแรงดัน a เป็นตัวแปรตาม สามารถคำนวณการกระจายมุมแรงดันและมุมแรงดันตามโปรไฟล์ได้ นอกจากนี้ยังสามารถแสดงได้ในรูป DL=f(a) และสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการออกแบบตัวลดเกียร์ความแม่นยำสูงได้
การศึกษานี้ยังพิจารณาถึงระยะห่างระหว่างรากฟันเฟือง ระยะห่างระหว่างฟันเฟือง และมุมของหน้าตัด ซึ่งปัจจัยเหล่านี้มีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการส่งกำลังของเฟืองไซคลอยด์ นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงความแม่นยำในการเคลื่อนที่ที่สูงขึ้นและระยะห่างระหว่างฟันเฟืองที่น้อยลง รูปทรงที่ได้รับการปรับปรุงยังสามารถสะท้อนให้เห็นถึงข้อผิดพลาดในการส่งกำลังที่น้อยลงได้อีกด้วย
นอกจากนี้ วิธีการที่เสนอมายังอิงตามการคำนวณการเคลื่อนที่ที่สูญเสียไป ซึ่งจะกำหนดมุมของการสัมผัสฟันครั้งแรก มุมนี้เป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อคุณภาพการปรับแต่ง ข้อผิดพลาดในการส่งกำลังหลังจากใช้วิธีไซคลอยด์แบบที่สองนั้นน้อยที่สุด
สุดท้ายนี้ จะมีการนำเสนอตัวอย่างกรณีศึกษาเกี่ยวกับชุดเฟือง CZPT RV-35N เพื่อพิสูจน์วิธีการที่เสนอ

เฟืองอินโวลูตเทียบกับเฟืองไซคลอยด์

เมื่อเปรียบเทียบกับเฟืองแบบอินโวลูต เฟืองแบบไซคลอยด์มีเสียงรบกวนน้อยกว่า แรงเสียดทานน้อยกว่า และใช้งานได้นานกว่า อย่างไรก็ตาม เฟืองแบบไซคลอยด์มีราคาแพงกว่า และอาจผลิตได้ยากกว่า นอกจากนี้ยังอาจไม่เหมาะสมกับการใช้งานบางประเภท เช่น หุ่นยนต์สำหรับใช้งานในอวกาศและข้อต่อของหุ่นยนต์
รูปทรงเฟืองที่พบได้บ่อยที่สุดคือเส้นโค้งอินโวลูตของวงกลม เส้นโค้งนี้เกิดจากจุดปลายของเส้นเชือกสมมติที่ตึงและคลายตัวออกจากวงกลม
เส้นโค้งอีกแบบหนึ่งคือเส้นโค้งเอพิไซคลอยด์ เส้นโค้งนี้เกิดจากการที่จุดที่ยึดติดอย่างแน่นหนาบนวงกลมวงหนึ่งกลิ้งไปบนวงกลมอีกวงหนึ่ง เส้นโค้งนี้สร้างได้ยากและมีต้นทุนการผลิตสูงกว่าเส้นโค้งอินโวลูตมาก
เส้นโค้งไซคลอยด์ของวงกลมก็เป็นตัวอย่างหนึ่งของเส้นโค้งหลายทิศทางเช่นกัน เส้นโค้งนี้เกิดจากตำแหน่งของจุดบนเส้นรอบวงของวงกลม
เส้นโค้งไซคลอยด์มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับเส้นโค้งอินโวลูต แต่โค้งสัมผัสไปตามเส้นผ่านศูนย์กลางของวงกลม เส้นโค้งนี้ยังจัดเป็นเส้นโค้งธรรมดาอีกด้วย นอกจากนี้ยังมีฟังก์ชันอื่นๆ อีกหลายอย่าง วิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ (FE) ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์สถานะความเครียดของตัวลดความเร็วแบบไซคลอยด์
มีเส้นโค้งอื่นๆ อีกมากมาย แต่เส้นโค้งอินโวลูตเป็นรูปทรงเฟืองที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด เส้นโค้งอินโวลูตของวงกลมคือเส้นโค้งที่หมุนวนเป็นเกลียวตามจุดปลายของเส้นเชือกสมมติที่ตึงอยู่
เฟืองอินโวลูตนั้นคล้ายกับชุดตัวต่อเลโก้มาก มันสนุกที่จะเล่นด้วย และยังมีข้อดีหลายอย่าง เช่น สามารถรับแรงเฉือนตรงกลางได้ดีกว่าเฟืองไซคลอยด์ นอกจากนี้ยังผลิตได้ง่ายกว่ามาก ดังนั้นต้นทุนของฟันเฟืองอินโวลูตจึงต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม มันล้าสมัยแล้ว
เฟืองไซคลอยด์นั้นผลิตยากกว่าเฟืองอินโวลูต เนื่องจากมีพื้นผิวโค้งนูน ทำให้สึกหรอง่ายกว่า นอกจากนี้ยังมีรูปทรงที่เรียบง่ายกว่าเฟืองอินโวลูต และมีจำนวนฟันน้อยกว่า นิยมใช้ในงานหมุน เช่น ในโรเตอร์ของเครื่องอัดอากาศแบบสกรู

แก้ไขโดย CX 2023-04-11