เกียร์ทดรอบไซโคลนอยด์

โดยพื้นฐานแล้ว เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์เป็นเกียร์ที่ใช้การเคลื่อนที่แบบไซคลอยด์ในการหมุน เป็นการออกแบบที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพสูง สามารถนำไปใช้ในงานหลากหลายประเภท เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์มักใช้ในงานที่ต้องการการเคลื่อนย้ายของหนัก มีข้อดีหลายประการเหนือกว่าเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ รวมถึงความสามารถในการรับน้ำหนักและรอบความเร็วที่สูงกว่า

ผลกระทบทางพลศาสตร์และแรงเฉื่อยของเกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์

มีการศึกษาวิจัยหลายชิ้นเกี่ยวกับผลกระทบทางพลศาสตร์และแรงเฉื่อยของเกียร์ไซคลอยด์ บางงานวิจัยเน้นที่หลักการทำงาน ในขณะที่บางงานวิจัยเน้นที่แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของเกียร์ บทความนี้จะตรวจสอบแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของเกียร์ไซคลอยด์ และเปรียบเทียบประสิทธิภาพกับผลการวัดในโลกแห่งความเป็นจริง การมีแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เหมาะสมนั้นมีความสำคัญต่อการออกแบบและควบคุมเกียร์ไซคลอยด์ เกียร์ไซคลอยด์เป็นเกียร์สองขั้นตอนที่มีจานไซคลอยด์และเฟืองวงแหวนที่หมุนรอบแกนของตัวเอง
แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ประกอบด้วยองค์ประกอบมากกว่า 1.6 ล้านชิ้น แต่ละคู่เฟืองแสดงด้วยแบบจำลองลดรูปที่มีโหมดเฉพาะ 500 โหมด ความถี่เฉพาะสำหรับเฟืองตรงคือ 70 กิโลเฮิร์ตซ์ แบบจำลองลดรูปตามโหมดนี้เหมาะสมกับกล่องเกียร์แบบไซคลอยด์เป็นอย่างดี
แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องโดยใช้ซอฟต์แวร์ ABAQUS จานไซคลอยด์ถูกแบ่งออกเป็นส่วนย่อยเพื่อสร้างแบบจำลองที่มีความละเอียดสูงมาก ซึ่งต้องใช้จุดองค์ประกอบ 400 จุดต่อฟัน นอกจากนี้ยังได้รับการตรวจสอบโดยใช้ FEA แบบสถิต จากนั้นแบบจำลองนี้ถูกนำมาใช้เพื่อจำลองแรงเสียดทานของเฟืองในทุกควอดแรนต์ นี่เป็นแนวทางใหม่ในการจำลองแรงเสียดทานในเกียร์บ็อกซ์แบบไซคลอยด์ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าให้ผลลัพธ์ที่เทียบเคียงได้กับแบบจำลอง EMBS ผลลัพธ์ยังตรงกับแบบจำลองการจำลองหลายส่วนแบบยืดหยุ่น ซึ่งเหมาะสมกับแรงสัมผัสและขนาดของจานเฟืองไซคลอยด์ นอกจากนี้ยังพบว่าความแม่นยำในการส่งกำลังระหว่างจานเฟืองไซคลอยด์และเฟืองวงแหวนอยู่ที่ประมาณ 98.5% อย่างไรก็ตาม ค่านี้ต่ำกว่าความแม่นยำในการส่งกำลังของคู่เฟืองวงแหวน ข้อผิดพลาดในการส่งกำลังของแบบจำลองที่แก้ไขแล้วอยู่ที่ประมาณ 0.3% ความแม่นยำในการส่งกำลังน้อยลงเนื่องจากปริมาณการเสียรูปยืดหยุ่นบนพื้นผิวฟันน้อยลง
สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ แรงสัมผัสที่แม่นยำที่สุดสำหรับฟันแต่ละซี่ของเกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์นั้นไม่ได้ราบเรียบ แรงสัมผัสบนฟันแต่ละซี่เริ่มต้นด้วยการเพิ่มขึ้นเชิงเส้นแล้วจึงลดลงอย่างรวดเร็ว ไม่ราบเรียบเหมือนแรงสัมผัสบนจุดสัมผัส ซึ่งเป็นเหตุผลที่ถูกนำไปเปรียบเทียบกับแรงสัมผัสบนรูปวงรี อย่างไรก็ตาม แรงสัมผัสบนรูปวงรีก็ยังค่อนข้างเล็ก และแบบจำลอง EMBS ไม่สามารถจำลองขนาดนี้ได้
แบบจำลองไฟไนต์เอเลเมนต์ (FE) สำหรับจานไซคลอยด์มีองค์ประกอบประมาณ 1.6 ล้านชิ้น ส่วนที่สำคัญที่สุดของแบบจำลอง FE คือการแบ่งส่วนย่อยของจานไซคลอยด์ การแบ่งส่วนย่อยของจานเฟืองไซคลอยด์นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากมีการสั่นสะเทือนสูง จานไซคลอยด์จะต้องถูกแบ่งส่วนย่อยอย่างละเอียดเพื่อให้ผลลัพธ์สามารถเปรียบเทียบได้กับผลลัพธ์ของการวิเคราะห์ไฟไนต์เอเลเมนต์แบบสถิต แบบจำลองนี้ต้องมีความแม่นยำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้สามารถจำลองแรงสัมผัสระหว่างจานไซคลอยด์และเฟืองวงแหวนได้อย่างแม่นยำ

จลนศาสตร์ของระบบขับเคลื่อนแบบไซคลอยด์

โดยใช้ระบบพิกัดใดๆ เราสามารถสังเกตการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนต่างๆ ในเกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ได้ เราสังเกตว่าจานไซคลอยด์หมุนรอบหมุดคงที่ในลักษณะวงกลม ในขณะที่เพลาตัวตามหมุนรอบลูกเบี้ยวเยื้องศูนย์ นอกจากนี้ เรายังเห็นว่าเพลาอินพุตติดตั้งเยื้องศูนย์กับแบริ่งลูกกลิ้ง
นอกจากนี้ เรายังสังเกตเห็นว่าจานไซคลอยด์หมุนอย่างอิสระรอบแบริ่งเยื้องศูนย์ ในขณะที่เพลาตัวตามหมุนรอบแกนสมมาตร เราจึงสรุปได้ว่าจานไซคลอยด์มีบทบาทสำคัญในจลศาสตร์ของเกียร์ทดรอบไซคลอยด์
ในการคำนวณประสิทธิภาพของตัวลดเกียร์แบบไซคลอยด์ เราใช้แบบจำลองที่อิงตามความแข็งแบบไม่เชิงเส้นของการสัมผัส ในแบบจำลองนี้ ความไม่เป็นเชิงเส้นของการสัมผัสถูกควบคุมโดยความไม่เป็นเชิงเส้นของแรงและการเสียรูปในการสัมผัส เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าประสิทธิภาพของตัวลดเกียร์แบบไซคลอยด์เพิ่มขึ้นเมื่อภาระเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ ประสิทธิภาพยังขึ้นอยู่กับความเร็วในการเลื่อนและการเสียรูปของภาระปกติ ปัจจัยเหล่านี้ถือเป็นตัวแปรสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อนแบบไซคลอยด์
นอกจากนี้ เรายังพิจารณาประสิทธิภาพของตัวลดเกียร์แบบไซคลอยด์โดยคำนึงถึงแรงบิดขาเข้าและความเร็วขาเข้า เราสามารถคำนวณประสิทธิภาพได้โดยการหารแรงบิดสุทธิในเฟืองวงแหวนด้วยแรงบิดขาออก ประสิทธิภาพสามารถปรับให้เหมาะสมกับสภาวะการทำงานที่แตกต่างกันได้ ประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อนแบบไซคลอยด์จะเพิ่มขึ้นเมื่อภาระเพิ่มขึ้น
เกียร์ไซคลอยด์เป็นเกียร์หลายขั้นตอนที่มีเพลาขนาดเล็กและเพลาขนาดใหญ่ มีฟัน 19 ซี่และแหวนรองทองเหลือง จานด้านนอกเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามกับจานตรงกลาง และเยื้องศูนย์กัน 180 องศา จานตรงกลางมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าของจานด้านนอก จานไซคลอยด์มีกลีบเก้ากลีบที่เคลื่อนที่ทีละกลีบต่อการหมุนหนึ่งรอบของเพลาขับ จำนวนหมุดในจานควรน้อยกว่าจำนวนหมุดในจานรอบข้าง
เพลาอินพุตขับเคลื่อนตลับลูกปืนเยื้องศูนย์ซึ่งสามารถส่งกำลังไปยังเพลาเอาต์พุตได้ นอกจากนี้ เพลาอินพุตยังส่งแรงไปยังจานไซคลอยด์ผ่านตลับลูกปืนตัวกลาง จากนั้นจานไซคลอยด์จะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าทีละ 360 องศา/จุดหมุน/ลูกกลิ้ง หมุดของเพลาเอาต์พุตจะเคลื่อนที่ไปรอบๆ ในรูเพื่อให้เพลาเอาต์พุตหมุนอย่างต่อเนื่อง เพลาอินพุตส่งการเคลื่อนที่แบบไซน์เพื่อรักษาระดับความเร็วคงที่ของเพลาฐาน คลื่นไซน์นี้ทำให้เกิดการปรับเล็กน้อยกับเพลาตาม แรงที่กระทำต่อปลอกภายในเป็นส่วนหนึ่งของกลไกสมดุล
นอกจากนี้ เรายังสังเกตได้ว่าระบบขับเคลื่อนแบบไซคลอยด์สามารถส่งแรงบิดได้มากกว่าระบบเฟืองดาวเคราะห์ เนื่องจากเฟืองไซคลอยด์มีความยาวตามแนวแกนมากกว่า และเฟืองวงแหวนมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูที่เล็กกว่า อีกทั้งยังสามารถทำให้วงแหวนคงที่และแผ่นดิสก์ประกบกันได้อย่างแน่นหนา โดยการใช้ฟันเฟืองระหว่างวงแหวนคงที่และแผ่นดิสก์ โดยทั่วไปแล้ว แผ่นดิสก์ไซคลอยด์จะถูกออกแบบให้มีไซคลอยด์สั้น เพื่อลดแรงเสียสมดุลที่ความเร็วสูง

การเปรียบเทียบกับเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์

เมื่อเปรียบเทียบกับเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์มีข้อดีหลายประการ ได้แก่ ระยะคลอนต่ำ ความสามารถในการรับน้ำหนักเกินที่ดีกว่า การออกแบบที่กะทัดรัด และความสามารถในการใช้งานที่หลากหลาย เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ได้รับความนิยมในตลาดหุ่นยนต์หลายแกน และยังถูกนำมาใช้มากขึ้นในข้อต่อแรกและอุปกรณ์กำหนดตำแหน่งอีกด้วย
เกียร์ไซคลอยด์เป็นเกียร์ที่ประกอบด้วยส่วนประกอบพื้นฐานสี่ส่วน ได้แก่ จานไซคลอยด์ หน้าแปลนส่งกำลัง เฟืองวงแหวน และวงแหวนคงที่ จานไซคลอยด์ถูกขับเคลื่อนด้วยเพลาเยื้องศูนย์ ซึ่งหมุนไปทีละ 360 องศา/จุดหมุน/ลูกกลิ้ง หน้าแปลนส่งกำลังเป็นจานแบบมีหมุดคงที่ที่ส่งกำลังไปยังเพลาส่งกำลัง เฟืองวงแหวนเป็นวงแหวนคงที่ และเพลาป้อนกำลังเชื่อมต่อกับเซอร์โวมอเตอร์
เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ได้รับการออกแบบมาเพื่อควบคุมแรงเฉื่อยในสถานการณ์ที่มีพลวัตสูง เกียร์ทดรอบประเภทนี้โดยทั่วไปใช้ในหุ่นยนต์และอุปกรณ์กำหนดตำแหน่ง ซึ่งใช้ในการกำหนดตำแหน่งของวัตถุหนัก นอกจากนี้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในงานอุตสาหกรรมหลากหลายประเภท มีความหนาแน่นของแรงบิดสูงและมีระยะคลอนต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับงานหนัก
หน้าแปลนด้านส่งกำลังได้รับการออกแบบให้รองรับแรงบิดได้สูงสุดถึง 500 นิวตันเมตร ความเร็วรอบต่ำกว่าเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ แต่แรงบิดเอาต์พุตสูงกว่ามาก มันถูกออกแบบมาให้เป็นเกียร์ทดรอบประสิทธิภาพสูง และสามารถใช้ในงานที่ต้องการอัตราส่วนสูงและความหนาแน่นของแรงบิดสูง เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ยังมีราคาถูกกว่าและมีระยะคลอนน้อยกว่า อย่างไรก็ตาม เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ก็มีข้อเสียที่ควรพิจารณาเมื่อออกแบบเกียร์ทดรอบ ปัญหาหลักคือการสั่นสะเทือน
เมื่อเปรียบเทียบกับเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์มีขนาดโดยรวมเล็กกว่าและราคาถูกกว่า นอกจากนี้ เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ยังมีอัตราทดลดรอบสูงในขั้นตอนเดียว โดยทั่วไป เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์จะมีหนึ่งหรือสองขั้นตอน โดยขั้นตอนที่สามนั้นพบได้น้อยกว่า อย่างไรก็ตาม เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์ไม่ใช่เกียร์ทดรอบประเภทเดียวที่มีการกำหนดค่าแบบนี้ เกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ที่มีขั้นตอนเดียวก็พบได้ทั่วไปเช่นกัน
มีเกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์หลายประเภท และมักเรียกกันว่าเกียร์ลดความเร็วแบบไซคลอยด์ เกียร์ทดรอบเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาสำหรับอุตสาหกรรมใดๆ ที่ใช้เซอร์โว พวกมันสั้นกว่าเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ และมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าสำหรับแรงบิดที่เท่ากัน บางรุ่นยังมีอัตราส่วนต่ำกว่า 30:1 อีกด้วย
เกียร์ทดรอบแบบไซคลอยด์เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับงานที่ต้องการความเร็วรอบสูงและแรงบิดสูง เกียร์ทดรอบประเภทนี้มีขนาดกะทัดรัดกว่าเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ และเหมาะสำหรับงานที่ต้องการแรงบิดสูง นอกจากนี้ยังมีความแข็งแรงทนทานกว่าและสามารถรับแรงกระแทกได้ดีกว่า มีระยะคลอนต่ำ และมีความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งสูงกว่า และยังใช้ในงานหลากหลายประเภท รวมถึงหุ่นยนต์อุตสาหกรรมด้วย

editor by CX 2023-06-12