Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника
Шрифт:
Основная практическая задача игрушечных редукторов — понижать угловую скорость вращения от двигателя к исполнительному механизму в десятки, сотни раз, в зависимости от необходимого. Такие редукторы называют понижающими (демультипликатор). Если на выходном валу его угловая скорость выше, чем угловая скорость входного вала, то такой редуктор называют повышающим (мультипликатор).
Договоримся условно называть пару, осуществляющую вращательное движение, колесами. Колесо, от которого передается вращение, принято называть ведущим, а колесо, получающее движение, — ведомым.
По способу передачи движения от ведущего колеса к ведомому их можно разделить на передачи трением (фрикционные, ременные) и зацеплением (цепные, зубчатые, червячные). На рисунке 1 изображён пример фрикционной передачи, на рисунке 2 — ременной.
Колёса в этом случае называют шкивами. Их отличительная особенность наличие канавки (ручейка) в которой движется (течёт) ремень (резиновый пассик). Рисунок 3 иллюстрирует принцип действия зубчатой передачи, а рис. 4 — червячной (винтовой). Колёса зубчатой передачи это шестерни.
Здесь сделаю небольшое отступление. Набив в «поисковике» словосочетание «шестерня происхождение слова», был невольно вовлечён в жаркую дискуссию с неоднозначными выводами. Одни утверждают, что шестерёнка- это малое шестизубчатое колесо, другие, что любое зубчатое колесо — это шестерня, и произошло оно от слова шест. Из палочек — шестов делали первые зубья. Третьи говорят, что в основе слова цифра 6. Именно столько зубьев взаимодействующей пары колёс входит в постоянное зацепление при их вращении. Я склонюсь, пожалуй, к последнему: любое колесо с зубьями — это шестерня.
Сказал, и тут же ошибся во всём (рис. 5а). Получается вовсе не колесо и совсем не шесть, а пять. Так что вопрос остаётся открытым.
Пример «готового редуктора» представлен на рис. 5.
Направление движения элементов указано стрелками. Быстрое вращательное движение вала ротора двигателя (точка А) преобразуется им в медленное возвратно-поступательное движение ползуна (точка Б). Пары обозначены числами 1–1, 2–2 и т. д. Другими важными элементами редуктора являются вал и ось.
Вал — это деталь редуктора или полного механизма, имеющая форму стержня (цилиндра) и служащая для передачи на другие детали данного механизма крутящего момента (вращения), тем самым создавая общее движение всех расположенных на нем деталей: например шкивов, шестерен, колес. На рисунке 5 это элемент А (вал двигателя).
Ось — это деталь редуктора, предназначенная для соединения и скрепления между собой деталей данного механизма. Ось воспринимает только поперечные нагрузки (напряжение изгиба). На рисунке 5 это элемент В. Ось чаще всего жёстко закреплена к основанию (корпусу) редуктора, хотя может и вращаться. Однако в передаче вращения от двигателя к «исполнителю» она не участвует. В этом заключается её отличие от вала.
Итак, обобщим: механика многих игрушек может содержать редуктор. В его состав входит корпус-основание, колёса, передающие вращение, валы и оси.
Первым условием выбора, конечно, является передаточное число (отношение) редуктора. Его можно определить как отношение числа оборотов ведущего колеса или входного вала к числу оборотов выходного вала или колеса за одно и то же время. Иными словами — это дробь, в числителе которой частота вращения вала мотора игрушки, в знаменателе — частота вращения конечной (выходной) шестерни редуктора (вала на которой она закреплена). Чем больше эта величина, тем медленнее движения исполнительного механизма, но больше его усилие. Говоря совершенно просто, паровозик поедет медленно, но потянет за собой много вагонов. Так, если мы имеем мотор с номинальной частотой вращения 1200 оборотов в минуту, а хотим чтобы колесо робота совершало 60 оборотов в минуту, значит, нам понадобится редуктор с отношением, равным 200.
Как его оценить в готовом редукторе? Самый простой и оправданный способ, особенно если «внутренности» редуктора недоступны глазу, поступить так: поставить риски-метки на входной и выходной валы или передаточные колёса; прокручивая входной вал подсчитать число его оборотов до того момента пока выходной вал не сделает полный оборот. Подсчитанное число и есть передаточное.
А как быть, если метки ставить неудобно или редуктор не прокручивается или нужны точные данные? Здесь придётся проникать в его «недра» и проводить теоретические вычисления. Вновь вернёмся к редуктору — взглянем на рис. 6.
Нетрудно сообразить, что любая крайняя точка колёс любой взаимодействующей пары движется с одинаковой по модулю линейной скоростью (V(A) = V(B)). В противном случае колёса проскальзывали бы друг относительно друга, чего в исправном редукторе не бывает. Пока точка В совершит один оборот точка А сделает примерно три, ведь пути точек из-за равенства скоростей одинаковые и длина обода шкива А в три раза меньше длины обода шкива В. Такое же соотношение имеют диаметры пар колёс. Вывод: во сколько раз диаметр одного взаимодействующего колеса, больше диаметра другого, во столько раз меньше частота его вращения по сравнению с частотой вращения другого. То есть первая пара (рис. 5) понижает частоту вращения втрое, вторая грубо тоже втрое, третья и четвёртая так же. В итоге редуктор снижает частоту вращения шестерни С (рис. 6) в 81 (перемножение получившихся отношений) раз по сравнению с частотой вращения вала (шкив А) мотора. Более точно передаточное число находится при измерении диаметров шестерён и шкивов (колёс) штангельциркулем и вычислении на калькуляторе их отношений.
Вторым условием выбора редуктора можно считать условие количества передаточных пар, величины передаваемою крутящего момента. В конечном итоге речь идёт о массогабаритах редуктора, материалах его изготовления, потерях электроэнергии на поддержание вращения всех его элементов во время передачи вращения.
В игрушечном конструировании оптимальным, по мнению автора, является редуктор с габаритным объёмом в границах от 8 до 125 кубических сантиметров с числом передаточных пар 1–4. Материал корпуса и элементов — пластмасса. Колёса, передающие вращение в основном шестерни, допустимы шкивы. Например, по рисунку 6 редуктор состоит из следующей передающей движение цепочки: шкив на шкив-шестерню; на двойную шестерню; на двойную шестерню; на шестерню с кривошипом и шатуном.
Почему такой выбор? Попробую объяснить «методом от противного». Итак, недостатки фрикционной передачи (рис. 1): проскальзывание, ведущее к непостоянству передаточного числа и потери энергии; необходимость обеспечения прижима, что резко снижает КПД редуктора и, в конечном счете, делает его ненадёжным. Избавится от этих недостатков можно, делая прижим «пружинистым», например как в ходовой части Маавта (Мамичев Д. Игра «Выживание Маавта»// РАДИО 2010; № 10; с.51), но такой вариант существенно усложняет конструкцию редуктора. Ременная передача (рис. 2) так же имеет недостатки, а именно: провисание ремня (резинового пассика), его разрушение со временем, особенно при воздействии низких температур, проскальзывание при вращении. Металлические шестерни и шкивы надёжнее и долговечнее пластмассовых изделий, но их сложнее найти и дороже приобрести. Редуктор из них тяжелее.