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本帖最后由 火星探索 于 2019-4-22 14:46 编辑
小伙伴们有没有发现!很多机械装置都有传动的部分。比如手表里的齿轮,一个接一个地转动。 骑自行车时,我们坐在中间蹬,链条会把力传到后轮转起来。 汽车发动机更是皮带、链条和齿轮传动全都有…… 老老实实自己转自己的不好吗,到底为什么要传来传去? 嘿,以手表举例。手表只有一个动力源——发条,一个发条可以通过很多齿轮来带动三根指针转动。 不同的齿数又能保证转速不同,比例精确在 3600:60:1。
这些都是靠机械传动完成。 而且,就连小时候玩的陀螺也有传动!用绳拉的就是线传动,齿条拉就是齿轮传动。
RoboMaster 比赛也不例外,为了保证公平,机器人的尺寸会被限制。 比赛前,英雄机器人要被塞进一个 800×800×800mm 的盒子里,如果塞不进就不给上场。(这是检录环节之一) 但是,轮子要电机、云台要电机、登岛的履带要电机,取弹结构也要电机……为了把一堆电机塞进小小的空间里,队员们使出了浑身解数。
比如不让电机和被驱动机构直接连接。有队伍因为庞大的履带结构占用太多位置,就把云台电机装在云台侧面,再用传动连接。
还可以用小电机驱动重机构。物理课上我们学过 P=Mω,同样功率下,转得越慢,扭矩越大。 有了传动装置降速,可以让电机扭矩增大,达到四两拨千斤的效果。
甚至可以一个电机驱动多个机构。
机械传动的方式有很多种,常见的有带传动、链传动、齿轮传动和摩擦轮传动等。 其中,带传动结构简单,便宜又轻巧,在比赛中用得很广。
带传动 带传动是一种挠性传动。相比坚硬的齿轮,它更加柔软,安装的时候不用对得很准,甚至还有些许缓冲减震的奇效。 带传动通常由带轮(主动轮和从动轮)和传动带组成。为了保证足够的预紧力,有时还会安装一个惰轮来充当张紧轮
带传动又有摩擦型和啮合型。摩擦型带传动安装方便又便宜,但是容易打滑,所以传动比不太稳定。 机器人运动往往要对角度和速度精准控制,所以大家都用传动比更加稳定的啮合型带传动——同步带传动。
同步带传动个的传动带上都有很多等距分布的横向齿,带轮上有齿槽,它们相互啮合就不会打滑,传动比很稳定。 而且啮合的带轮受到的磨损并不严重,一般用铝合金制成,所以同步带传动的整体重量比其他机械传动轻。 但要驱动起机器人这样的庞然大物,传动带可不是一根橡胶带这么简单。 传动带中除了胶帆布(1)、顶胶(2)之外,还常有尼龙或者钢丝做成的芯绳(3)来增加强度,底部还有增大摩擦的底胶(4)。
不过,带传动虽然平稳轻巧、安装方便,但也相对脆弱。如果承受了太大的载荷,可能就会听到队友传来一句:“你的同步带断了!” 所以,如果扭矩较大的话,传动带就要做得很宽,或者考虑选择结构更加紧凑的链传动。
链传动 与带传动相似,链传动也是一种远距离的挠性传动,由链条和链轮组成。 如下图,链条由内板(Roller Link Plate)、外板(Pin Link Plate)、销(Pin)、衬套(Bushing)和滚子(Roller)组成。
与链轮接触的主要就是滚子。 与同步带传动相比,链传动价格便宜,结构紧凑,坚固耐用,可以传递较大扭矩。 但也有坏处,链传动磨损比较大,所以链条和链轮还必须是钢制的,整体就很重。 最常见的链传动当属自行车了,毕竟要经历日晒雨淋,用传动带的话很容易就老化失效。
我们还会发现,链条动起来会“咔啦咔啦”地响,有种要散架的感觉,还会降低传动效率和控制精度。 所以,齿形链了解一下(它又叫无声链)。虽然它有点贵,但是传动更加平稳, 而且,为了防止比赛时候掉链子,齿形链上会有导板,配合链轮轮齿上开出导向槽,可以起到导向作用,防止链子发生侧向窜动。 链传动虽然整体小于同等工作状态下的同步带,但同时也更重。在选择链传动时,也要考虑重量问题。
齿轮传动 齿轮传动是两个齿轮契合在一起转动,传动距离短,但相比带传动和链传动在效率、空间、运动性能等方面更有优势。 通过巧妙的设计,齿轮可以在很小的空间内产生很大的传动比(能把很小的力矩提升很多倍),而且传动比非常稳定,适合高精度的控制。 密封起来之后又能保持很好的耐用性,甚至连着用很多年都不会坏。所以大家都会选择齿轮来设计电机减速器。
装有减速器的 RoboMaster M3508 电机甚至可以驱动大卡车! 除了常见的圆柱齿轮,还可以用锥齿轮和蜗轮蜗杆来改变传动轴方向,将电机竖放来充分拓展空间。
齿轮能够提供精确且稳定的传动比,传动效率甚至可达 99%,是所有机械传动中最高效的。 它精确传动的秘诀在于外轮廓那流畅的线条。标准的渐开线齿廓的齿轮,能保证每一个触点的法线都与基圆完美相切,往复旋转皆如丝般顺滑。
想要驾驭这种流畅,就需要高超的机加工水准。 下图是一种专门用来制造齿轮的滚齿铣刀,精度非常高,价格也很高贵。 对于重要场合下使用的齿轮,还要求表面坚硬而内心强韧。
如果表面不够坚硬,就容易磨损;如果内心不够强韧,就容易断裂,材料要求真的很严格。 硬和韧如何尽量兼得呢? 在精密机械中,齿轮材料经常会采用昂贵的合金钢,有时还会进一步采用渗碳、渗氮或者表面淬火的工艺来获得表硬芯韧的齿轮。 除了表面处理工艺,还可以使用硬质的材料嵌套强韧的材料来达到同样效果。
美国国家航空航天局为了生产更强大的航空器,把齿轮中间的钢换成了强韧又轻盈的碳纤维,在减重 20% 的同时保持了良好的力学性能。 理论上,齿轮既平稳又耐用,占用空间小,传动效率高,简直是机器人比赛的必备良药。 但是齿轮加工、安装精度要求极高,稍微歪一点都会让传动效果大打折扣。对于表面精度不高的齿轮,传动效率甚至远低于同步带传动和链传动。 很多时候齿轮材料还有特殊要求,这使得齿轮机构设计的成本大大提高。
设计齿轮结构时,应该把后期安装和维护的成本也纳入考虑。甚至可以另辟蹊径,只在不易受冲击的结构上安装廉价、轻巧的尼龙齿轮。
选择合适的机械传动装置需要考虑的方面很多。 除了尺寸、重量、功率、效率和运动性能之外,安装和维护的成本也是一个合格的机甲大师必须考虑的项目。 齿轮传动虽然在性能上很有优势,但是安装和维护的成本也相对较高,在成本上优势更明显的同步带传动和链传动也有自身的用武之地。
只有权衡利弊,综合考虑成本等各方面因素,才能成为真正的真知灼见者!
本期作者
华南理工大学华南虎 RoboMaster 校机器人队
生命不息、搞机不止的百人天团 本文来自 RoboMaster 技术智囊团华工机器人实验室,文章部分有修改。如果你也希望加入技术智囊团,请通过 robomaster@dji.com 联系我们。文章部分素材来自公共网络,侵权删除。
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