[官方开源] 【每周分享】你对机械传动的力量一无所知。

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版主火星探索
2019-4-15 16:30:51 显示全部楼层

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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。
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汽车发动机更是皮带、链条和齿轮传动全都有……
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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。

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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。
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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)
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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。

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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。
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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。
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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
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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。
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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
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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。
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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)。

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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。
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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。
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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。
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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。
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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。

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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,
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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。
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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。
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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。
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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!
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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

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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
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下士小可爱
2019-4-22 01:08:15 显示全部楼层
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版主火星探索
 楼主| 2019-4-22 14:46:24 显示全部楼层
Dior 发表于 2019-4-21 10:31
老哥,我又来求pdf啦,谢谢老哥(麻烦的话就不用了)

已经更新!

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版主火星探索
 楼主| 2019-4-22 14:45:50 显示全部楼层
Dior 发表于 2019-4-21 10:31
老哥,我又来求pdf啦,谢谢老哥(麻烦的话就不用了)

稍等

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版主花师小哲
2019-4-15 16:35:41 显示全部楼层
嗯,图片和理论都讲的挺不错的

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下士theo716
2019-4-15 19:04:49 显示全部楼层
好强!受教了,谢谢分享。

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版主快拆小分队
2019-4-15 19:35:21 显示全部楼层
好看
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少尉Mar
2019-4-15 22:02:12 显示全部楼层
受教了。。
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少尉永不言弃
2019-4-17 22:39:04 显示全部楼层
马朱,以后每天看一遍

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下士子旟
2019-4-19 00:38:20 显示全部楼层
额,机械设计课都讲了

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 楼主| 2019-4-20 11:23:17 显示全部楼层
哈哈
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上士Dior
2019-4-21 10:31:39 显示全部楼层
老哥,我又来求pdf啦,谢谢老哥(麻烦的话就不用了)

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