Cycloïdale Aandrijvingen Uitgelegd: Ontwerp, 3D-print en Test Je Eigen Hoge-Reductie Tandwielsysteem

In deze tutorial leren we wat een cycloïdale aandrijving is, hoe het werkt, uitleggen hoe we ons eigen model kunnen ontwerpen en 3D-printen zodat we het in het echte leven kunnen zien en beter begrijpen hoe het werkt.

Je kunt de volgende video bekijken of de geschreven tutorial hieronder lezen.

Wat is een Cycloïdale Aandrijving?

Een cycloïdale aandrijving is een uniek type snelheidsverlager dat een zeer hoge reductieratio biedt met een compact maar robuust ontwerp. Vergeleken met conventionele tandwielaandrijvingen, zoals tandwielen en planétaire aandrijvingen, kan het veel hogere reductieratio's bereiken van tot 10 keer in dezelfde ruimte of trap. Daarnaast heeft het praktisch nul-terugslag, hogere belastbaarheid, stevigheid en een hoge rendement van tot 90%. Deze eigenschappen maken cycloïdale aandrijvingen geschikt voor veel toepassingen waar positioneringsnauwkeurigheid en prestaties belangrijk zijn, zoals robotica, werktuigmachines, productieapparatuur enz.

Laten we nu eens kijken wat erin zit en hoe een cycloïdale aandrijving werkt. Een cycloïdale aandrijving bestaat uit vijf hoofsonderdelen: een hoge-snelheid invoeras, een excentrische lager of cycloïdale kam, twee cycloïdale schijven of kamvolgers, een ringtandwiel met pennen en rollen, en een lage-snelheid uitvoeras met pennen en rollen.

De invoeras aandrijft het excentrische lager, en het excentrische lager aandrijft de cycloïdale schijven langs de interne omtrek van de ringtandwielbehuizing. De excentrische beweging zorgt ervoor dat de tanden of lobben van de cycloïdale schijven op een manier ingrenagen met de rollen van de ringtandwielbehuizing dat ze omgekeerde rotatie produceren met een verlaagde snelheid.

We kunnen hier nader kijken en zien dat het excentrische lager de cycloïdale schijf eigenlijk tegen de ringtandwielrollen duwt.

Vanwege de unieke schijfvorm en zijn positie ten opzichte van de ringtandwielrollen, zien we dat naarmate het excentrische lager voortschrijdt, de schijflobben voor de rotatie niet in staat zijn om de volgende ringtandwielrol te passeren of over te springen, maar in plaats daarvan zullen ze glijden of achterwaarts rollen. Dit gedrag is wat eigenlijk de omgekeerde rotatie van de schijven veroorzaakt.

In het algemeen is er één cycloïdale lob minder op de schijf vergeleken met het aantal pennen op de ringtandwielbehuizing. Dit zorgt ervoor dat voor één volledige rotatie van het excentrische lager, de cycloïdale schijf slechts een afstand van één lob beweegt. Hieruit zien we dat de reductieratio uitsluitend afhangt van het aantal pennen van het ringtandwiel.

Bijvoorbeeld, hier hebben we 12 pennen op het ringtandwiel, wat 11 lobben op de cycloïdale schijf betekent, en dat is een ratio van 11:1, of 11 keer langzamere uitvoersnelheid. De grootte van de schijven, de ringtandwielrollen of het excentrische lager beïnvloeden de reductieratio helemaal niet.

De verlaagde rotatie wordt doorgegeven aan de uitvoeras-pennen door de gaten in de cycloïdale schijven.

Er zijn twee cycloïdale schijven, 180 graden uit de fase geplaatst, om de ongebalanceerde krachten te compenseren die door de excentrische beweging worden veroorzaakt en een gladde werking bij hogere snelheden te bieden.

De naam Cycloïdale aandrijving komt van het profiel van de schijf, wat op zijn beurt afkomstig is van een cycloid, maar meer daarover in de volgende sectie van de video waar we onze eigen cycloïdale aandrijving zullen ontwerpen.

Hoe een Cycloïdale Aandrijving te Ontwerpen

Nu we weten hoe een cycloïdale aandrijving werkt, kunnen we doorgaan met het ontwerpen van ons eigen model dat we kunnen 3D-printen. Als we proberen dit demo-voorbeeld te 3D-printen, zou het misschien werken, maar het zou snel faaien omdat het 3D-printmateriaal niet sterk genoeg is om de krachten en wrijving in de tandwielkast te weerstaan.

De kritieke onderdelen zijn de rollen die meestal busjes zijn, wat een geweldige optie is als de materialen metaal zijn, maar met PLA-materiaal moeten we kogellagers gebruiken.

Met dit in gedachten, hier is de cycloïdale aandrijving die ik ontwierp en die kogellagers gebruikt voor de rollen.

Bij het ontwerpen van een cycloïdale aandrijving zijn er vier hoofdinvoerparameters die de grootte en vorm van de cycloïdale schijven definiëren: de straal van het ringtandwiel, de straal van de rollen, het aantal rollen, en de excentriciteit.

DIY Cycloïdale Aandrijving 3D-model

Hier is de cycloïdale aandrijving die ik ontwierp met SOLIDWORKS en die kogellagers gebruikt voor de rollen.

Op dit moment laat ik SOLIDWORKS een shout-out geven voor het sponsoren van dit project. Heb je gehoord van 3DEXPERIENCE World; een jaarlijks evenement georganiseerd door SOLIDWORKS?

3DEXPERIENCE World 2022 brengt een levendige gemeenschap van ontwerpers, ingenieurs, ondernemers en makers samen om te leren, elkaar te ontmoeten, kennis te delen over de nieuwste technologieën en best practices.

Zorg dat je je vandaag registreert op SOLIDWORKS.COM/3DXW22_HOWTOMECH, en virtueel gratis deeltijd.

Niettemin, je kunt dit 3D-model vinden en downloaden als STEP-bestand, evenals het in je browser verkennen op Thangs:

Je kunt het 3D-model .STEP-bestand downloaden van Thangs.

Dank je Thangs voor het ondersteunen van deze tutorial.

Wat de STL-bestanden betreft die gebruikt worden voor het 3D-printen van de onderdelen, kun je ze hier downloaden:

Gerelateerd Project

Wat is Strain Wave Gear a.k.a Harmonic Drive? Een Perfecte Tandwelset voor Robotica-toepassingen!?

Ontwerpen

Het eerste dat ik definieerde was dat ik een reductieratio van 15:1 wilde voor deze tandwielkast, wat betekende dat ik 16 ringtandwielrollen nodig had. Dus ik tekende een schets in SOLIDWORKS met 16 rollen rond een cirkel.

Vervolgens koos ik voor lagers voor de rollen met een buitendiameter van 13mm. Nu, volgens deze twee parameters, kon ik bepalen hoe groot de ringtandwiel-pitch-diameter moest zijn. Ik stelde het in op 90mm. De excentriciteitswaarde moet kleiner zijn dan de helft van de rollerdiameter, en ik koos een waarde van 1,5mm.

Nu we de vier hoofdinvoerparameters hebben, kunnen we de vorm of het profiel van de cycloïdale schijf tekenen. Zoals ik noemde, komt het schijfprofiel van een Cycloïde, wat een kromme is getraceerd door een punt op een cirkel terwijl hij langs een rechte lijn rolt zonder te glijden, of een variatie ervan, een Epicycloïde, die getraceerd wordt bij het rollen op de omtrek van een cirkel.

Er is nog een variatie genaamd Epitrochoïde, waar het traceerpunt op een afstand van het midden van de exterieure cirkel ligt en dat is wat het cycloïdale schijfprofiel eigenlijk is gebaseerd op.

Voor het tekenen van zo'n kromme kunnen we deze parametrische vergelijkingen gebruiken, maar er zijn ook andere parameters om in te voegen, zoals de rollerdiameter en de excentriciteit. Dit verkommert dingen een beetje, maar gelukkig was er een geweldig document geschreven door Omar Younis voor de SOLIDWORKS Education-blog, waar hij al deze parameters combineert in enkele X- en Y-parametrische vergelijkingen.

Hier zijn de vergelijkingen:

N - Aantal rollen
Rr - Straal van de rol
R - Straal van de rollen PCD (Pitch Circle Diameter)
E - Excentriciteit - offset van invoeras tot cycloïdale schijf
x = (R*cos(t))-(Rr*cos(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))-(E*cos(N*t))
y = (-R*sin(t))+(Rr*sin(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))+(E*sin(N*t))
===================
Waarden voor deze DIY Cycloïdale Aandrijving:
N = 16
Rr = 6.5
R = 45
E = 1.5
x = (45*cos(t))-(6.5*cos(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))-(1.5*cos(16*t))
y = (-45*sin(t))+(6.5*sin(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))+(1.5*sin(16*t))

Nu, om het profiel te genereren, kunnen we gewoon het Equations Driven Curve-hulpprogramma van SOLIDWORKS gebruiken, de twee vergelijkingen op de juiste plaats invoegen en dat zal het cycloïdale schijfprofiel genereren. Natuurlijk moeten we voor de invoerparameters onze waarden invoeren.

Let ook op dat de kromme niet gegenereerd wordt als de "t"-parameters van 0 tot 2*pi of 360 graden zijn. Dus we moeten de t2-parameter iets korter dan 2*pi instellen, en dan de kromme genereren met een kleine opening die we met een eenvoudige spline kunnen verbinden.

Nu we de hoofdinvoerparameters van onze cycloïdale aandrijving gedefinieerd hebben, is de rest alleen het vinden van technische oplossingen voor hoe alles verbonden zal worden. Opnieuw, rekening houdend met het feit dat we niet zo sterk 3D-printmateriaal gebruiken, ontwierp ik de assen van de rollen om aan beide kanten ondersteund te worden, evenals de invoer- en uitvoeras.

De invoeras bestaat uit verschillende secties en wordt ondersteund met twee lagers binnen de uitvoeras. De uitvoeras wordt ook ondersteund met twee lagers binnen de behuizing.

Kortom, de werking van deze tandwielkast: de invoer van de motor wordt doorgegeven aan de excentrische invoeras die de cycloïdale schijven rond het ringtandwiel aandrijft.

De geproduceerde omgekeerde beweging wordt doorgegeven aan de uitvoeras door de uitvoeras-rollers. En dat is het, nu laten we het 3D-printen en zien hoe het in het echte leven werkt.

3D-printen

Bij het 3D-printen van de onderdelen is het belangrijk om de Hole Horizontal Expansion-functie in je slicing-software te gebruiken.

Meestal komen de gaten van 3D-geprinte onderdelen kleiner dan de oorspronkelijke grootte, dus met deze functie kunnen we dat compenseren en nauwkeurige afmetingen krijgen wat erg belangrijk is voor deze onderdelen. Ik stelde de mijn in op 0,07mm, en de Horizontal Expansion kan ook, wat compenseert voor de buitenafmetingen van de onderdelen, op 0,02mm. Natuurlijk moet je enkele testprinten doen om te zien welke waarden je de beste resultaten geven op je 3D-printer.

De Cycloïdale Tandwielkast Monteren

Dus, hier zijn alle 3D-geprinte onderdelen, evenals de lagers en bouten die nodig zijn voor het monteren van de cycloïdale aandrijving.

Hier is een lijst van alle componenten die nodig zijn voor het monteren van deze cycloïdale aandrijving:

• Kogellager 6x13x5mm 686-2RS – x44 …….. /
• Kogellager 15x24x5 6802-2RS – x4 ………….. /
• Kogellager 35x47x7 6807-2RS – x2 ………….. Amazon /
• 6x35mm staalstang ……………………………………….. /
• Gewinde-inserten …………………………………………. /
• M3 en M4 bouten van je lokale bouwmarkt – Ik zal een complete lijst met benodigde bouten voor dit project in een paar dagen opnemen

Ik begon met het plaatsen van de ringtandwiel-pennen in de behuizing. Deze pennen accommoderen de ringtandwiel-rollers of lagers, maar ze zijn slechts 6mm in diameter. Ik was niet zeker of ze sterk genoeg waren om niet te breken onder de belasting van de cycloïdale schijf.

Daarom maakte ik ze hol, en plaatste 3mm metalen stangen erin die ik nog liggen had. Op deze manier zijn de pennen zeker sterk genoeg. Natuurlijk zijn er slimere oplossingen hiervoor. Bijvoorbeeld, we zouden M6-bouten kunnen gebruiken, maar wat ik er niet van hou is dat M6-bouten iets kleiner zijn dan 6mm, dus het lager zou wobbelen. Ideaal, hier zouden we echte 6mm stangen kunnen gebruiken, die eigenlijk gemakkelijk verkrijgbaar zijn met deze specifieke grootte van 35mm.

Zodra we alle pennen op hun plaats hebben gezet, kunnen we de lagers in deze volgorde plaatsen: een 7mm afstandsring, een lager, dan 3mm afstandsring, een lager en nog een 7mm afstandsring.

De cycloïdale aandrijving zou nu in dit ringtandwiel moeten passen, en als we proberen de schijf met een excentrische beweging te roteren, door naar de zijkanten te duwen tijdens het draaien, zou de schijf moeten beginnen omgekeerd te draaien.

Vervolgens kunnen we de invoeras monteren die uit vier secties bestaat. In elke sectie moeten we een lager en enkele afstandsringen plaatsen, en vanwege de excentriciteit kunnen we dat niet doen tenzij de as in secties is gemaakt.

Voor het verbinden van de secties samen gebruik ik twee M3-bouten die door ze allemaal heen gaan. We kunnen hier opmerken dat de gaten voor deze M3-bouten iets kleiner zijn gemaakt dan de M3-bouten, zodat de bout een draad in ze maakt en een strakkere pasvorm heeft.

Hier is hoe de as eruit moet zien wanneer gemonteerd, maar ik moest eigenlijk de cycloïdale schijven ook invoegen, want nu kon ik dat niet. Dus ik demonteerde het en monteurde het opnieuw met de schijf erin.

Ik ging door met het monteren van de uitvoeras. Hier moeten we de uitvoer-rollers of lagers installeren, en dat doen we op een vergelijkbare manier als getoond voor de ringtandwiel-rollers. Een 6mm pen, met 13mm lagers en enkele afstandsringen ingeslagen door enkele 20mm lange M3-bouten.

Bij het invoegen van deze uitvoer-rollers door de openingen van de cycloïdale schijf, is het belangrijk om de twee schijven ten opzichte van elkaar 180 graden uit de fase te positioneren. Om hierbij te helpen maakte ik kleine gaten in beide schijven 180 graden uit de fase, dus hier hoeven we ze alleen maar te matchen en we zijn goed om de rollers door te voegen.

Let op dat dit een beetje strakke pasvorm is, maar als de gatafmetingen nauwkeurig zijn, zullen we de pasvorm kunnen maken.

Nu kunnen we deze pennen bevestigen aan de andere flens aan de andere kant, maar voor dat doel moeten we eerst enkele gewinde-inserten in de flens installeren. Ik gebruik deze gewinde-inserten om de hele assemblage compacter te maken.

Zodra de in- en uitvoeras samen gemonteerd zijn, kunnen we deze hele assemblage in de behuizing installeren door een lager met 47mm buitendiameter.

Dan kunnen we nog een lager zo installeren aan de voorzijde van de as, en het behuizingsdeksel in plaats zetten. Dit is ook een strakke pasvorm omdat alle 16 pennen in hun behuizingsdeksel-sleuven moeten passen, dus we moeten een beetje kracht gebruiken om het in te voegen.

Aan de achterkant van de behuizing installeerde ik enkele M4-gewinde-inserten, en bevestigde het deksel en de behuizing samen met enkele 40mm M4-bouten.

En dat is het! Als het eerlijk is te zeggen, kijk eens naar deze schoonheid. Ik vind echt leuk hoe deze cycloïdale tandwielkast eruitzag, schoon ontwerp met niets dat eruit steekt.

De Cycloïdale Aandrijving Testen

Niettemin, nu laten we een motor eraan koppelen en zien hoe het werkt. Aan de achterkant van de invoeras installeerde ik nog enkele gewinde-inserten zodat we gemakkelijk diverse as-koppelingen kunnen bevestigen.

Voor het testen van de tandwielkast gebruik ik een NEMA 17-stappenmotor, dus ik bevestigde een geschikte 3D-geprinte as-koppeling aan de invoeras. Ik bevestigde de stappenmotor aan een 3D-geprinte montagebeugel en steek de motoras in de koppeling en bevestigde de montagebeugel aan de behuizing.

Een laatste ding is om enkele gewinde-inseten aan de voorzijde van de uitvoeras te installeren zodat we dingen eraan kunnen bevestigen. Hier is de uiteindelijke uitstraling van deze cycloïdale aandrijving, in combinatie met een NEMA 17-stappenmotor, maar natuurlijk kunnen we elke andere type motor hier gebruiken.

En daar hebben we het. Eerlijk gezegd, ik was echt verrast hoe glad de uitvoer van deze tandwielkast uitviel. Van de voorkant kunnen we zowel de in- als de uitvoeras zien draaien, in tegengestelde richting en met een snelheidsverschil van 15:1.

Ik was ook in staat de tandwielkast te laten draaien zonder het voordeksel, zodat we alles wat eerder uitgelegd is in actie kunnen zien.

De beweging is simpelweg betoverend.

Aan het einde maakte ik enkele tests om de prestaties van de tandwielkast te controleren. Een ding om te vermelden is dat deze cycloïdale aandrijving ook achterwaarts aandrijfbaar is, wat een goede eigenschap kan zijn voor sommige toepassingen.

Hier meet ik de kracht die deze tandwielkast kan produceren op een afstand van 10cm. Ik kreeg een meting van ongeveer 26N, wat vertaald naar koppel, ongeveer 260 Ncm is, en deze NEMA 17-stappenmotor die slechts 34mm lang is, is gerateerd op 26 Ncm.

Dat betekent dat we een koppeltoename van ongeveer 10 keer kregen met de cycloïdale aandrijving. Dat is een rendement van ongeveer 66%, rekening houdend met dat de reductieratio 15:1 is en in ideale omstandigheden we 15 keer koppeltoename hadden moeten krijgen. Niettemin, dat is nog steeds een geweldig resultaat rekening houdend met dat alles 3D-geprint is met een budget 3D-printer en de onderdelen niet zo nauwkeurig zijn als we zouden krijgen met sommige professionele printers of CNC-machines in het geval van een volledig metaal tandwielkast.

Ik deed ook enkele nauwkeurigheidstests, die ook goede resultaten lieten zien.

Ik zou dit type tandwielkast zeker in toekomstige video's gebruiken bij het maken van robotica-projecten.

Ik hoop dat je van deze video hebt genoten en iets nieuws hebt geleerd. Als je vragen hebt, voel je vrij om ze in de reacties hieronder te stellen.