Guida alla progettazione dei riduttori cicloidali

Come funziona un riduttore cicloidale

Un riduttore cicloidale trasforma un ingresso veloce in un'uscita lenta e potente in un solo stadio. Il motore fa girare un eccentrico, che fa oscillare un disco lobato dentro una corona di perni fissi. Poiché il disco ha un lobo in meno dei perni, ogni giro del motore lo fa arretrare esattamente di un lobo.

I perni di uscita attraversano i fori del disco e ne raccolgono la rotazione lenta. Risultato: rapporto di riduzione = numero di perni − 1, e l'uscita gira in senso opposto al motore. Con 21 perni ottieni 20:1.

Scegliere rapporto, perni ed eccentricità

Il rapporto fissa il numero di perni. Più perni richiedono un cerchio più grande per lasciare almeno 1 mm tra perni vicini.

L'eccentricità dà forma ai denti. Deve restare sotto il raggio del cerchio dei perni diviso per il loro numero, altrimenti il profilo del disco si ripiega. Punta al 60–90 % di quel limite: poca dà denti piatti che possono saltare, troppa dà lobi appuntiti. Anche perni spessi appuntiscono i lobi; Torque avvisa quando un perno si avvicina al limite di sottosquadro.

Un cerchio dei perni più grande è il modo più efficace per trasmettere più coppia: le forze sui perni calano con il raggio.

Abbinare il motore

Coppia in uscita ≈ coppia motore × rapporto × rendimento. Usa la coppia erogata sotto carico, non quella di tenuta. Velocità in uscita = velocità motore ÷ rapporto.

I motori passo-passo sono adatti a basse velocità e rapporti alti. I motori CC e BLDC girano veloci, quindi un cuscinetto a sfere sull'eccentrico è indispensabile: una bronzina stampata si surriscalda ad alta velocità. La verifica di resistenza lo segnala come cuscinetto dell'eccentrico non superato.

Materiali, stampa e gioco

Il PETG è una buona scelta predefinita. Nylon e nylon-CF resistono meglio a usura e urti; il PLA è rigido ma fragile e si ammorbidisce col calore. Stampa pieni dischi, eccentrico e uscita (riempimento 100 % o molte pareti): la verifica presuppone pezzi pieni.

Il gioco di stampa è lo spazio tra parti in movimento. Parti da 0,2 mm. Se l'eccentrico è troppo stretto sull'albero o i dischi si bloccano, aumentalo di 0,05 mm; se il riduttore ha troppo gioco, riducilo. Stampare prima l'eccentrico è un test di accoppiamento rapido.

Cuscinetti e minuteria

Le spine cilindriche in acciaio (ISO 8734) costano poco e sono molto più robuste dei perni stampati: usale per perni e perni di uscita quando puoi. Un cuscinetto a sfere su ogni lobo dell'eccentrico riduce molto attrito e usura; un cuscinetto opzionale nel coperchio sostiene l'uscita.

La distinta materiali del progettista elenca ogni spina, cuscinetto e vite con misura e quantità.

Montaggio

1. Prova l'eccentrico sull'albero motore.
2. Avvita la carcassa al motore; le teste delle viti stanno nelle svasature.
3. Pianta i perni nella carcassa.
4. Infila l'eccentrico sull'albero e monta i suoi cuscinetti.
5. Inserisci i dischi; con due dischi, ruota il secondo finché ingrana.
6. Inserisci l'uscita in modo che i perni passino nei fori dei dischi.
7. Monta il coperchio e stringi le viti in modo uniforme.
8. Ingrassa leggermente e gira a mano: deve scorrere fluido.

Leggere la verifica di resistenza

Per la coppia del tuo motore, Torque stima la pressione di contatto tra perni e dischi, la flessione dei perni e dei perni di uscita, il carico sul cuscinetto dell'eccentrico e la torsione dell'albero motore, del giunto e dell'uscita.

Ogni verifica riceve un fattore di sicurezza: quante volte il carico attuale il pezzo può sopportare. Verde raggiunge l'obiettivo, giallo regge ma sotto l'obiettivo, rosso probabilmente si romperà. La coppia nominale è la coppia in uscita alla quale il pezzo più debole raggiunge l'obiettivo. Sono stime di progetto da formule classiche; prova sempre un riduttore stampato prima di farci affidamento.

Esportare nel CAD

I file STL sono pronti per lo slicing. I file STEP mantengono cerchi veri e si aprono in Fusion 360, SolidWorks, Onshape o FreeCAD per ulteriori modifiche. Lo script Fusion 360 ricostruisce l'intero assieme come componenti modificabili: in Fusion apri Utilità › Script e aggiunte, aggiungi la cartella dello script e clicca Esegui.

Il kit completo raccoglie tutto, con la distinta materiali e un README con questi passaggi.

Rotismi composti

Un rotismo composto concatena stadi di ingranaggi cilindrici: un piccolo pignone muove una ruota grande, solidale con il pignone successivo (una ruota intermedia). I rapporti si moltiplicano: tre stadi da 3:1 danno 27:1. Ogni ruota intermedia gira su un asse fisso in acciaio.

Torque genera ingranaggi a evolvente con spostamento di profilo automatico per i pignoni piccoli, così i denti non sono sottosquadrati. Il gioco di stampa diventa il gioco tra i denti. Moduli maggiori e fasce più larghe trasmettono più coppia; la verifica di resistenza indica lo stadio più debole.

Riduttori epicicloidali

Uno stadio epicicloidale ha un solare al centro, da tre a sei satelliti attorno su un portasatelliti e una corona a dentatura interna. Il motore fa girare il solare, la corona è fissa nella scatola e il portasatelliti ruota lentamente: il rapporto è 1 + denti della corona / denti del solare, tipicamente da 3:1 a 10:1. Gli stadi sovrapposti si moltiplicano: due stadi 5:1 danno 25:1 su un solo asse.

Tutti i satelliti si dividono il carico, per questo i riduttori epicicloidali sono compatti e robusti. I satelliti devono essere equidistanti, quindi solare + corona deve essere divisibile per il numero di satelliti; Torque lo verifica e ruota ogni satellite nella sua posizione d'ingranamento nell'assieme esportato. Ogni satellite gira su un perno tenuto dal disco del portasatelliti e da un anello di ritegno, idealmente con un piccolo cuscinetto a sfere.

Doppia corona per rapporti estremi

Un azionamento a doppia corona (Wolfrom) usa satelliti lunghi che ingranano con due corone: una fissa e una d'uscita con qualche dente in meno. Ogni giro del portasatelliti sposta la corona d'uscita solo della differenza di denti, così un solo stadio raggiunge da 50:1 a 1000:1: rapporto = (1 + corona fissa / solare) / (1 − corona fissa / corona d'uscita).

La corona d'uscita ha uno spostamento di profilo perché entrambe le corone ingranino gli stessi satelliti. Il prezzo di un rapporto così alto è il rendimento: molta potenza circola tra le due corone, conta su un 30–60 % con ingranaggi stampati. In compenso l'azionamento è difficile da trascinare dall'uscita, cosa spesso gradita in un giunto robotico o in un verricello.

Riduttori a vite senza fine

Una vite senza fine è una vite sull'albero del motore. Ogni giro fa avanzare la ruota di un dente per principio, quindi il rapporto è denti della ruota / principi, tipicamente da 10:1 a 80:1 in un solo stadio, con l'uscita a 90° dal motore. Torque progetta una vite a evolvente e una ruota elicoidale con lo stesso angolo d'elica: entrambe si stampano in piano come estrusioni ritorte e ingranano senza interferenze.

I denti strisciano invece di rotolare, quindi il rendimento è più basso che con ingranaggi cilindrici: circa 30–45 % con un principio, fino al 70–80 % con quattro. Se l'angolo d'elica è inferiore all'angolo d'attrito il riduttore è irreversibile: il carico non può far girare il motore, comodo per sollevamenti e verricelli. Lo strisciamento produce calore, perciò Torque verifica che la scatola possa smaltirlo. Ingrassa bene la vite.

Quale riduttore scegliere?

Scegli il riduttore cicloidale per la massima coppia nel minimo spazio, uscita coassiale e carichi d'urto come nei giunti robotici. Scegli il treno di ingranaggi composto per i pezzi più semplici, qualsiasi rapporto in 1–4 stadi e un'uscita accanto al motore. Scegli un riduttore epicicloidale per rapporti coassiali da 3:1 a 1000:1: stadi sovrapposti per un buon rendimento, doppia corona per rapporti estremi in un solo stadio compatto. Scegli una vite senza fine per un'uscita ad angolo retto, da 10:1 a 80:1 in uno stadio silenzioso, e un carico che deve reggersi da solo a motore fermo.