Ontwerphandleiding voor cycloïdale tandwielkasten

Zo werkt een cycloïdale overbrenging

Een cycloïdale overbrenging maakt in één trap van een snelle ingang een trage, sterke uitgang. De motor draait een excenter, die een gelobde schijf laat slingeren binnen een ring van vaste pennen. Omdat de schijf één lob minder heeft dan er pennen zijn, rolt hij bij elke motoromwenteling precies één lob terug.

Uitgangspennen steken door gaten in de schijf en nemen de trage draaiing over. Resultaat: overbrengingsverhouding = aantal ringpennen − 1, en de uitgang draait tegengesteld aan de motor. Met 21 pennen krijg je 20:1.

Verhouding, pennen en excentriciteit kiezen

De verhouding bepaalt het aantal pennen. Meer pennen vragen een grotere pennencirkel, zodat buurpennen minstens 1 mm ruimte houden.

De excentriciteit vormt de tanden. Die moet onder de straal van de pennencirkel gedeeld door het aantal pennen blijven, anders vouwt het schijfprofiel dubbel. Mik op 60–90 % van die grens: te weinig geeft ondiepe tanden die kunnen overslaan, te veel scherpe lobben. Dikke pennen maken de lobben ook scherper; Torque waarschuwt als een pen te dicht bij de ondersnijdingsgrens komt.

Een grotere pennencirkel is de effectiefste manier om meer koppel te dragen: de penkrachten dalen met de straal.

Je motor afstemmen

Uitgangskoppel ≈ motorkoppel × verhouding × rendement. Gebruik het koppel onder belasting, niet het houdkoppel. Uitgangstoerental = motortoerental ÷ verhouding.

Stappenmotoren passen bij lage toerentallen en hoge verhoudingen. DC- en BLDC-motoren draaien snel, dus een kogellager op de excenter is onmisbaar: een geprint glijlager raakt oververhit bij hoge toerentallen. De sterktecontrole toont dat als een falend excenterlager.

Materialen, printen en speling

PETG is een goede standaard. Nylon en nylon-CF zijn het best bestand tegen slijtage en schokken; PLA is stijf maar bros en wordt zacht door warmte. Print schijven, excenter en uitgang massief (100 % vulling of veel wanden): de sterktecontrole gaat uit van massieve delen.

De printspeling is de spleet tussen bewegende delen. Begin met 0,2 mm. Zit de excenter te strak op de as of klemmen de schijven, verhoog met 0,05 mm; heeft de kast te veel speling, verlaag hem. Eerst de excenter printen is een snelle pastest.

Lagers en bevestigingsmateriaal

Stalen paspennen (ISO 8734) zijn goedkoop en veel sterker dan geprinte pennen: gebruik ze waar mogelijk voor de ring- en uitgangspennen. Een kogellager op elke excenterlob vermindert wrijving en slijtage sterk; een optioneel lager in het deksel ondersteunt de uitgang.

De stuklijst in de ontwerper noemt elke pen, elk lager en elke bout met maat en aantal.

Montage

1. Pas de excenter op de motoras.
2. Schroef de behuizing op de motor; de boutkoppen vallen in de verzinkingen.
3. Pers de ringpennen in de behuizing.
4. Schuif de excenter op de as en plaats de lagers.
5. Leg de schijven erin; draai bij twee schijven de tweede tot hij ingrijpt.
6. Plaats de uitgang zodat de pennen door de schijfgaten steken.
7. Plaats het deksel en draai de montagebouten gelijkmatig aan.
8. Licht invetten en met de hand draaien: het moet soepel lopen.

De sterktecontrole lezen

Voor je motorkoppel schat Torque de contactspanning tussen pennen en schijven, de buiging van ring- en uitgangspennen, de belasting op het excenterlager en de torsie van de motoras, de asverbinding en de uitgang.

Elke controle krijgt een veiligheidsfactor: hoeveel keer de huidige belasting het onderdeel aankan. Groen haalt je doel, geel houdt maar onder het doel, rood gaat waarschijnlijk breken. Het nominale koppel is het uitgangskoppel waarbij het zwakste deel je doel bereikt. Dit zijn ontwerpschattingen met gangbare formules; test een geprinte kast altijd voordat je erop vertrouwt.

Exporteren naar CAD

STL-bestanden zijn klaar om te slicen. STEP-bestanden behouden echte cirkels en openen in Fusion 360, SolidWorks, Onshape of FreeCAD voor verdere aanpassingen. Het Fusion 360-script bouwt de hele samenstelling op als bewerkbare componenten: open in Fusion Hulpprogramma's › Scripts en invoegtoepassingen, voeg de map met het script toe en klik op Uitvoeren.

De complete kit bundelt alles, plus de stuklijst en een README met deze stappen.

Samengestelde tandwieltreinen

Een samengestelde tandwieltrein koppelt trappen van rechte tandwielen: een klein rondsel drijft een groot wiel aan, dat vastzit aan het volgende rondsel (een tussenwiel). De verhoudingen vermenigvuldigen zich: drie trappen van 3:1 geven 27:1. Elk tussenwiel draait op een vaste stalen as.

Torque maakt evolvente tandwielen met automatische profielverschuiving voor kleine rondsels, zodat de tanden niet ondersneden zijn. De printspeling wordt de tandspeling. Grotere modules en bredere tanden dragen meer koppel; de sterktecontrole toont de zwakste trap.

Planetaire overbrengingen

Een planetaire trap heeft een zonnewiel in het midden, drie tot zes planeten eromheen op een drager, en een ring met binnenvertanding. De motor draait de zon, de ring zit vast in de behuizing en de drager draait langzaam: de verhouding is 1 + ringtanden / zontanden, meestal 3:1 tot 10:1. Gestapelde trappen vermenigvuldigen: twee trappen van 5:1 geven 25:1 op één as.

Alle planeten delen de last, daarom zijn planetaire overbrengingen compact en sterk. De planeten moeten gelijk verdeeld zijn, dus zon + ring moet deelbaar zijn door het aantal planeten; Torque controleert dat en draait elke planeet in de geëxporteerde samenstelling naar zijn ingrijppositie. Elke planeet draait op een pen die door de dragerplaat en een borgring wordt gehouden, bij voorkeur met een klein kogellager.

Split-ring voor extreme verhoudingen

Een split-ring- (Wolfrom-)aandrijving gebruikt lange planeten die in twee ringen grijpen: een vaste ring en een uitgaande ring met een paar tanden minder. Elke omwenteling van de drager verplaatst de uitgaande ring maar met het tandverschil, zodat één trap 50:1 tot 1000:1 haalt: verhouding = (1 + vaste ring / zon) / (1 − vaste ring / uitgaande ring).

De uitgaande ring heeft een profielverschuiving zodat beide ringen in dezelfde planeten grijpen. De prijs voor de enorme verhouding is het rendement: veel vermogen circuleert tussen de twee ringen, reken op 30–60 % met geprinte tandwielen. Daardoor is de aandrijving ook moeilijk terug te draaien, wat bij een robotgewricht of een lier vaak welkom is.

Wormwieloverbrengingen

Een worm is een schroef op de motoras. Elke omwenteling duwt het wiel per gang één tand verder, dus de verhouding is wieltanden / gangen, meestal 10:1 tot 80:1 in één trap, met de uitgang haaks op de motor. Torque ontwerpt een evolvente worm en een schuin wiel met dezelfde spoedhoek: beide worden plat geprint als getordeerde extrusies en grijpen zonder botsing in elkaar.

De tanden glijden in plaats van te rollen, dus het rendement is lager dan bij rechte tandwielen: ongeveer 30–45 % met één gang, tot 70–80 % met vier. Ligt de spoedhoek onder de wrijvingshoek, dan is de overbrenging zelfremmend: de last kan de motor niet laten draaien, handig voor liften en lieren. Glijden maakt warmte, daarom controleert Torque of de behuizing die kwijt kan. Vet de worm goed in.

Welke overbrenging kies ik?

Kies de cycloïdale aandrijving voor het meeste koppel in de kleinste ruimte, een coaxiale uitgang en schokbelasting zoals in robotgewrichten. Kies de samengestelde tandwieloverbrenging voor de eenvoudigste onderdelen, elke verhouding in 1 tot 4 trappen en een uitgang naast de motor. Kies een planetaire overbrenging voor coaxiale verhoudingen van 3:1 tot 1000:1: gestapelde trappen voor een goed rendement, een split-ring voor extreme verhoudingen in één compacte trap. Kies een wormwieloverbrenging voor een haakse uitgang, 10:1 tot 80:1 in één stille trap, en een last die zichzelf moet vasthouden als de motor stilstaat.