Что значит робот коробка передач: Роботизированная коробка переключения передач (РКПП): особенности и специфика устройства

Содержание

DSG – немецкий «робот» для автомобиля

Аббревиатура DSG по-немецки (Direkt Schalt Getriebe) и по-английски (Direct Shift Gearbox) означает одно и то же: «коробка передач прямого переключения». Впервые разработкой такой КПП занимался француз по имени Адольф Кегресс, сотрудничая с компанией Citroen в 30-е годы ХХ века. Именно ему приписывают идею о создании агрегата с гидромеханическим управлением и двумя сцеплениями. Но конструкцию посчитали сложной, и она не получила широкого распространения. Ее плюсы были оценены уже гораздо позже, когда за дело взялись немецкие инженеры. Попытки создания подобной коробки предпринимали в Porsche, но «настоящая» DSG увидела свет в недрах конструкторского бюро Volkswagen Group.

Первая «серийная» коробка передач DSG была установлена на Volkswagen Golf R32 в 2002 году – а к настоящему времени число проданных автомобилей Volkswagen, Audi, SEAT и Skoda, оснащённых DSG, уже перевалило за 10 000 000. Сегодня автолюбители хорошо знают, что такое DSG, и сколько возможностей она открывает для водителя.

Основные особенности

Главная особенность DSG заключается в том, что она помогает переключить скорости и одновременно сохранить мощность в процессе движения. По сравнению с другими роботизированными коробками передач, у DSG есть такие качества, как экономия топлива и отличная динамика во время набора скорости.

DSG состоит из коробки передач и двух сцеплений. Эта простая система позволяет быстро переключать передачи, а автомобиль за счет этого разгоняется за считанные мгновения.

Как обычно работает механическая коробка? Пока происходит переключение скоростей, теряется динамика. Коробка DSG сводит эту проблему к минимуму, ведь в ней одно сцепление относится к нечетным рядам, а второе – к четным. Пока машина разгоняется, набирая первую скорость, диск на четном ряду сразу включается, и перерывов в разгоне нет.

Плюсы DSG

  • Подобный режим переключения скоростей позволяет уменьшить расход бензина. Установлено, что автомобили с DSG потребляют на 10% меньше топлива, чем средства передвижения с обычной коробкой передач.
  • Динамичное ускорение – еще один важный плюс. Передачи переключаются всего за 8 миллисекунд! Никакого эффекта «резиновой» тяги, который часто встречается в автоматических коробках передач, здесь нет.
  • Если захочется, всегда можно переключать передачи вручную, установив мануальный режим. Так что DSG – это еще и универсальная система.
  • DSG на 20 процентов легче, чем гидромеханическая трансмиссия.
  • Показатель надежности у DSG в несколько раз лучше «механики»: средний срок службы составляет 300 тысяч километров. Трансмиссионную жидкость в моделях DSG 6 необходимо менять через каждые 100 тысяч километров пробега, то есть не слишком часто. А, например, DSG 7 вообще не требует никаких вмешательств в течение всего периода эксплуатации.

Что важно знать о DSG?

  • Для идеальной работы DSG нужно заправлять автомобиль только качественным топливом, иначе дешевый бензин существенно сократит срок службы коробки передач.
  • Дрифтовать на автомобиле с DSG не рекомендуется – система может попросту сломаться.
  • Как и у всякой коробки передач, у DSG тоже есть слабое место. Так, это сцепление нечетных передач, потому что на него осуществляется максимальная нагрузка, когда машина начинает двигаться. Эта проблема знакома жителям мегаполисов, которые часто стоят в пробках. В этом случае автомобиль переводится на холостой ход с первой скоростью. Водитель придерживает и периодически отпускает педаль газа, а потом снова притормаживает. Сцепление при этом почти активировано, и в результате этого происходит постоянное трение. Происходит перегрев сцепления, и таким образом оно может быстрее износиться.

Кому вообще стоит покупать автомобиль с DSG? Прежде всего, тем, кто хочет сэкономить на горючем – оно не будет расходоваться впустую. Автомобиль с такой коробкой передач отлично зарекомендовал себя как на горных серпантинах, так и на скоростных трассах в городе. Если для населенного пункта не характерны пробки, то здесь и думать нечего – стоит брать!

Также важно заметить, что постоянного переключения четных и нечетных передач DSG не «любит», так же, как и медленной езды. В остальном же эта система будет работать без проблем, к удовольствию водителя.
 

как правильно пользоваться роботизированной КПП, ее плюсы и минусы с фото и видео

Современные автомобили оборудуются новыми типами трансмиссий, среди которых роботизированная КПП. Чтобы разобраться в основных моментах, связанных с ее эксплуатацией, нужно понимать, что такое коробка передач робот.

Содержание

[ Раскрыть]

[ Скрыть]

Что собой представляет роботизированная коробка передач?

Роботизированная коробка на автомобиле означает нечто среднее между МКПП и автоматической трансмиссией. Фактически роботизированная КПП представляет собой «механику», оборудованную автоматическим сцеплением и возможностью переключения скоростей. Работа этого типа агрегата зависит не от водителя, а от функционирования управляющего электронного модуля. Во время движения водитель должен только правильно передавать входящие данные для обеспечения правильной работы КПП.

Перед покупкой авто с таким агрегатом рекомендуется разобраться с основными характеристиками и принципом действия устройства.

Устройство роботизированной КПП

Схематическое устройство конструктивных компонентов РКПП

Чтобы понять, что такое коробка передач робот, надо разобраться в устройстве агрегата. Дополнительные элементы, предназначенные для выжима сцепления, а также переключения и выбора скоростей, называются актуаторами.

Роботизированная трансмиссия оснащается собственной управляющей системой, выполненной в виде блока управления, а также нескольких контроллеров. Эти датчики предназначены для взаимодействия с блоком. Роботизированная КПП принципиально отличается от традиционной автоматической коробки и вариаторных трансмиссий.

Коробки передач робот, как и механические, оснащаются сцеплением. В таких типах агрегатов не применяются трансмиссионные масла ATF.

В зависимости от производителя автомобиля, роботизированная трансмиссия может оснащаться одним либо двумя сцеплениями:

  • если сцепление одно, то это однодисковый агрегат;
  • если два, то трансмиссия считается преселективной.

Основные компоненты устройства роботизированного агрегата:

  1. Сама КПП.
  2. Актуаторы или сервоприводы. Предназначены для выжима сцепления и активации скоростей.
  3. Управляющий модуль, являющийся микропроцессорным блоком. Используется для обработки и передачи команд.
  4. Внешние контроллеры. Количество датчиков может отличаться в зависимости от производителя машины.
КПП

Подробнее с устройством роботизированного агрегата рекомендуем разобраться на примере шестиступенчатой коробки, оснащенной двумя сцеплениями. Агрегат выполнен в виде механической КПП, но оборудуется двумя ведущими шкивами. Один из этих элементов устанавливается внутри другого. Внешний шкив обладает внутренней полостью, в которую устанавливается внутренний компонент. На внешнем шкиве располагаются шестеренки привода второй, четвертой и шестой скоростей, а на внутреннем — шестерни первой, третьей, пятой и задней передачи.

Каждый вал роботизированной коробки передач оборудуется отдельным сцеплением.

Актуаторы или сервоприводы

Актуаторные устройства могут быть электрическими либо гидравлическими. Электрический тип элементов выполнен в виде электрического моторчика с редукторным устройством, а гидравлический считается гидроцилиндром. Шток последнего связывается с синхронизаторным устройством. Основное предназначение актуаторных элементов заключается в механическом перемещении синхронизаторных составляющих, а также активации и деактивации сцепления.

Управляющий модуль

Управляющий модуль — микропроцессорный блок, на который установлены внешние контроллеры. Эти датчики задействованы в электронной системе управления мотором машины. Датчик трансмиссии взаимодействует с контроллерами от силового агрегата и прочих систем, к примеру, ABS. Управляющий модуль может быть совмещен с микропроцессорным блоком управления ДВС, но трансмиссия будет функционировать по своему алгоритму.

Канал Carvizor подробно рассказал об устройстве и конструктивных особенностях РКПП.

Особенности роботизированной КПП

Электрический привод сцепления функционирует за счет электромотора, а также механической скорости. Работа гидравлического привода основана на специальных цилиндрических устройствах, управление которыми осуществляется посредством электромагнитного клапана. Иногда роботизированный агрегат может быть дополнен электромотором, использующимся для перемещения цилиндрических элементов и рассчитанного на поддержку функционирования гидромеханического модуля. Это устройство, оснащенное приводом, характеризуется долгим переключением скорости, которая может составить до половины секунды.

Если сравнить с гидравлическим устройством, то для работы агрегата не требуется постоянная поддержка нужного уровня давления. В некоторых моделях Опель гидравлические агрегаты характеризуются быстрым циклом переключения скорости, обеспечивающего переключение за 0,06 сек. Но такие роботы обычно устанавливаются на спорткары.

Принцип работы коробки передач робот

Схема функционирования роботизированного агрегата

Роботизированный агрегат работает наподобие механики — для начала езды и переключения скоростей водителю надо выжимать педаль сцепление. Процедура активации этого механизма выполняется посредством актуаторного устройства, получающего импульс от управляющего модуля. После подачи сигнала узел медленно вращает редукторный узел.

Если трансмиссия оборудована двумя сцеплениями, то изначально производится активация первого. После этого актуаторное устройство выбора и активации скорости подводит синхронизаторный узел к шестеренке первой скорости. Это приводит к ее блокировке на валу и началу вращения вторичного шкива. Когда машина тронулась с места, водитель жмет на газ. Если трансмиссия однодисковая, активация следующей скорости произойдет через определенный временной промежуток. В итоге появляется так называемый провал во времени.

Для предотвращения появления временной задержки и снижения время переключения передач агрегат оборудуется вторым сцеплением и другим валом. Это привело к созданию преселективной коробки. Во время включения первой скорости вторая готова к активации, поскольку второе сцепление уже задействовано. Когда на агрегат поступает сигнал от управляющего модуля, происходит быстрое переключение с первой скорости на вторую.

Аналогично выполняется последующее переключение на более высокие и низкие скорости во время движения. Временной интервал при переключении минимальный. Любые перегазовки исключаются, также нет провала тяги двигателя и других нюансов. В результате автомобиль едет динамично, а экономия потребления горючего максимальная. Функционирование в режиме автомата достигается благодаря регулярному анализу микропроцессорного модуля импульсов, подающихся с внешних контроллеров.

При получении сигналов и их отправке микропроцессор учитывает:

  • величину нагрузки на силовой агрегат;
  • скорость езды;
  • положение, в котором находится педаль газа.

Роботизированные коробки обладают возможностью ручного переключения скоростей, эту особенность можно назвать имитацией гидромеханического автомата. Некоторые типы агрегатов позволяют выполнить блокировку при активации повышенной скорости.

Блок-схема функционирования роботизированной системы I-Shift на автомобилях Хонда

Режимы работы

Микропроцессорный модуль может функционировать в нескольких режимах:

  1. Спорт. Обычно его активация производится при движении на трассе, когда автомобиль стабильно едет на повышенной скорости.
  2. Городской режим. Активируется при движении по городу либо стоянии в пробке.
  3. Эконом. Позволяет максимально сэкономить топливо. Но скорость езды будет минимальной.

Как научится ездить на роботизированной коробке передач? Основные особенности управления

Чтобы не допустить появления неисправностей в работе трансмиссии, надо знать, как пользоваться роботом, а именно:

  • как выполнять прогрев агрегата;
  • как правильно начинать движения;
  • как пользоваться трансмиссией при эксплуатации авто в режиме города.

Прогрев роботизированной коробки переключения передач и особенности эксплуатации

Многие производители авто утверждают, что роботизированные агрегаты не нуждаются в прогреве. Но в этом вопросе надо учитывать температуру рабочей жидкости в смазочной системе, а также как масло ведет себя в условиях мороза. Некоторые типы расходных материалов при низких температурах загустевают и собираются в нижней части агрегата. По стандарту процесс прогрева состоит в запуске двигателя и выжидании 2-3 минут. При прогреве автомобиля не нужно трогать рычаг КПП.

Если автомобиль находится в гараже, то выгонять его нужно спокойно и плавно, чтобы не допустить толчков и рывков. При прогреве надо следить за количеством оборотов, их число в идеале будет минимальным и составит около 1 тысячи в минуту. Выполнять прогрев агрегата следует и летом, благодаря этому все составляющие компоненты робота будут качественно смазаны. Выполнение прогрева позволит не допустить быстрого износа и стирания компонентов агрегата.

Основные особенности эксплуатации, которые позволят увеличить ресурс работы агрегата в целом:

  1. Нельзя допустить буксования при езде в мороз. Это приведет к быстрому износу исполнительных механизмов и узлов. Регулярное буксование станет причиной разкалибровки агрегата.
  2. Специалисты не советуют часто ездить по сильно заснеженным поверхностям. Транспортное средство может застрять, что в итоге станет причиной пробуксовок.
  3. В качестве зимней резины рекомендуется использовать изделия, оснащенные шипами. При установке на колеса обычных шин есть вероятность пробуксови на гололеде.
  4. При длительных простоях, составляющих несколько дней и более, селектор коробки передач рекомендуется устанавливать в положение Е. Мотор должен быть заглушен.
  5. Если состояние дороги плаченое, специалисты советуют начинать движение со второй скорости, но при этом сильно не газовать.

Об основных принципах управления роботизированной КПП на примере Лады Гранты рассказал Алексей Рыков.

Правила правильного старта на коробке робот

Владельцам машин, оборудованных роботизированными КПП, надо учитывать, что некоторые транспортные средства не имеют дополнительной опции помощи при старте. В частности, речь идет о начале движения на возвышенности, в гору. Поэтому важно правильно научиться трогаться с места. Процедура троганья выполняется так же, как на машине с механическим агрегатом.

Более подробно о начале езды:

  1. Рычаг стояночного тормоза должен быть поднят.
  2. Рычаг коробки передач устанавливается в режим А.
  3. Водитель легко, без усилий жмет на газ.
  4. Одновременно с этим отключается рычаг стояночного тормоза.

Если при начале езды на улице минусовая температура и высокая влажность, селектор коробки можно перевести в положение М1. Сила воздействия на педаль газа должна быть допустимой, чтобы не произошла перебуксовка. Если машина оборудована гироскопом, то при выборе автоматического режима микропроцессор агрегата сам выберет необходимую скорость и будет выполнять переключение. Это позволит переключаться скоростям на понижение. Если водитель опытный, то с учетом ситуации он может установить режим М при фиксации установленной передачи.

Если изначально устанавливается скоростной режим, то скорость передвижения не рекомендуется менять. Количество оборотов двигателя должно составить от 2500 до 5000 в минуту, но не за пределами этого диапазона. При начале езды на спуске селектор трансмиссии устанавливается в режим А и отключается рычаг ручного тормоза.

Эксплуатация роботизированной коробки передач в городских условиях

Регулярная эксплуатация автомобиля в режиме города и пробок может привести к быстрому износу компонентов трансмиссии. Для предотвращения этого при остановке машины следует переводить рычаг коробки передач в режим N. Затем производится активация стояночного тормоза и остановка мотора. Если остановки кратковременные, к примеру, в условиях пробок, то режим нейтрали можно не включать, достаточно остановиться, когда рычаг установлен в режим А. Если автомобиль простоит в пробке больше одной минуты, то двигатель надо будет остановить.

О тонкостях использования машин с установленным роботом рассказал Василий Костин.

Преимущества

Плюсы роботизированных агрегатов:

  1. Надежность конструкции агрегата в целом. В основе устройства лежит механическая составляющая, которая прошла многочисленные испытания и изучена специалистами. Благодаря этому по надежности данный тип КПП лучше, чем обычные автоматы и вариаторы.
  2. Эксплуатация автомобиля с установленным роботизированным агрегатом позволяет сэкономить горючее. Если коробка и двигатель машины не изношены, то экономия горючего может быть до 30%.
  3. Для заправки в роботизированный агрегат требуется меньше смазочной жидкости, в среднем это не более трех литров. Для сравнения — в вариаторные коробки заливается около семи литров. Такое преимущество позволяет сэкономить финансовые средства.
  4. Количество передач в роботах соответствует числу скоростей на механике.
  5. Благодаря тому, что основу КПП составляет механическая часть, это позволяет выполнить простой ремонт. Навыками подобного ремонта владеют многие специалисты, чего не скажешь о вариаторных агрегатах. Большинство распространенных неисправностей можно решить самостоятельно при правильном подходе.
  6. Срок службы системы сцепления больше, чем на механических КПП, примерно на 40%. Речь идет не только об экономии финансовых средств, но и о безопасности.
  7. При эксплуатации авто в городских условиях начать движение без нагрузки на агрегат позволяет функция переключения скоростей в ручном режиме.

Недостатки

Роботизированные КПП имеют не только плюсы, но и минусы, они приведены в соответствии с отзывами владельцем машин с РКПП:

  1. Основной минус в РКПП заключается в проблемах при программировании трансмиссии. Автовладельцу может быть затруднительно перепрограммировать программное обеспечение, чтобы повысить динамику машины и сэкономить ресурсы агрегата. Поэтому возникают сложности с настройкой трансмиссии под определенный стиль езды. Водителю потребуется время, чтобы привыкнуть к манере функционирования авто для удобной эксплуатации.
  2. Низкая скорость активации скоростей и замедленная реакция агрегата. Это обусловлено издержками в программировании устройства. Данная проблема характерна и для многих автоматических КПП.
  3. При езде в условиях города и пробок, а также по неровным дорогам водителю следует переходить на ручной режим управления. В противном случае элементы системы сцепления изнашиваются быстрее. Это отражается и на ресурсе эксплуатации агрегата в целом.
  4. Во время переключения скоростей ощущаются рывки и толчки. Не на всех агрегатах, но на многих. Это связано с тем, что газ не сбрасывается перед тем, как произойдет переключение скорости. Для ликвидации данной проблемы можно не выжимать полностью педаль газа.
  5. При движении в гору может разомкнуться сцепление. Проблема связана с перегревом трансмиссионного агрегата. Если автомобиль движется на подъем, рекомендуется переходить на ручное управление.

Решить проблему с перепрограммированием можно путем замены прошивки микропроцессора, но это надо делать, когда закончится срок гарантийного обслуживания.

Каналом HPC представлен реальный негативный отзыв потребителя о работе роботизированного узла на авто.

Отличие роботизированной коробки передач от автоматической

Основные отличия роботизированных трансмиссий от автоматических агрегатов:

  1. Конструктивные особенности. Робот представляет собой механический агрегат, оборудованный управляющим микропроцессорным устройством. Автоматические КПП имеют свое устройство. В него также входит электронный модуль, но механической составляющей в автоматах нет.
  2. Автоматические трансмиссии выигрывают у роботизированных агрегатов в плане быстроты переключения скоростей. Также на автоматах процедура переключения выполняется более плавно.
  3. Роботизированные устройства обладают опцией ручного переключения. На автоматических агрегатах возможности ручного управления нет.
  4. Автомобили, оборудованные роботизированным агрегатом, потребляют меньше горючего. Для их заправки требуется меньше смазочной жидкости.
  5. Процедура ремонта и обслуживания коробок передач робот обойдется потребителю дешевле, нежели АКПП.

Актуальность коробки робот в России

Российские производители автомобилей почти не устанавливают роботизированные агрегаты на свои продукты. В 2015 году руководство автоконцерна ВАЗ заявило, что модели машин Лада Приора будут оснащаться роботизированными КПП. Общий вес устройства составляет примерно 35 кг. Сам агрегат адаптирован под отечественные дороги, а также погодные условия, характерные для климата России.

К примеру, автоматы могут отказать в запуске мотора авто, если температура упадет ниже -25 градусов. Роботизированные агрегаты смогут эффективно функционировать и заводить ДВС при -40 градусах. Производитель АвтоВАЗ дает гарантию на три года на КПП, но утверждает, что в среднем срок службы устройства составит около десяти лет. Такой шаг был сделан представительством концерна для увеличения продаж автомобилей Лада Приора.

Сегодня из отечественных автомобилей роботизированные КПП устанавливаются только на Лады Гранты и Приоры.

Официальный канал Лада представил сюжетный ролик о производстве роботизированных агрегатов для автомобилей Лада Гранта.

Советы по выбору роботизированной коробки передач

Перед покупкой транспортного средства с РКПП надо собрать максимум информации о функционировании конкретного типа трансмиссии. Рекомендуется изучить отзывы потребителей, поскольку отдельные варианты роботов обладают «глюками», характерными для всей линейки. В частности, надо узнать о временном интервале при переключении передач. Лучше отдать предпочтение вариантам, в которых процедура переключения выполняется максимально быстро.

Выбирая авто, надо учесть и параметр индивидуальности устройства. Одинаковые трансмиссии могут различаться между собой. Проблемы, связанные с работой агрегата, часто можно удалить посредством перепрошивки микропроцессорного блока.

Основные неисправности в работе роботов

Симптомы, которые могут сообщить о неполадках в работе устройства:

  1. На контрольном щитке появился сигнализационный индикатор. Это может быть лампочка Чек Энджин или специальный символ, сообщающий о проблемах в работе коробки передач.
  2. При езде водитель слышит посторонние звуки. О неполадках в работе трансмиссии могут сообщить нехарактерный вой или жужжание.
  3. Отсутствует реакция при нажатии на газ. Обороты двигателя не увеличиваются либо увеличиваются, а скорость движения не растет.
  4. Появление масляной лужи под автомобилем. Это свидетельствует об утечке расходной жидкости из агрегата.
  5. Происходит буксовка системы сцепления.
  6. Когда водитель жмет на газ и делает это плавно либо при переключении скоростей, появляется толчок или рывок.
  7. Трансмиссионный узел сам по себе прекращает функционировать, автомобиль останавливается и не двигается.

Большая часть неполадок обусловлена некорректной работой микропроцессорного устройства. Если говорить о механических проблемах, то большая часть из них связана с износом составляющих элементов. Такие детали обычно ремонту не подлежат и меняются.

Механические неполадки:

  • износ вилки, предназначенной для выбора скорости;
  • подшипниковые устройства качения изнашиваются, из-за этого может наблюдаться гул.

Фотогалерея

Фото роботов от разных автопроизводителей приведены в этом разделе.

Видео «Как не допустить быстрого выхода из строя роботизированной КПП»

Пользователь JoRick Revazov рассказал о вещах, которые нельзя делать с роботизированным узлом на автомобиле.

 Загрузка ...

Как правильно управлять роботизированной коробкой передач

На современных автомобилях используется несколько видов коробок передач – механическая, автоматическая, вариаторная. Механическая коробка отличается своей надежностью, но требует от водителя навыков управления. Автоматическая же значительно проще в управлении, но более «капризна» в техническом плане. Недавно же конструкторы выпустили еще один тип КПП – роботизированная. В ней они постарались соединить воедино надежность «механики» с удобством «автомата». И это у них получилось – все больше автопроизводителей комплектуют свои авто роботизированной коробкой передач.

Немного об устройстве

Суть такой коробки достаточно проста – имеется механическая КПП и электронный блок ее управления. У РКПП все функции, которые должен был выполнять водитель с механической коробкой (выжим сцепления, перевод рычага коробки в нужное положение) выполняется актуаторами – сервоприводами электронного блока.

Благодаря этому надежность КПП возросла за счет использования классической «механики» и возросло удобство ее пользования. Водителю всего лишь необходимо переводить селектор в нужное положение (как в автоматической КПП) и наслаждаться ездой, а электронный блок позаботится о том, чтобы выполнялось переключение передач.

Устройство роботизированной коробки передач

При всем этом многие роботизированные коробки оснащаются еще и ручным управлением, что позволяет управлять водителю коробкой самостоятельно, с единственным отличием – нет необходимости выжимать сцепление.

Особенности управления

Некоторые режимы работы РКПП получила от автоматической коробки, а именно:

  • «N» — нейтраль. Режим, при котором крутящий момент на колеса от КПП не передается. То есть двигатель работает, на коробку передается вращение, но из-за положения шестерен на колеса оно не передается. Используется при длительной стоянке авто, перед началом движения, после остановки;
  • «R» — движение задним ходом. Здесь все просто, водитель переводит селектор в это положение и авто движется назад.

Другие же режимы роботизированной коробки имеют свое обозначение:

  • «А/М» или «Е/М» — движение вперед. Этот режим соответствует режиму «D» автоматической коробки, то есть автомобиль движется вперед, а КПП производит переключение передач. В режиме «М» выполняется ручное управление. Переводом селектора в определенный паз выбирается необходимый режим;
  • «+», «-» — переключатель передач. Кратковременные переводы селектора в сторону «+» или «-» обеспечивают переключение передачи при ручном режиме управления «М».

Требуется ли прогрев коробки?

Вроде все просто, и ничего сложного в управлении такой коробки нет – достаточно перевести селектор в нужное положение, и начать движение. И все же следует знать, как управлять коробкой робот, чтобы она работала без проблем.

Начнем с интересного вопроса – нужно ли прогревать КПП перед началом движения зимой? Для автоматической коробки в зимний период прогрев обязателен и выполняется он кратковременным переводом селектора во все положения.

Роботизированная коробка, по сути, механическая и не требует прогрева. И все же зимой перед началом движения прогреть РКПП следует, хотя это не совсем прогрев. Во время стоянки масло в коробке стекает вниз и из-за мороза загустевает. Поэтому рекомендуется зимой после запуска мотора дать время, чтобы масло скорее не прогрелось, а просто растеклось по элементам коробки, снижая между ними трение. Достаточно просто постоять пару минут с заведенным мотором, при этом селектор переводить в разные режимы не нужно, достаточно держать его в положении «N». После этого движение нужно начинать плавно, без резких рывков и проехать так хотя бы 1 км, что обеспечит полный прогрев масла.

Начало движения на подъем, его преодоление, спуск

Многие автомобили с РКПП не оборудованы системой помощи старта на подъем, поэтому правильно начинать движение нужно научиться самому водителю. При старте на подъем с роботизированной коробкой необходимо поступать, как и с «механикой». Для начала движения селектор переводится в режим «А», плавно нажимается акселератор и одновременно авто снимается с ручника. Такое действие исключит откат авто назад. Одновременно жать на газ и снимать с ручника следует потренироваться, чтобы водитель чувствовал двигатель и понимал, когда сцепление начало включаться и можно снимать с ручника.

При начале движения на подъем в зимний период лучше использовать ручной режим, при этом устанавливать первую передачу. Сильно газовать не стоит, чтобы не было пробуксовки колес.

При движении на подъем при выбранном автоматическом режиме коробка самостоятельно начнет переходить на пониженные передачи, что является вполне логичным, ведь при повышенных оборотах преодолеть подъем легче. Такая КПП оснащена гироскопом, который определяет положение автомобиля, и если датчик показывает подъем, то коробка буде работать соответственно. Можно совершать движение и в ручном режиме, зафиксировав определенную передачу. Важно понимать, что РКПП не даст двигаться в натяг, поэтому при подъеме обороты двигателя должны быть не меньше 2500 об/мин.

При спуске же никаких действий от водителя не требуется. Достаточно перевести селектор в положение «А», и снять ручник. При этом авто будет производить торможение мотором.

Остановка, парковка

И третий немаловажный вопрос – правильность парковки и остановки. После полной остановки авто, селектор необходимо перевести в нейтраль «N», поставить на ручник и после заглушить двигатель. При кратковременных остановках перевод селектора в нейтраль необязателен, вполне можно оставаться и на режиме «А». Но стоит учитывать, что при остановке сцепление остается выжатым. Поэтому в пробке или на светофорах, когда остановка затягивается по времени, все же следует переходить на нейтраль.

Другие режимы

Это основные правила, как управлять роботизированной коробкой. Но есть и другие особенности, к примеру, некоторые РКПП имеют дополненные режимы – спорт и зимний, так называемая «снежинка».

«Снежинка» направлена на то, чтобы как можно плавнее и без пробуксовок начать движение на обледенелой дороге. Все что она делает, это обеспечивает начало движения сразу со второй передачи и более плавные переходы на повышенные передачи.

Режим «спорт» производит переход на повышенные передачи при больших оборотах, чем в обычном режиме. Это позволяет быстрее ускоряться. То есть, если при обычном режиме переход на 2 передачу выполнялся, к примеру, при 2500 об/мин, то в режиме «спорт» этот переход будет осуществляться при 3000 об/мин.

Теперь о возможности перехода из автоматического режима в ручной и обратно во время движения. Роботизированная коробка без проблем позволяет это делать. Также позволяется самостоятельно понижать или повышать передачу для изменения скорости движения. Но стоит учитывать, что полностью управление коробкой электронный блок не передаст, он будет постоянно контролировать работу.

Поэтому если водителю вздумается перейти, к примеру, на две передачи вниз, то электронный блок сделать это даст, но при этом проконтролирует обороты двигателя и если они не будут соответствовать выбранной передачи, электроника самостоятельно выполнит переход на допустимую передачу – сработает так называемая «защита от дурака».

Здесь все просто – электронный блок запрограммирован так, что каждой передаче соответствует определенный диапазон оборотов двигателя. И если выбранная вручную передача соответствует своему диапазону, то коробка выполнит переключение, а если нет – включит необходимую скорость.

Полезные советы

Напоследок некоторые рекомендации по эксплуатации и обслуживанию роботизированной коробки.

Такая коробка «не терпит» резких нажатий на педаль газа, поэтому лучше осуществлять движение в спокойном режиме. Даже при необходимости ускориться — лучше жать на акселератор плавно, при этом стоит перейти в ручной режим. А при торможении следует наоборот – переходить в автоматический режим.

Особенностью РКПП является наличие небольших толчков при переключении передач. От них можно избавиться достаточно просто – при переключении передач сбрасывать обороты двигателя, то есть действовать по аналогии с обычной механической коробкой.

Наличие ручного режима позволяет даже выполнять выезд «враскачку» в случае, если авто застряло в сугробе. Но при этом на пользу КПП это не пойдет, так как буксовать на РКПП не рекомендуется, это может привести к декалибровке исполнительных механизмов. Поэтому застрявшее авто все же лучше извлекать с привлечением сторонней помощи.

Обязательно при каждом ТО делать инициализацию и проводить диагностику состояния РКПП, что позволит устранить все неисправности коробки еще на раннем этапе.

Есть и другие мелкие особенности таких коробок, которые зависят от изготовителя. Ими лучше сразу поинтересоваться, чтобы в дальнейшем не возникло недоразумений с эксплуатацией роботизированной коробки.

что это такое, отличия от акпп, плюсы и минусы

Существует 4 вида коробок переключения передач (КПП). Доля автомобилей с роботизированной коробкой передач, классическим автоматом и вариатором на дорогах постоянно растет, ведь все больше автолюбителей отказываются от ручной механики. Коробки передач, работающие без участия человека, постоянно совершенствуются. Их качество, скорость реакции на дорожные события, плавность действий становятся лучше, а любая поездка комфортнее.

С роботизированной коробкой передач намного удобнее.

Что такое роботизированная коробка передач

Роботизированная коробка передач (РКПП, или робот) — это часть трансмиссии транспортного средства. Иногда ее путают с автоматической коробкой, но они отличны друг от друга. РКПП состоит из механической КПП, автоматических переключателей электрического или гидравлического типа (актуаторы) и блока управления этими переключателями (ЭБУ). То есть сама коробка — механика, автоматическим является только управление ее работой.

Для водителя РКПП выглядит почти как АКПП. Под рукой нет рычага переключения скоростей (на некоторых моделях вместо него ручка селектора), а под ногами — педали сцепления. Во время езды передачи переключаются в автоматическом режиме.

Как она работает

Механической коробкой передач, снабженной диском сцепления с маховиком двигателя, управляет робот. Алгоритм, заложенный разработчиками в ЭБУ, реагирует на показания датчиков, подавая команды сервоприводам.

Это выглядит так:

  • водитель давит на педаль газа;
  • повышаются обороты двигателя, автомобиль ускоряется;
  • по достижении заложенных в программу значений срабатывают актуаторы сцепления и вилки переключения;
  • происходит включение повышенной передачи.

Если водитель продолжает ускорение, то на следующих запрограммированных оборотах двигателя и скорости движения ЭБУ снова подает сигнал и актуаторы опять переключают передачу.

По тому же принципу во время торможения передачи переключаются с высоких на пониженные. Высокопродуктивные процессоры позволяют создавать сложные программы, имитирующие поведение человека в разных ситуациях. И чем они сложнее, тем динамичнее и комфортнее езда.

Особенности РКПП

Работа роботизированной коробки передач.

Приводы переключения скоростей на роботах оснащаются либо электрическими моторчиками, либо поршневой гидравлической системой. Но выполняют они одну и ту же задачу — передвигают синхронизаторы шестеренок вторичного вала и выжимают сцепление.

Главное отличие в том, что гидравлика работает быстрее и мягче. Но она более дорогая в производстве, поэтому такими РКПП снабжены в основном автомобили высокого класса. Самой востребованной является DSG от немецкого концерна Volkswagen.

ЭБУ для коробок делают и отдельным, и совмещенным с блоком управления ДВС. Последний вариант наиболее целесообразен, если алгоритм управления робота учитывает показания тех же систем, что и управление двигателем, например ABS или ESP.

Устройство сцепления в роботе

Роботизированные коробки по методу взаимодействия с двигателем бывают двух типов:

  • однодисковые;
  • двухдисковые (используют два сцепления, включаемые попеременно).

Однодисковая коробка ничем не отличается от механической. В ней есть первичный и вторичный валы.

Первичный соединен с диском сцепления. Вторичный вал передает крутящий момент непосредственно на колеса. Оба вала взаимодействуют посредством шестерней разного диаметра. Переключение происходит в тот момент, когда выбранная для нужной передачи шестерня на вторичном валу блокируется. В РКПП это делают электрические манипуляторы, получающие сигнал от ЭБУ. Гидравлические приводы-манипуляторы на однодисковых коробках используются крайне редко.

Двухдисковые имеют два ведущих первичных вала, каждый из которых соединен со своим диском сцепления. Один вал отвечает за четные передачи, а второй — за нечетные и заднюю. Такое техническое решение позволило делать включение выбранной передачи более плавным. Синхронизаторы приводов работают попеременно. В момент перехода на одном валу с 1 на 2 передачу ЭБУ уже дает сигнал на подготовку к включению 3. Поэтому их еще называют преселективными, т. е. с предварительным выбором. В результате сам процесс переключения ускоряется до 0,2 и менее секунд.

Некоторые производители так настраивают работу актуаторов и алгоритмы, что робот функционирует не хуже человека.

Режимы работы

Управление водителем коробкой передач сводится к выбору режима селектором:

  1. Нейтраль обозначается «N». В этом режиме двигатель работает, но крутящий момент на колеса не передается. Включать перед началом движения, после остановки, при длительной стоянке.
  2. Движение вперед обозначается «А/М», «Е/М» или «D». Включив этот режим, отпускают педаль тормоза и нажимают педаль газа. Машина движется вперед, автоматически переключая скорости в зависимости от ускорения или торможения.
  3. Ручное управление обозначается «М». Автомобиль движется вперед, водитель самостоятельно переключает скорости, нажимая подрулевые лепестки или селектор в положения «+» или «-». При этом переключение происходит только на одну ступень.
  4. Движение задним ходом обозначается «R». Выбрав этот режим, можно ехать назад.
  5. На некоторых РКПП возможно наличие режимов «зимний» и «спортивный».
Понятие роботизированной коробки передач.

Есть также и свои особенности при езде, к которым водитель должен привыкнуть, иначе будет попадать в неприятные ситуации.

Это следующее:

  1. Езда в автоматическом режиме подразумевает дороги с хорошим твердым покрытием. Заехав летом в грязь, а зимой в рыхлый глубокий снег, рискуете забуксовать. Алгоритм станет выдавать ошибочные команды, и передачи будут включаться некорректно. Такие ситуации повышают износ деталей и механизмов, что увеличивает риск поломок.
  2. Педаль газа нужно нажимать плавно, ни в коем случае нельзя ее давить в пол. Нужно следить за оборотами двигателя, фиксируя моменты переключения скоростей, и избегать перегазовки.
  3. Если на авто отсутствует функция помощи при трогании в подъем, нужно поступать так же, как при пользовании ручной КПП, — использовать стояночный тормоз для предотвращения отката назад.
  4. При длительных остановках (больше 60 секунд) на запрещающий сигнал светофора или в пробке нужно переключать селектор в положение «нейтраль».
  5. Для длительной остановки на парковке сначала переводят селектор в «нейтраль», затем включают стояночный тормоз, после чего отпускают педаль тормоза и глушат двигатель.
  6. Каждый производитель указывает, с какой частотой по пробегу нужно проводить перекалибровку ЭБУ (ее еще называют инициализацией или обучением). Это нужно делать из-за износа диска сцепления. Следует проводить процедуру каждые 10000-15000 км.
  7. Зимой, при низких температурах воздуха, прогрев коробки занимает ровно столько времени, сколько его потребуется на прогрев двигателя.

Основные отличия РКПП от АКПП

Оба вида трансмиссии выполняют одну функцию — освобождают водителя от необходимости переключения передач во время движения автомобиля.

Но из-за того, что конструктивно это разные механизмы, в эксплуатации и обслуживании они отличаются друг от друга:

  1. В АКПП частью рабочего механизма является жидкость ATF. В РКПП для смазки механических узлов присутствует масло, но его в несколько раз меньше по объему. Кроме того, его надо гораздо реже менять.
  2. Автомобиль с роботом динамичнее в движении и потребляет меньше топлива. Потому что масса и габариты автомата превосходят те же показатели у робота, а переключения скоростей в РКПП происходят быстрее.
  3. На машине с АКПП ездить гораздо комфортнее, потому что передачи переключаются плавно, а роботизированная коробка не может так гасить рывки.
  4. Износ фрикционов идет медленнее, чем стирание диска сцепления.
  5. На роботизированной коробке можно переключиться на ручное управление. Оно не полное, потому что переключение производится только на одно положение и нельзя перейти, например, со 2 сразу на 4. Но автомат не дает водителю и такой возможности.

Плюсы и минусы

Широкое распространение роботизированные коробки передач получили благодаря своим достоинствам. Однако у них есть и недостатки, о которых лучше знать до покупки автомобиля, чтобы быть к ним готовым.

Схема работы системы SensoDrive.

Преимущества:

  1. Время разгона до 100 км/ч при аналогичности других параметров почти не отличается от времени разгона на ручной коробке.
  2. Расход топлива сопоставим с расходом на автомобилях с РКПП и до 30% ниже, чем на моделях с автоматическими коробками.
  3. Диск сцепления изнашивается медленнее, чем при ручном переключении.
  4. Робот работает аккуратнее человека, поэтому валы и шестерни коробки будут изнашиваться меньше, а служить дольше, чем в ручной механике.
  5. Стоимость ремонта и обслуживания в среднем ниже, чем у АКПП.

Отрицательные моменты:

  1. Во время движения при включении скоростей могут ощущаться рывки и дерганье.
  2. Алгоритм, заложенный в ЭБУ, не обладает реакцией человека на ситуации, возникающие во время движения. Поэтому могут возникать ошибки, когда необходимо экстренно разогнаться или затормозить.
  3. Роботу для принятия решения нужны более «длинные» передачи, а для сохранения динамики при этом необходим более мощный двигатель.
  4. Если нет системы помощи при подъеме, то во время начала движения «в гору» возможен откат автомобиля назад.
  5. Невозможность «прошивки» блока управления. Алгоритм переключения передач — это разработка производителя, которая корректировке не подлежит.
  6. Движение в пробках плохо сказывается на узлах и механизмах коробки, приводя их к раннему разрушению.

Признаки неисправности

Как и любой механизм, роботизированная коробка подвержена износу во время работы и может ломаться. Неисправности делятся на механические и блока управления. Каждая имеет свои проявления.

Признаки механических поломок:

  • пробуксовка во время движения по ровному твердому дорожному полотну говорит об износе диска сцепления;
  • если не переключаются передачи, это может говорить о поломке актуаторов;
  • посторонние шумы во время движения могут быть вызваны целым рядом причин, и для выявления поломки следует провести диагностику узлов и механизмов;
  • усиление рывков во время переключения передач может происходить из-за износа и разрушения зубчатых соединений на валах коробки, износа вилок выбора шестеренок;
  • загоревшаяся лампа Check Engine на панели приборов говорит о необходимости компьютерной диагностики.

Признаки ошибок в ЭБУ:

  • сбивается режим работы робота, переключения передач происходят некорректно и не вовремя;
  • рывки во время включения передач становятся сильнее;
  • при выборе селектором положения движения вперед или назад машина не едет;
  • загорается контрольная лампочка Check Engine.

Чтобы разобраться, из-за чего возникли неприятности, нужно провести правильную диагностику с применением специального оборудования.

Актуальность коробки в России

Автомобили с коробками-роботами у наших автолюбителей пользуются хорошим спросом. Опросы показывают, что доля россиян, готовых купить авто с РКПП, колеблется в пределах 15-20%. При этом надо отметить, что доля желающих пользоваться классическим автоматом все же в 2 раза выше.

В крупных городах платежеспособные слои населения выбирают АКПП из-за более комфортной езды и гораздо меньших проблем, связанных с эксплуатацией в условиях частых пробок на дорогах. Притом цены на автомат и хороший преселективный агрегат находятся на одном уровне. Но, если цена на горючее будет продолжать расти, многие предпочтут авто с РКПП (как более дешевый в эксплуатации), особенно когда поездки не ограничиваются маршрутом работа-дом.

РКПП — роботизированная коробка передач, «робот»

РКПП — роботизированная коробка передач (коробка «робот), которая позволяет выбирать и включать необходимую передачу без участия водителя, то есть автоматически. При этом ошибочно полагать, что роботизированная трансмиссия является одной из разновидностей АКПП (гидромеханический автомат).

Прежде всего, чтобы понять, что такое роботизированная коробка передач, для начала необходимо вспомнить устройство и принцип работы обычной механической коробки (МКПП). Так вот, фактически роботизированная коробка является той же «механикой», однако автоматическое переключение передач в данном типе КПП становится возможным благодаря наличию боков управления и электронно-механических исполнительных устройств.

Устройство, особенности и принцип работы роботизированной коробки передач

Как уже было сказано выше, РКПП состоит из механической коробки передач, а также дополнительных устройств для выжима сцепления, выбора и переключения передачи. Данные устройства называются актуаторами (актуатор сцепления, актуатор выбора передачи). Также коробка «робот» имеет собственную систему управления, которая представляет собой ЭБУ коробкой и ряд электронных датчиков, взаимодействующих с блоком.

Получается, данный тип КПП представляет собой механическую коробку с автоматическим управлением и принципиально отличается от классического «автомата», а также бесступенчатого вариатора.

Роботизированная КПП, как и обычная МКПП, имеет сцепление, в ней не используется трансмиссионная жидкость ATF в качестве рабочей для управления и т.д. Добавим, что в современных «роботах» может быть как одно, так и два сцепления. В первом случае следует понимать однодисковый «робот», а во втором преселективную роботизированную коробку передач с двумя сцеплениями.

Если говорить об устройстве коробки — робот, можно выделить следующие базовые составные элементы:

  • Коробка передач, которая по устройству напоминает «механику;
  • Актуаторы (сервоприводы), отвечающие за выжим сцепления и включение передачи;
  • Блок управления коробкой (микропроцессорный ЭБУ) и внешние датчики;

Давайте рассмотрим устройство РКПП на примере 6-и ступенчатой роботизированной коробки передач с двумя сцеплениями. Сама коробка похожа на МКПП, однако имеет сразу два ведущих вала. Если просто, эти валы расположены друг в друге (внешний вал имеет внутреннюю полость, куда вставлен еще один внутренний первичный вал).

На внешнем валу установлены шестерни привода 2, 4 и 6 передачи. На внутреннем валу ставятся шестерни 1, 3, 5 передачи, а также передачи заднего хода. Для каждого из валов имеется отдельное сцепление.

Актуаторы роботизированной коробки представляют собой электрические или гидросервоприводы. Электрический актуатор -электромотор с редуктором, гидравлический является гидроцилиндром, шток которого связан с синхронизатором. Главной задачей как первого, так и второго типа устройств становится механическое перемещение синхронизаторов КПП, а также включение и выключение сцепления.

Блок управления коробкой передач является микропроцессорным ЭБУ, к которому подключены внешние датчики, которые задействованы в ЭСУД автомобиля. Другими словами, контроллер коробки передач взаимодействует с датчиками от двигателя, а также ряда других систем (например, ABS и т.д.). Часто блок управления коробкой совмещен с ЭБУ двигателем, при этом коробка работает по собственному заданному алгоритму.

Как работает роботизированная коробка передач

Что касается принципов работы РКПП, для начала движения и дальнейшего плавного переключения передач необходимо задействовать сцепление (как и в МКПП). Включение сцепления реализует актуатор, который получает сигнал от ЭБУ коробкой и начинает медленно вращать редуктор.

В коробке с двумя сцеплениями сначала включается первое сцепление внутреннего первичного вала. Далее актуатор выбора и включения передачи подводит синхронизатор к шестерне первой передачи. В результате шестерня блокируется на валу и начинает вращаться вторичный вал.

После того, как автомобиль начал движение, водитель продолжает нажимать на педаль газа для разгона. В однодисковых роботах с одним сцеплением для включения второй передачи требуется некоторое время, в результате чего возникает характерный «провал».

Чтобы избавиться от такой задержки и сократить время переключений в конструкцию коробки добавили второе сцепление и еще один вал. В результате появилась так называемая преселективная роботизированная КПП.

Если просто, пока включена первая передача, вторая уже также готова к включению, так как одновременно задействовано второе сцепление. Получается, после сигнала от микропроцессорного блока быстро сработает включение второй передачи.

Подобным образом происходит переключение на последующие высшие передачи, а также понижение передач при езде. При этом время переключения минимально и занимает доли секунды, исключены перегазовки, практически отсутствует разрыв тяги и т.д. Результат — динамичная езда и максимальная топливная экономичность.

Работа в автоматическом режиме становится возможной благодаря тому, что ЭБУ коробкой постоянно анализирует сигналы с внешних датчиков. Блок учитывает нагрузку на ДВС, скорость движения ТС, положение педали газа, пробуксовку колес и т.д.

Также РКПП имеют возможность ручного переключения передач, имитируя работу гидромеханической АКПП в ручном режиме (например, Типтроник). Еще на некоторых «роботах» можно заблокировать включение повышенных передач.

Простыми словами, водитель при помощи селектора выбирает режим, при котором ЭБУ коробкой не будет инициировать включение, например, 3 передачи и выше, что помогает преодолевать сложные участки пути (снег, гололед, грязь и т.д.).


Преимущества и недостатки коробки — робот

Сегодня коробка-робот является достаточно распространенным решением. Например, концерн VAG активно устанавливает подобные коробки, которые знакомы потребителям, как DSG, на разные модели Audi, Volkswagen, Porsche, Skoda и т.д. Также роботизированную трансмиссию массово ставят на модели Ford, Mitsubishi, Honda и машины целого ряда других мировых производителей.

На первый взгляд может показаться, что РКПП имеет только плюсы: надежность и ремонтопригодность «механики», быстрота переключений, топливная экономичность, возможность выдерживать большой крутящий момент и т.д.

При этом по заверениям самих производителей РКПП должны в скором времени полностью вытеснить «классические» АКПП с гидротрансформатором и вариаторные коробки. Однако на практике этого не произошло.

Дело в том, что в плане комфорта работа «однодисковых» роботизированных коробок (с одним сцеплением) далека от АКПП и, тем более, от бесступенчатого вариатора. Автомобиль с такой коробкой дергается при езде, переключения «затянуты», имеются провалы и т.п.

Также ресурс сцепления на «роботе» и актуаторов достаточно низкий (в среднем, около 80-100 тыс. км.). При этом стоимость актуаторов высокая, а ремонтопригодность данных элементов сомнительная. По этой причине многие сервисы практикуют узловую замену, то есть актуатор просто меняется на новый.

Что касается более сложных и дорогих преселективных коробок с двумя сцеплениями, переключения в этом случае более плавные и больше напоминают работу обычной АКПП. Однако ресурс такого «робота» (например, DSG 6 или DSG 7) все равно снижен, нередко возникают проблемы по части механики и электроники, а ремонт в ряде случаев потребует значительных расходов.

В качестве итога отметим, что многие автопроизводители, особенно из Японии, начали постепенно отказываться от установки коробки-робот на свои модели, заменяя ее классической АКПП с гидротрансформатором (ГДТ).

Например, Hondа Civic 8 хэтчбек, который изначально выпускался с РКПП, но в дальнейшем после рестайлинга получил полноценный «автомат». То же самое можно сказать о популярной Toyota Corolla 2007 года, которая позднее получила вместо «робота» автоматическую гидромеханическую коробку.


LADA VESTA показала себя на тест-драйве — Российская газета

Новая модель АВТОВАЗа LADA Vesta встряхнула российскую автомобильную среду, нарушив монотонное бурчание о просевшем рынке, падении продаж и уходе иностранных марок. Главное же - удивив обывателя своим внешним обликом и "начинкой" - уже очень давно не приходилось слышать столько лестных оценок в адрес продукции отечественного автопрома.

"РГ" испытала на тест-драйве LADA VESTA с роботизированной коробкой передач, c 16-клапанным двигателем объемом 1,6 литра и мощностью 106 л.с., в одной из самых топовых комплектаций - XV Line.

Благодаря дизайнеру Стиву Маттину машина в самом деле получила очень симпатичное лицо. Атлетичность и динамичность авто придают удлиненный капот, приподнятая подоконная линия и покатая крыша. Но главное, конечно, это узнаваемый Х-профиль: выштамповка на боковой части машины смотрится оригинально. Vesta выглядит современнее, чем главные ее конкуренты.

Машина собрана качественно: стыки ровные, детали плотно подогнаны друг к другу. Двери закрываются мягко, без лишних усилий.

Когда оказываешься на водительском месте, сразу бросаются в глаза большие боковые зеркала. Сиденье удобное, отличная боковая поддержка, руль регулируется по вылету и высоте. Что еще особенно приятно - VESTA получила приемлемую звукоизоляцию, в салоне - тихо.

Приборная панель также не вызвала никаких нареканий. Цифры хорошо читаются как днем, так и ночью. Да и вообще нет ощущения "бюджетности" - все выглядит современно и удобно.

В день теста Москву завалило снегом, поэтому на передний план неожиданно выступили стеклоочистители. Грязевая каша вкупе с морозцем пагубно сказались на щетках. Сначала отказал правый дворник, затем - левый. Пришлось останавливаться и возвращать их к жизни.

С другой стороны, поразило, что в машине есть огромное количество функций, которые в первую очередь обеспечивают безопасность в дороге. Помимо ABS, которая, согласно техническому регламенту Таможенного союза, должна быть в любом вновь выпущенном автомобиле, есть и система курсовой устойчивости ESP. А этим не может похвастаться ни одна машина в базовой комплектации.

Кроме того, две подушки безопасности. Причем одна из них скрытая. А это довольно дорогая технология. Правда, и затратная. В случае аварии, если такая подушка сработает, придется менять панель приборов целиком.

Роботизированная 5-ступенчатая коробка заслуживает отдельного рассказа. В сети можно встретить немало критики - некоторые обзорщики считают робот тугодумным. Однако надо понимать, что немецкий "робот" на LADA - это не автомат, не вариатор, и не DSG. Это простой робот с одним сцеплением, по сути - роботизированная "механика". Он переключает передачи с ощутимым разрывом потока мощности - так электроника сохраняет ресурс синхронизаторов. Как подружиться с "роботом"? Очень просто - надо газовать не как на АКП или вариаторе, а как на "механике". Слегка приотпускать педаль при переключениях, планировать резкий разгон хотя бы за секунду (которая на МКП уходит на манипуляции с педалями и рычагом). И вот тогда немецкие настройки "робота" покажут всю свою продуманность. Оказывается, "робот" моделирует работу необычайно умелого и аккуратного водителя, который едет на "механике". "Робот" изо всех сил избегает рывков и толчков… стоит ли говорить, что обычный человек на обычной машине не сможет постоянно так ехать? А еще "робот" умеет приспосабливаться к водителю. С одним шофером машина приучается ездить резко, с другим - наоборот, плавно. Лучше всего комфортабельность настроек ощущается, когда пересаживаешься на "робот" с "механики". Автоматические же коробки передач воспринимаются как более плавные… но  случае с "Ладой" они стоят в два раза дороже "робота", и расходуют бензина примерно в полтора раза больше. А российский автомобиль, как мы все знаем, должен быть экономным.

Большие семьи должна порадовать хорошая площадь салона. Четыре взрослых человека, пусть и не самой крупной комплекции, разместились вполне комфортно. Багажник также порадовал - со сложенными задними сидениями можно будет перевезти и мебель в разобранном состоянии, не говоря уж о коробках и пакетах из супермаркета.

АМТ коробка передач — что это такое, плюсы и минусы

Коробка АМТ не так популярна как механика или автомат, хотя сочетает в себе оба вида трансмиссий. Что это такое, какие бывают АМТ и как на них ездить?

Для передачи крутящего момента от двигателя к колёсам, в автомобиле есть специальное устройство – коробка передач или трансмиссия.

Она может быть механическая, автоматическая, роботизированная или вариаторная.

Первые три – ступенчатые, то есть у них есть привычные нам первая, вторая и другие скорости, последняя – бесступенчатая и работает по другому принципу.

Коробка передач АМТ устанавливается на многих современных автомобилях, включая машины российского производства.

Продвинутые модели такой коробки передач есть и на спортивных машинах.

Существует мнение, что в будущем АМТ получит большее распространение, чем автомат, и полностью заменит механические коробки передач.

АМТ коробка передач — что это

AMT — Automated Manual Transmission – автоматизированная механическая трансмиссия. Автолюбители такую коробку называют роботизированной или, попросту, робот.

Это надёжная, известная с самого зарождения автомобилестроения, механическая коробка передач, но с автоматическим переключением. Проще говоря, если вас спросят, «АМТ коробка передач, что это?», смело отвечайте: «Это смесь механики и автомата».

То есть, коробка механическая, но выжимает сцепление и переключает скорости, основываясь на своих расчётах, компьютер.

Он берёт данные от разных систем автомобиля, анализирует скорость, показания ABS и т.д., а затем, при помощи устройств, передающих усилие – актуаторов или, ещё их называют сервоприводами, переключает передачи.

В коробках АМТ актуаторы бывают электрические и гидравлические.

  • Электрический робот с одинарным сцеплением – самый распространённый, он дешевле, но время его реакции – дольше.

Такие коробки ставят на бюджетные автомобили. И именно они вызывают недовольство автолюбителей и скептическое отношение к АМТ.

Дело в том, что при разгоне автомобиля могут чувствоваться «зависания» при переключении передач и даже снижение скорости в самый неподходящий момент (например, при перестроении или обгоне).

Сцепление двигателя с колёсами может отсутствовать до двух секунд, что ухудшает управляемость автомобиля и раздражает любителей быстрой и резкой езды.

Тем не менее, это хороший вариант для тех, кто любит плавное и размеренное движение.

  • Гидравлический робот (ещё его называют электрогидравлический) стоит дороже, его ставят на автомобили премиум-сегмента и на спортивные модели.

В гидравлическом используется цилиндр, который толкают электромагнитные клапаны.

В такую коробку заливается специальная жидкость, которая позволяет снизить время задумчивости до 0,05 секунд.

  • С 2003 года концерны Audi и Valkswagen стали ставить на свои серийные автомобили роботов с двойным сцеплением.

Сама технология была придумана ещё в 80-е годы прошлого века. У коробки сразу два вала: один – для чётных передач, второй – для нечётных.

Включение следующей передачи на соседнем вале происходит заранее, но до нужного момента она разомкнута. Когда электроника решает, что пора переключаться, одновременно размыкается один вал и подключается другой.

Такое переключение передач называется преселективным. Благодаря ему машина получает очень плавный ход, переключение водителю незаметно.

Например, на фольксваген гольф оно происходит всего за 8 миллисекунд. Если вы видите аббревиатуру DCT (Dual Clatch Transmission), то это робот с двойным сцеплением.

Также в простонародье он может обозначаться сокращением DSG, по названию коробки концерна Фольксваген, но быть изготовленным другой фирмой (по аналогии в русском языке появились слова ксерокс, памперс и т.д.)

Коробка передач АМТ

Когда речь заходит о плюсах и минусах АМТ, сразу стоит вспомнить, коробка передач АМТ, что такое?

Это совмещение надёжности и дешевизны механической коробки передач с удобством автоматической.

Отсюда можно понять, что она совмещает в себе плюсы и минусы обоих типов трансмиссий.

Плюсы:

  • Не нужно выжимать сцепление и двигать рычаг переключения передач, это сделает компьютер.
    Особо актуально в условиях городских пробок.
  • Дешевле, чем автоматическая коробка передач, но педали всё равно две.
    Это даёт удобство автомата при цене, приближающейся к механике.
  • Более надёжна и легка в ремонте, чем АКПП, потому что коробка, по факту, механическая.
  • У многих моделей при необходимости можно переключать передачи в ручную.
  • Расход топлива ниже, чем у автомобилей с АКПП и МКПП. У АКПП сам принцип работы подразумевает больший расход, а в МКПП играет роль водитель своей манерой езды и несвоевременным переключением.
  • Коробка передач АМТ меньше массой, чем АКПП.
    Она подходит для малолитражных автомобилей.
  • Срок службы робота с двойным сцеплением больше, чем у МКПП.
  • Требуется меньше масла в коробку.

Минусы:

  • При разгоне время между переключением передач может занимать около двух секунд.
    Это касается АМТ с электрическим актуатором и одним сцеплением.
    Такое «зависание» может быть неприятным при обгоне на трассе, а также ухудшает управляемость автомобиля в момент переключения.
  • АМТ с гидравлическим актуатором даёт большую нагрузку на двигатель, что значительно увеличивает расход топлива.
  • В отличие от автоматической коробки, робот не умеет подстраиваться под стиль езды водителя, поэтому приспосабливаться к коробке придётся вам.
  • Преселективная коробка передач дороже своих собратьев и сложно ремонтируется при поломках.
  • При долгом подъёме может перегреться сцепление, тогда оно размыкается и приходится переходить на ручное переключение передачи.

Советы и хитрости езды на АМТ

Чтобы приноровиться к коробке-роботу и увеличить срок её эксплуатации, можно следовать маленьким хитростям, чтобы езда доставляла удовольствие и не вызывала негативных эмоций.

  1. Один из самых неприятных моментов, который может случиться в дороге с АМТ – перегрев сцепления.
    Чтобы это не происходило, в пробке при остановке дольше, чем на 10 секунд, можно ставить коробку в положение «нейтраль», а при долгом подъёме принудительно понижать передачу в ручном режиме.
    Если коробка перегрелась, на панели появится значок. Нужно остановиться, выключить машину и подождать, пока АМТ остудится.
  2. Чтобы избежать рывков при переключении передач во время разгона, нужно нажать, а потом приотпустить педаль газа в тот момент, когда вы чувствуете скорое переключение скоростей.
    После переключения можно дальше плавно набирать скорость.
  3. При каждом ТО проводите калибровку коробки, это увеличит срок её службы.

Вопрос «коробка передач АМТ — что это?» для многих автолюбителей остаётся открытым или вызывает скептическое настроение.

Кто-то слышал негативные отзывы от друзей и знакомых и не хочет покупать, кто-то пробовал ездить на старых моделях роботизированной коробки передач.

Но с развитием технологий, когда АМТ постепенно замещает и механику, и автомат, коробка-робот может стать самым лучшим и экономичным вариантом для автомобиля.

Читайте также:

: роботы - на пути к успеху | Национальное географическое общество

1. Используйте велосипед, чтобы объяснить основы снаряжения.

Покажите предоставленную фотографию шестерни или покажите ее классу. Спросите: Кто-нибудь может сказать мне, что это такое и для какой цели? Объясните, что это шестерня, и шестерни используются для увеличения или уменьшения силы, увеличения или уменьшения скорости или для передачи или изменения направления движения.

Спросите: Кто-нибудь может сказать мне, к чему подключены педали на типичном велосипеде? Объясните, что педали обычно подключаются к самой большой передаче рядом с передней частью.Покажите изображение велосипеда. Спросите: Что связывает эту большую шестерню с другой шестерней на велосипеде? (Цепь соединяет шестерни.) Скажите учащимся, что шестерни, соединенные цепью, передают мощность от педали к заднему колесу. Итак, когда человек крутит педаль на велосипеде, энергия, которую он или она прилагает, превращается в энергию, которая движет велосипед вперед. По возможности покажите классу настоящий велосипед или еще раз картинку с велосипедом. Предложите студентам указать на шестерни, цепь и педали и понаблюдать, как все они взаимосвязаны внутри велосипеда.

Спросите: Кто-нибудь крутил педали велосипеда в гору? На ровной поверхности? Что проще? Что сложнее? Почему? Попросите учащихся обсудить их опыт езды на велосипеде и объясните, что шестерни в велосипеде преобразуют энергию, которую они прилагают, в энергию, которая заставляет велосипед двигаться.

2. Примите участие в групповой демонстрации шестеренок с использованием предметов повседневного обихода.

Спросите : Почему шестерни имеют зубья? ( Шестерни имеют зубья для предотвращения скольжения.) Спросите : Если бы шестерня не имела зубьев, что бы это было? (В большинстве случаев шестерня без зубьев будет колесом. Существуют относительно редкие версии шестерен без зубьев, но почти все шестерни имеют зубцы.) Скажите студентам, что это означает, что мы можем экспериментировать с поведением шестерни, используя другие круглые или круглые объекты. Положите два теннисных мяча рядом на стол в передней части класса. Вызовите добровольца и попросите ученика положить руку на мяч справа, а кончик пальца - на мяч слева.Попросите ученика повернуть мяч справа по часовой стрелке, осторожно удерживая другой мяч на месте кончиком пальца. Это должно заставить мяч слева вращаться против часовой стрелки. Попросите ученика описать, в каком направлении вращается каждый шар.

Вызовите еще двух добровольцев. Поместите третий теннисный мяч на прямую линию рядом с первыми двумя теннисными мячами. Попросите одного добровольца положить кончик пальца на средний шарик, чтобы удерживать его на месте, в то время как два других добровольца повернут внешние шарики по часовой стрелке.Предложите студентам описать, в каком направлении поворачивается каждый мяч. Объясните ученикам, что две взаимосвязанные шестерни будут вращаться в противоположных направлениях. Это меняет направление силы в системе. При добавлении третьей шестерни направление силы последней шестерни в цепи такое же, как и у первой шестерни в цепи.

Попросите нового волонтера. Дайте ему или ей баскетбольный и теннисный мяч. Попросите добровольца поместить баскетбольный мяч справа от себя, а теннисный мяч - слева и соединить мячи так, чтобы они соприкасались.Теперь попросите ученика положить руку на каждый мяч и повернуть баскетбольный мяч по часовой стрелке на четыре полных оборота, осторожно удерживая кончик пальца поверх теннисного мяча. Помогите посчитать повороты баскетбольного мяча, пока доброволец наблюдает за движением теннисного мяча. Попросите учащегося описать то, что он наблюдал. Попросите ученика повторить демонстрацию, на этот раз повернув теннисный мяч на четыре полных оборота и описывая движение баскетбольного мяча.

Объясните ученикам, что, используя шестерни разного размера, они могут изменять скорость (скорость) системы; это называется передаточным числом.Например, если у вас две шестерни (A и B) и A в два раза больше B, то за один оборот A, B будет вращаться дважды, тем самым увеличивая скорость (скорость). Если вы переключите передачи, скорость (скорость) будет уменьшена. Итак, теннисный мяч вращается с другой скоростью, чем баскетбольный.

3. Поэкспериментируйте с зубчатыми колесами и ремнями, используя катушки и перфорированную доску.

Разделите класс на рабочие группы по 2-4 человека в зависимости от количества имеющихся материалов.Раздайте каждой группе перфорированную доску, десять колышков, восемь катушек (четыре маленьких и четыре больших), четыре резинки и раздаточный материал «Подготовка роботов». Дайте им следующие инструкции или попросите учащихся следовать за вами, пока вы демонстрируете. Задавайте вопросы, чтобы проверить понимание и успеваемость учащихся. Поощряйте студентов, которые более наглядны, читать шаги, приведенные в раздаточном материале «Подготовка к работе с роботами», во время работы. Если учащимся нужна помощь, отображайте фотогалерею Gearing Up with Robots во время работы.

4. Учащиеся используют колышки и катушки для решения задач, связанных с шестернями.

Скажите студентам, что теперь они будут работать в команде над решением ряда задач, решения которых связаны с шестеренками. Скажите им, что они должны работать в команде для решения каждой из этих задач, используя свои перфорированные доски, катушки и резинки. Выполняйте столько задач, сколько позволяет время, или дайте каждой группе поработать над разными задачами. После каждого испытания выполняйте задание Шаг 5.

  • Задача 1: Роботу требуется энергия, передаваемая на его колеса от источника энергии, расположенного на расстоянии; Кроме того, необходимо изменить направление движения, чтобы робот двигался вперед, а не назад. Есть шестерни и ремень, с которым можно работать. Какая конфигурация подойдет для решения этой проблемы?
  • Задача 2: Роботу требуется энергия, передаваемая на его колеса от источника энергии, расположенного на расстоянии, но направление движения не нужно менять.Есть шестерни и ремень, с которым можно работать. Какая конфигурация подойдет для решения этой проблемы?
  • Задача 3: Роботу необходимо двигаться быстрее, чем позволяет его источник энергии, и инженер готов пожертвовать мощностью ради скорости. Есть большая шестерня, маленькая шестерня и ремень, с которым можно работать. Какая передача ставится возле источника питания, чтобы набрать скорость?
  • Задача 4: Роботу требуется больше мощности для преодоления крутых склонов, а инженер готов пожертвовать скоростью.Есть большая шестерня, маленькая шестерня и ремень, с которым можно работать. Какую передачу ставить рядом с источником питания, чтобы получить мощность?

5. Предложите студенческим группам поделиться своими решениями задач.

Попросите группы показать свои доски и объяснить свои решения. Обязательно побудите студентов объяснить, почему они сделали то, что они сделали. Примеры решений этих проблем представлены в фотогалерее Gear Challenge Solutions.

Разрешите бесплатные эксперименты, если позволяет время.

границ | Компактные редукторы для современной робототехники: обзор

Введение

Промышленные роботы составляют основу нескольких крупных традиционных производств, включая автомобилестроение и электронику. Сегодня многие регионы мира видят реальную возможность возродить обрабатывающую промышленность, внедряя роботов на малых и средних предприятиях (МСП) и в вспомогательные услуги, как правило, в здравоохранении (SPARC, 2015).

Для крупномасштабных промышленных сред с высокой степенью автоматизации преимущество роботизированных решений по сравнению с людьми-операторами в основном заключается в (i) большей доступности и (ii) способности перемещать - обычно большие - полезные грузы с исключительной точностью позиционирования и с высокой скоростью. Эти аспекты имеют решающее значение при разработке и выборе подходящих технологий для промышленного робота, особенно для первичных двигателей и трансмиссий, обеспечивающих движение этих устройств.

Применения в производстве и персональном обслуживании малых и средних предприятий бросают вызов этой традиционной парадигме робототехники.Ключ к успеху в этих новых приложениях лежит в очень высокой степени гибкости, необходимой для обеспечения безопасного и эффективного прямого сотрудничества с людьми для достижения общих целей. Эта цель требует, чтобы роботы сначала развили способность безопасно взаимодействовать с людьми в дисциплине, обычно называемой pHRI - физическое взаимодействие человека и робота.

pHRI оказывает широкое влияние на срабатывание роботов. Опыт, накопленный за последние десятилетия, в основном в области робототехники в сфере здравоохранения, показывает, что для безопасного и эффективного взаимодействия с людьми роботы должны в основном двигаться, как люди, и, следовательно, жертвовать некоторыми из своих традиционных преимуществ с точки зрения полезной нагрузки, точности и скорости.Эта ситуация привела к обширным исследованиям в последние годы, охватывающим оптимальный выбор первичных двигателей и передач для срабатывания HRI (Zinn et al., 2004; Ham et al., 2009; Iqbal et al., 2011; Veale and Xie, 2016). ; Verstraten et al., 2016; Groothuis et al., 2018; Saerens et al., 2019).

Эти работы относятся к более широкой области исследований, изучающих оптимизацию соединения между первичным двигателем и коробкой передач для данной задачи в автоматических машинах. Краткий обзор основных разработок в этой области дает полезные сведения, позволяющие понять влияние коробки передач на общую производительность системы.Паш и Серинг (1983) определили важность инерции при срабатывании и предложили использовать передаточное число для согласования инерции двигателя и отраженной нагрузки в качестве средства минимизации потребления энергии для чисто инерционной нагрузки. Чен и Цай (1993) применили эту идею к области робототехники и определили результирующую способность к ускорению конечного эффектора как определяющий параметр. Ван де Стрете и др. (1998) разделили характеристики двигателя и нагрузки, чтобы распространить этот подход на общую нагрузку, и предоставили метод определения подходящих передаточных чисел для дискретного набора двигателей и коробок передач.Roos et al. (2006) изучали выбор оптимального привода для трансмиссии электромобилей, добавляя вклад КПД коробки передач. Giberti et al. (2010) подтверждают инерцию ротора, передаточное отношение, эффективность коробки передач и инерцию коробки передач как наиболее важные параметры для выбора срабатывания и предлагают графический метод оптимизации этого выбора для динамической задачи. Петтерссон и Олвандер (2009) снова сосредоточились на промышленных роботах и ​​представили метод, моделирующий коробку передач с упором на массу, инерцию и трение.Резазаде и Херст (2014) используют очень точную модель двигателя и включают фундаментальный критерий выбора полосы пропускания в дополнение к минимизации энергии. Дрессчер и др. (2016) исследуют влияние трения на планетарный редуктор, в котором кулоновское трение является доминирующим механизмом трения, и демонстрируют, как КПД редуктора обычно становится преобладающим над КПД двигателя при высоких передаточных числах.

По сравнению с исходными моделями коробок передач, использовавшихся в этих работах, где коробки передач моделировались как идеальные передаточные числа, сложность моделей постепенно возрастала.Тем не менее, необходимо сделать важные - и нереалистичные - упрощения, чтобы добиться хорошей практической применимости этих методов. Таким образом, не учитываются важные эффекты, такие как жесткость на кручение и потерянное движение, в то время как модели инерции и эффективности коробки передач сильно упрощены. Это оправданный подход для множества приложений, где упрощенные методы могут помочь инженерам выбрать подходящие трансмиссии. Однако в HRI эти свойства слишком важны для пригодности коробки передач, и их нельзя так сильно упростить.

Следовательно, необходим другой подход, чтобы предоставить полезные рекомендации по выбору коробки передач в HRI, избегая чрезмерной сложности задач оптимизации в этой области. Предоставление подробных сведений об эксплуатационных свойствах и характеристиках различных технологий редукторов для обоснованного выбора - еще один вариант, следуя традициям таких работ, как Schempf and Yoerger (1993) или Rosenbauer (1995). Следуя этому подходу, Siciliano et al. (2010), Ли (2014), Шейнман и др.(2016) и Pham and Ahn (2018) предоставляют интересные обзоры высокоточных редукторов для современной робототехники. Однако технологии не анализируются достаточно подробно, чтобы получить хорошее представление о сложных механизмах, в которых они влияют на выполнение роботизированной задачи.

Основная цель этого обзора состоит в том, чтобы дополнить эти работы подробным анализом основных принципов, сильных сторон и ограничений доступных технологий. Помимо возможности прогнозирования будущего технологий редукторов в робототехнике, этот подход может помочь неспециалистам по редукторам определить подходящие технологии компактных редукторов для многофакторных требований новых робототехнических приложений (López-García et al., 2018). Для специалистов по коробкам передач из других областей этот анализ может помочь им получить полезную информацию о конкретных потребностях приложений HRI.

Это исследование начинается с краткого описания основных требований к будущим роботизированным трансмиссиям, чтобы затем представить структуру оценки, предназначенную для оценки пригодности и потенциала конкретной технологии коробок передач для этой области. Эта структура включает сильную перспективу pHRI и новый параметр - коэффициент скрытой мощности - для оценки эффективности, присущей определенной топологии редуктора.Эта новая структура используется в первую очередь для обзора традиционных технологий редукторов, используемых в промышленных роботах, и новых технологий передачи, которые в настоящее время находятся в процессе выхода на рынок. Наконец, в конце документа приводится краткое изложение выводов, сделанных в результате этого обзора, вместе с нашими выводами и рекомендациями.

Система оценки роботизированных трансмиссий с расширенными возможностями HRI

Контроль

Управление роботизированными устройствами - очень широкая и сложная тема, которая является предметом обширной исследовательской литературы.В этом разделе мы ограничимся введением основных принципов линейности и отраженной инерции, которые являются основными для понимания влияния редуктора на управление.

Хотя в целом скорость и точность являются противоречивыми требованиями, обычные роботизированные устройства превосходны в достижении высокой точности позиционирования на высокой скорости благодаря использованию жестких приводов с очень линейным поведением (Cetinkunt, 1991). Включение роботизированной трансмиссии влияет на сложность управления в основном двумя способами: вносит дополнительную нелинейность и сильно влияет на отраженную инерцию.

Нелинейности, вызванные включением трансмиссии, принимают в основном форму люфта и / или трения и уменьшают полосу пропускания системы, создавая важные проблемы управления (Schempf, 1990). Утверждение о шестернях приводит к люфту, трению и (нежелательной) податливости, что затрудняет точное управление. (Hunter et al., 1991) сегодня так же актуально, как и почти 30 лет назад. Для некоторых технологий большие кинематические ошибки передачи и, в частности, нелинейное трение также могут вызывать значительные нелинейности.

Передачи также сильно влияют на отраженную инерцию системы. В роботизированном устройстве инерция первичного двигателя обычно на несколько порядков меньше, чем у полезной нагрузки, что делает систему нестабильной и создает серьезные проблемы с управлением. Добавление трансмиссии сильно снижает инерцию полезной нагрузки, которую видит первичный двигатель и которая отражается на него, на коэффициент, равный квадрату передаточного отношения трансмиссии. Таким образом, тщательный выбор трансмиссии может привести к более сбалансированной инерции на обеих сторонах трансмиссии, способствуя минимизации энергопотребления и созданию более надежной, стабильной и точной системы (Pasch and Seering, 1983).

Отраженная инерция особенно важна, когда рабочие органы претерпевают быстрые и частые изменения скорости и / или крутящего момента, что очень часто встречается в задачах автоматизации и робототехники. В этих случаях вводится перспектива пропускной способности, чтобы подтвердить способность системы отслеживать эти изменения (Sensinger, 2010; Rezazadeh and Hurst, 2014). Это лежит в основе принципа управляемости задним ходом, способности системы демонстрировать низкий механический импеданс, когда она приводится в действие с естественной выходной мощности (с обратным приводом).Это особенно важно при частом двунаправленном обмене энергией между роботом и его пользователем, что типично для реабилитационных устройств или экзоскелетов. Как демонстрируют Ван и Ким (2015), управляемость коробки передач задним ходом включает в себя комбинированный эффект отраженной инерции, отраженного демпфирования и кулоновского трения, и поэтому она тесно связана с эффективностью коробки передач.

Это подчеркивает важность для оценки управляющего воздействия определенной технологии коробки передач как ее передаточного отношения, так и нелинейностей (люфт, трение), которые она вносит.

Безопасность

Промышленные роботы традиционно размещаются за забором в хорошо структурированной среде, где они могут воспользоваться преимуществами своих быстрых и точных роботизированных движений, не подвергая опасности целостность человека-оператора.

Безопасный pHRI, включающий способность безопасно перемещаться в неструктурированной / неизвестной среде, обязательно тесно связан с управляемостью. Текущая стратегия, используемая робототехниками для достижения этой цели, состоит из формирования механического импеданса (Calanca et al., 2015), то есть позволяя контроллеру соответствия управлять сложным динамическим соотношением между положением / скоростью робота и внешними силами (Hogan, 1984).

Принцип прост: чтобы обеспечить хорошую адаптацию к неопределенной среде, а также целостность человека-оператора / пользователя во время взаимодействия с роботизированным устройством, последний должен двигаться в соответствии с требованиями человека (Karayiannidis et al. др., 2015). Это подчеркивает важность импеданса и внутреннего соответствия (De Santis et al., 2008) и объясняет появление нового типа внутренне гибких приводов для pHRI (Ham et al., 2009), где требуется высокая степень соответствия (Haddadin and Croft, 2016).

С точки зрения управления, инерция полезной нагрузки, отраженная к первичному двигателю, уменьшается на коэффициент, соответствующий квадрату передаточного числа. Таким же образом обычно небольшая инерция ротора первичного двигателя усиливается тем же фактором при отражении в сторону полезной нагрузки, который должен быть добавлен к инерции, возникающей в результате движения роботизированного устройства и груза по соображениям безопасности, а также ограничение рабочих скоростей.

Хотя в большинстве актуаторов pHRI сегодня используются редукторы с высоким передаточным числом, некоторые известные робототехники Seok et al. (2014), Сенсингер и др. (2011) видят большой потенциал робототехники в использовании двигателей с высоким крутящим моментом (бегунков), требующих очень малых передаточных чисел. Новые производители робототехнических решений, такие как Genesis Robotics из Канады или Halodi Robotics AS из Норвегии, предлагают приводы для робототехники, основанные на этих принципах. По их мнению, увеличение инерции двигателя и уменьшение передаточного числа должно приводить к снижению инерции двигателя, отражаемой на рабочий орган, что позволяет повысить рабочие скорости и / или полезную нагрузку без ущерба для целостности оператора.Низкие передаточные числа также имеют дополнительное преимущество в ширине полосы: они имеют меньшее трение и люфт, уменьшая вклад нелинейностей от коробки передач. С другой стороны, умеренное передаточное число не может компенсировать нелинейные условия сцепления - обычно зубчатый крутящий момент (Siciliano et al., 2010).

При более внимательном рассмотрении технических характеристик этих новых двигателей возникают некоторые вопросы с точки зрения достижимой эффективности, веса или компактности, а также последствий для оборудования, возникающих в результате чрезмерной тяги к высоким электрическим токам (HALODI Robotics, 2018; GENESIS Robotics, 2020).

Подводя итог, нет полного согласия о том, как лучше всего подойти к безопасному срабатыванию для робототехники. Тем не менее, сильные естественные связи между безопасностью и управляемостью столь же очевидны, как и решающее значение передаточного числа трансмиссии и ее нелинейностей.

Вес и компактность

Облегченная конструкция имеет первостепенное значение для обеспечения совместимости безопасности и хорошей производительности в новых приложениях робототехники (Albu-Schäffer et al., 2008). Новейшие коллаборативные роботы (коботы), такие как облегченный робот KUKA, разработанный в сотрудничестве с Институтом робототехники и мехатроники Немецкого аэрокосмического центра (DLR), живут по этому принципу и, следовательно, сильно отличаются от тяжелых и громоздких традиционных промышленных роботов.Благодаря более низкой инерции, легкие коботы обеспечивают более высокую производительность - более высокие скорости - без ущерба для безопасности пользователя.

Этот выгодный аспект облегченной конструкции имеет и другие преимущества. Для мобильных робототехнических систем меньший вес означает большую автономность. В носимых вспомогательных роботизированных устройствах, включая протезы и экзоскелеты, легкий вес также является ключевым аспектом для повышения комфорта (Toxiri et al., 2019).

Высокая компактность - еще одна характеристика, присущая этим новым роботизированным устройствам: от коботов до вспомогательных устройств, компактность дает преимущества в маневренности и удобстве взаимодействия.

В роботизированных приложениях, предполагающих тесное сотрудничество с людьми или предоставление мобильных услуг, позиции по своей сути весьма неопределенны. Легкие и компактные конструкции особенно выгодны (Loughlin et al., 2007) для этих применений с двумя последствиями: первичные двигатели и трансмиссии - обычно самые тяжелые элементы в роботизированном устройстве - должны быть легкими и компактными, но легкие конструкции имеют тенденцию требуйте более низких крутящих моментов.

В отличие от веса коробки передач, определение подходящего критерия для оценки вклада коробки передач в компактность системы является более сложной задачей.Физический объем определенно играет роль, но наш опыт показывает, что фактическая форма коробки передач имеет тенденцию иметь большее влияние. Еще один аспект, о котором стоит упомянуть, - это наличие в некоторых конфигурациях коробки передач свободного пространства для размещения материала или движущихся частей, таких как электродвигатели или выходные подшипники, также могут представлять особый интерес. Поэтому мы решили включить в нашу схему оценки приблизительную форму (диаметр × длина) выбранной коробки передач, в то время как наличие дополнительного места можно напрямую оценить с помощью предоставленных цифр для каждой из конфигураций.

Эффективность и виртуальная мощность

КПД

В таких областях, как автомобильные или ветряные турбины, эффективность редукторов долгое время находилась в центре внимания. В робототехнике, с другой стороны, эффективность до недавнего времени не становилась ключевым параметром при выборе подходящей коробки передач (Arigoni et al., 2010; Dresscher et al., 2016).

Более высокий КПД - более низкие потери - позволяют снизить потребление энергии и прямо положительно влияют как на эксплуатационные расходы, так и на воздействие машины или устройства на окружающую среду.Для мобильных и носимых роботизированных устройств повышение эффективности также помогает снизить вес системы - требуются батареи меньшего размера - и в конечном итоге приводит к большей автономности и лучшему удобству использования (Kashiri et al., 2018).

В коробках передач есть одно дополнительное преимущество в снижении потерь: большинство механических трансмиссий, используемых в робототехнике, имеют замкнутую форму и используют какой-то контакт зубьев для передачи крутящего момента и движения между первичным двигателем и рабочим органом. Благодаря этому кинематическое соотношение между входной ω In и выходной скоростями ω Out заблокировано количеством зубцов и определяет его передаточное отношение i K .В коробке передач без потерь передаточное отношение i τ между выходным и входным крутящими моментами τ точно соответствует обратному кинематическому передаточному отношению с противоположным знаком. Но в реальной коробке передач наличие потерь изменяет это равенство, и, поскольку кинематическое передаточное число заблокировано числом зубцов, абсолютное значение передаточного числа должно уменьшаться пропорционально потерям:

ωInωOut = iK = - η iτ = -ητOutτIn; где η - КПД системы.

Следовательно, высокие потери в коробке передач означают, что меньший крутящий момент доступен для рабочего органа и требуются более высокие передаточные числа для достижения такого же усиления крутящего момента.

Редукторы подвержены нескольким видам потерь. Чтобы классифицировать их, мы принимаем критерии, предложенные Talbot и Kahraman (2014), и разделяем их на зависимые от нагрузки (механические) потери мощности, возникающие из-за скольжения и качения контактных поверхностей, как в контактах шестерен, так и в подшипниках, и нагрузки -независимые (спиновые) потери мощности - возникают из-за взаимодействия вращающихся компонентов с воздухом, маслом или их смесью.

Виртуальная сила

Термин виртуальная мощность, насколько известно авторам, был первоначально введен Ченом и Анхелесом (2006), но это явление, объясняющее аномально высокие потери, присутствующие в некоторых планетных топологиях, долгое время было известно под разными названиями, включая Blindleistung (Wolf, 1958; Mueller, 1998) и скрытая или бесполезная сила (Macmillan and Davies, 1965; Yu and Beachley, 1985; Pennestri and Freudenstein, 1993; Del Castillo, 2002).

В соответствии с принципом действия коробка передач всегда включает в себя высокоскоростную сторону с низким крутящим моментом и сторону с высоким крутящим моментом и низкой скоростью. Следовательно, его внутренние зубчатые зацепления обычно подвержены либо высокому крутящему моменту и низкой скорости, либо условиям высокой скорости и низкого крутящего момента. Однако в некоторых коробках передач из-за их специфической топологии некоторые зацепления шестерен могут одновременно взаимодействовать с высокой скоростью и высоким крутящим моментом. Зубчатые зацепления могут легко достичь КПД выше 98%, но поскольку генерируемые потери приблизительно пропорциональны произведению относительной скорости двух зубчатых элементов и крутящего момента, передаваемого через зацепление (Niemann et al., 1975), на этих высоконагруженных сетках появляются неожиданно большие потери. Виртуальная мощность обеспечивает основу для оценки вклада этого явления, которое в дальнейшем мы будем называть топологической эффективностью коробки передач.

Некоторые из вышеупомянутых авторов предлагают методы для оценки топологической эффективности данной конфигурации и определения ее влияния на общую эффективность системы. В рамках Chen and Angeles (2006) виртуальная мощность определяется как мощность, измеренная в движущейся - неинерциальной - системе отсчета.Скрытая мощность , представленная Ю и Бичли (1985), соответствует виртуальной мощности, когда система отсчета является несущим элементом коробки передач, а соотношение виртуальной мощности - это соотношение между виртуальной мощностью и мощностью, генерируемой внешним крутящим моментом. применяется по ссылке. Используя эти элементы, мы определяем коэффициент скрытой мощности топологии коробки передач как отношение суммы скрытых мощностей во всех зацеплениях к мощности, подаваемой на коробку передач.Таким образом, большой коэффициент скрытой мощности соответствует низкой топологической эффективности и указывает на сильную тенденцию к возникновению больших потерь за счет зацепления.

Чтобы облегчить понимание практического влияния на общую эффективность топологической эффективности, характеризующейся скрытым коэффициентом мощности, данной конфигурации редуктора, мы используем на этом этапе уравнения, предложенные Макмилланом и Дэвисом (1965) для расчета упрощенный пример.

Полная коробка передач робототехники обычно включает в себя несколько зацепляющих контактов, каждый из которых имеет разные рабочие условия и параметры, что приводит к разной эффективности зацепления.Эти КПД очень высоки в оптимизированных зубчатых зацеплениях - часто выше 99% - и позволяют упростить наши расчеты, учитывая общую уникальную эффективность зацепления η м = 99% во всех зацепляющих контактах в нашем редукторе.

Во-первых, эталонный редуктор, идеальный с точки зрения топологической эффективности, имел бы только одно зацепление и коэффициент скрытой мощности L = 1. Таким образом, потери мощности внутри этого эталонного редуктора можно легко рассчитать как функцию входной мощности. как:

Таким образом, общая эффективность зацепления всего редуктора соответствует таковой для одиночного зацепляющего контакта:

ηsys, идеально = PIN-PLossPIN = ηm = 99%;

Неидеальный редуктор с таким же типовым η м во всех его зацеплениях и со скрытым коэффициентом мощности L, характеризующим его топологический КПД, указывает на то, что общие потери в редукторе можно приблизительно оценить следующим образом:

Ploss, L≈ PIN * L * (1-ηm)

И общая эффективность зацепления всей коробки передач теперь составляет:

ηsys, L = PIN-PLoss, LPIN≈L * ηm + (1-L)

Что для η м = 99% и для значения L = 50 дает:

Этот результат следует частично релятивизировать, потому что накопленные потери в первых зацеплениях, задействованных вдоль различных внутренних потоков мощности в коробке передач, приводят к тому, что меньшая виртуальная мощность, как предсказано этими уравнениями, будет течь через последующие зацепления.Эффект от этого состоит в том, что КПД обычно будет падать немного медленнее с коэффициентом скрытой мощности, а более реалистичное значение для предыдущего расчета обычно будет между 55 и 60%.

Чтобы частично компенсировать это большое влияние топологической эффективности на общую эффективность, конфигурации с большим скрытым коэффициентом мощности требуют чрезвычайно высокой эффективности зацепления: для достижения эффективности системы> 70% системе с L = 100 требуется средняя эффективность зацепления. выше 99.5%.

Поэтому в нашем дальнейшем анализе мы сосредоточимся только на оценке вклада топологической эффективности в эффективность коробки передач. Это позволяет нам использовать упрощенный метод для расчета коэффициента скрытой мощности, который, в первую очередь, не учитывает влияние на потери, вызванные уменьшением крутящего момента. Соответствующие расчеты, использованные для определения коэффициента скрытой мощности различных конфигураций редукторов, проанализированных в этой работе, включены в Приложение I.

Подводя итог, чтобы охарактеризовать важный эффект КПД коробки передач, мы оценим порядок величины трех параметров: (i) потери, зависящие от нагрузки, (ii) пусковой момент без нагрузки и (iii) коэффициент скрытой мощности.Хотя на него дополнительно влияет статическое трение, а не только кулоновское и вязкое трение, мы выбрали пусковой крутящий момент без нагрузки (относительно номинального крутящего момента) в качестве практического способа характеристики потерь, не зависящих от нагрузки. Наши обмены с производителями редукторов показывают, что это обычная практика, она не зависит от входной мощности и легко доступна в технических данных производителя.

Производительность

По сравнению со специальными машинами и машинами для автоматической сборки промышленные роботы не могут достичь тех же стандартов точности и скорости.Оба аспекта пришлось скомпрометировать, чтобы обеспечить большую степень гибкости и мобильности, а также рабочего пространства (Rosenbauer, 1995). С этой точки зрения HRI - это всего лишь еще один шаг в том же направлении: чтобы соответствовать дальнейшим потребностям гибкости и мобильности в неструктурированной среде, необходимы дополнительные компромиссы с точки зрения точности и скорости. Этот переход отражен на Рисунке 1.

Рисунок 1 . Графическое описание перехода основных задач задач от машин через промышленных роботов и коботов к людям-операторам.

Точность и повторяемость

Множество аспектов редуктора вносят вклад в общую точность полного роботизированного устройства. Эти аспекты долгое время находились в центре внимания традиционной робототехники и сегодня хорошо изучены, поскольку работы, подобные работам Майра (1989), Шемпфа и Йоргера (1993) или Розенбауэра (1995), содержат очень хорошие ссылки для понимания этих сложных влияний. Эти исследования выявили особенно важную роль, которую играют потерянный ход и жесткость на кручение.

Lost Motion - это дальнейшее развитие принципа люфта, который описывает полное вращательное смещение, создаваемое приложением ± 3% от номинального входного крутящего момента.

Жесткость на кручение характеризует податливость всех элементов коробки передач при кручении во всем потоке сил под действием внешнего крутящего момента. Это достигается путем блокировки входа редуктора и постепенного увеличения крутящего момента, прилагаемого на выходе, при этом регистрируются изменения жесткости на кручение, приводящие к отклонениям от идеально линейного поведения.

По своей природе точные - малые потери хода и линейная высокая жесткость на кручение - редукторы упрощают задачу управления и обеспечивают высокую точность, идеально подходят для управления положением, в то время как менее точные редукторы создают более серьезные проблемы для управления положением и могут использоваться для более гибкого срабатывания. . В технологиях редукторов, где скорость оказывает сильное влияние на потери или с особенно нелинейным трением, также необходимо учитывать вклад этих элементов в точность.

Чтобы охарактеризовать возможности точности, наша конструкция включает потерю движения и жесткость на кручение, а также субъективную оценку изменения эффективности, вызванного изменениями скорости / крутящего момента.

Скорость и полезная нагрузка

Промышленные роботы могут обрабатывать большие полезные нагрузки за счет большой инерции. Для коботов, с другой стороны, соображения безопасности подразумевают, что они не должны обрабатывать такие большие полезные нагрузки, но благодаря более легкой конструкции они действительно могут достичь большего отношения полезной нагрузки к массе.

Соображения безопасности также ограничивают степень, в которой это уменьшение массы может быть использовано для увеличения рабочих скоростей (Haddadin et al., 2009). Тем не менее, более низкий крутящий момент способствует использованию более легких и быстрых электродвигателей, что в принципе требует более высоких передаточных чисел для этих приложений.

Критерий для характеристики вклада коробки передач в скорость и характеристики полезной нагрузки должен отражать эти аспекты и побуждать нас использовать в нашей структуре (i) максимальную входную скорость, (ii) максимальный воспроизводимый выходной крутящий момент - так называемый момент ускорения - и номинальный крутящий момент, (iii ) передаточное число и (iv) отношение крутящего момента к массе как для номинального, так и для момента ускорения.

Сводка

Определение характеристик роботизированных коробок передач - сложная задача: высокая универсальность этих устройств и их сложное взаимодействие с первичными двигателями и системами управления делают прямое сравнение их характеристик особенно сложным.

Передаточное отношение продемонстрировало сильное влияние на производительность робототехнической системы. Это объясняет его предпочтительную роль в литературе, посвященной оптимизации срабатывания роботов, и растущий интерес робототехников к возможностям использования переменных передач (Kim et al., 2002; Карбон и др., 2004; Stramigioli et al., 2008; Жирар и Асада, 2017). Хотя мы убеждены, что трансмиссии с регулируемой передачей очень многообещающие и, безусловно, будут способствовать формированию будущего ландшафта робототехники, мы ограничили наш анализ здесь компактными коробками передач с постоянным передаточным числом. На данный момент мы считаем, что нам лучше всего подойдет этот ограниченный объем, который может также способствовать выявлению потенциальных областей применения и подходящих технологий для трансмиссий с переменным передаточным числом.

На основе этого анализа мы предлагаем схему оценки будущих роботизированных коробок передач на основе следующих параметров:

• Передаточное число

• Ускорение и номинальный выходной крутящий момент

• Вес

• Форма: диаметр × длина

• Ускорение и номинальный крутящий момент к массе

• КПД: пиковое значение и субъективная зависимость от скорости и крутящего момента

• Топологическая эффективность: коэффициент скрытой мощности

• Пусковой момент при прямом и обратном движении без нагрузки в% от номинального входного крутящего момента

• Потери, не зависящие от нагрузки

• Потерянное движение

• Максимальная входная скорость

• Жесткость на кручение

Наша структура включает также эталонный вариант использования, характерный для множества задач pHRI согласно нашему собственному опыту: моменты ускорения более 100 Нм и передаточные числа более 1: 100, для которых необходимо оптимизировать вес, компактность и эффективность.

Обзор технологий передачи данных, используемых в настоящее время в промышленных роботах

Электродвигатели, оснащенные механическими трансмиссиями, обычно используются в качестве исполнительных механизмов в робототехнике (Rosenbauer, 1995; Scheinman et al., 2016), а также в промышленных роботах. Эти механические трансмиссии почти неизбежно основаны на какой-то зубчатой ​​передаче (Sensinger, 2013).

Благодаря их большей способности снижать общий вес и поскольку электродвигатели имеют тенденцию иметь более высокий КПД на высоких рабочих скоростях, другой характеристикой промышленных роботизированных трансмиссий является использование относительно больших коэффициентов передачи (передаточных чисел), обычно выше 1:40. (Розенбауэр, 1995).

Планетарные редукторы: чрезвычайно универсальная платформа

Планетарные зубчатые передачи

(PGT) - это компактные, универсальные устройства, широко используемые в силовых передачах. Благодаря характерной коаксиальной конфигурации и хорошей удельной мощности они особенно подходят для вращающихся первичных двигателей, таких как электродвигатели.

PGT

могут использовать две дифференцированные стратегии для достижения высоких коэффициентов усиления: (i) добавление нескольких ступеней обычных высокоэффективных PGT - здесь называемых редукторами и представленных на рисунке 2 - или (ii) использование особенно компактных конфигураций PGT с возможностью получения высоких передаточные числа.

Рисунок 2 . Внутреннее устройство редуктора Neugart с указанием его основных элементов, адаптировано из Neugart (2020) с разрешения © Neugart GmbH. Он также включает схему базовой топологии.

Хотя использование нескольких ступеней редукторов позволяет наилучшим образом использовать эффективность зацепления высоких шестерен и приводит к высокоэффективным редукторам, обычно это приводит к тяжелым и громоздким решениям. Компактные конфигурации PGT с другой стороны могут достигать высоких передаточных чисел в очень компактных формах, но они страдают от удивительно высоких потерь, связанных с высокими виртуальными мощностями (Crispel et al., 2018).

Особенно компактная конфигурация PGT для высоких передаточных чисел была впервые изобретена Вольфромом (1912) и использовалась в редукторах серии RE компании ZF Friedrichshafen AG (ZF), предназначенных для промышленных роботов (Looman, 1996). Эта конфигурация, показанная на Рисунке 3, сильно зависит от Virtual Power, и ZF представляет собой единственное известное коммерческое применение конфигураций PGT, отличное от обычных редукторов. Хотя производство серии RE было прекращено в 90-х годах, Wolfrom PGT в последнее время пользуются растущим интересом сообщества исследователей робототехники, как мы резюмировали в предыдущей статье авторов (López-García et al., 2019а).

Рисунок 3 . Внутреннее устройство ZF's RG Series Wolfrom PGT для роботизированных приложений адаптировано из Looman (1996) с разрешения © 1998 Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Он также включает схему базовой топологии.

Таблица 1 представляет оценку PGT. Несмотря на завышенные размеры для нашего теста, мы использовали ZF RG350 Wolfrom PGT, чтобы попытаться оценить потенциал конфигураций PGT с высоким коэффициентом передачи, основываясь на имеющихся доказательствах его пригодности для достижения высоких коэффициентов (Арнаудов и Караиванов, 2005; Mulzer, 2010 ; Капелевич и AKGears LLC, 2013).Для редукторов мы выбрали - при поддержке производителей - подходящие решения из портфолио Wittenstein и Neugart. Стоит отметить важную роль, которую играет максимальное передаточное число на ступень в редукторе: в то время как Виттенштейн ближе к максимуму осуществимости, определяемому избеганием контакта между соседними планетами, Нейгарт выбирает в своей серии PLE (серия PLFE может достигать 1: 100 соотношений только в два этапа) более ограничительный подход и, следовательно, для достижения общего усиления 1: 100 требуется три этапа вместо двух для Виттенштейна.Это приводит к менее компактным решениям и более низкой эффективности для приложения 1: 100, но позволяет Neugart достичь более высокого прироста - до 1: 512 - без фундаментальных изменений в весе, размере или эффективности.

Таблица 1 . Схема оценки решений с планетарной зубчатой ​​передачей.

Редукторы

имеют вес около 4 кг, что нельзя напрямую сравнивать с увеличенными размерами RG350. RG350 имеет форму с большим диаметром и меньшей длиной, чем редукторы.Что касается отношения крутящего момента к весу, значения обоих решений кажутся относительно близкими.

Редукторы

имеют сильное преимущество в их хорошем КПД (выше 90%), который также менее чувствителен к изменениям рабочих условий, а пусковые моменты холостого хода очень низкие. Конфигурации с высоким коэффициентом полезного действия показывают, насколько сильно ограничивается топологическая эффективность, что приводит к снижению эффективности. Это, вероятно, объясняет, почему редукторы сегодня являются доминирующей технологией PGT в робототехнике.

PGT

показывают самые высокие входные скорости (до 8 500 об / мин), но их потери хода также самые большие (4–6 Arcmin) в обычных редукторах. В робототехнике PGT широко использовались в первых промышленных роботах, в то время как в последние десятилетия их использование сильно сократилось, в основном из-за их ограничений, связанных с уменьшением люфта. Несмотря на то, что существуют механизмы, ограничивающие изначально более значительную обратную реакцию PGT, на практике они основаны на введении определенной предварительной нагрузки, отрицательно влияющей на их эффективность (Schempf, 1990).

Гармонические приводы: легкий редуктор деформационной волны без люфта

Редуктор Strain Wave был изобретен Массером (1955) и нашел широкое применение в 70-х годах, первоначально в аэрокосмической отрасли. Его основное космическое применение было в качестве элемента механической передачи в аппарате лунохода Аполлона-15 в 1971 году (Schafer et al., 2005).

Его название происходит от характерной деформации Flexspline , нежесткой, тонкой цилиндрической чашки с зубьями, которая служит выходом.Flexspline входит в зацепление с фиксированным сплошным круглым кольцом с внутренними зубьями шестерни Circular Spline , в то время как он деформируется вращающейся эллиптической заглушкой - волновым генератором , как это видно на Рисунке 4. Редукторы этого типа являются наиболее распространенными. обычно называемый Harmonic Drive © (HD), из-за очень эффективной стратегии защиты IP.

Рисунок 4 . Внутренняя конфигурация коробки передач Harmonic Drive CSG (слева), адаптированная из Harmonic Drive (2014) с разрешения © 2019 Harmonic Drive SE, и коробка передач E-Cyclo (справа), адаптированная из SUMITOMO (2020) с разрешения © Sumitomo Drive, 2020 Germany GmbH.Также включена схема лежащей в основе топологии KHV, используемой для расчета его скрытого коэффициента мощности в Приложении I.

Для нашего сравнительного анализа мы выбрали два подходящих редуктора Harmonic Drive, CSD-25-2A, предназначенный для интеграции в роботизированное соединение, чтобы обеспечить адекватные структурные граничные условия, и сверхлегкий редуктор CSG-25-LW, представляющий конструктивно достаточное решение. что может быть более прямо по сравнению с другими технологиями. Совсем недавно компания SUMITOMO представила новую коробку передач E-CYCLO, работающую также на принципе действия волны деформации.SUMITOMO предоставила нам доступ к своему самому последнему каталогу (SUMITOMO, 2020), что позволило нам включить его в наш тест (Таблица 2). Еще одна интересная волна деформации, очень похожая на Harmonic Drive, недавно была также представлена ​​GAM в своей серии коробок передач для робототехники, которая также включает планетарные зубчатые передачи и циклоидные приводы (GAM, 2020).

Таблица 2 . Схема оценки решений волн деформации.

Выбранная модель CSG имеет значительно больший крутящий момент, чем предполагалось в нашем тесте.Форма имеет больший диаметр, чем длина, а вес значительно ниже, чем у других технологий, что обеспечивает наилучшее соотношение крутящего момента к весу среди проанализированных технологий. Действительно, характерное зацепление с несколькими зубьями обеспечивает большее сопротивление крутящему моменту, чем в PGT, что делает эту технологию очень подходящей для соединений, расположенных ближе к рабочему органу, где они часто встречаются в современных промышленных роботах.

Пиковый КПД ниже, чем у редукторов, и ближе к RG350, а КПД особенно чувствителен к условиям эксплуатации.Поезда Strain Wave демонстрируют большие потери, не зависящие от нагрузки, и пусковые моменты без нагрузки - особенно в условиях обратного движения, которые становятся особенно критическими для высоких скоростей и / или низких крутящих моментов (Harmonic Drive, 2014). Для роботизированных устройств HRI, подверженных частым изменениям скорости и полезной нагрузки в сочетании с обменом энергией между роботизированным устройством и пользователем, это означает, что средняя эффективность быстро падает ниже 40–50% (López-García et al., 2019b). Также стоит отметить их большой коэффициент скрытой мощности, указывающий на одновременное присутствие высоких крутящих моментов и скоростей в зацеплении зубьев, что также помогает объяснить относительно низкий КПД.

Еще раз, благодаря зацеплению с несколькими зубьями, можно достичь потерянных движений ниже 1 угловой минуты, что дает этому редуктору сильное преимущество, которое помогает гармоническим приводам находить широкое применение в промышленных роботах. Они смогли вытеснить PGT из многих приложений, особенно после значительного улучшения характеристик в результате новой геометрии зубьев, представленной этой компанией в 90-х годах, что также улучшило линейность их жесткости (Slatter, 2000).

Максимальная входная скорость раньше была сильным ограничением для использования редукторов HD (Schempf, 1990), но новые достижения и усовершенствования конструкции позволяют им теперь достигать 7500 об / мин.

Циклоидные приводы: для высокой прочности и жесткости на кручение

С момента своего изобретения Лоренцем Брареном в 1927 году (Li, 2014) циклоидные приводы нашли применение в основном на лодках, подъемных кранах и в некотором крупном оборудовании, таком как прокатные станы или станки с ЧПУ. В циклоидных приводах эксцентричное входное движение создает шаткое циклоидальное движение одиночного большого планетарного колеса, которое затем преобразуется обратно во вращение выходного вала и приводит к высокой редукционной способности (Gorla et al., 2008), см. Рисунок 5.

Рисунок 5 . Внутренняя конфигурация циклоидных приводов SUMITOMO Fine Cyclo F2C-A15 и Fine Cyclo F2C-T155, идентифицирующая их основные элементы, адаптирована из SUMITOMO (2017) с разрешения © Sumitomo Cyclo Drive Germany GmbH, 2017. Он также включает схему лежащих в основе топологий.

Таблица 3 включает лидера рынка (NABTESCO RV) в этом сегменте и основных претендентов (SPINEA и SUMITOMO). RV от NABTESCO и серия Fine-Cyclo T от SUMITOMO включают в себя обычную ступень PGT с предварительным зацеплением.Полезная нагрузка этих устройств больше, чем требуется для нашего теста, и приводит к большому весу. Это уже дает ценную информацию: более компактные решения недоступны на рынке и, согласно информации, предоставленной некоторыми производителями, менее интересны, поскольку для них потребуется высочайшая точность производства и, в конечном итоге, приведет к высоким затратам.

Таблица 3 . Схема оценки решений для циклоидных приводов.

Формы аналогичны коробкам передач с волновой деформацией, а по весу больше и ближе к весам PGT по вышеупомянутым причинам.Отношение крутящего момента к массе больше, чем у PGT, но немного ниже, чем у коробок передач с волновой деформацией. Основное преимущество циклоидных приводов заключается как раз в их способности выдерживать большие нагрузки и особенно ударные нагрузки, а также в минимальных требованиях к техническому обслуживанию.

Пиковый КПД выше, чем у редукторов с волновой деформацией, и ближе к КПД PGT, но КПД сильно зависит от условий эксплуатации (Михайлидис и др., 2014), а пусковые моменты холостого хода и коэффициент скрытой мощности высокие, как аналогично редукторам с волновой деформацией.

Хотя они, как правило, имеют некоторый люфт, который, если его конструкция часто компенсируется, достигает уровней, сопоставимых с уровнями редукторов с волновой деформацией, вероятно, за счет немного более высокого трения. Их жесткость на кручение - самая большая из проанализированных технологий редукторов.

Приводы

Cycloid имеют неотъемлемое ограничение на работу с высокими входными скоростями, вызванное наличием большого и относительно тяжелого планетарного (кулачкового) колеса, что приводит к большим инерциям и дисбалансу.Это мотивирует использование, как правило, двух планетарных колес, расположенных последовательно и смещенных на 180 градусов друг к другу, для устранения дисбаланса, уменьшения вибраций и увеличения входной скорости. Это объясняет, как благодаря сочетанию циклоидных приводов со ступенями предварительного зацепления, состоящими из обычных ступеней PGT, циклоидные приводы получили широкое распространение в робототехнике. Такое расположение повышает эффективность, снижает чувствительность к высоким входным скоростям и обеспечивает легкую настройку их передаточных чисел.В 90-х годах гармонические приводы доминировали на рынке роботизированных коробок передач, но усовершенствования циклоидной технологии позволили циклоидным приводам начать покорять бездорожье, сначала в Японии, а затем в других местах (Rosenbauer, 1995). В настоящее время такие производители, как NABTESCO, SUMITOMO или NIDEC, предлагают циклоидные гибриды с интегрированным передаточным механизмом PGT, покрывающие более 60% рынка роботизированных коробок передач, и поэтому стали новой доминирующей технологией, особенно для проксимальных суставов, подверженных более высоким нагрузкам и меньшим ограничениям по весу (WinterGreen Исследования, 2018).

Наконец, стоит упомянуть наличие относительно большой пульсации крутящего момента, которая вносит нелинейности и усложняет их регулирование. Эта пульсация крутящего момента связана с необходимостью использования циклоидных профилей зубьев, чтобы избежать столкновения зубьев между большим планетарным колесом (-ами) и зубчатым венцом, что делает эти устройства чрезвычайно чувствительными к изменениям межцентрового расстояния, возникающим даже из-за небольших производственных ошибок. Существует несколько попыток улучшить эту ситуацию, используя эвольвентные зубья, менее чувствительные к колебаниям межцентрового расстояния, с уменьшенными углами давления и / или коэффициентами контакта для минимизации радиальных сил и повышения эффективности (Morozumi, 1970), а также с использованием других форм нестандартных зубьев. -инволютные зубы (Коряков-Савойский и др., 1996; Хлебаня и Куловец, 2015).

Обзор новейших технологий передачи для робототехники

Усилитель крутящего момента REFLEX

Genesis Robotics привлекла большое внимание в сообществе робототехники с появлением их двигателя с прямым приводом, LiveDrive © . Согласно Genesis, LiveDrive в двух доступных топологиях - радиальном и осевом потоках - обеспечивает сравнительные характеристики в соотношении крутящего момента к массе. Двигатель с осевым потоком может достигать 15 Нм / кг, в то время как радиальный поток ограничивается максимум 10 Нм / кг.

Чтобы расширить спектр применения, Genesis Robotics представила совместимую коробку передач, получившую название Reflex , которая показана на рисунке 6. Эта литая под давлением сверхлегкая пластиковая коробка передач предназначена для легких роботов, и хотя изначально она была разработана для совместной работы с LiveDrive. и поэтому он нацелен на передаточные числа ниже 1:30, он также способен обеспечить передаточные числа до 1: 400 (GENESIS, 2018).

Рисунок 6 . Внутренняя конфигурация и основные элементы редуктора Reflex адаптированы из GENESIS Robotics (2020) с разрешения © 2019 Genesis Robotics.Он также включает схему базовой топологии.

В основе топологии лежит топология Wolfrom PGT с несколькими меньшими планетами (Klassen, 2019), в которой реактивное (неподвижное) зубчатое колесо разделено на две части для балансировки в соответствии с конструкцией, первоначально предложенной Россманом (1934) и используемой в качестве хорошо в аппарате Hi-Red Tomcyk (2000).

В редукторе Reflex выходное кольцо также разделено для облегчения сборки с косозубыми зубьями. Еще одним интересным аспектом этой конструкции является заклеенная лентой форма планет, которая, как подозревают авторы, связана с возможностью предварительной нагрузки системы для достижения нулевого люфта, который, как утверждает Genesis, возможен с этой коробкой передач.По заявлению компании, гибкость пластиковых планетарных колес также дает преимущество в уменьшении люфта.

К сожалению, пока нет независимых тестов для подтверждения данных характеристик, и никаких официальных данных, в частности по эффективности, от Genesis пока нет, поэтому в Таблицу 4 включено только значение Latent Power Ratio, полученное в результате его топологии.

Таблица 4 . Схема оценки новых технологий редукторов.

Таким образом, хотя лежащая в основе топология Wolfrom указывает на то, что эффективность, безусловно, будет сложной задачей, этот инновационный редуктор демонстрирует большой потенциал, доступный для переосмысления существующих технологий и их адаптации к будущим потребностям робототехники. Genesis Robotics недавно вступила в интересное партнерство с известными промышленными компаниями, такими как Koch Industries Inc. и Demaurex AG.

Проезд Архимеда

IMSystems из Нидерландов является дочерней компанией Делфтского технологического университета, созданной в 2016 году для использования изобретения Archimedes Drive (Schorsch, 2014).

Привод Архимеда снова повторяет топологию редуктора Wolfrom (также с разрезным реактивным кольцом в некоторых его конструкциях), но включает в себя революционное новшество в использовании роликов вместо шестерен для замены зубчатых контактов контактами качения, см. Рисунок 7. Контролируемая деформация планетарных роликов позволяет передавать крутящий момент между планетами аналогично колесам транспортного средства.

Рисунок 7 . Внутренняя конфигурация привода Архимеда с деталями, показывающими его планеты Flexroller, адаптирована из IMSystems (2019) с разрешения © 2019 Innovative Mechatronic Systems B.V., со схемой лежащей в основе топологии.

Характеристики, представленные в таблице 4, взятой из брошюры компании (IMSystems, 2019) и доступной по запросу, показывают, что использование топологии Wolfrom дает этому устройству возможность достигать очень высоких передаточных чисел в компактной форме, но это также приводит к низкой топологической эффективности. Согласно IMSystems, замена контакта зубьев шестерни на контакт качения способствует минимизации контактных потерь, которые, в частности, при передаче крутящего момента между планетарной передачей и кольцевыми роликами должны компенсировать высокое латентное соотношение мощности и приводить к максимальному КПД. около 80% (IMSystems, 2019).Никаких данных о пусковых моментах или потерях, не зависящих от нагрузки, не приводится.

Чтобы обеспечить передачу высокого крутящего момента без проскальзывания, необходимо строго контролировать деформацию роликов планетарного механизма, а также производственные допуски коробки передач. Это представляет собой одну из основных технологических проблем, и это ядро ​​инноваций, вносимых этой технологией (Schorsch, 2014).

NuGear

STAM s.r.l. - частная инженерная компания из Генуи, которая помогла разработать роботизированный сустав для гуманоидного робота I-Cub.Их NuGear - это нутационная коробка передач, которая изначально была задумана (Барбагелата и Корсини, 2000) для космических приложений, но может развить свой потенциал и для робототехники за счет исследования альтернативных производственных средств.

Пока нет общедоступной информации о рабочих характеристиках этой коробки передач, что означает, что мы можем предоставить здесь только предварительный анализ ее топологии и результирующих характеристик, которых можно ожидать на основе ограниченной информации, доступной в основном из проекта Caxman EU ( CAxMan, 2020), для которого NuGear был вариантом использования, и из доступных патентов (Barbagelata et al., 2016).

На рисунке 8 внутренняя структура NuGear представлена ​​с использованием эквивалентной конфигурации PGT - для облегчения понимания абстрагируется аспект нутации. Таким образом становится ясно, что NuGear напоминает два PGT Wolfrom, для которых несущая используется в качестве входа, соединенных последовательно, и где каждый из них соответствует одному из двух этапов, определенных в Barbagelata et al. (2016). Это еще раз указывает на то, что в этой коробке передач будет присутствовать относительно высокий коэффициент скрытой мощности.Для передаточного числа 1: 100 и при условии сбалансированного усиления 1:10 на каждой из двух ступеней, как предложено в Barbagelata et al. (2016), мы получаем, используя уравнения, выведенные в Приложении I, коэффициент скрытой мощности 32, что указывает на топологическую эффективность, аналогичную таковой у Wolfrom PGT.

Рисунок 8 . Внутренняя конфигурация двухступенчатой ​​коробки передач NuGear для версии с оппозитными контактами планет адаптирована из CAxMan (2020) с разрешения © Stam S.r.l. Он также включает схему базовой топологии.

Еще предстоит подтвердить, в какой степени использование методов аддитивного производства может помочь STAM s.r.l. снизить большие затраты на производство конических зубчатых колес, а также определить, сможет ли операция нутации достичь достаточной надежности и более компактной формы, которые могут открыть дверь для ее использования в области робототехники (CAxMan, 2020).

Двусторонний привод

Компания FUJILAB в Иокогаме предложила в Fujimoto (2015) коробку передач с высокой степенью управляемости для робототехники, которая особенно подходит для работы без датчика крутящего момента (Kanai and Fujimoto, 2018).

Как видно из рисунка 9, конфигурация этого устройства снова аналогична PGT от Wolfrom. При такой топологии Fujimoto et al. смогли достичь при передаточном числе 1: 102 КПД при движении вперед 89,9% и КПД при движении задним ходом 89,2%. Пусковой крутящий момент без нагрузки в обратном направлении составил 0,016 Нм в коробке передач с внешним диаметром ~ Φ50 мм (Kanai and Fujimoto, 2018). Стратегия достижения такой высокой эффективности с топологией Wolfrom заключается в оптимизации коэффициентов сдвига профиля (Fujimoto and Kobuse, 2017).

Рисунок 9 . Внутренняя конфигурация двустороннего привода, высокоэффективной коробки передач, способной обеспечивать передаточное число 1: 102 с использованием топологии Wolfrom, любезно предоставлено © Yasutaka Fujimoto.

Эти многообещающие результаты - см. Таблицу 4 - показывают, что выравнивание коэффициентов подвода и углубления посредством оптимизации коэффициентов смещения профиля может привести к чрезвычайно высокой эффективности зацепления. Насколько известно авторам, эта стратегия была первоначально предложена Хори и Хаяши (1994) и особенно интересна в топологии Wolfrom, где она в конечном итоге может обеспечить эффективность выше 90% в сочетании с высокими передаточными числами и компактными топологиями.

Привод подшипника шестерни

Вслед за новаторской работой в этой области Джона М. Враниша из НАСА, результатом которой стало изобретение планетарной передачи без водила во Вранише (1995) и подшипников с частичными зубьями (Враниш, 2006), NASA Goddard Space Летный центр представил свою концепцию нового зубчатого подшипника в Вайнберге и др. (2008).

Северо-Восточный университет в Бостоне продолжил разработку этого нового привода для применения в роботизированных соединениях.Как видно на Рисунке 10, он включает в себя коробку передач Wolfrom, адаптированную для включения конструкции Vranish без опоры и зубчатых подшипников. Подшипники шестерен представляют собой контакты качения, которые предусмотрены для каждой пары зубчатых колес в соответствии с их делительным диаметром и уменьшают нагрузку на подшипники коробки передач (Brassitos et al., 2013). Эта топология обеспечивает удобную интеграцию электромотора, который, следовательно, встроен в полую область внутри большого солнечного зубчатого колеса в конфигурации, специально предназначенной для космических приложений (Brassitos and Jalili, 2017).

Рисунок 10 . Внутренняя конфигурация зубчатого подшипника, включая встроенный бесщеточный двигатель, адаптирована из Brassitos and Jalili (2017) с разрешения © 2017 Американское общество инженеров-механиков ASME. Справа также показана лежащая в основе топология Wolfrom с расщепленным реакционным кольцом.

В Brassitos and Jalili (2018) металлический прототип привода с зубчатым подшипником с передаточным числом 1:40 характеризуется жесткостью, трением и кинематической погрешностью.Измерения полностью соответствуют показателям FUJILAB и подтверждают низкий пусковой момент без нагрузки в этой конфигурации (0,0165 Нм для внешнего диаметра коробки передач ~ 100 мм). После экспериментального измерения жесткости, трения и кинематической погрешности их привода (Brassitos and Jalili, 2018) интегрировали эти значения в динамическую модель, которая затем была смоделирована и сравнена с откликом скорости разомкнутого контура системы при свободном синусоидальном движении, показав хорошие результаты. корреляция и предлагает очень удобную высокую линейность передачи.

Предварительные измерения показали хороший комбинированный КПД двигателя и коробки передач Wolfrom с передаточным числом 1: 264 (Brassitos et al., 2013), что не очень хорошо коррелирует с рассчитанным скрытым коэффициентом мощности 196. КПД не был определен. снова в центре внимания недавних статей авторов, и мы, к сожалению, не смогли на данный момент подтвердить окончательные уровни эффективности, которых могут достичь новые прототипы.

В любом случае привод с зубчатым подшипником дает очень интересные возможности для использования потенциала топологии Wolfrom в робототехнике.Возможность удаления несущего элемента и встраивания электродвигателя в коробку передач в общем корпусе позволяет получить впечатляюще компактные конструкции. Возможность использования продольных роликов зубчатых подшипников для уменьшения радиальной нагрузки на подшипники также является многообещающим вариантом для повышения компактности и повышения эффективности (Brassitos et al., 2019).

The Galaxie Drive

Schreiber and Schmidt (2015) защищает основные инновации, включенные в Galaxie Drive, коробку передач, которую WITTENSTEIN в настоящее время выводит на рынок прецизионных коробок передач через свой стартап Wittenstein Galaxie GmbH, созданный в апреле 2020 года.

Хотя таблица данных и подробная информация еще не доступны, также раскрыты принцип работы и ожидаемая прибыль. Galaxie Drive представляет новый кинематический подход, основанный на линейном наведении одиночного зуба в зубчатом картере Teeth Carrier , но, по мнению этих авторов, его топология напоминает топологию деформационно-волнового механизма, см. Рис. 11. Гибкая линия заменена зубцами. Держатель, включающий два ряда отдельных зубцов, выполнен с возможностью радиального перемещения и зацепления с круговым шлицем в качестве вращающегося многоугольного вала выполняет роль генератора волн с многоугольным периметром (Schreiber and Röthlingshöfer, 2017).Следовательно, несколько отдельных зубьев входят в зацепление одновременно с круговым шлицем - так же, как в Harmonic Drive. По словам производителя, это вместе с двухточечным контактом с высокой устойчивостью к крутящему моменту между каждым отдельным зубом и зубчатым каркасом обеспечивает этому устройству характерный нулевой люфт, высокую жесткость на кручение и эталонное соотношение крутящего момента к весу.

Рисунок 11 . Деталь зацепления зубьев коробки передач Galaxy (R) DF адаптирована из Schreiber (2015) с разрешения © 2020 Wittenstein Galaxie GmbH.Он включает схему базовой топологии KHV.

В ходе прямого обмена мнениями представители Виттенштейна подтвердили, что очевидная проблема трения между отдельными зубьями и их направляющим круговым кольцом решена, и Galaxie может достичь максимальной эффективности выше 90%. Из-за лежащей в основе конфигурации KHV ожидаются большие коэффициенты скрытой мощности, но пока невозможно получить дальнейшее представление об эффективности зацепления, которая будет результатом радиального движения зубьев, которое включает новую логарифмическую спиральную боковую поверхность зуба (Мишель, 2015).

Первоначально привод Galaxie Drive предназначался для высокоточного оборудования, где высокая жесткость и сопротивление крутящему моменту могут помочь увеличить скорость и производительность. В будущем мы, безусловно, сможем оценить потенциал этой инновационной технологии также для робототехнических приложений.

Обсуждение

Новое поколение робототехнических устройств меняет приоритеты в выборе подходящих коробок передач. Вместо высочайшей точности на высоких скоростях эти устройства предъявляют более строгие требования к легким и очень эффективным устройствам с механическим усилением.

Сверхлегкие приводы деформационных волн (HD, E-cyclo), безусловно, находятся в очень хорошем положении для удовлетворения этих потребностей, что подтверждается их нынешним доминированием в области коботов. При рассмотрении привода деформационной волны для роботизированной задачи pHRI работа при низких крутящих моментах и ​​скоростях должна быть сведена к минимуму, если эффективность должна быть максимальной. Хотя их оптимизированная геометрия зубьев способствует более линейной жесткости на кручение, трение остается очень нелинейным и зависит от направления, вызывая также определенные ограничения использования.Храповик как следствие ударной нагрузки - еще одно ограничение, которое следует учитывать для этого типа редуктора, которое E-Cyclo не должен иметь (SUMITOMO, 2020).

Циклоидные приводы

прошли долгий путь, чтобы в конечном итоге стать доминирующей технологией в промышленных роботах. Благодаря технологическим достижениям, направленным на уменьшение люфта и ограничений скорости ввода, теперь они могут обеспечивать хорошую точность с приемлемой эффективностью, несмотря на высокие скрытые коэффициенты мощности, возникающие из-за лежащей в основе топологии KHV, эквивалентной топологии приводов с волновой деформацией.Использование ступени перед зацеплением также вносит важный вклад в достижение этой цели за счет повышения базовой топологической эффективности. Сверхлегкие конструкции, подобные конструкции SPINEA, демонстрируют интересный потенциал, но в конечном итоге потребуются более прорывные подходы, такие как пластиковые материалы, чтобы удовлетворить потребности в более легких коробках передач и более высоких передаточных числах, необходимых для HRI. Пока это не станет возможным, циклоидные приводы можно рассматривать только для больших полезных нагрузок, когда их больший вес и результирующая инерция не критичны для работы.Когда исключительная точность не требуется, можно избежать мер компенсации люфта в пользу повышения эффективности и более низких пусковых моментов. В любом случае следует позаботиться о том, чтобы адекватно управлять пульсацией крутящего момента, и, вероятно, необходимо будет остаться на этапе перед включением, чтобы обеспечить высокие скорости входного двигателя.

Невозможность планетарных редукторов уменьшить люфт при сохранении хорошей производительности и ограничения жесткости на кручение ограничили их использование в промышленной робототехнике. Тем не менее, PGT чрезвычайно универсальны, что демонстрирует их широкое использование во множестве современных промышленных устройств.И они изначально эффективны, надежны и относительно просты - дешевы - в производстве. Это может объяснить недавний интерес робототехников к PGT и почему пять из шести изученных здесь принципиально инновационных редукторов основаны на конфигурации PGT с высоким передаточным числом: топологии Wolfrom. Лучшая топологическая эффективность в сочетании с улучшением эффективности зацепления за счет модификации профиля или даже еще одного шага вперед по замене зубьев контактами качения являются многообещающими характеристиками. В сочетании с возможностями, открываемыми их полой топологией, эти элементы потенциально могут привести к возвращению PGT в робототехнику.

Наше исследование показывает, что большая универсальность технологий редукторов, используемых в робототехнике, представляет собой серьезную проблему для прямого сравнения их характеристик. Как показывают примеры люфта и максимальной входной скорости, адекватные модификации конструкции могут надлежащим образом компенсировать большинство исходных слабых мест определенной технологии за счет компромиссов в других аспектах, обычно включая эффективность, размер, вес и стоимость. Точно так же большие скрытые коэффициенты мощности указывают на существенный топологический недостаток с точки зрения эффективности, но он также может быть - по крайней мере частично - компенсирован соответствующими модификациями.Таким образом, обучающий эффект заключается в том, что выбор подходящей технологии редуктора для определенного применения pHRI является чрезвычайно сложным процессом, требующим глубокого понимания фундаментальных недостатков, возможностей улучшения и производных компромиссов каждой технологии. Наша первоначальная цель исследования - внести свой вклад в простую таблицу выбора, способную помочь неопытным робототехникам в выборе подходящих технологий редукторов для своих роботизированных устройств, поэтому не могла быть достигнута.Вместо этого в этой статье собраны и объясняются основные параметры выбора и связанные с ними проблемы в каждой из доступных технологий, чтобы помочь инженерам-роботам pHRI развить необходимые навыки, необходимые для осознанного выбора подходящей, индивидуально оптимизированной коробки передач.

Два важных аспекта роботизированных редукторов для pHRI, к сожалению, не могут быть адекватно оценены в нашем исследовании на данном этапе: шум и стоимость. По мере того, как робототехнические устройства становятся все ближе к людям, робототехники уделяют все больше внимания шуму.Редукторы, безусловно, представляют собой важный источник шума (переносимого воздухом и конструкцией), но, к сожалению, на данном этапе рекомендуется исключить шум из нашего анализа по двум основным ограничениям. Во-первых, большинство производителей редукторов еще не предоставляют количественных оценок шумовых характеристик, и когда они это делают, они, как правило, следуют другим методам испытаний, которые также не особенно подходят для рабочих условий в pHRI. Во-вторых, современные технологии коробок передач все еще должны пройти ожидаемый процесс оптимизации шума.

Стоимость также является важным параметром, делающим технологии pHRI более доступными, и поэтому становится важным при выборе подходящих редукторов для будущих робототехнических технологий. К сожалению, и здесь научному сообществу не доступна справочная информация для систематической справедливой оценки крупномасштабного экономического потенциала определенной технологии редукторов. Прежде чем можно будет определить подходящую основу для оценки этого потенциала, требуется большой объем исследовательской работы, которая явно выходит за рамки нашего исследования.

Эти два ограничения очерчивают основные рекомендации авторов для интересных направлений будущих исследований. Определение стандартных условий испытаний на воздушный и конструкционный шум в коробках передач, особенно адаптированных к типичным условиям эксплуатации и потребности в pHRI, могло бы позволить прямое сравнение различных технологий и способствовать их оптимизации шума. Кроме того, составление доступных моделей затрат для производственных процессов, связанных с изготовлением редукторов, и их адаптация к специфике конкретных технологий, используемых в робототехнике, позволит составить основу для оценки потенциала крупномасштабных затрат (и препятствий) разные технологии.

Авторские взносы

Все авторы принимали участие в предварительной работе, связанной с этой темой исследования, и внесли свой вклад в концептуализацию структуры, представленной в рукописи. PG работала над созданием подходящей системы оценки для выполнения анализа коробки передач и взяла на себя инициативу в написании рукописи и преобразовании ее в ее текущую форму. PG и ES в равной степени способствовали выявлению потенциально подходящих технологий и их анализу с помощью структуры.Все корректуры авторов прочитали и внесли свой вклад в окончательную версию статьи.

Финансирование

SC, ES (доктор философии) и TV (докторская степень) являются научными сотрудниками Исследовательского фонда Фландрии - Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek (FWO). Эта работа частично финансируется Программой исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020 в рамках Соглашения о гранте № 687662 - проект SPEXOR.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить профессора Ясутака Фудзимото из Йокогамского национального университета, а также компании Neugart GmbH, Harmonic Drive SE, Sumitomo Drive Germany GmbH, Genesis Robotics, Innovative Mechatronic Systems B.V., Stam s.r.l. и Wittenstein Galaxy GmbH за любезную поддержку и полученные объяснения, а также за разрешение использовать прилагаемые изображения их устройств.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https: // www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2020.00103/full#supplementary-material

Список литературы

Альбу-Шеффер, А., Эйбергер, О., Гребенштейн, М., Хаддадин, С., Отт, К., Вимбок, Т. и др. (2008). Мягкая робототехника. Робот IEEE. Автомат. Mag. 15, 20–30. DOI: 10.1109 / MRA.2008.9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Arigoni, R., Cognigni, E., Musolesi, M., Gorla, C., and Concli, F. (2010). «Планетарные редукторы скорости: эффективность, люфт, жесткость» в Международная конференция VDI по зубчатым колесам (Мюнхен).

Google Scholar

Арнаудов, К., Караиванов, Д. (2005). «Планетарные зубчатые передачи с высшим составом» в Международная конференция VDI по зубчатым колесам , Vol. 1904 (Мюнхен: VDI-Bericht), 327–344.

Барбагелата А. и Корсини Р. (2000). Riduttore Ingranaggi Conici Basculanti . Патент Италии № IT SV20000049A1. Рим: Ufficio Italiano Brevetti e Marchi.

Барбагелата А., Эллеро С. и Ландо Р. (2016). Планетарная коробка передач .Европейский патент № EP2975296A2. Мюнхен: Европейское патентное ведомство.

Брасситос, Э. и Джалили, Н. (2017). Разработка и разработка компактного высокомоментного роботизированного привода для космических механизмов. J. Mech. Робот. 9, 061002-1–061002-11. DOI: 10.1115 / 1.4037567

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брасситос, Э., и Джалили, Н. (2018). «Определение характеристик жесткости, трения и кинематической погрешности в трансмиссиях с зубчатыми подшипниками», в ASME 2018 International Design Engineering Technical Conference и Computers and Information in Engineering Conference (Квебек: цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков).DOI: 10.1115 / DETC2018-85647

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Brassitos, E., Mavroidis, C., and Weinberg, B. (2013). «Зубчатый подшипниковый привод: новый компактный привод для роботизированных соединений», в ASME 2013 Международная техническая конференция по проектированию и Компьютеры и информация в инженерной конференции (Портленд, Орегон: цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков). DOI: 10.1115 / DETC2013-13461

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брасситос, Э., Вайнберг, Б., Цинчао, К., и Мавроидис, К. (2019). Контактная система изогнутого подшипника . Патент США № US10174810B2. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Каланка, А., Мурадор, Р., Фиорини, П. (2015). Обзор алгоритмов совместимого управления жесткими и фиксированными роботами. IEEE / ASME Trans. Мех. 21, 613–624. DOI: 10.1109 / TMECH.2015.2465849

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карбоне, Г., Mangialardi, L., и Mantriota, G. (2004). Сравнение характеристик полнотороидальных и полутороидальных тяговых приводов. мех. Мах. Теория 39, 921–942. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2004.04.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Четинкунт, С. (1991). Проблемы оптимального проектирования в высокоскоростных высокоточных сервосистемах движения. Мехатроника 1, 187–201. DOI: 10.1016 / 0957-4158 (91)

-A

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, К.и Анхелес Дж. (2006). Потери виртуальной мощности и механические потери мощности в зубчатых зацеплениях планетарных зубчатых передач. ASME J. Mech. Des. 129, 107–113. DOI: 10.1115 / 1.2359473

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, Д. З., и Цай, Л. В. (1993). Кинематический и динамический синтез редукторных робототехнических механизмов. J. Mech. Des. 115, 241–246. DOI: 10.1115 / 1.23

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Crispel, S., López-García, P., Verstraten, T., Convens, B., Saerens, E., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2018). «Внедрение составных планетарных передач (C-PGT): компактный способ достижения высоких передаточных чисел для носимых роботов», на Международном симпозиуме по носимой робототехнике (Пиза), 485–489. DOI: 10.1007 / 978-3-030-01887-0_94

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Де Сантис А., Сицилиано Б., Де Лука А. и Бикки А. (2008). Атлас физического взаимодействия человека и робота. мех.Мах. Теория 43, 253–270. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2007.03.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дель Кастильо, Дж. М. (2002). Аналитическое выражение КПД планетарных зубчатых передач. мех. Мах. Теория 37, 197–214. DOI: 10.1016 / S0094-114X (01) 00077-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дрессчер, Д., де Фрис, Т. Дж., И Страмиджоли, С. (2016). «Выбор двигателя и коробки передач для повышения энергоэффективности», Международная конференция IEEE 2016 по усовершенствованной интеллектуальной мехатронике (AIM) (Банф, AB: IEEE), 669–675.DOI: 10.1109 / AIM.2016.7576845

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фудзимото Ю. (2015). Эпициклический зубчатый привод и метод его конструирования . Патент Японии № JP2015164100. Токио: Патентное ведомство Японии.

Fujimoto, Y., and Kobuse, D. (2017). «Роботизированные приводы с высокой степенью управляемости», на международном семинаре IEEJ по обнаружению, срабатыванию, управлению движением и оптимизации (SAMCON) (Нагаока), IS2–1.

GAM (2020). Коробка передач деформационной волны GSL .Каталог.

ГЕНЕЗИС (2018). Усилитель крутящего момента Reflex - движущая сила будущего . Tech Update Общайтесь.

Гиберти Х., Чинквемани С. и Леньяни Г. (2010). Влияние механических характеристик трансмиссии на выбор мотор-редуктора. Мехатроника 20, 604–610. DOI: 10.1016 / j.mechatronics.2010.06.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Жирар, А., Асада, Х. Х. (2017). Использование естественной динамики нагрузки с приводами с регулируемым передаточным числом. Робот IEEE. Автомат. Lett. 2, 741–748. DOI: 10.1109 / LRA.2017.2651946

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Горла К., Даволи П., Роза Ф., Лонгони К., Чиоцци Ф. и Самарани А. (2008). Теоретический и экспериментальный анализ циклоидного редуктора скорости. J. Mech. Des. 130: 112604. DOI: 10.1115 / 1.2978342

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Groothuis, S. S., Folkertsma, G. A., and Stramigioli, S. (2018). Общий подход к достижению стабильности и безопасного поведения в распределенных роботизированных архитектурах. Фронт. Робот. AI 5: 108. DOI: 10.3389 / frobt.2018.00108

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаддадин, С., Альбу-Шеффер, А., и Хирцингер, Г. (2009). Требования к безопасным роботам: измерения, анализ и новые идеи. Внутр. J. Робот. Res , 28, 1507–1527. DOI: 10.1177 / 0278364

3970

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаддадин, С., Крофт, Э. (2016). «Физическое взаимодействие человека и робота», в Справочник по робототехнике Springer (Cham: Springer), 1835–1874.DOI: 10.1007 / 978-3-319-32552-1_69

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Робототехника HALODI (2018). ДВИГАТЕЛЬ с прямым приводом Revo1 ™ [Брошюра], Moss. Доступно в Интернете по адресу: https://www.halodi.com/revo1 (по состоянию на 30 апреля 2020 г.).

Хэм, Р. В., Шугар, Т. Г., Вандерборг, Б., Холландер, К. В., и Лефебер, Д. (2009). Соответствующие конструкции приводов. Робот IEEE. Автомат. Mag. 16, 81–94. DOI: 10.1109 / MRA.2009.933629

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гармонический привод A.G. (2014) Технические данные Наборы компонентов CSD-2A . Каталог.

Хлебаня Г., Куловец С. (2015). «Разработка плоскоцентрической коробки передач на основе геометрии S-образной шестерни», в 11. Kolloquium Getriebetechnik (Мюнхен), 205–216.

Google Scholar

Хоган, Н. (1984). «Контроль импеданса: подход к манипуляции», , 1984 American Control Conference (Сан-Диего, Калифорния: IEEE), 304–313. DOI: 10.23919 / ACC.1984.4788393

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хори, К., и Hayashi, I. (1994). Максимальный КПД обычных механических планетарных шестерен парадокса для понижающего привода. Пер. Jpn. Soc. Мех. Англ. 60, 3940–3947. DOI: 10.1299 / kikaic.60.3940

CrossRef Полный текст

Хантер И. В., Холлербах Дж. М. и Баллантайн Дж. (1991). Сравнительный анализ актуаторных технологий для робототехники. Робот. Ред. 2, 299–342.

Google Scholar

IMSystems (2019). проезд Архимеда.IMSystems — Drive Innovation [Брошюра], Делфт.

Икбал, Дж., Цагаракис, Н. Г., и Колдуэлл, Д. Г. (2011). «Дизайн носимого оптимизированного экзоскелета руки с прямым приводом», в публикации International Conference on Advances in Computer-Human Interactions (ACHI) (Gosier).

PubMed Аннотация | Google Scholar

Канаи Ю., Фудзимото Ю. (2018). «Бессенсорное управление крутящим моментом для экзоскелета с электроприводом с использованием приводов с высокой степенью обратного хода», IECON 2018–44-я ежегодная конференция Общества промышленной электроники IEEE (Вашингтон, округ Колумбия: IEEE), 5116–5121.DOI: 10.1109 / IECON.2018.85

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Капелевич А. и ООО «АКГирс» (2013 г.). Анализ планетарных передач с высоким передаточным числом. Коэффициент 3, 10.

Google Scholar

Караианнидис Ю., Друкас Л., Папагеоргиу Д. и Доулжери З. (2015). Управление роботом для выполнения задач и повышения безопасности при ударах. Фронт. Робот. AI 2:34. DOI: 10.3389 / frobt.2015.00034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кашири, Н., Abate, A., Abram, S.J., Albu-Schaffer, A., Clary, P.J., Daley, M., et al. (2018). Обзор принципов энергоэффективного передвижения роботов. Фронт. Робот. AI 5: 129. DOI: 10.3389 / frobt.2018.00129

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж., Парк, Ф. К., Парк, Ю., и Шизуо, М. (2002). Проектирование и анализ сферической бесступенчатой ​​трансмиссии. J. Mech. Des . 124, 21–29. DOI: 10.1115 / 1.1436487

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Классен, Дж.Б. (2019). Дифференциальная планетарная коробка передач . Международный патент № WO2019 / 051614A1. Женева: Всемирная организация интеллектуальной собственности, Международное бюро.

Google Scholar

Коряков-Савойский Б., Алексахин И., Власов И. П. (1996). Зубчатая передача . Патент США № US5505668A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Ли С. (2014). «Новейшие технологии проектирования зубчатых передач с большим передаточным числом», в Proceedings of International Gear Conference (Lyon), 427–436.DOI: 10.1533 / 9781782421955.427

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Looman, J. (1996). Zahnradgetriebe (зубчатые механизмы) . Берлин: Springer-Verlag. DOI: 10.1007 / 978-3-540-89460-5

CrossRef Полный текст

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Конвенс, Б., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2018). «Конструкция планетарного редуктора для активной носимой робототехники, основанная на анализе видов отказов и последствий (FMEA)», в International Symposium on Wearable Robotics (Pisa), 460–464.DOI: 10.1007 / 978-3-030-01887-0_89

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2019a). «Редукторы Wolfrom для легкой робототехники, ориентированной на человека», в Proceedings of the International Conference on Gears 2019 (Munich: VDI), 753–764.

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2019b). «Настройка планетарных зубчатых передач для поддержки и воспроизведения конечностей человека», в MATEC Web of Conferences (Варна: EDP Sciences), 01014.DOI: 10.1051 / matecconf / 201

1014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лафлин, К., Альбу-Шеффер, А., Хаддадин, С., Отт, К., Стеммер, А., Вимбек, Т., и Хирцингер, Г. (2007). Легкий робот DLR: концепции проектирования и управления роботами в среде обитания человека. Ind. Робот. Int. J . 34, 376–385. DOI: 10.1108 / 01439

0774386

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макмиллан Р. Х. и Дэвис П. Б. (1965). Аналитическое исследование систем раздвоенной передачи энергии. J. Mech. Англ. Sci . 7, 40–47. DOI: 10.1243 / JMES_JOUR_1965_007_009_02

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mayr, C. (1989). Präzisions-Getriebe für die Automation: Grundlagen und Anwendungsbeispiele . Ландсберг: Verlag Moderne Industrie.

Мишель С. (2015). Logarithmische spirale statt evolvente. Maschinenmarkt № . 18, 40–42.

Михайлидис А., Афанасопулос Э. и Оккас Э. (2014). «Эффективность циклоидного редуктора», в International Gear Conference (Lyon Villeurbanne), 794–803.DOI: 10.1533 / 9781782421955.794

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Морозуми, М. (1970). Эвольвентное внутреннее зацепление со смещением профиля . Патент США № US3546972A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Мюллер, Х. В. (1998). Die Umlaufgetriebe: Auslegung und vielseitige Anwendungen . Берлин; Гейдельберг: Springer-Verlag. DOI: 10.1007 / 978-3-642-58725-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мульцер, Ф.(2010). Systematik hoch übersetzender koaxialer getriebe (Докторская диссертация). Технический университет Мюнхена, Мюнхен, Германия.

Google Scholar

Musser, C. W. (1955). Деформационно-волновая передача . Патент США № US2

3A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

НАБТЕКО (2018). Прецизионный редуктор серии RV — N . CAT.180410. Каталог.

Нойгарт, А. Г. (2020). Линия эконом-класса PLE .Каталог.

Ниманн Г., Винтер Х. и Хён Б. Р. (1975). Maschinenelemente, Vol. 1 . Берлин; Гейдельберг; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер.

Google Scholar

Pasch, K. A., and Seering, W. P. (1983). «О приводных системах для высокопроизводительных машин», в Машиностроение (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Машиностроение Общества ASME-AMER), 107–107.

Pennestri, E., and Freudenstein, F. (1993). Механический КПД планетарных зубчатых передач. ASME J. Mech. Des . 115, 645–651. DOI: 10.1115 / 1.29

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петтерссон, М., и Олвандер, Дж. (2009). Оптимизация трансмиссии промышленных роботов. IEEE Trans. Робот. 25, 1419–1424. DOI: 10.1109 / TRO.2009.2028764

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фам, А. Д., и Ан, Х. Дж. (2018). Прецизионные редукторы для промышленных роботов, участвующих в четвертой промышленной революции: современное состояние, анализ, дизайн, оценка производительности и перспективы. Внутр. J. Precis. Англ. Manuf. Green Technol. 5, 519–533. DOI: 10.1007 / s40684-018-0058-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Резазаде, С., и Херст, Дж. У. (2014). «Об оптимальном выборе двигателей и трансмиссий для электромеханических и робототехнических систем», в Международная конференция IEEE / RSJ 2014 по интеллектуальным роботам и системам (Чикаго, Иллинойс: IEEE), 4605–4611. DOI: 10.1109 / IROS.2014.6943215

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Роос, Ф., Йоханссон, Х., Викандер, Дж. (2006). Оптимальный выбор двигателя и редуктора для мехатронных приложений. Мехатроника 16, 63–72. DOI: 10.1016 / j.mechatronics.2005.08.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Розенбауэр Т. (1995). Getriebe für Industrieroboter: Beurteilungskriterien . Kenndaten, Einsatzhinweise: шейкер.

Россман, А. М. (1934). Механический механизм . Патент США № US 1970251. Вашингтон, округ Колумбия: У.S. Ведомство по патентам и товарным знакам.

Google Scholar

Saerens, E., Crispel, S., García, P. L., Verstraten, T., Ducastel, V., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2019). Законы масштабирования для роботизированных трансмиссий. мех. Мах. Теория 140, 601–621. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2019.06.027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шафер И., Бурлье П., Хантшак Ф., Робертс Э. У., Льюис С. Д., Форстер Д. Дж. И Джон К. (2005). «Космическая смазка и характеристики шестерен гармонического привода», , 11-й Европейский симпозиум по космическим механизмам и трибологии, ESMATS 2005 (Люцерн), 65–72.

Google Scholar

Шейнман, В., Маккарти, Дж. М., и Сонг, Дж. Б. (2016). «Механизм и приведение в действие», в Springer Handbook of Robotics (Cham: Springer), 67–90. DOI: 10.1007 / 978-3-319-32552-1_4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шемпф, Х. (1990). Сравнительное проектирование, моделирование и анализ управления роботизированными трансмиссиями (кандидатская диссертация). № WHOI-90-43. Кафедра машиностроения и Океанографический институт Вудс-Холла, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс, США.DOI: 10.1575 / 1912/5431

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шемпф Х. и Йоргер Д. Р. (1993). Изучение доминирующих рабочих характеристик в трансмиссиях роботов. ASME J. Mech. Des. 115, 472–482. DOI: 10.1115 / 1.24

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шорш, Дж. Ф. (2014). Составной планетарный привод трения . Патент Нидерландов № 2013496. Де Хааг: Octrooicentrum Nederland.

Google Scholar

Шрайбер, Х.(2015). «Revolutionäres getriebeprinzip durch neuinterpretation von maschinenelementen — Die WITTENSTEIN Galaxie®-Kinematik», в Dresdner Maschinenelemente Kolloquium, DMK (Дрезден), 2015. С.

Шрайбер, Х., Рётлингсхёфер, Т. (2017). «Кинематическая классификация коробки передач, содержащей отдельные упорные зубья, и ее преимущества по сравнению с существующими подходами», в Международной конференции по зубчатым колесам, ICG (Мюнхен).

Шрайбер, Х., и Шмидт, М.(2015). Getriebe. Патент Германии № DE 10 2015 105 525 A1. Мюнхен: Deutsches Patent- und Markenamt.

Google Scholar

Сенсинджер, Дж. У. (2010). «Выбор двигателей для роботов с использованием биомиметических траекторий: оптимальные критерии, обмотки и другие соображения», в Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации 2010 г. (Анкоридж, AK: IEEE), 4175–4181. DOI: 10.1109 / ROBOT.2010.5509620

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенсингер, Дж.W. (2013). КПД высокочувствительных зубчатых передач, таких как циклоидные передачи. ASME J. Mech. Des. 135, 071006-1–071006-9. DOI: 10.1115 / 1.4024370

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенсингер, Дж. У., Кларк, С. Д., Шорш, Дж. Ф. (2011). «Внешний и внутренний роторы в роботизированных бесщеточных двигателях», Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации, 2011 г., (Монреаль, Квебек, IEEE), 2764–2770. DOI: 10.1109 / ICRA.2011.5979940

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сеок, С., Wang, A., Chuah, M. Y. M., Hyun, D. J., Lee, J., Otten, D. M., et al. (2014). Принципы разработки энергоэффективного передвижения на ногах и их реализация на роботе-гепарде Массачусетского технологического института. IEEE / ASME Trans. Мех. 20, 1117–1129. DOI: 10.1109 / TMECH.2014.2339013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сицилиано Б., Шавикко Л., Виллани Л. и Ориоло Г. (2010). Робототехника: моделирование, планирование и управление . Лондон: Springer Science and Business Media. DOI: 10.1007 / 978-1-84628-642-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Слэттер Р. (2000). Weiterentwicklung eines Präzisionsgetriebes für die Robotik . Санкт-Леонард: Antriebstechnik.

Google Scholar

ПОЗВОНОЧНИК (2017). TwinSpin - высокоточные редукторы - Präzisionsgetriebe . Каталог.

Страмиджоли, С., ван Оорт, Г., и Дертьен, Э. (2008). «Концепция нового энергоэффективного привода», Международная конференция IEEE / ASME по передовой интеллектуальной мехатронике, 2008 г., (Сиань: IEEE), 671–675.DOI: 10.1109 / AIM.2008.4601740

CrossRef Полный текст | Google Scholar

СУМИТОМО (2017). Fine Cyclo® Spielfreie Präzisionsgetriebe . Каталог 9

DE 02/2017.

СУМИТОМО (2020). Приводы управления движением E-Cyclo®. Каталог F10001E-1.

Талбот Д., Кахраман А. (2014). «Методология прогнозирования потерь мощности планетарных передач», International Gear Conference (Lyon-Villeurbanne), 26–28. DOI: 10.1533 / 9781782421955.625

CrossRef Полный текст

Томчик, Х. (2000). Регулирующее устройство с планетарной передачей . Европейский патент № EP1244880B1. Мюнхен: Европейское патентное ведомство.

Google Scholar

Toxiri, S., Näf, M. B., Lazzaroni, M., Fernández, J., Sposito, M., Poliero, T., et al. (2019). «Экзоскелеты с опорой на спину для профессионального использования: обзор технологических достижений и тенденций», в IISE Trans. Ок. Эргон. Гм. Факторы 7, 3–4, 237–249.DOI: 10.1080 / 24725838.2019.1626303

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван де Стрете, Х. Дж., Дегезель, П., Де Шуттер, Дж., И Бельманс, Р. Дж. (1998). Критерий выбора серводвигателя для мехатронных приложений. IEEE / ASME Trans. Мех. 3, 43–50. DOI: 10.1109 / 3516.662867

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вил, А. Дж., И Се, С. К. (2016). На пути к совместимым и пригодным для носки роботизированным ортезу: обзор текущих и новых актуаторных технологий. Med. Англ. Phys. 38, 317–325. DOI: 10.1016 / j.medengphy.2016.01.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Verstraten, T., Furnémont, R., Mathijssen, G., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2016). «Энергопотребление мотор-редукторов постоянного тока в динамических приложениях: сравнение подходов к моделированию», в IEEE Robot. Автомат. Lett. 1, 524–530. DOI: 10.1109 / LRA.2016.2517820

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Враниш, Дж.М. (1995). Планетарный привод без носителя с люфтом и люфтом . Патент США № US5409431. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Враниш, Дж. М. (2006). Подшипники с частичным зубчатым колесом . Патент США № US2006 / 0219039A1. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Ван, А., Ким, С. (2015). «Направленная эффективность в редукторных трансмиссиях: характеристика обратного движения в сторону улучшения проприоцептивного контроля», в Международная конференция по робототехнике и автоматизации (ICRA) 2015 IEEE (ICRA) (Сиэтл, Вашингтон: IEEE), 1055–1062.DOI: 10.1109 / ICRA.2015.7139307

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вайнберг Б., Мавроидис К. и Враниш Дж. М. (2008). Привод подшипника шестерни . Патент США № US2008 / 0045374A1. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

WinterGreen Research (2018). Прецизионные редукторы с волновыми редукторами и редукторы RV и RD: доли рынка, стратегия и прогнозы, во всем мире, с 2018 по 2024 годы . WIN0418002.

WITTENSTEIN AG (2020 г.). Technische Broschüre SP + und TP + Getrieben. Каталог.

Вольф, А. (1958). Die Grundgesetze der Umlaufgetriebe . Брауншвейг: Фридр. Vieweg и Sohn.

Вольфром, У. (1912). Der Wirkungsgrad von Planetenrädergetrieben. Werkstattstechnik 6, 615–617.

Ю. Д., Бичли Н. (1985). О механическом КПД дифференциала. ASME J. Mech. Пер. Автомат. 107, 61–67.DOI: 10.1115 / 1.3258696

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зинн М., Рот Б., Хатиб О. и Солсбери Дж. К. (2004). Новый подход к срабатыванию для создания роботов, удобных для человека. Внутр. J. Робот. Res. 23, 379–398. DOI: 10.1177 / 02783642193

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шестерни

- система сборки 15 мм

Шестерни имеют зубья, которые входят в зацепление с другими шестернями для передачи крутящего момента. Шестерни можно использовать для изменения скорости, крутящего момента (крутящего момента) или направления исходной выходной мощности двигателя.Чтобы шестерни были совместимы друг с другом, зубья зацепления должны иметь одинаковую форму (размер и шаг).

Зубчатые колеса предлагают большую гибкость в преобразовании движения, чем звездочки и цепь, потому что существует большее разнообразие размеров шестерен.

Есть много разных типов шестерен; одна из самых простых и наиболее часто используемых - это прямозубая цилиндрическая шестерня , которая используется в системе сборки REV 15mm Build System. Цилиндрические шестерни состоят из диска с прямыми зубьями, выступающими радиально (наружу от центра), и эти шестерни будут правильно зацепляться с другими шестернями только в том случае, если они находятся на параллельных валах.

Общие и важные особенности цилиндрической зубчатой ​​передачи выделены на изображении ниже.

Число зубцов (N) - это общее количество зубцов (выступов) по всей окружности шестерни. Для шестерен с очень небольшим или очень большим количеством зубьев легко просто подсчитать количество зубьев. Однако для шестерен с большим числом зубьев или с меньшими зубьями попытка подсчета зубьев не очень практична или точна.

Модуль (M) представляет собой величину шагового диаметра в мм на зуб.Шестерни с более высоким модулем будут иметь большие зубья. Модуль (M) можно рассчитать с использованием некоторой комбинации делительного диаметра (PD), количества зубьев (N) или внешнего диаметра (OD).

Уравнения для вычислительного модуля:

  • M = OD / (N + 2) M = OD / (N + 2) M = OD / (N + 2)

Для помощи в расчетах: REV Пластиковые шестерни имеют 0,75 модуля, в то время как REV Metal Gears имеют 0,8 модуля.

Диаметр шага (PD) - это воображаемая окружность, которая совпадает с делительным диаметром любой другой шестерни, когда шестерни расположены должным образом.Делительный диаметр всегда будет меньше внешнего диаметра шестерни.

При создании упрощенных моделей зубчатых колес сначала создайте окружность с делительным диаметром для каждой шестерни, используемой в системе, затем ограничьте касательные окружностей (едва касаясь друг друга) друг к другу. Диаметр шага (PD) можно рассчитать с использованием некоторой комбинации модуля (M), количества зубьев (N) или внешнего диаметра (OD).

Уравнения для расчета среднего диаметра:

  • PD = M × NPD = M × NPD = M × N

  • PD = (OD × N) / (N + 2) PD = (OD × N ) / (N + 2) PD = (OD × N) / (N + 2)

  • PD = OD − 2MPD = OD -2MPD = OD − 2M

Внешний диаметр (OD) - истинный внешний диаметр шестерни.Внешний диаметр всегда будет больше, чем делительный диаметр . Внешний диаметр следует использовать при проверке натяга при размещении шестерен очень близко к другим конструкциям. Внешний диаметр (OD) можно рассчитать по формуле ниже.

Уравнения для внешнего диаметра:

  • OD = (N + 2) × MOD = (N + 2) × MOD = (N + 2) × M

Система сборки REV 15 мм включает в себя как металлические и пластиковые шестерни.В таблице ниже приведены некоторые из основных характеристик различных типов шестерен.

† Большинство металлических шестерен REV 15 мм изготовлены из алюминия. Есть три исключения. Шестерни с 12 и 28 зубьями изготовлены из спеченной стали. Шестерня с 12 зубьями изготовлена ​​из обработанной латуни.

Металлические и пластиковые шестерни совместимы с оборудованием M3 с шагом 8 мм.

Все пластиковые шестерни REV Robotics имеют монтажную схему отверстия под болт M3 с шагом 8 мм.Это упрощает прямую установку кронштейнов и экструзии REV Robotics на шестерни. Конструкция с перепонками в сочетании с широкой поверхностью и малым профилем зубьев увеличивает прочность шестерни без значительного увеличения веса. Пластиковые шестерни REV Robotics предназначены для установки на шестигранный вал диаметром 5 мм, что устраняет необходимость в специальных ступицах и установочных винтах.

REV Metal Gears НЕ совместимы с REV Plastic Gears. Шестерни из других строительных систем могут иметь очень похожий профиль зуба, но не полностью совпадать.В некоторых ситуациях можно успешно использовать две системы шестерен вместе, но это не рекомендуется.

Metal Gears разработаны для работы с шестигранными валами REV 5 мм в условиях высоких нагрузок. Металлические шестерни REV Robotics также имеют схему отверстий M3, но этот узор фокусируется на том, чтобы шестерни можно было сдвинуть вдвое для дополнительной прочности. В целом, металлические шестерни REV имеют более высокий предел текучести, чем пластиковые шестерни REV, особенно когда металлические шестерни сдвинуты вдвое. Толщина зубьев шестерни, известная как ширина поверхности, является основным компонентом прочности шестерни.

На лицевой стороне REV Metal Gears отображается количество зубьев шестерни, что помогает в расчетах!

Все шестерни REV Metal Gear уже, чем пластмассовые шестерни, что позволяет использовать компактные трансмиссии и коробки передач в пределах той же ширины 15 мм, что и у экструзионных и пробивных трубок (REV-41-1453).

Соединение двух или более шестерен вместе известно как зубчатая передача . Выбор шестерен в зубчатой ​​передаче как большего или меньшего размера относительно входной шестерни может либо увеличить выходную скорость , либо увеличить выходной крутящий момент , но это не влияет на общую мощность .

Физические концепции, такие как скорость и мощность, находят множество применений в системе сборки REV 15mm Build System. Щелкните здесь, чтобы узнать о них больше.

Передаточное число - это соотношение размеров двух шестерен. Например, на изображении ниже входная шестерня представляет собой шестерню с 15 зубьями, а выходная шестерня - с 72 зубьями. Итак, передаточное число составляет 72 зуб.: 15 зуб. Передаточное число размером от входной (ведущей) шестерни к выходной (ведомой) шестерне определяет, будет ли выходная передача более быстрой (меньший крутящий момент) или более высокой (более медленной).Передаточное число пропорционально изменению скорости и крутящего момента между ними.

Чтобы узнать больше о передаточных числах и их влиянии на скорость и крутящий момент, ознакомьтесь с разделом Передаточное число

На изображении выше входная шестерня с 15 зубьями вращается по часовой стрелке. Когда входная шестерня вращается, она давит на выходную шестерню, где зубья входят в зацепление. Это действие передает движение на ведомую шестерню, но заставляет ведомую шестерню вращаться в направлении, противоположном входному.

Один из способов изменить направление вращения зубчатой ​​передачи - добавить ролики . Ролики находятся между входной и выходной шестернями в зубчатой ​​передаче и могут помочь вам управлять вращением выходной шестерни. Чтобы узнать больше о натяжных роликах, ознакомьтесь с разделом Ролик

Если вы используете шестерни для передачи движения на большие расстояния, например, в трансмиссии, пожалуйста, ознакомьтесь с разделом зубчатой ​​передачи, чтобы узнать больше о том, как правильно использовать это своего рода механизм.

Как упоминалось в разделе «Технические характеристики», шестерни REV работают с шестигранным валом 5 мм для управления движением зубчатой ​​передачи. Чтобы узнать больше об использовании шестигранных валов и правильной поддержки и ограничения движения, посетите страницы, указанные ниже:

Чтобы шестерни работали эффективно и не повреждались, важно правильно отрегулировать межцентровое расстояние . Шестерни, обозначенные ДЕТАЛЯМИ A на рисунке ниже, могут работать при очень небольшой нагрузке, но они определенно не будут работать и будут пропускать работу при любой значительной нагрузке.Шестерни в этом примере слишком далеко друг от друга, поэтому зубья каждой шестерни почти не соприкасаются друг с другом. Шестерни в ДЕТАЛИ B правильно расположены и обеспечивают плавную и надежную работу.

Иногда в конструкции может быть желательно сложить вместе несколько одинаковых шестерен на валу, чтобы увеличить грузоподъемность шестерен. В случае, когда количество зубьев шестерни не делится на шесть, из-за того, как они ориентированы при установке на шестигранный вал, зубья могут не совпадать между двумя шестернями.Чтобы обеспечить одинаковую синхронизацию всех шестерен, используйте выемку центрирующего вала, чтобы установить все шестерни на вал с одинаковой ориентацией.

Знание метки совмещения гарантирует, что все зубья шестерни будут совмещены на валу. На приведенном ниже рисунке показан пример простой руки робота, которая может поднимать тяжелый груз. Использование двух шестерен для подъема рычага удваивает взаимодействие материала с шестигранным валом и позволяет рычагу выдерживать более тяжелые нагрузки.

Проектирование и разработка компактного высокомоментного роботизированного привода для космических механизмов | Дж.Механизмы Робототехника

Космическим роботам требуются компактные системы шарнирного привода (JDS), обычно состоящие из привода, трансмиссии, шарнирных элементов, которые могут передавать высокие крутящие моменты через жесткие механические порты. Сегодняшние традиционные космические приводные системы состоят из стандартных приводов и многоступенчатых трансмиссий, которые обычно включают от трех до шести ступеней. Эта текущая практика имеет определенные преимущества, такие как короткое время разработки из-за доступности механических компонентов.Однако ему не хватает интеграции на системном уровне, которая учитывает структуру привода, размер и выходное усилие, структуру трансмиссии, передаточное число и прочность, и часто приводит к длинным и громоздким узлам с большим количеством деталей. В этой статье представлено новое аппаратное обеспечение робота, которое объединяет JDS робота в одно компактное устройство, оптимизированное для его размера и максимальной плотности крутящего момента. Это достигается путем разработки роботизированного соединения с использованием специальной трансмиссии, которая при численной оптимизации может создавать неограниченные передаточные числа, используя только две ступени.Конструкция компьютеризирована, чтобы получить все решения, которые удовлетворяют его кинематическим отношениям в пределах заданного диаметра привода. По сравнению с существующими роботизированными приводами предлагаемая конструкция может привести к созданию более коротких сборок со значительно меньшим количеством деталей при том же выходном крутящем моменте. Теоретические результаты демонстрируют потенциал примера устройства, для которого был изготовлен доказательный пластиковый макет, который может обеспечить крутящий момент более 200 Н · м в корпусе размером с локтевой сустав человека.Предлагаемая технология может иметь серьезные технологические последствия в других отраслях, таких как механическое протезирование и реабилитационное оборудование.

Для многих роботизированных приложений требуются компактные системы шарнирных приводов (JDS), которые могут создавать высокие крутящие моменты на низких скоростях для таких приложений, как космические роботы. Обычные приводные системы разрабатываются путем последовательного соединения привода с какой-либо трансмиссией с высоким передаточным числом, такой как электродвигатель с гармонической передачей (HD) или планетарной зубчатой ​​передачей (PGT).Несмотря на свою популярность, этот подход часто приводит к созданию длинных и громоздких сборок, которые увеличивают размер и сложность робота и уменьшают его рабочее пространство и размер укладки [1]. Кроме того, обычные компактные трансмиссии с высоким передаточным числом, такие как гармонические приводы, имеют высокое трение и низкую жесткость, что ограничивает их способность работать как чисто усилители крутящего момента в отсутствие схем нелинейного управления крутящим моментом [2].

В качестве альтернативы, обычные планетарные и обычные зубчатые передачи требуют наличия нескольких ступеней для достижения высоких передаточных чисел и могут привести к созданию длинных и громоздких узлов для приложений с высоким крутящим моментом.Другие типы роботизированных приводных систем основаны на интеллектуальных материалах, таких как пьезоэлектрик, сплавы с памятью формы, магнитореологические и электроактивно-полимерные приводы. Они имели ограниченный успех в разработке полнофункциональных роботизированных приводных систем, либо все еще находятся на ранних стадиях практического внедрения, либо не достигли окончательных результатов. Следовательно, разработка компактных и эффективных систем привода может улучшить производительность многих роботизированных систем и систем управления движением, особенно мобильных приложений с жесткими требованиями к крутящему моменту и размеру.Такие усовершенствования в технологии приводных систем могут также позволить рождение новых продуктов, таких как легкие протезы, которые невозможны с существующими двигателями и системами трансмиссии [3]. До настоящего времени портативные энергетические системы для переобучения голеностопного сустава имели ограниченную коммерциализацию за пределами специализированных больниц и реабилитационных клиник, главным образом из-за отсутствия адекватных готовых актуаторных технологий [4]. Чтобы облегчить развитие этих устройств в более удобные для пользователя системы, следует разработать новые формы приведения в действие с такими ключевыми возможностями, как высокий выходной крутящий момент / усилие, легкий, ненавязчивый и энергоэффективный.

Робот JDS соединяет и приводит в движение два звена робота относительно друг друга (см. Рис. 1). Для выполнения своих функций JDS должен содержать (1) привод для подачи силы или крутящего момента, (2) трансмиссию для усиления силы привода и, наконец, (3) конструкцию шарнира, которая ограничивает подвижность звеньев до одного градуса. -свободы при несении нагрузок в остальных степенях свободы.

Рис.1

Рис.1

Независимо от размера и веса, динамика JDS в основном определяется характеристиками привода / трансмиссии, такими как передаточное число, жесткость трансмиссии, инерция, трение и люфт. Эти свойства играют ключевую роль в работе робота, а также в разработке его системы управления. Например, передача с низкой жесткостью уменьшает полосу пропускания сил системы привода и вносит нестабильность в контуры обратной связи с высоким коэффициентом усиления [5].Кроме того, трение трансмиссии повышает требования к пусковому крутящему моменту привода, увеличивает его размер и снижает точность. В случае ограничений трансмиссии, таких как нелинейное трение и / или жесткость, нелинейные регуляторы используются для улучшения отношения входного / выходного крутящего момента трансмиссии [6].

В течение последних четырех десятилетий значительное количество исследований было посвящено разработке и пониманию компактных трансмиссий с высоким передаточным числом, таких как гармонические передачи.Гармонические приводы в первую очередь полезны для разработки компактных приводных систем с высоким крутящим моментом [7]. Несмотря на их популярность, два основных эксплуатационных недостатка гармонических приводов - это высокое трение и низкая жесткость. Трение восходит к основному принципу работы гармонического привода, который основан на трении скользящих зубцов между его гибкой линией и круговой шлицей. Еще один источник трения в гармоническом приводе - это высокая радиальная предварительная нагрузка генератора волн. Трение в гармонических двигателях широко изучается многими исследователями, например, в работах [1,95].[8] и [9], и хорошо известно, что он демонстрирует нелинейное поведение в результате действия скользящих зубцов. Кроме того, работа передачи гармонического привода основана на непрерывной деформации ее основного компонента, гибкой линии. Эта гибкость создает путь нагрузки с низкой жесткостью, который уменьшает рабочую полосу пропускания робота, вызывает резонанс и создает эффект люфта [9,10]. В результате гармонические приводы не работают как чистые усилители крутящего момента [11,12], так что их отклик скорости без обратной связи загрязнен не только вибрациями, но и непредсказуемыми скачками скорости после областей резонанса [9].Наконец, гармонические приводы ограничены передаточными числами ниже 1: 320 [13] по конструкции и неэффективны в низкотемпературных средах, таких как космос [14].

Другими широко используемыми передачами в роботизированных механизмах являются PGT, такие как в Refs. [15–17]. Европейский роботизированный манипулятор использует четырехступенчатый планетарный редуктор с передаточным числом 450: 1 на его шарнирах [16]. Чтобы уменьшить количество деталей и сложность сборки, коронные шестерни разделены между первой и последней двумя ступенями.Точно так же в системе привода марсохода [17] используются трансмиссии, состоящие из трех-пяти ступеней с передаточными числами от 1528: 1 до более 5000: 1. Потребность в повышенном понижении передачи важна во многих космических приложениях, поскольку они приводятся в движение с высоким крутящим моментом и низкой скоростью. Следовательно, реализация PGT в космических механизмах часто включает многоступенчатые зубчатые передачи, которые охватывают большое количество частей, таких как водила планетарной передачи, подшипники водила и отдельные подшипники планетарной передачи, что не только увеличивает сложность, но и снижает надежность таких механизмов.

Другое недавнее исследование роботизированных приводных систем касалось проблемы оптимизации соединения двигатель / трансмиссия для его наибольшего крутящего момента на инерцию в предположении, что высокие передаточные числа добавляют массу, инерцию и потери на трение [18]. Его результаты показывают, что самый большой двигатель и наименьшая трансмиссия в пределах размера соединения являются оптимальными. Однако этот подход не рассматривает приложения, требующие высоких крутящих моментов при ограниченной допустимой силе тока, такие как космические роботы.

Другими типами компактных трансмиссий в литературе по робототехнике и управлению движением являются циклоидальные редукторы [19,20] или гибридные комбинации планетарных и циклоидальных передач, известные как редукторы RV. Анализ этих механизмов показал, что, хотя они имеют более высокий КПД по сравнению с гармоническими приводами, они страдают от значительного люфта и больших ошибок передачи [21]. Кроме того, кажется, что в литературе есть пробел, касающийся максимально допустимых передаточных чисел циклоидальных приводов по отношению к их максимальному выходному крутящему моменту.

Таким образом, большинство систем привода, разработанных на сегодняшний день, основаны на коммерческих двигателях, соединенных с редукторными трансмиссиями того или иного типа [22–24], и им не хватает интеграции на системном уровне для двигателя, трансмиссии и совместной конструкции.

В следующем документе рассматривается интеграция конструкции и оптимизация роботизированной системы привода с учетом конструкции двигателя и выходного крутящего момента, конструкции и прочности трансмиссии, передаточного числа, опоры выходного подшипника и конструкции сустава робота.Мы также предлагаем новую дифференциальную планетарную трансмиссию, которая при должной оптимизации способна обеспечивать практически любое передаточное число и которая, согласно обширным исследованиям авторов, никогда не изучалась в контексте разработки роботизированных шарниров. Однако трансмиссии с дифференциальным приводом были первоначально разработаны для автомобильной промышленности для распределения крутящего момента двигателя [25].

Ссылаясь на ранее связанную работу в Refs.[26] и [27], в этой статье рассматривается подробный проект механизма срабатывания JDS и представлена ​​численная оптимизационная модель для его узла двигатель / трансмиссия. Кроме того, изучаются два тематических исследования, показывающих сравнение с обычным гармоническим приводом и планетарной трансмиссией. По сравнению с космическими приводными системами, которые были опубликованы в литературе, например, в Refs. [27–29], предлагаемая конструкция не только компактна, но и более универсальна благодаря своей инновационной конструкции трансмиссии, которая может обеспечивать любое передаточное число от 1: 1 до 5000: 1 с использованием только двух ступеней и стандартных диаметральных шагов.Кроме того, предлагаемый JDS является самоблокирующимся из-за своего высокого передаточного числа и, как таковой, не требует фиксирующего тормоза двигателя при больших передаточных числах, как в Ref. [27] для сохранения положения нагрузки в случае внезапной потери мощности.

Трансмиссия JDS представляет собой двухступенчатый планетарный редуктор, схематически изображенный на рис. 2. Входом в этот механизм является солнечная шестерня ( N 2 ), а выходом - коронная шестерня ( N 5 ).Механизм крепится к земле с помощью зубчатого венца первой ступени ( N 1 ). Две планеты ( N 4 , N 6 ) с обеих стадий жестко прикреплены и, как таковые, ведут себя как одно твердое тело.

Рис.2

Схематическое изображение дифференциальной планетарной передачи

Рис.2

Схематическое изображение дифференциальной планетарной передачи

Трансмиссия приводится в движение двигателем с внешним ротором, встроенным в солнечную шестерню, как показано на рис.3. Набор цилиндрических поверхностей роликов удерживает радиальное положение планетарной группы, тем самым устраняя необходимость в водиле, планетах, двигателе и опорных подшипниках. Симметрия земля-земля применяется для уравновешивания внутренних моментов рыскания, которые в противном случае действовали бы на планеты из-за пары момента земля-выход.

Рис.3

Принципиальная схема привода

Рис.3

Принципиальная схема привода

Ключ к преимуществу этой концепции в высоком крутящем моменте описан на схемах свободного тела планетарно-планетарной муфты ( N 4 , N 6 ), показанных на рис.4. Для простоты шестерни представлены их шаговыми диаметрами (PD), где D 1 , D 2 , D 4 , D 5 и D 6 обозначают шаговые диаметры шлифованной коронной шестерни, солнечной шестерни первой ступени, планетарной передачи первой ступени, кольцевой шестерни второй ступени и планетарной передачи второй ступени соответственно, а T в и T из являются входными и выходные моменты механизма.

Рис.4

Схема свободного тела трансмиссии исполнительного механизма

Рис.4

Схема свободного тела трансмиссии привода

В состоянии равновесия сумма моментов, действующих вокруг мгновенной оси вращения, дает преимущество крутящего момента механизма как

Tout = 2D4D5D2 (D4-D6) Tin

(1)

Уравнение (1) показывает, что выходной крутящий момент обратно пропорционален разнице между диаметрами шага планет ( D 4 - D 6 ), так что передаточное число в основном определяется шестернями планет и довольно независимо от размера трансмиссии.Это связано с тем, что входная сила двигателя действует на моментный рычаг D 4 , тогда как выходная сила действует на гораздо меньший моментный рычаг, эквивалентный (D 4 - D 6 ) / 2 . В результате этого отношения можно регулировать диаметры шага планет для получения очень высоких передаточных чисел без необходимости добавления дополнительных ступеней. Количество зубьев шестерни, соответствующее таким высоким передаточным числам, обосновано более подробно в гл.2.2 численными методами. Кроме того, как было показано в [5]. [30], что передаточное число привода значительно влияет на величину и распределение кинетической энергии внутри роботов-манипуляторов и может улучшить их пространственную точность за счет уменьшения воздействия их сил инерции. Это еще раз подтверждает важность разработки роботизированных соединений, которые способны создавать большие диапазоны передаточных чисел по своей конструкции.

Другой ключевой характеристикой этой концепции является использование структурной симметрии для уравновешивания внутренних нагрузок внутри трансмиссии, что в противном случае потребовало бы дополнительных несущих опор и компонентов.Схема свободного тела, показанная на рис. 4, показывает, что силы, действующие на сборку планет, лежат в двух разных плоскостях. Это создает момент рыскания, который имеет тенденцию искажать параллельность и перпендикулярность планет по отношению к их плоскости вращения.

Чтобы противодействовать этому моменту рыскания, выходной каскад помещается между двумя симметричными наземными каскадами таким образом, чтобы выходные планеты находились в состоянии равновесия нагрузки двойного сдвига, как показано на рис.5.

Рис.5

Схема свободного тела планет ввода / вывода при балансировке нагрузки

Рис.5

Схема свободного тела планет ввода / вывода при балансировке нагрузки

Кроме того, эта новая конфигурация позволяет жестко закрепить выход между двумя наземными конструкциями с помощью сдвоенных подшипниковых узлов (например,g., спина к спине, тандем, лицом к лицу) для получения жесткого выхода JDS при всех типах нагрузок. Поперечные силы реакции грунта обеспечивают поддержку против осевых и радиальных нагрузок, как показано на рис. 6.

Рис. 6

Конструкция опоры подшипника выхода JDS

Рис. 6

Конструкция опоры подшипника выхода JDS

JDS соединяется с использованием компонентов двойного назначения, чтобы упростить его сборку и уменьшить количество деталей.Компоненты двойного назначения состоят из цилиндрических поверхностей роликов, прилегающих к компонентам зубчатой ​​передачи. Эти поверхности размещают планетарный блок в радиальном направлении, тем самым устраняя необходимость в обычных водилах планетарной передачи и соответствующих подшипниках, а также сохраняя воздушный зазор между статором и ротором (см. Рис. 3). Поверхности роликов имеют диаметр качения, равный диаметру прилегающего шага шестерни, чтобы синхронизировать тягу шестерни и движение качения, как показано на рис. 7.

Рис.7

Фиг.7

Кроме того, планетарный блок удерживается в осевом направлении за счет упора между плоской поверхностью роликов и коронками зубьев коронной шестерни. Это связано с тем, что диаметр планетарного ролика в радиальном направлении больше меньшего диаметра коронной шестерни. В этой конфигурации действие зубьев шестерни и функции опоры подшипника интегрированы друг с другом, что приводит к очень компактной конструкции JDS.Двигатель состоит из внешнего магнитного ротора и полой пластины статора. Ротор встроен в солнечную шестерню, а статор прикреплен к заземленному компоненту, как показано на рис. 3. В концепции воздушный зазор между статором и ротором поддерживается теми же поверхностями роликов, которые радиально устанавливают и выравнивают оставшиеся планетарный кластер.

Учитывая важность плотности крутящего момента (крутящий момент на вес) в системе совместного привода робота, было проведено исследование численной оптимизации аналитической модели для оценки плотности крутящего момента в диапазоне значений параметров шестерни.Традиционно проектирование шестерен - это итеративный процесс, однако в этой статье мы компьютеризируем конструкцию, решив все решения этой конструкции, которые находятся в пределах заданного выходного диаметра. Чтобы ограничить объем оптимизации, были сделаны следующие проектные допущения:

  1. (1)

    Диаметр ротора двигателя почти равен диаметру отверстия солнечной шестерни или меньше его.

  2. (2)

    Минимальное количество зубьев на сателлите планетарной передачи составляет 10 (или больше), чтобы избежать подрезки шестерни.

  3. (3)

    Крутящий момент двигателя, усиленный передаточным числом, ниже, чем крутящий момент отказа трансмиссии.

  4. (4)

    Стандартные диаметральные шаги варьируются от 10 до 96 зубцов / дюйм.

Зная, что планеты должны вращаться на одинаковом радиальном расстоянии от центральной оси, обозначенном K на рис. 2, можно записать следующее соотношение: Признавая тот факт, что средний диаметр равен количеству зубьев на диаметральном шаге (= N / P ), уравнение.(2) можно переписать с точки зрения количества зубьев и диаметрального шага, как показано в следующем уравнении:

N2P1 + N4P1 = N5P2 − N6P2 = 2K

(3) где P 1 и P 2 - диаметральные шаги первой и второй ступеней соответственно, а N 4 и N 6 - количество зубьев планетарной шестерни. , с их значениями в диапазоне от 10 зубьев на шестерню до промежуточного произвольного значения (например,г., 30) с шагом 1 зуб. Кроме того, P 1 и P 2 должны иметь определенные значения шага, чтобы использовать стандартные зубчатые фрезы. Зная приблизительный диапазон значений для N 4 , N 6 , P 1 и P 2 , уравнение. (2) можно использовать для определения количества зубьев солнечной шестерни и ведомого венца, обозначенного как N 2 и N 5 , как

Параметры, показанные в таблице 1, использовались для заполнения переменных передачи по их возможным комбинациям для радиуса орбиты планет, увеличивающегося с 2 до 5 дюймов с шагом 0.1 дюйм. Допуская изменение радиуса рычага от 1 до 2 дюймов, параметры трансмиссии учитываются не только для различного количества зубьев, но и для физического диаметра трансмиссии.

Таблица 1

Границы параметров оптимизации

42 42
K = 1: 0,1: 3
N 4 = 10: 1: 30
97

198 90 =

10: 1: 30
P 1 = 5: 1: 96
P 2 = 5: 1: 96
К = 1: 0.1: 3
N 4 = 10: 1: 30
N 6 = 10: 1: 30
1
90 1
90 P 9 = 5: 1: 96
P 2 = 5: 1: 96
Используя поиск с исчерпывающими вычислениями, в котором исключаются конфигурации передачи, которые имеют нецелые значения для N 2 и N 5 , мы получили приблизительно 2.5 × 10 6 решений с соотношением от −5000: 1 до +5000: 1. Для каждой из этих конфигураций передаточное число решается с использованием следующего уравнения:

ToutTin = 1 + N1N21 − N1N6N4N5

(7) Поскольку геометрию зубьев можно извлечь из диаметральных шагов и количества зубьев, можно выполнить анализ прочности на каждой конфигурации передачи во время вычислительного цикла. Статический анализ сил показывает, что планеты являются самыми слабыми компонентами трансмиссии и поэтому ограничивают максимальный выходной крутящий момент JDS.В частности, механическая мощность передается по трем точкам сетки, как показано на рис. 8.

Рис.8

Точки сетки передачи JDS

Рис.8

Точки сетки передачи JDS

Линейные скорости (скорость прохождения зубьев) и силы передачи в точках сетки задаются как

Используя скорости и силы по тангажу, можно получить динамические коэффициенты и соответствующие силы разрушения для всех возможных конфигураций трансмиссии.Для этого планетарные напряжения рассчитываются с использованием критериев рейтинга передач Американской ассоциации производителей зубчатых колес (AGMA), включая геометрические, материальные, монтажные и надежные факторы, связанные с каждой передачей. Выходные силы, которые могут вызвать разрушение в трех точках сетки, рассчитываются с использованием контактных и изгибающих напряжений (см. AGMA 2001-DO4). Другие оставшиеся факторы, такие как перегрузка, монтаж, надежность и твердость поверхности, выбираются в соответствии с процессом производства / сборки.Наконец, вычислительный алгоритм возвращает матрицу, в которой каждая строка соответствует одной конфигурации этой конфигурации, а столбцы - ее соответствующие параметры. Репрезентативная выборка решений представлена ​​в таблице 2.

Таблица 2

Формат решений для конфигураций JDS

2 2 2 2
Передаточное число Макс.диаметр двигателя (дюймы) Планета 1 PD (дюймы) Планета 2 PD (дюймы) Кольцо 1 PD (дюймы) Кольцо 2 PD (дюймы) Диаметр 1 ступени Диаметр 2 ступени Солнечные зубья Зубья планетарной передачи 1 Зубцы 1 кольца Планета 2 зуба Кольцо 2 зуба Предел крутящего момента (фунт- дюйм) Расчетная масса (фунты)
−4709.78 1,14 0,66 0,66 2,66 2,66 41 44 55 27 109 29 117 117 117 117 1,13 0,67 0,68 2,67 2,68 43 40 57 29 115 27 107 501.66 2,16
2 2 2 2
Передаточное число Макс.диаметр двигателя (дюймы) Planet 1 PD (дюймы) Planet 2 PD (дюймы) Кольцо 1 PD (дюймы) Кольцо 2 PD (дюймы) Диаметр 1 ступени Диаметр 2 ступени Солнечные зубья Зубья планетарной передачи 1 Зубцы 1 кольца Планета 2 зуба Кольцо 2 зуба Предел крутящего момента (фунт-дюйм) Расчетный вес (фунты)
−4709.78 1,14 0,66 0,66 2,66 2,66 41 44 55 27 109 29 117 117 117 117 1,13 0,67 0,68 2,67 2,68 43 40 57 29 115 27 107 501.66 2,16

Плотность крутящего момента JDS рассчитывается на основе крутящего момента при отказе и расчетного веса шестерен и двигателя. На рисунке 9 показано соотношение между передаточным числом и плотностью крутящего момента JDS. Каждая точка представляет одну конфигурацию JDS. Отрицательные отношения указывают на обратное направление между входными / выходными движениями трансмиссии.

Рис.9

Передаточное отношение трансмиссии в зависимости от плотности крутящего момента JDS

Рис.9

Передаточное отношение трансмиссии в зависимости от плотности крутящего момента JDS

Поскольку взаимосвязь между передаточным числом и плотностью крутящего момента ограничивается способностью двигателя выдавать достаточный крутящий момент при определенном передаточном числе, решения JDS затем были отфильтрованы с использованием диаметра двигателя (взятого из диаметра отверстия солнечной шестерни) по требуемому двигателю. крутящий момент (крутящий момент отказа JDS в зависимости от передаточного числа).Этот процесс исключает конфигурации JDS с двигателями большего или меньшего размера и оставляет около 460 решений из возможных 2,5 × 10 6 . Эти конфигурации показаны на рис. 10. Классификация двигателей по размерам была оценена в соответствии с данными, предоставленными BEI KIMCO Magnetics, Inc (Сан-Диего, Калифорния). 2

Рис. 10

Диаметр двигателя в зависимости от плотности крутящего момента JDS

Рис.10

Диаметр двигателя в зависимости от плотности крутящего момента JDS

После анализа данных была выбрана одна комбинация приводов с максимально возможной плотностью крутящего момента с диаметром JDS 4,5 дюйма с учетом технологичности системы и использования стандартных компонентов подшипников. Эти характеристики перечислены в Таблице 3. Из Таблицы 3 видно, что только небольшие различия в диаметрах шага планет (17.65 мм, 17,57 мм) достаточно для получения высокого передаточного числа (1: 900). Для соответствия этим спецификациям было разработано несколько концепций дизайна с использованием, по возможности, стандартных механических компонентов. В предварительной концепции, показанной на рис. 11, шестерня с меньшей шириной торца размещается на более длинном плече момента, чтобы уравновесить момент рыскания, как показано на рис. 4.

Рис. 11

Предварительная концепция конструкции

Рис.11

Эскизная концепция проекта

Передаточное число 900: 1
Длина 57 мм (2,21 дюйма)
Диаметр 120 мм (4,72 дюйма)
Вес 1,80 кг )
Число зубьев основной планетарной передачи 12
Число зубцов ведомой планетарной передачи 11
Число зубьев солнечной шестерни 38
Число зубьев ведомой шестерни 621600
Число зубьев вторичной коронной шестерни 57
Диаметр 1 ступени AGMA 18 зубьев / дюйм
2 ступень Диаметр диаметра AGMA 16 зубцов / дюйм
Межосевое расстояние для обе ступени 36.83 мм (1,450 дюйма)
Диаметр шага солнечной шестерни 55,95 мм (2,202 дюйма)
Диаметр шага планетарной передачи 17,65 мм (0,694 дюйма)
Диаметр шага выходной планетарной передачи 17,57 мм (0,691 дюйма)
Шаг шлифовального кольца 91,31 мм (3,594 дюйма)
Шаг шагового диаметра выходного кольца 91,25 мм (3,592 дюйма)
Номинальный крутящий момент 271 Н · м (2998 .5 фунт-дюймов)
00 00
Передаточное число 900: 1
Длина 57 мм (2,21 дюйма)
Диаметр 120 мм (4,7260 дюйма)
Вес 1,80 кг (3,968 фунта)
Число зубьев основной планетарной передачи 12
Число зубцов выходной планетарной передачи 11
Число зубцов солнечной шестерни Число зубьев шлифованной коронной шестерни 62
Число зубьев вторичной коронной шестерни 57
Диаметр 1 ступени AGMA 18 зубьев / дюйм
2 ступень Диаметр диаметра AGMA 16 зубьев / дюйм
Межосевое расстояние для обеих ступеней 36.83 мм (1,450 дюйма)
Диаметр шага солнечной шестерни 55,95 мм (2,202 дюйма)
Диаметр шага планетарной передачи 17,65 мм (0,694 дюйма)
Диаметр шага выходной планетарной передачи 17,57 мм (0,691 дюйма)
Шаг шлифовального кольца 91,31 мм (3,594 дюйма)
Шаг шагового диаметра выходного кольца 91,25 мм (3,592 дюйма)
Номинальный крутящий момент 271 Н · м (2998 .5 фунт-дюймов)

Следует отметить, что в двух ступенях используются несколько разные нормальные диаметральные шагы, так что рабочие диаметры шага планетарных шестерен и зубчатых колес почти, но не в точности равны при высоких передаточных числах. Среднее передаточное число на один оборот на выходе постоянно, так как оно зависит от количества зубьев на шестернях. Точность изготовления влияет на мгновенную ошибку передаточного числа, обычно известную как кинематическая ошибка, которая отвечает за шум и вибрации в коробке передач, и выходит за рамки данной статьи.

Была установлена ​​матрица проектирования между различными концепциями с учетом прочности конструкции и рассеивания тепла, производственных допусков и центровки блока планетарных шестерен. Конечный элемент прочности и термический анализ были выполнены на механизме, чтобы гарантировать производительность в соответствии со спецификациями, изложенными в таблице 3. Окончательная модель автоматизированного проектирования представлена ​​на рисунке 12.Некоторые из основных проблем проектирования, с которыми сталкивается эта концепция, - это точность выравнивания «земля-земля» и рассеивание тепла двигателем. Результаты анализа методом конечных элементов (FEA) подтвердили аналитические прочностные и тепловые модели, а также подтвердили допустимый крутящий момент трансмиссии и теплоотдачу двигателя. Пластиковый макет был разработан с использованием технологии аддитивного производства, чтобы получить практическое представление о конструкции JDS, а инженерная модель показана на рис. 13. Макет успешно подтвердил передаточное число и предоставил практическую обратную связь по конструкции при эксплуатации и сборке механизма до его установки. разработка дорогостоящего металлического варианта системы.

Рис. 12

(вверху) Поперечный разрез системы главной передачи; и (внизу) визуализированная трехмерная фигура конструкции

Рис. 12

(вверху) Поперечное сечение системы главной передачи; и (внизу) трехмерная фигура дизайна

Рис.13

Пластиковый макет трансмиссии JDS (без крышки / мотора)

Рис.13

Пластиковый макет трансмиссии JDS (без крышки / мотора)

В JDS используется конструкция с двойным заземлением, чтобы удерживать выходное звено через взаимно встречный подшипник. Таким образом, в конструкции используются два тонких угловых шарикоподшипника (толщиной 1/4 дюйма), которые находятся на расстоянии 1,35 дюйма друг от друга, чтобы эффективно выдерживать изгибающие моменты до 847,4 Н · м при статическом коэффициенте безопасности 1,

.

Анализ напряжения скручивания был проведен на центральном валу, который несет половину выходной нагрузки, эквивалентной 135.1 Н · м. Исследование показало максимальное напряжение сдвига 64 МПа в зависимости от геометрии вала (внешний диаметр = 0,9 дюйма, внутренний диаметр = 0,5 дюйма), что эквивалентно коэффициенту безопасности 3,1 для алюминия 6061. Соответствующие результаты FEA показаны на рис. 14. Благодаря конструкции с двойным сдвигом выходной крутящий момент равномерно распределяется между наземными ступенями, что приводит к низким напряжениям во всей удерживающей конструкции.

Рис. 14

Результаты метода конечных элементов распределения напряжений на опорной конструкции трансмиссии

Рис.14

Результаты метода конечных элементов распределения напряжений на опорной конструкции трансмиссии

Другой анализ методом конечных элементов был разработан для оценки прочности шестерен планет, которые являются самыми слабыми компонентами трансмиссии, как показано на рис. 15.

Рис. 15

Результаты распределения напряжений на шестерне планет

Рис.15

Результаты распределения напряжений на шестерне планет

По результатам FEA наибольшие напряжения регистрируются в точках контакта и около корней зубьев шестерни. Максимальное расчетное напряжение составляет около 250 МПа. Это дает коэффициент безопасности 1,52 для легированной стали 4150, подвергнутой закалке и отпуску до RC 57-61.

Адаптация исполнительного механизма к плоской роботизированной руке изображена на рис.16. В дополнение к компактным размерам и большому выходному крутящему моменту, цельная конструкция привода поддерживает как одинарные, так и двойные срезные звенья на выходном и заземляющем элементах, соответственно. При установке на звено с двойным срезом жесткость соединения на кручение увеличивается, поскольку он действует параллельно центральному валу. Кроме того, вся электроника обратной связи и связи интегрирована и размещена в сборке JDS.

Рис.16

Трехмерная визуализация предлагаемой концепции руки

Рис. 16

Трехмерная визуализация предлагаемой концепции руки

Роботизированная рука, показанная на рис. 17, обладает как высокой удельной нагрузкой, так и очень компактным профилем, что позволяет руке исключительно хорошо работать в мобильных приложениях развертывания. Ключевой технологией, позволяющей использовать стрелу, является ее компактная система приведения в действие, которая способна обеспечивать высокие крутящие моменты и обеспечивать жесткую конструкцию шарниров, позволяющую стрелке манипулировать тяжелыми грузами с ловкостью и точностью.

Рис. 17

Концепция серийной роботизированной руки, показанная в сложенном и выдвинутом положениях

Рис. 17

Концепция серийной роботизированной руки, показанная в сложенном и выдвинутом положениях

Универсальный характер предлагаемой конструкции облегчает разработку модульных систем с высокой полезной нагрузкой, которые можно реконфигурировать и адаптировать к текущей задаче.Все эти JDS могут иметь одинаковый компактный стандартный размер, но каждый, в зависимости от передаточного числа, может обеспечивать разную производительность. Этот подход может улучшить современные манипуляции, введя различные модульные соединения, которые можно заменить для различных задач, таких как медленное и точное манипулирование тяжелыми объектами или перемещение более легких объектов со скоростью и маневренностью.

Аналогичным образом, концепция привода JDS может быть полезна при разработке медицинских устройств, таких как протез локтя / руки верхней конечности, как показано на рис.18. В полностью пластиковом или гибридном сочетании пластик-металл JDS мог бы обеспечить эффективный источник легкого срабатывания с батарейным питанием для таких устройств.

Рис.18

Компактный протез локтя / руки

Рис.18

Компактный протез локтя / руки

Для оценки жизнеспособности этой технологии в космических приложениях был проведен сравнительный анализ с летным приводом, поставляемым лабораторией реактивного движения НАСА.Стандартный пилотажный привод содержит двигатель в сборе, соединенный с многоступенчатой ​​планетарной зубчатой ​​передачей, через которую механическая энергия передается между ступенями через кронштейн рычага, как показано на рис. 19.

Рис. 19

Модель трансмиссии традиционной системы пространственного привода с зубчатыми колесами

Рис. 19

Модель трансмиссии традиционной системы пространственного привода с зубчатыми колесами

Из-за такой конструкции передаточное число (на ступень) пропорционально радиусу рычага водила по радиусу шага солнечной шестерни.Это накладывает ограничения на радиус шага солнечной шестерни и приводит к подрезанию солнечной шестерни, когда передаточное число превышает 8: 1 на ступень. В результате этого ограничения эта компоновка требует нескольких ступеней для достижения высоких соотношений, что приводит к длинным, громоздким и сложным сборкам с большим количеством деталей и большим весом. На рисунке 20 показано сравнение аппаратной архитектуры стандартного полетного актуатора и предлагаемой концепции конструкции.

Рис.20

Обычная трансмиссия космического робота

Рис.20

Обычная трансмиссия космического робота

Очевидно, что предлагаемая конструкция JDS может значительно сократить количество частей системы совместного привода обычного робота, что приведет к созданию более компактных и надежных космических систем. Уменьшение количества деталей тесно связано с повышением надежности и снижением риска отказа, что имеет первостепенное значение в космических полетах.Подробное сравнение показано в Таблице 4.

Таблица 4 Сравнение

JDS с приводом из лаборатории Mars Science

0– номинальный КПД 95% a
Метрика сравнения Предлагаемый JDS Стандартный полетный привод Привод A338 (Mars Science Laboratory)
Диаметр 15 120 мм
Длина 57 мм 152 мм
Общее количество деталей 14 70
Количество движущихся частей 6 32
95–99%
Номинальный крутящий момент 271 Н · м a 165 Н · м
Номинальная скорость 2.5 об / мин a 1,1 об / мин
00
Метрическая система сравнения Предлагаемый JDS Стандартный полетный привод Привод A338 (Mars Science Laboratory)
мм мм мм мм
Длина 57 мм 152 мм
Общее количество деталей 14 70
Количество подвижных частей 6 32
–95% a 95–99%
Номинальный крутящий момент 271 Н · м a 165 Н · м
Номинальная скорость 2.5 об / мин a 1,1 об / мин

Сравнительный анализ JDS и гармонических приводов зависит от требований приложения, поскольку гармоники - это единственные передачи с сильно нелинейными жесткостью и трением. Чтобы проиллюстрировать некоторые из основных различий, одна конфигурация JDS сравнивается с гармонической передачей размером 25 с аналогичным выходным крутящим моментом, как показано в таблице 5.Очевидно, что трансмиссия Harmonic Drive превосходит конструкцию JDS во многих категориях, таких как количество деталей и объемная плотность крутящего момента, а также люфт. Однако гармонический привод демонстрирует гораздо большее рассеивание трения по сравнению с JDS из-за его механизма скользящей сетки и ограничивается передаточными числами ниже 1: 320 в основном из-за того, что его передаточное число определяется углом клина профиля его зуба. которое становится слишком узким выше этого отношения. С другой стороны, трансмиссия HD имеет нулевой люфт между валом двигателя и звеном робота, тогда как люфт в JDS в значительной степени определяется классом передач AGMA.Увеличение класса шестерни ужесточает допуски и уменьшает люфт, но не устраняет его.

Таблица 5 Сравнение

JDS с системой привода, в которой используется передача с гармоническим приводом

1 91 91

    97

    97

    97

    97 2 об / мин

Метрика сравнения Предлагаемый JDS Размер 25 передачи с гармоническим приводом (серии CSF, SHF и SHD)
Диаметр 120 мм 107 мм
Длина 57 мм 52 мм
Общее количество частей 14 5
Количество подвижных частей
Номинальный КПД 90–95% 67–70%
Номинальный крутящий момент 177 Н · м 178 Н · м
Номинальная частота вращения
Передаточное число 1: 2116 1: 160
Требуемый крутящий момент двигателя (без потерь на трение) 0.08 Н · м 1,11 Н · м

01

97 Номинальный КПД

97 12 об / мин

97 91 об / мин

Метрическая система сравнения Предлагаемый JDS Размер трансмиссии с гармоническим приводом 25 (серии CSF, SHF и SHD)
мм 107 мм
Длина 57 мм 52 мм
Общее количество деталей 14 5
Количество подвижных частей 6 90–95% 67–70%
Номинальный крутящий момент 177 Н · м 178 Н · м
Номинальная частота вращения 2 об / мин Передаточное число 1: 2116 1: 160
Требуемый крутящий момент двигателя (без потерь на трение) 0.08 Н · м 1,11 Н · м

В случае космического применения, в котором скорость и динамические эффекты менее значительны по сравнению со статическим крутящим моментом, поскольку космические роботы движутся с низкой скоростью, интегрированная концепция JDS может привести к созданию более компактной и более эффективной системы привода по сравнению с системой привода космического робота, которая использует передачу с гармоническим приводом. Это связано с тем, что высокое передаточное число трансмиссии JDS снижает требования к максимальному крутящему моменту двигателя, тем самым позволяя использовать двигатель меньшего размера, который занимает меньше места, потребляет меньше тока и выделяет меньше тепла по сравнению с двигателем. управление трансмиссией с гармонической передачей.Кроме того, поскольку конструкция JDS может поддерживать высокие передаточные числа, она не может двигаться задним ходом и не требует фиксирующего тормоза на валу двигателя при больших передаточных числах, как в случае большинства аппаратных средств космического привода. Кроме того, жесткость JDS, вероятно, будет выше, чем у гармонического привода из-за его жестких компонентов зубчатой ​​передачи, в отличие от гибкости гармонического привода. Увеличение жесткости JDS и плотности крутящего момента может быть достигнуто за счет добавления большего количества планет в сборку JDS. Это стало возможным благодаря его конструкции без носителя, которая ослабляет кинематические ограничения на механизм, чтобы принимать больше планет.Наконец, концепция JDS - это попытка численно оптимизировать систему привода робота, которая состоит из двигателя, трансмиссии и несущей конструкции, тогда как гармонические приводы являются дискретными элементами передачи.

Mechatronica: механизмы и роботы для 3D-печати

Проектирование и создание роботов и других мехатронных конструкций упростилось благодаря продолжающемуся развитию технологии 3D-печати, но это не обошлось без проблем. Детали, напечатанные на 3D-принтере, не совсем такие же, как их более дорогие механически обработанные и формованные собратья, и мы должны учитывать допуски, отделку поверхности и другие производственные ограничения.Но оно того стоит: нет ничего лучше, чем воплотить в жизнь собственное творение. Итак, как вы подойдете к разработке деталей для робота, напечатанного на 3D-принтере?

Робототехника: основы системы движения

С механической стороны робототехника означает системы движения: как заставить робота двигать рукой или колесом? Как мы переведем двигатель на 6000 об / мин на вращение карусели на 10 об / мин? Ключ, конечно же, в переключении передач.

Во всех передачах нужно думать прежде всего о двух шагах и количестве зубьев.(Угол прижима также следует учитывать, но мы рассмотрим его немного позже.)

Шаг шестерни относится к размеру зубьев. Представьте, что у нас есть шестерня диаметром 1 дюйм с 32 зубьями, которая становится шестерней с 32 шагами. (Диаметр шага относится к теоретическому диаметру шестерни, который является эффективным диаметром для плеча рычага шестерни, что означает, что мы используем средний диаметр как для расчета рычага между усилиями, передаваемыми шестернями, так и передаточных чисел).

Аналогичным образом, в метрической передаче модуль выражает изменение диаметра на зуб: шестерня диаметром 24 мм с 12 зубьями является шестерней модуля 2.Только шестерни одного шага или модуля могут работать вместе.

Число зубцов говорит нам о том, какое усилие мы получим от пары шестерен. Если у нас есть две шестерни с 32 шагами, а ведущая шестерня имеет 32 зуба, а пассивная шестерня имеет 128 зубьев, то ведущая шестерня будет вращаться четыре раза за каждый оборот пассивной шестерни, а пассивная шестерня будет примерно четыре раза крутящий момент (приблизительно, потому что трение снимает немного мощности).

Зубчатые передачи для разработки робототехники обычно подразделяются на один из четырех типов или их комбинации: прямозубые шестерни, внутренние шестерни, червячные передачи и реечные шестерни.Первые два из них помогут вам замедлить или ускорить вращательное движение, а рейка и шестерня переведут это вращение в линейное движение.

Схема центровки оптического датчика маятника

Червячные передачи немного более гибкие: когда червяк взаимодействует с прямозубой шестерней, она может быть очень эффективным редуктором (червячные шестерни обычно действуют как однозубые шестерни с одним длинным “ зуб », обернутый вокруг вала, поэтому вы получаете феноменальные сокращения за один шаг, устраняя сложную коробку передач).Но червяки также обычно используются в линейных приводах, где червяк (или винт) имеет гайку, перемещающуюся по его длине, преобразуя вращательное движение двигателя в линейное движение с низким люфтом.

Люфт? Что это такое? Рад, что ты спросил. Люфт в зубчатых передачах - это величина движения, которую вы можете получить на одном конце системы, когда другой конец системы неподвижен.

Например, если у вас незакрепленная коробка передач, вы можете повернуть выходной вал на несколько градусов, даже если двигатель на входном валу полностью зафиксирован.Вы можете почувствовать это в машине, когда находитесь на холме; даже после того, как вы выключили двигатель и включили передачу, он все равно движется, когда вы отпускаете тормоз. В идеале мы хотим минимизировать люфт в системе передач, чтобы движение было предсказуемым.

Мы также хотим разработать зубчатые колеса с плавной, постоянной передачей мощности, но с цилиндрическими зубчатыми колесами возникает общая проблема, если только вы не получите правильную форму.

Например, представим, что мы создаем две шестеренки в форме звезд, как показано на изображении ниже.Шестерня слева - это ведущая шестерня (прикрепленная к двигателю), а шестерня справа получает мощность и соединена с колесом. Что произойдет, когда мы попытаемся погонять этого робота вперед?

Вначале ведущая шестерня имеет острие, которое упирается в выемку на шестерне колеса. Плечо низкое, потому что плечо рычага от центра шестерни до точки намного дальше, чем выступ до точки (изображение слева). Но когда две шестерни вращаются, ситуация меняется на противоположную, и ведущая шестерня будет иметь сильные рычаги (как на изображении справа).

Это означает, что если двигатель имеет постоянную мощность, а колесо имеет постоянную силу сопротивления, то результирующее движение будет резким. Насколько бы это не круто танцевало роботов, это не очень хорошо для вашего творения. Какое решение?

К счастью, зубчатые передачи существуют достаточно давно, поэтому существует отличное геометрическое решение этой проблемы: зубья эвольвентной шестерни. Чего-чего?

Эвольвентные зубья обеспечивают плавную передачу мощности за счет поддержания постоянного отношения рычагов между двумя шестернями, и они делают это, имитируя идеальную систему шкивов.(Не путать с системой идеальных отжиманий, определяющей туловище, хотя при таком дизайне ваш робот будет выглядеть хорошо с двумя слогами.)

Представьте себе, что вместо шестеренок у вас есть две стойки, и веревка наматывается вокруг одной стойки много раз. а также обернул второй пост. Когда мы наматываем больше веревки на вторую стойку, первая будет вращаться; и, что более важно, вращение и передача мощности между этими двумя стойками будут плавными и постоянными. Конструкция эвольвентной шестерни имитирует этот идеальный сценарий, придавая зубьям шестерен форму разматываемой струны.

Эвольвентная расчетная струна

И здесь нам нужно снова подумать об угле давления. Если два шкива или стойки соприкасаются, то угол давления будет равен нулю, и не будет места для зубьев шестерни.

Чем дальше друг от друга мы размещаем две основные окружности - две окружности, представляющие идеальные шкивы - тем выше угол наклона. Большие углы наклона становятся более эффективными для передачи мощности, но за счет пространства и бесшумности; угол давления в 20 градусов является типичным для большинства зубчатых передач для хорошего баланса свойств.

Проектирование эвольвентных зубчатых колес в CAD / CAM

К сожалению, в большинстве программ CAD нет кнопки «создать эвольвентные зубчатые колеса», поэтому вам придется создавать эти геометрические формы вручную. К счастью, процесс довольно прост, как только вы увидите его в действии, и иметь плавного робота того стоит. В этом руководстве я проведу вас через процесс в SolidWorks, и вы можете использовать аналогичную систему для любой другой программы.

Эвольвентная шестерня в Solidworks

Итак, теперь у вас есть почти идеальная трехмерная шестерня в SolidWorks - можете ли вы распечатать ее и добавить в свой дизайн? Почти, но не все так просто.

Механизмы для 3D-печати

Как и в случае любого метода производства, чтобы получить хороший конечный продукт, вам необходимо учитывать разумные допуски в отношении того, как создается ваш дизайн, и это особенно важно для механизмов, напечатанных на 3D-принтере.

Используя металлическую шестерню, обработанную на хорошем станке с ЧПУ, легко изготавливать шестерни с допусками всего 0,005 дюйма. Это означает, что вы можете без проблем рассчитывать на качественные шестерни вплоть до шага примерно до 64, а при необходимости можете даже производить шестерни со 128 шагами.Но при использовании некоторых методов 3D-печати допуски могут достигать 0,020 дюйма - в четыре раза больше размера, - и вы захотите соответственно увеличить шестерни.

Насколько маленький - слишком маленький?

Для своих проектов я использую 10-кратное эмпирическое правило: шаг должен быть в десять раз больше допустимого. Это означает, что минимальный размер зуба для зубчатого колеса с печатью FDM с допуском 0,020 дюйма будет составлять 0,20 дюйма - в основном, вы можете легко напечатать 5-шаговые зубчатые колеса. Если вы хотите немного отшлифовать конечный продукт, вы можете снизить его до 5-кратного правила проектирования, но я бы порекомендовал вместо этого пойти на более тонкий процесс допуска, такой как SLS, который с его 0.Допуск 010 дюймов, позволяет легко создавать шестерни в 10-шаговом диапазоне.

В таблице ниже показаны рекомендуемые методы печати для различного шага шестерен. Хотя это всего лишь руководство, оно хорошо работало для моих проектов робототехники в прошлом, и я бы рекомендовал следовать ему, пока у вас не появится больше опыта.

Рекомендуемые методы печати для разного шага шестерен

Надпечатка и трение в 3D-принтах

Предупреждение: не все услуги 3D-печати одинаковы. Когда машины настраиваются, они должны быть откалиброваны для достижения идеальных допусков, и не все полиграфические службы берутся за это.Например, большинство неоткалиброванных машин FDM будут постоянно печатать с размерами примерно на 0,5 мм (0,020 дюйма) больше, чем файл 3D-модели.

Станки Fictiv откалиброваны таким образом, что ожидаемый допуск составляет всего 0,25 мм. Это не означает, что вы не можете использовать принтер школьной научной лаборатории для роботизированных деталей, но это означает, что вы должны учитывать дополнительный размер шага, необходимый для плавной работы деталей.

Точно так же, выбирая способ печати дизайна, подумайте о материалах и отделке.Такие методы печати, как PolyJet, позволяют получить очень гладкую поверхность, что отлично снижает трение. Точно так же нейлон SLS - отличный материал с низким коэффициентом трения, но поскольку SLS имеет шероховатую порошкообразную поверхность, ваши конструкции потребуют легкого шлифования для хорошей работы.

Найдите время, чтобы ознакомиться с нашим руководством по материалам и примечаниями по материалам с низким коэффициентом трения в нашей статье о конструкции движущихся частей, чтобы получить дополнительную информацию.

Poppy, робот-гуманоид с открытым исходным кодом, напечатанный на 3D-принтере

Applied Robotics

Возможно, вы не будете проектировать следующую семейную горничную Джетсона или костюм Железного человека, но с небольшим геометрическим дизайном и рассмотрением материалов, что принесет ваш следующий роботизированный дизайн к жизни в 3D печати абсолютно выполнимо.

У вас есть дизайн, который вы готовы распечатать? Ознакомьтесь с нашими услугами по 3D-печати, чтобы начать работу.

Знаете еще одного мечтателя, который хочет спроектировать и построить робота? Не стесняйтесь присылать им эту статью, чтобы воплотить их мечты в реальность!

Запуск: двигатели с прямым приводом - будущее роботизированных приводов

Иллюстрация: Blood Bros.

Хотя роботы становятся все более разнообразными и способными, есть один компонент, который не сильно изменился за последние полвека: их исполнительные механизмы.

Подавляющее большинство роботов используют электродвигатель, соединенный с коробкой передач, для перемещения каждого из своих колес и шарниров. Двигатель быстро вращается, так как он оптимизирован для этого, в то время как коробка передач снижает скорость вращения выходного вала, увеличивая при этом крутящий момент. Этот тип привода приводит в действие роботов, включая промышленное вооружение, ходячих гуманоидов и марсоходов. Но он далек от совершенства: мотор-редукторы часто бывают громоздкими и неповоротливыми. Они не выдерживают ударов и требуют значительного ухода.А если вам нужен большой крутящий момент, будьте готовы заплатить высокую цену. Робототехники давно надеялись найти лучшие альтернативы.

Канадский стартап утверждает, что действительно есть способ лучше управлять роботами. Genesis Robotics из Лэнгли, Британская Колумбия, хочет заменить обычные двигатели двигателями особого типа, крутящий момент и скорость которых можно контролировать более точно. Поскольку такой двигатель может вращаться намного медленнее, вы можете иногда использовать его для приведения в действие шарнира робота без всякой передачи, поэтому конструкция известна как прямой привод, хотя во многих случаях эти двигатели соединены с минимальная передача.

Прямые приводы представляют собой технологию, созданную десятилетиями, и вы можете найти их в промышленном оборудовании, а также в потребительских товарах. Но Genesis утверждает, что его конструкция LiveDrive может обеспечивать в три раза больший крутящий момент по сравнению с обычными прямыми приводами того же веса, в 100 раз точнее и стоит намного меньше. Компания также изобрела компактную и легкую коробку передач Reflex, которая может быть изготовлена ​​из литого пластика, что снижает производственные затраты. Напротив, в большинстве высокопроизводительных приводов используются зубчатые передачи с волновой деформацией, которые особенно дороги, поскольку их необходимо обрабатывать с высокими допусками.

«Робототехника далеко продвинулась вперед в области управления, датчиков и искусственного интеллекта», - говорит основатель и технический директор Genesis Джеймс Классен. "Что сдерживает, так это срабатывание".

Компания из 60 человек накапливала патенты в течение последних нескольких лет, а в апреле прошлого года она получила крупные инвестиции от Koch Industries, гигантского конгломерата, базирующегося в Уичито, штат Канзас. Начиная с 2019 года Genesis либо продаст, либо лицензирует свою семью прямые приводы и редукторы для производителей роботов.

По своей конструкции прямые приводы ничем не отличаются от бесщеточных двигателей постоянного тока, состоящих из ротора с постоянными магнитами и статора с медными обмотками. Но в то время как двигатели постоянного тока обычно имеют менее дюжины магнитов и обмоток, у прямых приводов их в несколько раз больше.

Одно из преимуществ прямых приводов перед мотор-редукторами состоит в том, что вы можете более точно контролировать их крутящий момент, регулируя ток в обмотке, без дорогостоящих датчиков силы.Прямые приводы также имеют очень низкую инерцию, поэтому они могут очень быстро ускоряться и даже останавливаться или менять направление почти мгновенно. А при отсутствии люфта - провисания зубьев муфты, вызывающего потерю движения в мотор-редукторах, - прямые приводы также очень точны.

Так почему же они не используются широко в робототехнике?

Сангбэ Ким, директор лаборатории биомиметической робототехники Массачусетского технологического института, говорит, что робототехники изучают этот тип срабатывания по крайней мере с 1980-х годов. Он уже используется в высокоскоростных манипуляторах и тактильных устройствах, а ряд поставщиков действительно предлагает прямые приводы для роботов.Он объясняет, что проблема в том, что эти двигатели довольно большие. Он добавляет, что вы можете изготавливать их компактных размеров, «но плотность крутящего момента упадет». Другими словами, моторы могут хорошо вписаться в вашего робота, но они не будут достаточно мощными, чтобы заставить его двигаться. Еще одним недостатком является то, что прямые приводы выделяют много тепла, а это означает, что вам нужно добавить в свою конструкцию вентиляторы или даже системы водяного охлаждения.

Genesis заявляет, что решила эти проблемы за счет упрощения геометрии ротора и статора, чтобы уменьшить количество деталей и максимально плотно их интегрировать.Классен говорит, что его команда уменьшила размер магнитов, которые расположены всего в миллиметрах друг от друга, в то время как обмотки также плотно встроены в якорь. Конструкция способна противостоять усиленным магнитным силам внутри двигателя, при этом обеспечивая эффективное рассеивание тепла.

«Он прочен, легко изготавливается и очень недорого», - говорит он.

Магнитные мышцы: Genesis Robotics разработала прямой привод, который плотно объединяет магниты и обмотки в компактном корпусе.Компания заявляет, что ее двигатель LiveDrive может обеспечивать в три раза больший крутящий момент на вес, чем обычные прямые приводы. Иллюстрация: Genesis Robotics

Компания разработала две модели LiveDrive: одну диаметром 250 миллиметров, а другую - 110 мм. Публичные демонстрации на торговых выставках в целом произвели впечатление на наблюдателей, и сейчас Genesis сотрудничает с исследователями, чтобы улучшить свои моторные характеристики.

«Диаметр немного великоват, но, с другой стороны, ширина очень впечатляет», - говорит Брэм Вандерборгт, робототехник из Брюссельского университета Брюсселя в Бельгии, консультант компании и тестировавший 250- мм LiveDrive.Одна из возможностей, которую он рассматривает, - это размещение двух или более устройств LiveDrive рядом, чтобы увеличить крутящий момент. «Это более модульная система, - говорит он.

Большинству роботов требуется больший крутящий момент, чем может обеспечить только LiveDrive. Вот почему компания Genesis создала коробку передач Reflex. Он основан на конфигурации планетарных шестерен, при этом меньшие шестерни вращаются вокруг более крупной. Такая конструкция обеспечивает более гибкий и отзывчивый привод по сравнению с приводами, используемыми в многоступенчатых зубчатых передачах. Первоначально Reflex будет изготавливаться из металла, но цель состоит в том, чтобы изготовить его из пластика, что снизит стоимость до доли стоимости существующих механизмов деформационной волны, что является основной причиной того, почему робототехническое оборудование так дорого.

Со своей стороны, Классен говорит, что лучший способ продемонстрировать преимущества своих приводов - это использовать их в реальных роботах. Его команда разработала роботизированные руки, роботов на ногах и экзоскелеты, а сейчас создает прототип домашнего робота. «Мы любим строить вещи, делать их лучше», - говорит он. «Мы - сборище редукторов».

Червячный механизм с возможностью переключения задним ходом | ROBOMECH Journal

В этом исследовании мы использовали вибрации для снижения трения в червячной передаче.Есть два типа явлений уменьшения трения. Первый тип вызван подскакиванием поверхности зуба червячной передачи из-за вибрации, которая порождает периодические условия контакта и бесконтактности, а в бесконтактном состоянии она теряет трение. Второй тип вызван вибрацией (ориентированной параллельно углу опережения), превышающей силу трения. В статье [15] подшипники, удерживающие валы червячной передачи, удерживаются резиновыми деталями, и валы могут вибрировать во всех направлениях.Однако вибрация, которая изменяет длину между валами червячного винта и червячного колеса, не рекомендуется, поскольку она значительно смещает точку контакта с делительной окружности шестерни. Кроме того, такое движение вызывает перекос осей валов. Поэтому в этой статье мы обсудим колебания, возникающие в направлении оси червячного винта и червячного колеса [16], поскольку такие колебания не вызывают изменения зазора валов шестерен.

Технические характеристики червячной передачи (состоящей из червячного винта и червячного колеса) показаны в таблице 1.Мы собрали червячную передачу, и на валы как червячного винта, так и червячного колеса был установлен шкив. Сначала на шкив червячного колеса был подвешен груз для создания контактного усилия между зубьями червячного колеса. Затем массу груза, подвешенного на червячном винте, медленно увеличивали и измеряли вращение червячной передачи, инициированное грузом. Соответственно, мы получили коэффициент статического трения \ (\ mu \), показанный в таблице 1.

Таблица 1 Технические характеристики червячного винта и колеса

Вибрация в направлении оси червячного винта

Рассмотрим вибрацию, которая действует на ось червячного винта \ (S_y \), как показано на рис.3а. Вес червячного колеса, червячного винта и возбуждающая сила равны \ (M_ {W} \), \ (M_ {S} \) и \ (f \ sin \ omega t \) соответственно. Теоретически составляющие силы x и z также создаются контактным усилием зубьев шестерни. Однако они меньше, чем y составляющих силы, потому что угол опережения червячной передачи мал. Чтобы упростить анализ, мы рассмотрели только жесткость пружины \ (k_ {y1} \) и \ (k_ {y2} \). Если червячное колесо и червячный винт находятся в контакте в состоянии статического трения, они колеблются как единое тело у вала червячного колеса, изгибаясь движением, показанным на рис.2а. Следовательно, уравнение движения можно записать, как показано в формуле. (5), и смещение y может быть вычислено.

$$ \ begin {выровнено} (M_ {W} + M_ {S}) y '' + (k_ {y1} + k_ {y2}) y = f \ sin \ omega t \ end {выровнено} $$

(5)

Возбуждающая сила \ (f \ sin \ omega t \) и возвращающая сила жесткости пружины \ (k_ {y2} \) действуют на червячный винт. Из уравнения. (5) сила \ (F_ {Sy} \), которая прикладывается к оси y червячного винта вибрацией, за исключением силы, прилагаемой червячным колесом через зуб шестерни, может быть вычислена. следующее.

$$ \ begin {выровнено} F_ {Sy} = - k_ {y2} y + f \ sin \ omega t \ end {выровнено} $$

(6)

Этот \ (F_ {Sy} \) становится силой, приложенной червячным винтом к точке контакта.

Фиг.3

Вибрация в направлении оси винта

Теперь рассмотрим силы, возникающие между зубьями червячного колеса и червячным винтом. Поверхность зуба наклонена на угол упора и угол давления. Для упрощения анализа мы рассматриваем только угол упора \ (\ gamma \), который существенно влияет на трение зубьев.На рисунке 3b показана червячная передача по оси x . Также показан другой рисунок, на котором червячный винт снимается так, чтобы можно было видеть точку контакта зубьев. Если к валу червячного колеса приложен крутящий момент, на зубья шестерни создается толкающая сила F через червячное колесо. Этот F становится силой, приложенной червячным колесом к точке контакта. Следовательно, к точке контакта зуба шестерни прикладываются обе силы \ (F_ {Sy} \) и F .

Кроме того, червячный винт может вращаться вокруг своей оси, таким образом, если амплитуда колебаний мала, движение точки контакта можно рассматривать как движение по плоскости yz .Если мы зафиксируем систему координат на червячном колесе, F относительно ведет себя как сила, приложенная к червячному винту в противоположном направлении. Следовательно, червячный винт можно рассматривать как объект, на который действует сила F , когда он опирается на поверхность, наклоненную под углом \ (\ gamma \), как показано на рис. 3c. Конечно, F включает в себя как силы, создаваемые пружиной \ (k_y1 \), так и крутящий момент, приложенный к червячному колесу. Однако, если амплитуда вибрации мала, F определяется силой, создаваемой крутящим моментом T , а не силой, создаваемой пружиной \ (k_y1 \).Поэтому мы принимаем F как постоянную величину, чтобы упростить уравнение. Посредством этого упрощения, F можно рассматривать как силу, создаваемую ускорением свободного падения, как показано на рис. 3c. Поскольку прижимающая сила, вызванная вибрацией, приложенной через червячный винт, равна \ (F_ {Sy} \), нормальная сила N поверхности зуба шестерни получается следующим образом:

$$ \ begin {align} N = (F-F_ {Sy}) \ cos (\ gamma) \ end {align} $$

(7)

Здесь, когда \ (N = 0 \), зубья находятся в бесконтактном состоянии, что означает, что зубцы находятся на грани потери контакта и начинают подпрыгивать.Мы определяем \ (\ Lambda \) как \ (\ Lambda = F_ {Sy} / F \). Следовательно, если \ (\ Lambda = 1 \), зубы начинают прыгать.

Затем мы рассматриваем силу \ (F_r \), параллельную наклонной поверхности, и получаем условие, при котором зубья шестерни начинают проскальзывать. Пусть коэффициент трения равен \ (\ mu \); \ (F_ {r} \), который рассчитывается следующим образом.

$$ \ begin {выровнено} F_ {r} = \, & {} (F-F_ {Sy}) \ sin \ gamma - \ mu N \ end {выровнено} $$

(8)

$$ \ begin {align} = \, & {} (F-F_ {Sy}) (\ sin \ gamma - \ mu \ cos \ gamma).\ end {align} $$

(9)

На рис. 3 показано состояние, в котором червячный винт и червячное колесо движутся синхронно без проскальзывания. Следовательно, \ ((F-F_ {Sy}) \ sin \ gamma <\ mu N \), \ (F_ {r} <0 \), а стрелка, представляющая \ (F_ {r} \), находится в отрицательном направление.

Здесь мы определяем \ (\ Lambda _ {r} = F_ {r} / F \).

$$ \ begin {align} \ Lambda _ {r} = (1- \ Lambda) (\ sin \ gamma - \ mu \ cos \ gamma) \ end {выравнивается} $$

(10)

Следовательно, в случае \ (\ Lambda _ {r} = 0 \) зубья червячной передачи начинают проскальзывать.Это означает, что когда \ (\ Lambda = 1 \), что соответствует условию, червячная передача начинает прыгать. Следовательно, в этом случае зубы начинают прыгать одновременно с тем, как они начинают скользить. Согласно приведенным выше результатам, когда сила \ (F_ {Sy} \) применяется вибрацией, чтобы создать \ (\ Lambda> 1 \), зубья шестерни начинают периодически подпрыгивать и терять контакт; таким образом, будет уменьшаться сила трения, и ожидается обратная управляемость.

Вибрация в направлении оси червячного колеса

Рассмотрим возбуждающую силу \ (f \ sin \ omega t \), которая приложена к оси червячного колеса \ (W_z \), как показано на рис.4а. Подобно уравнению. (5), если червячное колесо и червячный винт находятся в контакте в состоянии статического трения, они вибрируют как единое тело. Уравнение движения можно описать, как показано в формуле. (11), и смещение z может быть вычислено.

$$ \ begin {выровнено} (M_ {W} + M_ {S}) z '' + (k_ {z1} + k_ {z2}) z = f \ sin \ omega t \ end {выровнено} $$

(11)

Рис.4

Вибрация в направлении оси колеса

Сила, возникающая между зубьями шестерни, показана на рис.4б, в. В этом случае червячное колесо размещается на наклонной поверхности, представляющей червячный винт, и колеблется в горизонтальном направлении. Возбуждающая сила \ (f \ sin \ omega t \), возвращающая сила, обусловленная жесткостью пружины \ (k_ {z1} \), и элемент z силы трения \ (\ mu N \ cos \ gamma \) воздействовать на червячное колесо. Приложенная к червячному колесу сила в направлении z \ (F_ {Wz} \), за исключением силы, приложенной к зубьям шестерни, рассчитывается следующим образом:

$$ \ begin {выровнено} F_ {Wz} = - k_ {z1} z- \ mu N \ cos \ gamma + f \ sin \ omega t \ end {выровнено} $$

(12)

По сравнению с формулой.В уравнении (6) в этом уравнении необходимо учитывать силу трения. Таким образом, следует включить контактное усилие N, но оно все равно не получается. Подобно уравнению. (7), из F , который прикладывает силу к зубу шестерни через червячный винт, и \ (F_ {Wz} \), нормальная сила N может быть получена следующим образом.

$$ \ begin {выровнено} N = F \ cos \ gamma - F_ {Wz} \ sin \ gamma \ end {выровнено} $$

(13)

В этом случае, если \ (N = 0 \), зубья находятся на грани потери контакта и начинают подпрыгивать.Если \ (\ Lambda \) определяется как \ (\ Lambda = F_ {Wz} / F \), получается условие, при котором зубья шестерни начинают прыгать.

$$ \ begin {выравнивание} \ Lambda = 1 / \ tan \ gamma \ end {выравнивание} $$

(14)

Затем мы рассматриваем силу \ (F_r \), параллельную наклонной поверхности, и получаем условие, при котором зубья червячной передачи начинают проскальзывать. Сила \ (F_ {r} \), параллельная углу подъема, рассчитывается следующим образом.

$$ F_ {r} = F \ sin \ gamma + F_ {Wz} \ cos \ gamma - \ mu N $$

(15)

$$ = F (\ sin \ gamma - \ mu \ cos \ gamma) + F_ {Wz} (\ cos \ gamma + \ mu \ sin \ gamma) $$

(16)

Мы определяем \ (\ Lambda _ {r} = F_ {r} / F \),

$$ \ begin {align} \ Lambda _ {r} = (\ sin \ gamma - \ mu \ cos \ gamma ) + \ Лямбда (\ cos \ gamma + \ mu \ sin \ gamma).\ end {align} $$

(17)

В этом уравнении, когда \ (F_ {r} = 0 \) или \ (\ Lambda _ {r} = 0 \), червячный винт может начать вращаться из-за силы, приложенной червячным колесом. Таким образом, достигается условие \ (\ Lambda \), при котором зубья шестерни начинают проскальзывать.

$$ \ begin {align} \ Lambda = \ frac {\ mu \ cos \ gamma - \ sin \ gamma} {\ cos \ gamma + \ mu \ sin \ gamma} \ end {align} $$

(18)

Таким образом, когда условия уравнения.

Автор: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *