Понимание конструкции двигателя и коробки передач


 Зачем тратить время на выбор правильного двигателя и коробки передач? Выбор правильной комбинации двигателя и редуктора Ц2У 250 для конкретного применения очень важен как в FIRST Robotics Competition (FRC), так и в реальных инженерных проектах.  Без соответствующих комбинаций мотор-редуктор Ц2У 250 ваша команда обнаружит, что ваш редуктор Ц2У 250 не работает так эффективно, как предполагалось, и сможет иметь тенденцию перегорать моторы.


 Это руководство научит вас основам проектирования коробки передач.  Сначала я расскажу вам о моторных характеристиках.  Далее я расскажу, как выбрать двигатель и передаточное число с учетом требований приложения.  Затем я предоставлю информацию о выборе редуктора Ц2У 250, а затем сделаю обзор двигателей и коробок передач, доступных в FRC.  Наконец, я продемонстрирую, как использовать то, что вы изучили в этом руководстве, на примере задачи и укажу дополнительные инструменты и ресурсы.


 Предпосылки


 Базовое понимание физики - например,  системы силы, крутящего момента или передачи


 Готовность учиться

 

 Шаг 1: Характеристики двигателя


 Есть несколько характеристик двигателей, которые дают информацию о двигателе.  Это крутящий момент двигателя, его потребляемый ток, его выходная скорость, его мощность и его эффективность, каждый из которых я буду обсуждать по очереди.  Эти характеристики могут быть получены из значений: крутящий момент самого двигателя при остановке, ток при остановке, ток холостого хода и скорость холостого хода.

 

 Крутящий момент двигателя


 Крутящий момент самого двигателя - это сила, с которой может вращаться его выходной вал.  Если к двигателю будет приложен большой крутящий момент, его вал остановится или перестанет вращаться.  Другие характеристики двигателя записывают как функцию крутящего момента.  Обычно он измеряется в Н-м, когда требуются метрические единицы, и в унциях, когда требуются английские единицы.


 Потребляемый двигателем ток - это величина тока, потребляемого двигателем при данной нагрузке.  При увеличения нагрузки на  ваш двигатель (крутящего момента) величина потребляемого двигателем тока увеличивается линейно.  Это отношение можно записать как


 Символ Название Единицы Описание
 I Current Amps (A)
 Istall Stall current Amps (A) Количество потребляемого тока при остановке двигателя.
 Ifree Free Current Amps (A) Величина тока, потребляемого, когда двигатель не имеет нагрузки.
 τstall Stall Torque Newton Meters (Н-м) Величина крутящего момента редуктора Ц2У 250, необходимая для остановки двигателя.
 τ Крутящий момент Ньютон-метры Величина крутящего момента, прилагаемого к выходному валу двигателя.


 Скорость


 Выходная скорость двигателя - это скорость вращения вала.  При увеличения нагрузки на ваш двигатель выходная скорость линейно уменьшается.  Это отношение можно записать как


 Символ Название Единицы Описание


 ω Скорость Число оборотов в минуту Скорость вращения вала двигателя.
 ωfree Free Speed ​​Число оборотов в минуту (об / мин) Скорость, с которой ваш двигатель вращается, когда на нем нет нагрузки.
 τstall Stall Torque Newton Meters (Н-м) Величина крутящего момента, необходимая для остановки двигателя или предотвращения вращения его выходного вала.
 τ Крутящий момент редуктора Ц2У 250 Ньютон-метры Величина крутящего момента, прилагаемого к выходному валу двигателя.

 

 Шаг 2: Характеристики двигателя (продолжение)


 Мощность двигателя - это его скорость, с которой двигатель сможет работать.  По сути, это измерение того, насколько быстро двигатель может выполнять работу.  Значение в ваттах определяется уравнением


 Символ Название Единицы Описание


 P Мощность, Вт (Вт) Мощность, отдаваемая двигателем.
 τ Крутящий момент Ньютон-метры Величина крутящего момента редуктора Ц2У 250, прилагаемого к выходному валу двигателя.
 ω Скорость Число оборотов в минуту Скорость вращения вала двигателя.


 Эффективность


 КПД двигателя - это показатель того, какая часть электроэнергии, вложенной в двигатель, преобразуется в механическую.  Большая часть оставшейся энергии преобразуется в тепло, что сможет привести к перегоранию двигателя, если он работает с крутящим моментом / оборотами в минуту, когда его эффективность очень низка.  Эффективность определяется уравнением


 Символ Название Единицы Описание


 η КПД в процентах (%) Процент электроэнергии, потребляемой двигателем, которая преобразуется в полезную механическую энергию.
 Pout Выходная мощность Вт (Вт) Выходная мощность двигателя при заданном крутящем моменте или скорости
 Входная мощность на выводе Вт (Вт) Количество электроэнергии, подаваемой на двигатель.
 I Current Amps (A)
 V Voltage Volts (V) Напряжение, при котором работает двигатель.


 Шаг 3: кривые двигателя


 Кривые двигателя


 Скорость двигателя, потребляемый ток, мощность и КПД часто отображаются в зависимости от выходного крутящего момента редуктора Ц2У 250, чтобы их значения было легче визуализировать.  Все уравнения для кривых получены из четырех описанных выше спецификаций с использованием уравнений с 1 по 4 на нескольких предыдущих страницах.
 График на этой странице показывает кривые двигателя для двигателя CIM, который очень распространен в FRC.
 Шаг 4: выбор двигателя и передаточного числа
 Выбор двигателя и передаточного числа


 Начните с изучения характеристик двигателей.  На этой странице находится лист технических характеристик двигателя на сезон FRC 2021 года.  При выборе двигателя и передаточного числа необходимо учитывать множество факторов:


     Как передача повлияет на выходящий крутящий момент или скорость двигателя.  Обычно шестерни используются для уменьшения скорости или увеличения крутящего момента.
     Неэффективность передачи мощности редуктора Ц2У 250 - эффективность каждой ступени передачи или цепи составляет примерно 90%.
     Различия между теоретической и реальной производительностью.  Поскольку теоретические характеристики обычно лучше, чем фактические, даже с учетом неэффективности, важно выбирать двигатели и передаточные числа с нормальным запасом прочности.  Убедитесь, что они смогут справиться с нагрузкой, превышающей ожидаемую, на высокой скорости, чем требуется.
     Величина тока, которую может потреблять один двигатель, ограничивается автоматическими выключателями на распределительном щите.  При использовании прерывателя на 40 ампер потребление тока ограничивается максимум 40 ампер, а это означает, что вам надо спроектировать двигатели так, чтобы они потребляли менее 45 ампер при нагрузке.  Редуктор Ц2У 250 может потреблять максимум 120 ампер одновременно, что ограничено главным выключателем.


     Если ни один редуктор Ц2У 250 не соответствует вашим требованиям, рассмотрите возможность объединения двигателей в пару.  При объединении 2 двигателей выходящий крутящий момент и потребляемый ток складываются, а выходная скорость не изменяется.  Если используются два разных двигателя, их частота вращения должна быть согласована с помощью редуктора Ц2У 250.  Например, сочетание двигателя Fisher Price и CIM потребует дополнительного редуктора Ц2У 250 3: 1 для двигателя Fisher Price, поскольку его выходная скорость примерно в 3 раза выше, чем у CIM.  Если скорости не совпадают, это вызовет сопротивление в коробке передач и сведет на нет все преимущества наличия нескольких двигателей.


 Принимая во внимание все эти факторы в своих расчетах при выборе двигателя и передаточного числа, вы убедитесь, что ваш редуктор Ц2У 250 с первого раза будет работать так, как вы предполагаете.  Пример задачи в конце этого руководства продемонстрирует, как выполнить эти вычисления.