Przekładnia cykloidalna – prototyp

Aby poruszać manipulatorem potrzebny jest napęd. W przypadku Lemura będą to silniki elektryczne. Nie będą one jednak bezpośrednio napędzać poszczególnych członów manipulatora. Pomiędzy silnikiem a członem będzie przekładnia. Zadaniem przekładni będzie zmiana prędkości obrotowej, tak aby szybko obracający się wał silnika elektrycznego nie powodował dużych prędkości obrotowych manipulatora co mogłoby wywołać w konstrukcji obciążenia niszczące. Z drugiej strony manipulator w niektórych fazach będzie musiał wykonywać ruchy z bardzo małymi prędkościami. Dodatkowo przy redukcji prędkości zyskujemy na sile. Podobnie jak z biegami w samochodzie czy z przerzutkami w rowerze. Przy dużej prędkości napędu możemy poruszać się powoli ale pod stromy podjazd. W przypadku manipulatora interesuje nas duże przełożenie, 240:1. Oznacza to że silnik obróci wałem napędowym dwieście czterdzieści razy podczas gdy człon manipulatora obróci się tylko jeden raz. Przekładnia musi być na tyle mała aby zmieściła się w przegubie manipulatora. Dodatkowo przekładnia nie może mieć luzów żeby w żadnym momencie końcówka członu manipulatora nie chwiała się luźno. Przekładnia nie może powodować drgań w delikatnej strukturze manipulatora i musi mieć dużą żywotność aby pozwolić na długotrwałą pracę.

Przy tak wielu wymaganiach można zwątpić czy istnieje taki rodzaj przekładni, który spełnia żądane kryteria. Okazuje się, że znaleziono dwa typy przekładni, które należało dokładniej porównać. Pierwszy typ, to przekładnia harmoniczna, często stosowana w przemyśle kosmicznym. Składa się ona z trzech podstawowych elementów:

- generatora fali (Wave Generator),

- elastycznego koła zębatego (Flexpline),

- nieruchomego koła o zazębieniu wewnętrznym (Circular Spline).

Trudno jest słowem pisanym wyjaśnić jak działa przekładnia harmoniczna. Poniżej znajduje się animacja, która pokazuje jak jest zbudowana oraz jak wygląda cykl pracy takiej przekładni.

Drugim typem przekładni jest przekładnia cykloidalna. Zbudowana jest z:

- wału z mimośrodowo umieszczonym łożyskiem,

- koła cykloidalnego,

- koła o zarysie wewnętrznym bolcowym,

- wału wyjściowego z promieniowo rozmieszczonymi rolkami,

 

Praca tej przekładni przedstawiona jest na poniższej animacji.

Pomimo tego iż przekładnia harmoniczna ma trochę większą sprawność oraz niższą masę, zdecydowano się na zastosowanie przekładni cykloidalnej, ze względu na jej znacznie większą żywotność i możliwość przenoszenia większych obciążeń.

Na początku projektu należało określić wszystkie warunki geometryczne. Aby zaprojektować przekładnię należało opracować kształt zarysu poruszającej się tarczy.

Geometrię opisano przy pomocy równań parametrycznych tak aby można było łatwo generować szereg wersji próbnych.

Dla danych geometrii kół cykloidalnych przeprowadzono analizy dynamiki przekładni cykloidalnej.

Celem stworzenia modelu dynamiki przekładni było wyznaczenie:

                - obciążeń w łożyskach,

                - przybliżonych wartości naprężeń we współpracujących elementach,

                - sił międzyrębnych.

W ten sposób sprawdzano możliwości samej przekładni jak i wykonywano wstępną optymalizację rozwiązania.

Po wykonaniu wszystkich obliczeń określono podstawowe parametry przekładni wynikiem czego powstał projekt prototypu przekładni.