2021年12月22日 星期三

技術筆記:機構齒輪組

齒輪連結有兩個主要功能,一是可以改變力的方向,二是能夠透過槓桿改變力的大小,也就是扭力。最常見應用是減速機,通過齒輪等裝置來降低動力的旋轉速度並輸出動力,可以獲得與減速比(齒數比或皮帶輪比)成比例的轉矩。如下動畫。齒輪潤滑,能夠減低摩擦力,提升效能。可使用MS-54或凡士林。

實際上拍一組塔式金屬齒輪箱。

有藝術感

網路上有一組齒輪玩具,可以自行組合。

共有三包,包括幾個玩具馬達

TT馬達內部構造。左邊動力轉軸(8)透過四個齒輪( 26:9  36:16   28:14   30:1 ),傳遞到最後位置。各齒輪間兩兩一組互相咬合,上下兩層齒輪間並沒有連動關係。此種搭配經過計算,減速比約為 8/26 X 9/36 X 16/28 X 14/30 = 0.02 也就是1:48。

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SG90馬達內部構造,三個中間軸,馬達(左)帶動中間下方齒輪,繼續左邊齒輪,中間上方齒輪,右邊齒輪。

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以金屬齒為主的模組成品,特性是轉速慢,扭力大,選擇非常多,也有單獨販售齒輪箱模組。

精密微型電機(連結),已經購買六顆馬達。必暉(連結),產品類似上述,還沒聯繫過。加上原本微型幫浦採購了四個馬達。手邊有八顆同型式但不同齒輪箱的組合。

齒輪設計

齒的大小是根據模數 m 來決定的。m = d/z  d是節圓直徑  z是齒數。m=0.2造成的齒就會很小很密,m=0.4就會大得多。懶得研究可以看這個(連結)。

齒輪和螺絲不同,為了配合產品特性,大多數都會自行生產,目前所知方法有幾種。一是3D列印,使用8K光固化成果,整體狀況穩定,部分有小毛邊仍能運作。二是CNC製作,但CNC的刀子大概是0.4mm大小,也較短,製作出的成品也會有毛邊。三是線切割,介紹如連結,目前接觸的模型廠採用這方案。四若是大量生產,應該是開塑膠模製作。

應用

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球狀的滾輪,只要轉動這個輪子,對應的臂可以很大部分轉動,連結

蠕動式(Peristaltic Pump)系統

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蠕動式管路的呈現方式2:螺桿

以螺桿搭配輸液管路,透過擠壓,液體可以單方向流動。這個概念是從點膠機或Molding機的管道概念延伸而來。類似產品有現成品,連結

特殊齒輪:行星齒輪

行星齒輪特性為同軸,所以運作更為穩定,空間也更精簡,可以達到非常高的減速比,影片介紹如(連結),DIY如(連結)。應用廣泛,例如自動變速箱。

行星齒輪系統

除一層外,若搭配多層行星齒輪,可以構成二級、三級、四級減速齒輪(連結 連結),達到更多的效果。例如下面空心杯行星齒輪馬達,右方為馬達本體,左側搭配不同層數就有不同轉速,如47轉 240轉 1200轉。



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實做來看,手邊由中國東菀和深圳兩家公司(其中之一為上市公司,實際應五家左右)蒐羅到不少空心杯馬達。這些廠商不生產馬達(使用的馬達有網路能買到的相機馬達、無人機小馬達),以生產小型齒輪箱和搭配組裝馬達成套件,材質有塑膠或金屬。除量產品外也能客製化生產不同齒輪組合(金額約台幣二十萬)。

6mm(主力),8mm(最少 連結),10mm,12mm(連結)。

特殊齒輪:諧波齒輪減速器

若覺得行星齒輪已是極限,那諧坡減速器就真的是三界之外了,運作方式,利用內部椭圆和外正圆之間的差動,同時滿足了極高減速比和極低背隙。概念圖如下。

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其原理為Strain wave gearing產品名稱harmonic drive,屬於傘齒輪行星輪系的簡諧減速機。連結 連結  連結  詳細介紹 連結

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