آشنایی با گیربکس سیکلوئیدی | اجزا، معایب و مزایا

درایو سیکلوئیدی که با نام گیربکس سیکلوئیدی نیز شناخته می شود، نوع جدیدی از کاهنده ­های سرعت است که در نسبت انتقال های بالا عملکرد بسیار مناسبی دارد. در این مقاله از سایت کافه مکانیک با طراحی، مزایا و معایب گیربکس سیکلوئیدی و کاربرد آن بیشتر آشنا خواهید شد.

نحوه عملکرد گیربکس سیکلوئیدی

انیمیشن زیر ساختار و نحوه عملکرد یک درایو سیکلوئیدی را نشان می دهد

در گیربکس سیکلوئیدی یک شفت خارج از مرکز (شفت درایو) ابتدا یک دیسک سیکلوئیدی را به حرکت در می آورد. پین های حلقوی ثابت به صورت دایره ای در اطراف شفت خارج از مرکز قرار گرفته اند که دیسک سیکلوئیدی با آن­ها درگیر می شود. به دلیل حرکت خارج از مرکز، دیسک سیکلوئیدی در تماس با این پین ها حول محور تقارن خود می چرخد. سوراخ هایی که در دیسک سیکلوئیدی (رنگ آبی) وجود دارند، در جهت خلاف شفت خارج از مرکز می چرخند. پین های غلتکی که روی دیسک پین (رنگ قرمز) قرار دارند، با سوراخ های دیسک سیکلوئیدی درگیر می شوند. به این ترتیب، دیسک سیکلوئیدی دیسک پین را به حرکت در می آورد، که شفت خروجی نصب شده در مرکز به آن متصل است و با شفت ورودی هم محور است.

اگر سرعت چرخش شفت ورودی را با سرعت شفت خروجی در انیمیشن بالایی مقایسه کنیم، کاهش سرعت علاوه بر معکوس شدن جهت چرخش قابل مشاهده خواهد بود. در این انیمیشن، دیسک پین در طول یک چرخش کامل شفت خارج از مرکز (360 درجه) در مجموع 40 درجه می چرخد. بنابراین پس ازاینکه شفت ورودی 9 دور کامل را طی کرد، شفت خروجی یک دور می زند. بنابراین نسبت انتقال این گیربکس 9:1 است.

مهمترین بخش یک درایو سیکلوئیدی، دیسک سیکلوئیدی است که هندسه آن نقش اصلی را در سینماتیک گیربکس ایفا می کند. مشخصات چنین دیسکی از هندسه­ی سیکلوئید اقتباس شده است. به همین دلیل این گیربکس را درایو سیکلوئیدی می نامند. از آنجایی که درایوهای سیکلوئیدی برای کاهش سرعت استفاده می شوند، به آنها کاهش دهنده سرعت سیکلوئیدی نیز گفته می شود.

به دلیل اهمیت توزیع بار(نیروی) متقارن، اغلب در عمل از دو دیسک سیکلوئیدی استفاده می شود که 180 درجه با هم اختلاف دارند. با این کار، نیروها عدم تعادل یکدیگر را جبران می کنند و در نتیجه در سرعت های بالا عملکرد نرم تری ایجاد می شود. طراحی دوگانه دیسک‌های سیکلوئیدی همچنین امکان انتقال گشتاورهای بسیار بالا را فراهم می‌کند. با توجه به خروج از مرکز بودن محور درایو، اگر دیسک سیکلوئیدی توسط یک دیسک دوم یا وزنه تعادل متعادل نشود، ارتعاشاتی ایجاد می کند که در محورهای محرک و بدنه منتشر می شود. این امر سایش دندانه های بیرونی دیسک سیکلوئیدی و یاتاقان های اجزا را افزایش می دهد. با دو دیسک عدم تعادل استاتیک اصلاح می شود اما یک عدم تعادل دینامیکی کوچک باقی می ماند. این موضوع در اکثر کاربردها قابل قبول در نظر گرفته می شود. برای کاهش لرزش، درایوهای پرسرعت از سه یا چند دیسک برای اصلاح عدم تعادل استفاده می کنند.

علاوه بر این، دیسک های سیکلوئیدی اغلب با یک سیکلوئید به اصطلاح کوتاه شده (shortened cycloid) طراحی می شوند که باعث می شود گوشه های سیکلوئید نرم تر شده و خروج از مرکز شفت کاهش یافته و قطر سوراخ های دیسک های سیکلوئیدی کوچک تر شود.

نمایش اصول کارکرد

سینماتیک یک درایو سیکلوئیدی در ابتدا بسیار پیچیده به نظر می رسد. اما ایده پشت آن، که منجر به چنین سینماتیکی می شود، بسیار ساده است. ابتدا یک حلقه ثابت را تصور کنید که در داخل آن یک دیسک می غلتد. این دیسک در اطراف داخل حلقه ثابت با کمک یک شفت خارج از مرکز حرکت داده می شود. بنابراین دیسک غلتشی حول محور تقارن خود می چرخد.

چنین گیربکسی هنوز انتقال قدرت بزرگی را انجام نمی دهد، زیرا انتقال قدرت فقط با نیروهای اصطکاک بین حلقه و دیسک انجام می شود. برای این کار از یک دندانه بین حلقه ثابت و دیسک غلتشی استفاده می شود.

یک سیکلوئید به عنوان فرم دندانه برای دیسک غلتشی استفاده می شود. دیسک غلتشی به عنوان دایره پایه برای ساخت سیکلوئید عمل می کند. حلقه ثابت به نوبه خود به عنوان دایره مرجعی عمل می کند که پین ها روی آن چیده شده اند و در آن دیسک سیکلوئید درگیر می شود.

نسبت انتقال در گیربکس های سیکلوئیدی

نسبت انتقال یک درایو سیکلوئیدی با تعداد پین های حلقه ثابت N و تعداد برآمدگی های (Lobe) دیسک سیکلوئیدی n (که با تعداد فضای بین برآمدگی ها یکسان است) تعیین می شود. تعداد برآمدگی ها در دیسک سیکلوئیدی باید همیشه از تعداد پین های اطراف کمتر باشد، در غیر این صورت دیسک بزرگتر از دایره مرجع پین ها خواهد بود و دیسک حتی بین پین ها قرار نمی گیرد. در بیشتر موارد دیسک سیکلوئیدی یک برآمدگی کمتر از تعداد پین ها دارد. با استفاده از شکل های ارائه شده، با N=10 پین و n=9 لوب، محاسبه نسبت انتقال در ادامه به دست خواهد آمد. پس از یک چرخش شفت خارج از مرکز، دیسک سیکلوئیدی با مجموع 10 پین(N=10) درگیر شده است. از آنجایی که دیسک سیکلوئیدی فقط 9 برآمدگی دارد، باید در طول یک دور چرخش محور محرک، یک برآمدگی حرکت کرده باشد که معادل یک نهم یک چرخش کامل است.

بنابراین شفت ورودی (شفت خارج از مرکز) باید 9 بار بچرخد تا دیسک سیکلوئیدی و همراه با آن شفت خروجی (دیسک پین) یک چرخش کامل انجام دهند. بنابراین نسبت انتقال در این مورد 1:9 خواهد بود. برای مثال، اگر دیسک سیکلوئیدی فقط n=7  برآمدگی در محیط خود داشته باشد، در این صورت طی یک چرخش حول N=10 پین، 3 برآمدگی به جلو حرکت کرده است. با یک دور چرخش شفت ورودی، شفت خروجی 3 برابر یک هفتم دور حرکت می کند. بنابراین شفت ورودی باید 7 بار بچرخد تا شفت خروجی 3 دور بچرخد. در این مورد، نسبت انتقال 7:3 خواهد بود. اگر این اصل تعمیم داده شود، نسبت انتقال یک درایو سیکلوئیدی (i) را می توان بر اساس تعداد برآمدگی­ های دیسک سیکلوئیدی n و تعداد پایه های N به صورت زیر تعیین کرد:

i=n/(N-n)

توجه: از آنجایی که دیسک سیکلوئیدی در داخل دایره گام مرجع پین ها می غلتد، حرکت چرخشی دیسک حول مرکز ثقل آن برخلاف حرکت دایره ای خود مرکز ثقل است (حرکت حول نقطه مرکزی حلقه پین). بنابراین دیسک هنگام چرخش به دور پین ها به طور کامل حول مرکز ثقل خود نمی چرخد. این تنها در صورتی اتفاق می‌افتد که دیسک در قسمت بیرونی پین‌های حلقه بغلتد (حرکت چرخشی دیسک حول مرکز ثقل آن و حرکت خود مرکز ثقل یکسان خواهد بود).

مقایسه درایوهای سیکلوئیدی با گیربکس خورشیدی

وقتی صحبت از نسبت‌های انتقال بزرگ در یک طراحی فشرده به میان می‌آید، دو نوع گیربکس مناسب هستند: گیربکس خورشیدی و گیربکس سیکلوئیدی. شباهت‌های بین دو نوع گیربکس زمانی که چرخ دنده حلقه‌ای گیربکس خورشیدی ثابت باشد، مشخص می‌شود.

در مورد چرخ دنده خورشیدی، محورهای چرخشی محور چرخ دنده های سیاره ای (به رنگ آبی نشان داده شده اند) و در مورد چرخ دنده سیکلوئیدی، محورهای دیسک های سیکلوئیدی هستند. در حالی که چرخ دنده های سیاره ای توسط یک چرخ دنده خورشیدی به حرکت در می آیند، دیسک های سیکلوئید توسط یک محور غیرعادی به حرکت در می آیند. همانطور که چرخدنده های سیاره ای می چرخند، در داخل چرخ دنده حلقه ای حرکت می کنند. به همین ترتیب، دیسک های سیکلوئید به دور پین های ثابتی که به صورت دایره ای چیده شده اند می چرخند. حرکت چرخ دنده های سیاره ای حامل را به حرکت در می آورد و نیرو را به شفت خروجی منتقل می کند. به همین ترتیب، حرکت دیسک‌های سیکلوئیدی یک دیسک پین را به حرکت در می‌آورد که به نوبه خود نیرو را به شفت خروجی منتقل می‌کند.

در مقایسه با چرخ دنده های خورشیدی، درایوهای سیکلوئیدی در برابر بارهای ضربه ای بسیار مقاوم هستند. علاوه بر این، درایوهای سیکلوئیدی به دلیل لقی بسیار کم و سفتی پیچشی بالا، دقت موقعیت یابی بسیار بهتری را ایجاد می کنند. بنابراین درایوهای سیکلوئیدی به طور ایده‌آل برای انواع فناوری‌های درایو (مثلاً برای موتورهای سروو در روباتیک) و به‌ویژه برای بارهای سنگین مناسب هستند. درایوهای سیکلوئیدی عموماً نسبت به چرخ دنده های خورشیدی جرم کمتر و طراحی فشرده تری دارند، مخصوصاً در نسبت های انتقال بالا و عمر مفید بیشتری دارند. با این حال، در نسبت‌های انتقال کمتر از 20، گیربکس های خورشیدی معمولاً بسته به کاربرد، مزایای بهتر و کارایی بالاتری دارند.