Samouczek – drukowanie 3D skrzyni biegów: Przekładnie i skrzynie biegów
Jeśli wokół kół jest skrzynia, zwykle jest tam coś, co można trzymać lub coś ukryć. Możesz zatrzymać smar, który w innym przypadku rozpylałby się wszędzie podczas obracania się kół zębatych. Możesz chcieć unikać kurzu i innych zanieczyszczeń, aby biegi działały wydajnie lub trzymać palce z dala, dla zachowania bezpieczeństwa. W tym sensie obudowa zegarka jest skrzynią biegów, chroniącą małe, delikatne koła zębate wewnątrz.
Specyficzną funkcją mechaniczną skrzyni biegów, jest ustawienie kół zębatych względem siebie i zapewnienie wsparcia konstrukcyjnego. Jeśli nie martwisz się utrzymywaniem rzeczy na lub poza biegami, możesz w ogóle nie potrzebować pełnego pudełka, a zatem „pudełko” można zredukować do prostej ramy, która zapewnia wspomniane funkcje mechaniczne. Zatem, gdy mówimy „skrzynia biegów”, duża część rzeczywistej skrzynki może nie być przydatna w konkretnym zastosowaniu.
Zanim przejdziemy do tworzenia przekładni drukowanej w 3D, przyjrzyjmy się kilku ogólnym szczegółom, takim jak nomenklatura, najlepsze praktyki i zasady praktyczne oraz proces tworzenia prostego zestawu narzędzi. Następnie możesz zastosować tę wiedzę do dowolnej aplikacji wymagającej narzędzi. Wykorzystaj to jako punkt wyjścia do dalszego poszerzania swojej wiedzy.
Kilka zdefiniowanych warunków
Poniżej znajduje się kilka ważnych terminów, które należy znać w związku z prostym układem przekładni:
- Współczynnik prędkości: Wyobraź sobie, że na wale napędowym masz koło zębate obracające się z określoną prędkością. Do zastosowania potrzebny jest wał wyjściowy, który obraca się z inną prędkością wyższą lub niższą niż prędkość pierwsza. Za pomocą szeregu połączonych przekładni między wałem napędowym a wałem wyjściowym można przyjąć prędkość obrotową wału napędowego i przekonwertować ją na wymaganą prędkość obrotową na wale wyjściowym. Nazywa się to „stosunkiem prędkości”, obliczanym jako stosunek liczby zębów koła napędowego do liczby zębów koła zębatego wyjściowego.
- Przełożenie momentu obrotowego: Podobnie jak w przypadku przełożenia prędkości, przekładnia zapewnia środki do konwersji dostępnego momentu obrotowego na wale napędowym na potrzebny moment obrotowy na wale wyjściowym.
- Przekładnia (lub zestaw przekładni): serii narzędzi łączących przekładnię napędu do napędzanego lub wyjściowego przekładni. Od biegu do biegu w pociągu, każdy bieg przekazuje kierunek obrotów, prędkość i moment obrotowy na następny.
- Układ napędowy: Pierwszy bieg na wale napędowym, podłączony do źródła zasilania.
- Przekładnia napędzana: dowolny bieg po przekładni napędowej.
- Koła zębate biegu jałowego: koła zębate, które wykonują jedynie odwrócenie kierunku obrotu między sąsiadami.
- Wał, oś: obrotowa konstrukcja wsporcza łącząca przekładnię ze skrzynią biegów.
Następujące terminy są używane do tworzenia przekładni i skrzyń biegów. Zobaczysz je w aplikacji Onshape Spur Gear, której użyjemy później.
- Średnica podziałowa (lub okrąg podziałowy, podstawowy): Średnica koła zębatego, używana do rozmieszczania kół zębatych. To nie to samo, co zewnętrzna średnica koła zębatego.
- Moduł: średnica koła podziałowego podzielona przez liczbę zębów.
- Kąt nacisku: zwykle 20 ° lub 25 °, chociaż w przeszłości stosowano 14,5 °.
Aby koła zębate były prawidłowo zazębione, muszą mieć ten sam moduł i kąt docisku.
Rodzaje przekładni i zestawów narzędzi
Poniżej znajduje się lista przekładni i typowe zastosowania dla każdego z nich. Pamiętaj jednak, że jesteśmy twórcami i zakłócającymi porządek, więc nie krępuj się, trochę naginając zasady…
- Przekładnia zębata : W zębniku zębowym grzbiet każdego zęba jest równoległy do osi obrotu. W ten sposób zęby są wykorzystywane do przenoszenia obrotu z jednego wału na inny wał równoległy. W druku 3D koła zębate czołowe są często stosowane przez wytłaczarki do napędzania filamentu do gorącego końca. Istnieje wiele wersji, w tym wytłaczana przekładnia zębata Wade , znana wytłaczarka w społeczności RepRap.
- Koła zębate śrubowe: tutaj zęby są nachylone do osi obrotu. Koła zębate walcowe można stosować w taki sam sposób jak koła zębate czołowe, ale pracują one ciszej, ponieważ zęby zazębiają się bardziej stopniowo.
- Koła zębate stożkowe : Koła zębate stożkowe mogą być zębate lub śrubowe, ale zęby spoczywają na podstawie przypominającej stożek, a nie cylinder. Otrzymany kąt może być wykorzystany do przeniesienia obrotu między przecinającymi się wałami.
- Przekładnie ślimakowe: Przekładnie te przenoszą obrót między wałami nierównoległymi i nie przecinającymi się. Przekładnia ślimakowa wygląda jak śruba i jest napędem.
- Koło zębate i zębnik: Te dwie części składają się ze standardowego koła zębatego (zębatego lub śrubowego) i płaskiego elementu z zębami. Razem pracują nad konwersją ruchu obrotowego na ruch liniowy i odwrotnie.
- Wewnętrzne koło zębate i zębnik: Jak zębatka i koło zębate, tyle że zębatka jest skutecznie zakrzywiona wokół standardowego koła zębatego, tworząc pętlę i wyglądając jak „wycięcie” koła zębatego. Ta konfiguracja staje się nieco bardziej złożona.
Wraz z typami narzędzi warto wspomnieć o profilach ewolwentowych . Zasadniczo jest to konstrukcja zęba zębatego zoptymalizowana pod kątem zmniejszenia hałasu podczas pracy i maksymalizacji wydajności przekładni. Brzmi schludnie, ładnie wygląda – ewolwent to połączenie formy i funkcji, które wszyscy możemy docenić.
Możesz sprawdzić referencje online, takie jak Inżynier Edge, aby dowiedzieć się więcej o konstrukcji ewolwentowego sprzętu. Na razie wystarczy powiedzieć, jeśli to możliwe, trzymać się konstrukcji ewolwentowej i unikać głośniejszego, mniej wydajnego sprzętu z zębami prostymi.
Pierwsze kroki
Jak będziesz korzystać ze swojej drukowanej 3D skrzyni biegów? Zastanów się, co chcesz zrobić, bez względu na to, czy zmienia się kierunek obrotów, prędkość wału czy moment obrotowy wału – wszystkie są typowymi przyczynami zastosowania przekładni. Należy pamiętać, że istnieją pewne ograniczenia, takie jak materiały do drukowania 3D oraz dokładność i pojemność wymiarowa drukarki 3D.
Mając na uwadze te ograniczenia i intencje twojego sprzętu, na początek doskonałym źródłem informacji jest artykuł All3DP na temat sprzętu do drukowania 3D , który między innymi dotyczy
- Pliki z testami sprzętu i wydrukowane w 3D
- związek między rozmiarem przekładni, wytrzymałością zęba i pojemnością drukarki 3D
- grubość, materiały i wytrzymałość przekładni
- praktyczne zasady projektowania pociągów
Oczywiście niektóre z tych informacji są ponownie powtarzane w tym artykule.
Innym doskonałym źródłem materiałów do drukowania 3D jest „ Praktyczny przewodnik po narzędziach do drukowania 3D FDM ” w instrukcjach. Matematyka przekładni znajduje się w artykule „ Przekładnia zębata ”, który opisuje szczegóły matematyczne dla prostych, złożonych i innych typów zestawów narzędzi. Zobacz także artykuł WikiHow „ Jak określić przełożenie przekładni ”.
Modelowanie narzędzi
W przypadku przekładni drukowanej w 3D musisz wymodelować koła zębate w programie CAD. W tym samouczku używamy funkcji Spur Gear w Onshape. Oczywiście istnieją inne narzędzia do projektowania narzędzi, w tym Gear Generator i Fusion 360. Spur Gear Creator firmy Fusion 360 ma nawet bezpłatną 30-dniową wersję próbną.
Jak wspomniano wcześniej, musimy zastanowić się, co chcemy zrobić z tą skrzynią biegów. W tym projekcie stwórzmy skrzynię biegów, która zmniejszy prędkość wału silnika o połowę. Jeśli na przykład prędkość wału silnika wejściowego wynosi 500 obr./min, wówczas prędkość wału wyjściowego powinna wynosić 250 obr./min. Stanie się tak w wyniku stosunku liczby zębów między zębami wejściowymi i wyjściowymi podłączonymi do tych wałów.
Dodajmy dodatkowy bieg między wałami wejściowym i wyjściowym dla łącznie trzech biegów. Pozwoli to, aby koła zębate wejściowe i wyjściowe miały ten sam kierunek obrotu.
Pierwszym biegiem, połączonym z wałem napędowym silnika, jest napęd. Środkowy bieg to koło pasowe pośrednie, które służy po prostu odwróceniu kierunku obrotu. Trzecie koło zębate, połączone z wałem wyjściowym, to koło napędzane.
Poniżej znajdują się dane wejściowe niezbędne dla funkcji Spur Gear w Onshape:
- Bieg 1
- Liczba zębów: 12
- Średnica koła podziałowego: 30 mm
- Bieg 2
- Liczba zębów: 20
- Średnica koła podziałowego: 50 mm
- Bieg 3
- Liczba zębów: 24
- Średnica koła podziałowego: 60 mm
Wszystkie te koła zębate będą miały kąt nacisku 20 °, moduł 2,5 mm, będą wytłaczane na głębokość 2 mm i będą miały średnicę otworu 5 mm. (Otwór jest otworem dla wału). Pozostałe elementy w oknie wprowadzania dla każdego biegu można pozostawić bez zmian.
Skrzynia biegów
Należy zauważyć, że stosunek zębów koła zębatego od wału wejściowego (Bieg 1) do wału wyjściowego (Bieg 3) wynosi 12/24 = 0,5, co jest również stosunkiem prędkości. Przypomnijmy, że naszym pierwotnym celem było zmniejszenie prędkości wału wejściowego o połowę. Nasz obrót wejściowy 500 obr./min pomnożony przez współczynnik prędkości 0,5 daje obrót wyjściowy 250 obr./min. Właśnie tego chcieliśmy!
Zdjęcie pokazuje wyróżnione średnice koła podziałowego wokół każdego biegu. Średnice podziałowe dowolnych dwóch współpracujących kół zębatych są styczne do siebie. Użyj średnic koła podziałowego, aby ustawić koła zębate w celu prawidłowego zazębienia zębów między zębami.
Stosując średnice koła podziałowego dla każdego odnotowanego wcześniej koła, odległość w pionie od koła zębatego 1 do koła zębatego 2 wynosi 40 mm, a odległość pozioma od koła zębatego 2 do koła zębatego 3 wynosi 55 mm.
Testowanie narzędzi
Wreszcie powód, dla którego tu jesteśmy! W rzeczywistości wybór i realizacja skrzyni biegów nie jest tak skomplikowana, jak mogłoby się wydawać. Zasadniczo sprowadza się do tego, czego potrzebujesz, ale możliwości są nieograniczone.
Najważniejsze jest ustawienie wałków zębatych tam, gdzie są potrzebne. W przypadku prostego projektu lub jako początkowego prototypu, deska z odpowiednio ustawionymi śrubami lub gwoździami załatwi sprawę. Czy leżą jakieś stare zestawy Lego? Użyj ich!
Korzystając z informacji z poprzedniej sekcji, ustaw osie. Następnie zamontuj koła zębate na odpowiednich wałach. Wykonaj próbny obrót kompletnego zestawu biegów, aby zobaczyć stosunek prędkości w pracy.
Za każdy pełny obrót najmniejszego biegu w lewym górnym rogu, jak pokazano na rysunku, największy bieg w prawym dolnym rogu skręca tylko o połowę. Ze względu na środkowy bieg jałowy, wałki wejściowe i wyjściowe będą się obracać w tym samym kierunku. Mamy nadzieję, że ta początkowa „skrzynia biegów” jest wszystkim, na co liczyliśmy.
Tworzenie skrzyni biegów
Jak wspomniano wcześniej, charakter i wygląd skrzyni biegów zależy od tego, do czego jest używana. Może to być ochrona przekładni przed siłami zewnętrznymi lub cząsteczkami, lub może być zintegrowanie układu przekładni z większym mechanizmem roboczym. Niezależnie od tego najbardziej podstawową funkcją jakiejkolwiek skrzyni biegów jest prawidłowe ustawienie kół zębatych w taki sposób, aby działały prawidłowo ze sobą.
Aby uprościć sprawę, skrzynia biegów, którą tu zaprojektujemy, skupi się na tych podstawowych funkcjach: trzymaniu się razem i zamykaniu zestawu narzędzi, który zaprojektowaliśmy powyżej. Zaprojektujemy obudowę w CAD, która zapewni strukturę wałów przekładni i wszechstronną ochronę przekładni. Jeszcze raz użyjemy Onshape.
Musimy również upewnić się, że funkcje, które dodajemy poniżej, są tak zwymiarowane, aby koła pasowały do siebie i mogły się swobodnie obracać. Pamiętaj, że możesz zmienić wiele poniższych wymiarów, aby dopasować je do swoich potrzeb.
Zdjęcie pokazuje średnice podziałowe każdego koła zębatego wraz z wymiarami średnicy podziałowej i odległościami między każdą osią wału. Optymalną odległość między wałami kół zębatych można znaleźć, dodając promienie skoku koła zębatego (połowa średnicy podziałowej).
Na przykład odstępy wału między kołem zębatym 1 a kołem zębatym 2 = 30 mm / 2 + 50 mm / 2 = 40 mm.
Krok 1: Płyta tylna
Najpierw wykonamy tylną płytę skrzyni biegów, aby ustawić i podeprzeć zestaw kół zębatych. Wymiary pokazane na obrazie są ogólne i dlatego można je zmienić według własnych upodobań. Obraz wyszczególnia również pozycje każdego wału względem krawędzi płyty tylnej – ponownie zmień te wymiary, jak chcesz.
Ważnym aspektem, który należy wziąć pod uwagę przy wstawianiu otworów wału w czarnej płycie, jest luz. W szczególności otwory w płytkach muszą być nieco większe niż wałek, aby umożliwić swobodny obrót. W tym celu otwory dla wałów będą miały 5,5 mm, aby utrzymać i zapewnić luz dla wałów 5 mm.
Krok 2: Wały
Naszym następnym krokiem jest wyciągnięcie wału przez środek każdego koła zębatego. Potrzebujemy, aby każdy wałek ściśle przylegał do centralnego otworu koła zębatego, tak więc przy obracaniu się wałka również działa koło zębate. Wał musi również być wystarczająco długi, aby wystawał z jednej lub obu stron skrzyni biegów. Użyjemy przedłużenia, aby ręcznie obrócić bieg.
Ponieważ centralny otwór w kole zębatym ma 5 mm, zrobimy wał o średnicy 5 mm dla ciasnego dopasowania i długości 20 mm. Ta długość pozwoli na pewne wysunięcie się wałka przez przednią i tylną płytę, jak pokazano na rysunku.
Krok 3: Ściany
Następny krok dodaje cztery ściany, aby zamknąć koła zębate. Podobnie jak w przypadku wałków zębatych, same koła zębate potrzebują miejsca, aby poruszać się bez przeszkód. Te otaczające ściany będą działać jako element dystansowy, który utrzyma przednią i tylną płytę w odległości od grubości kół zębatych oraz nieco więcej w celu uzyskania luzu.
Koła zębate mają grubość 2 mm, więc element dystansowy może mieć grubość 3 mm, aby zapewnić pewien luz.
Krok 4: Płyta czołowa
Wreszcie nadszedł czas na wyprodukowanie płyty czołowej. Podobnie jak w przypadku płyty tylnej, płyta ta będzie wymagała otworów o średnicy 5,5 mm dla wałków przekładni. Przednia płyta na zdjęciu jest przezroczysta, aby pokazać znajdujące się w niej koła zębate.
Ponownie, tutaj patrzymy na bardzo prosty projekt. Oczywiście, jeśli masz doświadczenie w modelowaniu, bardzo łatwo jest rozwinąć te proste zasady, na przykład dodając otwory wentylacyjne lub zewnętrzne mocowania lub zaciski do przednich i tylnych płyt. Gdy już poradzisz sobie z niezbędnym bitem – wspieraniem swojego sprzętu – możliwości są nieograniczone!
Krok 5: Drukowanie
Tutaj zaprojektowaliśmy trzy główne elementy skrzyni biegów: tylną, dystansową i przednią. Odtąd drukowanie 3D nie różni się niczym od żadnego innego projektu.
W razie potrzeby całe pudełko można wydrukować w 3D. Alternatywnie, tylko przekładka może być wydrukowana 3D, podczas gdy przednia i tylna płyta są wykonane z materiału arkuszowego. W tym drugim przypadku wymiary użyte powyżej przy projektowaniu płyty tylnej mogą być użyte do pozycjonowania otworów w używanym materiale płyty.
Jeśli cała skrzynia biegów ma zostać wydrukowana w 3D, wydrukuj tylną płytę i przekładkę jako jeden wydruk. W Onshape odbywa się to przez operację połączenia logicznego w celu połączenia płyty tylnej i elementu dystansowego. Następnie zmontuj koła zębate w pudełku i dodaj przednią płytę, aby wszystko zamknąć.
Martwisz się, że Twój projekt jest zbyt mały lub zbyt skomplikowany, aby działał poprawnie po wydrukowaniu? W takim przypadku możesz rozważyć skorzystanie z usługi drukowania 3D.
Teraz, gdy wnętrze skrzyni biegów nie jest już tak tajemnicą, możesz skorzystać z opisanych tu narzędzi i wiedzy, aby stworzyć drukowaną skrzynię biegów 3D według własnego projektu!
(Źródło obrazu ołowiu: 3dsets.com)
Licencja: Tekst „ 3D Printed Gearbox – How to Design Your Own Box ” autorstwa All3DP jest objęty licencją Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 .
Źródło: https://all3dp.com
Review Box
Review Summary
Many people can’t choose: a laptop or a tablet? They both have similar features at first sight, but if you look deeply - they are so different. We don’t state that any of them is better, but we prepared some recommendations to make it easier to select.
