CIKLO-REDUKTORI princip rada, kinematika i reverzibilni inženjering

CIKLO - reduktori predstavljaju jedno od boljih rešenja u oblasti prenosa snage, odnosno, smanjenju broja obrtaja pogona uz povećanje obrtnog momenta. Najstariji podaci o izradi ovih reduktora poticu od pre sedamdesetak godina, a neke instalacije iz tog perioda su još u pogonu, što govori o kvalitetu tehnickih rešenja primenjenih u izradi. Zbog složenosti konstrukcije i izrade posebnog ozubljenja, CIKLO-reduktori, se prozvode u malom broju razvijenih zemalja sveta. Metodologija istraživanja kojom se došlo do domaće konstrukcije CIKLO-reduktora, izrada prvog prototipa i ispitivanje - može se okarakterisati kao multidisciplinarna. Primenjene su najnovije tehnike simulacije - matematickog modeliranja proizvoda pomoću racunara i proizvodnja pomoću računara (CAM-CNC).

Princip rada CIKLO reduktora

Princip rada CIKLO - reduktora zasniva se na složenom kretanju ploca (ekscentricno i obrtno), ozubljenih cikloidnim profilom i spregnutih sa valjcim po obodu nepomicnog dela kucišta.

Sl.1. Slučaj kada se kretanje ostvaruje samo pomoću trenja 1-nepomicno kuciste, 2-rotirajuca ploca i 3-pogonski ekscentar

Okretanjem ulaznog vratila, ekscentar vrši uzubljivanje cikloidnog diska sa fiksiranim obodnim valjcima, što kao rezultat ima okretanje diska u suprotnom smeru. Ovo okretanje se prenosi preko na izlazno vratilo. U praksi se koriste dva cikloidna diska, postavljena protivfazno radi uravnoteženja inercijalnih sila. Stepen redukcije odgovara broju ciklusa ozubljenja, dok je broj obodnih valjcica za 1 veci.

Sl.2. Slučaj kada se kretanje ostvaruje pomoću uzubljivanja

Sl.3. Kompletan sklop CIKLO - Reduktora

Glavne karakteristike CIKLO reduktora

Kod evolventnog ozubljenja klasicnih zupcanika uvek postoji klizanje bokova zuba. Ovo trenje stvara toplotu i gubitke. Kod cikloidnog ozubljenja nema trenja klizanja, vec isklucivo trenja kotrljanja (sevi elementi se medjusobno rotiraju). Glavne karakteristike CIKLO reduktora i prednosti u odnosu na reduktore sa evolventnim zupcanicima su:

- manje dimenzije kucišta uz veci stepen redukcije i vecu snagu, - mogucnost ostvarivanja znatno vecih prenosnih odnosa u jednom stepenu redukcije (do 120:1), - manji gubici, sva trenja su svedena na trenje kotrljanja, - lakše podnošenje preopterecenja, u zahvatu su stalno oko 2/3 ukupnog broja zuba, što rezultuje boljom raspodelom optere?enja, - manji zahtevi za održavanjem, reduktori mogu biti trajno podmazani maš?u ili uljem uz retku izmenu, - mirniji rad i manji zazori pri promeni smera obrtanja, - manja cena kostanja (za oko 25%), - mogu se ponasati kao reduktori ili kao multipleksori (nema smokocenja), itd... Kinematika CIKLO-REDUKTORA i proračun ozubljenja

Sl.4. Računarska simulacija nastanka krive - Ortocikloida (kriva koju opisuje kapica na ventilu tocka bicikla)

Sl.5. Računarska simulacija nastanka krive - Epiocikloida

Sl.6. Računarska simulacija nastanka krive - Hipocikloida

Polazni matematički model u proračunu cikloidnog ozubljenja je epicikloida - sl. 5.4., definisana jednačinama: X = S\21 cos(t) - S\22 cos(S\23t) Y = S\21 sin(t) - S\22 sin(S\23t) - gde su smene: S\21=a+b S\22=b S\23=S\21/b - prenosni odnos redukcije: i = a/b

Sl. 7. Polazni matematički osnov u proračunu cikloidnog ozubljenja - epicikloida

Racunarska simulacija nastanka krive - Epiocikloida

Polazni matematicki model u proracunu cikloidnog ozubljenja je epicikloida definisana jednacinama:

Sl. 8. Prikaz glavnih mera kinematike CIKLO - reduktora

X = S21 x cos(t) - S22 x cos(S23 x t), Y = S21 x sin(t) - S22 x sin(S23 x t)

gde su smene: S21=a+b, S22=b, S23=S21/b

prenosni odnos redukcije: i = a/b

Alat, koje bi rezalo ili brusilo plocu cikloidnog diska, se kre?e po krivoj koja je ekvidistanta epicikloide.

Osa alata koji izradjuje cikloidni disk kre?e se po krivoj - ekvidistanti epicikloide (tabelarno sracunate pozicije centra alata za izradu jednog segmenta)

Sl. 9. Izgled ploča CIKLO reduktora za različite prenosne odnose

Oblasti i mogucnosti primene CIKLO reduktora

CIKLO - reduktori se mogu izradjivati za snage od 0,1 do 30 KW, obrtne momente od 10 do 25000 Nm, za prenosne odnose od 9 do 85 (u jednom stepenu redukcije, a mogu biti i višestepeni u jednom ku?ištu - poznat slucaj petostepenog reduktora sa prenosnim odnosom 1:1.000.000). Mogucnosti primene CIKLO - reduktora su u svim slucajevima teskih radnih uslova, gde je potrebna velika snaga uz minimalne gabarite prenosnika, uz cesta i velika preopterecenja, npr.: - teska gradjevinska i oklopna mehanizacija, - procesna oprema, - transportni uredjaji, - robotika i upravljanje, kao najsavremenije i najcešce primene CIKLO - reduktora.

Za specijalne slucajeve primene, CIKLO reduktori mogu biti izradjeni i od lakih metala i legura, a pravi cikloidni profil zamenjen i pojednostavljen delovima kruga. Nepokretni delovi reduktora mogu radi bešumnog rada biti izradjeni od tvrde gume.

Reverzibilni inženjering

Ja reverzibilni inženjering tuma?ima kao lepši izraz za kopiranje (ono što danas rade kinezi). Medjutim, kada sam ja po?eo da radim na projektovanju prototipa doma?e verzije CIKLO - REDUKTORA, ispred sebe sam imao samo jedan šturi strani katalog. U domacoj mašinskoj literaturi se ovi reduktori ne obradjuju.

Uz to, bio sam mlad mašinski inženjer - pocetnik. Od pomoci mi je bio samo jedan ATARI ST 2048 sa fantasticnim GV BASIC interpereterom. Radeci na matematickom modelu CIKLO - REDUKTORA, konacno sam shvatio sto se na masinskom fakultetu uci toliko mehanike i matematike (ukupno 9 ispita)!

Primena računara u postupku projektovanja CIKLO - reduktora Zahvaljujići velikim mogućnostima današnjih računara (prevashodno personalnih - PC), i izbora raznovrsnih programskih alata, moguće je u velikoj meri automatizovati mnoge segmente projektovanja novih ili proširenja - razvoja familije postojećih proizvoda. Aplikacije za projektovanje CIKLO - reduktora uz pomoć računara, razvijene su za potrebe simulacije generisanja krivih iz familije cikloida, simulacije procesa izrade ozubljenja glodanjem ili rezanjem na erozimatu sa `icom, simulaciju rada - uzubljivanju radnih elemenata i za potrebe osvajanja proizvodnje familije reduktora baziranih na više različitih veličina (snaga i momenata). Aplikacije su razvijane uz pomoć BORLAN Turbo BASIC, Microsoft FORTRAN -u za PC u delu matematičkih proračuna i Autodesk AutoCAD za PC u delu grafike. Listinzi svih aplikacija su dati u PRILOGU ELEBORATA. Demo program failije cikloida - DEMOCYC Namena programa je da vizuealizuje nastanak - kinematiku familije cikloidnih krivih. Kru`nica (točak) se okreće po ravnoj podlozi, po većoj kru`nici i unutar veće kru`nice. Jedna posmatrana - fiksna tačka na poliprečniku kru`nice koja se okreće (npr. "ventil" na točku), opisuje ortocikloidu, epicikloidu i hipocikloidu - odnosno skraćene forme pomenutih krivih (videti slike 5.1, 5.2 i 5.3.) Program za proračun kinematike i izradu - KCR Ulazni podaci u proračunski tok su osnovne kinematičke mere reduktora - ploča i rolnica po obodu i prenosni odnos. Na osnovu ovih podataka program sračunava ostale mere bitne za kinematiku reduktora: broj obodnih rolnica, broj ciklusa ozubljenja i osnovne mere CIKLO ploče, prečnik na kome se postavljaju obodne rolnice i ekscentricitet. Sledeća faza je proračun ozubljenja cikloidnog diska i priprema podataka za izradu programa za obradu na CNC mašini. Tu postoje dva slučaja: a) izrada na CNC glodalici/brusilici gde se sračunava putanja (ose) alata i b) izrade na erozimatu sa `icom gde se sračunavaju konkretne tačke na ozublje nju. U oba slučaja računar generiše tačke na krivoj. Obično se sračunavanje izvodi na oko 5000 tačaka na polovini zuba. Zatim se tačke podvrgavaju procesu optimizacije na osnovu optimalnog rastojanja. Potrebno je postići sa što manjim brojem tačaka koje mo`e prihvatiti upravljačka jedinica CNC, da se dobije dovoljno tačna i glatka kontura ozubljenja. Ceo tok proračuna se kontroliše i prati preko grafičkkog monitora, prikazano slikama: 5.7. - osnovne mere i alat u zahvatu, 5.8. - osnovne mere i prorčun profila, 5.9. - uvećanje jednog ciklusa profila, 5.10. - tabelarni podaci za izradu na glodalici/brusilici, 5.11. - simulacija izrade glodanjem, 5.12. tabelarni podaci za izradu na erozimatu sa `icom, 5.13. simulacija izrade na erozimati sa `icom, izgled cikloidnog diska i šematizovani sklop - ploča i rolnice u zahvatu.

Sl. 5.7. Oosnovne mere i alat u zahvatu

Sl. 5.8. Oosnovne mere i prorčun profila

Sl. 5.9. Uvećanje jednog ciklusa profila

Sl. 5.10. Tabelarni podaci za izradu na glodalici/brusilici

Sl. 5.11. Simulacija izrade cikloidnog diska glodanjem

Sl. 5.12. Tabelarni podaci za izradu na erozimatu sa `icom

Sl. 5.13. Simulacija izrade na erozimati sa `icom,

izgled cikloidnog diska i šematizovani sklop - ploča i rolnice u zahvatu.

Program za crtanje CIKLO ploča i šematizovanih sklopova - CRTACRD Jedan od izlaza iz postupka proračuna je i grafički zapis u DXF AutoCAD - Autodesk standardu za razmenu podataka izmedju različitih aplikacija i različitih računara. Ovaj izlaz, kombinovanjem sa SCRIPT upravljačkim jezikom AutoCAD-a, daje na računaru/ploteru dokumentaciju proizvodnju računski izvedenih pozicija sklopa CIKLO - reduktora, sa upisanim merama (kotama) dobijenim u prethodnom koraku proračuna. U PRILOGU ELABORATA u delu konstruktivne dokumentacije za domaći CIKLO reduktor dat je crte` CIKLO ploče i deo sklopa reduktora (uprošćen), automatski generisan vezom proračun - AutoCAD. Dalji ukupan razvoj aplikacija za projektovanje familije CIKLO reduktora ili pogona sa CIKLO reduktorima, bazirao bi se na biblioteci standardnih elemenata reduktora. Dobijanjem funkcionalnih kinematskih zavisnosti reduktora, mogla bi se automatski generisti dokumentacija - crte`i za proizvodnju nastali kao rezultat proračuna i provere pojedinih elemenata reduktora. Tabelarne rezultate proračuna ozubljenja spremljene za izradu programa na CNC mašini alatki moguće je RS232 vezom u čitljivom obliku, direktno poslati upravljačkoj jedinici mašine i time zaokru`iti CAD/CAM koncept.

Program za proveru stepena sigurnosti elemenata - CRDPRO Ulazni podaci u proračunski tok su nazivna snaga reduktora, obrtni moment koji treba preneti i prenosni odnos - stepen redukcije, osnovne mere ulaznih/izlaznih vratila, prečnici spreznih čaurica itd... U sledećoj fazi se konkretni radni elemeti reduktora opterećuju silama i momentima i vrši provera statičke i dinamičke izdr`ljivosti vratila i le`ajeva, provera površinskog pritiska na cikloidnom disku i obodnim rolnicama, provera unutrašnjih valjčića na smicanje itd. Ukoliko neki od elemenata ne zadovolji opterećenjima uz odgovarajući stepen sigurnosti, ponavlja se postupak odabira novog elementa.

Domaca konstrukcija CIKLO - REDUKTORA Na osnovu analiza postojecih konstrukcija i racunarskog programa za proracun, doslo se do domace konstrukcije i metodologije izrade CIKLO reduktora.

Presek kroz CIKLO - REDUKTOR osnovni podaci za konkretni reduktor su: snaga 2 Kw, prenosni odnos 13,

obrtni moment 450 Nm i težina 15 kg.

U periodu 1988-1990. bila je spemna dokumentacija za izradu prototipa CIKLO - REDUKTORA, a zahvaljujuci ljidima vizionarima iz tadasnje FRA - Cacak, napravljen je prototip i proradio je iz

prve!

Nažalost, tada veoma visoko procenjena vrednost ovog proizvoda i projektne dokumentacije ( i softvera) koja je mogla da generise citavu familiju reduktora razlicitih dimenzija - nikada nije realizovana u serijskoj proizvodnji, a ja kao konstruktor domaceg CIKLO-REDUKTORA sam

razocaran - napustio Fabriku reznog alata.

Opis domaće konstrukcije CIKLO reduktora Na slici 8.1. prikazan je presek kroz sklop CIKLO - reduktora. Osnovni podaci za konkretni reduktor su: snaga 2 Kw, prenosni odnos 13, obrtni moment 450 Nm i te`ina oko 15 kg. Prednji poklopac reduktora nosi podsklop kugličnog le`aja, ulaznog vratila, pritezača lečaja i elemenata za zaptivanje. Na ulazno vratilo je tvrdo nabijen dvostruki ekscentar i osiguran klinom. Na ekscentar su nabijene unutršnje košuljice igličastih le`aja. Ulazno vratilo nosi i drugi kuglični le`aj kojim se oslanja na izlazno vratilo. Zadnji poklopac reduktora nosi podsklop izlaznog vratila ule`ištenog kao greda sa prepustima oslonjenog na dva konično/valjčasta le`aja. Takojde, zadnji poklopac nosi elemente za zaptivanje i pritezanje le`aja. Izlazno vratilo na svom završetku unutar kućišta le`aja ima tanjirasto proširenje u koje su tvrdo usadjene osovinice (6 kom.), sa odgovarajućim obrtnim čauricama. Statorski deo kućišta je prstenaste konstrukcije sa presekom u obliku slova "U". U ovom delu kućšta kroz "U" profil, ugradjene su obodne čaurice/rolnice na nepokretnim tvrdo nabijenim čivijama - osovinicama. Jedna strana statorskog dela kućišta je oslobodjena za prolaz CIKLO ploča prilikom monta`e/demonta`e reduktora. Ploče ciklo reduktora se postavljaju na igličaste le`ajeve i ujedno predstavljaju spoljašnju košuljicu le`aja. One se postavljaju simetrično - protivfazno. Izmedju njih se nalazi odstojnik - distancer. Delovi kućišta reduktora i neodgovorni elementi su izradjeni od običnog konstruktivnog čelika (preporuka je da kod serijske proizvodnje to budu odlivci). Ulazno, izlazno vratilo i ekscentar su izradjeni od čelika za poboljšanje (preporuka da kod serijske proizvodnje izlazno vratilo bude otkovak ili dvodelno - vareno). Sve čaurice, osovinice, košuljice igličastih le`ajeva i CIKLO ploče izradjene su od čelika za le`ajeve (cementirano/kaljeno i fino brušeno). CIKLO ploče su izradjene na erozimatu sa `icom od odgovarajućeg pripremka. Monta`a reduktora odpočinje montiranjem podsklopova - funkcionalnih celina. CIKLO ploče se ugradjuju nakon što je spojen prednji poklopac reduktora, statorski deo, ulazno vratilo i ekscentar. Nakon toga se reduktor zatvara zadnjim poklopcem sa izlaznim vratilom koje svojim rolnicama porlazi kroz obe ploče. Odr`avanje reduktora se sastoji u periodičnom dolivanju i zameni ulja za reduktore.

Sl.8.1. Sklop CIKLO reduktora Kompletna radionička dokumentacija za proizvodnju konkretnog primera CIKLO reduktora, data je u PRILOGU ELABORATA, u formi crte`a na papiru i formi AutoCAD *.DWG R.12. zapisa, na prilo`enoj računarskoj disketi. Potpuno funkcionalan CIKLO reduktor je potvrda ispravnosti ovde iznete - primenjene metodologije u konstrukciji i proizvodnji. Predlozi za poboljšanje konstrukcije su: primena odlivaka u izradi elemenata kućišta, primena kvalitetnijih igličastih le`aja za vezu ekscentra sa CIKLO pločama i ispitivanje uticaja tolerancija/zazora u izradi CIKLO ploča i obodnih rolnica na opštu funkcionalnot reduktora. Predlozi za tehnološka poboljšanja: tehno/ekonomska analiza proizvodnje CIKLO ploča na CNC glodalicama uz primenu CNC brušenja ili profilnog brušenja, anala mogućnosti projektovanja specijalizovanih/namenskih mašina/alata za izradu i brušenje CIKLO ploča.

ZAKLJU^AK Reduktori su osnosvni elementi svakog sistema gde je potrebno izvršiti prilagodjenje broja obrtaja, obrtnog momenta, smera ili drugih karakteristika, izmedju izvora snage i karjnjeg potrošača. Kao takvi, uvek zauzimaju centralno mesto i pa`nju u razvoju mašinskim konstrukcijam. CIKLO - reduktori predstavljaju jedno od boljih rešenja u ovoj oblasti. Princip rada CIKLO - reduktora zasniva se na slo`enom kretanju ploča (ekscentrično i obrtno), ozubljenih cikloidnim profilom i spregnutih sa valjčićima po obodu nepomičnog dela kućišta. Zbog slo`enosti same konstrukcije kao i tehnologije izrade merenja i kontrole ozubljenja, proizvode se u malom broju industrijski razvijenoh zemalja. Glavne karakteristike CIKLO reduktora i prednosti u odnosu na reduktore sa evolventnim zupčanicima su: manje dimenzije kućišta uz veći stepen redukcije i veću snagu, mogućnost ostvarivanja znatno većih prenosnih odnosa u jednom stepenu redukcije (do 120:1), manji gubici, sva trenja su svedena na trenje kotrljanja, lakše podnošenje preopterećenja, u zahvatu su stalno oko 2/3 ukupnog broja zuba, što rezultuje boljom raspodelom opterećenja, manjim zahtevima za odr`avanjem, reduktori mogu biti trajno podmazani mašću ili uljem uz retku izmenu, karakteriše ih mirniji rad i manji zazori pri promeni smera obrtanja, manja cena koštanja (za oko 25%), itd... CIKLO - reduktori se mogu izradjivati za snage od 0,1 do 30 KW, obrtne momente od 10 do 25000 Nm, za prenosne odnose od 9 do 85 (u jednom stepenu redukcije, a mogu biti i višestepeni u jednom kućištu. Maksimalan ulazni broj obrtaja je do 3000 o/min, a mogu raditi i kao multipleksori. Mogućnosti primene CIKLO - reduktora su u svim slučajevima teških radnih uslova, gde je potrebna velika snaga uz minimalne gabarite prenosnika, uz česta i velika preopterećenja, npr.: teška gradjevinska i oklopna mehanizacija, procesna oprema, transportni uredjaji, robotika i upravljanje, kao najsavremenije i najčešće primene CIKLO - reduktora. Za specijalne slučajeve primene, mogu biti izradjeni i od lakih metala i legura, a pravi cikloidni profil zamenjen i pojednostavljen delovima kruga. Nepokretni delovi reduktora mogu radi bešumnog rada biti izradjeni od tvrde gume. Domaća konstrukcija CIKLO reduktora nastala je primenom najsavremenijih metoda dizajniranja novih proizvoda putem računara, cikloidno ozubljenje je izradjeno primenom računarom vodjene mašine alatke gde su za njeno programiranje korišćeni podaci iz prethodnog proračuna, merenje i kontrola cikloidnih ploča kao centralnih elemenata reduktora su izvršene 3D mernom mašinom, takodje računarom vodjenom. Ovo je `ivi - ilustrativan primer zaokru`enog CIM - CAD/CAM koncepta. Jedan od mogućih puteva daljeg razvoja i proizvodnje familije CIKLO reduktora i POGONA sa CIKLO reduktorima je povezivanje personalnog računara opremljenog odgovarajućim matematičkim aparatom, bazom podataka standardnih elemenata reduktora sa CNC mašinom alatkom za izradu ozubljenja koja kompletno nadzire tok proizvodnje, eliminišući čoveka iz tehnološkog lanca, kao izvora mogućih subjektivnih grešaka.

Ciklo reduktori

Zdravo, Kao mald inženjer - po?etnik u Fabrici reznog alata u ?a?ku, za mene je bio izaziv da samo na osnovu nekoliko fotografija iz stranog kataloga CIKLO - Reduktora, izvedem kompletan matemati?ki model i kinematiku rada ovih reduktora i razvijem racunarski softver za prora?un i proizvodnju (1988-1999., Atari ST 2048, 2Mb RAM, samo FDD 720k, CPU Motorola 16Mhz, GV- BASIC interpreter).