Якщо все, що вам потрібно від коробки передач — це більше крутного моменту й менша швидкість, звичайний набір шестерень цілком впорається із завданням. Але що робити, якщо ви хочете отримати точність рівня промислового 5-осьового ЧПУ-верстата прямо в домашній майстерні? Саме таким питанням задався автор каналу Not An Engineer — і відповіддю стала повністю саморобна безлюфтова циклоїдальна передача, зроблена буквально з нуля.
Історія, втім, вийшла зовсім не гладкою. Це радше розповідь про те, як самовпевнений технарь-ентузіаст з головою пірнув у надзвичайно складний і багатогранний інженерний виклик, витративши на нього понад 200 годин особистого часу.
Чому не звичайні шестерніПроблема, яку намагався вирішити автор, добре знайома всім, хто працює з механізмами точного позиціонування — люфт. Це той самий неприємний «зазор», який виникає в будь-якій зубчастій передачі прямо з заводу. Промислові рішення цієї проблеми існують, але коштують справді пристойних грошей.
Розглядалися два варіанти технологій, здатних усунути люфт:
- Хвильові редуктори (wave gearboxes) — використовують гнучке внутрішнє шліцьове кільце та еліптичний підшипник
- Циклоїдальні передачі — засновані на ексцентриковому валу, який притискає циклоїдальний диск до кільця роликів
але вимоги до матеріалу гнучкого шліцьового кільця та складність обробки викликали, за словами самого автора, справжній головний біль. Тож вибір впав на план Б — циклоїдальну передачу.
Через невідповідність кількості лопатей диска й кількості роликів диск повільно обертається, приводячи в рух вихідні штифти. А щоб компенсувати вібрації, зазвичай додають другий диск, зміщений на 180 градусів відносно першого.
Математика, яка боляче б’є по головіВиявилося, що просто наліпити купу лопатей на коло — не варіант. Форма циклоїдального диска підпорядковується доволі непростій математиці, і потрібна саме епітрохоїда — крива, яка забезпечує плавнішу роботу порівняно зі звичайною епіциклоїдою з її гострими переходами форми. Автор чесно зізнається, що кинув вивчення математики за першої ж нагоди, тож розбиратися в тонкощах кривих йому було непросто.
Зрештою, обравши редукцію 25 до 1 для збереження розумної швидкості на виході й компактних розмірів, він перейшов до найцікавішого етапу — власне виготовлення деталей.
Перша спроба: суцільний провалРобота почалася з листа м’якої сталі товщиною 25 мм для корпусу.
Маленька імпортна ножівкова пилка ледь витримувала навантаження, особливо з дрібнозубим полотном. Далі — токарний та фрезерний верстати, поворотний стіл і безліч отворів під ролики, які довелося свердлити, розвертати й розточувати з максимальною акуратністю.
Циклоїдальні диски виготовлялися з використанням спеціального фіксувального пристрою, який дозволяв обробляти всі критичні розміри за одну установку. Автор навіть створив вимірювальний блок із проставок, щоб контролювати відповідність контуру диска розмірам корпусу.
Але коли всі деталі нарешті зібралися разом, плавної циклоїдальної дії, про яку так довго мріялося, не вийшло. Автор годинами длубався з механізмом, намагаючись зрозуміти причину — чи то погана поверхня посадкових місць роликів, чи занадто великі диски, чи неперпендикулярні зовнішні стінки. У результаті виявилося, що винні були всі ці фактори одразу, плюс ще кілька додаткових.
Коробка сорому та друга спробаГоловний висновок першої невдалої спроби виявився дуже простим і водночас болючим: конструкцію поспішили, а вирішення проблем відклали на потім — тобто на «майбутнього себе».
І от «майбутній себе» настав, і виявилося, що це не дуже приємно.
Автор зізнається, що має схильність триматися за перші спроби навіть після невдач, але цього разу зрозумів — деталь треба відправити прямісінько в «коробку сорому» і почати з чистого аркуша.
Друга спроба вийшла куди продуманішою:
- Замінено саморобні підшипники ковзання на японські конічні роликопідшипники
- Все зібрано в єдиному вузлі замість окремих компонентів — менше деталей, менше шансів на неспіввісність
- Замість свердління використано фрезерування наскрізних отворів під ролики
- Придбано ножівку з більшими можливостями, що значно пришвидшило роботу з листовою сталлю
Найскладніший етап — точність у мікронахНайбільш нервовим моментом стала обробка прецизійного отвору під конічні роликопідшипники з точністю до приблизно 10 мікронів. На щастя, автор уже мав досвід підготовки до подібного виклику завдяки роботі над шпинделем для іншого токарного верстата — запаслися бюджетними калібрами й мікрометрами,
а також зробили власний притир для розточування великих отворів на основі методики Робіна Ренцетті.
Варто окремо відзначити, що вся ця робота велася на токарному верстаті без цифрового індикатора положення — сам автор жартома називає це не хизуванням, а криком про допомогу.
Отвір довели до 20 мікронів від цільового розміру методом притирання за допомогою алюмінієвого диска з внутрішнім конусом, який розширювався при затягуванні гайки. Далі настала черга шпинделя з інструментальної сталі 4140 — матеріалу, з яким автор працював уперше, тож підбір режимів різання зайняв певний час.
Фінальна збірка та перший тестПісля кількох пробних сухих збірок для перевірки зазорів настав момент фінального монтажу — з фіксатором різьби та герметиком. Не обійшлося без кумедного казусу: одну з деталей встановили не тією стороною одразу з першої спроби, і паніка від спроби вийняти її до остаточної фіксації, за словами автора, змусила відчути себе справді живим.
Для тестових цілей до конструкції додали надрукований на 3D-принтері кронштейн під двигун і підключили кроковий мотор через саморобний прототип електронного ходового гвинта з керуванням через поворотний енкодер.
Результати першого запуску виявилися напрочуд обнадійливими:
- Люфт близько 40 мікрон при відстані 200 мм — це трохи більше за 40 кутових секунд
- У окремих положеннях шпинделя показник зростав до п’яти разів через похибки округлості циклоїда та посадкових місць роликів
- Виявлена можливість зворотного приводу редуктора в позиціях із найбільшим люфтом
Менше чотирьох кутових хвилин люфту — результат, який автор сам називає «чортовськи хорошим» як для саморобного механізму, зробленого практично на колінці. Втім, гнучка та дешева муфта, використана для тестування, могла спотворити частину показань, тож остаточні висновки й подальші вдосконалення механізму автор обіцяє показати вже в наступному відео.
Запис Аматор-інженер зібрав редуктор без жодної шестерні у себе в сараї: витратив понад 200 годин спершу з'явиться на ProstoMob.
