Печатаем шестерни или как все крутится.

Добрый день! Статья для тех, кто задавался вопросом: 'Как печатать шестерни без ошибок?'

Основной сложностью в производстве боксовых редукторов, шестерней передачи крутящего момента и решения вопроса снижения числа оборотов целевого штока, является правильный расчет зубчатых колес. Расчет зубчатого колеса для не посвященного человека представляется неразрешимо сложной задачей.

Для решения проблемы расчета и производства зубчатых колес и их правильного зацепления существует специализированная литература, ряд интернет ресурсов, расчетных форм в Microsoft excel, сайтов детально описывающих пошаговую инструкцию расчета, тем не менее, процесс требует знаний в области физики уровня явно выше среднего.

Укороченные методики и упрощенные расчетные формы не позволяют понять детальные процессы расчета, что осложняет понимание сути процесса взаимного зацепления зубчатых колес, детального расчета строения зубцов и определения передаточного числа.

Данные, полученные в ходе применения расчетных методик необходимо учесть в построении объемной модели шестерни в 3D редакторе. Процесс моделирования с соблюдением всех расчетных данных сопряжен с риском допущения ошибок, приводящих в свою очередь к несовпадению зубцов ведущих и ведомых колес, невозможности их верного взаимного зацепления.

Старая школа, критически отрицающая продукты Autodesk без проблем нарисует шестерни и даже посчитает их зацепление, навыки чего нарабатывались десятки лет работы в сфере машиностроения, начертательной геометрии, черчения, сопромата, высшей математики, физики.

Не все сейчас обладают такой базой практических и теоретических навыков. Итак, Kvant.it для читателей перебрал сотню сайтов, десятки профессиональных книг и продемонстрирует, как быстро, просто и без ошибок построить зубчатые колеса. В данном обзоре рассмотрим только центрированные колеса, эксцентрики позднее. Целью обзора поставим построение шестерней 25 и 12 зубцов соответственно, предусмотрительно число зубцов не кратное.

Поехали. Коротко и пошагово смотрим на канале https://www.youtube.com/watch?v=211GRdbYst4 или читаем далее по тексту.

Для построения зубчатых колес понадобится:

1. Несколько килограммов персонального компьютера;

2. Мегабайты интернета;

3. Soft и несколько граммов навыков работы в нем.

1. Устанавливаем программные продукты, их нужно 3 штуки (простые).

1.1 AutoCad (http://www.autodesk.ru/products/autocad/free-trial), версия не принципиальна, ставим trial версию или студенческую, функционал программ отличается от профессиональных тем, что 99% пользователей даже не заметит (профессиональные функции работы в облаках и прочие вещи не нужные при работе, если вы не планируете строить мосты через Темзу);

1.2 3ds Max или 3ds Max Design (http://www.autodesk.ru/products/3ds-max/free-trial) как и ранее нет разницы, можете ставить студенческую версию, обычную или дизайнерскую;

1.3 GearGenerator3 (http://woodgears.ca/gear/index.html) программа стоит порядка 26$ США. Для тех, кто планирует работать с шестернями и зубчатыми колесами придется приобрести (версия для ознакомления любезно испорчена разработчиками и в ней ничего не получится), но… программу можно поискать на www.kvant.it.

2. После установки перезагружаемся, чтобы без проблем в последующем. Так как производство зубчатых колес нужно в материале калибруем Soft.

2.1 3ds max калибруем следующим образом, вверху окна находим: Customize - >Units setup… ->точку в окне Display Unit Scale ставим в зону metric, из выпадающего списка выбираем millimeters, если нет миллиметров смотрим вниз окна, там в настойках Lighting Units выбираем International. Дополнительно нажимаем кнопку вверху окна «System Unit Setup», в открывшемся окне устанавливаем millimeters. Остальные настройки корректировать не рекомендуется, так как допуски программ установлены, верно, и их корректировки приведут к ненужной работе по последующим исправлениям масштаба. Нажимаем ОК. Поздравления, калибровались.

2.2 Строим зубчатые колеса со следующими параметрами

1 колесо: 25 зубцов, диаметр 100 мм, внутреннее строение с 5 перемычками, центральное отверстие 15 мм

2 колесо: 12 зубцов, диаметр 48 мм, внутреннее строение без перемычек (колесо получается небольшим), центральное отверстие 15 мм. Зубчатые колеса готовы.

Программа автоматизирует расчеты и все что остается ввести данные и формировать колеса под свои требования (программа еще считает рейки, протекторные шестерни, цепи и прочее).

Для последующей работы мы удалим сетку и хелперы и остановим вращение колес (отключим анимацию) сняв соответствующие им галочки. Еще одно важное замечание, необходимо установить галочку Draw Unmeshed.

Полученные зубчатые колеса экспортируем в Базовый DXF. Раскладка клавиатуры (рус./англ.), при написании имя файла не имеет значения. Сообщение игнорируем нажатием ОК.Полученный файл открываем в AutoCAD и убеждаемся в правильности отображения колес. Как видим, файл сохранился верно (бывают артефакты и ошибки сохранения), сохраняем его в AutoCAD в формате «*.dwg», при нажатии сохранить программа предложит данный вариант «по умолчанию». Закрываем AutoCAD.Полученный файл открываем в 3ds Max или через импорт или просто перетащите файл на ярлык 3ds Max. Обязательно установите Галочку Weld nearby vertices, в итоге программа сварит полилинии в одну и получится модель, а не отрезки (можно не ставить и вручную сращивать сотню сплайнов, сами решаем), еще важно показатель weld threshold подберите под себя. В данном примере он указан 2,54 мм по умолчанию, но модель будет импортирована неверно, ставим 0,5 мм.Импорт положительный, теперь подготовим модель к печати, для чего исправим одну забавную мелочь, которую нам любезно подкинули разработчики GearGenerator3, а именно, внешний сплайн разорван и не экструдируется.Для чего попарно выделяем сплайны зубчатых колес, чтобы каждое колесо сделать самостоятельным объектом, и нажимаем кнопку detach. Теперь из модификаторов включаем Extrude. В итоге мы не получаем желаемый результат, так как модификатор выдавливает только замкнутые сплайны. Соединяем внешний сплайн, применив манипуляцию с OutLine, для чего выделяем внешний сплайн и применяем OutLine, в итоге имеем точное место ошибки сплайна колеса. Теперь удаляем внешний сплайн (удаляем вручную или нажимаем кнопку «назад» или Ctrl+z) и соединяем разорванные точки сцепкой кнопок fuse – weld. Второе колесо соединяем так же (место разрыва обычно одно против другого).Полученные колеса имеют смещенный центр для того чтобы они вращались в своих осях выполняем простую операцию центрирования осей, для чего выделяем колесо и нажимаем последовательно кнопки. Hierarchy - > affect pivot only - > Center to object-> affect pivot only. Повторное нажатие affect pivot only выключит режим редактирования положения оси. Со вторым колесом делаем то же самое.Теперь экструдируем, как и ранее применив модификатор Extrude (см.выше). Поставим екструзию по 5 мм, пододвигаем колеса друг к другу как они должны быть в реальности, и настроим анимацию, чтобы проверить верность вращения, для чего выбираем большее колесо, нажимаем правую кнопку мыши и выбираем в меню wire parameters, после чего следуем по схеме transform->rotation->Z rotation (вращаем по оси Z), в итоге за курсором от большого колеса тянется прерывистая линия, щелкаем ее по малому колесу левой кнопкой мыши и выбираем аналогичные трансформации и вращения.Если все правильно включается меню состояния вращения (окно не закрываем, если нужно можно свернуть, в win 8 оно не откроется снова и придется его открывать, повторяя процессы, начиная с wire parameters (повторное открытие с горячих Аlt+5).Настраиваем следующие параметры вращения. В левой части меню большое колесо, его не трогаем, в правой части малое колесо и его мы сделаем ведомым. Напомню, что малое колесо вращается относительно большого в обратную сторону, следовательно ставим знак «-» перед формулой (на рисунке формула выделена), соотношение скоростей вращения будет выглядеть как частное от числа зубцов. Так как скорость мы сами зададим, вращая большое колесо, малое будет вращаться со скоростью частного 25 зубцов большого колеса к 12 зубцам малого (25/12=2,08333) в итоге получаем формулу вращения малого колеса (-Z_Rotation*2.08333), теперь тонкости, 3ds Max не понимает запятые, так как в США запятыми отделяют не целые от долей, а по три ноля, как у нас отделяются тысячи (1.000), по это причине ставим только точки. Жмем connect и update, а так же значок «<->» вверху окна (теперь колеса взаимно ведущие), связь установлена, вращаем большое колесо и видим что, расчеты верны.

Подготовка к печати зубчатых колес не имеет никаких особенностей, отличных от прочих моделей. Проверка диаметра проводим путем построения окружности сплайна установленного радиуса и центрирования сплайна по зубчатому колесу.

Для корректной работы требуются лицензионные версии программ, четкое выполнение рекомендаций.

Если вы обладаете большими знаниями или вам известен более простой и короткий метод поделитесь, отправив письмо на адрес kvant.it, будем признательны.

С уважением Kvant. it