Печатный циклоидальный редуктор показал 92% КПД — и оказался тише печатной планетарки

В стендовом сравнении FDM-циклоидальный редуктор для NEMA 17 достиг заявленного КПД 92% и добавил к звуку шагового двигателя меньше шума, чем печатная планетарная передача. Результат получен на конкретном образце Advanced Hobby Lab; ключевой вопрос теперь связан с зазорами стальных пальцев, крутильной жёсткостью пластика и режимом нагрузки.

Advanced Hobby Lab опубликовала открытый проект компактного циклоидального редуктора под монтажный габарит NEMA 17 и сообщила о КПД около 92% в собственном стендовом испытании. В том же сравнении редуктор добавлял к собственному шуму шагового двигателя меньше акустического шума, чем ранее изготовленная FDM-печатью планетарная передача. Проект размещён на Printables, а результат испытания пересказан Hackaday.

Циклоидальная передача использует эксцентрик на входном валу, который заставляет диск с циклоидальным профилем совершать планетарное качение по неподвижному кольцу пальцев. Выходной фланец получает движение через второй набор пальцев или отверстий в диске. Разность числа профилированных выступов и неподвижных пальцев задаёт большое передаточное отношение в одном каскаде. В каждый момент контакт удерживают несколько точек, поэтому окружная сила распределяется по нескольким участкам профиля.

Для FDM-механики эта кинематика полезна по вполне конкретной причине. Эвольвентная шестерёнчатая пара чувствительна к ошибке межосевого расстояния, толщине зуба, усадке и шероховатости боковых поверхностей. В циклоидальной схеме основную геометрию задают диск, эксцентриситет и расстановка пальцев. Стальные пальцы формируют нагруженную неподвижную дорожку и снимают часть требований с напечатанного корпуса. Пластик всё равно работает в контактах диска, воспринимает деформацию корпуса и определяет стабильность зазора при нагреве.

Заявленные 92% выглядят достижимым значением для малогабаритной тихоходной передачи при удачном режиме нагрузки и смазке. Однако опубликованного протокола с оборотами, входным и выходным моментом, передаточным отношением, температурой, способом учёта мощности двигателя и погрешностью измерений пока нет. Число относится к одному экземпляру и одной рабочей точке. Оно не может служить паспортным КПД для FDM-циклоидальных редукторов в целом.

Автор также указал на небольшой люфт выходного звена, ощущаемый при ручном проворачивании. Предполагаемая причина — избыточный зазор вокруг стальных пальцев. Здесь проявляется основной компромисс конструкции: малый зазор снижает люфт и ударные перемещения при реверсе, однако повышает трение, требования к точности печати и риск подклинивания после усадки деталей. Большой зазор упрощает сборку и повышает устойчивость к разбросу размеров, но ухудшает позиционирование и создаёт ударную нагрузку при смене направления.

Монтажный размер NEMA 17 характеризует геометрию крепления двигателя, а допустимый момент и тепловой режим определяются конкретной моделью мотора, током фаз и скоростью. Ценность такого редуктора для поворотных осей, фокусёров, дозаторов и малой робототехники будет зависеть от измерений люфта под моментом, крутильной жёсткости, износа циклоидального диска и сохранения КПД на серии скоростей и нагрузок.