Computational Design and Optimization of Non‐Circular Gears

运动学 旋转(数学) 扭矩 计算机科学 运动(物理) 齿轮传动系 几何学 机械工程 工程类 螺旋锥齿轮 数学 物理 计算机视觉 经典力学 热力学
作者
Hao Xu,Tianwen Fu,Peng Song,Mingjun Zhou,Chi‐Wing Fu,Niloy J. Mitra
出处
期刊:Computer Graphics Forum [Wiley]
卷期号:39 (2): 399-409 被引量:14
标识
DOI:10.1111/cgf.13939
摘要

Abstract We study a general form of gears known as non‐circular gears that can transfer periodic motion with variable speed through their irregular shapes and eccentric rotation centers. To design functional non‐circular gears is nontrivial, since the gear pair must have compatible shape to keep in contact during motion, so the driver gear can push the follower to rotate via a bounded torque that the motor can exert. To address the challenge, we model the geometry, kinematics, and dynamics of non‐circular gears, formulate the design problem as a shape optimization, and identify necessary independent variables in the optimization search. Taking a pair of 2D shapes as inputs, our method optimizes them into gears by locating the rotation center on each shape, minimally modifying each shape to form the gear's boundary, and constructing appropriate teeth for gear meshing. Our optimized gears not only resemble the inputs but can also drive the motion with relatively small torque. We demonstrate our method's usability by generating a rich variety of non‐circular gears from various inputs and 3D printing several of them.
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