Волновые зубчатые передачи

Общие сведения

Одной из сравнительно новых механических передач является волновая зубчатая передача (ВЗП), основанная на принципе волнового деформирования одного из звеньев — тонкостенного зубчатого колеса. Ряд положительных качеств передачи, в первую очередь — большое передаточное отношение, привлекли интерес конструкторов многих областей техники, в частности авиационной и космической.

Волновая механическая передача основана на принципе передачи и преобразования движения путем волнового деформирования одного из звеньев механизма. Обладая рядом положительных качеств, волновая передача получила широкое признание и распространение (в основном это относится к зубчатым передачам).

Рис. 1.1. Схема волновой передачи.

Схема одного из простых вариантов волновой передачи изображена на рис. 1.1. Передача состоит из трех кинематических звеньев: гибкого колеса g, жесткого колеса b и генератора волн деформации h. Гибкое колесо выполнено в виде кольца, переходящего в гибкий цилиндр. При этом кинематическим звеном является гибкое кольцо, а гибкий цилиндр выполняет роль упругой связи деформируемого кольца с другим жестким недеформируемым элементом передачи, например с ведомым валом или с корпусом. В рассмотренной выше схеме передачи гибкое колесо соединяется с валом с помощью гибкого цилиндра. Длина гибкого цилиндра обычно значительно больше ширины зубчатого венца и определяет осевой габарит передачи. Кроме того, именно эта часть гибкого колеса затрудняет его изготовление.

Рассмотрим первые конструкции волновых передач без гибких цилиндров (рис. 1.2), в которых гибкое колесо представляет собой кольцо с двумя зубчатыми венцами g, и g, зацепляющимися с двумя жесткими колесами и Ь-,. Волновой генератор h общий. Конструкция на рис. 1.2, б отличается тем, что жёсткое колесо Ь₂ расположено внутри гибкого колеса и имеет наружные зубья. Соответственно, второе зацепление происходит в зоне малой оси генератора.

Рис. 1.2. Схема волновой передачи с коротким гибким колесом

Первые попытки решить вопросы, связанные с разработкой, изготовлением и эксплуатацией редукторов на базе волновых зубчатых передач, были связаны с большими затратами. Циклические знакопеременные нагрузки на тонкостенное зубчатое колесо и на наружное кольцо гибкого подшипника генератора при обычной технологии их изготовления приводили к поломкам этих деталей, т. е. ресурс и надёжность передач были низкими.

В нашей стране с различной интенсивностью проводились и ведутся исследования по разработке работоспособных конструкций волновых зубчатых передач [2—5]. Уровень разработок ВЗП и редукторов был приведен в соответствие со стандартными инженерными расчётами и государственным стандартом [5]. В силу разных причин эти работы не привели к широкому внедрению волновых зубчатых передач в нашей стране.

Бурное развитие робототехники в США, Японии, Южной Корее и других странах потребовало создания целой гаммы исполнительных механизмов, включающих малогабаритные приводы с редукторами. Новые технологии в материаловедении, термообработке, обработке металлов и исследования по расчёту и разработке ВЗП позволили решить задачу применения в робототехнике волновых передач в редукторах приводов исполнительных механизмов. На рис. 1.3 представлена изготовленная в Японии передача, которая используется в приводах исполнительных механизмов автоматических линий.

а) б).

Рис. 1.3. Волновая передача с гибким колесом: а — передача в собранном виде; б — передача со снятым жёстким колесом

Одновременно с исследованиями ВЗП в мире постоянно ведется поиск передач, которые обладали бы их положительными качествами, но имели бы более высокие ресурс и надёжность. Одной из них является волновая передача с промежуточными телами (ВПИТ). Её отличительной особенностью является замена тонкостенного зубчатого колеса на составное колесо, состоящее из обоймы, в радиальных пазах которой размещены промежуточные тела, контактирующие под действием генератора с зубьями жёсткого колеса. В качестве промежуточных тел использовались разнообразные детали: плунжеры толкатели, витки змеевидной пружины, тела вращения (шарики и ролики) и др.

Рассмотрим ряд конструкций ВППТ. На рис. 1.4 представлена волновая зубчатая передача с промежуточным телом — змеевидной пружиной.

Рис. 1.4. Волновая зубчатая передача со змеевидной пружиной: а — передача в собранном виде; б — детали составного гибкого колеса.

а) б)

На рис. 1.5 показан гибкий подшипник генератора передачи [6], внутреннее кольцо которого выполняет одновременно со своей основной задачей и функцию упругого элемента, создающего упругий натяг в зацеплении промежуточных тел с зубьями жесткого колеса. Для этого к внутреннему кольцу 1 подшипника генератора через дополнительные детали противоположно друг другу крепятся две шпильки 2, которые установлены в пазы рамки 3, соединённой с входным валом передачи. Подтягивая шпильки 2 навстречу друг другу гайками 4, деформируем кольцо 1 в овал, по большой оси которого происходит зацепление промежуточных тел с зубьями жесткого колеса. Регулируя величину деформации кольца 1, достигаем изменения величины дуги зоны зацепления с центральным углом 2 в. При значении центрального угла зоны зацепления 2в> 20° и наличии двух зон зацепления достигается многопарность зацепления промежуточных тел с зубьями жёсткого колеса и упругий натяг между ними, который обеспечит компенсацию износа рабочих поверхностей на весь период эксплуатации.

Рис. 1.5. ВППТ с упругим кольцом гибкого подшипника.

Рис. 1.6. Волновая зубчатая передача с промежуточными телами качения: а — передача в собранном виде: б — жёсткое колесо и обойма с радиальными пазами.

а) б)

Использование в качестве промежуточных тел качения шариков или роликов позволяет получить высокую твердость рабочих поверхностей в точках контакта этих тел с рабочими поверхностями жёсткого колеса. На рис 1.6 представлена первая ступень редуктора привода вращения рамок карданова подвеса электромеханического исполнительного органа системы ориентации и стабилизации КА. Она представляет собой волновую зубчатую передачу с промежуточными телами качения (ВППТК).