Расчёт волнового редуктора. Привод шлагбаума ША-8N

Устройство волнового редуктора

В состав волнового редуктора входят три основных части: генератор волны, жёсткое колесо и гибкое колесо. Генератор волны в самом распространённом варианте выполняется в виде шарикоподшипника с тонкими гибкими стенками. Он устанавливается на эллиптическую втулку, и сам принимает форму эллипса. Сборка из этих двух деталей и является генератором волны. Гибкое колесо – это деталь специфическая для волнового редуктора. Оно представляет собой тонкостенное зубчатое колесо с наружным зубом. Основная рабочая поверхность этого колеса имеет форму цилиндра. Материал и толщина гибкого колеса подобраны так, чтобы оно могло постоянно испытывать упругие деформации, не теряя своих свойств. Конструкция жёсткого колеса проще чем других частей волнового редуктора. Это обычное зубчатое колесо с внутренним зубом. Его размеры подобраны так чтобы обеспечивать достаточно большую жёсткость при рабочих нагрузках.

При сборке волнового редуктора гибкое колесо устанавливают на генератор волны, в результате чего оно тоже принимает эллиптическую форму. Далее на гибкое колесо устанавливается жёсткое колесо. Поскольку гибкое колесо в процессе сборки приняло эллиптическую форму, то его зацепление с жёстким колесом происходит только на двух участках. Расположены они вдоль большой полуоси генератора волны и в сумме занимают около 40% окружности. За пределами этих участков зацепления зубьев жёсткого и гибкого колеса не происходит. Гибкое колесо имеет меньше зубьев чем жёсткое колесо. Чаще всего эта разница составляет 2 зуба, однако есть другие варианты конструкции волновых редукторов, где эта разница больше.

Волновые редукторы

Волновые зубчатые мотор-редукторы

Волновые редукторы построены с использованием гибкого колеса (гибкий зубчатый венец), который установлен в генераторе волн. Техническая сложность исполнения гибкого колеса, через которое передается значительное усилие, является высокой, поэтому волновая передача запатентована только в 1958 году. Она сразу нашла применение в системах, где не требуется высокий крутящий момент, но необходима плавность движения. Основные перспективы использования волновых редукторов — промышленные манипуляторы, сборочные роботы, станки с ЧПУ.
Редукторная схема привода манипуляторов проще и надежнее гидравлической. В манипуляторах уместно использовать так называемые волновые мотор-редукторы, где электродвигатель совмещен в одном корпусе с шестернями. Данное решение обеспечивает экономию материалов и более низкую стоимость оборудования при сохранении технических характеристик. Возможно исполнение с маслонаполненным картером, когда оно используется не только для смазки, но и для охлаждения шестерен и обмоток.

Волновые зубчатые мотор-редукторы используются там, где требуется очень низкая скорость вращения на выходном валу. У них тоже обеспечена соосность входного и выходного вала, что очень удобно при проектировании станков. При этом, волновая схема позволяет достичь передаточного отношения 1:100 или 1:300 с минимально возможным числом деталей. Это недоступно для других типов редукторов, в том числе и планетарных. Большое передаточное отношение — идеальный вариант для высокоскоростных электродвигателей. Такой привод смещает побочный шум и вибрацию в более высокочастотную область, от которой проще сделать шума и виброизоляцию.

Число передаточных отношений для волновых редукторов ограничено диапазоном 80-400. Если передаточное отношение сделать менее 80, то деформации гибкого колеса будут слишком велики за один оборот, и оно не прослужит долго. Если, наоборот, передаточное отношение сделать слишком большим, то возможен проскок зубьев колес при очень большом их диаметре. Нижний предел можно понизить до значения менее 80, если вместо металлических гибких колес использовать пластиковые.

Принцип действия волновых редукторов

Если в обычном редукторе, например, классическом цилиндрическом, работают все зубья шестерен за цикл, то в волновом только два-три зубца рабочего колеса. Генератор волн выводит зубья гибкой шестерни из зацепления с ободом. За полный оборот генератора волны, гибкое колесо провернется на 1/50 при числе зубцов 200 и зацеплении 4 зубца. Таким образом, даже очень компактный волновой редуктор легко сделать с передаточным отношением 1:100. КПД — 90%. Именно такие качества необходимы для привода промышленных манипуляторов. Волновой редуктор содержит три основных элемента:

• гибкое колесо;
• жесткое колесо;
• генератор волн.

Главным недостатком волновой передачи является недолговечность гибкого элемента. Он должен совершать один цикл сгиба за один оборот колеса. Для гибкого элемента используется специальная конструкция из композитных материалов. Зубчатый венец делается из материалов с высокой износостойкостью — металл, специальные полимеры.

Гибкая основа — из металлополимерного композита. Она выдерживает миллионы оборотов. Использование унифицированных моделей позволяет легко подбирать запчасти и сократить время простоя оборудования под ремонтом.

Гибкое колесо является наиболее сложным в проектировании элементом. Используются системы компьютерного проектирования, так как необходимо решить сразу две противоположенные задачи: обеспечить устойчивость к многократным сгибам и обеспечить достаточную прочность и твердость зубцов шестерни.

Генератор волн

Деформация гибкого зубчатого венца обеспечивается генератором волн в виде двух лопастей с роликовым устройством скольжения по внутренней поверхности венца. Роликовый генератор волн прост, надежен и имеет минимальное количество элементов. Возможны различные схемы в виде одно- двух- и трех волнового генератора. Для снижения потерь в волновой передаче применяют несколько технологических приемов:

• увеличение диаметра зубчатых венцов;
• уменьшение размеров зубьев, чтобы за одну волну в зацеплении участвовало 30-70 и более зубьев;
• уменьшение степени деформации венца;
• увеличение зоны контакта роликов с венцом (увеличение ширины гибкого венца);
• частичное заполнение редуктора маслом.

Генератор волн обеспечивает полный ввод зубьев в зону зацепления и полный выход зубьев из зацепления за пол-оборота (для двух волновой схемы). Двух волновая схема обеспечивает преимущество — симметричность конструкции генератора волн, в результате чего, не требуется использование противовесов, а редуктор получает возможность работать на высоких скоростях вращения. В серийно выпускаемых волновых редукторах применяются несколько вариантов конструктивного исполнения генератора волн.

1. Кулачковый генератор.
2. Генератор фиксированной волны.
3. Дисковые генераторы.

Дисковая схема не требует специального подшипника. Она является самой распространенной. Двух волновой генератор имеет три диска. Специальные противовесы ему не требуются. Конструктивно необходимое для волнового редуктора уменьшение зубьев не приводит к снижению допустимого крутящего момента на выходном валу. Именно за счет деформации гибкого колеса в зацеплении участвует 10-40 раз большее количество зубьев, чем для жесткой шестерни аналогичного диаметра. Количество зубьев, входящих в зацепление, возрастает при приложении нагрузки. Например, для стандартных гибких колес на 200 зубцов, в зацепление входит до 40 зубьев с каждой стороны волны сформированной генератором, так что общее число их возрастает до 80-и. В обычной же шестерне на 200 зубьев в одновременном зацеплении находятся только 2-4 зуба.

Благодаря перечисленным качествам волновые редукторы широко используются в производстве. Любые модели вы можете заказать у нашей компании.

Принцип работы

По мере поворота генератора волны, зубья гибкого и жёсткого колёс поочерёдно начинают входить в зацепление. Участки зацепления зубьев в результате начинают смещаться в том же направлении в котором вращается генератор волны. Как только генератор волны совершит полный оборот, гибкое и жёсткое колесо окажутся смещены друг относительно друга на те самые 2 зуба, которые составляют разницу в количестве зубьев между этими колёсами. Это означает что гибкое и жёсткое колеса повернулись друг относительно друга со скоростью, существенно меньшей чем скорость с которой вращался генератор волны. Генератор волны вращаясь достаточно быстро позволяет получить сравнительно медленное вращение гибкого колеса относительно жёсткого – то есть механизм работает как редуктор. Коэффициент редукции такого волнового редуктора зависит от разницы зубьев между гибким и жёстким кольцом, а также от количества зубьев у жёсткого кольца.

Волновая зубчатая передача [ править | править код ]

Принцип действия [ править | править код ]

Состоит из жёсткого неподвижного элемента — зубчатого колеса с внутренними зубьями, неподвижного относительно корпуса передачи; гибкого элемента — тонкостенного упругого зубчатого колеса с наружными зубьями, соединённого с выходным валом; генератора волн — кулачка, эксцентрика или другого механизма, растягивающего гибкий элемент до образования в двух (или более) точках пар зацепления с неподвижным элементом. Число зубьев гибкого колеса несколько меньше числа зубьев неподвижного элемента. Число волн деформации равно числу выступов на генераторе. В вершинах волн зубья гибкого колеса полностью входят в зацепление с зубьями жёсткого, а во впадинах волн — полностью выходят из зацепления. Линейная скорость волн деформации соответствует скорости вершин выступов на генераторе, то есть в гибком элементе существуют бегущие волны с известной линейной скоростью. Разница чисел зубьев жёсткого и гибкого колёс обычно равна (реже кратна) числу волн деформации.

Варианты включения

Когда волновой редуктор используется так как показано выше, то генератор волны используется как вход, гибкое колесо – это выход, а жёсткое колесо остаётся неподвижным. Волновой редуктор можно использовать и по-другому, если зафиксировать не жёсткое колесо, а генератор волны или гибкое колесо; входом и выходом в таком случае могут быть из двух оставшихся элементов редуктора. При различных вариантах включения волновая передача может быть использована как для понижения скорости, так и для её повышения. Передаточное число редуктора при этом также изменится. Может измениться и направление вращения выходного элемента относительно входного.

У волнового редуктора можно приводить во вращение все три элемента. Редуктор при этом будет иметь два входа и один выход или один вход и два выхода. Это позволяет использовать волновой редуктор как дифференциал, складывая скорости вращения на разных валах, или раскладывая вращение на два разных вала.

Варианты исполнения компактных волновых редукторов

За время, прошедшее с момента изобретения волнового редуктора, было придумано много вариантов его конструкции. И вариант, когда шарикоподшипник эллиптической формы используется как генератор волны, не исчерпывает всех возможных вариантов конструкции. Существуют и другие варианты. Например, генератор волны может быть выполнен в виде коромысла с роликами на его концах. Или в виде планетарных шестерён, установленных на водило, которые зацепляются с зубьями, сделанными с внутренней стороны гибкого колеса. Помимо этого, генератор волны может быть выполнен в виде детали более сложной формы, создающей на гибком кольце 3 или 4 зоны зацепления (вместо двух зон в самом простом случае).

Гибкое колесо также может иметь разную форму. На практике чаще всего встречаются три формы: «кастрюля», «шляпа» и цилиндр. Отличия между ними заключаются в удобстве использования.

Основные отличия волнового редуктора

• Большое передаточное число для одноступенчатого редуктора: до 320:1 в серийно выпускаемых изделиях
• Большое количество зубьев, которые находятся в одновременном зацеплении
• Высокая точность
• Большой момент нагрузки в расчёте на единицу объёма или на единицу массы
• Отсутствие маленьких передаточных чисел (менее 30:1)
• Простая конструкция
• Высокая надёжность
• Простая передача вращения в другую среду
• Полый вал
• Жёсткость на скручивание ограничена
• Короткая осевая длина

Практические преимущества волновых редукторов

Отличительные особенности волновых редукторов выступают как преимущества в ряде отраслей, получивших в настоящее время большое развитие. В качестве примера можно назвать робототехнику (классические промышленные роботы, коллаборативные роботы, а также человекоподобные роботы) и медицинская техника (хирургические роботы, медицинские сканирующие установки и экзоскелеты). Короткая длина вдоль оси, возможность получить большой крутящий момент в компактных размерах, а также полый вал позволяют обеспечить компактные размеры всех звеньев робота, а высокая точность редукторов позволяет достичь хорошей точности всего робота.

В других отраслях, где готовые изделия должны работать в условиях агрессивных сред (например, вакуум, радиоактивное излучение, особо высокие или особо низкие температуры также часто применяются волновые редукторы. Здесь востребован высокий удельный момент, позволяющий обеспечить компактность конструкции, возможность просто передавать вращение в агрессивную среду без дополнительных уплотнений и хорошие показатели надёжности, обусловленные простой конструкцией.

Применение [ править | править код ]

Волновые передачи применяют в авиационной и космической технике, в промышленных роботах и манипуляторах, в приводах грузоподъёмных машин, станков, конвейеров и др.

Существуют герметичные волновые передачи, передающие вращение в герметизированной полости, находящейся в химически агрессивной или радиоактивной среде, или в глубоком вакууме, а также существуют конструкции, служащие приводами герметических вентилей.

Применялся на лунном автомобиле, использовавшемся в ходе лунных экспедиций «Аполлон-15», «Аполлон-16» и «Аполлон-17» в начале 1970-х годов.