Волновые зубчатые передачи

Принцип работы волновой передачи аналогичен работе планетарной передачи с внутренним зацеплением и деформируемым сателлитом (рис.99).

Рис. 99. Волновая передача.

1-входной вал; 2- генератор волн; 3- гибкое колесо; 4- жёсткое колесо;

5- выходной вал.

Такая передача была запатентована американским инженером Массером в 1959 г. Волновой называют механическую передачу, в которой враще­ние передают за счет перемещения зоны деформации упругого гиб­кого звена.

Основными элементами передачи являются (рис. 100, а - в):

1. - гибкое колесо, представляющее собой тонкостенную обо­лочку в виде цилиндра с дном, соединенное с валом;

2. - жесткое колесо, соединенное с корпусом;

h - генератор волн в виде двух роликов большого диаметра, расположенных на водиле, соединенный с быстроходным валом.

На практике встречаются и другие конструктивные исполнения основных элементов.

Рис. 100.

Устанавливая генератор А, деформируют гибкое колесо 7, при­давая ему форму эллипса (рис. 100, б). Силовое взаимодействие де­талей волновой передачи происходит в точках контакта на большой оси эллипса. Генератор прижимает гибкое колесо к жесткому с си­лой, достаточной для передачи нагрузки силами трения. При непод­вижном жестком колесе вращение генератора вызывает обкатывание гибкого колеса по жесткому и вращение его в противоположном вращению генератора направлении. Механические волновые передачи могут быть фрикцион­ными и зубчатыми. Идея волновых передач заключается в наличии нескольких пар зацепления, которые ещё и перемещаются по окружности, за счёт чего достигается огромное передаточное отношение (обычно u = 60  300, известны конструкции с u > 1000). И это в одной ступени!

Волновые передачи имеют меньшие массу и габариты, большую кинематическую точность, меньший мёртвый ход, высокую вибропрочность за счёт демпфирования (рассеяния энергии) колебаний, создают меньший шум.

При необходимости такие передачи позволяют передавать движение в герметичное пространство без применения уплотняющих сальников, что особенно ценно для авиационной, космической и подводной техники, а также для машин химической промышленности.

К недостаткам волновых передач относятся:

• ограниченные обороты ведущего вала (во избежание больших центробежных сил инерции некруглого генератора волн);

• мелкие модули зубьев (1,5 – 2 мм);

• практически индивидуальное, дорогостоящее, весьма трудоёмкое изготовление гибкого колеса и генератора.

Основные виды поломок волновых передач:

• разрушение подшипника генератора волн от нагрузки в зацеплении;

• проскакивание генератора волн при больших вращающих моментах, когда зубья на входе в зацепление упираются друг в друга вершинами;

• поломка гибкого колеса от трещин усталости (особенно при U < 80);

• износ зубьев на концах;

• пластические деформации боковых поверхностей зубьев при перегрузках.

Расчёт волновых зубчатых передач отличается от расчёта обычных зубчатых передач тем, что учитывается деформация гибкого венца и генератора.

За критерий работоспособности обычно принимают допускаемые напряжения смятия

;

,

где _d – коэффициент ширины гибкого венца; d – делительный диаметр гибкого венца.

Передаточное отношение в волновой передаче равно отношению радиуса ведомого колеса к разности радиусов жесткого и гибкого колес или к размеру деформирования W₀.

Отсюда следует, что большие значения передаточного отноше­ния и могут быть достигнуты при малых значениях W_q, т.е. при мел­ких модулях т. Меньшим значениям и соответствуют большие раз­меры деформирования W₀, при которых значительно возрастает кри­визна гибкого колеса в зоне зацепления и, следовательно, напряже­ния изгиба.

Допускаемый диапазон передаточных отношений волновой пе­редачи:

70 < u<320.

Меньшие значения и ограничены прочностью гибкого колеса по напряжениям изгиба, большие минимальными значениями модуля (m > 0,15 мм).

Достоинства волновых передач.

1. Возможность получения большого передаточного отноше­ния в одной ступени при сравнительно высоком КПД. Для одной ступени и до 320 при КПД: г| = 0,7 ... 0,9. 2. Способность передавать большие вращающие моменты при малых габаритах и массе, так как в зацеплении одновременно находится большое число зубьев. 3. Плавность работы, малая кинематическая погрешность вследствие двухзонности и многопарности зацепления. 4. Возможность переда­чи вращения из герметизированного пространства без применения уплотнения вращающихся деталей. 5. Малые нагрузки на валы и опоры вследствие симметричности конструкции. 6. Работа с мень­шим шумом.

Недостатки. 1. Сложность изготовления тонкостенного гибкого колеса и генератора волн. 2. При необходимости применения мелких модулей требуется специальное зубодолбежное оборудование. 3. Ограниченные частоты вращения генератора волн, возникновение вибрации.

Применение. Волновые передачи применяют в промышленных роботах и манипуляторах, в механизмах с большим передаточным отношением, а также в устройствах с повышенными требованиями к кинематической точности или к герметичности.