4.4.6. Волновые передачи

Самой «молодой» из зубчатых передач является волновая передача. Впервые такая передача была запатентована в США инженером Массером в 1959 г. и за довольно краткий срок получила широкое распространение во многих областях техники.

Волновые передачи кинематически представляют собой планетарные передачи с одним сателлитом в виде гибкого венца g (рис. 4.33). Этот гибкий венец упруго деформируется генератором волн Н (в данном случае специальным гибким подшипником l) и входит в зацепление с жестким центральным колесом b, в данном случае в двух зонах. При этом в зацепление входит много зубьев, до 50 % всех зубьев колеса, с чем связана высокая несущая способность волновой передачи. Ведь у обычных зубчатых передач в зацепление входят лишь 1 ... 2 % зубьев.

Рис. 4.33. Схема волновой передачи:

b – центральное колесо; g – венец; l – подшипник; H – генератор волн; п_H – частота вращения ведущего звена; п_g – частота вращения ведомого звена

Достоинства волновых передач

По сравнению с обычными зубчатыми передачами волновые имеют меньшие габариты и массу, даже меньшие, чем у планетарных передач на тот же передаваемый момент. Они обеспечивают высокую кинематическую точность, обладают демпфирующей способностью. Специфическим свойством волновых передач является возможность передачи вращения в герметизированное пространство прак­тически при нулевых протечках среды.

Недостатком волновых передач является малая частота вращения генератора волн, примерно в пределах 1500 ... 3500 мин^-1 при радиусах малых гибких колес от 125 до 25 мм соответственно. Поэтому мощность волновых передач, несмотря на высокие передаваемые моменты, не может быть высокой – от 0,1 до 48 кВт. Срок службы их тоже не очень высок – до 10⁴ часов; это всего около полутора лет при круглосуточной работе и втрое больше при 8-часовой смене.

Области применения

Волновые передачи способны осуществлять высокие передаточные отношения в одной ступени: например, для стальных гибких колес, от минимального примерно 60 до максимального 300. При этом КПД их достаточно велик – в режиме редуктора 80 ... 90 %, как и в планетарных передачах с тем же передаточным отношением. При работе в качестве мультипликатора КПД сильно падает.

Волновые передачи следует использовать в сервоприводах и других случаях, не требующих высоких мощностей и частот вращения. В частности, если требуется высокая компактность передачи, точность и плавность работы, а также возможность передачи вращения в герметизированное пространство. Волновые передачи, если позволяет компоновка, следует смелее использовать вместо червячных передач (см. ниже) средней мощности в сервоприводах, лебедках, мотор-редукторах с высокими передаточными отношениями и других случаях, так как первые намного компактнее и имеют несравнимо высокий КПД.

При серийном изготовлении в специализированном производстве волновые передачи дешевле планетарных, однако серийно волновые редукторы общего назначения выпускаются пока только в США и Японии.

Кинематика и конструктивные элементы

Известны зубчатые, фрикционные и винтовые волновые передачи. Преимущественное распространение получили зубчатые волновые передачи, поэтому именно их и рассмотрим. Как и в планетарных передачах, в волновых любое из ее звеньев – жесткое колесо b, гибкое g или генератор Н – может быть остановлено (закреплено, заторможено), а два других могут быть ведущим и ведомым звеньями. Генератор практически никогда не закрепляют, и ведущим звеном, как правило, является он. Если закреплено гибкое колесо, то жесткое вращается в направлении ведущего вала, а если закреплено жесткое, то гибкое вращается в противоположную сторону. Передаточное отношение волновой передачи зави­сит от разности зубьев жесткого и гибкого колес:

; (4.117)

. (4.118)

Если число волн (выступов на кулачке) генератора равно двум, то разность должна быть кратной этому числу волн, например (z_b – z_g) = 2. Тогда и . При стальных гибких колесах передаточные отношения волновых передач обычно находятся в пределах 60 ... 300; для пластмассовых, выдерживающих большие деформации, значения передаточного отношения уменьшаются до 20.

Если требуется передать вращение через герметичную стенку (одно из назначений волновых передач), то неподвижным делают гибкое колесо (рис. 4.34). Гибкий зубчатый венец здесь расположен в центре гибкого стакана, герметично соединенного с неподвижным корпусом. Такое центральное расположение венца уменьшает напряжения изгиба в стакане. Направления вращения входного и выходного вала здесь одинаковые.

Рис. 4.34. Схема волновой передачи движения из герметизированного

пространства (стрелками показано направление движения):

g – гибкое колесо (гибкий стакан с венцом); b – жесткое центральное колесо;

Н – генератор волн

Основными конструктивными элементами волновых передач являются гибкое колесо и генератор.

Гибкое колесо выполняют в виде тонкостенного стакана из стали ЗОХГСА, 40X13, 40ХНМА при Н = 280 ... 320 НВ с дробеструйным наклепом зубчатого венца.

В генераторе волн основное значение принадлежит специальному подшипнику с тонкими и гибкими кольцами, а также пластмассовому сепаратору, который удерживают от осевого перемещения.

Гибкие подшипники применяют для массового производства волновых передач.

Расчет волновых передач

Прочностной расчет волновых передач обычно сводится к расчету на усталостную прочность гибкого колеса (рис. 4.35), наиболее уязвимого в этих передачах. Расчетными размерами здесь являются d_к, b и δ, остальные назначаются по рекомендациям.

Внутренний диаметр d_к гибкого колеса – основной размер передачи – определяют с учетом действия только нормальных напряжений:

, (4.119)

где Т₁ – момент на валу гибкого колеса, Н·м;

[σ] – допускаемое напряжение ([σ] ≈ 150 ... 170 МПа);

Е – модуль упругости материала зубчатого венца;

ψ_δd = δ / d_к = 0,012…0,014 – коэффициент толщины зубчатого венца;

ψ_bd = b / d_к = 0,15…0,2 – коэффициент ширины зубчатого венца.

Рис.4.35. Геометрические параметры гибкого колеса волновой передачи

Модуль зацепления находят приближенно по формуле

. (4.120)

Полученное значение округляют до стандартного: 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 мм.

Высота зуба

h = 1,35 m. (4.121)

После определения основного размера d_к находят расчетные размеры

δ = d_к ψ_δd; b = d_к ψ_bd. (4.122)

Остальные размеры находят по рекомендациям, в частности

δ₁ ≈ δ₂ = (0,9 ... 0,6) δ; b₁ = (0,15 ... 0,25) b; d_ag = d_к + 2h + 2δ; d_fg = d_к + 2δ.

Гибкие подшипники стандартизованы. Зубья волновых передач чаще всего делают эвольвентного профиля, как наиболее технологичные. Угол исходного контура равен 20°. Поскольку зубья волновых передач достаточно мелкие и их много, их можно выполнять и трапецеидальной формы.