3. Волновые передачи

3.1. Общие сведения

Волновой передачей называется механизм, содержащий контактирующие между собой гибкое и жесткие звенья и обеспечивающий передачу движения за счет бегущей волновой деформации гибкого звена.

Существуют фрикцион­ные, зубчатые и винтовые волновые передачи. Наиболее распространены зубчатые волновые передачи.

Волновые зубчатые передачи кинематически представляют собой планетарные передачи с одним гибким зубчатым колесом.

Наиболее распространенная волновая передача (рис. 3.1) состоит из водила Н, вращающегося гибкого колеса 1 с наружными зубьями и неподвижного жесткого колеса 2 с внутренними зубьями.

А А-А

Рис. 3.1. Волновая передача

Водило, являющееся генератором волн, состоит из овального кулачка и специального (гибкого за счет тонкостенных колец) шарикоподшипника. Такой подшипник допускает радиальную деформацию колец, соизмеримую с их толщиной, и обеспечивает передачу вращательного движения при деформированных кольцах. Кулачковый генератор лучше других со­храняет заданную форму деформирования под нагрузкой.

Неподвижное колесо закрепляется в корпусе и представляет собой обычное зубчатое колесо с внутренним зацеплением.

Гибкое зубчатое колесо выполнено в виде стакана с тонкой легко деформирующейся стенкой. В левой части стенки нарезаются зубья, правая часть повторяет форму вала. Длина стакана колеса приблизительно равна его диаметру. Жесткое зубчатое колесо соединено с корпусом. Зубья колес чаще всего эвольвентные.

Делительный диаметр d₁ гибкого колеса меньше делительного диаметра d₂ жесткого колеса на величину d₂ – d₁ = 2W₀.

Размер овала подшипника качения водила по большой оси больше внутреннего диаметра обода гибкого колеса на величину 2W₀.

При сборке в круглое гибкое колесо вставляют генератор волн, придающий колесу овальную форму (при этом как бы образуются два сателлита, связанные гибкой стенкой стакана), и вводят в зацепление с жест­ким колесом. В направлении большой оси эллипса зацепление зубьев гибкого колеса с зубьями жесткого колеса происходит по всей рабочей высоте зуба, в направлении малой оси эллипса зубья не зацепляются. Происходит это следующим образом: при деформировании гибкого колеса гене­ратором волн зубья гибкого колеса под действием радиальных сил F_r пе­ремещаются по радиусу и входят в зацепление с зубьями жесткого колеса в направлении большой оси эллипса. При переходе от большой оси к малой зубья гибкого колеса вследствие его деформации постепенно пере­мещаются к центру и выходят из зацепления с зубьями жесткого ко­леса. Между этими зонами зубья гибкого колеса погружены во впадины жесткого на разную глубину.

В одновременном зацеплении нахо­дится большое число зубьев: 25–40 % от числа зубьев гибкого ко­леса. Даже при небольшой нагрузке на каждый зуб передача может передавать значительный вращающий момент.

Передача движения в передаче обусловлена, таким образом, деформированием зубчатого венца гибкого колеса: при вращении водила волна деформации бежит по окружности гибкого зубчатого венца и при этом венец обкатывается по неподвижному жесткому колесу в обратном направлении, вращая стакан и вал. Принцип действия определил название передачи – волновая, а водило называют волновым генератором.

При движении водила овальной формы образуются две волны – такая передача называется двухволновой. Существуют также трехволновые передачи (применяют при необходимости большого передаточного отношения. Их недостаток – большие напряжения изгиба в гибком колесе).

Достоинства.

Многопарность зацепления (в зацеплении могут находится до 40 % всех зубьев) определяет положительные качества этих передач:

• большие передаточные отношения в одной ступени: минимальное – 70 (ограничивается изгибной прочностью гибкого зубчатого венца), максимальное – 300…320 (ограничивается минимально допустимой величиной модуля, равной 0,15…0,2 мм). КПД при этом равен 78…85 % (как и в планетарных передачах при тех же передаточных отношениях). В режиме мультипликатора КПД равен 55…65 %;

• способность передавать большие вращающие моменты;

• высокая кинематическая точность передач, плавность работы;

• возможность передавать вращение "через стенку": из герметизированного пространства в вакуум без применения подвижных уплотнений вращающихся деталей (что важно в химической, авиационной промышленности и др.);

• малые нагрузки на валы и опоры за счет симметричности конструкции;

• компактность и малая масса;

• невысокий уровень шума при работе.

К недостаткам волновых передач относят:

• при применении мелких модулей зацепления (0,15…0,2 мм) требуется специальное зубодолбежное оборудование;

• сложность изготовления гибких тонкостенных колес и волнового генератора;

• ограничение частот вращения генератора из-за возникновения вибраций.

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.

Существует много разновидностей волновых передач (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Кинематические схемы некоторых волновых зубчатых передач

На (рис. 3.2, а) изображена передача, в которой закреплено жесткое колесо z₂ и вращение передается от h к z₁ .

На (рис. 3.2, б, в) ведущим звеном передач является генератор волн h, ведомым – жесткое колесо z₂ , колесо z₁ неподвижно. Схема (рис. 3.2, в) используется для передачи движения из герметизированного пространства к жесткому колесу z₂ через неподвижное гибкое колесо z₁.

Волновые передачи применяется в космической и вакуумной технике в качестве редукторов, дифференциалов и вариаторов скорости.

Передачу с коротким гибким колесом (рис. 3.2, г) чаще используют при z_1м = z_2м = z₁, используя зацепление z_1м = z_2м как подвижное шлицевое соединение. Передаточные отношения передач для схем на рис. 2.2, а, б, в лежат в пределах 70 ≤ и≤ 320, КПД в пределах от 0,75 до 0,85. Передаточное отношение передачи для схемы на рис. 3.2, г лежит в пределах от 0,7 до 0,8.