Волновые редукторы - Reduktora.pro

Волновые передачи применяются при больших передаточных отношениях, когда требуется повышенная кинематическая точность и низкий уровень шума. Оптимальное передаточное отношение, которое зависит от материала гибкого элемента, составляет 75…320. Коэффициент полезного действия (при передаточном отношении 100) составляет 0,9.

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.

Например, при числе зубьев гибкого колеса 200, неподвижного элемента — 202 и двухволновой передаче (два выступа на генераторе волн) при вращении генератора по часовой стрелке первый зуб гибкого колеса будет входить в первую впадину жёсткого, второй — во вторую и т.д. до двухсотого зуба и двухсотой впадины. На следующем обороте первый зуб гибкого колеса войдёт в двести первую впадину, второй — в двести вторую, а третий — в первую впадину жёсткого колеса. Таким образом, за один полный оборот генератора волн гибкое колесо сместится относительно жёсткого на 2 зуба.

Механизмы волновой передачи преобразуют входное вращательное движение в выходное вращательное или поступательное движение. Благодаря вышеописанным достоинствам волновые передачи очень широко применяются в сложных условиях различных областей науки и техники.

А именно:

Описание данного типа волновой передачи можно сделать на основе мотора редуктора модели МВз2-160-5,5. Данная модель обладает сдвоенной волновой зубчатой передачей. Конструкция данного редуктора состоит из гибкого колеса, которое выполнено в виде кольца с тонкими стенками и двумя зубчатыми венцами. Кроме того, в конструкции имеется и общий для этих деталей кулачковый генератор волн, обладающий гибким подшипником.

Также у этой модели есть несколько особенностей, касающихся конструкции редуктора:

1. Размер вдоль оси вала невелик.

2. Генератор волн плавающего типа, а соединение с валом электродвигателя шарнирное.

3. На конце выходного вала этого устройства располагаются прямобочные шлицы.

Этот тип мотора-редуктора может использоваться, как индивидуальный приводной модуль.

Технические параметры для волнового мотора-редуктора — это несколько основных критериев:

Это основные параметры, которые предъявляются к волновому мотору-редуктору.

Редуктор — это механизм, который состоит из зубчатых и червячных передач, и выполнен в виде отдельного устройства. Он служит для передачи вращения от вала двигателя к валу рабочего механизма. Основное назначение редуктора – это понижение угловой скорости и, вследствие этого увеличение крутящего момента ведомого вала по отношению к ведущему. Есть несколько типов редукторов, можно купить редуктор червячный, цилиндрический редуктор, волновой редуктор, конический угловой редуктор. Все эти виды обусловлены типом передач, на которых построена работа редуктора, или по типу зубчатых колес, это относится к цилиндрическим и коническим редукторам. Кроме того, редукторы подразделяются по числу ступеней передачи, существует одноступенчатый редуктор, двухступенчатый редуктор и редукторы с большим ступенчатым числом.

Редуктор представляет собой корпус, в который помещены все элементы передачи – валы, зубчатые колеса, подшипники и остальное. Иногда в корпусе редуктора расположены устройства, которые служат для смазки зацепления и подшипников (к примеру, в корпус редуктора может быть размещен шестеренный масляный насос) или охлаждающие устройства (к примеру, змеевик с водой в корпусе червячного двухступенчатого редуктора).

Редукторы проектируются либо для привода конкретного механизма, либо можно купить редуктор, ориентируясь по заданной нагрузке и его передаточному числу без указания конкретного назначения. Так же редукторы подразделяются на горизонтальные и вертикальные, в соответствии с положением вала в пространстве.

Как и для любой другой детали, для создания редуктора необходимо проводить определенные расчеты, которые будут показывать, способно ли устройство выполнять свои функции, а также из какого материала должно выполняться устройство и т.д. Основным критерием для расчета волнового редуктора, его работоспособности, является прочность гибкого колеса. Оценить данный параметр можно при помощи сопротивления усталости зубчатого венца. Основной габаритный размер передачи — это внутренний диаметр гибкого колеса. Определяется он по приближенной зависимости сопротивления усталости с учетом нормальных напряжений.

Конструктивное исполнение – это корпус, внутри которого находятся все элементы передачи – валы, шестерни и подшипники, зубчатые колеса и другие. За счет разницы передаточных чисел сопряженных шестерен, редуктор может снижать скорость вращения выходного вала, относительно скорости входного. Благодаря этому свойству, редуктор активно используется как привод для разных двигателей и механизмов. Универсальность применения, которой обладает редуктор, предопределяет его широкое применение в промышленности.

Для работы, например, конвейера, нужны подшипники и приводные цепи, способные обеспечить движение различных транспортеров и грузовых площадок. Все конвейерные механизмы приводит в движение мотор-редуктор, представляющий собой электродвигатель, конструктивно совмещенный с центральной шестерней редуктора любого типа передачи.

Благодаря тому, что мотор-редуктор имеет простую конструкцию, он не требует постоянного технического обслуживания, а его компактные размеры позволяют закрепить на раму подъемного механизма, не занимая лишнего пространства. В редукторах высокоточного позиционирования, используются радиально-аксиальные подшипники, установленные в композитные положения, обеспечивающие плавное и бесшумное вращение вала. Редукторы разного типа устроены по-своему, их валы могут находиться как в одной плоскости, так и под углом друг к другу. От этого зависит производительность редуктора и его передаточное число.

От выбора редуктора зависит не только его надежность и производительность, но и долговечность. Ошибки при расчете в выборе редуктора могут привести к преждевременному выходу его из строя. Поэтому работу по расчету и выбору редуктора нужно по возможности доверить опытным специалистам-конструкторам, которые учтут все факторы, такие как: расположение редуктора в пространстве, условия его работы, рабочей температуры и предельного в процессе эксплуатации.

Подтвердив все это расчетами, специалист сможет подобрать оптимальный редуктор под конкретный привод. Как показывает практика, правильно подобранный тип редуктора и его передаточное число обеспечивает срок службы механизма не менее 7 лет для червячных редукторов и не меньше 15 лет для цилиндрических редукторов. Иногда нет возможности проконсультироваться у специалиста. Как посчитать передаточное число редуктора самому? Любой расчет редуктора необходимо начать с составления кинематической схемы всего привода — это позволит определить тип редуктора, который необходим для данной системы.

Передаточное число редуктора определяется по общей формуле:

где n_вх — это количество оборотов входного вала редуктора, то есть обороты электродвигателя, по числу оборотов в минуту, а n_вых— это необходимое количество оборотов выходного вала редуктора, оборотов в минуту.

Полученное передаточное число округляется до передаточного числа из типового ряда для данных типов редукторов. Необходимо помнить, что расчет передаточного числа редуктора, таким образом, является довольно приблизительным. А при выборе электродвигателя частота вращения вала всего двигателя, а, значит, и входного вала редуктора не может превышать 1500 оборотов в минуту для редукторов любого типа. Обороты электродвигателя необходимо выбирать исходя из технических характеристик самих электродвигателей и механизмов, для которых они предназначены.

Волновая передача – один из видов исполнения зубчатой, открытый в 1959 году американцем У. Массером, – стала в свое время прорывом в инженерных технологиях. Она обеспечила новый уровень точности движения рабочих механизмов техники при переходе на более плавное вращение.

Эта зубчатая передача лежит в основе работы зубчатого мотор-редуктора (что и определило второе название). Он, как и другие типы моторных редукторов, объединяет в одном блоке редукторную установку с мотором. Предназначен редуктор для преобразования движения через энергию деформации гибкого компонента (венца колеса).

Конструктивно волновая передача зубчатого мотор-редуктора включает такие части:

Все элементы соединены в едином корпусе. Пластичное колесо с зубьями наружу оснащено муфтой, которая соединяет его с 1-м выходным валом. Со 2-м тихоходным валом соединяется жесткое колесо. Генератор – устройство, которое растягивает колесо, создавая несколько точек сцепления с жестким элементом (при этом контакты вне зон сцепления полностью отсутствуют), – соединяется с быстроходным валом.

Волновая передача может быть сдвоенной, как в устройстве зубчатого мотор-редуктора серии МВз-160. Гибкий элемент этого моторного редуктора имеет форму тонкостенного кольца и оснащается 2 венцами. Генератор волн в системе – кулачкового типа. Для эффективного преобразования энергии он оснащен пластичным подшипником.

Принцип действия зубчатой передачи волнового типа:

При сравнительно небольшом сроке существования, волновые мотор-редукторы заняли свою нишу в самых разнообразных отраслях промышленности благодаря своим преимуществам, которые заключаются в следующем:

Особый принцип и специфическая конструкция определили следующие достоинства волнового мотор-редктора:

К плюсам таких редукторов относят надежность конструкции, которая позволяет работать в большом диапазоне передаточных чисел, и обоснованную цену. Недостатки тоже имеются:

Сфера обоснованного использования зубчатого мотор-редуктора довольно обширна. Этот класс редукторов используется повсеместно, где требуется особо высокая точность и предельно плавный ход механизма, а именно:

Волновые мотор-редукторы активно эксплуатируют в ракетной, перевозочной (в том числе, авиационной), машиностроительной отраслях. Они незаменимы в качестве базовых редукторов для работы оборудования в условиях агрессивных сред (химическая, фармацевтическая промышленность).

Для разных условий эксплуатации моторные редукторы могут исполняться по-разному. В частности, здесь большую роль играет способ установки системы. Доступные варианты:

Чтобы купить волновой мотор-редуктор соответствующих условиям будущей эксплуатации характеристик, необходимы точные расчеты. В случае с зубчатым мотор-редуктором ключевой (центральный) элемент программы функционального расчета – прочность гибкой втулки. Она определяется через параметр сопротивления усталости венца гибкого компонента. Расчет габаритов конструкции редуктора осуществляется через определение внутреннего диаметра внутренней же втулки (принимаются нормальные напряжения и зависимость сопротивления усталости венца колеса с их учетом).

Волновая передача — разновидность зубчатой механической передачи. Примечательна тем что в ней в одновременном зацеплении могут находиться множество зубцов, что обеспечивает высокую жесткость и малые люфты. Изобретена в 1959 году американским инженером У. Массером.

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.

Например, при числе зубьев гибкого колеса 200, неподвижного элемента — 202 и двухволновой передаче (два выступа на генераторе волн) при вращении генератора по часовой стрелке первый зуб гибкого колеса будет входить в первую впадину жёсткого, второй — во вторую и т.д. до двухсотого зуба и двухсотой впадины. На следующем обороте первый зуб гибкого колеса войдёт в двести первую впадину, второй — в двести вторую, а третий — в первую впадину жёсткого колеса. Таким образом, за один полный оборот генератора волн гибкое колесо сместится относительно жёсткого на 2 зуба.

1. Input shaft

2. Wave generator

3. Flexspline

4. Circular spline

5. Output shaft

6. Housing

Волновые передачи применяются при больших передаточных отношениях, когда требуется повышенная кинематическая точность и низкий уровень шума. Оптимальное передаточное отношение, которое зависит от материала гибкого элемента, составляет 75...320. Коэффициент полезного действия (при передаточном отношении 100) составляет 0,9.

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.

С момента создания первой зубчатой передачи прошло много лет. Многие известные инженеры приложили немало усилий для усовершенствования этого процесса и изобретения новых механизмов. Одним из таких людей стал американский инженер У. Массер, который в 1959 году изобрел волновой редуктор. Принцип работы был основан на использовании гибкого зубчатого колеса, передающего движение другой шестерне. Это изобретение позволило ускорить развитие многих отраслей промышленности, увеличить передаточное число и точность оборудования.

Устройство волнового редуктора зависит от сферы его применения. Основная цель, для которой используется этот механизм – преобразование входного вращательного движения двигателей в:

По своей конструкции они схожи с планетарными механизмами так как имеется несколько зон соприкосновения с гибким колесом. Обеспечивает одновременное соприкосновение кулачок. Он имеет несколько выступов, которые образуют волны при вращении. При этом нагрузка распределена по всем зацепляемым зубьям равномерно. При производстве волновых редукторов количество зубьев на колесах варьируется в пределах от 100 до 600.

По количеству таких зон редуктор с гибким элементом может быть:

Большее количество волн встречается крайне редко.

Волновые редукторы имеют следующий принцип работы:

1. Недеформируемое колесо с внутренними зубьями крепится в корпусе.

2. Гибкое зубчатое колесо с тонкими стенками устанавливается на генератор волн.

3. При вращении генератор волн деформирует гибкое колесо, тем самым перемещает точки соприкосновения наружной и внутренней шестерней.

Плавность хода обеспечивается тем, что на гибком колесе меньшее количество зубьев.

Среди всего многообразия устройств данного вида. наибольшее распространение получили волновые мотор-редукторы. Конструкция такого механизма состоит из электродвигателя и непосредственно самой волновой передачи.

Основные характеристики, на которые стоит обращать внимание перед покупкой:

Преимущества таких устройств перед моторами другого типа:

Основной способ смазки таких устройств заключается в стандартном подводе масла к соприкасающимся элементам. Тем не менее, в некоторых ситуациях требуются герметичные механизмы, без использования смазывающе-охлаждающей жидкости. Работа волнового редуктора фланцевого с пневмодвигателем происходит без смазки. В таком аппарате охлаждение элементов происходит при помощи сжатого воздуха.

Червячный волновой редуктор имеет два вида размещения червяка в корпусе – верхнюю и нижнюю. Применение такой механизм нашел в космической отрасли, где требуется герметичность.

Используется в конструкции космической лебедки.

Волновая зубчатая передача появилась относительно недавно, но уже успела зарекомендовать себя с положительной стороны. Она обеспечивает большую волновую деформацию, тем самым увеличивая передаточное отношение. Из достоинств также стоит выделить высокий КПД, небольшие размеры и маленький вес.

За ряд особенностей, недоступных другим механизмам такого типа, привод с волновым редуктором получил широкое распространение во многих отраслях промышленности. Такое устройство встречается:

Герметичность устройства позволяет использовать его в сложных климатических условиях, в вакууме и под водой. Устойчивость к большим нагрузкам и сложным условиям работы нашло применение для этих аппаратов в атомной энергетике и местах с возможностью взрывов и землетрясений. Точность передаваемых движений позволяет использовать их в станках с числовым программным управлением. Высокий запас прочности и длительный срок эксплуатации позволяет использовать редуктор в любом производстве, внедрить его в технологический процесс, задействовать в работе конвейера, автоматизированных систем и другом оборудовании.

Простая конструкция позволяет собрать такой механизм своими руками, но, если цели использования предполагают применение редуктора в сложном технологическом процессе, стоит приобрести профессиональное оборудование. Его стоимость окажется существенно выше, но производитель дает гарантию на оборудование и выполнение им всех поставленных задач.

Волновые редукторы имеют множество преимуществ, за которые нашли повсеместное применение. Они обладают высоким коэффициентом полезного действия, множеством вариантов передаточных чисел, небольшими размерами, высокой точностью и плавной работой движущихся элементов. Высокая стоимость таких устройств в сравнении с другими редукторами, окупается в длительном сроке эксплуатации и недорогом обслуживании.

В настоящем разделе излагается методика расчета основных параметров волновых зубчатых передач, работающих в микроклимате и вакууме.

Температурный интервал эксплуатации волновых передач от 223 К до 323 К (от – 50°С до + 50°С).

Между трущимися поверхностями зубьев жесткого и гибкого колес имеется пленка пластичной или твердой смазки.

Степень точности волнового зацепления не ниже восьмой по ГОСТ 9178-72.

Все расчеты ведутся исходя из 20°С исходного контура.

Настоящая методика не регламентирует конструкции волновых передач и их элементов.

В настоящей методике не рассматриваются вопросы точности волновых передач.

Волновая передача состоит из 3-х основных элементов – генератора волн 1, гибкого элемента 2 и жесткого колеса 3 (рис. 1).

Генератором волн волновой передачи называется элемент, создающий волну деформации в гибком элементе волновой передачи.

Планетарным генератором волн (рис. 2) называется генератор волн, имеющий собственное передаточное число.

Гибким элементом волновой передачи называется элемент в виде цилиндрической трубы или оболочки отрицательной кривизны, имеющий зубчатый венец на наружной поверхности (рис. 1, 6 ÷ 8).

Рис. 1. Малогабаритная приборная волновая зубчатая передача

Жестким колесом волновой передачи называется кольцевой элемент, имеющий на внутренней поверхности зубчатый венец, причем зубья жесткого колеса или гибкого элемента входят в зацепление под действием генератора волн (рис. 2).

Рис. 2. Поперечный разрез волновой передачи с планетарным генератором волн: 1 – планетарный генератор волн; 2 – гибкий элемент; 3 – жесткое колесо

Рис. 3. Роликовый генератор волн: 1 – ролик

Роликовым генератором волн называется такой генератор, который создает волну деформации в гибком элементе с помощью 2–х или более роликов, которые представляют собой обычные радиальные шарикоподшипники 1 (рис. 3).

Дисковым генератором волн называется такой генератор, который создает волну деформации в гибком элементе с помощью 2-х дисков 1, оси вращения которых имеют некоторый эксцентриситет (рис. 4).

Кулачковым генератором волн называется такой генератор, который создает волну деформации в гибком элементе с помощью гибкого шарикоподшипника 1, насаженного на кулачок 2 специального профиля (риc. 5).

Рис. 4. Дисковый генератор волн: 1 – диски

Рис. 5. Кулачковый генератор волн: 1 - гибкий шарикоподшипник; 2 - кулачок

Волновые передачи могут использоваться как в качестве редукторов (рис. 9), так и в качестве вводов вращения (рис. 10, 11).

Мощность на входном валике волновой передачи определяется по формулам:

где: Рвых – окружное усилие на выходном валике волновой передачи, Н; vвых – окружная скорость на выходном валике волновой передачи, м/с; Мвых – момент на выходном валике волновой передачи, Н·мм; nвых – частота вращения выходного валика передачи, об/мин; ηвых – общий к.п.д. волновой передачи.

Примечание. Ориентировочно общий к.п.д. (при малых нагрузках) может быть принят в пределах 0,4÷0,6.

Рис. 6. Жесткое крепление гибкого элемента