Волновые передачи (стр. 1 из 3)
СОДЕРЖАНИЕ
Конструкция и основные механические характеристики волновых передач. 2
Расчет волновых зубчатых передач. 6
Волновые передачи кинематически представляют собой планетарные передачи с одним из колес в виде гибкого венца. Гибкий венец 1 (рис. 1) деформируется генератором волн 3 и входит в зацепление с центральным колесом 2 в двух зонах.
Принцип волновых передач заключается в многопарности зацепления зубьев, которая определяет все положительные качества этих передач по сравнению с другими.
Волновые передачи в сравнении с обычными зубчатыми имеют меньшую массу и меньшие габариты, обеспечивают более высокую кинематическую точность, имеют меньший мертвый ход, обладают высокой демпфирующей способностью (в 4—5 раз большей, чем у обычных), работают с меньшим шумом.
При необходимости волновые передачи позволяют передавать движение в герметизированное пространство без применения сальников.
Волновые передачи позволяют осуществлять большие передаточные отношения в одной ступени; при зубчатых колесах из стали Umin= 60 (ограничивается прочностью при изгибе гибкого колеса) и Umax= 300 (ограничивается минимально допустимой величиной модуля, равной 0,2...0,15 мм). При этом КПД равен 80...90 %, как и в планетарных передачах с тем же передаточным отношением.
К недостаткам волновых передач можно отнести ограниченные частоты вращения ведущего вала генератора волн при больших диаметрах колес (во избежание больших окружных скоростей генератора), мелкие модули зубчатых колес (0,15... 2 мм). При серийном изготовлении в специализированном производстве волновые передачи дешевле планетарных. Крутильная жесткость волновых передач несколько меньше простых зубчатых, но обычно является достаточной.
На рис. 1 гибкий венец 1 нарезан на деформируемом конце тонкой цилиндрической оболочки 5, другой конец которой через тонкое дно соединяется с выходным валом 4.
Генератор волн 3 состоит из овального кулачка соответствующего профиля и специального шарикоподшипника 6 с гибкими кольцами. Иногда выполняют генератор волн в виде двух дисков (роликов), расположенных на валу или в виде четырех роликов. Сборку зацепления можно осуществить только после деформации гибкого колеса.
На концах большой оси вала зубья зацепляются по всей высоте, на малой оси зубья не зацепляются. Между этими участками зубья гибкого колеса погружены во впадины жесткого колеса на разную глубину. Зацепление напоминает шлицевое соединение.
При вращении генератора волн гибкий зубчатый венец обкатывается по неподвижному колесу, вращая оболочку и вал. Радиальные перемещения w гибкого колеса по окружности имеют два максимума и два минимума, т. е. две волны. Поэтому передачу называют двухволновой. Возможны трехволновые передачи, но их применяют редко, так как в трехволновой передаче выше напряжения изгиба в гибком колесе.
Если оболочка неподвижно соединена с корпусом, то вращение от генератора передается жесткому колесу с внутренними зубьями. В схеме (рис. 2) для передачи движения в герметизированное пространство гибкое колесо имеет зубчатый венец, расположенный в середине удлиненного цилиндрического стакана, левый фланец которого герметично соединен с корпусом. Вращение передается от генератора волн к жесткому колесу г2, выполненному в виде стакана, охватывающего часть гибкого колеса.
Передачи (см. рис. 1) могут работать в качестве редуктора (КПД 80... 90 %) и мультипликатора (КПД 60... 70 %). В первом случае ведущим звеном является генератор волн, во втором — вал гибкого или жесткого колеса.
Передаточное отношение волновых передач определяется так же, как и для планетарных, по уравнению Виллиса.
При неподвижном жестком колесе 2 (см. рис. 1)
знак минус указывает на разные направления вращения ведущего и ведомого звеньев.
При неподвижном гибком колесе (см. рис. 2)
где n0, n1 (n2) — частоты вращения ведущего и ведомых звеньев; z1, z2 — числа зубьев колес гибкого и жесткого соответственно.
Разность зубьев колес должна быть равна или кратна числу волн, т. е.
где 
— число волн, обычно равное 2; 
— коэффициент кратности, обычно равный единице; при u< 45 = 3; при u< 45 = 3.Необходимое максимальное радиальное перемещение
при отсутствии боковых зазоров должно равняться полуразности диаметров начальных окружностей: 
Для эвольвентного зацепления диаметры начальных окружностей можно выразить через диаметры делительных окружностей:
Тогда
где т — модуль зацепления; а и аw — углы профиля исходного контура и зацепления.
Следовательно, величина максимального упругого перемещения равна межосевому расстоянию обычной передачи внутреннего зацепления.
Если зубчатые венцы нарезаны без смещения производящего исходного контура (х1 = х2 = 0) или с одинаковыми смещениями (для внутреннего зацепления x1 = х2), то а = аwи
Для двухволновой передачи
Минимально допустимое радиальное упругое перемещение
. При α = 20° относительное радиальное перемещение 
, при α = 30° 
.Чем меньше передатoчное отношение в одной ступени, тем больше потребная величина
: 
Применяют также волновую передачу с двумя зубчатыми венцами на гибкой оболочке (как кинематическую. В этом случае передаточные отношения u = 3600...90 000, КПД 2...5%.
В качестве наглядной иллюстрации рассмотрим одну конкретную модель волнового редуктора, использующегося в практических целях.
Конструкция волнового зубчатого редуктора, разработанная фирмой USМ (США), показана на рис. 3. Генератор волн, включающий кулачок 7 овальной формы и шарикоподшипник 6 с гибкими кольцами, посажен на быстроходный вал 1 на привулканизированной резиновой прокладке 8. Генератор волн деформирует зубчатый венец 4 гибкого колеса, выполненного в виде цилиндрической оболочки и соединенного сваркой с тихоходным валом 9. Жесткое колесо 5 выполнено заодно с корпусом. Крышка 3 выполнена с радиальными ребрами, которые охлаждаются потоком воздуха от вентилятора 2.
Для нормальной работы передачи требуется высокая степень соосности генератора волн, гибкого и жесткого колес. Резиновая прокладка 8 до некоторой степени компенсирует несоосность.
В США, Японии налажено серийное производство волновых редукторов общего назначения.
Разработан стандартный ряд редукторов в СССР. Стандартный ряд содержит 11 типоразмеров (диаметры делительных окружностей гибкого элемента находятся в диапазоне 50,8—508 мм). В каждом типоразмере редукторы имеют четыре или в среднем диапазоне (80—320 мм) семь передаточных отношений, получаемых за счет изменения модуля и числа зубьев.
Максимальная частота вращения генератора волн с шарикоподшипником 3500 мин-1 для диаметров гибких колес 50,8...203 мм и 1750 мин-1 для диаметров 254...407 мм. Частота вращения ограничивается температурой нагрева и работоспособностью подшипника генератора волн.
Диапазон передаваемых вращающих моментов 30...30 000 Н-м, мощностей 0,095..,48 кВт.
В нашей стране разработаны и испытаны редукторы с передаваемым моментом 150 000 Н-м.
Расчет волновых зубчатых передач
Расчет волновых зубчатых передач отличается от расчета обычных зубчатых передач тем, что учитывает изменения первоначальной формы зубчатых венцов и генератора волн от упругих деформаций.
Экспериментальные исследования показывают, что волновые передачи становятся неработоспособными по следующим причинам.
1. Разрушение подшипников генератора волн от нагрузки в зацеплении или из-за значительного повышения температуры.
Повышение температуры может вызвать недопустимое уменьшение зазора между генератором и гибким зубчатым венцом. Номинальный зазор на диаметр примерно равен 0,00015 диаметра оболочки. Возрастание нагрузки и температуры в некоторых случаях связано с интерференцией вершин зубьев на входе в зацепление, появляющейся при больших изменениях первоначальной формы генератора волн, гибкого и жесткого зубчатых венцов.