Востребованность волновых редукторов
На современном этапе развития техники многие страны оказывают существенную финансовую и научную поддержку разработке интеллектуального и прецизионного оборудования, используемого в робототехнике, аэрокосмической отрасли, станко- и автомобилестроении, в производстве медицинского оборудования и других отраслях промышленности. Быстрое развитие приборостроения и систем управления характеризуется повышением требований к точностным характеристикам выходных параметров передаточных механизмов, уменьшением массогабаритных показателей, увеличением долговечности и надежности работы.
Основное назначение передаточного механизма — повышение скорости или крутящего момента источника механической энергии. Для реализации требуемых выходных характеристик рабочего органа и исходя из условий размещения в качестве передаточного механизма зачастую целесообразно применять современные высокоточные редукторы (ВТР), чей принцип действия основан на волновой передаче. Одним из самых распространенных типов высокоточных редукторов являются волновые редукторы, более 65 лет назад впервые массово выведенные на рынок компанией Harmonic Drive.
Волновые редукторы находят применение в отраслях, где существуют требования к повышенной точности в сравнении с другими конкурирующими технологиями, например планетарно-цевочными, планетарными. Так, по сравнению с циклоидальными (планетарно-цевочными) редукторами главным преимуществом здесь будет срок работы от 10 000 ч у волнового редуктора против 6000 ч у циклоидального. Кроме того, волновой редуктор имеет меньший люфт и более высокую точность позиционирования, но циклоидальный редуктор может иметь несколько ступеней, в то время как волновой только одну.
Конструкция и принцип работы волновых редукторов
Классическая конструкция волновой зубчатой передачи включает три основных элемента (рис. 2): генератор волны, гибкое кольцо (колесо) и жесткое кольцо (колесо). Конструктивно генератор волны является тонкостенным шарикоподшипником, который напрессован на эллиптическую втулку. Гибкое кольцо представляет собой тонкостенное зубчатое колесо с внешним зацеплением. Во время сборки генератор волны устанавливается внутрь колеса, при этом оно деформируется, принимая его форму. Жесткое колесо — это зубчатое кольцо с внутренним зацеплением. Количество зубьев жесткого колеса преимущественно на два меньше, чем у гибкого колеса (реже изготавливают кольца с разницей в четыре зуба). При сборке волнового редуктора гибкое колесо, установленное на генератор волны, помещается внутрь жесткого колеса. Зацепление жесткого колеса с гибким осуществляется в двух зонах, расположенных на большой полуоси генератора волны.
Установочный комплект HMCG-I
По мере поворота генератора волны зоны зацепления зубьев смещаются по окружности жесткого колеса. Из-за различия в числе зубьев на гибком и жестком колесе при повороте генератора волны на 360° гибкое колесо смещается относительно жесткого, при этом величина смещения соответствует разнице в числе зубьев обоих колес.
Принцип работы волнового редуктора
Если жесткое колесо неподвижно, то при быстром вращении генератора волны гибкое колесо вращается медленно. Устройство в этом случае является понижающим редуктором: генератор волны служит входом, гибкое колесо — выходом, а жесткое колесо — корпусом. При изменении элементов волнового редуктора, используемых в качестве входного и выходного элемента, устройство может работать как повышающий редуктор, либо можно поменять направление вращения выхода относительно входа. Третий элемент волнового редуктора не обязательно должен оставаться неподвижным. Если он также приводится во вращение, устройство работает в качестве дифференциального редуктора. Особенности конструкции волнового редуктора обеспечивают практически полное отсутствие люфта, что позволяет им находить применение в различных областях техники, требующих точной передачи вращения.
По конструкции волновые редукторы можно разделить на две группы. Первая группа включает в себя установочные комплекты волновых редукторов, которые содержат три основные детали редуктора, подогнанные друг к другу для дальнейшей сборки, но не являющиеся единым изделием. Эта группа не предусматривает наличие подшипников, что позволяет при встраивании редуктора в конечное изделие подобрать и установить самые оптимальные варианты для конкретных условий эксплуатации. Такая возможность дает преимущество в том случае, когда стандартные подшипники готовых редукторов не подходят по каким-то параметрам (например, габариты, грузоподъемность и т. д.). Вал (полый либо сплошной) как элемент конструкции в такой комплектации отсутствует. Данная конструкция обеспечивает некую гибкость при проектировании и позволяет оптимально состыковать волновой редуктор с остальными элементами системы. Также использование установочного комплекта позволяет улучшить массогабаритные характеристики, поскольку интеграция редуктора происходит на компонентном уровне и предоставляет возможность использовать собственное корпусирование как часть корпуса редуктора. Установочные комплекты тоже можно разделить по форме гибкого колеса на три вида: чашеобразное гибкое колесо (cup type), шляпообразное (hat type), чашеобразное с малой осевой длиной. В последнем случае ступень редуктора будет иметь осевую длину 11 мм (в 14 габаритном размере).
Редуктор серии HMHG-I
Ко второй группе относятся готовые к монтажу (корпусированные) волновые редукторы. Данная группа редукторов представляет собой полностью собранные изделия с подшипниками, фланцами, валами и другими элементами корпуса. Главное преимущество использования готового редуктора — простота сборки, поскольку здесь не требуется корпусирование, как в случае с установочным комплектом, и обеспечение герметичности внутренних элементов. Данные изделия имеют различные исполнения: с полым валом или без него (сплошным), также предусмотрены «плоские» исполнения. Гибкость проектирования уменьшается, но за счет большого количества вариантов и возможных доработок остается на высоте. В качестве отличительных особенностей данных редукторов производители указывают:
- высокоточность передачи, повторяемость составляет 1 угловую минуту, а люфт не превышает 10 угловых секунд;
- стандартизированные соединения с нагрузкой;
- высокий крутящий момент, в 2 раза превышающий обычный эвольвентный гармонический привод;
- изготовление с использованием высококачественного материала и специальной технологии для увеличения срока службы;
- низкий уровень шума, плавность, безопасность и надежность.
Устройство волнового редуктора
В состав волнового редуктора входят три основных части: генератор волны, жёсткое колесо и гибкое колесо. Генератор волны в самом распространённом варианте выполняется в виде шарикоподшипника с тонкими гибкими стенками. Он устанавливается на эллиптическую втулку, и сам принимает форму эллипса. Сборка из этих двух деталей и является генератором волны. Гибкое колесо – это деталь специфическая для волнового редуктора. Оно представляет собой тонкостенное зубчатое колесо с наружным зубом. Основная рабочая поверхность этого колеса имеет форму цилиндра. Материал и толщина гибкого колеса подобраны так, чтобы оно могло постоянно испытывать упругие деформации, не теряя своих свойств. Конструкция жёсткого колеса проще чем других частей волнового редуктора. Это обычное зубчатое колесо с внутренним зубом. Его размеры подобраны так чтобы обеспечивать достаточно большую жёсткость при рабочих нагрузках.
 |
 |
 |
| генератор волны | гибкое колесо | жесткое колесо |
При сборке волнового редуктора гибкое колесо устанавливают на генератор волны, в результате чего оно тоже принимает эллиптическую форму. Далее на гибкое колесо устанавливается жёсткое колесо. Поскольку гибкое колесо в процессе сборки приняло эллиптическую форму, то его зацепление с жёстким колесом происходит только на двух участках. Расположены они вдоль большой полуоси генератора волны и в сумме занимают около 40% окружности. За пределами этих участков зацепления зубьев жёсткого и гибкого колеса не происходит. Гибкое колесо имеет меньше зубьев чем жёсткое колесо. Чаще всего эта разница составляет 2 зуба, однако есть другие варианты конструкции волновых редукторов, где эта разница больше.
Принцип работы
По мере поворота генератора волны, зубья гибкого и жёсткого колёс поочерёдно начинают входить в зацепление. Участки зацепления зубьев в результате начинают смещаться в том же направлении в котором вращается генератор волны. Как только генератор волны совершит полный оборот, гибкое и жёсткое колесо окажутся смещены друг относительно друга на те самые 2 зуба, которые составляют разницу в количестве зубьев между этими колёсами. Это означает что гибкое и жёсткое колеса повернулись друг относительно друга со скоростью, существенно меньшей чем скорость с которой вращался генератор волны. Генератор волны вращаясь достаточно быстро позволяет получить сравнительно медленное вращение гибкого колеса относительно жёсткого – то есть механизм работает как редуктор. Коэффициент редукции такого волнового редуктора зависит от разницы зубьев между гибким и жёстким кольцом, а также от количества зубьев у жёсткого кольца.
Типы волновых редукторов
Среди множества устройств такого типа, наиболее распространены редукторные волновые редукторы. Конструкция подобного механизма состоит из электродвигателя и самой волновой передачи. Существует несколько основных функций, на которые следует обратить внимание перед покупкой:
- размер;
- мощность;
- эффективность;
- максимальная нагрузка.
Основным методом смазки подобных устройств является стандартная подача масла на контактные элементы. Однако в некоторых ситуациях требуются герметичные механизмы, без использования смазочной и охлаждающей жидкости. Работа фланцевого волнового редуктора с пневматическим двигателем осуществляется без смазки. В таком устройстве элементы охлаждаются сжатым воздухом.
Червячный редуктор имеет два типа размещения червяка в корпусе – верхний и нижний. Такой механизм нашел применение в космической промышленности, где требуется полнейшая герметизация.
Он используется при строительстве космической лебедки.
Волновая передача появилась не так давно, но уже положительно себя зарекомендовала. Она обеспечивает большую волновую деформацию, что увеличивает передаточное число. Среди преимуществ также следует отметить высокую эффективность, небольшой размер и вес.
Уже сегодня Вы можете приобрести волновой редуктор с нашего склада. Опытные специалисты, постоянно повышающие свою квалификацию, помогут грамотно рассчитать все параметры и подобрать оптимальный привод под ваши требования. «Системы электропривода» гарантирует высокое качество и низкую стоимость поставляемой продукции.
Варианты включения
Когда волновой редуктор используется так как показано выше, то генератор волны используется как вход, гибкое колесо – это выход, а жёсткое колесо остаётся неподвижным. Волновой редуктор можно использовать и по-другому, если зафиксировать не жёсткое колесо, а генератор волны или гибкое колесо; входом и выходом в таком случае могут быть из двух оставшихся элементов редуктора. При различных вариантах включения волновая передача может быть использована как для понижения скорости, так и для её повышения. Передаточное число редуктора при этом также изменится. Может измениться и направление вращения выходного элемента относительно входного.
У волнового редуктора можно приводить во вращение все три элемента. Редуктор при этом будет иметь два входа и один выход или один вход и два выхода. Это позволяет использовать волновой редуктор как дифференциал, складывая скорости вращения на разных валах, или раскладывая вращение на два разных вала.
Варианты исполнения компактных волновых редукторов
За время, прошедшее с момента изобретения волнового редуктора, было придумано много вариантов его конструкции. И вариант, когда шарикоподшипник эллиптической формы используется как генератор волны, не исчерпывает всех возможных вариантов конструкции. Существуют и другие варианты. Например, генератор волны может быть выполнен в виде коромысла с роликами на его концах. Или в виде планетарных шестерён, установленных на водило, которые зацепляются с зубьями, сделанными с внутренней стороны гибкого колеса. Помимо этого, генератор волны может быть выполнен в виде детали более сложной формы, создающей на гибком кольце 3 или 4 зоны зацепления (вместо двух зон в самом простом случае).
Гибкое колесо также может иметь разную форму. На практике чаще всего встречаются три формы: «кастрюля», «шляпа» и цилиндр. Отличия между ними заключаются в удобстве использования.
 |
|
 |
| Гибкое колесо типа «кастрюля» | Гибкое колесо типа «цилиндр» | Гибкое колесо типа «шляпа» |
Основные отличия волнового редуктора
- Большое передаточное число для одноступенчатого редуктора: до 320:1 в серийно выпускаемых изделиях
- Большое количество зубьев, которые находятся в одновременном зацеплении
- Высокая точность
- Большой момент нагрузки в расчёте на единицу объёма или на единицу массы
- Отсутствие маленьких передаточных чисел (менее 30:1)
- Простая конструкция
- Высокая надёжность
- Простая передача вращения в другую среду
- Полый вал
- Жёсткость на скручивание ограничена
- Короткая осевая длина