ВОЛНОВАЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА
HARMONIC GEAR TRANSMISSION

Изобретение относится к механическим передачам и может быть использовано в составе изделий электронного машиностроения, в других отраслях промышленности, использующих волновые передачи с малыми габаритно-массовыми характеристиками, плавной и бесшумной работой.
Известна волновая зубчатая передача [1, 2], содержащая корпус, два жестких колеса, одно из которых неподвижно установлено в корпусе, а другое выполнено заодно с выходным валом, гибкое короткое колесо с двумя внешними зубчатыми венцами, один из которых образует волновую передачу с венцом неподвижного жесткого колеса, а другой - волновое зубчатое соединение с выходным валом; гибкое колесо выполнено монолитным из стали в виде тонкого кольца с мелкомодульными зубьями, деформируемое одним двухволновым генератором. Известна аналогичная волновая зубчатая передача с тем отличием, что гибкое колесо выполнено заодно с наружным кольцом гибкого подшипника генератора волн [3].
Наиболее близким по технической сути изобретением является волновая зубчатая передача [4], содержащая корпус, два жестких колеса с внутренними зубчатыми венцами, одно из которых неподвижно установлено в корпусе и образует волновую передачу, а другое - образует волновое соединение, выполнено заодно с выходным валом, короткое гибкое колесо с двумя внешними зубчатыми венцами, деформируемое двухволновым генератором, гибкое колесо сборное, повышенной гибкости, выполненное из ленты сложной структуры, состоящей из срединного несущего слоя - тонкой цилиндрической металлической упругой оболочки - и эластичного связующего, скрепленное со стальным подкладным кольцом; генератор выполнен дисковым (ДГ). Существенные достоинства этой передачи - малые размеры в осевом направлении, крупно-модульное зубчатое зацепление, низкие требования к точности изготовления - прототип.
Основными недостатками вышеуказанных передач [1-4] являются: низкие значения КПД и нагрузочной способности.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение КПД и нагрузочной способности волновой зубчатой передачи с коротким гибким колесом.
Для этого согласно изобретению предлагается волновой зубчатый редуктор, в котором волновое соединение заменено механизмом, в котором установленные на гибком колесе подшипники качения входят в пазы диска в форме мальтийского креста, выполненного заодно с выходным валом.
Как показано в работе [2], причиной пониженной (практически вдвое) нагрузочной способности ВМ с коротким ГК, одно из зубчатых зацеплений которого - волновое соединение, являются неблагоприятные условия в зацеплении волнового зубчатого соединения - наличие больших скоростей скольжения и нагрузок. Сочетание больших скоростей скольжения с силовыми факторами способствует возникновению значительной величины работы сил трения скольжения в зацеплении волнового зубчатого соединения, резкому снижению КПД и нагрузочной способности передачи.
Уменьшить работу сил трения скольжения, повысить КПД и нагрузочную способность передачи можно, заменив трение скольжения на трение качения. В предлагаемом изобретении предусматривается замена трения скольжения в зацеплении волнового соединения трением качения в соединении ГК с выходным валом передачи. Достигается это следующим образом.
На фиг.1a (разрез по продольной оси) показан волновой зубчатый редуктор, содержащий корпус 1, жесткое колесо 2, гибкое колесо 3, деформируемое дисковым генератором волн 4, ведущий вал 5, диск в форме мальтийского креста 6, выполненный заодно с выходным валом 7. Жесткое колесо 2 с внутренним зубчатым венцом b неподвижно установлено в корпусе 1. Гибкое колесо 3 сборное (фиг.2), повышенной гибкости, выполнено из ленты сложной структуры, состоящей из несущего слоя - тонкой срединной упругой металлической оболочки 9, размещенной в эластичном связующем 10 с внешним зубчатым венцом g, который входит в зацепление с венцом b жесткого колеса, лента скреплена со стальным подкладным кольцом 8. На гибком колесе установлены опоры 11, на которых закреплены подшипники качения 12. Дисковый генератор 4 и ведущий вал 5 изображены схематически, так как не несут в себе особенностей настоящего изобретения. Для фиксации в осевом направлении ГК на пазах диска с двух сторон следует устанавливать ограничительные планки 13 (фиг.1)
0
Предлагается на подкладном кольце (см. фиг.1) выполнить опоры (заодно с кольцом или с помощью сварки) для установки подшипников качения. Количество и размеры подшипников качения можно предварительно определить по статической грузоподъемности C, задавшись, например, внутренним диаметром подшипника, равным толщине подкладного кольца, с последующей проверкой работоспособности подшипников по известным [5] методикам.
к
Толщину подкладного кольца s можно определить по следующей зависимости [6]:
при выполнении условия
вых
к
к
к
к
и
где T - крутящий момент волновой передачи; b и E - ширина и модуль упругости материала подкладного кольца; R и r - радиусы нейтрального слоя подкладного кольца в деформированном на дугах с углом α и в недеформированном состояниях; [σ] - допускаемое напряжение изгиба для материала подкладного кольца; m - модуль зацепления.
При использовании гибкого колеса типа зубчатого ремня (ГЗКР) [4, 7], кроме установки опор для подшипников качения на подкладном кольце (фиг.1б) (в этом случае надежность неподвижности соединения ленты с подкладным кольцом, кроме сил трения в стыке обеспечивается дополнительным скреплением с помощью клея или вулканизации); в предлагаемом изобретении предусмотрено еще два варианта (см. фиг.2):
а) при изготовлении нестандартного зубчатого ремня с внешними зубьями опоры устанавливаются под серединой зуба в процессе изготовления; при этом несущий слой (тонкая металлическая цилиндрическая оболочка [4]) размещается в прорези опор (см. фиг.2, исп.I);
б) при использовании стандартного зубчатого ремня - опоры запрессовываются под серединой зуба над несущими тросиками (см. фиг.2, исп.II).
гк
вых
Оценим величину КПД ВМ по заявленной в изобретении конструкции. Для этого можно воспользоваться, например, данными, приведенными в статье [7] при сравнительной оценке волновых редукторов с металлическим гибким колесом (ВРМ) и с гибким колесом ГЗКР в форме зубчатого ремня (ВРР) при диаметре гибкого колеса d=84 мм и предельной величиной крутящего момента на выходном валу T=56,5 Нм.
0
Примем для редуктора ВРР радиальные подшипники качения №1000092 (d×D×В=2×6×2.3). Необходимое число подшипников n определим по статической грузоподъемности, равной c=90 Н, в первом приближении по формуле:
п
КПД двух подшипников при расчетах обычно принимают равным η=0,99. Следовательно, общие потери в зацеплении подшипников с пазами диска выходного вала могут быть оценены величиной:
Таким образом, потери на трение в заявленной конструкции соединения ГК с выходным валом составляет ~7%, тогда как в волновом соединении ВРМ по результатам работы [7] потери оцениваются величиной ~40% (η≈0,6).
Нетрудно видеть, что предлагаемая в изобретении конструкция соединения короткого ГК с выходным валом способствует резкому повышению КПД таких волновых редукторов.
В случае особо жестких требований к минимальной величине момента инерции волнового редуктора может быть предложена замена подшипников качения подшипниками скольжения; в этом случае величина КПД механизма может быть несколько снижена.
Источники информации
1. Патент США №2943513.
2. М.Н.Иванов. Волновые зубчатые передачи. М.: «Высшая школа», 1981. - 184 с.
3. Патент СССР №1772468.
4. Патент №2405993 - прототип.
5. И.А.Биргер, Б.Ф.Шорр, Г.Б.Иоселевич. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. - М.: Машиностроение. 1979. - 702 с.
6. В.З.Гребенкин, Р.И.Аккулов, П.В.Васильев. Выбор рационального натяжения гибкого звена волнового зубчатого механизма с дисковым генератором. // Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. 2010. №1. с.61-66.
7. В.З.Гребенкин, Р.И.Аккулов, П.В.Васильев. Использование в механизмах межоперационных транспортирующих устройств микроэлектроники волновых редукторов с конструкцией гибкого колеса типа зубчатого ремня / Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. 2009. №3. с.26-32.