Волновая зубчатая передача
HARMONIC GEAR DRIVE

Описываемое предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к зубчатым передачам, основанным на принципе передачи вращательного движения за счет бегущей волновой деформации одного из зубчатых колес, и может быть использовано в механизмах с большими передаточными отношениями, большими передающими нагрузками (моментами) на ведомом валу, небольшими габаритными размерами, высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Уже известна волновая зубчатая передача, которая содержит корпус, неподвижное жесткое колесо с внутренними зубьями, вращающееся гибкое колесо с наружными зубьями, входящими в зацепление с зубьями жесткого колеса. Гибкое колесо выполнено в виде тонкостенного цилиндра с длиной L=0,8…1,0 d, где d - внутренний диаметр цилиндра, и соединено с ведомым валом одинарной зубчатой муфтой. Ведущий вал соединен с механическим генератором деформации гибкого колеса. Выполнение гибкого колеса в виде цилиндра удаляет зубчатую муфту ведомого вала от зоны деформации гибкого колеса генератором, что обеспечивает высокий КПД (до 95%) передачи.
Недостатком этой передачи является длина тонкостенного цилиндра гибкого колеса, которое существенно усложняет его изготовление, а также увеличивает габарит и массу передачи в целом (см. Волновые зубчатые передачи / Под ред. М.Н. Иванова. - М.: Высшая школа, 1981, с. 13, рис. 1.9).
Также известна волновая зубчатая передача, которая содержит такие элементы, как у вышеуказанной передачb, кроме гибкого зубчатого колеса, выполненного в виде кольца с шириной В ≈ 0,3d. Небольшая ширина тонкостенного гибкого колеса упрощает его изготовление, а также уменьшает габарит и массу передачи в целом.
Недостатком этой передачи является низкий КПД (до 60%) из-за больших радиальных сил трения скольжения в зубчатом зацеплении одинарной муфты ведомого вала и гибкого колеса, так как муфта близко расположена от зоны деформации гибкого колеса (см. Волновые зубчатые передачи / Под ред. докт. техн. наук Д.П. Волкова и докт. техн. наук А.Ф. Крайнева. - Киев: Техника, 1976, с. 208, рис. 120)
В качестве прототипа выбрана волновая зубчатая передача, которая содержит корпус, неподвижное жесткое колесо с внутренними зубьями, вращающееся гибкое колесо в виде кольца с наружными зубьями, входящими в зацепление с зубьями жесткого колеса. Ведущий вал соединен с механическим генератором деформации гибкого колеса, а ведомый вал соединен с гибким колесом посредством двойной зубчатой муфты и жестко связанного с ней зубчатого сектора, у которого центральный угол равен 90° и имеются прямобочные зубья. На торце гибкого колеса нарезаны бочкообразные зубья для взаимодействия с прямобочными зубьями сектора. Благодаря такому соединению зубчатый сектор может перемещаться в соответствии с деформацией гибкого колеса, что исключает потери при изменении формы деформированного гибкого колеса и, следовательно, повышает КПД (до 95%) передачи (см. авт. свид. СССР, SU 1446386 А1, МКИ F16H 1/00, приоритет 15.06.1987 г., опубл. 23.12.1988 г. Бюл. №47).
К недостаткам этой волновой зубчатой передачи относятся: ограниченная передаваемая нагрузка от гибкого колеса на ведомый вал из-за больших контактных напряжений в зубчатом зацеплении сектора и гибкого колеса, неравномерно распределенная нагрузка по окружности кольца гибкого колеса, вызывающая перекос по длине его зубьев, входящих в зацепление с зубьями жесткого колеса, что отрицательно влияет на работу передачи.
Целью изобретения является повышение передаваемой нагрузки от гибкого колеса на ведомый вал и равномерного ее распределения по окружности кольца гибкого колеса при сохранении высокого КПД передачи.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что в волновой зубчатой передаче, содержащей корпус, генератор волн, ведущий и ведомый валы, жесткое колесо, гибкое колесо в виде кольца, на торце которого нарезаны бочкообразные зубья, взаимодействующие с прямобочными зубьями сектора, имеющего центральный угол 90° и соединенного с ведомым валом двойной зубчатой муфтой, предусмотрены следующие отличия: гибкое колесо соединено с ведомым валом четырьмя зубчатыми секторами, имеющими центральный угол около 90°, и частями (дольками) элементов двойной зубчатой муфты, кроме элемента муфты ведомого вала, выполненного целым.
При таком конструктивном решении каждый сектор передает от гибкого колеса на ведомый вал только  часть нагрузки (момента), что снижает контактные напряжения в зубчатом зацеплении сектора и гибкого колеса, а также обеспечивает равномерность передаваемой нагрузки по окружности кольца гибкого колеса, что исключает перекос по длине зуба в зацеплении зубьев гибкого колеса с зубьями жесткого колеса и обеспечивает нормальную работу передачи.
Техническая сущность и принцип действия предложенной волновой зубчатой передачи поясняются чертежом на котором:
Фиг. 1 - показана волновая зубчатая передача, продольный разрез;
Фиг. 2 - разрезы А-А и Б-Б на Фиг. 1.
Передача состоит из корпуса 1, крышек 2 и 3, генератора 4 волн, ведущего 5 и ведомого 6 валов, жесткого колеса 7, гибкого колеса 8 в виде кольца, частей (долек) 9, 10 и целого 11 элементов двойной зубчатой муфты. На торце гибкого колеса нарезаны бочкообразные зубья 12, зубчатые секторы 13 с центральным углом около 90° имеют прямобочные зубья 14 и жестко связаны с частями элемента 10 двойной зубчатой муфты.
Передача работает следующим образом: при вращении генератора 4 волн гибкое колесо 8 непрерывно деформируясь в радиальном направлении, передает вращение через зубья 12 гибкого колеса и зубья 14 четырех секторов 13, а также четырех частей (долек) 9, 10 и целого 11 элементов двойной зубчатой муфты на ведомый вал 6.
При этом периодически меняется в пределах 90° радиус кривизны гибкого колеса, а центр кривизны перемещается с изменением направления как максимум через 90°. При изменении радиуса кривизны кольца гибкого колеса меняется шаг по хорде между зубьями 12, выполненными на торце гибкого колеса 8 и входящими в зацепление с зубьями 14 четырех секторов 13. При изменении шага бочкообразные зубья 12 гибкого колеса 8 поворачиваются относительно прямобочных зубьев 14 четырех секторов 13, при этом секторы 13 «втягиваются» вовнутрь средней окружности гибкого колеса 8 или «выталкиваются» наружу. Одновременно благодаря частям (долькам) 9, 10 и целому 11 элементов двойной зубчатой муфты, вершина центрального угла каждого сектора перемещается как в соответствии с изменением радиуса кривизны, так и в соответствии с перемещением центра кривизны гибкого колеса 8.
Оптимальный центральный угол каждого зубчатого сектора равен около 90°, так как превышение центрального угла снижает КПД передачи, а уменьшение - снижает передаваемую нагрузку (момент) на ведомый вал.
Примечание. Части (дольки) элементов двойной зубчатой муфты не могут разъединиться «рассыпаться» в радиальном направлении, так как собираются только в осевом направлении