ВОЛНОВАЯ ДВУХСТОРОННЯЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА
DOUBLE-SIDED WAVE GEAR TRANSMISSION

Изобретение относится к механическим передачам с гибким деформируемым зубчатым колесом и может найти применение в качестве компактного привода с большим передаточным отношением в роботах-манипуляторах, устройствах для передачи вращения в герметически закрытое пространство, системах дистанционного управления, механизмах настройки аппаратуры и др.
Известна волновая зубчатая передача, содержащая жесткое зубчатое колесо с внутренними зубьями и одновенцовое круглое гибкое зубчатое колесо с внешними зубьями и гладкой внутренней поверхностью обода, внутри которого установлен кулачковый генератор волн (Книга «Машиностроение. Энциклопедия», Том IV-1 (под ред. Д.Н. Решетова) - М.: «Машиностроение», 1995, глава 3, с. 499, рис. 1) - аналог.
Недостатками известной волновой зубчатой передачи являются ограниченный диапазон увеличения передаточного отношения, а также большие габариты и потери на трение в кулачковом генераторе волн.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению, является волновая зубчатая передача, содержащая корпус с установленным в нем центральным валом, жестким зубчатым колесом с внутренними зубьями в зацеплении с одновенцовым круглым гибким зубчатым колесом, растягиваемым в овал поворотным генератором волн через два противоположно установленных гладких диска (книга Крайнев А.Ф. Механика машин. Фундаментальный словарь. - М.: «Машиностроение», 2000, с. 97, рис. (б)) - прототип.
Недостатками указанной волновой зубчатой передачи являются:
max
min
1. Ограниченный диапазон «D» передаточных отношений «U» равный D - U/U.
2. Ограниченные функциональные возможности передачи вращения только на один тихоходный вал и ее применения только как редуктора.
3. Сложный и трудоемкий процесс сборки круглого гибкого зубчатого колеса с поворотным генератором волн из-за необходимости перед сборкой приложить большие растягивающие усилия для деформации гибкого колеса малого диаметра в большой диаметр жесткого зубчатого колеса.
4. Малый срок службы из-за усталостного разрушения расположенной между зубьями тонкой стенки обода гибкого зубчатого колеса.
5. Возможность вращения ведомого гибкого зубчатого колеса только в сторону, противоположную направлению вращения ведущего центрального вала.
6. Большой холостой ход из-за проскальзывания роликового генератора волн и срыв зацепления зубьев гибкого зубчатого колеса из-за их малой высоты (всего 2-3 мм).
7. В разной технической литературе (например, в указанной выше книге «Машиностроение. Энциклопедия», Том IV-1, 1995, с. 499) величина передаточного отношения волновой зубчатой передачи (U) рассчитывается по известной формуле Виллиса:
г
г
г
ж
ж
ж
где z и d - mz число зубьев и диаметр ведомого гибкого зубчатого колеса; m - модуль зубьев; z и d=md - число зубьев и диаметр жесткого зубчатого колеса с внутренними зубьями, ν=2 число генерируемых волн.
г
ж
г
Например, подставляя в формулу (1) рекомендуемые z=200 и минимально возможную разность (z -z=2), получаем
г
Таким образом, согласно формулам (1) и (2), величина передаточного отношения «U» волновой зубчатой передачи является ограниченной величиной z (3), т.е. от числа зубьев гибкого колеса - увеличение которого требует либо уменьшения модуля (до 1 мм) и высоты (до 2 мм) зубьев (т.е. снижения их нагрузочной способности), либо при той же высоте зубьев требует увеличения габаритов волновой передачи - что является недопустимым для компактного привода.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в расширении диапазона передаточных отношений волновой зубчатой передачи (без увеличения ее габаритов или числа зубьев гибкого зубчатого колеса или уменьшения высоты этих зубьев и их срыва); расширения ее функциональных возможностей за счет возможности передачи вращения на два разных выходных вала и ее применения как в качестве редуктора или мультипликатора; исключения проскальзывания генератора волн относительно гибкого зубчатого колеса; упрощение процесса сборки гибкого зубчатого колеса с поворотным генератором волн.
Получение технического результата достигается за счет того, что волновая двухсторонняя зубчатая передача, содержащая корпус с установленным в нем центральным валом, жесткое зубчатое колесо с внутренними зубьями в зацеплении с одновенцовым гибким зубчатым колесом и поворотный генератор волн, отличается тем, что гибкое зубчатое колесо выполнено с двухсторонним зубчатым венцом, образованным расположенными в одном плоскости и совмещенными между собой внутренними и внешними зубьями, одновременно входящими в зубчатое зацепление между жестким зубчатым колесом и поворотным генератором волн, число внешних зубьев гибкого зубчатого колеса выполнено меньше числа внутренних зубьев жесткого зубчатого колеса, например, на два зуба, а генератор волн выполнен в виде зубчатого механизма, зубчатые колеса которого входят в зацепление с упомянутым гибким зубчатым колесом.
2
3
4
5
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6. фиг. 7 и фиг. 8, где обозначено: ω, ω, ω, ω - соответственно угловая скорость центрального вала 2, жесткого зубчатого колеса 3, гибкого зубчатого колеса 4 и водила 5.
На фиг. 1 изображен общий вид волновой двухсторонней зубчатой передачи, содержащей корпус 1 с установленным в нем центральным валом 2 и жестким зубчатым колесом 3 с внутренними зубьями в зацеплении с одновенцовым гибким зубчатым колесом 4 и поворотный генератор волн, отличающейся тем, что гибкое зубчатое колесо 4 выполнено с двухсторонним зубчатым венцом, образованным расположенными в одном плоскости и совмещенными между собой внутренними и внешними зубьями, одновременно входящими в зубчатое зацепление между жестким зубчатым колесом и поворотным генератором волн, число внешних зубьев гибкого зубчатого колеса выполнено меньше числа внутренних зубьев жесткого зубчатого колеса 3, например, на два зуба, а генератор волн выполнен в виде зубчатого механизма, зубчатые колеса которого входят в зацепление с упомянутым гибким зубчатым колесом и с установленной на центральном валу 2 дополнительной поворотной шестерней 8.
Гибкое зубчатое колесо 4 выполнено в виде тонкостенного цилиндра с круглым двухсторонним зубчатым венцом, образованным расположенными на нем в одной плоскости внешними и внутренними зубьями, генератор волн выполнен в виде зубчатых сателлитов 6 и 7, установленных на водиле 5 между гибким зубчатым колесом 4 и дополнительной поворотной шестерней 8, а двухсторонних зубчатый венец гибкого колеса 4 выполнен в виде замкнутой гофрированной зубчатой ленты, образующей двухсторонне расположенные на ней зубья, например, треугольного (фиг. 1) или трапециевидного (фиг. 2) профиля.
Альтернативно гибкое зубчатое колесо 4 может быть конструктивно выполнено в виде некруглого зубчатого колеса, например, в форме упругого эллипса, на внешней и внутренней поверхности которого в одной плоскости расположены соответственно внешние и внутренние зубья для образования легко собираемой одновенцовой волновой передачи с некруглым двухсторонним зубчатым венцом гибкого зубчатого колеса в его свободном состоянии.
Гибкое зубчатое колесо 4 может быть выполнено из композитного полимерного материала, например, эластичного полиуретана или неопрена, армированного, например, металлотросом или стеклокордом.
На фиг. 2 представлен вариант выполнения волновой зубчатой передачи, представляющий поперечное сечение двухстороннего зубчатого зацепления гибкого зубчатого колеса 4, в котором расположенные на двухстороннем зубчатом венце гибкого зубчатого колеса 4 внешние и внутренние зубья альтернативно могут быть расположены друг под другом или смещены между собой, например, на половину (τ/2) их углового шага (τ) и выполнены одинакового модуля, а количество внутренних зубьев меньше количества внешних зубьев или упомянутые зубья выполнены одинакового количества, а модуль внутренних зубьев выполнен меньше модуля внешних зубьев.
Внешние зубьями гибкого зубчатого колеса 4 входят в зацепление с жестким колесом 3. а внутренние зубья гибкого колеса 4 входят в зацепление с сателлитами 6 и 7 зубчатого генератора волн, а упомянутые сателлиты 6 и 7 установлены в зацеплении с дополнительной поворотной шестерней 8.
2
4
5
На фиг. 3 жесткое зубчатое колесо 3 с внутренними зубьями сблокировано с корпусом 1. передача выполнена с ведущим центральным валом 2 (ω) с установленной на нем дополнительной шестерней 8 и двумя выходными валами, один из которых 10 (ω) в виде тихоходного реверсивного вала редуктора соединен с гибким зубчатым колесом 4, а другой выходной вал в виде быстроходного вала редуктора соединен с водилом 5 (ω) поворотного генератора волн.
2
3
5
На фиг. 4 гибкое зубчатое колесо 4 сблокировано с корпусом 1, передача выполнена с ведущим центральным валом 2 (ω) с установленной на нем дополнительной шестерней 8 и двумя выходными валами, один из которых 10 (ω) в виде тихоходного вала редуктора соединен с жестким зубчатым колесом 3 с внутренними зубьями, а другой выходной вал в виде быстроходного вала редуктора соединен с водилом 5 (ω) поворотного генератора волн.
5
3
3
2
На фиг. 5 представленная передача выполнена с ведущим водилом 5 (ω) поворотного генератора волн и двумя выходными валами, один из которых в виде тихоходного вала (ω) редуктора соединен с жестким зубчатым колесом 3(ω) с внутренними зубьями, другой выходной вал в виде быстроходного вала мультипликатора 2(ω) соединен с установленной на центральном валу 2 дополнительной шестерней 8 с внешними зубьями, а гибкое зубчатое колесо 4 сблокировано с корпусом 1.
2
4
На фиг. 6 представлен поворотный генератор волн, который выполнен с двумя парами противоположно расположенных и спаренных между собой сателлитов 11, 12, 13 и 14, установленных на свободно вращающемся водиле 5, два из которых 11 и 12 установлены во внешнее зацепление с расположенной на центральном валу 2 дополнительной шестерней 8, а другие два сателлита 13 и 14 в каждой паре сателлитов установлены во внутреннее зацепление с гибким зубчатым колесом 4, Жесткое зубчатое колесо 3 с внутренними зубьями сблокировано с корпусом 1, волновая передача выполнена с ведущим центральным валом 2 (ω) (с установленной на нем дополнительной шестерней 8) и выходным валом 10 (ω) в виде тихоходного вала редуктора, который соединен с гибким зубчатым колесом 4.
2
4
На фиг. 7 представлен вариант выполнения волновой передачи, в которой генератор волн выполнен в виде установленного на центральном валу 2 поворотного зубчатого колеса 9 (ω) круглой или некруглой формы с числом внешних зубьев, меньшим числа внутренних зубьев гибкого зубчатого колеса 4, например, с их разностью в два зуба, для образования ортогональной волновой зубчатой передачи с попеременным генерированием ортогональных волновых деформаций гибкого зубчатого колеса вдоль оси «х» и вдоль оси «у», в которой гибкое зубчатое колесо 4 выполнено в виде упругого зубчатого эллипса и соединено с выходным валом 10 (ω) в виде тихоходного реверсивного вала редуктора, а жесткое зубчатое колесо 3 сблокировано с корпусом 1.
2
3
На фиг. 8 представлен вариант выполнения волновой зубчатой передачи, в которой генератор волн выполнен в виде установленного на центральном валу 2 (ω) поворотного зубчатого колеса 9 круглой или некруглой формы с внешними зубьями, входящего в диаметрально расположенные зацепления с внутренними зубьями гибкого зубчатого колеса 4, для образования ортогональной волновой зубчатой передачи с попеременным генерированием ортогональных волновых деформаций гибкого зубчатого колеса вдоль оси «х» и вдоль оси «у», в которой гибкое зубчатое колесо 4 выполнено в виде упругого зубчатого эллипса и сблокировано с корпусом 1, а жесткое зубчатое колесо 3 (ω) связано с выходным валом в виде тихоходного вала редуктора.
Основным узлом зубчатых передач на фиг. 7 и фиг. 8 является упругий зубчатый эллипс гибкого зубчатого колеса 3, которое по оси «х» входит в два зацепления с внешними зубьями установленного на центральном валу 2 поворотного зубчатого колеса 9, а по оси «у» входит в другие два зацепления уже с внутренними зубьями жесткого зубчатого колеса 3. Технологически гибкое зубчатое колесо 4 в виде указанного упругого зубчатого эллипса может быть получено сначала путем изготовления круглого тонкого кольца с расположенными на нем в одной плоскости внешними и внутренними зубьями, а затем на основе пластической деформации диаметрального сжатия для преобразования этого кольца в требуемый упругий зубчатый эллипс с двухсторонним расположением на нем в одной плоскости внешних и внутренних зубьев [Доказательство дано в книге: Выгодский М.Я. «Справочник по высшей математике» - М.: НАУКА, 1964 - с. 56, §40 «Эллипс как сжатая окружность»].
Работа представленной на фиг. 1 - фиг. 8 волновой зубчатой передачи заключается в ее применении в качестве компактного механического привода с соосными ведущим валом и выходными валами редуктора и мультипликатора со следующим увеличенным (по сравнению с прототипом и его расчетом по формулам (2) и (3)) передаточным отношением на основе следующих зависимостей, полученных из известного в ТММ метода обращенного движения Виллиса [Коловский М.З. и др. «Теория механизмов и машин: учебное пособие для ВУЗов» - М.: «Академия», 2006, с. 116].
При расчетах передаточного отношения представленных на фиг. 1÷7 волновых зубчатых передач прияты следующие обозначения:
2
8
ω - угловая скорость центрального вала 2 с дополнительной шестерней 8 с внешними зубьями (числом z=50);
3
3
ω, z=202 - угловая скорость и число зубьев жесткого зубчатого колеса 3;
4
4
ω, z=200 - угловая скорость и число внешних или равных ему внутренних зубьев гибкого зубчатого колеса 4;
5
ω - угловая скорость водила 5 поворотного генератора волн.
1) Для волновой передачи на фиг. 3 с неподвижным жестким зубчатым колесом 3:
2) для волновой передачи на фиг. 4 с неподвижным гибким зубчатым колесом 4:
3) Для волновой передачи на фиг. 5 с ведущим водилом 5:
4) Для волновой передачи на фиг. 6 с ведомым гибким колесом 4 и ведущим валом 2:
4
т.е. - выполнение поворотного генератора волн со спаренными сателлитами по сравнению с прототипом (расчет «U» по формуле (3)) позволяет при тех же габаритах (z=200) не только увеличить «U», но и обеспечивает вращение гибкого колеса 4 в сторону вала 2.
3
4
9
5) Для представленной на фиг. 7 ортогональной волновой передачей с неподвижными жестким зубчатым колесом 3 с числом зубьев z=202, ведомым гибким зубчатым колесом 4 с числом внешних (и равных ему внутренних) зубьев z=200 и генератором волн с поворотным зубчатым колесом 9 с числом зубьев z=198 получаем:
4
3
9
6) Для представленной на фиг. 8 ортогональной волновой передачи с неподвижным гибким зубчатым колесом 4 с числом зубьев z=200, ведомым жестким зубчатым колесом 3 с числом зубьев z=202 и генератором волн с поворотным зубчатым колесом 9 с числом зубьев z=198 получаем:
Сравнение «U» по формулам (11) и (12) с прототипом по формулам (2) и (3) показывает, что представленные на фиг. 7 и фиг. 8 ортогональные волновые передачи позволяют в 2 раза уменьшить нижний предел передаточного отношения волновой передачи, что дает дополнительное увеличение еще в 2 раза диапазона работы редуктора.
Сравнительный анализ расчетов передаточного отношения «U» по формулам (4)-(12) с прототипами по формул (3) показывает, что предлагаемая волновая зубчатая передача позволяет значительно увеличить диапазон передаточных отношений (при том же числе и высоте зубьев гибкого зубчатого колеса, т.е. при тех же габаритах волновой передачи), а также может быть применена и как редуктор и как мультипликатор, обеспечивая вращение ведомого гибкого зубчатого колеса как в сторону ведущего вала (U>0), так и в другую сторону (U<0).
Достигаемый в предлагаемой волновой зубчатой передаче технический результат заключается в следующем:
1) В увеличении диапазона «D» передаточных отношений «U» по сравнению с прототипом 5*2=10 раз за счет увеличения  раз (на схеме фиг. 3) и уменьшения «U»  раза (на схеме фиг. 7) без увеличения ее габаритов и числа зубьев гибкого зубчатого колеса или уменьшения их высоты и нагрузочной способности.
2) Расширении функциональных возможностей волновой передачи за счет а) передачи мощности на два выходных вала и б) ее применении одновременно и как редуктора (на один из выходных валов с U>>1) и как мультипликатора (на другой выходной вал с U<1 на фиг. 5).
3) Обеспечении вращения ведомого гибкого зубчатого колеса как в сторону вращения ведущего вала (в передаче на фиг. 6), так и в противоположную сторону (в передаче на фиг. 3).
4) Уменьшение холостого хода волновой передачи (за счет исключения проскальзывания поворотного генератора волн относительного гибкого зубчатого колеса).
5) Упрощение процесса сборки и разборки гибкого зубчатого колеса волновой передачи с генератором волн (без трудоемкого растягивания гибкого колеса).