ВОЛНОВАЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и приборостроения и может быть использована в машинах и механизмах, где требуется обеспечить движения с большими передаточными отношениями с высокой точностью и при больших нагрузках - в грузоподъемных и строительно-дорожных машинах, в металлорежущих станках, в измерительных приборах.
В настоящее время волновые зубчатые передачи, аналогичные предлагаемой известны. К ним относится, например, передачи, описанные в книге «В.П.Новоселов, С.К.Буйначев, А.Г.Черненко. Волновые зубчатые передачи. - Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2007» и, в частности, передача, описанная на стр.7 (рис.4). Передача состоит из жесткого колеса, размещенного внутри него гибкого колеса и размещенного внутри последнего волнообразователя. Волнообразователь представляет собой двухроликовый генератор волны, вращаемый входным валом передачи. При вращении вала и волнообразователя ролики деформируют гибкое колесо, создают две радиальные волны деформации гибкого колеса, это колесо в зонах деформации входит в зацепление с жестким колесом (на жестком колесе зубья нарезаны на внутренней поверхности, а на гибком - с наружной), и из-за разности чисел зубьев жесткого и гибкого колес движение передается гибкому колесу. Подобные передачи обладают большими передаточными отношениями (до 400) и высокой нагрузочной способностью. Тем не менее, они не всегда достаточно точны, т.к. при их работе в зацеплении имеет место зазор, а он, в свою очередь, создает люфт и обусловленную им кинематическую погрешность передачи при реверсе. Недостатком таких передач является и то, что зазор в них не регулируется.
Более совершенны волновые зубчатые передачи, описанные в книге «Д.П.Волков, А.Ф.Крайнев. Планетарные, волновые и комбинированные передачи строительных и дорожных машин. - М.; Машиностроение, 1968, стр.194, рис.95». В этой книге рассматривается волновая зубчатая передача с тремя роликами, входящими в волнообразователь, снабженный так называемой уравнительной подвеской. Эта подвеска представляет собой упругое кольцо, на которое опираются оси роликов генератора волны, Волнообразователь, находясь внутри гибкого колеса, создает три волны деформации этого колеса, гибкое колесо входит в зацепление с жестким колесом в трех зонах и передает ему движение волнообразователя с определенным передаточным отношением, зависящим, как и в предыдущем случае, от чисел зубьев гибкого и жесткого колес. В отличие от предыдущей передачи, однако, в данной передаче люфт автоматически выбирается. Кольцо распирает ролики и зазор в передаче всегда устраняет. При износе зубьев колес зазор не возрастает, а так же ликвидируется. Однако и этот аналог имеет существенные недостатки. Во - первых, в нем нельзя регулировать распорные усилия. Для этого нет никаких конструктивных элементов. Кроме того, кольцо не может быть одновременно упругим и жестким. А если оно не очень жесткое, то при работе передачи на высоких нагрузках возможен отжим роликов и проскок - выход зубьев гибкого и жесткого колес из зацепления и прерывание передачи движения.
Высокой нагрузочной способностью (практически, невозможностью проскока) и возможностью регулировки с целью устранения люфта обладает другая волновая зубчатая передача, описанная в книге «А.Н.Геращенко, С.Л.Самсонович. Пневматические, гидравлические и электрические приводы летательных аппаратов на основе волновых исполнительных механизмов. - М.: Машиностроение, 2006». В ней на стр.20-21 и на рис.1.5 приводятся сведения об устройстве типа волновой зубчатой передачи, имеющей высокую нагрузочную способность и допускающую регулировку зазора, устраняющую люфт. Эта передача была принята нами за прототип.
Устройство - прототип представляет собой волновую зубчатую передачу, содержащую жесткое колесо, размещенное внутри него изготовленное в виде стакана гибкое колесо и волнообразователь, размещенный внутри гибкого колеса. Волнообразователь включает в себя эксцентричные относительно вала ролики с центральными цилиндрическими отверстиями, внутри которых размещен вал со сквозными осевыми отверстиями. На наружной поверхности вала выполнены наклонные к оси клиновые плоскости и параллельные оси плоскости, образующие в сечении прямоугольник. Между валом и поверхностями отверстий в роликах установлены клиновые толкатели, выполненные в виде полувтулок, жестко закрепленных в отверстиях роликов и снабженных пазами, образованными плоскостями, параллельными плоскостям вала и плотно соприкасающимися с ними под действием спиральных пружин. Спиральные пружины установлены радиально так же в отверстиях роликов и также между валом и поверхностями отверстий в роликах, но диаметрально противоположно толкателям, тем самым обеспечивая силовое замыкание пары «вал - толкатель с роликом». Помимо перечисленного в устройстве имеется шток, размещенный в осевом отверстии вала. Он снабжен с одной стороны упорным буртом, взаимодействующим с торцем ближайшего к дну стакана ролика, а с другой стороны - гайкой, взаимодействующей с торцем вала. На валу закреплено зубчатое колесо. Через него передача приводится в движение. При вращении этого колеса вращается и вал. С помощью своеобразного клинового соединения, подобного шпоночному, образованного выполненными на валу плоскостями и ответными поверхностями пазов в толкателях - полувтулках, закрепленных в отверстиях роликов, последние тоже вращаются. Вращение роликов происходит вокруг оси вала, и в результате по окружности гибкого колеса перемещается волна радиальной деформации (точнее - сколько волн, столько роликов). При радиальной деформации гибкое колесо входит в зацепление с жестким колесом и сообщает ему движение. Таким образом, движение передается от вала жесткому колесу с определенным передаточным отношением. Это отношение зависит от числа роликов и чисел зубьев гибкого и жесткого колес.
По мере работы передачи зубья гибкого и жесткого колес изнашиваются. В передаче может возникнуть люфт и связанная с ним дополнительная кинематическая погрешность. В устройстве - прототипе этот люфт легко устранить. Нужно лишь подвернуть гайку, установленную на штоке и взаимодействующую с торцем вала. Гайка, упираясь в торец вала, при своем вращении заставит сместиться (подтянет в себя) шток и уменьшит расстояние между торцем вала и упорным буртом штока. Бурт, нажимая на ролик, ближайший к дну стакана (гибкого колеса), сместит в сторону торца вала этот ролик и следующие (если их несколько). Клиновые толкатели, сжимая пружины, увеличат эксцентриситет роликов относительно вала и люфт будет устранен.
Устройство - прототип вполне работоспособно, причем, при весьма высоких нагрузках, однако имеет существенный недостаток. Люфт в нем устраняется не автоматически, а вручную. Это не всегда удобно, т.к. требует остановки работы передачи. Кроме того, далеко не всегда к регулировочной гайке имеется прямой доступ. Если его нет, то агрегат, в котором используется передача, требуется разбирать. Если же этого не делать, то передача по мере эксплуатации будет терять кинематическую точность.
Задачей разработки предлагаемой полезной модели является устранение отмеченного недостатка, а именно, автоматизация устранения люфта в передаче и повышение точности ее работы. В задачу разработки при этом входит и сохранение возможности ручной регулировки передачи и высокой нагрузочной способности. Достигается решение задачи тем, что волновая зубчатая передача, содержащая жесткое колесо, размещенное внутри него гибкое колесо и волнообразователь, размещенный внутри гибкого колеса и включающий в себя вал со сквозным осевым отверстием, толкатели, ролики с центральными цилиндрическими отверстиями, установленные на валу эксцентрично относительно него, и шток, размещенный в осевом отверстии вала и снабженный с одной стороны упорным буртом, а с другой стороны - гайкой, снабжена тарельчатыми пружинами, вал выполнен с фланцем с радиальными отверстиями, ролики установлены на фланце на плоских пружинах с возможностью радиального перемещения, шток выполнен составным из двух частей, первая из которых размещена внутри фланца и выполнена в виде конуса, сопряженного своим меньшим диаметром с цилиндром с резьбой, а вторая выполнена в виде винта, соединенного с первой частью с помощью резьбового отверстия в конусе со стороны его большего диаметра, гайка установлена на резьбе цилиндра первой части штока, тарельчатые пружины установлены на цилиндре первой части штока между гайкой и фланцем, толкатели размещены в радиальных отверстиях фланца в контакте с конусом и плоскими пружинами, на которых установлены ролики, при этом вал закреплен на сферическом подшипнике, а ролики выполнены также в виде сферических подшипников.
Предлагаемая волновая передача показана на рис.1 (разрез) и рис.2 (вид А - А). Она содержит жесткое колесо 1 с зубьями, нарезанными на внутренней поверхности, гибкое колесо 2 с зубьями, нарезанными на наружной поверхности, размещенное внутри колеса 1, и волнообразователь, размещенный внутри колеса 2 и включающий в себя вал 3 со сквозным осевым отверстием и фланцем 4, в котором выполнены радиальные отверстия. На фланце 4 на плоских пружинах 5 с возможностью радиального перемещения установлены ролики 6 (они соединены с пружиной с помощью осей 7). В осевом отверстии вала 3 размещен шток, состоящий из двух частей. Первая часть штока размещена внутри фланца 4 и выполнена в виде конуса 8, сопряженного своим меньшим диаметром с цилиндром 9 с наружной резьбой. Вторая часть штока выполнена в виде винта 10. В конусе 8 со стороны его большего диаметра имеется резьбовое отверстие, с помощью этого отверстия винт 10 соединен с конусом 8. На наружной резьбе цилиндра 9 установлена гайка 11. На этом же цилиндре 9 между гайкой 11 и фланцем 4 установлены тарельчатые пружины 12. В радиальных отверстиях фланца 4 в контакте с конусом 8 и плоскими пружинами 5 размещены толкатели 13. Жесткое колесо 1 установлено в корпусе передачи 14 на радиальном подшипнике 15, вал 3 установлен в корпусе на сферическом подшипнике 16. Ролики 6 выполнены также в виде сферических подшипников.
Перед использованием передачи ее собирают и регулируют. Для этого винт 10 ввинчивают в конус 8 с натягом (головка винта при этом, являясь упорным буртом, упирается в торец вала 3 и немного перемещает вправо первую часть штока, сжимая тарельчатые пружины 12 и освобождая плоские пружины 5 с роликами 6 от нажатия толкателями 13). Ролики 6 немного перемещаются к оси вала 3 и теперь передача легко может быть собрана - волнообразователь теперь легко можно ввести внутрь колеса 2 и закрепить. Далее, вывинчивая винт 10 из конуса 8, нетрудно «отпустить» конус 8 влево так, чтобы, воздействуя через толкатели 13 на пружины 5 и ролики 6, он заставил ролики создать деформацию гибкого колеса 2, обеспечивающую беззазорное зацепление колеса 2 с колесом 1. Эта деформация будет создаваться силой воздействия тарельчатых пружин 12, которая может быть отрегулирована предварительно гайкой 11 еще до введения волнообразователя в гибкое колесо. Теперь передача может работать. При вращении вала 3 ролики 6 будут перемещать волны деформации колеса 2 и заставлять вращаться колесо 1. Если при работе передачи будет происходить износ зубчатого зацепления и в нем появится зазор, то пружины 12, перемещая влево конус 8, через толкатели 13 его ликвидируют. Это произойдет автоматически, без участия человека. Возможность регулировки зазора в передаче вручную также остается. Если нужно настроить определенную величину зазора, то достаточно соответствующим образом повернуть винт 10 (гайку 11 и пружины 12 для этого нужно предварительно настроить с некоторым запасом силы и длины хода). Конус 8 можно выполнить различным по величине. Если его выполнить самотормозящим, то волнообразователь будет достаточно жестким, чтобы передача могла передавать большие нагрузки. Таким образом, будет обеспечена возможность ручной и автоматической регулировки передачи при высокой нагрузочной способности и отсутствие зазоров и люфтов, несмотря на возможный износ. Если он будет происходить, то зазор все равно возникать не будет. При этом, если на окружности зацепления он будет происходить не одинаково, то на точности работы передачи это сказываться практически не будет, поскольку сферический подшипник 16 обеспечит самоустановку волнообразователя. Чтобы в подобной ситуации не происходил повышенный износ кромок роликов 6 и на гибком колесе 2 не появлялась выработка, ролики, благодаря тому, что они выполнены тоже в виде сферических подшипников, будут самоустанавливаться подобно всему волнообразователю. Все это в совокупности и обеспечивает высокую точность работы передачи.