ВОЛНОВАЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА
WAVE GEAR DRIVE

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.
Наиболее близким по технической сути изобретением является волновая зубчатая передача, содержащая корпус, два жестких колеса, одно из которых неподвижно установлено в корпусе, а другое выполнено за одно с выходным валом, гибкое «короткое» [1] колесо с двумя внешними зубчатыми венцами, деформируемое одним двухволновым генератором [2, 1]; гибкое колесо выполнено монолитным из стали в виде тонкого кольца с мелкомодульными зубьями. Одно из существенных достоинств этой передачи - малые размеры в осевом направлении.
Известна аналогичная волновая зубчатая передача с тем отличием, что гибкое колесо выполнено за одно с наружным кольцом гибкого подшипника генератора волн [3].
Недостатками вышеуказанных передач являются: низкий КПД, высокое значение нижнего предела передаточных отношений, необходимость выполнения зубчатых зацеплений мелкомодульными с высокой точностью. Указанные недостатки преимущественно возникают из-за больших изгибных напряжений при деформировании гибкого колеса, выполненного в виде монолитного стального кольца с зубьями и обладающего высоким значением изгибной жесткости; наличие дополнительной беговой дорожки в гибком колесе, предложенном в изобретении [3], может способствовать большему напряженному состоянию такого гибкого колеса.
Известна волновая зубчатая передача, содержащая два зубчатых колеса, одно из которых неподвижное, гибкое колесо в виде замкнутой гибкой связи - трехрядной втулочно-роликовой цепи, дисковый волновой генератор [4]. Эта передача позволяет осуществлять малые передаточные отношения, может быть выполнена с крупным шагом. Недостатками такой передачи являются: присущие цепным передачам переменные мгновенные передаточные отношения и, следовательно, наличие динамических нагрузок, ограничение сроков службы по износу шарниров цепи, повышенные габаритно-массовые характеристики и шум при работе, необходимость применения натяжных устройств для цепи из-за ее вытяжки, неуравновешенность дискового генератора волн.
Известен волновой зубчатый редуктор, содержащий жесткое и гибкое колеса и дисковый генератор, выполненный в виде коленчатого вала с установленными на нем параллельно один другому тремя цилиндрическими дисками, два из которых являются рабочими, а третий - уравновешивающим. Недостатками такого выполнения дискового генератора волн являются: сложность конструктивного исполнения, повышенные инерционные и массово-габаритные характеристики из-за наличия дополнительного уравновешивающего диска, отсутствие регулировочных устройств для точной отстройки от дисбалансов.
Другой вид гибкой связи - ремень использован в изобретении волновой ременной передачи, содержащей ведомый шкив, гибкий ремень, на внешней поверхности ремня выполнены зубья, зацепляющиеся с зубчатым сектором, закрепленном в корпусе, посредством вращения волнового роликового генератора, установленного на ведущем валу [5, 6]. Эта передача выполнена с несоосными ведущим и ведомым валами и к предлагаемому изобретению имеет косвенное отношение, как решение с использованием в качестве гибкого элемента - ремня с внешними зубьями. Недостатки: отсутствие описания структуры ремня, нет решения о компенсации вытяжки ремня в процессе работы, ведомый шкив выполнен с гладким ободом, что требует поддержания при работе высокого значения натяжения ремня.
Технической задачей заявленного изобретения является: повышение КПД, плавности и бесшумности работы передачи, снижение нижнего предела передаточных отношений, габаритно-массовых характеристик и требований к точности изготовления зубчатых зацеплений, снижение динамических нагрузок за счет уравновешивания дискового генератора волн.
Эта задача решается за счет того, что в известной волновой зубчатой передаче, содержащей два жестких колеса с внутренними зубчатыми венцами, одно из которых неподвижно установлено в корпусе, а другое выполнено за одно с выходным валом, короткое гибкое колесо с двумя внешними зубчатыми венцами, деформируемое одним двухволновым генератором, согласно изобретению гибкое колесо сборное, повышенной гибкости, выполненное из стального подкладного кольца, скрепленного с лентой сложной структуры, состоящей из срединного несущего слоя - тонкой цилиндрической металлической упругой оболочки - и эластичного связующего; генератор выполнен дисковым, с уравновешивающими грузами и регулировочными прокладками.
Сборная конструкция гибкого колеса существенно снижает изгибную жесткость и напряжения в ее элементах, что позволяет использовать большие деформации, чем у монолитных стальных гибких колес, и, следовательно, снижать нижний предел передаточных отношений. Тонкая цилиндрическая металлическая оболочка, упругая и свободная от концентраторов напряжений, являясь несущим слоем гибкого колеса, позволяет избежать вытяжки ленты, характерной для гибкой связи. Подкладное стальное кольцо, скрепленное с лентой, например, с помощью вулканизации, предохраняет связующее ленты от раскатывания их дисками генератора, способствует повышению жесткости и сохранению формы свободных участков гибкого колеса под нагрузкой.
Связующее, выполненное из эластичного материала, например, из резины или синтетического эластомера, позволяет снизить требования к точности изготовления зубчатых соединений, выполнять зубья крупномодульными, способствует плавности и бесшумности работы передачи.
м
п
Нагрузочные способности волновой передачи с предложенным коротким гибким колесом (ПКГК) и волновой передачи с монолитным стальным коротким гибким колесом (МСКГК) соизмеримы при одинаковых делительных диаметрах d и d гибких колес.
м
вых.м.
м
Для сравнения можно воспользоваться известным волновым редуктором с МСКГК со следующими данными ([1], с.170, рис.11.7, табл.11.2): диаметр колеса d=81,3 мм, момент на выходном валу Т=65 Нм, при передаточном числе i=78.
п
p
п
Применим в качестве ленты в ПКГК стандартный отечественный зубчатый ремень [7] с диаметром d=80 мм (модуль m=2 мм, число зубьев z=40) и шириной b=16 мм.
вых.п.
Допустимое значение момента Т волнового редуктора с ПКГК можно оценить по известной формуле [1], которую преобразуем к следующему виду
k
где  - угол, определяющий размер зоны зацепления [1]; [p]=2,5 МПа - допустимое контактное давление для поверхности зубьев отечественных зубчатых ремней [7]. При подстановке соответствующих данных в формулу (1) получим
вых.п
вых.м.
Как видно Т практически равен Т.
п
p
м
Отметим, что в рассмотренном примере ПКГК, в отличие от МСКГК, крупномодульное (m>1 мм) позволяет реализовать в редукторе меньшее передаточное отношение (i=z/2=20, а i=78) и, следовательно, более высокое значение КПД, так как с уменьшением i КПД волновой передачи существенно повышается [1].
Генератор волн в предлагаемом изобретении - дисковый, как обладающий минимальной инерционностью, кроме этого при больших деформациях гибкого колеса в случае установки кулачкового генератора элементы гибкого подшипника могут оказаться неработоспособными по критериям прочности и выносливости. Для уравновешивания дискового генератора волн установлены корректирующие грузы и регулировочные прокладки для точной отстройки от дисбалансов.
1
2
1
2
1
2
На фиг.1 приведена волновая зубчатая передача (разрез по продольной оси), содержащая корпус 1, два жестких колеса 2 и 3, гибкое колесо 4, деформируемое дисковым генератором волн 5, ведущий 6 и выходной 7 валы. Жесткие колеса с внутренними зубчатыми венцами b и b, колесо 2 неподвижно установлено в корпусе 1, колесо 3 выполнено совместно с выходным валом 6. Гибкое колесо 4 сборное, повышенной гибкости выполнено из стального подкладного кольца 8, скрепленного с лентой сложной структуры, состоящей из несущего слоя - тонкой металлической цилиндрической оболочки 12 и эластичного связующего 15 с двумя внешними зубчатыми венцами g и g, которые входят в зацепления с венцами b и b. Дисковый генератор 5 двухволновой состоит из двух втулок 16, выполненных с эксцентриситетом и установленных на ведущем валу 7 с помощью шлицевого соединения, подшипников 17, посаженных с небольшим натягом на втулки 16 и дисков 18, установленных на подшипниках 17; на дисках 18 установлены уравновешивающие грузы 19 и регулировочные прокладки 20.
1
2
На фиг.2 приведена конструкция гибкого колеса. Гибкое колесо сборное, повышенной гибкости выполнено из стального подкладного кольца 8, скрепленного с лентой 9 сложной структуры, состоящей из несущего слоя - тонкой металлической цилиндрической оболочки 12 и эластичного связующего 15 с двумя внешними зубчатыми венцами g и g.
1
2
1
2
Волновая зубчатая передача работает следующим образом: генератор волн 5(Н), деформируя гибкое колесо 4 вводит в зацепление ее венцы g и g с венцами b и b жестких колес 2 и 3. Из-за разных чисел зубьев  и  где U - число волн, в нашем случае U=2, а  происходит поворот гибкого колеса 4 относительно неподвижного жесткого колеса 2, а из-за разницы чисел зубьев  и  где U=2, a  - поворот жесткого колеса 3, выполненного за одно с выходным валом 6, относительно гибкого колеса 4 и преобразование движения между ведущим 7 и выходным 6 валами происходит в соответствии с общим передаточным отношением, равным
п
1
1
2
2
Передаточное отношение для волновых зубчатых передач с коротким металлическим гибким колесом находится в пределах =4000÷8000 при КПД <0,05 [1]. Для предлагаемой волновой зубчатой передачи передаточное отношение может быть реализовано существенно меньшим. Например, рассмотрим передачу с диаметром гибкого колеса d 80 мм; для зацепления (g - b) принимаем модуль m=2 мм и числа зубьев  и  а для зацепления (g - b) модуль m=1,5 мм,  и  По формуле (2) получим
КПД волновой зубчатой передачи с таким  оценивается равным 0,7 [1].
Как видно из сравнения, передаточное отношение предлагаемой волновой зубчатой передачи почти на 2 порядка меньше, чем у передачи со стальным гибким колесом, при этом с достаточно высоким значением КПД.
Таким образом, совокупность указанных преимуществ и существенных признаков позволяет получить заявленный технический результат - повышение КПД, снижение нижнего предела передаточных отношений и требований к точности изготовления зубчатых зацеплений, уменьшение габаритно-массовых характеристик, плавность и бесшумность работы передачи, снижение динамических нагрузок за счет точного уравновешивания дискового генератора волн.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. М.Н. Иванов. Волновые зубчатые передачи. - M.: Высшая школа, 1981.-184 с.
2. Патент США №2943513 - прототип.
3. Патент СССР №1772468.
4. Патент РФ №2203443.
5. Патент РФ №94003936.
6. Патент РФ №2108503.
7. С.Н. Кожевников, А.П. Погребняк. Конструирование и расчет механизмов с зубчатыми ременными передачами. Справочное пособие. - Киев.: Наукова Думка, 1984. - 112 с.