Конический волновой редуктор с жесткими звеньями

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

УДК 621.817

КОНИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОЙ РЕДУКТОР С ЖЕСТКИМИ ЗВЕНЬЯМИ

Д.Б. Смирнов, A.B. Давыдов, Б.И. Иванов

Рассмотрены преимущества волновых редукторов с жесткими звеньями, описана конструкция вновь разработанного конического волнового редуктора с жесткими звеньями, проведено сравнение с цилиндрическими редукторами, освещены результаты выполненных исследований и испытаний, обозначены перспективы внедрения в серийное производство.

Ключевые слова: волновая передача, зубчатое зацепление, редуктор, прецесси-рующий редуктор, передаточное отношение, мертвый ход, механическая передача.

В устройствах приборов и систем управления широкое применение находят различные механизмы, установленные между двигателем - источником крутящего момента и исполнительным органом. Быстрое развитие приборостроения и систем управления характеризуются повышением требований к точностным характеристикам их выходных параметров, а также уменьшением массы, габаритов и увеличением долговечности и надежности работы. В передаточных механизмах трудоемкими звеньями являются зубчатые колеса. Требования, предъявляемые к ним в отношении точности изготовления, значительно выросли. Вместо зубчатых колес 8-й и 7-й степени точности во многих системах требуется применение зубчатых колес 6, 5 и 4-й степеней точности (ГОСТ 9178-81), что приводит к значительному удорожанию производства изделий.

Технологические возможности изготовления зубчатых колес с учетом имеющегося оборудования ограничены в основном 5-й и 6-й степенями точности (ГОСТ 9178-81). Зубчатые механизмы, составленные из колес такой степени точности, позволяют получить кинематическую точность

20...30 угл. мин. Резервы дальнейшего совершенствования зубчатых механизмов в этом направлении в определенной степени исчерпаны. Таким образом, применение обычных зубчатых механизмов практически не позволяет получить от новейших приборов и систем управления требуемой точности отработки менее 1 угл. мин.

Проблемы изготовления и контроля деталей высокоточных зубчатых передач (цилиндрические зубчатые колеса 5-й и 6-й степеней точности, червяки, червячные колеса, детали корпусов редукторов) относятся к одному из редукторов шагового двигателя, разработанного на нашем предприятии. К характерным особенностям данного редуктора можно отнести:

- передаточное отношение редуктора 50;

- мертвый ход не более 30 угл. мин.;

- применение шарикоподшипников трех типоразмеров общим количеством 10 шт.;

- применение комбинированных (сдвоенных) зубчатых колес из них четыре колеса 6-й степени и одно колесо 5-й степени точности по ГОСТ 9178-81;

- поля допусков на расположение координат межцентровых расстояний 0,01 мм.

Для снижения затрат на производство и повышения качества выпускаемой продукции была проведена работа по поиску альтернативных конструкционных и схемных решений. Критериями поиска были выбраны такие параметры, как невысокие требования по точности деталей, входящих в конструкцию, малая номенклатура применяемых деталей, возможность получения больших передаточных отношений в малых габаритных размерах, пригодность к изготовлению в имеющихся производственных условиях. Наиболее перспективным и отвечающим заявленным требованиям был выбран частный случай планетарного редуктора - конический волновой редуктор с жесткими звеньями.

К преимуществам такого типа редукторов (по литературным источникам) можно отнести:

- большое передаточное число при малых массе и габаритах;

- высокая кинематическая точность без применения зубчатых колес более 7-й степени точности;

- почти полное отсутствие мертвого хода;

- достаточно высокий КПД (~75 %);

- возможность получения эффекта самоторможения.

Возможность изготовления и применения в ответственных узлах с

требованием высокого ресурса и надежности подтверждает и серийное использование редукторов данного типа в электромеханическом приводе стояночной тормозной системы автомобилей Volkswagen, конструкция и принцип работы которого представлены на рис. 1.

Рис.1. Принцип работы редуктора стояночных тормозов

Результатом проведенных исследований и работ является вновь созданный малогабаритный двухступенчатый конический волновой редуктор с жесткими звеньями (рис. 2), характерной особенностью которого является одностороннее расположение зубчатых венцов всех конических колес. Данный вариант компоновки позволяет реализовывать двухступенчатый режим работы при минимальном осевом габаритном размере. В настоящее время конструкция данного редуктора запатентована.

Малогабаритный конический волновой редуктор содержит смонтированные в корпусе соосно ведущий и ведомый валы и две пары взаимодействующих между собой зубчатых конических колес. Ведущим является кривошипный вал 2, на наклонной оси которого вращается сборный блок, состоящий из двух конических колес, жестко соединенных между собой таким образом, чтобы зубчатые венцы располагались на одной стороне блока и только один зубчатый венец 9 входил в зацепление с коническим колесом, неподвижно закрепленным на корпусе 5, а другой зубчатый венец 4 блока имел зацепление с коническим колесом ведомого вала 7. Конструкция позволяет реализовать как одноступенчатый режим работы - при одинаковом количестве зубьев на одной из пар колес, так и двухступенчатый, при котором на каждой паре зубчатых конических колес должно быть выполнено разное количество зубьев.

Двухступенчатый конический волновой редуктор используется в машиностроении и может находить применение в различных механизмах приборов систем управления, оптико-механических устройствах в качестве кинематических и силовых приводов.

Использование жестких элементов этих передач в качестве несущих звеньев позволяет получить малогабаритный механический привод, кинематическую точность с большим передаточным отношением, малым значением мертвого хода, наличием самоторможения, а также повысить надежность и долговечность работы редуктора.

Рис.2. Волновой редуктор с жесткими звеньями: 1 - приводное зубчатое колесо,2 - корпусное коническое колесо;

3 - внешнее коническое колесо; 4 - внутреннее коническое колесо;

5 -колесо выходного вала; 6 - кривошипный вал; 7 - крышка;

8 - кожух; 9 - основание; 10,11 - шарикоподшипники

Недостаточная изученность вопросов конструирования конических волновых редукторов с жесткими звеньями в общедоступных источниках информации, отсутствие опыта применения, разработки и изготовления подобных конструкций Центром потребовало необходимости создания и испытаний опытного образца, предложенных кинематической схемы и конструктивных решений редуктора.

Вновь разработанный редуктор был изготовлен в одних и тех же габаритах, но в трех исполнениях с разными передаточными числами: 50, 312, 2500. На базе шагового двигателя и имеющейся контрольно-испытательной аппаратуры (КИА) каждое из исполнений конического волнового редуктора было подвергнуто следующим испытаниям:

- определение мертвого хода и осевого перемещения выходного вала на всех исполнениях;

- установление передаточного отношения прикладным методом всех исполнений конического волнового редуктора в составе имеющейся КИА;

- вычисление КПД конического волнового редуктора в нормальных условиях;

- сравнительная проверка крутящего момента на выходном валу конического волнового редуктора и штатного цилиндрического редуктора в составе с одним и тем же шаговым двигателем на одном образце;

- определение максимального момента самоторможения при нормальных условиях на одном образце.

Результаты проведенных исследований и испытаний

Передаточное отношение 50 312 2500

Мертвый ход, угл. мин. < 30 < 30 < 30

Осевое перемещение выходного вала, мм < 0,01 < 0,01 < 0,01

Проверка передаточного отношения прикладным методом, (подтверждено/не подтверждено) Подтв. Подтв. Подтв.

Измеренный КПД, % 40 5 2

Максимальный момент самоторможения, г* см 3250 - -

Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод, что мертвый ход и осевое перемещение выходного вала не зависят от передаточного отношения. Более того, учитывая конструктивную особенность, они могут быть сведены к минимально необходимым значениям, обеспечивающим устойчивую работу редуктора при всех эксплуатационных условиях. Данные КПД получены методом прямого измерения и учитывают много факторов: потери в шарикоподшипниковых опорах, влияние направления потоков крутящих моментов. Малые значения КПД при больших передаточных отношениях могут быть вызваны несовпадением направлений вращений на внутренних и внешних парах колес. Максимальный момент самоторможения был получен при измерении КПД, поскольку при большем крутящем моменте появились проскальзывание, проворот на выходном валу технологической оснастки (шкива). Проверка передаточного отношения прикладным методом была сведена к проверке точности отработки шаговым двигателем заданного количества импульсов.

Уже на данном этапе после проведенных исследований очевидна возможность замены штатного редуктора на вновь разработанный конический волновой редуктор для шагового двигателя.

Конические волновые редукторы с жесткими звеньями могут быть так же найти и в механизмах приборов и систем управления, оптико-механических устройствах, в качестве кинематических и силовых приводов.

Список литературы

1. Справочник конструктора точного приборостроения / Г.А. Вер-кович, Е.Н. Головенкин, В.А. Голубков [и др.]; под общей редакцией К.Н. Явленского, Б.П. Тимофеева, Е.Е. Чаадаевой. Л.: Машиностроение. Ле-нингр. отделение, 1989. 792 с.

2. Павлов Б.И. Механизмы приборов и систем управления. Л.: Изд-во «Машиностроение», 1972 г. 232 с.

Смирнов Дмитрий Борисович, ведущий инженер-конструктор, smirnovdb1987@yandex.ru, Россия, Москва, ФГУП «Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина»,

Давыдов Андрей Вадимович, нач. лаборатории, otd05@ npcap.ru Россия, Москва, ФГУП «Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н. А. Пилюгина»,

Иванов Борис Иванович, начальник конструкторско-технологического отделения, Россия, Москва, ФГУП ««Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А.Пилюгина»

CONICAL WAVE REDUCER WITH HARD LINKS D.B. Smirnov, A. V. Davidov, B.I. Ivanov

The paper considers the advantages of wave gears with hard links, the design of a newly designed conical wave reducer with hard links, a comparison is made with cylindrical gears, the results of the research and testing and outlines perspectives for implementation in serial production.

Key words: wave transmission, gearing, reducer, transmission ratio, backlash, mechanical transmission.

Smirnov Dmitry Borisovich, lead engineer, smirnovdb198 7@yandex. ru, Russia, Moscow, Academician Pilyugin Center,

Davidov Andrey Vadimovich, head of laboratory, otd()5anpcap. ru, Russia, Moscow, Academician Pilyugin Center,

Ivanov Boris Ivanovich, head of construction-technological Department, Russia, Moscow, Academician Pilyugin Center