ДУБЛИРОВАННЫЙ ВОЛНОВОЙ ПРИВОД
DUPLEX WAVE DRIVE

Изобретение относится к деталям машин и может быть использовано в качестве приводов изделий авиационной и ракетной техники.
Известен дублированный волновой привод, содержащий корпус, установленную в нем волновую передачу с неподвижным гибким колесом, два электродвигателя и установленный неподвижно относительно жесткого колеса выходной вал [1]. На валах электродвигателей установлены шестерни, связанные с генератором волн через зубчатое колесо. Недостатком этого привода являются значительные радиальные габариты, что вызвано параллельной установкой электородвигателей.
Этого недостатка дублированный волновой привод, содержащий корпус со сквозной внутренней полостью и крышкой, установленные в нем первый электродвигатель, жестко связанный с крышкой, первую волновую зубчатую передачу, гибкое колесо которой связано зубчатой муфтой с крышкой, а ее генератор волн связан с валом первого электродвигателя, а также размещенное на двух подшипниках, установленных в сквозной внутренней полости, двухвенцовое жесткое колесо с внутренним зацеплением, первый венец которого введен в зацепление с зубчатым венцом гибкого колеса первой волновой зубчатой передачи, а второй венец - с гибким колесом второй волновой зубчатой передачи, которое связано зубчатой муфтой с двухопорным выходным валом, и второй электродвигатель, закрепленный в полости выходного вала и связанный с генератором волн второй волновой зубчатой передачи, выбранный в качестве прототипа [2].
Недостатком такого дублированного волнового привода являются сложность конструкции и низкая технологичность, вызванная наличием значительного количества базирующих поверхностей разного диаметра - для подшипников выходного вала и подшипников жесткого колеса, а также базирующей поверхности для крышки корпуса - и необходимостью жесткой фиксации как выходного вала, так и двухвенцового жесткого колеса. Кроме того, завершающий этап сборки дублированного выходного привода - стыковка крышки с корпусом - выполняется вслепую, т.к. ввод зубьев гибкого колеса, установленного в крышке, в зубья двухвенцового гибкого колеса, трудно проконтролировать визуально, т.к. контроль доступен только через щель между крышкой и корпусом, уменьшающуюся до нуля в процессе сборки. При этом возможно закусывание зубьев гибкого и жесткого колес, появление заусенцев, последующий отрыв которых может вызвать заклинивание привода или ухудшение его характеристик.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является упрощение конструкции и повышение технологичности.
Этот результат достигается за счет того, что в известном волновом приводе, содержащем корпус со сквозной внутренней полостью и крышкой, установленные в нем первый электродвигатель, жестко связанный с крышкой, первую волновую зубчатую передачу, гибкое колесо которой связано зубчатой муфтой с крышкой, а ее генератор волн связан с валом первого электродвигателя, а также размещенное на двух подшипниках, установленных в сквозной внутренней полости, двухвенцовое жесткое колесо с внутренним зацеплением, первый венец которого введен в зацепление с зубчатым венцом гибкого колеса первой волновой зубчатой передачи, а второй венец - с зубчатым венцом гибкого колеса второй волновой зубчатой передачи, которое связано зубчатой муфтой с двухопорным выходным валом, и закрепленный в полости выходного вала второй электродвигатель, вал которого связан с генератором волн второй волновой зубчатой передачи, согласно изобретению поверхность сквозной внутренней полости выполнена цилиндрической, наружная поверхность крышки выполнена цилиндрической, подшипники двухвенцового жесткого колеса зафиксированы в осевом направлении относительно него, на внутренней поверхности двухвенцового жесткого колеса между его венцами выполнен бурт с внутренним диаметром, меньшим или равным минимальному внутреннему поперечному размеру деформированных гибких колес, на выходном валу выполнен обращенный в сторону первого электродвигателя соосный поверхности сквозной внутренней полости выступ, генератор волн второй волновой зубчатой передачи установлен на опоре, размещенной на выступе, являющейся общей опорой и для выходного вала, а вторая опора выходного вала размещена в установленной в корпусе втулке и зафиксирована в осевом направлении как относительно выходного вала, так и относительно втулки, при этом крышка и втулка жестко соединены с корпусом, а наружные поверхности крышки, подшипников двухвенцового жесткого колеса и втулки выполнены с диаметрами, равными диаметру поверхности сквозной внутренней полости.
На иллюстрации приведен пример конкретного выполнения дублированного волнового привода, продольный разрез.
Дублированный волновой привод содержит корпус 1 со сквозной внутренней полостью 2 и крышкой 3, установленные в нем первый электродвигатель 4, жестко связанный с крышкой 3, и первую волновую зубчатую передачу 5, гибкое колесо 6 которой связано зубчатой муфтой 7 с крышкой 3, а ее генератор волн 8 связан с валом 9 первого электродвигателя 4 через промежуточный редуктор 10. В сквозной внутренней полости 2 на установленных в ней двух подшипниках 11 размещено двухвенцовое жесткое колесо 12 с внутренним зацеплением. Первый венец 13 жесткого колеса 12 введен в зацепление с зубчатым венцом 14 гибкого колеса 6 первой волновой зубчатой передачи 5, а второй венец 15 - с зубчатым венцом 16 гибкого колеса 17 второй волновой зубчатой передачи 18. Гибкое колесо 17 связано зубчатой муфтой 19 с двухопорным выходным валом 20. Второй электродвигатель 21 закреплен в полости 22 выходного вала 20, и его вал 23 связан с генератором волн 24 второй волновой зубчатой передачи 18 через промежуточный редуктор 25. Поверхность сквозной внутренней полости 2 выполнена цилиндрической, наружная поверхность 26 крышки 3 выполнена цилиндрической. Подшипники 11 двухвенцового жесткого колеса 12 зафиксированы в осевом направлении относительно него - в данном примере подшипники выполнены в виде разрезных колец из антифрикционного материала, размещенных в канавках 27 на наружной поверхности двухвенцового жесткого колеса 12. На внутренней поверхности двухвенцового жесткого колеса 12 между его венцами 13 и 15 выполнен бурт 28 с внутренним диаметром, меньшим или равным минимальному внутреннему поперечному размеру деформированных гибких колес 6 и 17. На выходном валу 20 выполнен обращенный в сторону первого электродвигателя 4 соосный поверхности сквозной внутренней полости 2 выступ 29, генератор волн 24 второй волновой зубчатой передачи 18 установлен на опоре 30, размещенной на выступе 29, являющейся общей опорой и для выходного вала 20. Эта опора выполнена в виде установленных рядом друг с другом двух подшипников 31, что улучшает условия работы подшипников за счет лучшего восприятия изгибающего момента со стороны генератора волн 24, однако может быть использована опора и в виде одного подшипника. Вследствие этого в формуле изобретения использован обобщающий термин «опора», который подразумевает как один подшипник, так и два (в приведенном примере конкретного исполнения). Вторая опора 32 (выполнена в виде шарикового подшипника) выходного вала 20 размещена в установленной в корпусе 1 втулке 33 и зафиксирована в осевом направлении как относительно выходного вала 20 - его заплечиком 34 и установленным на наружной поверхности выходного вала 20 пружинным кольцом 35, так и относительно втулки 33 - ее заплечиком 36 и установленным на внутренней поверхности втулки 33 пружинным кольцом 37. Крышка 3 и втулка 33 жестко соединены с корпусом 1 посредством радиальных штифтов 38 и 39 соответственно. Наружные поверхности крышки 3, подшипников 11 двухвенцового жесткого колеса 12 и втулки 33 выполнены с диаметрами, равными диаметру поверхности сквозной внутренней полости 2. В состав кулачкового генератора волн 24 входит подшипник 40 с гибкими внутренним и наружным кольцами (так называемый «гибкий» подшипник).
Дублированный волновой привод работает следующим образом: при включении электродвигателя 4 вращение его вала 9 (для определенности предположим, что он вращается по ч.с., глядя со стороны выходного вала 20, и в дальнейшем направления вращения всех элементов будем указывать именно с этого направления) через промежуточный редуктор 10 передается на кулачковый генератор волн 8 - он вращается против ч.с.), создавая в зубчатом венце 14 гибкого колеса 6 волну деформации, также движущуюся против ч.с. Т.к. гибкое колесо 6 в угловом положении неподвижно - за счет его фиксации к крышке 3 зубчатой муфтой 7, то за каждый оборот генератора волн 8 зубчатый венец 13 двухвенцового жесткого колеса 12 смещается в угловом направлении против ч.с. на величину, равную разности зубьев венцов 13 и 14. При этом двухвенцовое жесткое колесо 12 вращается на двух подшипниках 11, контактирующих своими наружными диаметрами с цилиндрической поверхностью сквозной внутренней полости 2, и своим вторым венцом 15 передает вращение на зубчатый венец 16 гибкого колеса 17 второй волновой зубчатой передачи 18. Поскольку закрепленный на выходном валу 20 электродвигатель 21 не включен, то его вал 23, промежуточный редуктор 25 и генератор волн 24 находятся в неподвижном относительно выходного вала 20 состоянии. Поэтому зацепление венцов 15 и 16 в данном случае работает, как зубчатая муфта, и передает вращение двухвенцового гибкого колеса 12 через тело гибкого колеса 17 и зубчатую муфту 19 на выходной вал 20, который вращается в своих опорах 30 и 32 с той же скоростью и в том же направлении - против часовой стрелки. В случае, если включен электродвигатель 21 и выключен электродвигатель 4, то дублированный волновой привод работает следующим образом: вал 9, промежуточный редуктор 10, генератор волн 8 и двухвенцовое жесткое колесо 12 неподвижны относительно корпуса 1. Вращение вала 23 против часовой стрелки через промежуточный редуктор 25 передается на кулачковый генератор волн 24 - он вращается по часовой стрелке, создавая в зубчатом венце 16 гибкого колеса 17 волну деформации, также движущуюся по часовой стрелке. Т.к. двухвенцовое жесткое колесо 12 неподвижно, то за каждый оборот генератора волн 24 зубчатый венец 16 смещается в угловом направлении против часовой стрелки на величину, равную разности зубьев венцов 16 и 15. Далее вращение гибкого колеса 17 передается через зубчатую муфту 19 на выходной вал 20, который вращается в своих опорах 30 и 32 против часовой стрелки. В случае если включены оба электродвигателя 4 и 21 и вращаются в вышеописанных направлениях, то их угловые скорости суммируются и вращение двухвенцового жесткого колеса 12, приводимого в движение от электродвигателя 4, суммируется на выходном валу с вращением гибкого колеса 17 (вызванного вращением вала 23 электродвигателя 21) относительно двухвенцового жесткого колеса 12. Обычно при работе в составе космических летательных аппаратов используется именно последний алгоритм работы привода, т.е. включены оба электродвигателя, и их валы вращаются в описанных выше направлениях (так называемая работа «в горячем резерве»). В случае отказа, например, электродвигателя 4 происходит остановка двухвенцового жесткого колеса 12, однако продолжается вращение вала 23 электродвигателя 21 и, как описано выше, вращение гибкого колеса 17 и выходного вала 20. В случае же отказа электродвигателя 21 прекращается вращение гибкого колеса 17 относительно двухвенцового жесткого колеса 12, но продолжается вращение последнего, приводимого в движение электродвигателем 4 - подробно этот режим также рассмотрен выше. В результате использования изобретения существенно упрощается конструкция дублированного волнового привода, т.к. все базирующие поверхности - наружные диаметры крышки 3 и втулки 33, а также подшипников 27 двухвенцового жесткого колеса 12 - выполнены одним диаметром, равным диаметру сквозной внутренней полости 2, что, во-первых, снижает количество калибров, необходимых при контроле размеров изготавливаемых деталей привода, и, во-вторых, упрощает изготовление самой сквозной внутренней полости за счет отсутствия каких-либо ступенек в ее сечении. Кроме того, повышается технологичность сборки привода, поскольку вся она может производиться вне корпуса 1 - все остальные детали и подсборки собираются методов осевой сборки, при этом ко всем элементам дублированного волнового привода открыт свободный визуальный доступ, после чего корпус 1 с любого торца надвигается на остальные собранные элементы привода, выставляется заданное чертежом взаимное осевое положение крышки 3 и корпуса 1 и установка штифтов 38, после чего малыми осевыми перемещениями втулки 33 обеспечивается заданный в техдокументации осевой зазор между торцами гибких колес 6 и 17 по отношению к торцовым стенкам бурта 28 и установка штифтов 39. Выполнение бурта 28 с внутренним диаметром, меньшим или равным минимальному внутреннему поперечному размеру деформированных гибких колес 6 и 17, позволяет обеспечить осевое положение двухвенцового жесткого колеса плавающим в пределах незначительного осевого зазора - т.к. наружные поверхности подшипников 11 (которые зафиксированы в осевом направлении относительно двухвенцового жесткого колеса и поэтому не могут выпасть внутрь привода) могут свободно перемещаться вдоль цилиндрической поверхности сквозной внутренней полости, - не влияющего на работоспособность зацеплений венцов 13 с 14 и 15 с 16, но позволяющего устранить возможность заклинивания элементов привода из-за тепловых деформаций и деформаций, вызванных механическими воздействиями на корпус. При этом практически отсутствует возможность попадания гибких колес 6 и 17 за торцы бурта 28 в пространство внутри него. Осевое положение генератора волн 24 обеспечивается его установкой на опоре 30, и подшипник 40 может (в пределах тепловых деформаций корпуса 1) перемещаться в осевом направлении вдоль гладкой внутренней поверхности гибкого колеса 17. Это устраняет возможный натяг между опорами 30 и 32 и обеспечивает их нормальные условия работы. При этом опора 30 сохраняет свою соосность корпусу 1 за счет того, что деформированное гибкое колесо 17 жестко базируется многопарным зацеплением своих зубьев с зубьями венца 15 двухвенцового жесткого колеса 12, а соосность генератора волн 24 гибкому колесу 17 обеспечивается тем, что наружная поверхность подшипника 40 находится в поверхностном контакте с внутренней поверхностью гибкого колеса 17, а внутренняя - с наружной поверхностью генератора волн 24. Возможное отклонение соосности гибкого колеса 17 относительно жесткого 12 с условием многопарности зацепления теоретически лежит в пределах бокового зазора зубьев в волновой зубчатой передаче. Величина максимального бокового зазора δ в зубчатых передачах находится обычно в пределах 0,2 мм [3]. Поэтому для максимальной оценки смещения гибкого колеса относительно жесткого можно принять эту величину, хотя в действительности за счет многопарности зацепления смещение гибкого колеса существенно меньше. Однако, приняв в качестве оценки радиального смещения гибкого колеса относительно жесткого завышенную величину δ=0,2 мм, при расстоянии между опорами 30 и 32 L=100 мм, получим, что радиальное смещение гибкого колеса 17 (а следовательно, и генератора волн 24) δ=0,2 мм приведет к угловому повороту (перекосу) выходного вала 20 по отношению к корпусу 1 на угол
А=δ/L=0,2/100=0,002[рад]≈0,114°=6,84′
Указанный перекос выходного вала не приводит к ухудшению работы опор 30 и 32, так как в случае использования в качестве опор радиальных шариковых подшипников перекос их внутренних колец по отношению к наружным не превосходит считающейся допустимой величины в 1/4°=15′ [4]. По отношению же к устанавливаемой на вал нагрузке перекос выходного вала также не является критичным, т.к. между валом волнового привода и валом исполнительного механизма, как правило, устанавливается компенсирующая муфта для компенсации несоосностей и угловых перекосов. Однако использование в качестве одной из опор выходного вала опоры 30 генератора волн 24 позволяет избежать практически неизбежного перекоса между двумя опорами выходного вала (в случае, если бы выходной вал крепился на опорах, одна из которых не совмещена с опорой генератора волн 24) и подшипниками 11 жесткого колеса. В заявленном же изобретении при сборке дублированного волнового привода на этапе, когда крышка 3 и оба подшипника 11 уже находятся внутри корпуса 1, а втулка 33 вводится внутрь него, возможная несоосность последней относительно корпуса 1 может быть выбрана незначительным угловым поворотом выходного вала за счет наклонения внутреннего кольца подшипника 40 относительно наружного, а также внутреннего кольца опоры 32 относительно ее наружного кольца.
Указанные преимущества - упрощение конструкции и повышение технологичности - позволяют рекомендовать заявленное техническое решение к использованию в агрегатах авиационной и космической техники.
Литература
1. Руденко В.Н. Планетарные и волновые передачи. М., Машиностроение, 1980, лист 71, рис.4.
2. Патент США N 3986412, кл. 74/661, 1976 г. (прототип).
3. Левин И.Я. Справочник конструктора точных приборов. М., Машиностроение, 1964, стр.459, табл.200.
4. Там же, стр.563.