Как работает волновая передача

В волновом редукторе частота вращения уменьшается за счёт волнового деформирования гибкого зубчатого колеса и разности чисел зубьев зацепляющихся колёс. Ниже разберём, как это работает и какие параметры важны при выборе.

Три основных звена

В распространённой конструкции работают гибкое зубчатое колесо, жёсткое зубчатое колесо и генератор волн. Гибкое колесо имеет тонкую упругую стенку и наружные зубья. Жёсткое колесо представляет собой кольцо с внутренними зубьями. Генератор волн включает кулачок и гибкий подшипник, который передаёт колесу заданную деформацию.

Назначение этих деталей различается. Гибкость стенки позволяет менять форму зубчатого венца, а достаточная жёсткость кольца сохраняет геометрию сопряжения. В типовой схеме редуктора генератор соединён с двигателем, жёсткое колесо закреплено, а выход связан с гибким колесом. Другие схемы требуют отдельного кинематического расчёта.

Откуда появляется медленное вращение

После установки генератора волн зубчатый венец гибкого колеса принимает приблизительно эллиптическую форму. Вблизи большой оси его зубья входят в зацепление с жёстким колесом. Вблизи малой оси они выходят из зацепления. Вращение генератора перемещает эти зоны по окружности: деформируется не один неподвижный участок, а последовательно весь гибкий венец.

В описанной каталогом схеме жёсткое колесо имеет на два зуба больше гибкого. Поэтому за полный оборот генератора гибкое колесо смещается на два зуба в противоположную сторону. Например, при условных 200 зубьях гибкого колеса это соответствует одному сотому оборота выхода.

Для этой схемы отношение угловых скоростей i = ωвх / ωвых = −zг / (zж − zг), где zг и zж — числа зубьев гибкого и жёсткого колёс. Знак «−» указывает противоположные направления вращения; в карточках редуктора передаточное число приводится по модулю. При zг = 200 и zж = 202 получаем i = −100. Формула относится к закреплённому жёсткому колесу и выходу с гибкого колеса.

Почему конструкция получается компактной

Большое передаточное число достигается за счёт небольшой разницы чисел зубьев, а не последовательного набора нескольких обычных ступеней. Основные звенья расположены соосно. Одновременно в передаче нагрузки участвует много зубьев, поэтому усилие распределяется между несколькими контактами. Эти особенности полезны в приводах, где ограничены диаметр, длина и масса.

Допустимая нагрузка зависит от гибкого колеса, зубчатого зацепления и подшипников. При выборе учитывают средний и пиковые моменты, частоту вращения, внешние нагрузки и требуемый ресурс.

Передача и редуктор в сборе

Сборочный комплект оставляет конструктору задачу спроектировать корпус, опоры и монтажные сопряжения. Редуктор в сборе может включать выходную опору, фланец и другие элементы. Их наличие определяет конкретное исполнение. Технический каталог отдельно описывает стаканное гибкое колесо семейства FS и колесо с наружным фланцем семейства FH.

Полое исполнение удобно, когда через центр необходимо провести коммуникации. Свободный проход проверяют с учётом муфты, крепежа и выходного узла. Тип подшипника также зависит от исполнения: например, в FSN Mini применяется четырёхточечная шариковая опора.

Люфт, жёсткость и точность — разные характеристики

Кинематическая погрешность показывает, насколько фактический угол выхода отличается от теоретического. Крутильная жёсткость характеризует упругое закручивание при приложении момента. В каталоге она задаётся несколькими участками K1, K2 и K3: поведение передачи при малой нагрузке нельзя описывать только значением для нагруженного участка.

Показатель backlash в техническом каталоге измеряется при небольшом знакопеременном моменте, а lost motion определяется по другой точке характеристики. Эти величины нельзя объединять в одну строку «точность». Даже малый заявленный люфт не означает отсутствия упругого углового смещения. В таблицах также необходимо различать угловые секунды и минуты: одна минута равна 60 секундам.

Что проверить перед применением

Для практического выбора нужны полное обозначение редуктора, его таблица характеристик и монтажный чертёж. Проверяют рабочий цикл, тип входного соединения, выходную опору, количество смазки и условия эксплуатации. Совпадение передаточного числа или наружного диаметра ещё не подтверждает взаимозаменяемость двух изделий.

Характеристики и чертежи конкретных моделей собраны в каталоге редукторов.

Литература

Принцип действия и кинематика: Дунаев П. Ф., Леликов О. П. «Детали машин. Курсовое проектирование», 1984, глава 12, с. 185–186; Леденёва Н. Ф. «Механика. Детали машин», 2005, § 2.4, с. 35–38. Учебное пособие Леденёвой. Конструкция и численные параметры изделий — по техническим каталогам Modulmex.