Волновая передача
Как работает волновая передача?
Волновая зубчатая передача состоит из трёх основных деталей: генератора волны, гибкого кольца и жёсткого кольца. Генератор волны представляет собой тонкостенный шарикоподшипник напрессованный на эллиптическую втулку. Гибкое кольцо — это тонкостенное зубчатое колесо с внешним зубом. При сборке редуктора генератор волны устанавливается внутрь гибкого кольца. Диаметр гибкого кольца несколько меньше чем диаметр генератора волны, и при сборке гибкое кольцо принимает форму генератора волны. Жёсткое кольцо представляет собой прочное жёсткое зубчатое кольцо с внутренним зубом. Количество зубьев жёсткого кольца обычно на 2 зуба (реже – на 4) меньше чем у гибкого кольца. Гибкое кольцо, установленное на генератор волны, помещается внутрь жёсткого кольца и входит в зацепление с ним в двух зонах, расположенных по большой полуоси эллипса генератора волны. Вне этих зон зацепления зубья жёсткого и гибкого кольца не находятся в контакте.
Strain Wave Gear Principle — Harmonic Drive AG
А можно ли по-другому?
Описанный способ использования – неподвижное жёсткое кольцо, вход на генератор волны и выход с гибкого кольца — не единственный способ использования волнового редуктора. В качестве входа и выхода можно использовать любые из трёх указанных деталей волнового редуктора в любых сочетаниях. При этом редуктор может становиться понижающим или повышающим, изменяться передаточное число и направление вращение выхода относительно входа.
Описанная выше классическая схема волнового редуктора, в которой подшипник генератора волны принимает свою форму благодаря эллиптической втулке, не является единственной. Вместо втулки может применяться коромысло с роликами (Harmonic Drive Polimer) или планетарная ступень (Micromotion). В последнем случае речь, строго говоря, идёт уже о двухступенчатом планетарно-волновом редукторе. Также возможны варианты конструкции волнового редуктора с тремя зонами зацепления вместо двух и генератором волны более сложной формы, но они применяются редко.Чем отличается волновая передача?
- Высокое передаточное отношение на одну ступень (для большинства серийных изделий Harmonic Drive от 50:1 до 160:1, для отдельных серий и специальных разработок – от 30:1 до 320:1)
- Передаточное отношение ограничено снизу: не менее 30:1
- Высокий удельный момент в расчёте на единицу объёма и массы
- Короткая осевая длина
- Возможность легко реализовать передачу вращения в другую среду
- Возможность легко реализовать большой полый вал
- Высокая точность (HDAG)
- Отсутствие люфта (HDAG)
- Стабильность точностных характеристик в течение срока службы
- Ограниченная жёсткость на скручивание
- Несамостопорящяяся (подвержена обратному прокручиванию)
- Высокая надёжность вследствие простоты конструкции
Основные отличительные свойства волновой передачи — высокая точность, низкая масса и малая осевая длина – однозначно указывают на те случаи, когда применение волновой передачи является наиболее оправданным. По этой причине волновая передача часто применяется в применениях, требующих высокой точности, таких как высокоточные станки, роботы и промышленные манипуляторы самого разного назначения, приводы ориентации антенн связи и радаров, или требующих хороших массо-габаритных показателей: авиационная и космическая техника, оборудование для мобильных платформ. Кроме того, возможность реализации редукторов с полым валом позволяет создавать компактные конструкции многоосевых систем за счёт расположения внутри полого вала вращающихся контактных устройств (токосъёмников) для передачи электрических, оптических или гидравлических цепей на следующую ступень подвижности. Похожим образом можно размещать внутри полого вала другой вал, передающий вращение на следующую ступень подвижности, получая определённый выигрыш за счёт размещения двигателей в неподвижной части системы.
Классификация редукторов
На сегодняшний день типы редукторов классифицируются на основе:
- типа механической передачи;
- расположения элементов в пространстве;
- конструктивных особенностей.
В зависимости от расположения элементов они бывают вертикального и горизонтального исполнения. Среди различных типов можно выделить традиционные механические и мотор-редукторы (с дополнительно установленной двигательной установкой).
Основная, общепринятая классификация редукторов разработана в зависимости от типа передачи и по форме шестерен:
Цилиндрический и конический редуктор
В основе таких моделей используются конические и цилиндрические передачи. Данный тип прямого редуктора характеризируется высоким уровнем КПД (более 80%, в зависимости от количества зубьев). Еще одним преимуществом является практически полное отсутствие нагрева из-за отсутствия нагревающихся элементов. Это позволяет добиться простоты механизма, отсутствия необходимости в дополнительных мерах охлаждения. Данный тип получил высокую популярность благодаря надежности и долговечности.
Планетарный
Отличается от большинства других видов схемой расположения элементов. В его основе лежит планетарная передача. Основной ее функцией можно назвать преобразование поступающего момента. Подобные модели отличаются компактностью благодаря тому, что рабочие элементы находятся в одной геометрической оси, чего нельзя встретить в стандартных механизмах. Широко распространены в сфере приборостроения и машиностроения. Они позволяют комбинировать преимущества цилиндрических и червячных.
Позволяют также добиться оптимального соотношения производительности, компактности, надежности и долговечности.
Червячный
В основе этого вида лежит червячная передача, которая позволяет использовать его для различных целей. Использование этой модели помогает преобразовывать как прямой, так и угловой крутящий момент. В основе конструкции лежит спиралевидный винт, который формой напоминает червяка, из-за чего он получил свое название. Используется довольно редко, так как не отличается надежностью и высокой производительностью. В некоторых случаях при повышении нагрузки может выйти из строя. Несмотря на свои недостатки, он прочно занял свое место в машиностроении, так как является незаменимым при передаче усилия между перпендикулярно расположенными валами.
Волновой
Имеет особенный характеристический размер и тип конструкции, в основе которой лежит неподвижный корпус с нарезанными зубьями. Внутри корпуса расположен гибкий элемент, усилие на которые передается ведущим валом, соединенным с ним. Гибкий элемент изготовлен в виде овала, благодаря чему при движении внутри корпуса создает волнообразные движения.
Данный тип отличается высокой производительностью, имея высокое передаточное отношение, достичь которое невозможно с помощью других моделей
Отличается компактными размерами, что особо важно для использования в точном машиностроении
Следует отметить, что современные тенденции машиностроения требуют особых характеристик от редукторов. Из-за этого все большего распространения получают комбинированные модели. Цилиндрические модели дополняют коническими горизонтальными передачами. Червячные дополняются дополнительными валами, а также некоторые модели оснащаются дополнительными моторами.
Различные виды мотор-редукторов получили широкое распространение благодаря тому, что в одном механизме объединяют еще и электродвигатель и все необходимые дополнительные элементы.
Волновой редуктор: принцип работы, устройство, применение, типы
Появление и дальнейший процесс развития волновой передачи был осуществлен в далеком 1959 году. Изобретателем, а также человеком, который запатентовал эту технологию, стал американский инженер Массер.
Волновой редуктор состоит из нескольких основных элементов:
- Неподвижное колесо, имеющее внутренние зубья.
- Вращающееся колесо, имеющее наружные зубья.
- Водило.
Среди преимуществ, которые можно выделить у этого способа передачи движения, – меньшая масса и размеры устройства, более высокая точность с кинематической точки зрения, а также меньший мертвый ход.
Если есть необходимость, то использовать такой тип передачи движения можно и в герметичном пространстве, не используя при этом уплотняющие сальники. Данный показатель наиболее важен для такой техники, как авиационная, космическая, подводная.
Кроме того, волновой редуктор применяется и в некоторых машинах, использующихся в отрасли химической промышленности.
Принцип работы редуктора
С кинематической точки зрения, волновые передачи – это разновидность планетарных передач, которая имеет одно гибкое и зубачатое колесо.
Принцип работы волнового редуктора заключается в следующем. Неподвижное колесо устройства крепится в нужном корпусе, а выполняется оно в виде простого зубчатого колеса, имеющего внутреннее зацепление.
Гибкое же зубчатое колесо выполняется в форме стакана, обладающего тонкой стенкой, легко поддающейся деформации. В более толстой части этого же колеса, то есть левой, нарезают зубья, в то время как правая часть выполняется в форме вала.
Само же движение осуществляется за счет того, что происходит деформация зубчатого венца гибкого колеса.
Принцип работы устройства
Принцип работы волнового редуктора основывается на деформации гибкого элемента, которая обеспечивает движение зубчатого колеса внутри втулки. Деформация происходит под действием специального эксцентричного механизма, который растягивает гибкую деталь до образования двух точек соприкосновения внутренней шестеренки с зубцами внешней втулки.
Благодаря зацеплению зубьев между собой появляется возможность продолжить вращение внутренней части. При этом количество зубьев у гибкого элемента меньше, чем это число у неподвижного элемента.
Благодаря этому факту и получается обеспечивать требуемую плавность и точность движений.
Волновой мотор редуктор представляет собой волновую передачу, объединенную с электрическим двигателем. Они имеют очень широкую сферу применения во многих отраслях промышленности. Этим обусловлено большое количество различных вариантов исполнения. Двигатели отличаются размерами, максимально возможной нагрузкой, мощностью и коэффициентом полезного действия.
Из преимуществ силовых агрегатов данного типа можно отметить более компактные габариты, чем у других моторов при одинаковой мощности. Также они способны длительное время работать на предельных нагрузках без видимого износа основных механизмов. Волновые моторы характеризуются низким уровнем шума при работе и практически отсутствующей вибрацией.
Конструкции редукторов
В настоящее время науке известно множество разнообразных конструкций для волнового редуктора. Чаще всего предназначение всех этих устройств – это преобразование входного вращательного движения в выходное вращательное или же выходное поступательное.
Также стоит отметить, что волновую передачу можно рассматривать, как разновидность многопоточного планетарного механизма. Это вполне возможно, так как эти механизмы обладают многозонным, а если брать в расчет зубчатый механизм, то еще и многопарным контактом между выходным звеном и гибким колесом механизма.
Также можно добавить, что в зависимости от числа зон или же волн в устройстве они подразделяются на одноволновые, двухволновые и т.д.
Волновой мотор-редуктор
Описание данного типа волновой передачи можно сделать на основе мотора редуктора модели МВз2-160-5,5. Данная модель обладает сдвоенной волновой зубчатой передачей.
Конструкция данного редуктора состоит из гибкого колеса, которое выполнено в виде кольца с тонкими стенками и двумя зубчатыми венцами.
Кроме того, в конструкции имеется и общий для этих деталей кулачковый генератор волн, обладающий гибким подшипником.
Также у этой модели есть несколько особенностей, касающихся конструкции редуктора:
- Размер вдоль оси вала невелик.
- Генератор волн плавающего типа, а соединение с валом электродвигателя шарнирное.
- На конце выходного вала этого устройства располагаются прямобочные шлицы.
Этот тип мотора-редуктора может использоваться, как индивидуальный приводной модуль.
Классификация в зависимости от сферы применения
В зависимости от сферы применения редукторы под газовый баллон разделяются на несколько видов:
- Бытовые нерегулируемые.
- Универсальные регулируемые
- Профессиональные.
Бытовые нерегулируемые
К этому виду относятся самые простые редукторы, применяемые в бытовом газоснабжении домовладений и в походных условиях. Вместе с бытовыми газовыми баллонами устанавливают редукторы РДСГ. Они имеют простейшую конструкцию, позволяющую использовать газ только в бытовых плитах и отличаются дешевизной и надежностью. Редуктор лягушка для газового баллона, или РДСГ-1 используется вместе с емкостями от 12 до -50 литров.
Для пятилитровых газовых баллонов, популярных у дачников, туристов и охотников, используют модель РДСГ-2 Балтика. Редуктор Балтика надевается на ниппель газового баллона сверху и фиксируется в резиновом уплотнении специальным зажимом. Редукторы настроены на рабочее давление 0,3 МПа и пропускную способность 1,2 м 3 /час
Универсальные регулируемые
Этот класс редукторов отличается более сложной конструкцией и более широкими возможностями. Их уже можно применять как для бытового газоснабжения, так и для производства работ в домашней мастерской. Эти редукторы имеют обязательно резьбовое присоединение к газовому баллону, надежно фиксирующее устройство.
Универсальный регулируемый для пропана с манометром
Они также снабжены манометром и регулировочным винтом, позволяющим менять рабочее давление от 0 до 0,3 МПа, в зависимости от потребностей подключенного к ним устройства–потребителя газа. Эти устройства также имеют большую, чем у бытовых, пропускную способность — до 5 м 3 /час
Профессиональные
Этот класс характеризуется применением более износостойких материалов и лучшее качество сборки и регулировки. Также шире и параметры регулировок рабочего давления – от 0,4 до 1,6 МПа.
Профессиональный редуктор с двумя манометрами
Некоторые модели снабжены двумя манометрами — для входного и рабочего давления соответственно.
Газовые
Эти агрегаты являются устройствами, которые способны понижать давление на выходе из какой-либо емкости (например, в баллоне).
Существуют следующие виды газовых редукторов:
- Кислородные, применяющиеся на многих машиностроительных предприятиях. С помощью таких редукторов можно выполнять любые автогенные работы. Например, сваривать или паять детали.
- Ацетиленовые, которые часто применяются в коммунальном хозяйстве для резки трубопроводов.
- Воздушные редукторы. Такие агрегаты используют многие предприятия. С их помощью можно непрерывно поддерживать необходимое давление воздуха в сетях и коммуникациях. Кроме того, подобные виды редукторов используют в дайвинге как устройства, которые способны снижать давление дыхательной смеси.
- Пропановые, использующиеся в металлургии. Они помогают рабочим проводить различные автогенные работы, наподобие резки или пайки. Кроме того, эти редукторы можно встретить и в быту. Ярким примером являются плиты, в которых встроены подобные регуляторы давления газа.
Обслуживание и ремонт
Сложность рассматриваемого механизма определяет то, что возникает необходимость в своевременном обслуживании и проведении ремонта
Для начала уделим внимание тому, каким образом проводится расчет планетарного редуктора. Среди особенностей этого процесса отметим следующие моменты:. Определяется требуемое число передаточных ступеней
Для этого применяются специальные формулы. Определяется число зубьев и расчет сателлитов. Зубчатые колеса могут иметь самое различное число зубьев
Определяется требуемое число передаточных ступеней. Для этого применяются специальные формулы. Определяется число зубьев и расчет сателлитов. Зубчатые колеса могут иметь самое различное число зубьев
В рассматриваемом случае их число довольно много, что является определяющим фактором
Уделяется внимание выбору наиболее подходящего материала, так как от его свойств зависят и основные эксплуатационные характеристики устройства. Определяется показатель межосевого расстояния
Делается проверочный расчет. Он позволяет исключить вероятность допущения ошибок на первоначальном этапе проектирования. Выбираются подшипники
Они предназначены для обеспечения плавного вращения основных элементов
При выборе подшипника уделяется внимание тому, на какую нагрузку они рассчитаны. Кроме этого, не рекомендуется использовать этот элемент без смазки, так как это приводит к существенному износу
Определяется оптимальная толщина колеса. Слишком большой показатель становится причиной увеличения веса конструкции, а также расходов. Проводится вычисление того, где именно должны быть расположены оси шестерен. Это проводится с учетом размеров зубчатых колес и некоторых других моментов. Как правило, в качестве основы применяется чертеж, который можно скачать из интернета. Самостоятельно разработать проект по изготовления планетарного редуктора достаточно сложно, так как нужно обладать навыками инженера для проведения соответствующих расчетов и проектирования.
Изготовить самостоятельно рассматриваемую конструкцию достаточно сложно, как и провести ремонт планетарных редукторов. Среди особенностей этой процедуры отметим следующее:
- Процедура достаточно сложна, так как механизм состоит из большого количества различных элементов. Примером можно назвать то, что сразу после разбора все иголки могут высыпаться практически моментально.
- Многие специалисты рекомендуют доверять рассматриваемую работу исключительно профессионалам, так как допущенные ошибки становятся причиной быстрого износа и выхода из строя механизма.
- Ремонт зачастую предусматривает замену шестерен, которые со временем изнашиваются. Примером можно истирание зубьев, изменение размеров посадочного гнезда и многие другие дефекты. Самостоятельно изготовить подобные изделия практически невозможно, так как для этого требуется специальное оборудование.
Чаще всего обслуживание предусматривает добавление масла. Смазка планетарного редуктора позволяет существенно продлить срок службы конструкции, так как соприкосновение и трение металла становится причиной его истирания. Рекомендуется смазывать механизм периодически, так как масло выступает еще в качестве охлаждения. В продаже встречаются специальные смазывающие вещества, которые характеризуются определенными эксплуатационными качествами.
Сегодня ремонтом редукторов занимаются компании, которые специализируются на предоставлении соответствующих услуг. Признаком того, что механизм начинает выходить из строя становится появление сильного шума, вибрации, рывков, нагрев и многое другое. Со временем процесс износа существенно ускоряется, так как металл, находящийся в масле попадает в зацепление шестерен. В большинстве случаев ремонт предусматривает замену всех элементов на новые.
В заключение отметим, что планетарный редуктор характеризуется весьма привлекательными свойствами. Примером можно назвать отсутствие большого количества крепежных элементов, а также равномерное распространение нагрузки. Как ранее было отмечено, редуктор применяется при создании различных узлов транспортных средств.
Обслуживание колесного редуктора
Для повышения надёжности агрегата и продления срока его безопасного функционирования, необходимо с определённой периодичностью проводить его техосмотр и соответствующее обслуживание, используя для этого специальную контролирующую и измерительную аппаратуру. Перед началом ремонтных работ следует предварительно отсоединить коробку передач от корпуса сцепления, под который, впрочем, как и под передний мост, устанавливают подвижные подставки. Под коробку передач ставится подставка неподвижного типа. Далее следует отключить гидросистему и разъединить тракторный остов, раскатать его и отсоединить от корпуса сцепления полураму.
После того как разборка завершена, можно переходить к диагностике агрегата, в первую очередь обратив внимание на следующие моменты:
- Показатели уровня масла в гидравлическом баке;
- Функционирует ли двигатель на полной мощности;
- В каком состоянии находится ходовая;
- Имеет ли место утечка масла;
- Есть ли давление в сливной линии гидромотора и на входе в него;
- В каком состоянии находятся крепёжные соединения;
- Исправны ли подшипники роликового типа;
- Не нуждается ли в замене система зубчатого сцепления на верхних и нижних конических парах.
Если в процессе осмотра колёсного редуктора будет обнаружено существенное уменьшение уровня масла в верхней конической паре, значит это верный признак того, что в системе имеется утечка. Нужно обязательно выявить причины её возникновения и максимально оперативно устранить неисправность. Вполне возможно, что для этого может потребоваться даже частичная разборка этого узла, хотя, по сути, это единственный способ устранения проблемы.
Классификация по основным признакам
Современные инженерно-технические стандарты предусматривают классификацию редукторов по следующим признакам:
- конструкция используемой передачи;
- пространственное расположение элементов;
- конструктивное исполнение.
По пространственному расположению ключевых элементов эти устройства подразделяются на редукторы вертикального исполнения и традиционные горизонтальные. Конструктивное исполнение предусматривает два дополнительных вида: чистый механический редуктор, и редуктор с двигательной установкой (мотор-редуктор). Однако общепринятой классификацией редукторов считается таковая по типу используемого передаточного узла (передачи).
Принцип работы устройства
Редуктор понижает давление газа при выходе из баллона
Различают приборы прямого и обратного действия. Принцип работы газового редуктора определяется конструкцией.
В варианте прямого действия газ из резервуара через штуцер давит на клапан, газовая смесь проникает в камеру высокого давления. Теперь пропан давит изнутри – прижимает клапан пружиной и перекрывает доступ следующей порции газа. Рабочая мембрана медленно возвращает клапан, давление газа уменьшается до рабочего – той величины, с которой работает плита.
При снижении напора пружина расслабляется и освобождает клапан. Последний открывается под напором газа, поступающего из резервуара, и весь цикл повторяется.
Такого типа регуляторы делятся на 2 вида:
- Одноступенчатый – с 1 камерой, где снижается давление. Минус – показатель газа на выходе зависит от величины на входе.
- Двухступенчатый – включает 2 камеры. Газ последовательно проходит камеру высокого и рабочего давления и лишь затем подается к плите. Такая конструкция позволяет установить любое значение на выходе, вне зависимости от напора в баллоне и более точно регулировать показатели. Скачки давления исключаются.
Регуляторы могут оборудоваться подводом дополнительной энергии за счет установки пневматических и гидравлических датчиков или электронных автоматических устройств.
Принцип работы редуктора давления газа обратного действия другой. При поступлении газа клапан сжимается, перекрывая доступ следующей порции смеси. Регулятивный винт заставляет сжиматься базовую пружину. При этом мембрана между камерами изгибается, а передаточный диск давит на обратную пружину. Клапан поднимается и пропускает газ из баллона.
В рабочей камере редуктора давление растет вместе с показателем в баллоне или трубе, по которой подается смесь из газгольдера. Основная пружина распрямляет мембрану, передаточный диск двигается вниз и давит на обратную пружину. Последняя вновь сдавливает пропускающий клапан и перекрывает подачу.
Волновые редукторы российского производства компании Сервосила
Компания Сервосила наладила производство миниатюрных волновых редукторов, — впервые в современной России. Можно сказать, что с распадом Советского Союза технология производства волновых редукторов была утеряна. Усилиями конструкторов и технологов компании Сервосила, российского производителя и экспортера робототехники, был восстановлен этот пробел. Уже третий год компания Сервосила обеспечивает себя и своих партнеров миниатюрными волновыми редукторами .
Волновой редуктор — загадочная штука. Даже просто понять принцип его работы большинству людей удается не сразу. А в технологии его изготовления и методиках расчета скрыто множество подводных камней.
Компания Сервосила — это отечественный производитель мобильных роботов и сервоприводов. Волновые редукторы широко применяются в робототехнике , так как обеспечивают минимальную массу и минимальный люфт при заданном коэффициенте редукции. Изначально Сервосила закупала волновые редукторы за рубежом, что негативно сказывалось на себестоимости продукции. Благодаря освоению производства волновых редукторов, удалось не только снизить себестоимость, но и значительно улучшить компоновку и технологичность выпускаемой продукции, в том числе сервоприводов . Также волновые редукторы применяются в станкостроении и авиации.
Волновые редукторы отличает малая масса при заданном коэффициенте редукции, а также малый люфт. По сравнению с планетарными редукторами, выигрыш по массе может составлять 1.5-2 раза. Также волновые редукторы отличает компактность формы и малые размеры.
Малая масса и компактная форма важны во многих областях, таких как робототехника и авиация
У волновых редукторов также малый люфт, что очень важно в точных электромеханических системах, таких как сервоприводы манипуляторов роботов или систем позиционирования
Достоинства и недостатки планетарных передач
Планетарная передача выигрывает у простых зубчатых механизмов аналогичной мощности компактным размером и массой меньшей в 2 — 3 раза. Используя нескольких планетных шестерней, достигается зацепление зубьев на 80%. Нагрузочная способность механизма повышается, а давление на каждый зубец уменьшается.
Кинематическая характеристика планетарного механизма доходит до 1000 с малым числом зубчатых колёс без применения многорядных конструкций. Помимо передачи планетарная схема способна работать как дифференциал.
За счёт соосности валов планетарного механизма, компоновать машины проще, чем с другими редукторами.
Применение планетарного ряда в АКПП снижает уровень шума в салоне автомобиля. Сбалансированная система имеет высокую вибропрочность за счет демпфирования колебаний. Соответственно снижается вибрация кузова.
Недостатки планетарного механизма:
- сложное производство и высокая точность сборки;
- в сателлиты устанавливают подшипники, которые выходят из строят быстрее, чем шестерня;
- при повышении передаточных отношений КПД падает, поэтому приходится усложнять конструкцию.
Читать
Переключение селектора передач АКПП на ходу
