3.6.19. Волновые передачи

Кинематически волновые передачи представляют собой планетарные передачи с одним из колес, выполненным в виде гибкого вала. Как и планетарная, волновая передача состоит из трех основных звеньев (рис. 30): неподвижного жесткого колеса 2 с внутренними зубьями, гибкого колеса 1, представляющего собой упругий тонкостенный стакан, основание которого соединено с ведомым валом 4, и генератора волн 3, деформирующего в радиальном направлении гибкое колесо 1. На обоих колесах 1 и 2 нарезаны зубья одинакового модуля, однако число зубьев неодинаково — у гибкого колеса число зубьев Z ₁ на два меньше, чем у жесткого Z₂. Наибольшее распространение получили передачи с числом волн 2. В свободном состояний (без генератора 3) колеса находятся в центрическом положении с равномерным зазором между зубьями жесткого и гибкого колеса. Установленный внутри гибкого колеса генератор волн деформирует гибкое колесо в радиальном направлении, придавая ему эллепсообразную форму.

Рис. 30. Схема волновой передачи

При этом по большей оси эллипса зубья зацепляются на полную рабочую высоту, а по малой оси — между вершинами зубьев образуется зазор.

Передаточное число одноступенчатого волнового редуктора достигает и более. Это основной качественный показатель волновых передач, выгодно отличающий их от других зубчатых передач, в том числе и планетарных. К тому же нужно отметить, что в зацеплении у волновой передачи находится одновременно зубьев. Это и обеспечивает высокие кинематическую точность и нагрузочную способность на единицу массы. Еще одним положительным качеством волновой передачи является ее высокая демпфирующая способность (в 4 - 5 раз больше, чем у обычной зубчатой передачи).

К недостаткам волновых передач можно отнести ограниченные частоты вращения ведущего вала генератора волн при больших диаметрах колес, мелкие модули зубчатых колес (0,15 - 2,0 мм), сложность изготовления гибкого колеса и генератора волн в индивидуальном производстве. Однако при серийном изготовлении в специализированном производстве волновые передачи дешевле планетарных.

Волновые передачи могут работать в качестве редуктора (КПД 80 – 90 %) и мультипликатора (КПД 60 – 70 %). В первом случае ведущим звеном является генератор волн, во втором — вал гибкого или жесткого колеса.

При неподвижном жестком колесе передаточное число волновой передачи определяется выражением (рис. 30).

.

Знак минус указывает на разные направления вращения ведущего и ведомого звеньев.

При неподвижном гибком колесе

,

где — частота вращения ведущего и ведомых звеньев;

— числа зубьев гибкого и жесткого колес.

Разность зубьев жесткого и гибкого колес должна быть равна или кратна числу волн, т. е.

,

где — число волн, обычно равное 2;

— коэффициент кратности, обычно равный 1,0;

но при , , а при , .

Необходимое максимальное радиальное перемещение при отсутствии бокового зазора (если зубчатые венцы нарезаны без смещения производящего контура) должно равняться полуразности диаметров начальных (делительных) окружностей:

Иногда применяют в качестве кинематической волновую передачу с двумя зубчатыми венцами на гибкой оболочке, соответствующую планетарной с двумя внутренними зацеплениями. КПД такой передачи низкий , а передаточное число велико .

Экспериментальные исследования показывают, что волновые передачи становятся неработоспособными по следующим причинам:

1. Разрушение подшипников генератора волн от нагрузки в зацеплении или из-за значительного повышения температуры. Повышение температуры может вызвать недопустимое уменьшение зазора между генератором волн и гибким зубчатым венцом, что в свою очередь может привести к недопустимому изменению первоначальной формы генератора волн, гибкого и жесткого зубчатого венцов.

2. Проскок генератора волн при больших крутящих моментах (по аналогии с предохранительной муфтой). Это явление наступает тогда, когда зубья на входе в зацепление упираются один в другой поверхностями вершин. При этом генератор волн сжимается, а жесткое колесо распирается в радиальном направлении. Для предотвращения проскока радиальное упругое перемещение предусматривают больше номинального, а зацепление собирают с натягом.

3. Поломка гибкого колеса от трещин усталости, появляющихся вдоль впадин зубчатого венца. С увеличением толщины гибкого колеса напряжения в нем от полезного передаваемого момента уменьшаются, а от деформирования генератора волн уменьшаются. Поэтому есть оптимальная толщина.

Долговечность гибкого элемента легко обеспечивается при и чрезвычайно трудно при .

Анализ причин выхода из стоя волновых передач показывает, что при несущая способность обычно ограничивается стойкостью подшипника генератора волн, при — прочностью гибкого элемента. Максимальный допустимый крутящий момент связан с податливостью звеньев.