
lekctima / лекции тимошки / lect_19
.doc
Лекция N 19
Волновые зубчатые передачи
Волновая зубчатая передача — механизм, содержащий зацепляющиеся между собой гибкое и жесткое зубчатые колеса и обеспечивающий преобразование и передачу движения благодаря деформированию гибкого колеса (рис. 19.1).
Рис. 19.1
Волновая зубчатая
передача (ВЗП) состоит из трех основных
элементов: гибкого колеса 1
(рис. 19.1, а, б, в),
жесткого колеса 2
и генератора волн h.
Ее можно рассматривать как конструктивную
разновидность планетарной передачи с
внутренним зацеплением, характерной
особенностью которой является
использование сателлита (гибкого
колеса), деформируемого в процессе
передачи движения. Гибкое зубчатое
колесо представляет собой тонкостенную
оболочку, один конец которой соединен
с валом и сохраняет цилиндрическую
форму, а на другом нарезан зубчатый
венец с числом зубьев
.
При сборке этот конец оболочки
деформируется на
генератором волн. Контур деформированного
гибкого колеса образует относительно
недеформированного две волны деформации
(рис. 19.1, г).
Размер по сечению Б – Б называют
большой осью, а по В – В — малой
осью кривой деформации. В зоне большой
оси деформации происходит зацепление
зубьев гибкого и жесткого колес. Для
обеспечения симметрии нагружения
волновой зубчатой передачи обычно
используют две волны деформации и четные
числа зубьев колес, которые связаны
соотношением
.
Рис. 19.2
Гибкое колесо 1 поджато к жесткому 2 роликами 3, расположенными на водиле h. Такой генератор называют роликовым. Роликовый генератор волн может быть преобразован в дисковый генератор волн при значительном увеличении диаметров роликов 3 (рис. 19.2, а) и расположении их в параллельных плоскостях. Чтобы задать зубчатому венцу гибкого колеса определенную принудительную форму деформации, генератор нужно выполнить в виде симметричного кулачка специального профиля. Такой генератор называют кулачковым (рис. 19.2, в). На кулачок 1 напрессовывают гибкий подшипник 2, чтобы уменьшить трение между гибким колесом 3 и генератором волн. Дисковые и кулачковые генераторы волн применяют в высоко нагруженных передачах. Кроме механических генераторов волн применяют также электромагнитные, пневматические и гидравлические генераторы.
Кинематика
волновой передачи.
При вращении генератора волн обе волны
деформации перемещаются по периметру
гибкого колеса. В результате каждый зуб
гибкого колеса за один оборот генератора
волн дважды входит в зацепление с зубьями
жесткого колеса. Если числа зубьев колес
равны
и
,
а угловые шаги
и
,
то передаточное отношение такой передачи
можно подсчитать следующим образом.
При остановленном жестком колесе после
полного оборота генератора волн
вал гибкого колеса повернется в
противоположном движению генератора
направлении на угол, равный
.
Переходя от углов поворота к угловым скоростям, получаем передаточное отношение ВЗП от генератора волн к гибкому колесу при неподвижном жестком:
.
(19.1)
В ВЗП с остановленным
гибким колесом при повороте генератора
волн на угол
жесткое колесо повернется в том же
направлении на угол
.
В этом случае передаточное отношение
от генератора волн к жесткому колесу
при неподвижном гибком
.
(19.2)
Волновая передача
может быть двухступенчатой (рис. 19.2, б).
В этом случае гибкое колесо 1
выполняется в виде кольца с двумя
зубчатыми венцами
и
,
которые входят в зацепление с жесткими
колесами 2
и 4,
имеющими соответственно
и
зубьев. Если жесткое колесо 2
неподвижно, то движение от вала генератора
волн преобразуется с помощью двух
волновых зацеплений и передается на
выходной вал, соединенный с жестким
колесом 4.
Передаточное отношение двухступенчатой
ВЗП определяется формулой
.
(19.3)
Особенности
волнового зацепления.
Гибкое колесо ВЗП при его нагружении
изменяет свою начальную форму. Это
происходит из-за наличия зазоров и
упругости элементов, взаимодействующих
с гибким колесом. Изменение формы гибкого
колеса 1
ограничено с внешней стороны жестким
колесом 2,
а с внутренней генератором волн h.
Гибкое колесо, опирающееся на генератор
волн в пределах участков постоянной
кривизны
(рис. 19.3), стремится принять форму
жесткого колеса. С увеличением момента
закручивающего гибкое колесо зоны
выбранных зазоров в зацеплении
увеличиваются, что приводит к увеличению
числа пар зубьев в зацеплении. Благодаря
многопарности зацепления (нагрузку
могут передавать до 40 % всех пар
зубьев) нагрузочная способность ВЗП
выше, чем планетарной. КПД волновой
передачи также выше, потому что в
зацеплении зубья почти не перемещаются
при прилегании гибкого колеса к жесткому.
При стальных гибких колесах в
одноступенчатых волновых передачах
можно получить передаточное отношение
60 – 320, а КПД равным 0,85...0,80.
Двухступенчатые ВЗП обеспечивают
передаточные отношения от
до
и более при КПД от 0,7 до 0,1.
Рис. 19.3
Многопарность и многозонность волнового зацепления приводят к значительному усреднению ошибок изготовления и сборки, в результате чего обеспечивается высокая кинематическая точность ВЗП.
Относительно небольшая величина радиальной деформации гибкого колеса позволяет выполнить его в виде колоколообразной оболочки и изготовить герметичные ВЗП, передающие вращение через герметичную перегородку без подвижных уплотнений.
Наиболее ответственные
детали ВЗП — гибкий подшипник и гибкое
колесо. Гибкое колесо имеет тонкостенное
донышко, допускающее осевые перемещения
торца цилиндрической оболочки при ее
деформировании с другого края. Длину
гибкого колеса выбирают от
до
,
где
— диаметр недеформированной серединной
поверхности гибкого колеса. Толщину
гибкого колеса под зубчатым венцом
выбирают примерно равной
.
Методика
проектирования ВЗП.
Существует несколько методов расчета
геометрических параметров волновых
зубчатых передач. Настоящая методика,
разработанная на кафедре теории
механизмов и машин МГТУ им. Н.Э. Баумана,
основывается на предположении, что
конструкции генераторов волн
рассматриваемых передач обеспечивают
постоянную кривизну серединного слоя
деформированного гибкого колеса в
пределах зон зацепления, ограниченных
центральными углами
(см. рис. 19.3, а).
Вне этих зон гибкое колесо имеет свободную
форму деформации. На участке постоянной
кривизны зацепление в волновой передаче
рассматривается как внутреннее
эвольвентное зацепление жесткого колеса
с числом зубьев
и условного, имеющего параметры гибкого
и расчетное число зубьев
.
Исходными параметрами
для расчета являются передаточное
отношение передачи, ее схема, номинальный
крутящий момент на выходном валу, частота
вращения генератора волн, срок службы
передачи, прочностные характеристики
гибкого колеса. Проектировочный расчет
заключается в определении диаметра
серединной поверхности гибкого колеса
по изгибной прочности, из расчета на
выносливость или из расчета заданного
коэффициента крутильной жесткости
[16]. Больший из вычисленных диаметров
берется за основу для определения модуля
зацепления
,
который округляется до ближайшего
стандартного значения.
Делительные
диаметры колес и толщина
обода гибкого колеса под зубчатым венцом
определяются по формулам
(19.4)
Основным варьируемым параметром является относительная радиальная деформация гибкого колеса по большой оси:
,
(19.5)
где
— коэффициент относительной радиальной
деформации.
Расчетное число зубьев условного колеса равно
.
(19.6)
В формуле (19.6), как и во всех последующих, содержащих двойные знаки арифметических действий, верхний знак относится к внутреннему деформированию гибкого колеса дисковым или кулачковым генератором волн, нижний — к внешнему деформированию кольцевым генератором (рис. 19.3, б):
,
(19.7)
где
— угловая координата участка постоянной
кривизны (
).
Далее определяем радиус серединной окружности деформированного гибкого колеса (см. рис. 19.3):
,
(19.8)
где
,
— параметры исходного контура;
— коэффициент смещения исходного
контура:
,
(19.9)
— коэффициент
смещения.
При изменении
величин
,
и
в указанных диапазонах их возможного
изменения можно провести оптимизацию
качества зацепления. Целевой функцией
является теоретический коэффициент
перекрытия.
Радиус серединной окружности недеформированного гибкого колеса
.
(19.10)
Межосевое расстояние передачи, равное эксцентриситету установки деформирующих дисков, равно
.
(19.11)
Тогда угол зацепления волновой передачи
.
(19.12)
Жесткое колесо в
передачах с дисковым или кулачковым
генератором внутреннего деформирования,
имеющее внутренние зубья, обрабатывается
долбяком с числом зубьев
.
Угол станочного зацепления жесткого
колеса и долбяка
,
(19.13)
и коэффициент смещения жесткого колеса
.
(19.14)
Остальные параметры и исполнительные размеры элементов волновой передачи рассчитывают так же, как зубчатой передачи внутреннего эвольвентного зацепления.
Области применения ВЗП. Отмеченные достоинства волновой передачи определяют наиболее рациональные области ее применения: силовые и кинематические приводы общего назначения с большим передаточным отношением, задающие и исполнительные механизмы повышенной кинематической точности, быстродействующие приводы систем автоматического управления и регулирования, электромеханические приводы промышленных роботов, приводы для передачи движения в герметизированное пространство в химической, атомной и космической технике.