Тема 2. Механические передачи. Лекция 8. Передача волновая

Волновая передача кинематически представляет собой планетарную передачу с одним из колес в виде гибкого венца g (рисунок 2.38).

В волновых передачах генератор волн h, вращаясь, деформирует гибкое колесо g таким образом, что оно входит в зацепление с жестким центральным колесом b ( закрепленным в корпусе передачи)в нескольких зонах, которые перемещаются по окружности, вызывая вращение гибкого колеса g относительно жесткого колеса b.

Рисунок 2.38 – Зубчатая волновая передача: 1 – гибкое колесо;

2 – жесткое колесо; 3 – генератор

Деформирование гибкого колеса генератором носит гармонический характер, поэтому передача получила название волновой. Количество зон зацепления колес g и b определяет число волн деформации n_w. В свободном состоянии без генератора колеса находятся в концентричном положении с равномерным зазором между зубьями жесткого и гибкого колес. Генератор деформирует гибкое колесо в радиальном направлении. При этом максимальная деформация вызывает зацепление зубьев на полную рабочую высоту, а при минимальной деформации между вершинами зубьев образуется радиальный зазор.

При зацеплении гибкого и жесткого колес в каждой зоне одновременно под нагрузкой находится большое число пар зубьев. Многопарность контакта зубьев при наличии нескольких зон зацепления определяет относительно высокую нагрузочную способность волновых зубчатых передач. Число зубьев жесткого колеса (z)_b= z₂ больше, чем число зубьев гибкого колеса (z)_g= z₁. Разность чисел зубьев колес волновой передачи принимают равной или кратной числу волн деформации n_w

z ₂– z ₁= k _z× n_w, (2.140)

где k_z – коэффициент кратности.

Передаточное число волновой передачи u выражают в соответствии с указаниями по определению передаточных отношений планетарных передач.

Количество зубьев волновой передачи определяют в зависимости от передаточного отношения, числа волн деформации и коэффициента кратности.

При увеличении коэффициента кратности растет разность между максимальной и минимальной деформацией гибкого колеса и повышается уровень напряжений. Оптимальная величина коэффициента кратности равна единице (k_z =1).

При увеличении числа волн деформации повышаются неравномерность распределения нагрузки между зонами зацепления и напряжения в гибком колесе.

Увеличение числа зубьев колес требует большей жесткости элементов передачи и высокой точности изготовления.

Уменьшение количества зубьев снижает выносливость на изгиб зубьев и обода гибкого колеса. Для одной ступени число зубьев устанавливают в пределах 140<(z)_b >600. Передаточное отношение рекомендуется брать в диапазоне 300>| i ^b_hg|>70. Величину модуля зацепления рекомендуется принимать больше 0,3 мм (m ³0,3 мм). Равномерное распределение нагрузки между зонами зацепления разгружает опоры звеньев b, g и h.

Потеря работоспособности волновой передачи может наступить вследствие: износа зубьев, усталостных поломок гибкого колеса, выкрашивания тел качения и беговых дорожек гибкого подшипника.

Волновые передачи в сравнении с другими зубчатыми имеют меньшую массу и меньшие габариты, обеспечивают более высокую кинематическую точность, имеют меньший мертвый ход, обладают высокой демпфирующей способностью, работают с меньшим шумом.

При необходимости волновые передачи позволяют передавать вращательное движение в герметизированное пространство без специальных уплотнительных устройств (рисунок 2.39).

Рисунок 2.39 – Схема волновой передачи движения в герметизированное пространство

К недостаткам волновых передач относят ограничение частоты вращения генератора волн при больших диаметрах колес (во избежание больших окружных скоростей генератора).

На рисунке 2.40 представлена схема волновой передачи с кулачковым генератором волн.

Рисунок 2.40 – Схема волновой передачи с кулачковым генератором волн

Генератор волн 3 состоит из овального кулачка соответствующего профиля и специального шарикоподшипника 6 с гибкими кольцами. Гибкий венец 1 нарезан на деформируемом конце тонкой цилиндрической оболочки 5, другой конец которой через тонкое дно соединяется с выходным валом 4. На концах большой оси вала зубья зацепляются по всей высоте, на малой оси зубья не зацепляются. Между этими участками зубья гибкого колеса погружены во впадины жесткого колеса на разную глубину.

При вращении генератора волн гибкий зубчатый венец обкатывается по неподвижному колесу, вращая оболочку и вал.

Принцип работы волновой передачи, аналогичен планетарной, т.к. передача вращения осуществляется механизмом, имеющим подвижные оси и передаточное отношение u определяется по формуле Виллиса.

При неподвижном жестком колесе 2

, (2.141)

где знак минус указывает на разные направления вращения ведущего и ведомого звеньев.

При неподвижном гибком колесе (рисунок 2.39)

, (2.142)

где , , () – частоты вращения ведущего и ведомого звеньев; и числа зубьев колес гибкого и жесткого соответственно.

Необходимое максимальное радиальное перемещение w₀ при отсутствии боковых зазоров должно равняться полуразности диаметров начальных окружностей

w₀=0,5(d_w2 - d_w1). (2.143)

Для эвольвентного зацепления диаметры начальных окружностей можно выразить через диаметры делительных окружностей

d_w= . (2.144)

Тогда

w₀=0,5(z₂ - z₁) m =0.5mk_zn_w (2.145)

где m – модуль зацепления; a и a _w – углы профиля исходного контура и зацепления.

Минимально допустимое радиальное упругое перемещение w₀= m∙cos a. При a=20° относительное радиальное перемещение w₀ / m =0,94, при a=30° w₀ / m =0,866.

Расчет волновых передач аналогичен расчету обычных зубчатых передач с учётом изменения первоначальной формы зубчатых венцов и генератора волн.

Волновые передачи становятся неработособными в случае, когда происходит:

- разрушение подшипника генератора волн;

- проскок генератора волн, вследствие изменения его формы, а также изменения формы гибкого и жесткого зубчатых венцов колес из-за недостаточной радиальной жесткости.

- поломка гибкого колеса от трещин усталости, появляющихся вдоль впадин зубчатого венца при напряжениях, превышающих предел выносливости;

- износ зубьев, который зависит от напряжений смятия на боковых поверхностях.

Распространение получили передачи с колесами, изготовленными из стали 30ХГСА, 50Х,38ХНБА, 40Х13 с твердостью 28…32 HRC.

Жесткое колесо выполняют с толщиной обода h₀³ (6…8) h₁ / Меньший коэффициент принимают при посадке жесткого колеса с натягом.

Основным критерием расчета является напряжение смятия, что используется при проектном расчете.

При проведении проверочных расчетов рекомендовано также использовать расчет по напряжениям циклического изгиба и циклического кручения. Место действия наибольших нормальных местных напряжений изгиба не совпадает с местом действия наибольших напряжений кручения. Поэтому условия напряжений прочности производят раздельно для нормальных и касательных напряжений.

Поломка гибких колес может происходить при значительных перегрузках, когда действие статических напряжений превосходят предельно допускаемые значения или вследствие усталостных явлений, когда действующие предельные местные напряжения превосходят пределы выносливости гибкого колеса.

Для подшипников качения дисковых генераторов волн расчет их на долговечность выполняют из условия, что в качестве внешней нагрузки принимают радиальное усилие в зацеплениях волновой передачи.

При использовании подшипников генераторов волн определение размеров волновых передач проводят в следующей последовательности:

- определяют предварительное число зубьев гибкого колеса диаметр делительной окружности которого считают приближенно равным наружному диаметру нормализованного гибкого подшипника, который устанавливают исходя из долговечности;

- устанавливают предварительное значение модуля зацепления, согласовав его с нормативными величинами;

- уточняют число зубьев z_g, уточняют передаточное отношение;

- рассчитывают размеры зубчатых колес;

- выполняют проверочные расчеты на прочность и выносливость гибкого колеса, а также устанавливают долговечность подшипника генератора волн.

Конструкция волнового зубчатого редуктора показана на рисунке 2.41.

Рисунок 2.41. – Волновой зубчатый редуктор.

Генератор волн, включающий кулачок 7 овальной формы и шарикоподшипник 6 с гибкими кольцами, посажен на быстроходный вал 1 на привулкканизированной резиновой прокладке 8. Генератор волн деформирует зубчатый венец 4 гибкого колеса, выполненного в виде цилиндрической оболочки и соединенного сваркой с тихоходным валом 9. Жесткое колесо 5 выполнено заодно с корпусом. Крышка 3 выполнена с радиальными ребрами, которые охлаждаются потоком воздуха от вентилятора 2.

Для нормальной работы передачи требуется высокая степень соосностигенератора волн, гибкого и жесткого колес. Резиновая прокладка 8 до некоторой степени компенсирует несоосность.