Вълнови предавки
Начало > Машини > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8, 2008
Функционални, експлоатационни и икономически предимства определят широкото им приложение
Принципът на предаване на въртеливо движение чрез зацепване на твърди елементи (зъбни и верижни предавки) е известен отдавна. Обикновено деформациите на тези елементи са вредни за работата на механизма и стремежът е те да сe ограничават до възможния минимум. През 1959 г. американският изобретател У. Масер патентова нов принцип на предаванe на движение - т.нар. вълнова предавка. Действието й се основава на взаимодействието на зъби, резби или фрикционни повърхнини, предизвикано от въртяща се вълна на еластична деформация. Тя се създава в тънкостенното тяло на зъбно колело, гайка (винт) или триеща шайба. Този най-общ принцип може и се реализира в различни конструктивни варианти. Познати са зъбни, фрикционни, винтови, верижни вълнови предавки, както и вълнови вариатори и съединители. Най-пълно изследвани и най-разпространени са вълновите зъбни предавки с механичен вълнообразовател (вълнов генератор).
Произвеждат се от немалко компании
Понастоящем са натрупани достатъчно знания и технологичен опит за създаването на работоспособни вълнови предавки и редуктори. В помощ на конструкторите и специалистите по поддръжката е и обширна техническа литература за тях. Не малко компании от различни държави произвеждат елементи на вълнови предавки и вълнови редуктори, с общо и със специално предназначение. Вълновите предавки, без да са универсални и напълно да изместят останалите механични предавки, са извоювали своето място сред предавателните механизми. Известни са и областите на рационалното им приложение. Използват се в малогабаритни и леки редуктори с големи предавателни отношения, при използване на високооборотни двигатели в машиностроенето и уредостроенето, за механизми, характеризиращи се с висока кинематична точност и такива за предаване на движение в изолирани пространства.
Принципната схема на
двувълнова
зъбна предавка
е показана на фиг. 1. Тя се състои от: водило 1 - генератор, върху който има две симетрично разположени ролки; гъвкаво звено 2 - тънкостенно зъбно колело с външни зъби Z2; недеформиращо се звено 3 - зъбен венец с вътрешни зъби Z3 и тяло 4. Ако генераторът се постави вътре в звеното 2, то се деформира от ролките по определена крива, като радиалната му деформация е около 1/100 от неговия диаметър. Като резултат зъбите на гъвкавото звено влизат в зацепване със зъбите на недеформиращото се звено 3 в две диаметрално противоположни зони. На 90° от тях, зъбите са напълно отцепени. Когато генераторът се върти, гъвкавото звено се деформира вълнообразно, като едновременно се премества и зоната на зацепване. Вследствие, взаимодействието на зъбите, гъвкавото звено се върти в посока, обратна на посоката на генератора.
Предавателното отношение на двувълновата зъбна предавка с неподвижно недеформиращо се звено (фиг. 1) се пресмята посредством израза:
i1,2 = - Z2/(Z3 - Z2).
Съществува ограничението Z3 - Z2 = n, където n = 2 е броят на вълните. Известни са конструкции, при които n е от 1 до 3.
Във вълновото зъбно зацепване се използват малкомодулни (m=1mm) еволвентни коригирани зъби, нарязвани със стандартен или модифициран инструмент с профилен ъгъл 20 или 30°.
Предимства в сравнение със зъбните предавки
В сравнение с обикновените зъбни предавки, вълновите се характеризират с редица предимства. Сред най-съществените от тях са:
l големите предавателни отношения, i до 300, при сравнително елементарна конструкция и малък брой детайли;
l висок коефициент на полезно действие (КПД), който зависи в от предавателното отношение (например при i = 100, КПД е 0,8-0,9);
l висока товароносимост - едновременно в зацепване са 15 до 25% от броя на зъбите на гъвкавото звено;
l сравнително висока кинематична точност, свързана с отсъствието на хлабини и едновременното зацепване на голям брой зъби. Например при зъби, нарязани със степен на точност 7Н или 8Н, кинематичната грешка е до 1', а при по–висока точност на зъбите и другите елементи тя може да се намали до 20''- 30''.
l малка инерционност при определено изпълнение, например с дисков или електромагнитен генератор;
l симетричност (съосност) на конструкцията и малки натоварвания на валовете и лагерите;
l възможност за предаване на движение в изолирани пространства и във вакуум без триещи се уплътнения;
l малък шум при работа;
l широки кинематични възможности. Вълновата предавка може да се използва като редуктор, мултипликатор, вариатор, съединител или диференциален механизъм. Движението се предава чрез зацепване, чрез триене или се преобразува при вълновите винто-гаечни предавки.
Недостатъци на вълновите предавки
Като недостатъци на този вид предавки могат да се посочат:
l високата стойност на минималното предавателно отношение (i=80 за стоманено и i=40 за пластмасово гъвкаво звено);
l технологичните трудности при изработването на гъвкавото звено и генератора;
l сравнително малката ъглова коравина при начално натоварване. Следва да се има предвид, че за някои механизми тази характеристика е предимство;
l отсъствието на конструкции с кръстосани и пресичащи се оси.
Вълновите предавки
намират най-широко приложение в:
Механизми от типа на следящи системи, делителни устройства и други, от които се изисква висока кинематична точност. Типични области на приложение са уредостроенето, самолетостроенето, роботизацията, металорежещите машини и др.
Механизми, от които се изисква минимално тегло и габарити. Използват се в транспортното, подемно-транспортното и специалното машиностроене.
Механизми, работещи във вакуум, например в ракетни и космически системи.
В общото машиностроене - като редуктори и мултипликатори с големи предавателни отношения.
Интересно е да се знае, че едно от първите практически приложения на вълновата зъбна предавка е вграждането й като малогабаритен и точен редуктор в ракетни механизми. През 1960 г. вълновата предавка е използвана в механизма на автопилота на самолети Боинг 707.
Също така, вълновата предавка с успех би могла да замени планетните зъбни редуктори в електротелфери, мотор-колела за електрокари, в изпълнителни и регулиращи механизми с периодично действие и др.
Видове кинематични схеми
Конструкцията на вълновата предавка е многовариантна и зависи най-вече от типа на основните й елементи, както и от конкретната кинематична схема.
Кинематичната схема се избира в зависимост от предавателното число и спецификите на механизма.
На фиг. 2 са показани основни кинематични схеми на вълнови зъбни предавки. Елементарните схеми (фиг. 2а) осигуряват предавателно отношение i = 80 до 300, а за кинематични предавки - и до 500. Диференциалните схеми (фиг. 2б) се използват за сумиране или разделяне на движението в многодвигателни механизми, многобарабанни лебедки и предавки за конвейери, в скоростни кутии, в многопоточни регулируеми предавки и изпитвателни стендове. За вълновите предавки с късо звено (фиг. 2в) са характерни две зъбни зацепвания и големи предавателни отношения (до 10 000). Те се отличават със съвсем малки габаритни размери в осово направление, но поради ниския КПД, приложението им е ограничено главно в несилови механизми.
Основни елементи на вълновата зъбна предавка са гъвкаво звено, недеформиращо се звено и генератор.
Гъвкавото звено - конструкция, материали и методи за изработване
Гъвкавото звено представлява тънкостенна черупка с определена дължина, която се състои от две части - нарязана с външни зъби и гладка. Обикновено дебелината на звеното се приема за равна на (0.01 до 0.03)d, където d e делителният диаметър на зъбите. Формата му в недеформирано състояние може да бъде цилиндрична, камбановидна, полусферична, конична и т.н., като първите две форми са най-разпространени за силови предавки. Ако конструкцията е цилиндрично гъвкаво звено, свързването на гъвкавия цилиндър с изходящия вал изисква осова податливост. Осъществява се чрез диафрагма (тънко гъвкаво дъно) и фланец или чрез външно, или вътрешно зъбно (шлицово) съединение. Освен цяло звено във вид на чаша, се използват и варианти на заваряване на гъвкаво дъно към цилиндъра. Съединението на гъвкавото звено с вала при наличие на фланец се осъществява с болтове, щифтове, шпонки, шлици или чрез запресоване.
Като материал на гъвкавото звено най-често се използва стомана 30ХГСА, подобрена (НВ 280-320) със s-1 = 420 - 440 МРа. За леко и средно натоварени предавки се използват и стомани 30ХМА, 50ХГ, а за тежко натоварени гъвкави звена (при малки предавателни отношения) - стоманите 38ХМЮА, 40ХНМА, Х18Н10Т. Прилага се наклепване на зъбите и междузъбията със сачми и азотиране на зъбния венец, с което се намалява износването и се повишава якостта на умора с 30 до 40%. При малки мощности и периодично натоварвани механизми, от които се изискват малки маса и размери, както и ниска цена, за гъвкавото звено се използват и пластмаси (главно полиамиди).
Заготовката на металното гъвкаво звено се получава чрез различни методи, в зависимост от обема на производството, формата и размера на звеното. Прилагат се горещо валцоване на безшевни тръби, изковаване, ротационно валцоване на тръби, горещо изтегляне в закрити щампи, студено щамповане, пресоване в разделящи се матрици. При механичната обработка на тънкостенното гъвкаво звено се срещат определени технологични затруднения, особено при по-големите диаметри. За постигане на необходимата точност се използват специални приспособления - твърди регулируеми дорници. Върху тях се извършва окончателната обработка на звеното - струговане, шлифоване, зъбонарязване, както и контрола на размерите. Освен чрез нарязване, зъбите могат да се изработят и чрез накатяване или щамповане в матрица.
Недеформиращото се звено
представлява зъбен венец, който като конструкция е подобен на колелата с вътрешни зъби на обикновените и планетните предавки. По време на работа това звено не получава забележими деформации, свързани с принципа на работа на предавката. Към тялото на редуктора звеното се свързва твърдо - чрез фланец, запресоване или еластично – чрез гумени тампони.
Недеформиращото се звено обикновено има широчина с 2 до 4 мм. по-голяма от широчината на зъбите на гъвкавото звено. Изработва се от конструкционни стомани 45, 40Х, 30ХГСА, с твърдост, която е по-малка от твърдостта на гъвкавото звено с 20-30 единици НВ.
Генераторите - разнообразни като конструкция
Генераторите са твърде разнообразни както по принцип на действие, така и по конструкция. Най-широко разпространение са получили механичните гърбични генератори, с гъвкав търкалящ лагер.
Гърбичните генератори се състоят от гърбица 2 и набит върху нея специален гъвкав лагер 1 (фиг. 3). Формата на гърбицата е еквидистантна на приетата крива на деформация на гъвкавото звено. Обикновено гърбицата се свързва към вала на генератора с възможност за самонагаждане, например чрез вулканизирана гумена шайба или шарнирно съединение. Гърбичните генератори най-добре запазват необходимата форма на деформация на гъвкавото звено под товар. Отличават се с висок КПД и се използват в серийните вълнови редуктори с малка и средна мощност.
Гъвкавият лагер се набива върху гърбицата, която се изработва с гранични отклонения, съответстващи на js6 или js7. Отклоненията на вътрешния диаметър на гъвкавото звено са по Н7. Гъвкави лагери за вълнови предавки се произвеждат от компаниите за търкалящи лагери.
Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.
Вижте още от Машини
Новият брой 1/2025
