Mдля любого из современных прецизионных применений требуются редукторы, способные значительно снижать частоту вращения, удельную мощность и точность передачи. Ведущими вариантами в этих конструкциях являются трохоидальные и циклоидальные зубчатые передачи, а также зубчатые пары, основанные на волнообразных компонентах, имеющих эллиптическую форму, форму Рело или другую многоугольную форму.Трохоидальная и циклоидальная передача включает в себя элементы, которые вращаются и описывают кривые вокруг какого-либо другого элемента. Циклоиды, обозначенные точкой на окружности элемента качения, включают эпициклоиды (при которых элемент катится по внешней стороне солнечной шестерни или другого опорного элемента) и гипоциклоиды, при которых элемент катится внутри кольца или другого опорного элемента. В отличие от этого, трохоиды (и их разновидности) обозначаются не точкой на окружности элемента качения, а некоторой точкой внутри или снаружи. Одним из наиболее распространенных типов эпициклических передач является планетарная передача.
Рассмотрим роботизированный шарнир, использующий двигатель (работающий со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту), оснащенный зубчатой передачей, обеспечивающей снижение выходной скорости в 100 раз. Зубчатое зацепление в таких конструкциях также служит для увеличения крутящего момента при разгоне для достижения максимальной удельной мощности — приоритетной задачи проектирования SCARAs и коллаборативной робототехники, для которых весь узел, по сути, представляет собой консольную массу.
Напомним, что обычные зубчатые передачи, используемые в таких конструкциях (включая некоторые планетарные редукторы), обычно имеют очень небольшой люфт. Часто он составляет всего несколько угловых минут (сотых долей градуса) и служит для компенсации смазки и теплового расширения. Однако в некоторых случаях этот люфт может привести к недопустимому снижению точности системы. Итак, давайте рассмотрим другие варианты передачи, которые позволяют избежать этой проблемы.
Sзубчатая передача использует упругость металла (прогиб) зубчатого колеса для снижения скорости. К основным преимуществам зубчатой передачи с волновой передачей относятся отсутствие люфта, высокая удельная мощность и точность позиционирования.
Зубчатая передача с деформационной волной состоит из трех компонентов: генератора волн, гибкой шлицы и кругового шлица. Генератор волн представляет собой узел из подшипника и стального диска эллиптической формы, обработанного в точном соответствии со спецификациями. Специальный шарикоподшипник устанавливается вокруг этого диска и соответствует эллиптической форме. В большинстве конструкций генератор волн соединяется с серводвигателем, который служит источником движения.
Flexspline представляет собой тонкостенный стальной стакан. Стенки этого стакана податливы в радиальном направлении, но остаются жесткими при кручении, поскольку стакан имеет большой диаметр. Зубья шестерни врезаются во внешнюю поверхность рядом с открытым концом стакана, что можно назвать край.В качестве выходных данных обычно используется flexspline.
На одном конце чаши имеется жесткий выступ, обеспечивающий надежную монтажную поверхность. Волновой генератор находится внутри гибкой направляющей, поэтому подшипник находится в том же осевом положении, что и зубья гибкой направляющей. Стенка flexspline у края чаши имеет ту же эллиптическую форму, что и подшипник. Благодаря этому зубья на внешней поверхности flexspline имеют эллиптическую форму. Таким образом, flexspline фактически имеет эллиптический диаметр шага зубчатого колеса на своей внешней поверхности.
Кольцевой шлиц представляет собой жесткое круглое стальное кольцо с зубцами по внутреннему диаметру. Обычно он крепится к корпусу и не вращается. Его зубья входят в зацепление с зубьями гибкого шлица. Зубья гибкого шлица входят в зацепление с зубьями кругового шлица вдоль главной (длинной) оси эллипса. Таким образом, эллипс образует две области зацепления, концентрически вписанные в кольцо. Примерно 30% зубьев постоянно находятся в зацеплении — в отличие от примерно шести зубьев, включенных в любой момент времени в аналогичном планетарном редукторе, и одного или двух зубьев в аналогичном цилиндрическом редукторе.
Напомним, что зазор — это разница между пространством для размещения зубьев и шириной зубьев, и в зубчато-волновой передаче эта разница равна нулю. Упругая радиальная деформация шлицевого шлица (предварительно нагруженного производителем относительно круглого шлица на главной оси) действует как очень жесткая пружина, компенсируя зазор между зубьями, который в противном случае вызвал бы люфт. Предварительный натяг устанавливается таким образом, чтобы напряжения были значительно ниже предела прочности материала.
Угол прижатия зубьев шестерни преобразует тангенциальную силу выходного крутящего момента в радиальную силу, действующую на подшипник генератора волн. Зубья flexspline и circular spline входят в зацепление вблизи большой оси эллипса и расцепляются на малой оси. У гибкого шлица на два зубца меньше, чем у кругового шлица, поэтому каждый раз, когда генератор волн совершает один оборот, гибкая шлица и круговой шлиц сдвигаются на два зубца. Передаточное отношение — это количество зубьев гибкого шлица ÷ (количество зубьев гибкого шлица – количество зубьев круглого шлица).
Легкая конструкция и одноступенчатые передаточные отношения (до 160:1) волновой передачи позволяют инженерам использовать ее в конструкциях, требующих минимального веса и объема. Даже небольшие двигатели могут использовать их значительные механические преимущества. Определенные профили зубьев (выпуклых и вогнутых дуг) для зубчатых передач с волновой деформацией обеспечивают зацепление большего количества зубьев, что повышает жесткость на кручение и крутящий момент, а также увеличивает время наработки на отказ.
Теперь давайте рассмотрим конструкцию с упорным зубом, упомянутую ранее. Эта новая коробка передач с высоким крутящим моментом обеспечивает исключительную жесткость на кручение и работу без люфта для применений, требующих высокой точности при движении на выходе. В отличие от других моделей зубчатых колес, которые передают мощность по линиям контакта зубьев, зацепляющие шестерни в приводе обеспечивают контакт практически по всей поверхности. Это обеспечивает контакт зубьев в 6,5 раз больший, чем у некоторых типов обычных эвольвентных зубьев.
Как это работает? Вкратце, редуктор управляет большим количеством отдельных зубьев на внутреннем кольцевом зацеплении. Геометрия зубьев соответствует логарифмической спирали, что позволяет нескольким зубьям передавать мощность одновременно через гидродинамический контакт, охватывающий гораздо большую площадь поверхности, чем при традиционном линейном контакте. В результате получается коробка передач с нулевым люфтом даже при нулевом пересечении. Логарифмическая спиральная траектория зубьев обеспечивает точность синхронизации, превосходящую традиционные приводы с полым валом при сопоставимых наружных диаметрах.
КПД коробки передач также достигает 91%, что на 18-29% выше, чем у традиционных волновых и циклоидальных редукторов.
Являясь частью приводной системы, гидродинамический контакт зубьев зубчатой передачи также обеспечивает высокую перегрузочную способность. Крутящий момент при аварийной остановке на 150-300% выше, чем у аналогичных систем, а жесткость на кручение на 580% выше, поэтому редукторам других конструкций может потребоваться до трех раз больший крутящий момент, чтобы обеспечить тот же крутящий момент, что и у данной зубчатой коробки передач.
Конструкция редуктора также обеспечивает очень большой диаметр полого вала по отношению к наружному диаметру — в некоторых случаях до 70%.
Эксцентриковые зубчатые передачи с механизмом качения, известные как циклоидальные редукторы, представляют собой тип сервопривода, который имеет входной вал, приводящий в движение подшипниковый узел. Который, в свою очередь, приводит в движение циклоидальный диск (иногда называемый кулачком), соединенный с выходным валом. Кулачок имеет выступы или зубья, которые взаимодействуют с толкателем кулачка, обычно на штифтовых или игольчатых подшипниках. Эксцентриковое вращение кулачка приводит к вращению выходного вала с меньшей скоростью и большим крутящим моментом, чем на входном.
Основным преимуществом циклоидальных редукторов является их свойство иметь нулевой или близкий к нулю зазор (до 1 угловой минуты) что обеспечивает высокую точность и безотказность работы. Это особенно востребовано там, где требуется высокоточное позиционирование, например, в роботизированных системах, станкостроительных установках и аналогичных приложениях. Циклоидальные редукторы также имеют контакт качения, а не скольжения, что снижает общий износ. Некоторые циклоидальные редукторы скорости обеспечивают нулевой люфт благодаря сочетанию составного кулачкового редуктора с полным комплектом толкателей на игольчатых подшипниках.
Благодаря конструкции из цапфы и шестерни циклоидальная передача обеспечивает непрерывный и распределенный контакт при передаче мощности, что обеспечивает более высокую ударопрочность по сравнению с традиционными редукторами. На самом деле, некоторые варианты могут выдерживать кратковременное воздействие, увеличивающее номинальный крутящий момент в четыре раза. Высокая плотность крутящего момента обеспечивает передаточное отношение до 185:1 при разумных габаритах коробки передач.
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии