Волновой редуктор: принцип работы, устройство, назначение

Волновые редукторы российского производства компании Сервосила

Компания Сервосила наладила производство миниатюрных волновых редукторов, — впервые в современной России. Можно сказать, что с распадом Советского Союза технология производства волновых редукторов была утеряна. Усилиями конструкторов и технологов компании Сервосила, российского производителя и экспортера робототехники, был восстановлен этот пробел. Уже третий год компания Сервосила обеспечивает себя и своих партнеров миниатюрными волновыми редукторами .

Волновой редуктор — загадочная штука. Даже просто понять принцип его работы большинству людей удается не сразу. А в технологии его изготовления и методиках расчета скрыто множество подводных камней.

Компания Сервосила — это отечественный производитель мобильных роботов и сервоприводов. Волновые редукторы широко применяются в робототехнике , так как обеспечивают минимальную массу и минимальный люфт при заданном коэффициенте редукции. Изначально Сервосила закупала волновые редукторы за рубежом, что негативно сказывалось на себестоимости продукции. Благодаря освоению производства волновых редукторов, удалось не только снизить себестоимость, но и значительно улучшить компоновку и технологичность выпускаемой продукции, в том числе сервоприводов . Также волновые редукторы применяются в станкостроении и авиации.

Волновые редукторы отличает малая масса при заданном коэффициенте редукции, а также малый люфт. По сравнению с планетарными редукторами, выигрыш по массе может составлять 1.5-2 раза. Также волновые редукторы отличает компактность формы и малые размеры.

Малая масса и компактная форма важны во многих областях, таких как робототехника и авиация

У волновых редукторов также малый люфт, что очень важно в точных электромеханических системах, таких как сервоприводы манипуляторов роботов или систем позиционирования

Классификация редукторов

На сегодняшний день типы редукторов классифицируются на основе:

• типа механической передачи;
• расположения элементов в пространстве;
• конструктивных особенностей.

В зависимости от расположения элементов они бывают вертикального и горизонтального исполнения. Среди различных типов можно выделить традиционные механические и мотор-редукторы (с дополнительно установленной двигательной установкой).

Основная, общепринятая классификация редукторов разработана в зависимости от типа передачи и по форме шестерен:

Цилиндрический и конический редуктор

В основе таких моделей используются конические и цилиндрические передачи. Данный тип прямого редуктора характеризируется высоким уровнем КПД (более 80%, в зависимости от количества зубьев). Еще одним преимуществом является практически полное отсутствие нагрева из-за отсутствия нагревающихся элементов. Это позволяет добиться простоты механизма, отсутствия необходимости в дополнительных мерах охлаждения. Данный тип получил высокую популярность благодаря надежности и долговечности.

Планетарный

Отличается от большинства других видов схемой расположения элементов. В его основе лежит планетарная передача. Основной ее функцией можно назвать преобразование поступающего момента. Подобные модели отличаются компактностью благодаря тому, что рабочие элементы находятся в одной геометрической оси, чего нельзя встретить в стандартных механизмах. Широко распространены в сфере приборостроения и машиностроения. Они позволяют комбинировать преимущества цилиндрических и червячных.

Позволяют также добиться оптимального соотношения производительности, компактности, надежности и долговечности.

Червячный

В основе этого вида лежит червячная передача, которая позволяет использовать его для различных целей. Использование этой модели помогает преобразовывать как прямой, так и угловой крутящий момент. В основе конструкции лежит спиралевидный винт, который формой напоминает червяка, из-за чего он получил свое название. Используется довольно редко, так как не отличается надежностью и высокой производительностью. В некоторых случаях при повышении нагрузки может выйти из строя. Несмотря на свои недостатки, он прочно занял свое место в машиностроении, так как является незаменимым при передаче усилия между перпендикулярно расположенными валами.

Волновой

Имеет особенный характеристический размер и тип конструкции, в основе которой лежит неподвижный корпус с нарезанными зубьями. Внутри корпуса расположен гибкий элемент, усилие на которые передается ведущим валом, соединенным с ним. Гибкий элемент изготовлен в виде овала, благодаря чему при движении внутри корпуса создает волнообразные движения.

Данный тип отличается высокой производительностью, имея высокое передаточное отношение, достичь которое невозможно с помощью других моделей

Отличается компактными размерами, что особо важно для использования в точном машиностроении

Следует отметить, что современные тенденции машиностроения требуют особых характеристик от редукторов. Из-за этого все большего распространения получают комбинированные модели. Цилиндрические модели дополняют коническими горизонтальными передачами. Червячные дополняются дополнительными валами, а также некоторые модели оснащаются дополнительными моторами.

Различные виды мотор-редукторов получили широкое распространение благодаря тому, что в одном механизме объединяют еще и электродвигатель и все необходимые дополнительные элементы.

Где применяются редукторы

Редукторы применяются в автомобилестроении, станкостроении, кухонной и бытовой электротехнике, бензоинструментах. Учитывая тот факт, что каждый вид передачи крутящего момента, имеет свои положительные характеристики и недостатки, которые определяют возможность использовать тот или иной вид редуктора в определённых технических условиях.

Червячные редукторы, не способны трансформировать крутящий момент слишком большой мощности, поэтому основная сфера применения таких устройств — это электрические мотор-редукторы. Например, такой механизм успешно реализован в приводе стеклоочистителей автомобиля.

В мостовой передаче автомобилей, как правило, используется зубчатая передача, которая позволяет не только изменить направление крутящего момента, но и изменить силу и распределить усилие равномерно между осями привода колёс. Зубья позволяют передавать мощность с минимальными потерями, поэтому если для функционирования механизма не требуется повышенной плавности хода, а мощность редуктора требуется достаточно большая, то применяются зубчатые механизмы для передачи крутящего момента.

Червячный механизм, позволяет передавать вращение с соотношением более 100 к 1, но низкий КПД таких устройств, не позволяет их применять в мощных агрегатах.

Различные типы редукторов, которые будут использованы в тех или иных механизмах должны быть подобраны только профессиональными инженерами. Расчёт редуктора должен осуществляться в КБ, которое имеет специалистов высокого уровня. Чертёж редуктора должен быть выполнен до мельчайших подробностей и гаек, которые могут быть использованы в данном механизме.

Даже если известны характеристики редукторов, которые необходимо применить в передаточном механизме, не следует доверять работу по проектированию таких сложных механизмов случайным людям. Если требуется новая крышка редуктора, или гайка редуктора, то лучше заказать оригинальную деталь на предприятии, где был произведён механизм.

“>

Достоинства и недостатки

Червячная передача в силу своих конструктивных особенностей имеет как достоинства, так и недостатки.

Из достоинств стоит отметить плавность хода, эффект самоторможения, низкий уровень шума, большое передаточное отношение с использованием всего двух деталей.

Из недостатков следует обратить внимание на сравнительно низкий КПД, повышенный износ, заедание, большое тепловыделение вследствие сил трения. Низкий КПД обуславливает применение подобных механизмов при передаче относительно небольших мощностей до 100 кВт. Для предотвращения скорого износа и заедания необходимо соблюдать требования к точности сборки и регулировать механизмы

Высокое тепловыделение требует специальных установок для отвода лишнего тепла

Для предотвращения скорого износа и заедания необходимо соблюдать требования к точности сборки и регулировать механизмы. Высокое тепловыделение требует специальных установок для отвода лишнего тепла.

Различие редукторов в основном сводится к различиям червяков и зубчатых колес, из которых собран данный червячный редуктор.

Червяки разделяются на типы по следующим признакам:

• по количеству заходов резьбы: однозаходные, многозаходные
• по направлению нарезки резьбы: правые, левые
• по форме винта, на котором нарезана резьба: цилиндрические, глобоидные
• по форме профиля резьбы: с конволютным профилем, с архимедовым профилем, с эвольвентным профилем
• Зубчатые колёса разделяются на типы по следующим признакам:
• по типу колеса: собственно колесо, зубчатый сектор, вырожденный сектор
• по профилю зубьев: прямой, вогнутый, роликовый (вместо зубьев используется вращающийся ролик)  

Червячные редукторы со встроенным двигателем называются червячными мотор-редукторами. В редукторах чаще всего двигательный вал располагается под прямым углом к движимому. Компоновка червячного редуктора выбирается исходя из конкретных требований к устройствам. Двигатель может располагаться как сверху приводимого в движение колеса, так и снизу и сбоку. При боковом расположении двигатель устанавливается вертикально. Вследствие вертикального расположения усложняется процесс смазки подшипников вала, а также чистки внешних элементов.

Для увеличения передаточного числа используются разные технологии, но наиболее эффективной является применение большего числа ступеней.

Для смягчения сил трения и повышения сопротивления заеданию применяются специальные вязкие смазочные составы или масла. При низких скоростях вращения смазка осуществляется при помощи специальных ванночек с маслом либо использованием специальных устройств, разбрызгивающих смазку в места повышенного трения. Для червячных редукторов, скорость вращения которых высока применение ванночек нецелесообразно, и применяется принудительная смазка охлаждёнными смазочными материалами.

Основные преимущества редуктора червячного перед зубчатыми передачами заключаются в том, что начальный контакт звеньев происходит не в точке, а по линии. Также входной и выходной валы могут скрещиваться под разными углами, но чаще всего этот угол составляет 90 градусов. Также червячная передача занимает гораздо меньше места, чем зубчатая при одинаковом большом передаточном отношении.

Помимо червячного редуктора червячная передача также применяется в системах регулирования и управления различными устройствами. Благодаря самоторможению обеспечивается точная фиксация положения, а большое передаточное отношение (до 1000) позволяет наиболее точно отрегулировать положение, либо использовать маломощные двигатели. Также червячные передачи и червячные редукторы отлично подходят для установки в качестве механизма передачи в подъёмные и лебёдочные механизмы благодаря своим конструктивным особенностям.

Некоторые технические характеристики промышленно производимых и широко распространённых червячных редукторов.

Самыми распространёнными являются одноступенчатые мотор-редукторы.

Тип	Передаточное число	Частота вращения выходного вала об/мин	Номинальный крутящий момент на выходном валу Нм
редуктор	мотор-редуктор
Ч-20	МЧ-20	5 — 50	28 — 300	4
Ч-25	МЧ-25	6
Ч-31,5	МЧ-31,5	8
2Ч-40	МЧ-40	5 — 80	9,37 — 300	28 — 37
Ч-50	МЧ-50	50 — 70
1Ч-63, 2Ч-63	МЧ-63	5 — 80	7,5 — 300	95 — 135
1Ч-80, 2Ч-80, Ч-80	МЧ-80	150 — 280
Ч-100	МЧ-100	315 — 570
Ч-125	МЧ-125	615 — 1000
Ч-160	МЧ-160	1100 — 1900
Ч-200	МЧ-200	1600 — 3100
Ч-250	МЧ-250	2700 — 5700
Ч-320	МЧ-320	4400 — 10000
Ч-400	МЧ-400	6500 — 19000
Ч-500	МЧ-500	8200 — 33000
РЧН-180	МРЧН-180	12,5 — 50	20 — 90	1300 — 1800
РЧП-300	МРЧП-300	16, 25, 50	20 — 40	4200

Волновой редуктор: принцип работы, устройство, применение, типы

Появление и дальнейший процесс развития волновой передачи был осуществлен в далеком 1959 году. Изобретателем, а также человеком, который запатентовал эту технологию, стал американский инженер Массер.

Волновой редуктор состоит из нескольких основных элементов:

• Неподвижное колесо, имеющее внутренние зубья.
• Вращающееся колесо, имеющее наружные зубья.
• Водило.

Среди преимуществ, которые можно выделить у этого способа передачи движения, – меньшая масса и размеры устройства, более высокая точность с кинематической точки зрения, а также меньший мертвый ход.

Если есть необходимость, то использовать такой тип передачи движения можно и в герметичном пространстве, не используя при этом уплотняющие сальники. Данный показатель наиболее важен для такой техники, как авиационная, космическая, подводная.

Кроме того, волновой редуктор применяется и в некоторых машинах, использующихся в отрасли химической промышленности.

Принцип работы редуктора

С кинематической точки зрения, волновые передачи – это разновидность планетарных передач, которая имеет одно гибкое и зубачатое колесо.

Принцип работы волнового редуктора заключается в следующем. Неподвижное колесо устройства крепится в нужном корпусе, а выполняется оно в виде простого зубчатого колеса, имеющего внутреннее зацепление.

Гибкое же зубчатое колесо выполняется в форме стакана, обладающего тонкой стенкой, легко поддающейся деформации. В более толстой части этого же колеса, то есть левой, нарезают зубья, в то время как правая часть выполняется в форме вала.

Само же движение осуществляется за счет того, что происходит деформация зубчатого венца гибкого колеса.

Принцип работы устройства

Принцип работы волнового редуктора основывается на деформации гибкого элемента, которая обеспечивает движение зубчатого колеса внутри втулки. Деформация происходит под действием специального эксцентричного механизма, который растягивает гибкую деталь до образования двух точек соприкосновения внутренней шестеренки с зубцами внешней втулки.

Благодаря зацеплению зубьев между собой появляется возможность продолжить вращение внутренней части. При этом количество зубьев у гибкого элемента меньше, чем это число у неподвижного элемента.

Благодаря этому факту и получается обеспечивать требуемую плавность и точность движений.

Волновой мотор редуктор представляет собой волновую передачу, объединенную с электрическим двигателем. Они имеют очень широкую сферу применения во многих отраслях промышленности. Этим обусловлено большое количество различных вариантов исполнения. Двигатели отличаются размерами, максимально возможной нагрузкой, мощностью и коэффициентом полезного действия.

Из преимуществ силовых агрегатов данного типа можно отметить более компактные габариты, чем у других моторов при одинаковой мощности. Также они способны длительное время работать на предельных нагрузках без видимого износа основных механизмов. Волновые моторы характеризуются низким уровнем шума при работе и практически отсутствующей вибрацией.

Конструкции редукторов

В настоящее время науке известно множество разнообразных конструкций для волнового редуктора. Чаще всего предназначение всех этих устройств – это преобразование входного вращательного движения в выходное вращательное или же выходное поступательное.

Также стоит отметить, что волновую передачу можно рассматривать, как разновидность многопоточного планетарного механизма. Это вполне возможно, так как эти механизмы обладают многозонным, а если брать в расчет зубчатый механизм, то еще и многопарным контактом между выходным звеном и гибким колесом механизма.

Также можно добавить, что в зависимости от числа зон или же волн в устройстве они подразделяются на одноволновые, двухволновые и т.д.

Волновой мотор-редуктор

Описание данного типа волновой передачи можно сделать на основе мотора редуктора модели МВз2-160-5,5. Данная модель обладает сдвоенной волновой зубчатой передачей.

Конструкция данного редуктора состоит из гибкого колеса, которое выполнено в виде кольца с тонкими стенками и двумя зубчатыми венцами.

Кроме того, в конструкции имеется и общий для этих деталей кулачковый генератор волн, обладающий гибким подшипником.

Также у этой модели есть несколько особенностей, касающихся конструкции редуктора:

1. Размер вдоль оси вала невелик.
2. Генератор волн плавающего типа, а соединение с валом электродвигателя шарнирное.
3. На конце выходного вала этого устройства располагаются прямобочные шлицы.

Этот тип мотора-редуктора может использоваться, как индивидуальный приводной модуль.

Применение волнового редуктора

За ряд особенностей, недоступных другим механизмам такого типа, привод с волновым редуктором получил широкое распространение во многих отраслях промышленности. Такое устройство встречается:

• в космонавтике и авиастроении;
• в судостроении и на подводных лодках;
• в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отрасли;
• на химическом производстве;
• в атомных электростанциях;
• в робототехнике и автоматизированных системах;
• при добыче полезных ископаемых.

Герметичность устройства позволяет использовать его в сложных климатических условиях, в вакууме и под водой. Устойчивость к большим нагрузкам и сложным условиям работы нашло применение для этих аппаратов в атомной энергетике и местах с возможностью взрывов и землетрясений. Точность передаваемых движений позволяет использовать их в станках с числовым программным управлением. Высокий запас прочности и длительный срок эксплуатации позволяет использовать редуктор в любом производстве, внедрить его в технологический процесс, задействовать в работе конвейера, автоматизированных систем и другом оборудовании.

Простая конструкция позволяет собрать такой механизм своими руками, но, если цели использования предполагают применение редуктора в сложном технологическом процессе, стоит приобрести профессиональное оборудование. Его стоимость окажется существенно выше, но производитель дает гарантию на оборудование и выполнение им всех поставленных задач.

Волновые редукторы имеют множество преимуществ, за которые нашли повсеместное применение. Они обладают высоким коэффициентом полезного действия, множеством вариантов передаточных чисел, небольшими размерами, высокой точностью и плавной работой движущихся элементов. Высокая стоимость таких устройств в сравнении с другими редукторами, окупается в длительном сроке эксплуатации и недорогом обслуживании.

Типы волновых редукторов

Среди всего многообразия устройств данного вида. наибольшее распространение получили волновые мотор-редукторы. Конструкция такого механизма состоит из электродвигателя и непосредственно самой волновой передачи

Основные характеристики, на которые стоит обращать внимание перед покупкой:

• размеры;
• мощность;
• КПД;
• максимальная нагрузка.

Преимущества таких устройств перед моторами другого типа:

• меньшие размеры;
• низкий уровень шума и вибраций;
• устойчивость к нагрузкам.

Основной способ смазки таких устройств заключается в стандартном подводе масла к соприкасающимся элементам. Тем не менее, в некоторых ситуациях требуются герметичные механизмы, без использования смазывающе-охлаждающей жидкости. Работа волнового редуктора фланцевого с пневмодвигателем происходит без смазки. В таком аппарате охлаждение элементов происходит при помощи сжатого воздуха.

Используется в конструкции космической лебедки.

Волновая зубчатая передача появилась относительно недавно, но уже успела зарекомендовать себя с положительной стороны. Она обеспечивает большую волновую деформацию, тем самым увеличивая передаточное отношение. Из достоинств также стоит выделить высокий КПД, небольшие размеры и маленький вес.

Волновая передача

Как работает волновая передача?

Волновая зубчатая передача состоит из трёх основных деталей: генератора волны, гибкого кольца и жёсткого кольца. Генератор волны представляет собой тонкостенный шарикоподшипник напрессованный на эллиптическую втулку. Гибкое кольцо — это тонкостенное зубчатое колесо с внешним зубом. При сборке редуктора генератор волны устанавливается внутрь гибкого кольца. Диаметр гибкого кольца несколько меньше чем диаметр генератора волны, и при сборке гибкое кольцо принимает форму генератора волны. Жёсткое кольцо представляет собой прочное жёсткое зубчатое кольцо с внутренним зубом. Количество зубьев жёсткого кольца обычно на 2 зуба (реже – на 4) меньше чем у гибкого кольца. Гибкое кольцо, установленное на генератор волны, помещается внутрь жёсткого кольца и входит в зацепление с ним в двух зонах, расположенных по большой полуоси эллипса генератора волны. Вне этих зон зацепления зубья жёсткого и гибкого кольца не находятся в контакте.

Strain Wave Gear Principle — Harmonic Drive AG

А можно ли по-другому?

Описанный способ использования – неподвижное жёсткое кольцо, вход на генератор волны и выход с гибкого кольца — не единственный способ использования волнового редуктора. В качестве входа и выхода можно использовать любые из трёх указанных деталей волнового редуктора в любых сочетаниях. При этом редуктор может становиться понижающим или повышающим, изменяться передаточное число и направление вращение выхода относительно входа.

Описанная выше классическая схема волнового редуктора, в которой подшипник генератора волны принимает свою форму благодаря эллиптической втулке, не является единственной. Вместо втулки может применяться коромысло с роликами (Harmonic Drive Polimer) или планетарная ступень (Micromotion). В последнем случае речь, строго говоря, идёт уже о двухступенчатом планетарно-волновом редукторе. Также возможны варианты конструкции волнового редуктора с тремя зонами зацепления вместо двух и генератором волны более сложной формы, но они применяются редко.Чем отличается волновая передача?

• Высокое передаточное отношение на одну ступень (для большинства серийных изделий Harmonic Drive от 50:1 до 160:1, для отдельных серий и специальных разработок – от 30:1 до 320:1)
• Передаточное отношение ограничено снизу: не менее 30:1
• Высокий удельный момент в расчёте на единицу объёма и массы
• Короткая осевая длина
• Возможность легко реализовать передачу вращения в другую среду
• Возможность легко реализовать большой полый вал
• Высокая точность (HDAG)
• Отсутствие люфта (HDAG)
• Стабильность точностных характеристик в течение срока службы
• Ограниченная жёсткость на скручивание
• Несамостопорящяяся (подвержена обратному прокручиванию)
• Высокая надёжность вследствие простоты конструкции

Основные отличительные свойства волновой передачи — высокая точность, низкая масса и малая осевая длина – однозначно указывают на те случаи, когда применение волновой передачи является наиболее оправданным. По этой причине волновая передача часто применяется в применениях, требующих высокой точности, таких как высокоточные станки, роботы и промышленные манипуляторы самого разного назначения, приводы ориентации антенн связи и радаров, или требующих хороших массо-габаритных показателей: авиационная и космическая техника, оборудование для мобильных платформ. Кроме того, возможность реализации редукторов с полым валом позволяет создавать компактные конструкции многоосевых систем за счёт расположения внутри полого вала вращающихся контактных устройств (токосъёмников) для передачи электрических, оптических или гидравлических цепей на следующую ступень подвижности. Похожим образом можно размещать внутри полого вала другой вал, передающий вращение на следующую ступень подвижности, получая определённый выигрыш за счёт размещения двигателей в неподвижной части системы.