Деформационно-волновая передача

Внешний круг: круговой шлиец (фиксированный)
Средний круг: гибкая шлица (прикреплена к выходному валу, не показана)
Внутренний овал: генератор волн (прикреплен к входному валу; внутренний шарикоподшипник и вал не показаны)

Деформационно-волновая передача (также известная как гармоническая передача ) — это тип механической зубчатой системы, в которой используется гибкая шлица с внешними зубьями, которая деформируется вращающейся эллиптической пробкой для взаимодействия с внутренними зубьями шестерни внешнего шлица.

Немецкая компания Harmonic Drive SE изготовила первые серийные редукторы под названием продукта или зарегистрированной торговой маркой Harmonic Drive.

Деформационно-волновая передача имеет некоторые преимущества по сравнению с традиционными системами зубчатых передач, такими как косозубые или планетарные передачи , в том числе:

нет обратной реакции ,
компактность и малый вес,
высокие передаточные числа,
реконфигурируемые передаточные числа в стандартном корпусе,
хорошее разрешение и отличная повторяемость (линейное представление) при изменении положения инерционных нагрузок, ^[1]
высокий крутящий момент,
соосные входной и выходной валы. ^[2]

Высокие передаточные числа редуктора возможны в небольшом объеме (передаточное число от 30:1 до 320:1 возможно в том же пространстве, в котором планетарные передачи обычно обеспечивают только передаточное число 10:1).

К недостаткам относится склонность к «закручиванию» (крутильной жесткости пружины) в области низкого крутящего момента.

Деформационно-волновая передача обычно используется в робототехнике. ^[3] и аэрокосмическая промышленность . ^[4] Он может обеспечивать понижение передачи, но также может использоваться для увеличения скорости вращения. ^{[ нужна ссылка ]}, или для дифференциальной передачи .

История

Основная концепция передачи волн деформации (SWG) была представлена К.В. Массером в патенте 1957 года. ^[5]^[6] в то время как он был советником в United Shoe Machinery Corp (USM). Впервые он был успешно использован в 1960 году компанией USM Co., а затем компанией Hasegawa Gear Works по лицензии USM. ^{[ нужна ссылка ]} Позже Hasegawa Gear Work стала называться Harmonic Drive Systems, расположенной в Японии, а подразделение USM Co. Harmonic Drive стало Harmonic Drive Technologies. ^[7]^[8]

Механика

В волновой передаче используется эластичность металла. Механизм состоит из трех основных компонентов: генератора волн (2 / зеленый), гибкого шлица (3 / красный) и кругового шлица (4 / синий). Более сложные версии имеют четвертый компонент, который обычно используется для сокращения общей длины или увеличения передаточного числа в пределах меньшего диаметра, но при этом следуют тем же основным принципам.

Генератор волн состоит из двух отдельных частей: эллиптического диска, называемого втулкой генератора волн , и внешнего шарикоподшипника. Эллиптическая заглушка вставляется в подшипник, заставляя подшипник принимать эллиптическую форму, но при этом позволяя вращение заглушки внутри внешнего подшипника.

Гибкая шлица имеет форму неглубокой чашки. Боковые стороны сплайна очень тонкие, но нижняя часть относительно жесткая. Это приводит к значительной гибкости стенок на открытом конце из-за тонкой стенки, а закрытая сторона становится достаточно жесткой, чтобы ее можно было плотно закрепить (например, на валу). Зубья расположены радиально вокруг гибкой шлица. Гибкая шлица плотно прилегает к генератору волн, так что при вращении втулки генератора волн гибкая шлица деформируется до формы вращающегося эллипса и не скользит по наружному эллиптическому кольцу шарикоподшипника. Шарикоподшипник позволяет гибкому шлицу вращаться независимо от вала генератора волн.

Круговой шлиец представляет собой жесткое круглое кольцо с зубцами внутри. Гибкая рейка и генератор волн расположены внутри круглой шлицы, зацепляя зубцы гибкой шлицы и круглой шлицы. Поскольку гибкая рейка деформирована в эллиптическую форму, ее зубцы фактически входят в зацепление с зубцами круглой шлицы только в двух областях на противоположных сторонах гибкой шлицы (расположенных на большой оси эллипса).

Предположим, что генератор волн является входным вращением. Когда вилка генератора волн вращается, зубья гибкой шлицы, находящиеся в зацеплении с зубцами круглой шлицы, медленно меняют положение. Основная ось эллипса гибкого сплайна вращается вместе с генератором волн, поэтому точки зацепления зубьев вращаются вокруг центральной точки с той же скоростью, что и вал генератора волн. Ключом к конструкции волновой передачи является то, что на гибкой шлице меньше зубьев (часто, например, на два меньше), чем на круглой шлице. Это означает, что при каждом полном обороте генератора волн гибкий шлиец должен будет повернуться на небольшую величину (в данном примере на два зубца) назад относительно кругового шлица. Таким образом, вращение волнового генератора приводит к гораздо более медленному вращению гибкого шлица в противоположном направлении .

Для зубчатого механизма с волновой деформацией передаточное число зубчатой передачи можно рассчитать по количеству зубьев на каждой шестерне, аналогично циклоидальному приводу :

R={\frac {{\text{flex spline teeth}}-{\text{circular spline teeth}}}{\text{flex spline teeth}}},\quad -1<R<0

Обратите внимание, что величина, обратная коэффициенту уменьшения, иногда обозначается одной и той же фразой и символом.

Например, если на круглой шлице 202 зубца, а на гибкой — 200, коэффициент уменьшения равен (200–202)/200 = –0,01.

Таким образом, гибкий шлиец вращается со скоростью 1/100 скорости вилки генератора волн и в противоположном направлении. Различные передаточные числа устанавливаются путем изменения количества зубьев. Этого можно добиться либо изменением диаметра механизма, либо изменением размера отдельных зубьев и тем самым сохранением его размера и веса. Диапазон возможных передаточных чисел ограничен размерами зубьев для данной конфигурации.

Этот коэффициент уменьшения применим к конфигурации, в которой круговой сплайн фиксирован, генератор волн является входом, а гибкий сплайн — выходом. В случае, если круговой сплайн также вращается, между скоростями вращения трех частей сохраняется следующее соотношение: ^[9]

\omega _{FS}=R\omega _{WG}+(1-R)\omega _{CS}

Имейте в виду, что $R$ отрицательна и мала.

Примеры использования

Колеса лунного вездехода «Аполлон» с электроприводом включали в себя зубчатые передачи волн деформации. ^[10] Кроме того, лебедки, используемые на Скайлэбе для развертывания солнечных панелей, приводились в движение с помощью волновых приводов. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Хиронис, Николас; Склетер, Нил (2007). Справочник по механизмам и механическим устройствам . ISBN 978-0-07-146761-2 .
^ Лаулетта, Энтони (апрель 2006 г.). «Основы гармонической передачи» (PDF) . Новости о продуктах Gear . стр. 32–36. Архивировано из оригинала (PDF) 03 марта 2016 г.
^ Ли, З; Мелек, WW; Кларк, К. (2009). «Децентрализованное надежное управление роботами-манипуляторами с гармонической передачей привода и применением к модульным и реконфигурируемым серийным манипуляторам» . Роботика . 27 (2): 291–302. дои : 10.1017/S0263574708004712 .
^ Уэура, К; Кийосава, Ю; Куроги, Дж; Канаи, С; Мияба, Х; Манива, К; Сузуки, М; Обара, С (2008). «Трибологические аспекты системы зубчатых передач волн деформации с конкретной привязкой к ее космическому применению». Труды Института инженеров-механиков, Часть J: Журнал инженерной трибологии . 222 (8): 1051–1061. дои : 10.1243/13506501JET415 . ISSN 1350-6501 . S2CID 108896120 .
^ Патент США 2906143.
^ Вринас, Николаос (9 октября 2023 г.). Разработка и оптимизация инерционно-стабилизированной системы платформы (кардана) для БПЛА: исследование движения и трансмиссии (PDF) (Диссертация). дои : 10.26265/polynoe-5547 .
^ «Объединение компаний по производству гармонических приводов» , Motion System Design , 2006 г. ^{[ мертвая ссылка ]}
^ Информация о компании Harmonic Drive Systems
^ «Каталог редукторов HarmonicDrive» (PDF) . wwww.harmonicdrive.net . ООО «Гармоник Драйв» . Проверено 17 января 2022 г.
^ «Соответствующие материалы из массивного металлического стекла для зубчатых передач для космических аппаратов» (PDF) . НАСА . 20 мая 2019 г. Архивировано из оригинала (PDF) 20 мая 2019 г.

Общий

«Гармонический драйв» . Британская энциклопедия . Проверено 26 ноября 2020 г.

Внешние ссылки

[Sourcebook-1] Хиронис, Николас; Склетер, Нил (2007). Справочник по механизмам и механическим устройствам . ISBN 978-0-07-146761-2 .

[lauletta-2] Лаулетта, Энтони (апрель 2006 г.). «Основы гармонической передачи» (PDF) . Новости о продуктах Gear . стр. 32–36. Архивировано из оригинала (PDF) 03 марта 2016 г.

[3] Ли, З; Мелек, WW; Кларк, К. (2009). «Децентрализованное надежное управление роботами-манипуляторами с гармонической передачей привода и применением к модульным и реконфигурируемым серийным манипуляторам» . Роботика . 27 (2): 291–302. дои : 10.1017/S0263574708004712 .

[4] Уэура, К; Кийосава, Ю; Куроги, Дж; Канаи, С; Мияба, Х; Манива, К; Сузуки, М; Обара, С (2008). «Трибологические аспекты системы зубчатых передач волн деформации с конкретной привязкой к ее космическому применению». Труды Института инженеров-механиков, Часть J: Журнал инженерной трибологии . 222 (8): 1051–1061. дои : 10.1243/13506501JET415 . ISSN 1350-6501 . S2CID 108896120 .

[5] Патент США 2906143.

[6] Вринас, Николаос (9 октября 2023 г.). Разработка и оптимизация инерционно-стабилизированной системы платформы (кардана) для БПЛА: исследование движения и трансмиссии (PDF) (Диссертация). дои : 10.26265/polynoe-5547 .

[7] «Объединение компаний по производству гармонических приводов» , Motion System Design , 2006 г. ^{[ мертвая ссылка ]}

[8] Информация о компании Harmonic Drive Systems

[9] «Каталог редукторов HarmonicDrive» (PDF) . wwww.harmonicdrive.net . ООО «Гармоник Драйв» . Проверено 17 января 2022 г.

[10] «Соответствующие материалы из массивного металлического стекла для зубчатых передач для космических аппаратов» (PDF) . НАСА . 20 мая 2019 г. Архивировано из оригинала (PDF) 20 мая 2019 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]