Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Чтобы понять, как работает волновой (гармонический) редуктор, достаточно представить одну необычную деталь: тонкостенное зубчатое колесо, которое в работе постоянно прогибается, образуя бегущую волну деформации. Именно за счёт упругого деформирования гибкого звена волновой редуктор обеспечивает большое передаточное отношение в одной ступени, малую массу и почти полное отсутствие люфта. Ниже разобраны устройство, кинематика, расчёт передаточного числа и области применения этой передачи.
Волновая зубчатая передача (ВЗП) относится к передачам внутреннего зацепления и стоит особняком среди механических редукторов: в ней движение преобразуется не обкатыванием жёстких колёс, а бегущей волной упругой деформации гибкого зубчатого венца. Терминология и обозначения, используемые ниже, соответствуют действующим стандартам на зубчатые и волновые передачи.
Волновой редуктор — это механизм, в котором передача и преобразование вращения выполняются путём бегущего волнового деформирования гибкого звена, контактирующего с жёстким звеном. Принцип волнового деформирования был предложен в отечественной технике в середине 1940-х годов сначала для фрикционной передачи; позднее он был развит в виде зубчатой передачи с механическим генератором волн, которая и получила наибольшее распространение. Англоязычное название такой передачи — harmonic drive, отсюда и второе имя «гармонический редуктор».
Главная особенность: большое передаточное отношение получается в одной ступени при малом числе деталей и малом мёртвом ходе.
За счёт того, что в зацеплении одновременно участвует значительная часть зубьев, передача обладает высокой нагрузочной способностью и плавностью хода. Эти свойства определяют типичные сферы применения — там, где нужны компактный привод, высокая кинематическая точность и точное позиционирование.
Классическая волновая зубчатая передача состоит из трёх основных звеньев. Их взаимное расположение — гибкое колесо внутри жёсткого, а генератор внутри гибкого — и задаёт всю кинематику механизма.
Жёсткое колесо — это зубчатое колесо с внутренними зубьями, как правило, неподвижно закреплённое в корпусе передачи. Число его зубьев несколько больше, чем у гибкого колеса. В двухступенчатых и других схемах роль жёсткого колеса может выполнять как неподвижное, так и выходное звено.
Гибкое колесо (гибкий венец) — тонкостенный упругий элемент с наружными зубьями, число которых меньше, чем у жёсткого колеса. Часто оно выполняется в виде тонкостенного стакана, дно которого связано с выходным валом. Именно гибкое колесо воспринимает деформацию от генератора и обкатывается по жёсткому колесу. Из-за высокой циклической напряжённости материал и геометрия гибкого колеса — наиболее ответственная часть конструкции.
Генератор волн (волнообразователь) — звено, которое растягивает гибкое колесо, формируя в нём волны деформации. Чаще всего это овальный кулачок с надетым на него гибким подшипником: подшипник передаёт деформацию на венец, позволяя ему свободно проскальзывать относительно вращающегося кулачка. Число волн деформации равно числу выступов генератора; наиболее распространена двухволновая схема.
Входным звеном служит генератор волн, выходным — гибкое колесо (при неподвижном жёстком колесе). Овальный генератор прижимает зубья гибкого венца к зубьям жёсткого колеса по концам большой оси овала и выводит их из зацепления по малой оси. При вращении генератора зоны зацепления «бегут» по окружности — это и есть волна деформации.
Разница чисел зубьев жёсткого и гибкого колёс обычно равна числу волн деформации (реже кратна ему) — это исключает интерференцию зубьев при сборке. В двухволновой передаче за один оборот генератора гибкое колесо смещается относительно жёсткого ровно на два зуба.
При малой разнице чисел зубьев сборка двух жёстких колёс невозможна из-за интерференции. Именно поэтому одно из колёс делают гибким — упругая деформация венца и обеспечивает работоспособное зацепление.
Передаточное отношение волновой передачи определяется числами зубьев колёс; разница чисел зубьев при этом равна числу волн деформации. Для наиболее частой схемы — жёсткое колесо неподвижно, выход снимается с гибкого колеса — передаточное отношение по модулю равно отношению числа зубьев гибкого колеса к разнице чисел зубьев.
u = − zг / (zж − zг)
zг
zж
(zж − zг)
u = zж / (zж − zг)
zг = 200
zж = 202
zж − zг = 2
u = − 200 / (202 − 200) = − 100
Чем меньше разница чисел зубьев, тем больше передаточное отношение. Поэтому в волновых передачах разницу зубьев стремятся свести к минимально допустимой — равной числу волн. Диапазон стандартизованных передаточных отношений приведён в разделе параметров.
Одно из ключевых достоинств волновой передачи — малый мёртвый ход (угловой люфт). Под мёртвым ходом понимают изменение положения выходного вала при приложении нагрузки в обоих направлениях при зафиксированном входном вале. Многозонное зацепление большого числа зубьев и предварительный натяг венца генератором делают суммарный зазор очень малым, поэтому напряжённую волновую передачу относят к зацеплениям с практически нулевым люфтом.
Мёртвый ход нормируется и измеряется в угловых минутах; он складывается из собственного углового люфта передачи и упругой составляющей под нагрузкой. Для повышения точности применяют исполнения повышенной точности с уменьшенным люфтом.
Именно малый и предсказуемый мёртвый ход в сочетании с высокой крутильной точностью объясняет, почему волновые редукторы массово применяют в приводах, требующих точного позиционирования.
Параметры волновых механизмов регламентированы действующими межгосударственными стандартами. При этом нужно разделять два уровня: волновую передачу как зацепление (общие технические требования, типы и размеры) и волновой редуктор (мотор-редуктор) как готовое изделие с собственным рядом параметров. Диапазоны у них не совпадают, поэтому ниже они приведены раздельно.
Для волновых зубчатых передач общего применения стандартизованный ряд охватывает следующий диапазон характеристик.
Для одноступенчатых волновых зубчатых редукторов и мотор-редукторов общемашиностроительного применения параметры и размеры заданы отдельным стандартом. Значения момента приведены для повторно-кратковременного режима и высоты над уровнем моря до 1000 м.
Главным параметром (типоразмерным признаком) волнового редуктора служит внутренний диаметр гибкого колеса. В условном обозначении он указывается вместе с типом, передаточным отношением, исполнением по способу монтажа и климатическим исполнением.
3В‑80‑101‑110‑У3
3В
80
101
110
У3
Для конкретных типоразмеров в технических условиях дополнительно указывают номинальную частоту вращения входного вала (генератора), фактическое или номинальное передаточное отношение с допуском, массу, угловой люфт (мёртвый ход), а также габаритные и присоединительные размеры. Коэффициент полезного действия нормируется и зависит от типоразмера, передаточного отношения и режима работы — приводить единое значение вне привязки к типоразмеру некорректно.
Как и любая передача, волновая имеет область рационального применения, очерченную её сильными и слабыми сторонами.
Возможность передавать вращение через сплошную герметичную перегородку — следствие того, что входное и выходное звенья механически разделены гибким венцом; это используют там, где требуется герметичный или вакуумно-плотный ввод движения.
Сочетание большого передаточного отношения, компактности и малого люфта определяет круг задач, где волновой редуктор оказывается предпочтительнее планетарных и червячных схем.
В промышленных роботах и манипуляторах волновые редукторы ставят в поворотные оси и суставы: точное позиционирование нагрузки требует минимального мёртвого хода и высокой кинематической точности, что и обеспечивает напряжённая волновая передача.
Волновые передачи применяют в приводах станков, конвейеров, грузоподъёмных и поворотных механизмов, где нужны большое передаточное отношение в малых габаритах и плавность хода. Способность передавать момент через герметичную стенку востребована в технике с изолированными средами.
Малая масса при большом передаточном отношении и высокая кинематическая точность делают волновые передачи подходящими для приводов в авиационной и космической технике, где критичны габариты и точность.
Генератор волн придаёт тонкому гибкому колесу форму овала, и его зубья входят в зацепление с неподвижным жёстким колесом только по концам большой оси. При вращении генератора зоны зацепления бегут по кругу, а так как у гибкого колеса зубьев меньше, оно медленно проворачивается в обратную сторону. Эта разница в числе зубьев и даёт большое замедление.
Из трёх основных элементов: жёсткого колеса с внутренними зубьями (обычно неподвижно в корпусе), гибкого тонкостенного колеса с наружными зубьями (связано с выходным валом) и генератора волн — овального кулачка с гибким подшипником.
В планетарной передаче движение преобразуется обкатыванием жёстких сателлитов, а в волновой — упругой деформацией гибкого венца. Волновая схема даёт большее передаточное отношение в одной ступени при меньшем мёртвом ходе, но имеет более напряжённое гибкое колесо и пониженную крутильную жёсткость.
Из-за многозонного зацепления большого числа зубьев и предварительного натяга венца генератором суммарный зазор очень мал. Поэтому напряжённую волновую передачу относят к зацеплениям с практически нулевым люфтом и применяют там, где нужно точное позиционирование.
При неподвижном жёстком колесе и выходе на гибком колесе модуль передаточного отношения равен числу зубьев гибкого колеса, делённому на разницу чисел зубьев колёс. Разница обычно равна числу волн (как правило, двум), поэтому передаточное отношение близко к половине числа зубьев гибкого колеса.
Число волн равно числу выступов генератора. Наиболее распространена двухволновая схема; разница чисел зубьев колёс при этом равна двум или кратна числу волн, чтобы избежать интерференции зубьев.
В промышленных роботах и манипуляторах, точных следящих и силовых приводах станков и конвейеров, грузоподъёмных и поворотных механизмах, а также в авиационной и космической технике — везде, где важны компактность, большое передаточное отношение и точность.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.