Волновая зубчатая передача. А все-таки она вертится!

Идею новой передачи многие специалисты встретили с недоверием. Они считали, что при гибком зубчатом колесе передача не будет обладать пи необходимой прочностью, ни достаточной точностью. Более того, деформации, которым непрерывно подвергается гибкое колесо, неминуемо должны были, по их мнению, привести к сокращению срока службы передачи. Скептики были уверены и в том, что гибкость колеса внесет хаос в поведение зубьев и они, перестав подчиняться теории, «дезорганизуют» процесс зацепления. В итоге увеличатся потери на трение, уменьшится коэффициент полезного действия.

Но «в конечном счете, для развития науки важны факты, противоречащие известным законам» (Бутлеров). Как раз такие факты и давала в распоряжение ученых волновая передача бмз. Работала она отлично, поражая специалистов своими замечательными свойствами.

Прежде всего такая передача отличалась способностью передавать высокие нагрузки при сравнительно небольших габаритах. Вопреки сомнениям скептиков в этом отношении она не только не уступала передачам с жесткими зубчатыми колесами, но и значительно их превосходила. Например, выпускаемый одной из американских фирм волновой редуктор, передающий момент до 180 килограммо-метров, весит всего 52 килограмма — в 3—4 раза меньше, чем классический зубчатый редуктор с такой же нагрузочной способностью. К тому же зубчатые передачи допускают лишь двух-трех-кратную кратковременную перегрузку, а волновые — даже десятикратную.

Всякая истина, говорил Гумбольдт, проходит в человеческом сознании через три стадии. Сначала: «Какая чушь!», затем: «В этом что-то есть», наконец: «Кто же этого не знает?». Специалисты довольно быстро нашли объяснение «противозаконному» поведению новой передачи. Конечно же, все оказалось «очень просто» и даже «совершенно очевидно». Все было связано именно с гибкостью одного из колес, той самой гибкостью, на борьбу с которой в традиционных передачах тратилось немало сил,

Действительно, в таких зубчатых передачах в зацеплении одновременно участвуют только один-два зуба каждого колеса, и при приложении нагрузок выше расчетных они ломаются, ибо не перекладывают даже малой части усилий на соседние зубья.

А зубья гибкого колеса волновой передачи, именно благодаря его гибкости, под нагрузкой несколько наклоняются, что дает возможность большему числу зубьев войти в зацепление. К тому же число зон зацепления в волновой передаче, как правило, равно двум. В результате в волновом зацеплении находится в несколько раз больше зубьев, чем в традиционном зубчатом, и на каждый зуб приходится гораздо меньшая нагрузка. Это и объясняет, почему волновые передачи имеют при тех же габаритах, что и классические, значительно большую нагрузочную способность, а при той же нагрузочной способности намного меньшие вес и размеры.

Распределение нагрузки по большому числу зубьев (так называемая многопарность зацепления) позволило без потери нагрузочной способности даже уменьшить размеры зубьев, увеличить их число, а значит, и величину передаточного числа редуктора. В этом отношении волновая передача не имеет себе равных: в одной ее ступени можно замедлить скорость вращения (а значит, и увеличить передаваемый момент) более чем в 300 раз! Для сравнения заметим, что максимальное передаточное число цилиндрических двухступенчатых зубчатых редукторов не превышает 50.

Если бы волновая передача обладала даже только этими двумя замечательными свойствами, то и тогда бы она заняла важ

ное место в арсенале техники. Но достоинств у волновой передачи гораздо больше.

Одновременное участие многих зубьев в зацеплении повышает надежность передачи. Известно, что в обычной зубчатой передаче поломка хотя бы одного зуба неизбежно приводит к выходу ее из строя. У волновой передачи такой дефект приведет только к тому, что сломавшийся зуб перестанет участвовать в зацеплении, но благодаря мно-гопарностн зацепления это не скажется на работоспособности передачи и даже не снизит ее точности.

Следует сказать еще об одном замечательном свойстве волновой передачи — точности. Опять-таки благодаря многопарно-сти зацепления неизбежные технологические погрешности изготовления, резко ухудшающие точность классических передач, практически не сказываются на точности волновых передач. Более того, при правильном выборе величины деформации гибкого колеса можно полностью устранить люфты, не снижая кпд передачи. Напомним, что для устранения люфта, например, в цилиндрических зубчатых передачах требуется наличие специальных устройств, увеличивающих потери и снижающих общий кпд редуктора.

Проведенные исследования показали, что скорость скольжения зубьев в волновых передачах составляет менее одной сотой от скорости скольжения зубьев цилиндрических передач наружного зацепления. Вот почему у волновой передачи очень низок износ зубьев и достаточно высок (при столь больших передаточных числах) коэффициент полезного действия: 85—90 процентов.

Волновая передача отличается высокой плавностью, безударностью входа зубьев в зацепление, что делает ее работу почти бесшумной.

А как же с опасениями в отношении недостаточной выносливости гибкого колеса и насчет выхода его из строя из-за постоянных деформаций? Практика полностью развеяла их. Оказалось, что благодаря уменьшенной высоте зубьев относительная величина деформации и величина вызываемых ею напряжений стали настолько малы, что практически не сказались на выносливости.

Кроме двухволновых передач, созданы одно- и трехволновые, передачи с внутренним и с наружным расположением генератора, с генераторами принудительной и свободной деформации, с планетарными генераторами. Гибкие колеса передач делаются в виде стакана и узкого кольца, цилиндрические и конические, колоколообразные и сферические, с прямыми и косыми зубьями. Созданы волновые передачи вообще без зубьев — фрикционные; существуют винтовые волновые передачи, преобразующие вращательное движение в поступательное; есть волновые передачи одноступенчатые и многоступенчатые. Для расположения дополнительных ступеней часто используется свободное пространство, имеющееся внутри гибкого колеса. Тогда, вставив друг в друга две-три ступени, можно получить передаточное число, равное нескольким миллионам, без всякого увеличения габаритов передачи.

Дополнительные перспективы перед волновыми передачами открывает применение зубчатых колес из полимеров. Многие их свойства — гибкость, низкий коэффициент трения, способность работать в агрессивных средах — созданы как будто специально для волновых передач. Применение полимеров еще больше снижает вес передачи, а изготовленные литьем под давлением или прессованием пластмассовые колеса не требуют дополнительной механической обработки, что делает такие передачи необыкновенно дешевыми.