Волновые редукторы harmonic drive

Важным компонентом современных высокоточных электромеханических систем являются редукторы. Одним из самых распространённых типов высокоточных редукторов являются волновые редукторы, впервые выведенные на рынок компанией harmonic drive более 45 лет назад. За прошедшее время ассортимент продукции в каталоге компании многократно увеличился, и разобраться в различиях многочисленных серий редукторов может оказаться непросто. Предлагаемая статья попробует в этом помочь. 

Принцип действия

В состав волновой зубчатой передачи классической конструкции входят три основных элемента: генератор волны, гибкое кольцо и жёсткое кольцо. С точки зрения конструкции, генератор волны – это тонкостенный шарикоподшипник, напрессованный на эллиптическую втулку. Гибкое кольцо - это тонкостенное зубчатое колесо с внешним зубом. Когда при сборке генератор волны устанавливается внутрь гибкого кольца, то последнее деформируется и принимает форму генератора волны. Жёсткое кольцо представляет собой зубчатое кольцо с внутренним зубом. Количество зубьев жёсткого кольца обычно на 2 меньше чем у гибкого кольца (несколько реже делают разницу в 4 зуба). При сборке волнового редуктора гибкое кольцо, установленное на генератор волны, помещается внутрь жёсткого кольца. Зубья жёсткого кольца и гибкого кольца входят в зацепление в двух зонах, которые располагаются на большой полуоси генератора волны (который имеет форму эллипса). 

Когда генератор волны поворачивается, то по мере его поворота зоны зацепления зубьев смещаются по окружности жёсткого кольца. Благодаря тому, что количество зубьев на гибком и жёстком кольце различно, после того как генератор волны поворачивается на 360°, жёсткое кольцо оказывается смещено относительно жёсткого, при этом величина смещения соответствует разнице в числе зубьев этих колёс. Если при этом жёсткое кольцо неподвижно, то при быстром вращении генератора волны получаем медленное вращение гибкого кольца. Устройство в этом случае является понижающим редуктором: генератор волны является входом, гибкое кольцо – выходом, а жёсткое кольцо является корпусом. 

Если изменять элементы волнового редуктора, используемые в качестве входного и выходного элемента, то устройство можно будет использовать в качестве повышающего редуктора, или  например, поменять направление вращения выхода относительно входа. Третий элемент волнового редуктора не обязательно должен оставаться неподвижным. Если он также приводится во вращение, то устройство работает в качестве дифференциального редуктора.
Специфика конструкции волнового редуктора обеспечивает отсутствие люфта, что позволяет им находить применение в различных областях техники, требующих точной передачи вращения. Широкое применение волновых редукторов влечёт за собой очень различные требования к конструкции, что воплощается в широкий ассортимент редукторов в каталоге Harmonic Drive.

Конструкция редукторов: варианты

По конструкции все поставляемые волновые редукторы можно разделить на несколько групп. Самые простые по конструкции редукторы – это установочные комплекты. Они представляют собой три основных детали редуктора, пригнанные друг к другу, но не собранные в единое изделие. Подшипники в такой комплектации отсутствуют и при интеграции такого редуктора в конечное изделие можно установить именно те подшипники, которые наиболее подходят для конкретного применения. Такая возможность может дать преимущество в случае, когда подшипники стандартных готовых редукторов не устраивают по тем или иным параметрам. Вал в такой комплектации также отсутствует (ни полого, ни сплошного вала просто нет). Некоторые серии установочных комплектов снабжаются кулачково-дисковой муфтой на генераторе волны для компенсации несоосности вала. Легко видеть, что такая конструкция даёт большую гибкость в проектировании конечной системы и позволяет оптимально состыковать волновой редуктор с остальной частью системы.

Вторая группа по конструктивному исполнению – редукторы в исполнении модуль. Эти редукторы представляют собой полностью собранные изделия с установленными подшипниками, дополнительными корпусными деталями и часто с установленным валом - полым или сплошным. Несмотря на то, что полностью собранные изделия не дают такой же гибкости в построении системы, как и установочные комплекты, использование их упрощает конструирование за счёт отсутствия необходимости установки подшипников и вала. Ещё одна особенность этого конструктивного исполнения – отсутствие сплошного наружного корпуса у редуктора. 

Третья группа по конструктивному исполнению – корпусированные редукторы. Они, так же как и модули, представляют собой полностью собранные изделия, однако в отличие от них имеют наружный корпус. Корпусные редукторы всегда снабжаются подшипниками, входным и часто входным валом. Полый вал в таких редукторах в настоящее время отсутствует.

Вопрос о полом вале

Ещё один важный конструктивная особенность, важная во многих практических применениях, по которой можно провести различие между различными сериями редукторов – это наличие полого вала. Самый простой случай – полый вал уже есть (см. например чертёж редуктора из серии HFUS-2UH на рис. 1, полый вал выделен цветом). Полый вал здесь уже реализован как отдельный конструктивный элемент в стандартном каталожном исполнении редуктора. Второй случай относится к тем редукторам где полого вала нет – не предусмотрен в конструкции. Пример такой конструкции – редуктор серии CSD-2UH (см. рис. 2, выделено цветом).

Рис. 1 Пример волнового редуктора с полым валом	Рис. 2 Пример волнового редуктора без полого вала

Третий вариант конструкции – полый вал не установлен, но имеется сквозное отверстие, позволяющее это сделать без дополнительных модификаций редуктора. Пример - редуктор SHD-2UH (см. рис. 3). На ряде серий редукторов полый вал отсутствует, и на генератор волны установлена кулачково-дисковая муфта с втулкой со шпоночным пазом для установки на вал двигателя со шпонкой. Примером может служить CobaltLine-2UH (см. рис. 4). В таких редукторах полый вал установить можно только при наличии заказной модификации редуктора без входных элементов на генераторе волны (снимаются муфта и втулка). 

Рис. 3 Пример волнового редуктора  с возможностью установить полый вал	Рис. 4 Пример волнового редуктора,  где требуется доработка для установки полого вала

Основные серии установочных комплектов

В каталоге harmonic drive в настоящее время представлено шесть серий  редукторов в исполнении установочный комплект. Все эти серии отличаются по параметрам и в частности по производительности. Можно выделить группу серий с базовой производительностью: HFUC-2A, HFUS-2A и CPL-2A. Серия HFUC представлена в самом широком диапазоне габаритов (типоразмеров): от 8 до 100, в части прочих параметров она занимает среднее положение. Гибкое кольцо выполнено в классической форме «кастрюля». Серия HFUS имеет несколько иную конструкцию: гибкое кольцо выполнено в форме «шляпа», что даёт больше пространства внутри редуктора. С другой стороны, по этой причине наружный диаметр и масса редукторов HFUS-2A несколько увеличились по сравнению с аналогичными редукторами HFUC-2A. Серия установочных комплектов CPL-2A была разработана для применения в авиационных и космических системах, где требуется минимальные размеры и масса. При разработке была проведена оптимизация конструкции, благодаря чему масса и длина редуктора были уменьшены, и при этом удалось сохранить на прежнем уровне номинальный момент.

Рис.5 CPL-2A

Ещё одна группа серий характеризуется увеличенной производительностью: номинальный момент у них выше, чем у серий с базовой производительностью. К таким сериям относятся CSG-2A и CobaltLine-2A. Обе серии кроме увеличенного номинального момента  (примерно на 30%) имеют также значительно (на 40%) увеличенный срок службы по сравнению с сериями базовой производительности. По остальным параметрам и по конструкции эти две серии одинаковы, различие состоит в месте производства: CSG-2A на заводе в Японии, CobaltLine-2A – на заводе в Германии.

Рис. 6 CobaltLine Double

Кроме двух перечисленных выше, есть ещё одна группа редукторов, отличающихся пониженной производительностью для тех же типоразмеров. В настоящее время к этой группе относится только одна серия: CSD-2A. Эта серия имеет пониженную массу (на 40% по сравнению с HFUC) и значительно сниженную осевую длину (на 50%). Легко видеть, что по длине эта серия даже более компактна, чем CPL-2A  (у последней длина короче, чем у HFUC, всего на 10%), однако за это приходится расплачиваться более низкой производительностью.

Поскольку установочные комплекты содержат в себе необходимый минимум компонентов с тем, чтобы все остальные детали добавлялись при интеграции редуктора в конструкцию конечного изделия, то полый вал как элемент конструкции также отсутствует. Он может быть  установлен непосредственно в конечном изделии, если это необходимо. Кроме того, необходимо отметить что установочные комплекты поставляются.

Основные серии модулей

Ассортимент волновых редукторов в исполнении модуль, выпускаемых harmonic drive существенно более широк, чем установочных комплектов. Они также как и установочные комплекты могут быть разделены на несколько групп по производительности, а также по наличию или отсутствию  полого вала. 

Среди волновых редукторов в исполнении модуль полый вал отсутствует в 10 сериях (2 серии со входным валом, 1 серия без отверстия в центре редуктора и остальные со входным элементом под вал со шпонкой). Из них четыре серии относятся к группе базовой производительности. Серия HFUC-2UH здесь тоже выступает в роли базовой серии со средним уровнем параметров и самым широким диапазоном габаритов. Серия HFUS-2SO отличается формой генератора волны («шляпа») и уменьшенной осевой длиной. Серии CPU-S и CPU-M отличаются входным элементом – входной вал и втулка со шпоночным пазом для установки на двигатель соответственно. Кроме того они имеют расширенный диапазон температур и массу увеличенную по сравнению с HFUC-2UH.

К редукторам увеличенной производительности среди серий в исполнении модуль без полого вала можно отнести пять серий: SHG-2SO, CSG-2UH, CobaltLine-2UH, CobaltLine-CPS и CobaltLine-CPM. Все представители этой группы серий имеют увеличенный на 30% номинальный момент и срок службы увеличенный на 40% по сравнению с сериями базовой производительности. Серия SHG-2SO при этом является развитием серии редукторов HFUS-2SO: размеры редукторов одинаковы, отличаются только момент и срок службы. Аналогичная ситуация и с редукторами CSG-2UH и HFUC-2UH: разница в конструкции и размерах минимальна. Серия CobaltLine-2UH имеет по сравнению с CSG-2UH расширенный диапазон рабочих температур. CobaltLine-CPM и CobaltLine-CPS представляют собой варианты для непосредственной установки на двигатель и с входным валом. 

К группе серий с пониженной производительностью среди модулей без полого вала относится только одна серия – CSD-2UH. Эта серия наряду с меньшим на 30% номинальным моментом, имеет меньший диаметр, меньшую осевую длину и массу, чем HFUC-2UH.

Рис. 7 CSD-2UH

Среди волновых редукторов в исполнении модуль есть группа серий с полым валом  (или с возможностью его легко установить). Из имеющихся в каталоге десяти серий подобных редукторов, полый вал  физически установлен в 6 сериях и ещё в двух есть возможность его установки без дополнительных модификаций. Из этих серий три – HFUS-2UH, HFUS-2SH и CPU-H можно отнести к группе изделий со средней производительностью. Обе упомянутые серии редукторов HFUS имеют низкую входную скорость (на 70% ниже) и высокую массу (до 60%), чем например у HFUC-2UH. При этом HFUS-2SH имеет более короткую конструкцию. Серия редукторов CPU-H имеет усиленные подшипники и расширенный диапазон рабочих температур, и также пониженную входную скорость. 

Три серии редукторов в исполнении модуль с полым валом можно отнести к группе серий повышенной производительности: SHG-2SH, SHG-2UH и CobaltLine-CPH. Первые две серии являются развитием HFUS-2SH и HFUS-2UH соответственно с увеличенным на 30% номинальным моментом и сроком службы, увеличенным на 40%. Аналогичным образом, CobaltLine-CPH является улучшенной версией редуктора CPU-H с увеличенным номинальным моментом и сроком службы. 

Две серии редукторов в исполнении модуль с полым валом  имеют пониженную производительность. Это серии SHD-2SH и CSD-2UF. По сравнению с сериями стандартной производительности, они имеют укороченную конструкцию и номинальный момент, сниженный на 30%. Редукторы серии SHD-2SH кроме того имеет массу меньше чем CSD-2UF.

Рис. 8 SHD-2SH

Корпусные малогабаритные редукторы

В отдельную группу изделий можно выделить волновые редукторы, заключённые в сплошной наружный корпус. Сейчас в каталоге представлено две серии редукторов в таком исполнении: PMG и CSF-mini.Обе серии выпускаются в виде малогабаритных редукторов: габарит не превосходит 14, в то время как установочные комплекты и модули в подавляющем большинстве выпускаются в более крупных габаритах (14 и выше). 

Рис. 9 CSF-1U Single	Рис. 10 CSF-2XH-F Single

Серия PMG выпускается в двух вариантах: PMG-M для установки на двигатель и PMG-S со входным валом. На выходе в обоих случаях установлен вал. Серия CSF-mini имеет 6 различных вариантов, отличающихся видом входного и выходного элемента, а также крепёжного фланца: выходной вал или фланец, входной вал или втулка под вал со шпонкой, а также широкий или узкий крепёжный фланец.

Основные параметры волновых редукторов

Разбираясь в различиях между разными сериями редукторов, мы неминуемо сталкиваемся с их параметрами. С одной стороны эти параметры могут показаться очевидными, с другой стороны, различные производители имеют несколько различный подход к назначению параметров своих изделий, поэтому далее приводится обзор основных параметров волновых редукторов. 

Габарит (типоразмер) – число, позволяющее отличить большие редукторы от маленьких в рамках одной серии. Для волновых редукторов harmonic drive это число соответствует диаметру гибкого кольца выраженному в десятых долях дюйма. По этой причине число характеризующее габарит редуктора тесно связано с моментом, который может развить редуктор (гораздо теснее чем в случаях, когда число, характеризующее габарит привязано к какому-нибудь из наружных размеров редуктора или к габаритному размеру). Неудивительно, что многие серии редукторов имеют не просто похожую производительность, а точно совпадающие величины моментов для одинаковых габаритов.

Передаточное число (редукция) – определяет соотношение входной и выходной скорости. Значение в каталоге приводится для следующего варианта установки редуктора: генератор волны – вход, гибкое кольцо – выход, жёсткое кольцо – неподвижно. Практически доступный диапазон передаточных чисел ограничен значениями от 30 до 160.

Производительность редуктора определяется моментом и скоростью, с которыми он может работать. Для волновых редукторов harmonic drive в каталоге указывает четыре различных момента. Максимальный повторяющийся пиковый момент – указывает на предельные значения динамических нагрузок, максимально допустимые в рабочем цикле. Средний допустимый момент – определяет предельные значения момента нагрузки допустимые в продолжительном режиме работы. Номинальный момент – используется при расчётах срока службы редуктора, и не применяется как характеристика производительности редуктора. Кратковременный импульсный момент – момент который может прикладываться к редуктору при аварийном торможении на протяжении очень короткого времени. Приложение к редуктору такого момента допустимо всего несколько раз за весь срок службы. (Легко видеть, что средний допустимый момент наиболее близок к номинальному моменту в нашем традиционном понимании).

Скорость, которую может развивать редуктор характеризуется двумя параметрами: для работы при различной смазке: при жидкой и при консистентной. Значения скорости приводятся на входе редуктора. Максимальная скорость указывает на предельно допустимое значение скорости в кратковременных режимах работы. Средняя входная скорость – есть предельно допустимое значение скорости в продолжительном режиме работы. Оба параметра имеют разные значения для работы при различной смазке: более высокие при жидкой смазке и более низкие при консистентной смазке. Необходимо отметить что редуктор с консистентной смазкой – это стандартное каталожное решение, которое не требует принятия дополнительных конструкторских мер, в то время как редуктор с жидкой смазкой – это дополнительная возможность, лежащая за пределами стандартных решений и здесь потребуется создание резервуара для смазки (как минимум).

Вместо заключения

Волновые редукторы harmonic drive представлены очень широким ассортиментом различных версий и вариантов исполнений, которые могут применяться в самых различных системах и технических устройствах, требующих компактные и точные решения.