В этой статье будет представлен всесторонний анализ гармонических редукторов, включая их описание, преимущества и недостатки, люфт, сферы применения и меры предосторожности при установке.

Что такое гармонический редуктор?

Гармонический редуктор, как гибкий зубчатый редуктор, имеет в своей основе волновой генератор, гибкое зубчатое колесо и круговое зубчатое колесо. Точная координация этих трех компонентов является ключом к его стабильной передаче. Волновой генератор, как правило, эллиптической или гиперболической формы, часто соединен с входным валом и служит "источником мощности", вызывающим деформацию. Подшипники качения на его периферии позволяют добиться более плавной деформации и уменьшить износ компонентов.

Гибкое зубчатое колесо имеет чашеобразную или кольцевую форму, обычно изготовлено из высокопрочной легированной стали с отличной эластичностью. Оно подвергается периодической деформации под действием волнового генератора. Зубья распределены по его внешней или внутренней окружности, выступая в роли "моста" для передачи мощности. Круговое зубчатое колесо является фиксированным компонентом с зубьями на внутренней или внешней стенке. Оно имеет на 2 зуба больше (или определенную целочисленную разницу), чем гибкое зубчатое колесо. Зацепляясь с деформирующимся гибким зубчатым колесом, оно обеспечивает выход мощности.

Во время работы вращение волнового генератора заставляет гибкое зубчатое колесо деформироваться, вызывая последовательное зацепление и расцепление зубьев двух компонентов. Снижение скорости достигается за счет разницы в количестве зубьев. Три основных компонента выполняют свои функции, обеспечивая передачу с высокой точностью и стабильностью.

Каковы преимущества гармонического редуктора?

Гармонические редукторы обладают следующими значительными преимуществами:

1.  Высокое передаточное отношение:

Одноступенчатое передаточное отношение обычно составляет от 30 до 500, а многоступенчатое может превышать 30 000. Это позволяет значительно снизить скорость на одной ступени, удовлетворяя потребности в передаче с высокой точностью и высоким крутящим моментом, подходя для сценариев, требующих высокого передаточного отношения.

2.  Высокая точность передачи:

Многозубое зацепление усредняет ошибки, при этом ошибка передачи составляет лишь около 1/4 от обычной зубчатой передачи. Он может обеспечить движение с практически нулевым люфтом, гарантируя точное перемещение, что делает его идеальным для областей с чрезвычайно высокими требованиями к точности, таких как хирургические роботы и полупроводниковое оборудование.

3.  Компактные размеры и малый вес:

По сравнению с традиционными редукторами, при одинаковом выходном крутящем моменте объем может быть уменьшен на 2/3, а вес — на 1/2. Его компактная конструкция подходит для применений с ограниченным пространством, таких как легкие сочленения в гуманоидных роботах.

4.  Высокая нагрузочная способность:

Гибкое зубчатое колесо изготовлено из высокопрочного материала, а контакт зубьев осуществляется по поверхности. Количество одновременно зацепляющихся зубьев может достигать более 30% от общего количества зубьев, что приводит к низкой нагрузке на единицу площади и позволяет передавать относительно высокий крутящий момент, подходя для сценариев с высокой нагрузкой.

5.  Высокий КПД передачи:

Во время передачи зубья гибкого зубчатого колеса равномерно перемещаются в радиальном направлении с очень низкой относительной скоростью скольжения, что приводит к минимальному износу. КПД может достигать 69%–96%, сохраняя относительно высокую эффективность даже на высоких скоростях, уменьшая потери энергии.

6.  Плавная работа и низкий уровень шума:

Обе стороны зубьев участвуют в зацеплении и расцеплении, что исключает ударные явления. Работа сопровождается минимальным шумом и вибрацией, подходит для применений, чувствительных к шуму.

7.  Возможность передачи движения в герметичные пространства:

Используя гибкую природу гибкого зубчатого колеса, движение может передаваться через герметичные стенки, подходит для оборудования, такого как аэрокосмическая и медицинская техника, которая должна работать в закрытых средах.

Эти преимущества делают гармонические редукторы идеальным решением для передачи в высокотехнологичных областях, таких как робототехника, станки с ЧПУ, аэрокосмическая промышленность и медицинское оборудование.

Каковы недостатки гармонического редуктора?

Как прецизионное передаточное устройство, гармонические редукторы, обладая преимуществами, такими как высокая точность, высокое передаточное отношение и компактные размеры, также имеют некоторые ограничения, включая:

1.  Ограниченный ресурс гибкого зубчатого колеса:

Гибкое зубчатое колесо подвергается периодической упругой деформации во время работы, создавая переменные напряжения. Длительное использование может легко привести к усталости материала, вызывая трещины или даже разрушение. Особенно в сценариях с высокой нагрузкой и высокой частотой работы ресурс гибкого зубчатого колеса может быть ограничивающим фактором, требующим регулярной замены или обслуживания.

2.  Относительно более низкая нагрузочная способность:

Хотя гармонические редукторы хорошо работают в сценариях с низким крутящим моментом, по сравнению с редукторами, такими как RV-редукторы, их способность выдерживать высокий крутящий момент слабее. Когда нагрузка превышает определенный предел, чрезмерная деформация или плохое зацепление гибкого зубчатого колеса может повлиять на точность и стабильность передачи. Поэтому они более подходят для применений с легкой нагрузкой и высокой точностью.

3.  Ограниченный КПД передачи:

Из-за таких факторов, как упругая деформация гибкого зубчатого колеса и трение при зацеплении, КПД передачи гармонических редукторов обычно ниже, чем у планетарных или RV-редукторов, с относительно более высокими потерями энергии. Проблемы с КПД могут стать более заметными, особенно при передаче на высоких скоростях или высокой мощности.

4.  Высокие требования к условиям установки и эксплуатации:

Гармонические редукторы имеют строгие требования к точности установки. Неправильная установка (например, смещение осей, чрезмерный зазор) может вызвать неравномерное напряжение на гибком зубчатом колесе, ускоряя износ или повреждение. Кроме того, они предъявляют определенные требования к температуре, влажности, вибрации и другим условиям эксплуатации, что может повлиять на производительность и срок службы в суровых условиях.

5.  Колебания мгновенного передаточного отношения:

Для гармонических редукторов, использующих роликовые волновые генераторы, мгновенное передаточное отношение не является строго постоянным. Это может в некоторой степени повлиять на плавность и точность передачи, что требует внимательного рассмотрения в применениях с чрезвычайно высокими требованиями к точности.

6.  Проблемы с отводом тепла:

Внутренняя структура гармонических редукторов компактна, с относительно плохими условиями отвода тепла. Длительная непрерывная работа может вызвать повышение температуры, влияя на эффективность смазки и производительность компонентов, даже приводя к отказам. Поэтому при работе с высокой нагрузкой или длительной эксплуатации необходимо уделять внимание проектированию отвода тепла.

В заключение, гармонические редукторы подходят для сценариев с высокими требованиями к точности, размерам и весу, но с относительно меньшими нагрузками и менее строгими требованиями к сроку службы и КПД, таких как сочленения роботов, прецизионные приборы и аэрокосмическая промышленность. При выборе редуктора необходимо провести комплексную оценку его преимуществ и недостатков на основе конкретных потребностей применения.

Есть ли у гармонического редуктора люфт?

Гармонические редукторы могут обеспечить практически нулевой люфт в идеальных условиях. Однако на практике из-за таких факторов, как точность изготовления, свойства материала и износ, трудно достичь абсолютно нулевого люфта полностью. Обычно существует чрезвычайно малый зазор, но по сравнению с традиционными редукторами их люфт значительно уменьшен и часто может считаться незначительным.

Гармонические редукторы работают, используя волновой генератор для приведения в движение упругой деформации гибкого зубчатого колеса, заставляя гибкое зубчатое колесо и круговое зубчатое колесо формировать периодическое зацепление. Снижение скорости достигается за счет разницы в количестве зубьев. Благодаря характеристике упругой деформации гибкого зубчатого колеса оно может плотно прилегать к поверхности зубьев кругового зубчатого колеса при зацеплении, теоретически устраняя зазор между зубьями. Однако в реальном производстве такие факторы, как погрешности обработки компонентов, точность сборки и износ при длительном использовании, могут привести к возникновению люфта.

В каких устройствах используются гармонические редукторы?

Гармонические редукторы в основном применяются в следующих четырех основных отраслях: промышленные роботы, сервисные роботы, медицинское оборудование, станки с ЧПУ и автоматизированное оборудование.

Отрасль станкостроения:

В основном используются для 4-й и 5-й осей станков, приспособлений для станков, револьверных головок и т. д. Высокоточное оборудование преимущественно использует гармонические редукторы.

Манипуляторы (до 20 кг):

Речь идет о распространенных манипуляторах, более 50% используемых редукторов — гармонические.

Домашние сервисные роботы:

Для высококлассных роботов в домашнем сервисе, логистической сортировке, настольных игрушках и т. д. гармонические редукторы являются единственным и наиболее эффективным решением.

Медицинское оборудование:

В основном включает медицинских роботов, медицинские приборы, экзоскелеты, устройства медицинского ухода и т. д. Гармонические редукторы являются оптимальным решением для сочленений.

Меры предосторожности при установке гармонических редукторов

1. Если при установке редуктора требуется опора подшипника, старайтесь выбирать подшипники с точностью P6 и классом зазора C2 для обеспечения общей точности машины.

2. Убедитесь, что количество смазки в полости составляет не менее 60–70%, чтобы избежать плохой смазки при длительной работе.

3. Среда установки должна быть чистой. Избегайте сборки в пыльных средах или при наличии загрязнений частицами. Не используйте вентиляторы в цеху во время установки.

4. Инструменты и приспособления, используемые во время установки, должны быть аккуратными и эргономичными, чтобы избежать повреждения редуктора или создания скрытых проблем из-за проблем с инструментами.

5. Установщики должны по возможности носить резиновые перчатки.

6. Используйте промышленные безворсовые салфетки для очистки редуктора или связанных деталей во время установки.

7. При установке редуктора с вращающимся двигателем убедитесь, что имеется достаточный зазор для регулировки относительно размеров позиционирования между редуктором и монтажным фланцем.

8. Для методов затяжки винтов и крутящего момента используйте динамометрический ключ.

9. Убедитесь, что используемые винты имеют класс прочности 12.9, чтобы гарантировать надежность после установки.

10. Используйте фиксатор резьбы на монтажных винтах, минимизируйте использование упругих шайб. Для глухих отверстий рекомендуется наносить фиксатор в отверстие; для сквозных отверстий наносите его на верхнюю часть винта.

11. Обеспечьте достаточное и правильно герметизированное количество смазки/консистентной смазки во время установки. Для установки с зубчатым колесом вверх полость должна быть заполнена смазкой.

12. После установки выполните пробный запуск на 100 об/мин, чтобы проверить уровень шума, вибрации редуктора и т. д. При обнаружении проблем немедленно остановитесь и проверьте причину или свяжитесь с нашими сотрудниками.

Хотите узнать что-то еще о гармонических редукторах?