Циклоидальный редуктор: устройство и принцип работы
Cycloidal drive
Циклоидальный редуктор: принцип работы, преимущества и применение. Компактный механизм с высокой точностью и минимальным люфтом для снижения скорости вращения.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Экцентричный механизм редукции с помощью зубчатого колеса
Eccentric gear reduction mechanism
Циклоидальный привод, или циклоидальный редуктор скорости, – это механизм для уменьшения скорости входного вала в определенной пропорции. Циклоидальные редукторы способны обеспечивать относительно высокие передаточные числа в компактных размерах с очень малым люфтом. Входной вал приводит в движение эксцентриковый подшипник, который, в свою очередь, приводит в движение циклоидальный диск по эксцентриковой, циклоидальной траектории. Периметр этого диска зацеплен со стационарным кольцевым зубчатым венцом и имеет ряд штифтов или роликов выходного вала, расположенных по поверхности диска. Эти штифты выходного вала непосредственно приводят в движение выходной вал при вращении циклоидального диска. Радиальное движение диска не передается на выходной вал.
A cycloidal drive or cycloidal speed reducer is a mechanism for reducing the speed of an input shaft by a certain ratio. Cycloidal speed reducers are capable of relatively high ratios in compact sizes with very low backlash. The input shaft drives an eccentric bearing that in turn drives the cycloidal disc in an eccentric, cycloidal motion. The perimeter of this disc is geared to a stationary ring gear and has a series of output shaft pins or rollers placed through the face of the disc. These output shaft pins directly drive the output shaft as the cycloidal disc rotates. The radial motion of the disc is not translated to the output shaft.
Теория действия
Входной вал монтируется эксцентрично к подшипнику качения (обычно цилиндрическому роликовому подшипнику), что вызывает колебательное движение циклоидального диска по окружности. Циклоидальный диск вращается вокруг подшипника независимо, когда прижимается к зубчатому венцу. Это аналогично планетарной передаче. Направление вращения диска и выходного вала противоположно направлению вращения входного вала. Количество зубьев на зубчатом венце больше, чем количество зубьев на циклоидальном диске. Это заставляет циклоидальный диск вращаться вокруг подшипника быстрее, чем входной вал перемещает его, обеспечивая общее вращение в направлении, противоположном вращению входного вала. Циклоидальный диск имеет отверстия, которые больше (на величину, равную эксцентриситету входного вала), чем выходные роликовые штифты, входящие в них. Выходные штифты перемещаются в отверстиях, обеспечивая плавное вращение выходного вала от колебательного движения циклоидального диска. Коэффициент редукции циклоидального привода определяется следующей формулой, где P – количество зубьев зубчатого венца, а L – количество выступов на циклоидальном диске. Эффективность одноступенчатой передачи приближается к 93%, а двухступенчатой – к 86%. Одноступенчатые редукторы доступны в продаже с передаточным числом до 119:1, а двухступенчатые – до 7569:1. Циклоидальный диск обычно проектируется с укороченной циклоидой для минимизации эксцентриситета диска и связанных с ним сил дисбаланса на высоких скоростях. По этой причине два циклоидальных диска часто устанавливаются со смещением на 180°. Многие современные прецизионные приводы обеспечивают эксцентрическое движение через несколько валов, которые также передают выходную силу, обычно от 2 до 5 валов, расположенных по той же окружности, что и выходные ролики в базовой конструкции. Эти валы приводятся в движение планетарными шестернями от центрального входного вала. Поскольку эти валы всегда выровнены входными шестернями, это позволяет передавать выходную мощность через роликовые подшипники, а не через периодический контакт с поверхностью. Благодаря планетарному входу это фактически двухступенчатый привод, который может быть спроектирован для непосредственного привода от высокоскоростного бесщеточного двигателя. Этот тип часто используется в приводах роботов.
The input shaft is mounted eccentrically to a rolling element bearing (typically a cylindrical roller bearing), causing the cycloidal disc to wobble in a circle. The cycloidal disc will independently rotate around the bearing as it is pushed against the ring gear. This is similar to planetary gearing. The direction of rotation of the disc and output is opposite to that of the input shaft. The number of pins on the ring gear is larger than the number of pins on the cycloidal disc. This causes the cycloidal disc to rotate around the bearing faster than the input shaft is moving it around, giving an overall rotation in the direction opposing the rotation of the input shaft. The cycloidal disc has holes that are larger (by an amount equal to the eccentricity of the input shaft) than the output roller pins that go inside them. The output pins will move around in the holes to achieve steady rotation of the output shaft from the wobbling movement of the cycloidal disc. The reduction rate of the cycloidal drive is obtained from the following formula, where P means the number of the ring gear pins and L is the number of lobes on the cycloidal disc. Single stage efficiency approaches 93% and double stage approaches 86%. Single stage reductions are available commercially up to 119:1 and double stage up to 7,569:1. The cycloid disc is usually designed with a shortened cycloid in order to minimize the eccentricity of the disc and the associated unbalance forces at high speeds. For this reason, two cycloid discs are often mounted offset by 180°. Many modern precision drives provide the eccentric motion through multiple shafts that also transmit the output force, typically 2 to 5 shafts arranged in the same circular pattern as the output rollers of the most basic design. The shafts are driven through planetary like gears by a central input shaft. Since these shafts are always aligned by the input gears this allows the output to be transmitted through roller bearings rather than intermittent surface contact. Due to the planetary input this is effectively a two stage drive and may be designed to be directly driven by a high speed brushless motor. This type is often used in robot actuators.
Недостатки
Из-за эксцентричного характера привода, если циклоидальный диск не сбалансирован вторым диском или противовесом, он будет создавать вибрации, распространяющиеся по приводным валам и корпусу. Это увеличивает износ наружных зубьев циклоидального диска и подшипников компонентов. При использовании двух дисков статический дисбаланс устраняется, но сохраняется небольшой динамический дисбаланс, который обычно считается допустимым для большинства применений. Для снижения вибрации в высокоскоростных приводах используют три и более дисков для коррекции дисбаланса: внешние диски двигаются согласованно, в противофазе со средним диском, который имеет вдвое большую массу.
Due to the eccentric nature of the drive, if the cycloidal disk is not balanced by a second disk or a counterweight, it will generate vibrations which propagate through the driven shafts and the body. This increases wear on the exterior teeth of the cycloidal disk and the component bearings. With two discs the static imbalance is corrected but a small dynamic imbalance remains. This is generally considered acceptable for most applications. To reduce vibration, high speed drives use three or more discs to correct the imbalance; the outer discs move in unison, in opposition to the middle one, which is twice as massive.
Преимущества
Циклоидальные приводы могут обладать нулевым люфтом и высокой передаточной способностью при компактных размерах, в отличие от редукторов с эвольвентным зацеплением. Они полезны в ситуациях, где требуется низкая скорость и высокий крутящий момент. Циклоидальные приводы могут быть спроектированы с существенно большей площадью контакта для своих размеров, чем любые передачи на основе зубчатых колес, такие как планетарные передачи. Они передают усилие через множество зубьев одновременно, обеспечивая очень высокую выходную мощность на единицу объема, но при этом требуют скользящего контакта.
Cycloidal drives can feature zero backlash and high torque capacity while being compact in size, unlike Involute gearboxes. They are useful in situations where low speed with high torque is required. Cycloidal drives may be designed with significantly higher contact areas for their size than any gear based transmission such as epicyclic gearing. They apply force through many of the teeth at once, allowing very high torque output relative to size at the cost of requiring sliding contact.