Harmonic Drive – торговая марка напряжённой волновой передачи, принадлежащей компании «Harmonic Drive», изобретенная К.В. Мюссером в 1957 г.
Сегодня она очень часто применяется в робототехнике и используется в аэрокосмической промышленности для снижения передач, но также может использоваться для увеличения скорости вращения или для дифференциальной передачи.
Основная концепция напряженной волновой передачи (SWG) была введена К.В. Мюссером в его патенте 1957 года. Впервые она был успешно использована в 1960 году компанией «USM Co.», а затем компанией «Hasegawa Gear Works, Ltd.» по лицензии «USM». Позже компания «Hasegawa Gear Works, Ltd.» стала компанией «Harmonic Drive Systems Inc.», расположенной в Японии, а подразделение «USM Co.» «Harmonic Drive» стало компанией «Harmonic Drive Technologies Inc.»
Колеса с электрическим приводом лунного ровера «Аполлон» использовали передачи на основе напряженной волны. Также лебедки, использованные на «Скайлэб» для развертывания солнечных панелей, приводились в действие с использованием передач на основе напряженной волны. Обе эти системы были разработаны подразделением гармонического привода «United Shoe Machinery Corp.»
1 января 2006 года «Harmonic Drive Technologies/Nabtesco» из Пибоди, штат Массачусетс, и «HD Systems» из Хопог, штат Нью-Йорк, объединились в новое совместное предприятие «Harmonic Drive LLC».[6] «HD Systems, Inc.» была дочерней компанией «Harmonic Drive System, Inc». Офисы находятся в Пибоди, штат Массачусетс, Хопог, штат Нью-Йорк, Сан-Хосе, штат Калифорния и Оук-Парке, штат Иллинойс. Штаб-квартира компании "Harmonic Drive Systems, Inc.», находится в Токио, а основное производство находится в Хотаке, Япония. Штаб-квартира «Harmonic Drive AG» и её производство находятся в Лимбурге / Лане, Германия.
Теория изменения скоростей с помощью напряженной волновой передачи основана на упругой динамике и использует гибкость металла. Этот механизм состоит из трех основных компонентов: генератор волн (2 / зеленый), гибкий сплайн (3 / красный) и круговую канавку (4 / синий). Более сложные версии имеют четвертый компонент, обычно используемый для сокращения общей длины или для увеличения степени передачи в пределах меньшего диаметра, но по-прежнему следуют тем же основным принципам.
Генератор волн состоит из двух отдельных частей: эллиптического диска, называемого вилкой генератора волн, и внешнего шарикоподшипника. Зубчатая заглушка вставлена в подшипник, что также придает подшипнику эллиптическую форму.
Гибкий сплайн имеет форму неглубокой чашки. Боковые стороны шлица очень тонкие, но основание относительно жесткое. Это приводит к значительной гибкости стенок на открытом конце из-за их тонкой стенки, а закрытая сторона довольно жесткая и может быть плотно закреплена (например, на валу). Зубы расположены радиально вокруг внешней стороны гибкого сплайна. Гибкий сплайн плотно прилегает к волновому генератору, так что при вращении вилки волнового генератора гибкий сплайн деформируется до формы вращающегося эллипса и не проскальзывает по внешнему эллиптическому кольцу шарикоподшипника. Шарикоподшипник позволяет гибкому сплайну вращаться независимо от вала волнового генератора.
Круговая канавка представляет собой жесткое кольцо с зубцами на внутренней стороне. Гибкий сплайн и генератор волн размещены внутри круговой канавки, зацепляя зубцы гибкого сплайна и круговой канавки. Поскольку гибкий сплайн деформируется в эллиптическую форму, его зубцы фактически сцепляются с зубцами круглого сплайна только в двух областях на противоположных сторонах гибкого сплайна (расположенных на главной оси эллипса).
Предположим, что генератор волн создаёт входящее вращение. При вращении вилки генератора волн зубья гибкого сплайна , которые входят в зацепление с зубьями круговой канавки, медленно меняют положение. Большая ось эллипса гибкого сплайна вращается вместе с волновым генератором, поэтому точки, где зубья зацепляются, вращаются вокруг центральной точки с той же скоростью, что и вал волнового генератора. Ключом к конструкции напряженной волновой передачи является то, что на гибком сплайне меньше зубьев (часто, например, на два меньше), чем на круговой канавке. Это означает, что при каждом полном обороте генератора волн гибкий сплайн должен был бы вращаться на небольшую величину (в данном примере два зубца) с задержкой относительно круговой канавки. Таким образом, вращательное действие генератора волн приводит к гораздо более медленному вращению гибкого сплайна в противоположном направлении.
Для механизма напряженной волновой передачи передаточное число может быть рассчитано по количеству зубьев на каждой шестерне:
Например, если на круговой канавке 202 зубца, а на гибком сплайне 200, то коэффициент замедления равен (200 − 202)/200 = −0,01
Таким образом, гибкий сплайн вращается со скоростью 1/100 скорости вилки волнового генератора и в обратном направлении. Различные передаточные числа задаются путем изменения количества зубьев. Это может быть достигнуто либо путем изменения диаметра механизма, либо путем изменения размера отдельных зубьев и, тем самым, сохранения его размера и веса. Диапазон возможных передаточных чисел ограничен предельными размерами зубьев для данной конфигурации.
Преимущество:
К преимуществам относятся: отсутствие люфтов, высокая компактность и малый вес, высокие передаточные числа, реконфигурируемые передаточные числа в стандартном корпусе, хорошее разрешение и отличная повторяемость (линейное представление) при перемещении нагрузок с большой инерцией, высокий крутящий момент, а также соосные входные и выходные валы. Высокие передаточные числа возможны при небольшом объеме (передаточное отношение от 30:1 до 320:1 возможно в том же пространстве, в котором планетарные редукторы обычно дают только передаточное число 10:1).