Strain wave gearing

Egy harmonikus fogaskerék keresztmetszete.

1. bemenő tengely
2. hullámgenerátor
3. flexspline
4. cirkuláris spline
5. kimenő tengely
6. ház

A nyúláshullámos fogaskerekek elmélete a rugalmas dinamikán alapul és a fém rugalmasságát használja ki. A szerkezetnek három alapvető összetevője van: egy hullámgenerátor (2 / zöld), egy hajlékony gerinc (3 / piros) és egy körkörös gerinc (4 / kék). Az összetettebb változatokban van egy negyedik komponens, amelyet általában a teljes hossz lerövidítésére vagy a kisebb átmérőn belüli áttételezés növelésére használnak, de továbbra is ugyanazokat az alapelveket követik.

A hullámgenerátor két különálló részből áll: egy ellipszis alakú korongból, amelyet hullámgenerátor-dugónak neveznek, és egy külső golyóscsapágyból. Az ellipszis alakú dugót a csapágyba illesztik, így a csapágyat az ellipszis alakjához kényszerítik, de a dugó forgását a külső csapágyon belül továbbra is lehetővé teszik.

A flex spline sekély csésze alakú. A csigavonal oldalai nagyon vékonyak, de az alja viszonylag merev. Ez azt eredményezi, hogy a nyitott oldalon a vékony fal miatt a falak jelentős rugalmasságot mutatnak, a zárt oldal pedig meglehetősen merev és szorosan rögzíthető (például egy tengelyhez). A fogak sugárirányban helyezkednek el a hajlékony orsócső külső oldalán. A flex spline szorosan illeszkedik a hullámgenerátorra, így amikor a hullámgenerátor dugóját elforgatják, a flex spline egy forgó ellipszis alakjára deformálódik, és nem csúszik át a golyóscsapágy külső elliptikus gyűrűjén. A golyóscsapágy lehetővé teszi, hogy a flex spline a hullámgenerátor tengelyétől függetlenül forogjon.

A kör alakú spline egy merev körgyűrű, amelynek belső oldalán fogak vannak. A flex spline és a hullámgenerátor a kör alakú spline belsejében helyezkedik el, a flex spline és a kör alakú spline fogai egymásba kapcsolódnak. Mivel a flex spline ellipszis alakúra deformálódik, fogai valójában csak a flex spline ellentétes oldalain lévő két régióban (az ellipszis nagytengelyén elhelyezkedő) kör alakú spline fogaival állnak kapcsolatban.

Tegyük fel, hogy a hullámgenerátor a bemeneti forgás. Ahogy a hullámgenerátor dugója forog, a flex spline fogai, amelyek a körkörös spline fogaival vannak behálózva, lassan változtatják a helyzetüket. A flex spline ellipszisének nagytengelye a hullámgenerátorral együtt forog, így azok a pontok, ahol a fogak behálózzák egymást, a középpont körül a hullámgenerátor tengelyével megegyező sebességgel forognak. A törzshullámos fogaskerék kialakításának kulcsa, hogy a flex spline-on kevesebb fog van (gyakran például kettővel kevesebb), mint a kör alakú spline-on. Ez azt jelenti, hogy a hullámgenerátor minden egyes teljes elfordulásához a hajlékony gerincnek egy kis mértékben (ebben a példában két foggal) hátrafelé kell fordulnia a kör alakú gerinchez képest. Így a hullámgenerátor forgási hatása a hajlított gerinc sokkal lassabb elfordulását eredményezi az ellenkező irányba.

Egy nyúláshullámos hajtómű esetében a hajtómű redukciós aránya kiszámítható az egyes hajtóművek fogainak számából:

redukciós arány = flex spline fogai – körsín fogai flex spline fogai {\displaystyle {\text{redukciós arány}}={\frac {{\text{flex spline fogai}}-{\text{körsín fogai}}}{\text{flex spline fogai}}}}

Ha például 202 fog van a körkörös spline-on és 200 a flex spline-on, akkor a redukciós arány (200 – 202)/200 = -0.01

Így a hajlított orsógerinc a hullámgenerátor dugójának 1/100 sebességével és ellentétes irányban forog. A különböző redukciós arányok a fogak számának változtatásával állíthatók be. Ez vagy a mechanizmus átmérőjének megváltoztatásával, vagy az egyes fogak méretének megváltoztatásával érhető el, ezáltal megőrizve annak méretét és súlyát. A lehetséges áttételi arányok tartományát az adott konfigurációra vonatkozó fogméret-korlátok korlátozzák.