titulnyS rozvojom vedy a techniky v rôznych priemyselných odvetviach stále rastú požiadavky na presnosť prevodových mechanizmov používaných v pohonoch strojov a strojných zariadení. Konkrétne požiadavky sa týkajú najmä oblasti riadenia a kontroly pohybu súvisiaceho s prenosom výkonov a krútiacich momentov pri vysokých požiadavkách na kvalitu výstupných parametrov príslušných prevodov. Výsledkom týchto požiadaviek bol vývin vysokopresných prevodov.


Vtrende súčasného svetového vývoja v oblasti presnosti prevodových mechanizmov posudzovaných najmä z hľadiska torznej a klopnej tuhosti výstupného elementu (hriadeľa, príruby) veľkosti vôle, mŕtveho chodu výstupného člena, jeho klopného uhla a momentovej kapacity, sú v súčasnosti považované za reprezentantov týchto prevodov.

Vlastnosti vysokopresných prevodov
Termínom vysokopresné prevody pomenovali výrobcovia vlastné výrobky. Vysokopresné prevody voči konvenčným prevodom majú oveľa vyššie parametre presnosti. Vo všeobecnosti sa charakterizujú ako prevody vyrábané s veľmi vysokou presnosťou, a to najmä ich funkčných plôch v toleranciách presnosti kategórie cca 1 mm. Označujú sa ako bezvôľové prevody. Vôľa je medzera medzi zadnou hranou zuba prenášajúca energiu zo vstupu a prednou hranou bezprostredne nasledujúcej. Medzera je nevyhnutná, aby ozubené kolesá zapadli do seba bez toho, aby sa zasekli a aby zabezpečili mazanie vo vnútri krytu. Na druhej strane je mechanická vôľa spojená s výraznými stratami pohybu, ktoré bránia motoru dosiahnuť optimálny výkon. Straty negatívne ovplyvňujú predovšetkým efektívnosť a presnosť. Nesprávne tolerancie, nesúosovosť ložiska a výrobné nezrovnalosti majú tendenciu zvyšovať vôľu.

Modifikácia prevodoviek
Je niekoľko spôsobov, ako možno skonštruovať prevodovku s nulovou vôľou, čo umožňuje presné riadenie pohybu.
Existuje široká škála modifikačných techník prevodoviek. Medzi najčastejšie sa používajú metódy ako krátka stredová vzdialenosť, pružinové delené prevodové stupne, plastové výplne a predpäté ozubené súpravy.
Najjednoduchším a najbežnejším spôsobom ako znížiť vôľu v dvojici prevodových stupňov, je zníženie šírky medzi stredmi. Tým sa prevodové stupne presunú do užšej siete s nízkou alebo dokonca nulovou vôľou medzi zubami. Eliminuje sa tak vplyv zmien stredovej vzdialenosti, rozmerov zubov a výstredností ložiska.
Na aplikácie vyžadujúce nulovú alebo veľmi nízku vôľu sa odporúčajú špeciálne typy reduktorov rýchlosti, ktoré prenášajú pohyb s inými komponentmi ako tradičné prevody. Príklady zahŕňajú harmonické prevody, cykloidné prevody, epicyklické a trakčné pohony. K popredným svetovým výrobcom vysokopresných prevodov patria japonské firmy Teijin Seiky, Sumitomo, Harmonic Drive a slovenská firma Spinea. Tieto výrobky sú založené na cykloidnom prevode so satelitným prenosom zo vstupného hriadeľa na výstupný.

Harmonické pohony
Jednou z mnohých výhod harmonického pohonu je nedostatok vôle v dôsledku jedinečného dizajnu. Dôležitá je však aj skutočnosť, že sú ľahké a kompaktné. Je to redukčný prevodový mechanizmus pozostávajúci minimálne z troch hlavných komponentov. Tieto komponenty umožňujú veľmi vysoké presné redukčné pomery, ktoré by si inak vyžadovali oveľa zložitejšie a objemnejšie mechanizmy. Harmonické prevodové systémy (obr. 1), boli odvodené predovšetkým zo špeciálnych planétových prevodových systémov, kde hlavným vstupným reakčným členom je unášač.

Obr. 1 Harmonická prevodovka
Obr. 1: Harmonická prevodovka


Výstupné otáčky a krútiaci moment sa získavajú počas satelitov, ktoré sú vyosené voči centrálnej osi. Ide o diferenciálny prevod s čelným súkolesím, v ktorom sa záber dosahuje pružnou deformáciou pružného ozubeného člena. Harmonický prevod je charakteristický svojou konštrukciou, ktorú nazývame „plávajúci dvojvlnový vačkový generátor vĺn“.

Reduktor TWIN SPIN
Presné reduktory TwinSpin sú určené na aplikácie, ktoré vyžadujú vysoký redukčný pomer, vysokú kinematickú presnosť, malý mŕtvy chod, vysokú momentovú kapacitu a vysokú tuhosť kompaktnej konštrukcie v obmedzenom inštalačnom priestore, ako aj malú hmotnosť.
Prevod a pohon pomocou reduktora TwinSpin [5] sa realizuje cez vstupný vysokootáčkový člen, ktorým je v tomto prípade vstupný, plný alebo dutý hriadeľ. Súčasťou vstupného hriadeľa sú dve excentricky brúsené ložiskové dráhy, na ktorých sú vo valivých ložiskách umiestnené kolesá reduktora. Kolesá zaberajú svojimi upravenými časťami cez predpäté lineárne valčekové vedenia s príslušnými plochami transformačných členov. Vstupné a výstupné príruby sú vzájomne pevne spojené a otáčajú sa redukovanou rýchlosťou v radiálno-axiálnom výstupnom ložisku vo vzťahu k telesu. Radiálno-axiálne ložiská sú veľmi presné ložiská montované s predpätím, čiže bez vôle (obr. 2).

Obr. 2 Vysoko presný reduktor TwinSpin
Obr. 2: Vysoko presný reduktor TwinSpin


Vysoko presné reduktory TwinSpin majú vynikajúce parametre klopnej a torznej tuhosti pri udržaní bezproblémovej prevádzky pri mimoriadne nízkej hlučnosti a nízkych vibráciách. Vyznačujú sa dlhou životnosťou. Bočná vôľa je vyjadrená pootočením výstupného hriadeľa pri zabrzdení vstupného hriadeľa a skrine. Skutočnosť, že kolesá zaberajú takmer 50 percent zubov súčasne cez valivé telesá s vnútorným ozubením skrine, spolu s presnosťou výroby a montáže zabezpečuje nulovú bočnú vôľu reduktorov.

Reduktor Teijin Seike
Reduktory Teijin Seike [6] pracujú na princípe cykloidného záberu zubov kolies s vnútorným ozubením, ktoré predstavujú valčeky ihlového tvaru rovnomerne rozdelené na vnútornej strane telesa prevodovky. Z pohľadu princípu konštrukcie predstavujú epicyklický redukčný mechanizmus, ktorý má efekt v nízkom momente zotrvačnosti a optimalizuje vibračnú charakteristiku. Tieto reduktory dovoľujú vysokú akceleráciu a majú veľkú presnosť v možnosti výstupného pohybu.
Teijin Seiki vyrába reduktory v troch základných typoch „RV“, „RD“ a „RH“. Najvhodnejší typ ako predstaviteľ výrobkov je typ „RV“ (obr. 3).

Obr. 3 Reduktor TEIJIN SEIKE typ RV
Obr. 3: Reduktor TEIJIN SEIKE – typ „RV“


Vstupné ozubené koleso zaberá a otáča čelnými ozubenými kolesami, ktoré sú spojené s kľukovými hriadeľmi. Kľukové hriadele poháňané čelnými ozubenými kolesami spôsobujú excentrický pohyb dvoch epicyklických prevodov nazývaných RV, ktoré sú navzájom posunuté o 180 stupňov, aby zabezpečili vyvážené zaťaženie. Excentrický pohyb ozubených kolies RV spôsobuje záber zubov cykloidného tvaru s čapmi valcovitého tvaru, ktoré sú umiestnené okolo vnútorného okraja puzdra. Počas jednej otáčky kľukového hriadeľa posúvajú zuby RV ozubeného kolesa vzdialenosť jedného čapu do opačného smeru ako rotujúce kľuky.
Bočná vôľa je vyjadrená pootočením výstupného hriadeľa bez zaťaženia oproti zafixovanému vstupnému hriadeľu. Reduktory Teijin Seiki sú montované s predpätím spoluzaberajúcich členov prenášajúcich pohyb zo vstupu na výstup, teda sú montované bez bočnej vôle.

Reduktor Sumitomo Cyclo
Firma Sumitomo Cyclo [7] vyrába reduktory, ktoré sú zaradené medzi vysokopresné prevody. Základný druh pracuje na princípe centrálneho vstupného hriadeľa obsahujúceho excenter, na ktorom sú v ložiskovom uložení nasadené cykloidné dosky s cykloidnou krivkou ozubenia po obvode. Otáčaním vstupného hriadeľa dochádza k excentrickému pohybu kolies, teda cykloidných diskov, ktoré svojim obvodom (pomocou zubou s cykloidným profilom) zaberajú do fixne zasadených valčekov po vnútornom obvode venca skrine reduktora. Otáčanie výstupného hriadeľa je v opačnom smere než otáčky vstupného hriadeľa. Počet diskov nasadených na excentroch vstupného hriadeľa môže byť v počte 1 až 3. Preto sa pri každej úplnej otáčke vysokorýchlostného hriadeľa pohybuje cykloidný disk opačným smerom o jeden zub (obr. 4).

Obr. 4 Princíp konštrukcie prevodoviek Sumitomo CYCLO
Obr. 4: Princíp konštrukcie prevodoviek Sumitomo CYCLO


Okrem základného opísaného reduktora sú pripravené ďalšie druhy, ktoré sú založené na inom princípe pohonu cykloidných diskov. Pokiaľ ide o presnosť prenášaného pohybu, kontrolujú sa podobné parametre ako u predchádzajúcich výrobkov. Ide najmä o torznú tuhosť, mŕtvy chod a bočnú vôľu. Vzájomné väzby členov prenášajúcich pohyb a výkon sú riešené s vysokou presnosťou a majú také vzájomné uloženie, že bočná vôľa reduktorov Sumitomo Fine Cyclo je nulová.

Záver
Aplikácia a použitie prevodových mechanizmov v strojových zariadeniach je dnes rozšírené vo všetkých priemyselných oblastiach. V strojových zariadeniach sa zvyšujú požiadavky na parametre presnosti ozubených kolies, najmä akoje torzná tuhosť, mŕtvy chod a bočná vôľa. Vysokopresné prevody sa charakterizujú ako prevody vyrábané s veľkou presnosťou a označujú sa ako bezvôľové prevody. Spomenuté reduktory Twin Spin, Teijin Seike a Sumitomo Cyclo majú podobný principiálny spôsob prenosu satelitného pohybu na centrický pohyb s podobnými väzbami.
Bezvôľové prevody sa používajú v širokej oblasti ako sú obrábacie stroje, v meracej a kontrolnej technike, leteckej a vojenskej technike, v robotike, v dopravných manipulačných systémoch a, samozrejme, aj v oblasti biomechaniky.

text/foto Ing. Daniela Harachová , PhD., Technická univerzita v Košiciach, Strojnícka fakulta
Poznámka: Práca je súčasťou grantovej úlohy: VEGA 1/0179/19, VEGA 1/0528/20.

Literatúra
[1] CZECH, P., WARCZEK, J., STANIK, Z., WITASZEK, M., WITASZEK, K.: The influence of noise on the car ride comfort. Logistyka, Vol. 4/2015, str. 2871-2878. ISSN: 1231-5478ITH.
[2] GREGA, R., KRAJŇÁK, J., MORAVIČ, M. (2018): Experimental verification of the impact of a technical gas-using pneumatic coupling on torsional oscillation. Scientific Journal of Silesian UniversDity of Technology = Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej: Series Transport: Seria Transport., č. 99, pp. 55-63.
[3] GHORBEL, H., GANDHI, P. S., ALPERER, F., “On the Kinematic Error in Harmonic Drive Gears”, J. Mech. Des., pp. 90-97, 2001.
[4] FALTINOVÁ, E. a kol. (2018): Reliability analysis of crane lifting mechanism. Scientific Journal of Silesian University of Technology = Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej: Series Transport: Seria Transport. č. 98, pp. 15-26.
[5] Firemné podklady fy SPINEA
[6] Firemné podklady fy TEIJIN SEIKI
[7] Firemné podklady fy SUMITOMO FINE CYCLO
[8] HARACHOVÁ, D., TÓTH, T.: Deformation analysis and modification in the profile the armonic drive, In: Tecnológ. Roč. 5, č. 4 (2013), s. 63-66. – ISSN 1337-8996.
[9] IANICI, S., IANICI, D.: Contributions to determining the trajectory of a point on the average fiber of the flexible wheel of a double harmonic transmission. In: Analele Universitatii ‚Eftimie Murgu‘ Vol. 26, no. 1 (2019), p. 99-106 ISSN: 1453-7397
[10] MANTIČ, M. a kol. (2016): Autonomous online system for evaluating steel structure durability Diagnostyka. Vol. 17, no. 3 pp. 15-20. – ISSN 1641-6414.
[11] TÓTH, T. a kol. Dimensional verification and quality control of implants produced by additive manufacturing / Teodor Tóth, Radovan Hudák, Jozef Živčák – 2015. In: Quality Innovation Prosperity. Roč. 19, č. 1 (2015), s. 9-21. – ISSN 1335-1745