ПРОФИЛЬ ЗУБА ШЕСТЕРЕН ДЛЯ ОРБИТАЛЬНЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ, ОРБИТАЛЬНЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ И ЛЕБЕДКИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ОРБИТАЛЬНЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ Российский патент 2004 года по МПК F16H1/32 F16H55/08 

Настоящее изобретение относится к области профиля зуба шестерен для орбитальных зубчатых передач, а также к орбитальным зубчатым передачам и лебедкам, устанавливаемым, например, на яхтах для подъема тяжелых грузов и содержащим орбитальные зубчатые передачи.

Передача значительных нагрузок крутящим моментом посредством вращательных машин обычно осуществляется различными зубчатыми системами. В тех случаях, когда требуется значительное уменьшение передаточного числа с соответствующим преобразованием крутящего момента, обычно используются цилиндрические или планетарные зубчатые передачи. Они содержат большое количество элементов и обычно отличаются громоздкостью. Простым альтернативным решением является червячная зубчатая передача, однако ее серьезный недостаток состоит в низкой эффективности при больших нагрузках, поскольку зацепление элементов указанной передачи обеспечивается трущимся контактом. В цилиндрических и планетарных передачах зубчатые шестерни вращаются на роликах, а поверхности зубьев выполнены по эвольвенте. Такая конструкция передач обеспечивает их высокую продуктивность.

Известны орбитальные зубчатые системы, в которых одно зубчатое колесо с наружным зацеплением движется по орбите, обегая другое зубчатое колесо с внутренним зацеплением. Такие системы способны обеспечивать очень большое снижение передаточного числа от сравнительно простых вращательных механизмов.

В отличие от цилиндрических или эпициклических планетарных передач, в которых зубчатое зацепление двух совместно вращающихся цилиндров осуществляется по их наружным поверхностям, в орбитальных передачах один из цилиндров вращается по внутренней поверхности другого цилиндра. Зубья на цилиндрических шестернях или рейках описывают небольшие эпициклоиды на поверхностях цилиндров, в результате чего их зацепление осуществляется в большей или меньшей степени тангенциально по отношению к контактным поверхностям. При таком движении профили зубьев воспроизводят эвольвенту от основного круга. С другой стороны, в орбитальных передачах зубья совершают циклоидальные движения по внутренней поверхности внутреннего зубчатого колеса, вследствие чего их зацепление происходит в основном по радиусу, и зубья с эвольвентными формами вступают только в трущийся контакт при высоком трении под нагрузкой. Благодаря этим особенностям орбитальные зубчатые передачи до последнего времени почти не имели практического применения и считались чем-то вроде инженерного курьеза.

Стремясь использовать другие важные свойства орбитальных зубчатых передач, некоторые предприятия пытались придать зубьям зацепляющихся колес простой циклоидальный профиль. Такой профиль, однако, не устраняет скользящего контакта поверхностей зацепления, а установка рада дополнительных подшипников хотя и уменьшает проблему трения указанных поверхностей, приводит в итоге к усложнению и существенному увеличению размеров таких механизмов, резко ограничивая возможности их применения.

Все эти обстоятельства свидетельствуют о необходимости разработки нового передаточного устройства, которое позволило бы зубьям зацепления использовать только трения качения при сохранении основного принципа жесткого контакта зацепляющихся шестерен, обеспечивающего совместное вращение их делительных окружностей без какого-либо проскальзывания.

Первая особенность настоящего изобретения заключается в том, что предлагаемая орбитальная зубчатая система содержит внутреннее зубчатое колесо и наружное зубчатое колесо, причем

- указанное внутреннее зубчатое колесо имеет начальную окружность и наружные зубья с контактной поверхностью и с противоположной ей поверхностью, а указанная контактная поверхность имеет точку перегиба на начальной окружности;

- указанное наружное зубчатое колесо имеет начальную окружность и внутренние зубья для зацепления с наружными зубьями указанного внутреннего зубчатого колеса, причем внутренние зубья имеют контактную поверхность для зацепления с контактной поверхностью наружных зубьев указанного внутреннего зубчатого колеса;

- при сборке указанного внутреннего зубчатого колеса и указанного наружного зубчатого колеса для передачи усилия от одного из указанных колес к другому колесу внутреннее и наружное зубчатые колеса выполнены с возможностью вхождения, по существу, в радиальное зацепление и точечно контактируют с точкой перегиба наружных зубьев, зацепляющихся с и перекатывающихся только через единственную точку на контактной поверхности наружного зубчатого колеса, по существу, в месте пересечения начальной окружности наружного колеса с контактной поверхностью наружного зубчатого колеса.

Первая особенность настоящего изобретения предусматривает также наличие вращающегося передаточного механизма, содержащего

- первое тело с контактными элементами;

- второе тело с контактными элементами для вхождения в зацепление с контактными элементами первого тела и передачей вращательного движения от первого тела ко второму телу, причем

первое или второе из указанных тел устанавливается с возможностью совершать орбитальное движение по отношению к другому из указанных тел; и

элементы первого тела и второго тела, находящиеся в контакте друг с другом при вращении по орбите, совершают ломано-циклоидные движения по отношению к друг другу и входят в радиальное зацепление друг с другом в процессе качательного движения между элементами, один из которых качается с упором в точке, находящейся на поверхности другого элемента.

В соответствии с указанной первой особенностью настоящего изобретения профиль зубчатого колеса обеспечивает значительное улучшение эксплуатационных характеристик орбитальных зубчатых систем и орбитальных зубчатых передач. Шестерня, система и передача в соответствии с данной особенностью изобретения основываются на принципах вращения зубчатых колес, однако исключают проскальзывание поверхностей по начальным окружностям внутреннего и наружного зубчатых колес. Контакт качения между взаимодействующими поверхностями имеет место, например, в пределах около 4% рабочего цикла каждой шестерни, однако в орбитальных зубчатых системах увеличивается количество входящих в зацепление зубчатых колес. Настоящее изобретение, в частности, позволяет обеспечивать высокую степень единообразия диаметров начальных окружностей орбитальных зубчатых колес, так что после образования контакта колеса начинают работать в устойчивом режиме, плавно и без толчков. Характер синусоидальной части контактной дорожки внутреннего зубчатого колеса обуславливается взаимодействием двух параметров орбитальной зубчатой системы, а именно эксцентричностью орбитальной системы и диаметром начальной окружности при данном числе зубьев. Зубчатые колеса могут изготавливаться сложными машинами с использованием, например, лазерных фрез или ножниц для резки проволоки, но они также могут обрабатываться зубодолбежными станками, например, типа Fellows gear или резцами типа Hobb tool, специально создаваемыми для такого рода операций. Орбитальные зубчатые системы, использующие профиль зубьев шестерен в соответствии с данной особенностью предлагаемого изобретения, также сводят до минимума передаточное число оборотов простых машин и позволяют им останавливаться под нагрузкой и оставаться в неподвижном состоянии до принудительного возобновления рабочего цикла. Более того, орбитальная зубчатая передача легко отключается через механизм управления системой для установки передачи в нейтральное положение.

Предпочтительный синусоидальный профиль контактной поверхности определяется в соответствии со следующим уравнением:

Y-f(D)Sin{πWDθg(ε)},

где D является диаметром начальной окружности;

W является шириной зуба;

ε является величиной эксцентриситета;

θ является угловым смещением,

при условии, что величина D внутреннего зубчатого колеса превышает две трети величины D наружного зубчатого колеса.

Наружные зубья внутреннего зубчатого колеса имеют предпочтительно усеченную форму обычно с плоской верхней поверхностью зуба, а синусоидальная часть контактной поверхности простирается от точки, расположенной радиально внутри начальной окружности зубчатого колеса, до усеченной поверхности.

В предпочтительных вариантах изобретения синусоидальным профилем также обладает по крайней мере участок поверхности на стороне, противоположной поверхности с наружными зубьями. На указанном участке находится точка перегиба поверхности, расположенная на начальной окружности шестерни, вследствие чего последняя может вращаться как вперед, так и назад при сохранении эффективного контакта с внутренними зубьями наружного колеса при вращении шестерни в одном направлении и с противоположной поверхностью, становящейся контактной поверхностью при вращении шестерни в противоположном направлении.

Контактная и противоположная ей поверхности наружных зубьев являются предпочтительно зеркальными отражениями друг друга.

Контактная поверхность внутренних зубчатых колес является предпочтительно наклонной плоской поверхностью, простирающейся от наружной радиальной точки до точки, где начальная окружность наружного зубчатого колеса пересекается с контактной поверхностью.

В предпочтительном варианте угол между плоской поверхностью и радиусом наружного зубчатого колеса определяется производной от синусоиды, образующей синусоидальный профиль наружных зубьев в точке перегиба синусоидального профиля.

Контактная поверхность внутренних зубьев предпочтительно простирается внутрь в радиальном направлении от точки пересечения контактной поверхности с начальной окружностью наружного зубчатого колеса до самой внутренней (по радиусу) точки внутренних зубьев.

Внутренние зубья имеют предпочтительно противоположную поверхность, являющуюся зеркальным отражением к поверхности, причем указанная противоположная поверхность становится контактной поверхностью при движении орбитальной зубчатой системы в противоположном направлении.

Вторая особенность настоящего изобретения относится к орбитальной зубчатой передаче.

Эта особенность изобретения заключается в том, что предлагаемая орбитальная зубчатая передача содержит

внутреннее зубчатое колесо с наружными зубьями;

наружное зубчатое колесо с внутренними зубьями для вхождения в зацепление с наружными зубьями внутреннего зубчатого колеса, причем одно из указанных колес (внутреннее или наружное) устанавливается на эксцентрике;

орбитальное устройство управления, установленное на эксцентрике и предназначенное для взаимодействия с внутренним или наружным зубчатым колесом, установленным на эксцентрике для совершения орбитального движения;

тормоз для включения орбитального устройства управления и удержания его в неподвижном положении для управления орбитальным движением внутреннего или наружного зубчатого колеса, установленного на эксцентрике;

устройство для освобождения тормоза и последующего освобождения орбитального устройства управления с целью предоставления внутреннему или наружному зубчатому колесу возможности свободного вращения для перевода зубчатой передачи в нейтральное положение.

Благодаря этой особенности настоящее изобретение позволяет использовать предлагаемую зубчатую передачу в подъемных механизмах, таких как палубная лебедка и ворот, обеспечивающих высокую производительность и малые передаточные отношения простых погрузочно-разгрузочных устройств.

Вышеупомянутое орбитальное устройство управления может содержать диск с отверстиями или стопорными штифтами, взаимодействующими соответственно со стопорными штифтами или отверстиями соответствующего внутреннего или наружного зубчатого колеса, которое установлено на эксцентриковом блоке.

Исполнение внутреннего или наружного зубчатых колес соответствует предпочтительно первой особенности настоящего изобретения, описанной выше.

В других вариантах осуществления изобретения устройства орбитального управления могут содержать шестерню управления обратного хода, зубья которой входят в зацепление с зубьями управляющей шестерни, расположенными на внутреннем или наружном зубчатом колесе, установленном на эксцентрике. Шестерня управления обратного хода обеспечивает обратное движение внутреннего или наружного зубчатого колеса, установленного на эксцентрике, существенно снижая таким образом передаточные числа. Орбитальная зубчатая передача, отличающаяся второй особенностью предлагаемого изобретения, используется в лебедке.

Так в одном из вариантов осуществления изобретения подъемный механизм в виде лебедки имеет входной шкив, установленный на входном валу, который сопрягается с эксцентриком, и выходной шкив, соединенный с внутренним или наружным зубчатым колесом, не установленным на эксцентрике. Таким образом, усилие от входного шкива передается через входной вал эксцентрику, внутреннему или наружному зубчатому колесу, установленному на эксцентрике, а затем внутреннему или наружному зубчатому колесу, не установленному на эксцентрике, и, наконец, выходному шкиву.

Данная особенность предлагаемого изобретения, реализуемая в подъемных механизмах, обладает большими преимуществами, позволяя, например, орбитальным зубчатым передачам переходить в неподвижное положение при остановке входного вала путем снятия нагрузки с соединительной цепи или троса рабочего шкива. В результате этого сама зубчатая передача и, следовательно, подъемный механизм остаются в неподвижном положении даже под нагрузкой до того момента, когда цепь рабочего шкива снова подвергнется натяжению и, передавая усилие на входной вал, приведет во вращение орбитальную зубчатую передачу. Путем отключения тормоза после снятия нагрузки орбитальная зубчатая передача может быть поставлена в нейтральное положение для разгрузки лебедки.

В другом варианте настоящего изобретения орбитальная зубчатая передача может быть встроена в палубную лебедку яхты путем соединения эксцентрика с приводным валом, который вращается от рукоятки палубной лебедки, причем последняя имеет (1) намоточный барабан, служащий для выборки или травления каната и соединяющийся с приводным валом при помощи первого храповика таким образом, что при вращении приводного вала в обычном направлении усилие передается барабану через указанный храповик с передаточным числом 1:1 и (2) внутреннее или наружное зубчатое колесо, не устанавливаемое на эксцентрике и также соединяемое с барабаном при помощи второго храпового колеса, свободно вращающегося при вращении приводного вала в обычном направлении, но входящего в зацепление с барабаном при вращении приводного вала в противоположном направлении, так что при обычном вращении приводного вала усилие передается барабану через орбитальную зубчатую передачу и второе храповое колесо с передаточным числом орбитальной зубчатой передачи, а при обратном вращении приводного вала первое храповое колесо выходит из зацепления и начинает вращаться накатом.

Таким образом, в соответствии со второй особенностью настоящего изобретения барабан лебедки постоянно вращается в одном и том же направлении независимо от направления вращения приводного вала.

Приводной вал предпочтительно устанавливается на стойке, для чего он изготавливается полым.

Как уже говорилось выше, в данном варианте осуществления изобретения тормоз может отключаться, освобождая устройство управления орбитальной зубчатой передачи и позволяя тем самым передаче установиться в нейтральное положение, освободив лебедку. Таким образом, для быстрого отключения палубной лебедки и освобождения паруса тормоз может быть просто отключен, что, в свою очередь, приведет к отключению устройства управления орбитальной зубчатой передачей для перевода ее в нейтральное положение и обеспечению свободного хода барабана.

Объектом настоящего изобретения также является орбитальная зубчатая передача, содержащая

первое наружное зубчатое колесо с внутренними зубьями;

второе наружное зубчатое колесо с внутренними зубьями;

входной силовой элемент с эксцентриком;

первое внутреннее зубчатое колесо с рядом наружных зубьев, установленное на эксцентрике, причем зубья первого внутреннего колеса входят в зацепление с зубьями первого наружного колеса;

второе внутреннее зубчатое колесо с рядом наружных зубьев, установленное на эксцентрике, причем зубья второго внутреннего колеса входят в зацепление с зубьями второго наружного колеса;

выходной силовой элемент, соединенный со вторым наружным зубчатым колесом.

Ниже даются примеры описания предпочтительных вариантов настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фигура 1 является схематической иллюстрацией профиля зуба наружного зубчатого колеса орбитальной зубчатой системы;

фигура 2 является схематической иллюстрацией профиля зуба внутреннего зубчатого колеса орбитальной зубчатой системы;

фигура 3 изображает зубчатые колеса фигур 1 и 2 в собранном и готовом для работы положении, иллюстрируя взаимодействие профилей зубьев шестерен, изображенных на фигурах 1 и 2:

фигуры 4, 5, 6, 7 8, 9, 10 и 11 схематически показывают различные положения зубчатых колес фигуры 3 в процессе передачи усилия зубчатой системы от одного колеса к другому колесу;

фигура 11 А является схематическим изображением профиля зубьев второго варианта предлагаемого изобретения.

фигура 12 представляет собой горизонтальную проекцию зубчатой передачи в соответствии с предлагаемым изобретением;

фигура 13 представляет собой вид в поперечном разрезе зубчатой передачи, представленной на фигуре 12;

фигура 14 является горизонтальной проекцией зубчатой передачи другого варианта предлагаемого изобретения;

фигура 15 представляет собой вид в поперечном разрезе зубчатой передачи, представленной на фигуре 14;

фигура 16 представляет лебедку с зубчатой передачей, представленной на фигурах 12 и 13;

фигура 17 изображает второй вариант лебедки, показанной на фигуре 16;

фигура 18 показывает палубную лебедку с зубчатой передачей, изображенной на фигурах 14 и 15.

На фигуре 1 изображен профиль наружного зубчатого колеса орбитальной системы передачи; на фигуре 2 - профиль внутреннего зубчатого колеса орбитальной системы передачи.

Наружное зубчатое колесо 10, изображенное на фигуре 1, содержит корпус 12, имеющий в целом форму кольца. Кольцо 12 имеет зубья внутреннего зацепления 14 (на фигуре показаны только два зуба). Между смежными зубьями 14 имеется впадина 16.

Зубья 14 имеют контактную поверхность 18 и противоположную ей поверхность 19. Для большего удобства противоположная поверхность 19 одного зуба 14 представлена вместе с контактной поверхностью 18 смежного зуба 14.

Как видно из фигуры 1, поверхности 18 и 19 смежных зубьев 14 являются зеркальным отражением друг друга по отношению к радиальной линии 20. Поверхности 18 и 19 этих же зубьев 14 также являются зеркальным отражением друг друга по отношению к радиальной линии, проходящей через зуб 14 (не показана). Поверхности 18 и 19 каждого зуба 14 пересекаются в наиболее глубокой точке 22 на поверхности радиального зазора 23 каждого зуба 14.

Поверхности 18 и 19 смежных зубьев 14 выступают наружу в радиальном направлении и оканчиваются у плоской поверхности 24, определяющей радиально внешнюю точку впадины 16 между зубьями 14.

Наличие промежутка между контактной поверхностью 19 и противоположной ей поверхностью 18 предполагает возможность поворота зубчатого колеса 10, в результате которого поверхность 18 входит в зацепление с зубьями шестерен, показанных на фигуре 2. Однако, если шестерня 12 поворачивается в противоположном направлении, то противоположная поверхность 19 каждого зуба 14 очевидно превращается в контактную поверхность, а поверхность 18 становится поверхностью, противоположной ей.

Показанное на фигуре 2 внутреннее зубчатое колесо 30 содержит корпус 32, который может иметь форму кольца с центральным отверстием для прохождения вала. Корпус 32 снабжен зубьями 34 (на фигуре показан только один зуб). Зубчатое колесо 30 имеет начальною окружность 36, а зубья 34 имеют контактную поверхность 38 (которая входит в соприкосновение с зубьями 14 зубчатого колеса 10) и противоположную ей поверхность 40. Контактная поверхность 38 и противоположная ей поверхность 40 являются зеркальными отражениями друг друга по отношению к радиальной линии 42. Контактная поверхность 38 и противоположная ей поверхность 40 имеют в целом синусоидальную форму, о чем свидетельствует пунктирная синусоида 44. Действительно, часть контактной поверхности 38 и противоположной ей поверхности 40 между точками Х и Y имеют синусоидальную форму. У точек Х зубья 14 имеют усеченный конус, чем обеспечивается плоскостность поверхности 46. Профиль зубьев 34 на внутренней стороне от точек Y слегка сужается внутрь от синусоиды 44 для обеспечения радиального зазора, как показано линией 50. Синусоидальные профили между точками Х и Y имеют точки перегиба поверхности 52 на начальной окружности 36 зубчатого колеса 30.

Возвращаясь к фигуре 1, следует отметить, что плоские участки контактной поверхности 18 и противоположной поверхности 19, расположенные между точками А и В зубьев 14, расположены наклонно или под углом θ по отношению к радиальной линии 20. Величина угла θ определяется производной от синусоидального профиля между точками Х и Y зубьев 34 в точке перегиба 52.

Как показано на фигуре 1, прямой участок зубьев 14 между точками А и В переходит в поверхность зазора 23 с отчетливым дугообразным профилем. Указанный профиль обеспечивает зазор для прохождения зубьев 34, как будет подробно показано ниже и при описании предпочтительного варианта данного изобретения. Указанный профиль в основном совпадает с циклоидной дорожкой, указанной пунктирной линией 60 курса следования пункта В при выполнении зубчатым колесом 19 орбитального движения. Точки В находятся поэтому в месте пересечения циклоидных кривых 60 и расположены на начальной окружности 25 зубчатого колеса 10. Точное расположение зубьев 14 между точками В может быть, однако, выбрано произвольно при условии обеспечения достаточной прочности зуба 14 и необходимого зазора для зуба 34.

Аналогично точное положение плоской поверхности 24 зубчатого колеса 10 и плоской поверхности 46 зубьев 34 также выбирается несколько произвольно и может определяться по принципу достаточности радиального зазора. Следует еще раз повторить, что геометрическая точность профиля поверхностей 24 и 46 не имеет большого значения, хотя в целом предпочтительными являются плоские поверхности, как указано на фигуре.

Хотя плоскостность профиля между точками А и В, как описано выше, является крайне желательной, наличие синусоидального профиля между точками А и В на зубьях 14 не является чем-то недопустимым. Такая синусоидальность, однако, может вызвать необходимость изменить синусоидальную функцию, которая определяет профиль поверхности между точками Х и Y зубьев 14 с целью компенсировать влияние синусоидной кривой на зубья 14.

На фигуре 3 изображены зубчатые колеса 10 и 30, установленные для зацепления друг с другом. В варианте изобретения, представленном на фигуре 3, зубчатое колесо 10 установлено на эксцентрике 63, который, в свою очередь, соединен с приводным валом 64. Орбитальное движение зубчатого колеса 30 обеспечивается орбитальным устройством управления (подробное описание которого будет дано ниже), которое может быть выполнено в форме диска, шестерни и т.д. Само собой разумеется, что в других вариантах данного изобретения орбитальное движение может выполняться зубчатым колесом 30, а не зубчатым колесом 10. Конкретные варианты с таким расположением зубчатых колес будут описаны ниже. В принципе зубчатое колесо, установленное на эксцентрике 63 для выполнения орбитального движения, является входным зубчатым колесом орбитальной зубчатой системы, а другое зубчатое колесо является выходным колесом, обеспечивающим производительность зубчатой передачи. В зубчатых передающих устройствах, в которых орбитальное движение создается внутренним зубчатым колесом, наружное зубчатое колесо обычно вращается в том же направлении, что и приводной вал, передающий усилие внутреннему зубчатому колесу, в то время как в схемах орбитальных зубчатых передач, где наружное зубчатое колесо осуществляет орбитальное вращение и передает усилие от внутреннего зубчатого колеса, последнее вращается в направлении, противоположном направлению приводного вала. Это обстоятельство может быть использовано в специфических вариантах орбитальных зубчатых передач, а также в вариантах, требующих наличия реверсивного механизма.

Фигура 4 сходна с фигурой 3, показывая зубья без указания синусоиды, обозначенной пунктирной линией 44, и обозначая циклоидную дорожку пунктирной линией 60. Профиль зубьев поэтому более отчетливо представлен на фигуре 4.

На фигуре 4 зубья 34 и 14 изображены в незацепленном положении, причем наружное зубчатое колесо 10 совершает орбитальное движение благодаря вращению приводного вала 64 и эксцентрика 63 в направлении, указанном стрелкой А на фигурах 3 и 4. При продолжении орбитального вращения зубчатого колеса 10 контактная поверхность 18 зуба 14 приближается к зубу 34 зубчатого колеса 30.

Точка, обозначенная значком I на приводном валу 64 на фигурах 4 и 5, служит для справки, указывая положение орбиты.

При продолжении орбитального движения зубчатые колеса достигают положения, указанного на фигуре 6, в котором зубья 14 и 34 близки к вхождению в зацепление, т.е. возможно разделены только масляной пленкой. В этом положении зубья 34 скользят по отношению к зубьям 14 по масляной пленке, не вступая в контакт с зубом 14.

В положении, изображенном на фигуре 7, зубья 34 и 14 вступают в соприкосновение с точкой перегиба 52, перекатываясь через точку В зуба 14. Как показано на фигуре 7, обе начальные окружности 25 и 36 зубчатых колес 10 и 30 совпадают друг с другом в точке контакта В и усилие передается от зубчатого колеса 10, которое движется по орбите, к зубчатому колесу 30 с тем, чтобы обеспечить вращение последнего вокруг его центральной оси.

Поверхность 19 смежного зуба, обозначенного на фигуре 7 номером 14, не входит в контакт с противоположной поверхностью 40 зуба 34. Определенный боковой зазор размером примерно полмиллиметра между зубьями колес может быть обеспечен установкой проставки между противоположными поверхностями 19 и 40. Однако в некоторых вариантах изобретения между противоположными поверхностями 19 и 14 может при желании допускаться возникновение кратковременных контактов.

Как указывалось выше при описании профилей зуба применительно к фигуре 1, точка 52 перекатывается через точку В во время передачи усилий от зубчатого колеса 14 к зубчатому колесу 34. Катящийся контакт возникает на протяжении примерно 4° по ходу вращения шестерни 30, как показано на фигуре 8, после чего зубчатое колесо 34 начинает выходить из зацепления с зубчатым колесом 14.

Необходимо иметь ввиду, что хотя до настоящего момента в описании ссылки делались на сцепление только одной пары зубчатых колес 34 и 14, фактически в сцеплении друг с другом находится ряд пар шестерен благодаря орбитальному характеру взаимодействия зубчатого колеса 10 и зубчатого колеса 30. Когда зуб 34 начинает выходить из зацепления с зубом 14, как показано на фигуре 8, нагрузка эффективно передается другой паре зубьев 14 и 34 для продолжения передачи усилия от зубчатого колеса 10 к зубчатому колесу 30 и для обеспечения вращения последнего вокруг своей центральной оси.

На фигуре 9 изображены зубчатые колеса, не находящиеся в зацеплении друг с другом.

Фигура 10 показывает плоскую поверхность 46 зубчатого колеса 34, проходящую мимо поверхности зазора 23 смежного зубчатого колеса 14 как раз в момент выхода из зацепления с этим колесом, а фигура 11 показывает зубья 14 и 34, вышедшие из зацепления друг с другом в результате продолжения орбитального движения зубчатого колеса 10.

Таким образом, в то время как приводной вал 64 и эксцентрик 63 вращаются в направлении, указанном стрелкой А на фигуре 11, зубчатое колесо 10 в целом вращается по орбите в направлении, указанном стрелкой В, с тем чтобы войти в контакт с зубьями 14 шестерни 30 для обеспечения вращения зубчатого колеса 13 в направлении стрелки С, противоположном направлению вращения приводного вала 64 и эксцентрика 63, указанному стрелкой А.

Фигура 11А дает схематическое изображение полного профиля наружного орбитального зубчатого колеса и внутреннего вращающегося выходного колеса. В вариантах настоящего изобретения, иллюстрируемых фигурами с 1 по 11, одинаковые цифровые ссылки относятся к одинаковым деталям.

В настоящем варианте осуществления предлагаемого изобретения профили зубьев как внутреннего зубчатого колеса 30, так и наружного зубчатого колеса 10 отличаются изогнутостью, а не усеченностью, что характерно для вариантов, иллюстрируемых фигурами с 1 по 11. Профиль зубьев 34 внутреннего зубчатого колеса представляет собой полную синусоиду относительно начальной окружности 36. Например, кривая между точками М и N представляет собой полную синусоиду. Профиль зубьев 14 наружного зубчатого колеса является прямым участком поверхности между точками А и В во всех вариантах, иллюстрируемых фигурами 1-11, в то время как поверхность 23 радиального зазора имеет такую же кривизну, как и в указанных фигурах 1-11. Впадина 16 между зубьями 14 наружного зубчатого колеса 10 содержит изогнутую выемку 16а в отличие от усеченной выемки 16 в вариантах изобретения, представленных на фигурах 1 и 11, для размещения изогнутой синусоидальной поверхности зубьев 34.

На фигуре 11А представлен момент образования контакта С между четырьмя парами зубьев 14 и 34 в результате качения или качания соответствующих поверхностей на участке, где имеет место совпадение начальных окружностей 25 и 36. Как было указано выше, точка перегиба синусоидального профиля зубьев 34 в основном перекачивается через точку пересечения начальной окружности 25 с профилем зубьев 14. В вышеуказанных вариантах изобретения в контакте находятся четыре группы зубьев на разных участках качения точки перегиба синусоидального профиля зубьев 34 через линию пересечения начальной окружности 25 и профиля зубьев 14. Контакт каждой пары зубьев 34 и 14 поддерживается примерно на дуге 4° поворота зубчатого колеса 30. Таким образом, пары зубьев 34 и 14 на правой стороне фигуры 11А могут вступать в контакт с точкой перегиба зуба 34, находящейся чуть ниже начальной окружности 25 зуба 14, готового перекатиться через начальную окружность 25. Точка контакта С пары зубьев 34 и 14 с левой стороны фигуры 11 А может к этому моменту уже закончить перекатку через начальную окружность 25 и указанные два зуба могут как раз начинать выход из контакта друг с другом.

По данным компьютерной проверки профилей зубчатых колес, представленных на фигуре 11 А, сравнительный диаметр начальной окружности (PCD) равен 93%, проскальзывание диаметра начальной окружности равно 0, радиальное движение равно 0,007 мм, натяг равен 0, и угол давления равен 20°.

На фигурах 12 и 13 представлен первый вариант осуществления орбитальной зубчатой передачи в соответствии с данным изобретением, в котором используется профиль зубьев описанного выше варианта.

В последующем описании вариантов осуществления изобретения, иллюстрируемых на фигурах 12 и 13, будут использоваться те же цифровые обозначения, что и при описании зубчатых колес, изображенных на фигурах с 1 по 11.

Приводной вал 64 выполнен за одно целое с эксцентриком 63. В этом варианте внутреннее зубчатое колесо 30 установлено на эксцентрике 63, однако, как будет показано ниже со ссылкой на другие варианты изобретения, наружное зубчатое колесо также может быть установлено на эксцентрике 63, как указано выше. Между эксцентриком 63 и зубчатым колесом 30 установлен подшипник 65. Орбитальный диск управления 67 установлен под зубчатым колесом 30 и содержит четыре круглых отверстия 69. Зубчатое колесо 30 снабжено четырьмя стопорными штифтами 71, которые входят в отверстие 69, а диск 67 фиксируется неподвижно тормозным механизмом 80, который может содержать неподвижный блок 82 с винтом 84. Винт может ввертываться в блок 82, прижимая его к диску 67 и фиксируя последний по отношению к блоку 82. Тормозной механизм 80 изображен на фигурах 12 и 13 схематично, поэтому могут существовать другие варианты для закрепления и освобождения орбитального диска управления 67 в зависимости от конкретного варианта изобретения.

Вращение приводного вала 64 передается эксцентрику 63, который, в свою очередь, обеспечивает орбитальное вращение зубчатого колеса 30 вследствие вхождения стопорных штифтов 71 в отверстия 69 со скольжением указанных штифтов до середины внутренней поверхности соответствующих отверстий 69 с целью ограничения орбитального движения зубчатого колеса 30 в направлении вращения приводного вала 64 и эксцентрика 63 (как указано стрелкой А на фигуре 12).

При орбитальном вращении зубчатого колеса 30 зубья 34 этого колеса входят в зацепление с зубьями 14 зубчатого колеса 10 с целью обеспечить вращение зубчатого колеса 10 в направлении, указанном стрелкой С на фигуре 12 (это направление в вариантах, представленных на фигурах 12 и 13, совпадает с направлением, указанным стрелкой А).

Вращение наружного зубчатого колеса 10 обеспечивает необходимую выходную мощность, которая может сниматься, например, с гильзы 10а, выполненной заодно с зубчатым колесом 10. Последнее установлено на удлинитель 64а приводного вала 64 для обеспечения необходимого передаточного отношения крутящего момента орбитальной зубчатой передачи при помощи зубчатых колес 30 и 10.

Для того чтобы снять нагрузку с зубчатой передачи, т.е. перевести ее в нейтральное положение, необходимо просто отключить тормоз 80 и освободить диск 67, позволив ему свободно вращаться вместе с эксцентриком 63 и зубчатым колесом 30 и тем самым обеспечить холостой ход всей зубчатой системы без передачи усилия зубчатому колесу 10. Освобождение управляющего диска орбитальной системы 67 выводит из принудительного орбитального движения зубчатое колесо 30, которое начинает вращаться с эксцентриком 63, а стопорные штифты 71 просто вращают свободный диск управления 67, который крутится вместе с зубчатым колесом 30 и эксцентриком 63.

На фигурах 14 и 15 представлен другой вариант орбитальной зубчатой передачи, сходной по конфигурации с вариантом, представленным на фигурах с 1 по 11. В этой передаче наружное зубчатое колесо 10 обеспечивает орбитальное движение передачи, а внутреннее зубчатое колесо 30 используется для отбора раздаваемой мощности.

В настоящем варианте на опорной плите 77 установлена стойка 75. Полый приводной вал 64 расположен над стойкой 75. Приводной вал 64 выполнен заодно с эксцентриком 63, на котором установлено наружное зубчатое колесо 10, вращающееся на подшипнике 65. Внутреннее зубчатое колесо 30 вращается на приводном валу 64.

Орбитальный диск управления 67 снабжен четырьмя отверстиями 69, выполненными на опорной плите 77, и имеет тормоз 80. В варианте, представленном на фигурах 14 и 15, тормоз снабжен выступом 83, который может входить в паз 87, расположенный по окружности диска 67, и фиксировать его в неподвижном положении.

В этом варианте наружное зубчатое колесо 10 снабжено стопорными штифтами 71, входящими в отверстия 69, расположенные в орбитальном диске управления 67. Благодаря наличию стопорных штифтов 71 в отверстиях 69 вращение приводного вала 64 с эксцентриками 63 заставляет зубчатое колесо 10 выполнять орбитальное движение.

Двигаясь по орбите в направлении, указанном стрелкой В на фигуре 14, наружное зубчатое колесо 10 заставляет внутреннее зубчатое колесо 30 вращаться в противоположном направлении С по отношению к приводному валу, вращающемуся по стрелке А, как было описано подробно применительно к фигурам с 1 по 11.

Таким образом, при вращении приводного вала 64 в направлении, указанном стрелкой А, усилие может передаваться зубчатому колесу 30 в противоположном направлении, как указано стрелкой С, с передаточным отношением, заданным зубчатыми колесами 30 и 10.

В данном варианте изобретения зубчатое колесо 30 содержит верхнюю часть 30а, с которой, при желании, может производиться отбор мощности.

На фигуре 16 показана общая схема лебедки, являющаяся вариантом орбитальной зубчатой передачи, представленной на фигурах 12 и 13. На фигуре 16 лебедка 90 снабжена наружными корпусными деталями 92 и 94. Приводной вал 64 выполнен за одно целое с эксцентриками 63, как было описано выше. На приводном валу 64 также установлен входной шкив 94, приводящий во вращение цепь 95 лебедки 90. Внутреннее зубчатое колесо 30 установлено на эксцентрике 63 так, как это было описано применительно к фигурам 12 и 13, и выполняет орбитальное движение благодаря наличию стопорных штифтов 71, входящих в отверстия 69 в орбитальном диске управления 67. Тормозной механизм 80 удерживает орбитальный диск управления 67 в неподвижном положении.

В настоящем варианте изобретения тормозной механизм 80 содержит вал 86 с кулачком 89, который удерживает в неподвижном положении диск управления передачей, находящейся под нагрузкой, с целью исключить возможность разблокировки нагруженной лебедки. Для освобождения тормозного механизма 80 перед разъединением кулачка с диском управления 67 необходимо предварительно снять нагрузку с лебедки. Диск управления 67 имеет зубья (не показаны), входящие в зацепление с кулачком 89 для его надежного закрепления на периферии диска. Для освобождения диска 67 можно повернуть вал 86, вывести кулачок из зацепления с вышеуказанными зубьями и освободить диск управления 67, позволив ему вращаться, как было указано выше.

Наружное зубчатое колесо 10 входит в зацепление с внутренним зубчатым колесом 30 таким же образом, как было описано выше применительно к фигурам 12 и 13, а выходной шкив 98 устанавливается на выходное зубчатое колесо 10. Выходной шкив 98 приводит во вращение цепь 95, идущую от входного шкива 94.

Крюк 99, который может быть установлен на корпусе 92, служит для подвески лебедки 90, обеспечивая тем самым возможность крепления соответствующего груза к цепи 95, идущей от выходного шкива 98.

Входной шкив 94 приводится во вращение по направлению стрелки F путем натяжения цепи 95, проходящей по верхней части указанного шкива и показанной на фигуре 16. Вращающийся шкив, в свою очередь, поворачивает эксцентрик 63 и приводит зубчатое колесо 30 в орбитальное движение, как было описано выше. От зубчатого колеса 30 орбитальное движение передается наружному зубчатому колесу 10, которое вращается вокруг оси вала 64, который, в свою очередь, приводит во вращение выходной шкив 98 и таким образом обеспечивает подъем груза, подвешенного на цепи 95.

При отпускании цепи 95 для прекращения вращения входного шкива 94 и приводного вала 64 груз 95 остается в подвешенном состоянии, а передаточный механизм, образованный зубчатыми колесами 30 и 10, просто останавливается и продолжает находиться в неподвижном положении до тех пор, пока цепь 95 снова не будет натянута для продолжения подъема груза. Даже при наличии груза, подвешенного к цепи 95, редуктор не начнет вращаться из-за противодействия эксцентрика 63, на котором установлено зубчатое колесо. Если требуется слегка опустить груз, необходимо потянуть цепь 95, показанную на фигуре 16 и проходящую над и за входным шкивом 94, с тем чтобы обеспечить вращение редуктора в противоположном направлении и подъем груза на цепи 95, проходящей поверх выходного шкива 98. Как было показано выше, отключение тормоза 80 при нахождении подъемного механизма под нагрузкой невозможно из-за противодействия кулачка 89, который входит в зацепление с зубьями (не показаны), находящимися в периферийной части диска управления 67, и удерживает указанный диск в неподвижном положении до тех пор, пока лебедка не будет разгружена. При необходимости освободить диск управления 67 лебедка должна быть разгружена и кулачок 89 должен выйти из зацепления с зубьями (не показаны), которые находятся на периферии диска 67. Указанная мера предосторожности исключает возможность поворота редуктора в нейтральное положение при наличии груза на подъемном механизме. Отсутствие предохранительного кулачка просто привело бы к падению груза под действием собственного веса и к очень тяжелым последствиям.

В вариантах изобретения, описанных со ссылкой на фигуры с 12 по 16, управление орбитальным движением осуществляется диском 67, снабженным отверстиями для стопорных штифтов зубчатых колес 10 или 30, устанавливаемых на эксцентрике 63.

Однако другие варианты изобретения допускают иные конструктивные решения, например стопорные штифты могут находиться на диске управления 67, а отверстия для них могут быть при желании выполнены в зубчатых колесах 10 или 30.

Фигура 17 представляет вариант изобретения, сходный с вариантом, показанным на фигуре 16, однако имеющий шестерню обратного хода 110 вместо орбитального управления 67. Шестерня обратного хода 110 имеет зубья 111, входящие в зацепление с управляющими зубьями 113, выполненными на надставке 30b внутреннего зубчатого колеса 30. Зубья 34 внутреннего зубчатого колеса 30 входят в зацепление с зубьями 14 наружного зубчатого колеса 10 так же, как в вышеописанных вариантах. Остальная часть лебедки 90, изображенной на фигуре 17, не отличается от лебедки, описанной со ссылкой на фигуру 16.

Шестерня обратного хода 110 удерживается в неподвижном положении тормозом 80 таким же образом, как и в ранее описанных вариантах, и обеспечивает орбитальные движения внутреннего зубчатого колеса 30 при вращении эксцентрика 63. Орбитальное движение передается зубчатому колесу 10, заставляя его вращаться вокруг оси приводного вала 64 и вращать выходной шкив 98 так же, как было описано выше.

Напомним, что для установки зубчатой передачи в нейтральное положение можно отключить тормоз 30 с тем, чтобы вывести кулачок 89 из зацепления с шестерней обратного хода 110 и обеспечить ее свободное вращение, позволив тем самым зубчатому колесу 10 вращаться вместе с эксцентриком 63 вместо выполнения орбитального движения без передачи рабочего усилия наружному зубчатому колесу 10.

Использование шестерни обратного хода позволяет получить очень низкое передаточное число вследствие того, что внутреннее зубчатое колесо 30 может вращаться в одном направлении, например по часовой стрелке, с шестерней обратного хода 110, в то время как зубчатое колесо 10 вращается в противоположном направлении, в результате чего передаточные числа между зубчатым колесом 30 и шестерней обратного хода 110 и передаточное число между внутренним зубчатым колесом 30 и наружным зубчатым колесом 10 перемножаются, обеспечивая колоссальное уменьшение мощности, передаваемой от приводного вала 64 к наружной зубчатой шестерне 10.

На фигуре 18 представлена палубная лебедка яхты, использующая орбитальную зубчатую передачу, показанную на фигурах 14 и 15.

Напомним, что номера одинаковых деталей на фигуре 18 и на фигурах 14 и 15 совпадают.

В варианте осуществления изобретения, представленном на фигуре 18, приводной вал 64 установлен для вращения на стойке 75 и удерживается в нужном положении гайкой 115. Для поворота приводного вала 64 рукоятка лебедки (не показана) может входить в зацепление с приводным валом. Зубчатое колесо 30, обеспечивающее необходимый момент для поворота лебедки в данном варианте изобретения, соединяется с барабаном 120 лебедки при помощи храпового колеса 122. Барабан 120 также непосредственно соединен с приводным валом 64 через храповик 121, который вращается в направлении, противоположном вращению храпового колеса 122.

Таким образом, при вращении приводного вала 64 в рабочем направлении при помощи рукоятки лебедки (не показана) крутящий момент может быть непосредственно передан барабану 120 через храповое колесо 121 для его вращения с передаточным числом 1:1 по отношению к приводному валу 64 с обгоном храпового колеса 122, т.е. без передачи каких-либо усилий лебедочному барабану 120 через зубчатое колесо 30. При вращении приводного вала 64 в противоположном направлении храповое колесо 121 вращается свободно, а храповое колесо 122 входит в рабочее зацепление, и крутящее усилие передается от зубчатого колеса 30 через храповое колесо 122 на лебедочный барабан 120 для приведения его во вращение с понижением передаточного числа, определяемого передаточным отношением между наружным зубчатым колесом 10 и внутренним зубчатым колесом 30. Как было указано выше со ссылкой на фигуры 14 и 15, зубчатое колесо 30 вращается в направлении, противоположном направлению вращения приводного вала 64, поэтому при вращении приводного вала 64 в направлении, противоположном тому, при котором крутящий момент передается на барабан непосредственно через храповое колесо 121, барабан 120 будет тем не менее вращаться в том же направлении, что и прежде. Другими словами, барабан 120 всегда вращается в одном и том же направлении с передаточным числом, равным 1:1 или равным той величине, которая определяется зубчатыми колесами 10 и 30 данной орбитальной зубчатой передачи.

Хотя на фигурах подшипники не показаны, они могут устанавливаться между приводным валом 64 и стойкой 75, а также между приводным валом 64 и зубчатым колесом 30 для поддержания относительных скоростей вращения указанных компонентов.

На опорной плите 71 может также находиться кабельная направляющая 123 для направления движения кабельных ветвей, набегающих на барабан 120 или сбегающих с него.

Барабан 120 может также устанавливаться на подшипниках, обеспечивающих его вращение относительно приводного вала 64, а также снабжаться опорными поверхностями 108 кабельной направляющей 123.

В описываемом варианте изобретения внутреннее зубчатое колесо 30 или наружное зубчатое колесо 10 устанавливается для вращения на валу, в то время как второе колесо предназначается для обеспечения орбитального движения. В отличие от орбитальных зубчатых систем с цилиндрическими шестернями или подобных им, где контакт между зубьями шестерен осуществляется в основном по касательной, в данных системах контакт и зацепление зубьев имеют радиальный характер. Вращательное движение передается в силу циклического орбитального движения зубчатого колеса, движущегося по орбите.

Более того, в то время как в ранее описанных вариантах изобретения управление орбитальным движением осуществлялось только при помощи одного зубчатого колеса, настоящее изобретение предусматривает возможность вариантов, в которых как внутреннее зубчатое колесо 30, так и наружное зубчатое колесо 10 были бы способны двигаться по соответствующей орбите. В таком варианте соответствующие зубья внутреннего и внешнего зубчатых колес могли бы вступать в зацепление на пересечении циклоид. Двойные орбитальные системы такого типа были описаны в нашей заявке № РО3739, поданной в Австралии и находящейся в процессе одновременного рассмотрения. Содержание упомянутой австралийской заявки включается в данную заявку методом ссылки на ее существование.

Поскольку специалисты в данной области техники могут свободно изменять предложенное изобретение, не выходя за пределы его объема и сущности, предполагается, что настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами его осуществления, описанными выше в качестве примеров.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к профилю зуба шестерен для орбитальных зубчатых передач. Орбитальная зубчатая система содержит наружное зубчатое колесо 10 с множеством внутренних зубьев 14 и внутреннее зубчатое колесо 30 с множеством наружных зубьев 34. Точка перегиба 52 контактной поверхности внутреннего зубчатого колеса 30 расположена на его начальной окружности 36. Наружное зубчатое колесо 10 имеет начальную окружность 25. При сборке для передачи усилия от одного зубчатого колеса к другому упомянутые колеса выполнены с возможностью вхождения, по существу, в радиальное зацепление для точечного контакта с точкой перегиба 52 наружных зубьев 34. При этом внутреннее зубчатое колесо 30 зацепляется и перекатывается только через единственную точку В на контактной поверхности 18 наружного зубчатого колеса 10, по существу, в месте пересечения начальной окружности 25 наружного колеса 10 с его контактной поверхностью 18. Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик орбитальных зубчатых передач. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Орбитальная зубчатая система, содержащая внутреннее зубчатое колесо и наружное зубчатое колесо, причем внутреннее зубчатое колесо имеет множество наружных зубьев, при этом множество наружных зубьев имеет контактную поверхность и противоположную поверхность, внутреннее зубчатое колесо имеет начальную окружность, а контактная поверхность имеет точку перегиба, расположенную на начальной окружности внутреннего зубчатого колеса, причем наружное зубчатое колесо имеет множество внутренних зубьев для зацепления с наружными зубьями внутреннего колеса, внутренние зубья имеют контактную поверхность для зацепления с контактной поверхностью наружных зубьев внутреннего зубчатого колеса, при этом наружное зубчатое колесо имеет начальную окружность, в которой при сборке внутреннего зубчатого колеса и наружного зубчатого колеса для передачи усилия от одного из зубчатых колес другому зубчатому колесу внутреннее и наружное зубчатые колеса выполнены с возможностью вхождения, по существу, в радиальное зацепление и точечно контактируют с точкой перегиба наружных зубьев, зацепляющихся с и перекатывающихся только через единственную точку на контактной поверхности внутренних зубьев, по существу, в месте пересечения начальной окружности наружного колеса с контактной поверхностью наружного зубчатого колеса.2. Орбитальная зубчатая система по п.1, в которой контактная поверхность имеет синусоидальный профиль.3. Орбитальная зубчатая передача по п.2, в которой синусоидальный профиль определяется в соответствии со следующим уравнением:

Y=f(D)sin{πWDθg(ε)},

где D является диаметром начальной окружности;

W является шириной зуба;

ε является величиной эксцентриситета;

θ является угловым смещением,

при условии, что величина D внутреннего зубчатого колеса превышает две трети величины D наружного зубчатого колеса.

Y=f(D)sin{πWDθg(ε)},

где D является диаметром начальной окружности;

W является шириной зуба;

ε является величиной эксцентриситета;

θ является угловым смещением,

при условии, что величина D внутреннего зубчатого колеса превышает две трети величины D наружного зубчатого колеса.