ПЛАНЕТАРНЫЙ ЦИКЛОИДАЛЬНЫЙ РЕДУКТОР ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ ПЦР ПМ Российский патент 2005 года по МПК F16H1/32 

Изобретение относится к зубчатым передачам и предназначено для использования в качестве прецизионного общемашиностроительного привода, привода промышленных роботов и манипуляторов, а также приводов, работающих в специальных условиях применительно к космической технике, на транспорте, в нефтегазовой промышленности и т.п. Известен циклоидальный редуктор, включающий корпус, входной вал, солнечное цевочное колесо, двухвенцовый сателлит, центральное колесо, связанное с выходным валом (см. патент США №4.282777, кл. 74-804, 1981). В качестве профилей зубьев цевочных колес в этом редукторе приняты ролики (цевки). При сборке таких редукторов между роликами-цевками цевочных (солнечных) колес и зубьями сателлита образуются зазоры. При работе редуктора возникает угловой люфт, число зубьев, одновременно передающих нагрузку, получается значительно менее половины.

Известен также планетарный циклоидальный редуктор ПЦР, содержащий корпус, крышку, входной и выходной валы, солнечное (центральное) колесо с зубьями-цевками, свободно установленными на осях, циклоидальные сателлиты, эксцентрично расположенные внутри солнечного (центрального) колеса и установленные на подшипнике эксцентрикового входного вала, механизм шпинделя, включающий пальцы, жестко запрессованные во фланец выходного вала, втулки, надетые на пальцы, входящие в зацепление с боковыми отверстиями сателлитов (см. книгу Шанникова В.М. “Планетарные редукторы с внецентроидным зацеплением”, М. - Л: Машгиз, 1948, с.61). В этом редукторе, в отличие от предыдущего, для передачи движения с сателлита на выходной вал применен механизм параллельных кривошипов (механизм шпинделя).

Исследования планетарных циклоидальных редукторов (Шанников В.М., и др., конструкции [1, 2, 3, 4, 5] показывают, что данное направление является наиболее перспективным. Планетарные циклоидальные передачи с зацеплением при разности чисел зубьев колес в единицу обеспечивают многопарность зацепления, позволяют существенно снизить энергоемкость потребления и повысить конкурентоспособность выпускаемых в нашей стране машин, станков, промышленных роботов и другого оборудования на мировом рынке.

Производство планетарно-роторных циклоидальных среднеоборотных гидромоторов на Омском заводе “Гидроприбор” показало, что только в циклоидальных планетарно-роторных гидромоторах отношение вращающего момента к массе привода достигает величины (30-50) Н·М/кг при широком диапазоне бесступенчатого регулирования частот вращения выходного вала при неизменном вращающем моменте [6].

Сейчас, как никогда, необходима разработка ряда циклоидальных редукторов для электромеханических приводов в станкостроении, в промышленных роботах, в кибернетических устройствах и системах управления, в электромобилях с целью повышения их качества и конкурентоспособности. Циклоидальный электромеханический привод, в отличие от волновой передачи, имеет повышенную жесткость звеньев, увеличенную нагрузочную способность, хорошие динамические характеристики, высокий КПД, длительный срок службы при высокой точности и качестве изготовления. Применение планетарного циклоидального редуктора с разностью числа зубьев колес в единицу при соответствующей точности изготовления позволит обеспечить многопарность зацепления и высокие качественные показатели электромеханического привода (патенты [7-15]).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является планетарный циклоидальный редуктор, имеющий две ступени передачи и содержащий корпус, крышку, входной и выходной валы, выполненный за одно целое с входным валом эксцентрик, установленный на эксцентрике и выполненный в виде витой пружинной шестерни сателлит, центральные шестерни, одна из которых подвижная, причем все шестерни через подшипники установлены на входном валу (патент РФ 2153613 С1, 27.07.2000, МПК 7 F 16 H 1/32).

Недостатками приведенного технического решения являются:

- Ограниченный диапазон передаточных отношений при работе ПЦР в экстремальных условиях эксплуатации, при испытаниях применительно к подземным.

- При ремонтных работах ПЦР на нефтепроводах необходимо предусмотреть запасной комплект пружинных шестерен, ШП и т.п.

Указанные недостатки устраняются в предлагаемой конструкции (ПЦР ПМ).

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, который заключается в расширении диапазона передаточных отношений с одновременным увеличением передаваемых мощностей и моментов, упрощении профиля зацепления, принятого циклоидальным, за счет выполнения шестерен из витков пружин, имеющих вогнутый и выпуклый профиль, повышающий КПД, в устранении люфтов и снижении шума.

Указанный технический результат достигается тем, что планетарный циклоидальный редуктор, имеющий две ступени и содержащий корпус, крышку, входной и выходной валы, выполненный за одно целое с входным валом угловой эксцентрик, установленный на эксцентрике и выполненный в виде витой пружинной шестерни сателлит, центральные шестерни, одна из которых подвижная, причем все шестерни через подшипники установлены на входном валу.

Согласно изобретению в первой ступени эксцентрик выполнен угловым, шестерня сателлита выполнена в виде пружины с круговым вогнутым профилем витков, а центральные шестерни выполнены в виде пружин с круговым выпуклым профилем витков, сваренных в общую конструкцию, при этом все шестерни по числу зубьев отличаются от числа зубьев соседних шестерен и их левых и правых частей на единицу.

Это позволяет расширить зону зацепления и повысить надежность и ресурс работы на порядок и реализовать лучшие энергетические характеристики и КПД при уменьшении габаритов и массы ≈ в 3-5 раз.

Согласно изобретению вторая ступень содержит соединенный со ступицей подвижной центральной шестерни первой ступени эксцентрик, ось которого параллельна оси передачи, установленную на эксцентрике шестерню сателлита, зубья которой имеют циклоидальный профиль, и центральную шестерню, выполненную в виде ступицы выходного вала, закрепленных на ступице осей с расположенными на них двойными пружинами, зафиксированными в общую сборку круговой шайбой с кольцом, причем наружная пружина с напряжением навернута на внутреннюю пружину, а число зубьев с двойными пружинами на центральной шестерне выходного вала на единицу больше числа зубьев (впадин) на шестерне сателлита.

При таком выполнении новая оригинальная конструкция второй ступени позволяет реализовать на выходе редуктора рабочие мощности и моменты, в сотни раз превосходящие те же параметры обычных редукторов, увеличивает ресурс работы ПЦР ПМ, допускает перегрузки, улучшает эксплуатацию его в чрезмерных экстремальных условиях космоса, радиации, дна океана, допускает ремонтновосстанавливаемость.

Как частный случай выполнения зубья из двойных пружин могут быть выполнены с круговым выпуклым профилем или с выпуклым профилем в виде эллипсов. При таком выполнении редуктора реализуется значительное увеличение эластичности зубьев с двойными пружинами, увеличивается примерно на порядок передача моментов и мощностей, ресурс и надежность редуктора в экстремальных условиях эксплуатации, перегрузках в агрессивных средах; при этом зубья с двойной пружиной в этих условиях деформируются и изменяют свои линейные и объемные размеры, т.е. приспосабливаются под реальные условия эксплуатации без разрушения, увеличивая надежность и реальные сроки эксплуатации, важно, что эластичность зубьев с двойными пружинами рассчитывается под реальные условия и сроки эксплуатации со значительно лучшими параметрами.

Также зубья из двойных пружин центральной шестерни второй ступени могут быть выполнены в виде пружин, свитых в жгутики из нескольких более тонких проволок (из 3-х, 4-х и более), тем самым достигается значительное увеличение эластичности всей передачи редуктора и обеспечивается реализация долговечности редуктора в 3 и более раз при перегрузках по моменту и мощности из условий работы в космосе и на дне океана при высокой прецизионной точности.

Также зубья из двойных пружин могут быть прижаты упругим эластичным основанием к осям в направлении от периферии ступицы к центру.

Шестерня сателлита второй ступени может быть изготовлена как из легких сплавов типа Д16Т, В95Т, так и прессованием из пластмасс типа АГ4В, АГ4С, капрона, фторопласта, резинового корда с тканью и проволокой или прессованием только из нержавеющей проволоки ⊘ 0,1 мм, при этом реализуется резкое снижение шума при работе, высокая технологичность, уменьшение инерционности, отпадает необходимость в высокоскоростных подшипниках, снижаются производственные затраты примерно в 3-4 раза.

Оси для зубьев из двойных пружин могут быть выполнены как в виде круглых осей, так и овальных, а также осей с прорезями или другой формы, тем самым реализуется эксплуатация редуктора при перегрузках и абразивных средах.

Таким образом ликвидируются трудоемкие и дорогостоящие процессы (зубодолбление и зубофрезирование и т.п.) и принято простое изготовление колес (шестерен) из профилированных пружин, сваренных в виде тора, в результате зацепления пружинных шестерен достигается многопарность в их зацеплении (до 80 и более %). В связи с указанным наряду с экономическим производственном эффектом достигается и технический: увеличение диапазона передаточных отношений (до i>1000), увеличение диапазона передаточных отношений достигается также за счет того, что центральная шестерня-сателлит 1-й ступени имеет специальную навивку на оправке, с разностью в числе зубьев левой и правой части на единицу.

В результате многопарности профилированного зацепления, снижения трения в нем происходит значительное увеличение передаваемых ПЦР рабочих моментов и мощностей, ресурс его работы достигает 25 лет, а перегрузочная способность ПЦР увеличивается в два раза при возможной работе редуктора в экстремальных условиях космоса, дна океана, в абразивных, радиационных и агрессивных средах. Устранение люфтов и шумов делает конструкцию ПЦР ПМ перспективной для подводных и космических навигаций при точной безошибочной передаваемой ею информации.

Многопарное пружинное профилированное зацепление ПЦР позволяет снизить на порядок массовогабаритные параметры редуктора и уменьшить стоимость производства в 3 и более раз.

Общее передаточное отношение определяется и зависит от передаточных отношений 1-й и 2-й ступеней.

Для производства эффективных ПЦР ПМ достаточна точная технология производства как наиболее экономичная, т.е. нет необходимости в копировании японских ПЦР (и ПЦР других стран), а нужно рассчитывать и изготовлять собственные, наиболее совершенные образцы ПЦР, которые могут быть реализованы на базе отечественных шарикоподшипниковых производств без применения дорогостоящего зубодолбежного и зубофрезерного оборудования.

Надежность силовых элементов, узлов ПЦР ПМ обеспечивается учетом, “приспосабливаемостью” конструкции к случайному характеру силовой нагрузки, т.е. она демпфирует, гасит ударные, вибрационные, космические, температурные, радиационные, абразивные и другие нагрузки или их совокупность.

Детальные исследования производства и применения пружин, работающих в вооружении и оборонной (авиа-, авто- и др.) технике, подтверждают уникальность использования указанных пружин в качестве компенсаторов, демпфирующих и сглаживающих фильтров в силовых узлах и агрегатах ПЦР ПМ и электроприводах [6, 7, 8].

Промышленность в совершенстве отработала металлургию и изготовление (волочение, навивку, упрочение, термообработку, химополирование и т.п.) пружин. Волочение пружин из пружинной проволоки и их навивка - наиболее эффективные технологические процессы, которые позволяют более экономично получить требуемый профиль в сечении с одновременным упрочением исходного материала. При этом, производство практически безотходно. А это в свою очередь позволяет с экономической выгодой использовать в ПЦР ПМ высокопрочные стали. Прочность высокопрочной пружинной ленты, проволоки [10, 11, 13] после патентования, волочения, дробеструйной и термических обработок достигает Gв=182-257 кг/мм².

Сущность изобретения поясняется чертежами:

на фиг.1 изображен продольный разрез планетарного циклоидального редуктора;

на фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1;

на фиг.3 представлено зацепление второй ступени с упругим основанием (лонжероном).

Планетарный циклоидальный редуктор повышенной мощности ПЦР ПМ показан на фиг.1, 2 и содержит корпус 10, крышку 2, внутри корпуса на оси входного вала 1 расположена первая ступень передачи, а на оси выходного вала 18 - вторая ступень передачи, которые в общую сборку ПЦР ПМ объеденены валами 1 и 18 через подшипники 9, 19, 20. Причем конструктивно первая ступень представляет самостоятельную сборку, которая состоит из центральной шестерни 4 (Zb), шестерни сателлита 5(Zf., Zg) и подвижной центральной шестерни шестерни 7 (Za).

Шестерня сателлита 5 (Zf и Zg) через ступицу и свои подшипники расположена на угловом эксцентрике с угловым эксцентрисистетом - α на оси входного вала 1. Все шестерни 4, 5, 7 расположены на своих ступицах и подшипниками объединены в общую конструкцию.

Так на валу 1 через подшипники 9 расположена подвижная центральная шестерня - 7 (Za), которая через свою ступицу соединена с эксцентриком - 17 второй ступени передачи ПЦР ПМ, эксцентрик 17 - через подшипники 9 и 19 отцентрирован относительно оси 00 и расположен в общем корпусе 10 с эксцентриситетом е относительно оси O₁O₁.

Передаточное отношение i_общ 1-й ступени редуктора (по модулю) определяется зависимостью:

где Z_f - число зубьев левой части пружинной шестерни сателлита 5;

Z_a - число зубьев подвижной центральной шестерни 7;

Z_b - число зубьев неподвижной центральной шестерни 4;

Z_g - число зубьев правой части шестерни сателлита 5.

Вторая замыкающая ступень передачи ПЦР ПМ состоит из зубчатой шестерни сателлита 15, отцентрированной относительно оси O₁O₁ и параллельно оси 00 с эксцентриситетом "е" за счет эксцентричного расположения эксцентрика 17 и подшипника 16.

Одновременно шестерня сателлита 15, имеющая циклоидальный профиль, находится в постоянном зацеплении со сборной шестерней "выходного вала 18, которая состоит из сборных двойных пружин 12 и 13, расположенных на осях – 14, ввернутых в ступицу выходного вала 18 и зафиксированных в общую сборку круговой шайбой - 23 с кольцом.

Сборные пружины 12 и 13 представлены оригинальной конструкцией, у которой наружная пружина - 12 с напряжением навернута и расположена на внутренней пружине - 13. При этом сборная конструкция пружин 12 и 13 рассчитана определенным образом, обеспечивающим объемную и продольную деформацию общей сборки пружин в процессе работы ПНР ПМ.

Причем передаточное отношение - i₂ второй (2) ступени передачи ПЦР ПМ и соответственно ее размерные цепи определяются исходя из того, что число зубьев сборных двойных пружин 12 и 13 на осях - 14 на единицу больше, чем число зубьев (впадин) на сателлите - 15. Благодаря взаимному эксцентричному расположению с эксцентриситетом - "е" зубья шестерни выходного вала (двойных пружин 12 и 13 на осях) и зубья (впадины) сателлита - 15 находятся в постоянном одностороннем зацеплении, т.е. расположены друг в друге с эксцентриситетом - "е".

Предлагаемый редуктор работает следующим образом: передаточное отношение при его работе определяется разностью в один зуб между шестернями зацепления. Передача вращения при работе ПЦР ПМ на эксцентриковый вал 17 (фиг.1) с параллельным эксцентриситетом "е" осуществляется через ступицу 8 (фиг.1) пружинного колеса 7, в дальнейшем пониженное вращение (на i₁) приводит к обкатыванию сателлита 15 2-й ступени ПЦР ПМ по зубьям 14 (фиг.1, 2) с двойными пружинами 12 и 13 (фиг.1, 2). Вращение выходного вала 18 (фиг.1, 2) замедляется еще на передаточное отношение 2-й ступени и при разности зубьев Z14' c двойными пружинами и зубьями сателлита Z15 в единицу составит i₂. Общее передаточное отношение на выходе ПЦР ПМ будет 1(общ.)=I₁*I₂. Мощный силовой поток энергии при этом передается на нагрузку, чем достигается цель изобретения.

В итоге простое эластичное зубчатое зацепление шестерен второй ступени обеспечивает значительный силовой эффект на выходе ПЦР ПМ по моментам и мощностям.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ

1. Mecanisme de transmission б demultiplicaton (Umberto Baldanello), France. Pat. N 1440594, 1966.

2. Dispositif de transmission б reduction mécanique entre un arbre de commande et un arbre asservi (A.B.Högglund and Söner). France. Pat. N 1452099, 1966.

3. Corfin Alex. M. Speed changing device. United States Letters. Pat. N 3258994, 1966.

4. Moinufacture Francaise d'Apparells Electro-Mecanigues MFR. France. Pat. N 1477772, 1967.

5. Проспекты фирм Японии, ФРГ, США, Венгрии, СССР.

6. Лобастов В.К. Эпициклические механизмы для высокоэффективных приводов машин, станков и промышленных роботов. Автореферат докторской диссертации. - Новосибирск, НЭИ, 1991.

7. Яковлев А.Ф. и др. Патент на планетарный циклоидальный редуктор №1802958 по заявке 4854625/28 от 27.07.90.

8. Яковлев А.Ф. и др. Патент на планетарный циклоидальный редуктор №2059131 от 7.04.93 по заявке 93-018248/28/017813.

9. Физический энциклопедический словарь. Гл. редактор А.М.Прохоров. - M., Совет. энциклопедия, 1984.

10. Политехнический словарь. Гл. редактор И.И.Артоболевский. - M., Совет. энциклопедия, 1984.

11. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. M., Машиностроение. 1987.

12. Акад. Благонравов А.А. "Преимущества огромны". Статья в газете "Правда" от 21 марта 1960.

13. Соловцов Н.Е., Яковлев А.Ф. Патент на планетарный цикловдаль-редуктор №2153613 от 27 июля 2000 г., патент на электропривод с планетарным циклоидальным редуктором №2206805 от 20.06.03 г.

14. Патент США ЕР 0286760 А1 19.10.1988.

15. Авторское свидетельство СССР SU 124767, 1959 г.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве общемашиностроительного привода, приводов промышленных роботов и манипуляторов и приводов, работающих в космической технике, в нефтегазовой промышленности, на транспорте и т.п. Редуктор имеет две ступени передачи и содержит корпус 10, крышку 2, входной 1 и выходной 18 валы, выполненный угловым эксцентрик первой ступени, шестерню сателлита 5, центральные шестерни 4, 7, из которых шестерня 7 выполнена подвижной. Все шестерни через подшипники 9, 19, 20 установлены на входном валу 1. Шестерня сателлита 5 выполнена в виде пружины с круговым вогнутым профилем витков. Центральные шестерни 4, 7 выполнены в виде пружин с круговым выпуклым профилем витков, сваренных в общую конструкцию. Все шестерни по числу зубьев отличаются от числа зубьев соседних шестерен и их левых и правых частей на единицу. В изобретении представлен вариант выполнения второй ступени редуктора. Технический результат - расширение диапазона передаточных отношений с одновременным увеличением передаваемых мощностей и моментов, устранение люфтов и снижение шума. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Планетарный циклоидальный редуктор, имеющий две ступени передачи и содержащий корпус, крышку, входной и выходной валы, выполненный за одно целое с входным валом эксцентрик, установленный на эксцентрике и выполненный в виде витой пружинной шестерни сателлит, центральные шестерни, одна из которых подвижная, причем все шестерни через подшипники установлены на входном валу, отличающийся тем, что в первой ступени эксцентрик выполнен угловым, шестерня сателлита выполнена в виде пружины с круговым вогнутым профилем витков, а центральные шестерни выполнены в виде пружин с круговым выпуклым профилем витков, сваренных в общую конструкцию, при этом все шестерни по числу зубьев отличаются от числа зубьев соседних шестерен и их левых и правых частей на единицу.2. Планетарный циклоидальный редуктор, имеющий две ступени передачи и содержащий корпус, крышку, входной и выходной валы, выполненный за одно целое с входным валом эксцентрик, установленный на эксцентрике и выполненный в виде витой пружинной шестерни сателлит, центральные шестерни, одна из которых подвижная, причем все шестерни через подшипники установлены на входном валу, отличающийся тем, что вторая ступень содержит соединенный со ступицей подвижной центральной шестерни первой ступени эксцентрик, ось которого параллельна оси передачи, установленную на эксцентрике шестерню сателлита, зубья которой имеют циклоидальный профиль, и центральную шестерню, выполненную в виде ступицы выходного вала, закрепленных на ступице осей с расположенными на них двойными пружинами, зафиксированными в общую сборку круговой шайбой и от проворота ограниченной запорным кольцом, причем внутренняя пружина надета на ось по скользящей посадке с возможностью вращения, наружная пружина плотно навернута на внутреннюю пружину, а число зубьев с двойными пружинами на единицу больше числа зубьев (впадин) на шестерне сателлита.3. Редуктор по п.2, отличающийся тем, что зубья из двойных пружин выполнены с круговым выпуклым профилем.4. Редуктор по п.2, отличающийся тем, что зубья из двойных пружин выполнены с выпуклым профилем в виде эллипсов.5. Редуктор по п.2, отличающийся тем, что зубья из двойных пружин выполнены в виде пружин, свитых в жгутики из нескольких более тонких проволок (из 3-х, 4-х и более).6. Редуктор по п.2, отличающийся тем, что зубья из двойных пружин прижаты упругим эластичным основанием к осям в направлении от периферии ступицы к центру.7. Редуктор по п.2, отличающийся тем, что шестерня сателлита второй ступени изготовлена как из легких сплавов типа Д16Т, В95Т, так и прессованием из пластмасс типа АГ4В, АГ4С, капрона, фторопласта, резинового корда с тканью и проволокой или прессованием только из нержавеющей проволоки, ⊘ 0,1 мм.8. Редуктор по п.2, отличающийся тем, что оси для зубьев из двойных пружин выполнены как в виде круглых осей, так и овальных, а также осей с прорезями или другой формы.