РЕДУКТОР С ЦИКЛОИДАЛЬНЫМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ Российский патент 2006 года по МПК F16H1/32 

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к редуктору с циклоидальным зацеплением.

Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано для передачи больших крутящих моментов в газотурбинных энергетических установках, в узлах машин горнодобывающей отрасли в качестве механической зубчатой передачи особо высокой мощности.

Уровень техники.

В настоящее время в мировом машиностроении возникла необходимость в создании компактных, экономичных и высоконадежных устройств для преобразования крутящих моментов при передаче большой мощности.

Для решения этой задачи применяются различного вида редукторы, использующие для передачи вращения зубчатые зацепления, рабочие поверхности подавляющего большинства которых имеют эвольвентный профиль. Однако, не смотря на все достоинства эвольвентного зацепления и на его хорошую изученность, оно не позволяет в полной мере решить поставленную задачу. Зубчатые передачи, использующие эвольвентный профиль рабочих поверхностей зубьев, в силу свойств самой эвольвенты, не способны обеспечить необходимую экономичность и долговечность редукторов высокой мощности. В процессе работы таких устройств между контактирующими эвольвентными профилями имеет место повышенное трение скольжения, что приводит к интенсивному износу рабочих поверхностей, снижению ресурса работы такого редуктора и к уменьшению коэффициента полезного действия механизма в целом. При передаче больших крутящих моментов, особенно при необходимости одновременного обеспечения высокого передаточного отношения, в зоне контакта зубчатых профилей возникают значительные контактные напряжения. Для снижения их до величины, допустимой для материала зубчатых венцов колес, применяют конструкции, обеспечивающие распределение контактных нагрузок. Это приводит к пропорциональному снижению коэффициента полезного действия зубчатой передачи из-за увеличения количества пар трения. К таким конструкциям относятся, например, механизмы параллельных кривошипов, а также планетарные передачи различной компоновки.

Таким образом, использование в высокомощных редукторах для передачи крутящих моментов эвольвентного зубчатого зацепления связано со значительными потерями энергии на преодоление трения скольжения в зацеплении и, как следствие, со значительным снижением коэффициента полезного действия и ресурса работоспособности.

В настоящее время известен редуктор с циклоидальным зацеплением, взятый за прототип (патент РФ №2123627), который содержит корпус, в котором неподвижно закреплено первое солнечное колесо, соосно с которым с возможностью вращения установлены эксцентриковый вал, на эксцентриковой шейке которого с возможностью вращения размещен сателлит, и ведомый вал с жестко закрепленным на нем вторым солнечным колесом, при этом сателлит выполнен в виде двух жестко связанных зубчатых венцов, поверхность каждого из которых образована направляющей, представляющей собой замкнутую эпициклическую линию, причем каждый из зубьев первого зубчатого венца находится с заданным предварительным натягом в непрерывном циклоидальном зацеплении с зубьями первого солнечного колеса, а каждый из зубьев второго зубчатого венца с заданным предварительным натягом находится в последовательном контакте с каждым соответствующим зубом второго солнечного колеса, при этом количество зубьев первого зубчатого венца сателлита на один меньше количества зубьев первого солнечного колеса, а количество зубьев второго зубчатого венца сателлита равно количеству зубьев второго солнечного колеса.

По сравнению с редукторами с эвольвентным профилем зубьев указанный редуктор с циклоидальным зацеплением имеет следующие основные преимущества:

1) стопроцентную многопарность зацепления;

2) отсутствие люфтов и гистерезиса;

3) существенно меньшее трение скольжения;

4) высокий КПД.

Однако особенности этого редуктора, а именно: предварительный натяг в циклоидальном зацеплении, консольно закрепленные пальцы, цевки в виде подшипников качения не позволяют использовать их для передачи высоких крутящих моментов.

Сущность изобретения.

Сущность настоящего изобретения состоит в создании конструкции редуктора с циклоидальным зацеплением, способного передавать большие крутящие моменты с минимальными потерями энергии.

Эта задача решена созданием редуктора с циклоидальным зацеплением, содержащего корпус, в котором неподвижно закреплено первое солнечное колесо, соосно с которым с возможностью вращения установлены ведущий вал, на эксцентриковой шейке которого с возможностью вращения размещен сателлит, и ведомый вал с жестко закрепленным на нем вторым солнечным колесом. Указанный сателлит выполнен в виде двух жестко связанных зубчатых венцов, поверхность каждого из которых образована направляющей, представляющей собой замкнутую эпициклическую линию, причем все зубья первого зубчатого венца сателлита одновременно находятся в непрерывном контакте с соответствующими циклическими рабочими поверхностями первого солнечного колеса и образуют между собой циклоидальное зацепление с коэффициентом многопарности, равным единице, а каждый зуб второго зубчатого венца сателлита находится в последовательном контакте с соответствующими циклическими рабочими поверхностями второго солнечного колеса. При этом количество указанных циклических рабочих поверхностей первого солнечного колеса на единицу больше количества зубьев указанного первого зубчатого венца сателлита, а количество указанных циклических рабочих поверхностей второго солнечного колеса равно количеству зубьев указанного второго зубчатого венца сателлита. В таком редукторе, согласно изобретению, устанавливают профиль на первом зубчатом венце сателлита, соответствующий выбранной замкнутой эпициклической линии, укороченной по сравнению с длиной эталонной замкнутой эпициклической линии, заданной внецентроидным циклоидальным зацеплением, а профиль циклических рабочих поверхностей на зубчатом венце первого солнечного колеса устанавливают в виде внутренней зубчатой поверхности, образованной направляющей, представляющей собой замкнутую гипоциклическую линию, которая взаимосопряжена с указанной заданной внецентроидным циклоидальным зацеплением эталонной замкнутой эпициклической линией. При этом профиль циклических рабочих поверхностей второго солнечного колеса устанавливают в соответствии с направляющей, являющейся «отпечатком» направляющей второго зубчатого венца сателлита в результате его плоскопараллельного перемещения по круговой траектории с радиусом, равным эксцентриситету расположения эксцентриковой шейки ведущего вала. Кроме того, указанное укорочение замкнутой эпициклической линии профиля первого зубчатого венца сателлита по сравнению с длиной эталонной замкнутой эпициклической линии, заданной внецентроидным циклоидальным зацеплением, осуществляется с целью образования зазоров между рабочей поверхностью первого зубчатого венца сателлита и циклической рабочей поверхностью зубчатого венца первого солнечного колеса. Эти зазоры заполняются упругим слоем рабочей жидкости, подводимой под давлением.

В результате создания такой конструкции ввиду использования эпи- и гипоциклоидальных профилей рабочих поверхностей зацепления, обеспечивается распределение нагрузки на все зубья зубчатых колес сателлита, что позволяет пропорционально снизить удельные контактные напряжения до допустимых для материала, из которого изготовлены элементы передачи. Исключение непосредственного механического контакта между рабочими поверхностями зацепления в процессе работы редуктора за счет применения гидростатической опоры в зацеплении значительно снижает трение скольжения между указанными рабочими поверхностями зацепления, а значит увеличивает ресурс работы редуктора и снижает потери мощности при передаче крутящего момента. Кроме того, образование гидростатической опоры в зацеплении позволяет дополнительно снизить габаритные размеры редуктора за счет частичной разгрузки входного вала и уменьшения количества и размеров подшипников, на которые входной вал опирается в процессе работы редуктора.

Целесообразно в редукторе, а именно в его зацеплении, разместить объемно изменяющиеся замкнутые полости, количество которых равно количеству циклических рабочих поверхностей на зубчатом венце первого солнечного колеса. Эти полости отделены друг от друга подвижными уплотнениями в виде указанных зазоров в зацеплении и неподвижными в виде плоских уплотнений по торцам первого зубчатого венца сателлита и зубчатого венца первого солнечного колеса, выполненными в виде фланцев с плоскими поверхностями, которые жестко закреплены в указанном корпусе редуктора. Кроме того, в первом солнечном колесе целесообразно разместить впускные и выпускные клапаны, количество пар которых равно количеству циклических рабочих поверхностей на зубчатом венце первого солнечного колеса. Указанные впускные клапаны открывают канал для впуска жидкости в указанные полости при минимальной разности давлений внутри полости и внешней среды, а выпускные клапаны открывают выпускной канал для отвода рабочей жидкости из полости при давлении внутри полости, превышающем заданную величину, определяемую условиями нагружения зацепления. При этом каждую указанную объемно изменяющуюся замкнутую полость через каждую соответствующую пару указанных клапанов целесообразно соединить через систему каналов с емкостью, содержащей указанную рабочую жидкость. Таким образом вся совокупность таких автономных насосов по сути является гидростатическим подшипником жидкостного трения, в котором несущими поверхностями являются расположенные непосредственно в указанных зазорах зацепления циклические рабочие поверхности первого зубчатого венца сателлита и зубчатого венца первого солнечного колеса.

Описанное исполнение редуктора позволит обеспечивать гидростатическую опору в циклоидальном зацеплении необходимым давлением рабочей жидкости автономно, то есть без использования внешних устройств.

Таким образом, настоящее изобретение представляет собой редуктор с циклоидальным зацеплением, в котором исключается непосредственный контакт рабочих поверхностей за счет применения гидростатической опоры в зацеплении, способный передавать высокую мощность с высоким коэффициентом полезного действия. Это дает возможность применять такие редукторы для приводов тяжело нагруженных органов машин в тяжелом, горном и энергетическом машиностроении.

Перечень фигур чертежей и иных материалов.

Для лучшего понимания изобретения ниже приведен конкретный пример его исполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематичное изображение редуктора, выполненного согласно изобретению, вид сбоку в разрезе с вырывом;

фиг.2 - сечение В-В на фиг.3 согласно изобретению;

фиг.3 - сечение А-А на фиг.1 согласно изобретению;

фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1 согласно изобретению;

фиг.5 - вид I на фиг.3 согласно изобретению, увеличено.

Редуктор с циклоидальным зацеплением, выполненный согласно изобретению, содержит корпус (фиг.1), состоящий из двух жестко соединенных частей 1 и 2. В первой части корпуса 1 неподвижно закреплено первое солнечное колесо 3, по торцам которого неподвижно установлены уплотнения 4 и 5, выполненные в виде плоских шайб, ширина плоских торцевых поверхностей которых выбирается таким образом, чтобы они уплотняли зацепление с боковых сторон. Кроме того, в первом солнечном колесе 3 во впадинах зубчатого профиля по окружности размещены пары клапанов: впускной 6 (фиг.2) и регулируемый выпускной 7, а в корпусе размещены каналы 8, соединяющие каждый из впускных 6 и выпускных 7 клапанов с внешней емкостью (на чертежах не показана), содержащей рабочую жидкость.

В этой же части корпуса 1, опираясь на подшипники 9, соосно продольной оси неподвижного первого солнечного колеса 3, установлен ведущий вал 10 с эксцентриковой шейкой 11, продольная ось которой расположена параллельно продольной оси ведущего вала 10 и смещена относительно нее на эксцентриситет «е». На эксцентриковой шейке 11 с опорой на подшипники 12 установлен сателлит 13, на наружной поверхности которого закреплены два жестко связанных между собой зубчатых венца 14 и 15 с эпициклоидальными профилями рабочих поверхностей зубьев 16 и 17 (фиг.3, 4). Причем ширина первого зубчатого венца сателлита 14 равна ширине первого солнечного колеса 3. Рабочие поверхности зубьев 16 и 17 каждого зубчатого венца сателлита 14 и 15 образованы направляющей, представляющей собой замкнутую эпициклическую линию. То есть эти поверхности представляют собой гладкие замкнутые эпициклические поверхности. Причем для образования указанного зазора «z» между рабочими циклоидальными поверхностями первого зубчатого венца сателлита 14 и первого солнечного колеса 3 профиль рабочей циклоидальной поверхности первого зубчатого венца сателлита выполняют укороченным по отношению к выбранной эталонной замкнутой эпициклоиде 18, заданной внецентроидным циклоидальным зацеплением.

Выполнение каждой указанной гладкой замкнутой эпициклической поверхности 16, 17 возможно путем использования способа обработки цилиндрических зубчатых колес, который обеспечивает выполнение каждого зубчатого колеса путем имитации заданных условий эксплуатации циклоидной передачи в каждом планетарном ряду, а также путем непрерывного контроля радиальных размерных параметров профиля обрабатываемой зубчатой поверхности каждого зубчатого колеса при его изготовлении с получением профиля с точными заданными размерами, учитывающими фактическую величину эксцентриситета между осью эксцентриковой шейки и осью вращения ведущего вала, а также величину гарантированного зазора между рабочими поверхностями при зацеплении.

Во второй части корпуса 2 с опорой на подшипники 19, соосно оси вращения ведущего вала 10, установлен ведомый вал 20, на котором неподвижно закреплено второе солнечное колесо 21, установленное соосно продольной оси первого солнечного колеса 3.

Рабочие поверхности зубьев 22 и 23 (фиг.3, 4) каждого солнечного колеса 3 и 21 образованы направляющей, представляющей собой замкнутую гипоциклоидальную линию, взаимосопряженную с замкнутой эпициклоидальной линией зубчатого колеса сателлита. Эта направляющая образована методом обката профиля зубчатого венца сателлита 13 при имитации рабочего движения зубчатых венцов сателлита 16 и 17 относительно зацепляющихся с ними соответствующих солнечных колес 3 и 21.

Предлагаемый редуктор с циклоидальным зацеплением работает следующим образом.

Вращение передается от внешнего устройства (не показано) на ведущий вал 10, который, вращаясь в подшипниках 9 относительно первой части корпуса 1, сообщает плоскопараллельное движение по окружности эксцентриковой шейке 11, подшипникам 12 и сателлиту 13 вместе с зубчатыми венцами 14 и 15. В свою очередь сателлит 13, обкатываясь зубчатым венцом 14 по неподвижному первому зубчатому колесу 3, совершает сложное плоскопараллельное (планетарное) движение, которое благодаря второму планетарному ряду, образованному зубчатым венцом сателлита 15 и вторым солнечным колесом 21, преобразуется во вращательное движение ведомого вала 20.

При этом имитируется обкат без проскальзывания по наружной поверхности центроиды, принадлежащей эталонной эпициклической поверхности зубьев 16 зубчатого венца 14, диаметр которой равен произведению двойного эксцентриситета «е» на количество зубьев зубчатого венца 14, внутренней поверхности центроиды, принадлежащей гипоциклической поверхности зубьев 22 солнечного колеса 3, диаметр которой равен произведению удвоенного эксцентриситета «е» на количество зубьев второго солнечного колеса 21. Обкат указанной внутренней поверхности центроиды по указанной наружной поверхности центроиды обуславливает вращение второго солнечного колеса 21 вместе с ведомым валом 20 на подшипниках 17 относительно второй части корпуса 2.

Согласно настоящему изобретению, между рабочими поверхностями первого зубчатого венца сателлита 16 и первого солнечного колеса 22 создается зазор «z» (фиг.5). При вращении входного вала 10 в зацеплении образуются камеры 24 (фиг.3), ограниченные рабочими поверхностями первого зубчатого венца сателлита 16 и первого солнечного колеса 22 и торцевыми уплотнениями 4 и 5. В процессе работы зацепления объем указанных камер 24 изменяется. Причем в половине от общего количества образованных камер объем увеличивается, и соответственно образуется пониженное по сравнению с окружающей средой давление. За счет этой разности давлений в камеры, объем которых увеличивается, через каналы 8 и впускные клапаны 6 из внешней емкости (не показана) поступает рабочая жидкость. В другой половине общего количества образованных камер объем уменьшается и образуется повышенное по сравнению с окружающей средой давление. Разность этих давлений вызывает силы, направленные в противоположные стороны перпендикулярно рабочим циклоидальным поверхностям 16 и 22, ограничивающим камеры. Эти силы обеспечивают передачу крутящего момента и предотвращают непосредственный механический контакт между циклоидальными рабочими поверхностями первого зубчатого венца сателлита 16 и первого солнечного колеса 22. Рабочая жидкость выдавливается из камер, объем которых уменьшается, через зазоры в зацеплении «z», снижая величину силы трения скольжения между ними. Таким образом, в зацеплении образуется гидростатическая опора. Выпускные клапаны 7 отрегулированы таким образом, что при достижении в камере давления, достаточного для обеспечения работы описанной гидростатической опоры, открываются и рабочая жидкость выдавливается через них и канал 8 в указанную внешнюю емкость. За один оборот входного вала 10 редуктора во всех образованных камерах 24 проходит полный цикл сжатия-расширения, за счет чего обеспечивается постоянство и равномерность работы указанной гидростатической опоры.

Вышесказанное позволяет решить задачу создания редуктора особо высокой мощности с низкими потерями энергии в зацеплении.

Высокая нагрузочная способность предлагаемого редуктора обеспечивается использованием многопарности циклоидального зацепления, распределением нагрузки на все зубья зубчатых колес и снижением силы трения скольжения между рабочими поверхностями зацепления за счет создания гидростатической опоры в зацеплении.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к редукторам с циклоидальным зацеплением, и может быть использовано для передачи больших крутящих моментов в газотурбинных энергетических установках и в узлах машин горнодобывающей отрасли. Редуктор содержит корпус, ведущий вал 10, на эксцентриковой шейке 11 которого размещен двухвенцовый сателлит 13, неподвижно закрепленное первое солнечное колесо 3, ведомый вал 20 со вторым солнечным колесом 21. Внутренний зубчатый профиль солнечного колеса 3 образован направляющей, взаимосопряженной с эталонной эпициклической линией. По внутренней поверхности солнечного колеса 3 обкатывается зубчатый венец 14 сателлита 13, профиль которого образован замкнутой эпициклической линией, укороченной по отношению к эталонной эпициклической линии. Таким образом в зацеплении между рабочими поверхностями формируются зазоры, которые заполняют упругим слоем рабочей жидкости, подводимой под давлением. Рабочие поверхности этого зубчатого зацепления уплотнены с боковых сторон с образованием замкнутых объемно изменяющихся камер. Камеры вместе с зазором образуют гидростатическую опору в зацеплении. Через второй зубчатый венец 15 сателлита вращение передается второму солнечному колесу 21. Технический результат - способность передавать большие крутящие моменты с минимальными потерями энергии. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Редуктор с циклоидальным зацеплением, содержащий корпус, в котором неподвижно закреплено первое солнечное колесо, соосно с которым с возможностью вращения установлены ведущий вал, на эксцентриковой шейке которого с возможностью вращения размещен сателлит, и ведомый вал с жестко закрепленным на нем вторым солнечным колесом, указанный сателлит выполнен в виде двух жестко связанных зубчатых венцов, поверхность каждого из которых образована направляющей, представляющей собой замкнутую эпициклическую линию, причем все зубья первого зубчатого венца сателлита одновременно находятся в непрерывном контакте с соответствующими циклическими рабочими поверхностями первого солнечного колеса и образуют между собой циклоидальное зацепление с коэффициентом многопарности, равным единице, а каждый зуб второго зубчатого венца сателлита находится в последовательном контакте с соответствующими циклическими рабочими поверхностями второго солнечного колеса, при этом количество указанных циклических рабочих поверхностей первого солнечного колеса на единицу больше количества зубьев указанного первого зубчатого венца сателлита, а количество указанных циклических рабочих поверхностей второго солнечного колеса равно количеству зубьев указанного второго зубчатого венца сателлита, отличающийся тем, что устанавливают профиль на первом зубчатом венце сателлита, соответствующий выбранной замкнутой эпициклической линии, укороченной по сравнению с длиной эталонной замкнутой эпициклической линии, заданной внецентроидным циклоидальным зацеплением, устанавливают профиль циклических рабочих поверхностей на зубчатом венце первого солнечного колеса в виде внутренней зубчатой поверхности, образованной направляющей, представляющей собой замкнутую гипоциклическую линию, которая взаимосопряжена с указанной заданной внецентроидным циклоидальным зацеплением эталонной замкнутой эпициклической линией, а профиль циклических рабочих поверхностей второго солнечного колеса устанавливают в соответствии с направляющей, являющейся «отпечатком» направляющей второго зубчатого венца сателлита в результате его плоскопараллельного перемещения по круговой траектории с радиусом, равным эксцентриситету расположения эксцентриковой шейки ведущего вала, причем между рабочей поверхностью первого зубчатого венца сателлита с указанной выбранной замкнутой эпициклической направляющей линией и циклической рабочей поверхностью зубчатого венца первого солнечного колеса с указанной замкнутой гипоциклической направляющей линией устанавливают зазоры в зацеплении, которые заполняют упругим слоем рабочей жидкости, подводимой под давлением, а величина указанных зазоров в зацеплении соответствует величине указанного укорочения длины выбранной замкнутой направляющей эпициклической линии относительно длины указанной заданной внецентроидным циклоидальным зацеплением эталонной замкнутой эпициклической линии.2. Редуктор с циклоидальным зацеплением по п.п.1, отличающийся тем, что в нем размещен гидростатический подшипник жидкостного трения, образованный автономными насосами, представляющими собой объемно изменяющиеся замкнутые полости в количестве, равном количеству циклических рабочих поверхностей на зубчатом венце первого солнечного колеса, которые отделены друг от друга подвижными уплотнениями в указанных зазорах в зацеплении и неподвижными плоскими уплотнениями по торцам указанного первого зубчатого венца сателлита и зубчатого венца первого солнечного колеса, выполненными в виде фланцев с плоскими поверхностями, которые жестко закреплены в указанном корпусе редуктора, в первом солнечном колесе размещены также впускные и выпускные клапаны, количество пар которых равно количеству автономных насосов и, соответственно, количеству циклических рабочих поверхностей на зубчатом венце первого солнечного колеса, причем каждая указанная объемно изменяющаяся замкнутая полость через каждую соответствующую пару указанных клапанов системой каналов соединена с внешней емкостью, содержащей указанную рабочую жидкость.