ЦИКЛОИДАЛЬНО-ЦЕВОЧНАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2008 года по МПК F16H1/32 

Изобретение относится к механическим передачам вращения между соосными валами с помощью циклоидально-цевочного зацепления. В качестве механических передач между валами, расположенными вдоль одной оси используют либо схемы передач с промежуточными валами, либо планетарные схемы, которые более компактны и имеют повышенную нагрузочную способность при прочих равных условиях.

Известна планетарная зубчатая передача (Красненьков В.И., Вашец А.Д. Проектирование планетарных механизмов транспортных машин. - М.: Машиностроение, 1986, - с.13, рис.8а)) или (Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, 1987. - с.290, схема а), содержащая водило с одновенцовыми сателлитами, зацепляющимися одновременно с двумя центральными колесами, одно из которых внешнего, а другое - внутреннего зацепления. Свойства передачи определяются не только схемой, но и свойствами применяемого зацепления. Используемое в большинстве планетарных передач эвольвентное зацепление, даже притом, что в планетарных передачах энергия передается несколькими зубчатыми парами параллельно, все-таки ограничивает передаваемые моменты.

Известны эксцентриковые передачи, содержащие водило-эксцентрик, на котором с возможностью вращения посажен сателлит с внешними зубьями, зацепляющимися с центральным колесом внутреннего зацепления, и механизм приведения вращения сателлита к оси передачи (см. Е.В.Муравьев, «Планетарно-цевочные редукторы и мотор-редукторы», Ж. «Редукторы и приводы», №4, 5, 2005, с.15). При использовании циклоидального зацепления эксцентриковые передачи позволяют получать высокие передаточные отношения при малых габаритах передачи, обладают высокой несущей способностью. К недостаткам передачи можно отнести сравнительно невысокий КПД, который очень сильно зависит от класса точности изготовления деталей и от величины передаточного отношения. Например, при передаточном отношении порядка 100, КПД не превышает 0,87, что делает такой редуктор малопригодным для непрерывного режима работы (Новичков А.А. Эксцентриковые редукторы, Ж. «Рынок редукторной техники», №2(5), 2006, с.26).

Известна циклоидально-цевочная передача (CN 1542310), в которой внутренняя шестерня установлена на эксцентрике входного вала в гипоциклоидальном колесе. Цевочное колесо совмещено с корпусом и цевки цевочного колеса находятся в одновременном зацеплении с внутренней шестерней и с гипоциклоидальным колесом. Цевки выполнены в виде эксцентриков. Оси вращения эксцентриковых цевок распределены по цилиндрической поверхности с центром, совпадающим с осью передачи. Авторы указывают в качестве основных преимуществ цевочно-циклоидальной передачи высокую точность позиционирования, высокие плавность передачи и эффективность, повышенную несущую способность, компактную структуру, низкую цену и т.д. При всех достоинствах в передаче присутствует большая дисбалансная масса эксцентрика и внутренней шестерни. Для устранения дисбаланса необходима установка дополнительных противовесов, что увеличивает массу и габариты передачи.

За прототип выберем передачу по патенту US 1773568, которая содержит два центральных колеса внешнего и внутреннего зацепления с циклоидальным профилем зубьев и цевочное колесо, цевки которого расположены между ними. Каждая цевка находится в одновременном контакте с зубчатыми профилями обоих колес. Цевочное колесо посажено с возможностью вращения на эксцентрик входного вала и совершает плоскопараллельное планетарное движение. Цевочное колесо может свободно вращаться относительно собственной оси, а центральные колеса являются соответственно ведомым звеном и неподвижным звеном реакции. Передача имеет большую дисбалансную массу, которую составляет эксцентрик и посаженное на него цевочное колесо. Эксцентрик вращается с высокой угловой скоростью, и дисбаланс приводит к увеличению вибрации. Для уменьшения дисбаланса необходим дополнительный балансир. Все это вместе увеличивает нагрузку на подшипники, приводя к увеличению их номинала, что увеличивает габариты устройства в целом.

Известна также планетарная прецессионная передача (SU 1594329), в которой сателлит-цевочное колесо посажено на косой кривошип входного вала. Т.е сателлит в данном случае совершает не плоскопараллельное, а качающееся движение (прецессирует). По сути, эта передача аналогична с прототипом и содержит также два центральных колеса и сателлит-цевочное колесо, цевки которого зацепляются с зубьями обоих центральных колес. Здесь небольшой дисбаланс кривошипа при вращении его с высокой угловой скоростью вызывает увеличение вибрации и динамических нагрузок. Для устранения этих недостатков внутри косого кривошипа выполнена полость, наклонная к оси кривошипа под углом, большим, чем наклон кривошипа. Однако такое решение усложняет технологию изготовления и ухудшает прочностные характеристики кривошипного вала.

Таким образом, задачей изобретения является создание надежной, простой и малогабаритной планетарной передачи.

Техническим результатом изобретения является реализация соосной схемы передачи без сателлитного колеса и связанных с ним динамических нагрузок.

Для решения поставленной задачи планетарная передача, как и прототип, содержит два центральных колеса с обращенными друг к другу циклоидальными профилями зубьев и цевочное колесо, цевки которого находятся в одновременном контакте с зубьями обоих центральных колес.

В отличие от прототипа, цевочное колесо посажено соосно с обоими зубчатыми колесами, так что также является центральным. Цевки посажены на осях эксцентрично. Входным, выходным или неподвижным реактивным звеном может служить любое из трех центральных колес.

Конструктивно изобретение может быть реализовано в нескольких модификациях. Так же как и в прототипе, одно из циклоидальных колес может быть выполнено с зубчатым профилем внутреннего, а другое - внешнего зацепления, а оси цевок цевочного колеса расположены по окружности и параллельны оси передачи. То есть оси лежат на цилиндрической поверхности, коаксиальной центральным колесам (коаксиальная модификация).

Возможно также выполнение циклоидальных колес плоскими с торцовыми циклоидальными профилями (осевая модификация). В этом случае оси цевок лежат в одной плоскости и вытянуты вдоль радиусов, а цевки выполнены в форме косых (наклонных) усеченных конусов, вершина каждого из которых лежит в точке пересечения оси передачи и плоскости осей цевок.

На фиг.1 изображен продольный разрез коаксиальной модификации предлагаемой передачи, а на фиг.2 - сечение по А-А, иллюстрирующее зацепление в этой передаче.

На фиг.3 представлен продольный разрез второго варианта передачи, на фиг.4 - вид на элементы зацепления, иллюстрирующий принцип действия передачи, а на фиг.5 - внешний вид конусной эксцентриковой цевки этой передачи.

Передача содержит центральное колесо 1 с циклоидальным зубчатым профилем 2 внутреннего зацепления. Внутри колеса 1 и соосно с ним на подшипниках 3 и 4 посажено цевочное колесо 5. Цевочное колесо 5 образовано двумя кольцевыми дисками 5а и 5б, которые жестко связаны друг с другом пальцами 6. Пальцы 6 одновременно выполняют функцию осей цевок 7. Такая конструкция цевочного колеса устраняет консольную посадку осей 6 цевок 7. В принципе, цевочное колесо может быть выполнено и в виде одного диска, в котором оси 6 цевок 7 будут закреплены консольно. Цевки 7 посажены на оси 6 с эксцентриситетом ε и имеют возможность свободно вращаться на осях. Внутри цевочного колеса 5 на подшипниках 8 и 9 посажено центральное колесо 10 с циклоидальным профилем 11 внешнего зацепления. Все три колеса 1, 5 и 10 имеют общую ось вращения ОО1, являющуюся осью передачи.

Число зубьев Z₁₁ циклоидального профиля 11 внешнего зацепления, число Z₇ эксцентриковых цевок 7 и число зубьев Z₂ колеса внутреннего зацепления подчиняются тем же закономерностям, что и в обычной эксцентриковой передаче. А именно, число зубьев внутреннего колеса на единицу меньше числа, кратного числу цевок, а число зубьев наружного колеса - на единицу больше такого числа: Z₁₁=kn-1, а Z₂=pn+1, где k и p - целые числа, a n - число цевок 7.

Передача на фиг.1 конструктивно оформлена как самостоятельный модуль. Все три ее центральных колеса 1, 5 и 10 посажены друг на друга с возможностью вращения. С помощью элементов крепления на звеньях модуль может встраиваться в разные приводы. В конкретной конструкции на фиг.1 центральное колесо внешнего зацепления 10 соединяется с валом внешнего механизма с помощью шпоночного соединения 12 на его внутренней поверхности. Центральное колесо 1 внутреннего зацепления имеет два комплекта элементов крепления - отверстия 13 под винты на торце колеса, и отверстие 14 под шпонку на боковой наружной поверхности. Выбор того или иного крепления зависит от того, будет ли центральное колесо 1 ведущим/ведомым звеном, или неподвижным реактивным звеном. В первом случае для крепления к валам внешних устройств удобнее использовать винтовое крепление 13, а во втором случае колесо 1 удобнее закрепить в корпусе шпоночным соединением 14. Соединение цевочного колеса 5 осуществляется посредством штифтового соединения. Для этого часть пальцев 6 с одной стороны колеса 5 выполнены укороченными с образованием отверстий 15 для штифтового соединения с валом внешнего механизма. Здесь приведены только некоторые варианты креплений для встраивания модуля в привод. В принципе могут быть использованы любые известные способы соединения деталей или передачи вращения на звенья передаточного модуля. При необходимости передача по изобретению может быть реализована и в стандартном корпусном исполнении.

В другой модификации передачи (см. фиг.3 и 4) центральные колеса 16 и 17 выполнены плоскими и имеют торцевые циклоидальные профили 18 и 19. Цевочное колесо 20 для устранения консольной посадки цевок образовано двумя цилиндрическими кольцами 20а и 20б, связанными друг с другом радиальными шпильками 21, являющимися одновременно осями цевок 22. Все три колеса 16, 17 и 20 имеют одну общую ось вращения ОО1. На фиг.4 показано зацепление торцевых циклоидальных профилей 18 и 19 и цевок 22. Для наглядности удалены кольца 20а и 20б, образующие цевочное колесо 20. Показаны только цевки 22 с радиально вытянутыми осями 21 и торцевые профили 18 и 19 колес. Цевки 22 посажены на осях 21 с возможностью вращения и эксцентрично. Цевка 22 с каждым из плоских циклоидальных колес 16 и 17 образует коническую пару с центром в точке С - точке пересечения плоскости осей 21 цевок с осью ОО1 передачи. Поскольку цевки 22 посажены на оси 21 с эксцентриситетом ε, то конус, образующий боковую поверхность цевки (см. фиг.5), будет иметь вершину С, проекция которой Е на основание конуса не совпадает с центром D окружности основания конуса. То есть конус будет наклонным. Число зубьев Z₁₈ и Z₁₉ торцевых зубчатых профилей 18 и 19 колес 16 и 17 отличается друг от друга и в зависимости от числа цевок n определяется той же формулой Z=kn±1.

Для того чтобы взаимодействие профилей 18, 19 и цевок 22 не приводило к взаимному расталкиванию колес 16 и 17, подшипники 23 и 25 выполнены радиально упорными и снабжены упорными кольцами 27 и 28, а с другой стороны подшипников на колесах 16 и 17 выполнены опорные буртики 29 и 30.

Эта передача выполнена также в модульном конструктивном исполнении, но возможно и традиционное выполнение в отдельном корпусе. В модуле центральные циклоидальные колеса 16 и 17, а также цевочное колесо 20 образуют единый блок с помощью подшипников 23, 24 и 25, 26. При установке передачи в привод любое из центральных колес 16 и 17, либо цевочное колесо 20 могут быть входным, выходным или неподвижным реактивным звеном. Конструктивно удобнее сделать неподвижным корпусом наружное цилиндрическое кольцо 20б цевочного колеса 20. Для этого на боковой поверхности кольца 20б предусмотрены отверстия 31 для радиальных шпонок. Одно из центральных колес 16-17 может служить входным звеном передачи, а другое - выходным звеном. Для соединения центральных колес с валами внешних механизмов на торцах указанных колес выполнены торцевые кулачки 32 и 33. Цевочное колесо может крепиться к валам внешних устройств с помощью шпоночного соединения его внутреннего цилиндрического кольца 20а, для чего на его внутренней поверхности выполнены отверстия 32 под шпонку.

Осевую конструкцию предлагаемой передачи можно рассматривать как реализацию основной идеи изобретения в приложении к планетарной прецессионной передаче, в которой сателлит - прецессирующее цевочное колесо заменен центральным колесом с эксцентричными цевками.

Рассмотрим работу передачи, изображенной на фиг.1 и 2. Для определенности примем колесо внешнего зацепления 10 - ведущим звеном, наружное колесо 1 неподвижным корпусным звеном, а цевочное колесо 5 - ведомым. При вращении колеса 10, например по часовой стрелке, его циклоидальные зубья 11 будут давить на эксцентриковые цевки 7 на правой половине фиг.2. Т.е. работать будет только половина цевок, цевки на левой половине фиг.2 при этом совершают возвратное движение. Рабочие цевки 7, стремясь повернуться относительно собственных осей 6, одновременно будут взаимодействовать с циклоидальными зубьями 2 неподвижного колеса. Результатом этого взаимодействия станет поворот цевочного колеса 5 в том же направлении с передаточным отношением U=1+Z₂/Z₁₁. В случае, если в качестве неподвижного реактивного элемента выберем цевочное колесо 5, входным звеном - колесо 10, то выходное наружное колесо 1 будет вращаться в противоположную колесу 10 сторону с передаточным отношением U= - Z₂/Z₁₁. Следует отметить, что передаточное отношение предлагаемой передачи рассчитывается по тем же формулам, что и для планетарной передачи. Это означает, что по принципу действия передача остается планетарной, но сателлитами становятся цевки цевочного колеса, а все три колеса передачи имеют одну общую неподвижную ось.

Передача с плоскими циклоидальными колесами на фиг.3 и 4 будет работать аналогично. При неподвижном цевочном колесе 20 вращение колеса 16 из-за разницы в числах зубьев колеса 16 и числа цевок 22 приведет к повороту эксцентриковых цевок 22 вокруг собственных неподвижных осей 21. Поворачиваясь, цевки будут давить на зубья 19 колеса 17, число которых также отличается от числа цевок. Для того чтобы под действием этих сил колеса 16 и 21 поворачивались друг относительно друга, а не смещались вдоль оси передачи, и необходимы упорные кольца 27 и 28 и опорные буртики 29 и 30 на колесах 16 и 17. Подшипники 23 и 25 при этом должны иметь возможность воспринимать и удерживать осевую нагрузку. Передаточное отношение определяется теми же зависимостями, что и для описанной выше коаксиальной модификации.

Таким образом, описаны две конструктивных разновидности передачи с соосными валами, в которых устранено планетарное перемещение цевочного колеса, а эксцентричная посадка цевочного колеса заменена эксцентричной посадкой цевок. Тем самым, значительно уменьшена дисбалансная масса, которую в прототипе составляли эксцентрик (или косой кривошип), цевочное колесо и цевки. В изобретении дисбаланс определяется только массой цевок.

Изобретение относится к механическим соосным передачам без промежуточных валов. Циклоидально-цевочная передача содержит два центральных колеса (1, 10) с зубьями циклоидального профиля (2, 11) и соосное им цевочное колесо (5). Цевки (7) цевочного колеса посажены на осях (б) эксцентрично и находятся в непрерывном контакте с зубчатыми профилями (2, 11) обоих зубчатых колес. Любое из колес (1, 5, 10) может служить входным, выходным или неподвижным реактивным звеном. Передача работает по принципу планетарной передачи, но все три колеса ее (1, 5, 10) имеют одну общую неподвижную ось вращения. Планетарное движение цевочного колеса (5) заменяется соответствующим движением цевок (7) относительно своих осей (6). В передаче значительно уменьшены дисбаланс и связанные с ним вибрации и динамические нагрузки. Передача может быть реализована в двух конструктивных модификациях. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Циклоидально-цевочная передача, содержащая два центральных колеса с циклоидальными зубьями и цевочное колесо, цевки которого находятся в одновременном контакте с зубьями обоих центральных колес, отличающаяся тем, что цевочное колесо посажено соосно с двумя другими и является также центральным, цевки посажены на осях цевок с эксцентриситетом, и входным, выходным и неподвижным реактивным звеном может служить любое из трех центральных колес.2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что одно из циклоидальных колес выполнено с профилем внешнего зацепления, другое - с профилем внутреннего зацепления, а оси цевок цевочного колеса расположены по окружности и параллельны оси передачи.3. Передача по п.1, отличающаяся тем, что оба циклоидальных колеса выполнены плоскими с обращенными друг к другу торцовыми профилями зубьев, оси цевок цевочного колеса расположены в одной плоскости вдоль радиусов, цевки выполнены в виде наклонных усеченных конусов, с общей вершиной в точке пересечения оси передачи и плоскости осей цевок, и циклоидальные колеса жестко фиксированы в осевом направлении относительно друг друга.