ЭКСЦЕНТРИКОВЫЙ ЦИКЛОИДАЛЬНЫЙ РЕДУКТОР С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ СТУПЕНЬЮ Российский патент 2008 года по МПК F16H1/32 

Изобретение относится к зубчатым планетарным передачам вращения, а более конкретно к планетарным передачам с циклоидально-цевочным зацеплением и с центральной осью передачи, лежащей внутри основной окружности планетарного колеса.

Передачи такого типа в России известны как планетарно-цевочные редукторы (RU 2285163, RU 23477). Они содержат центральный ведущий вал с оппозитными эксцентриками, на которых на подшипниках установлены сателлиты с эпициклоидальными зубьями - циклоидальные диски, которые при вращении эксцентриков совершают осциллирующее плоскопараллельное движение. Диски находятся в зацеплении с центральным колесом внутреннего зацепления, совмещенным с корпусом. Зубья этого колеса образованы роликами, свободно установленными в выемках корпуса. В результате взаимодействия с неподвижным центральным колесом внутреннего зацепления осциллирующие циклоидные диски поворачиваются вокруг собственных подвижных осей. Это вращение дисков передается к ведомому валу с помощью механизма параллельных кривошипов. Конструктивно он представляет собой поворотные фланцы, связанные с ведомым тихоходным валом. Фланцы установлены в корпусе на подшипниках, жестко связаны друг с другом посредством перемычек, свободно проходящих сквозь отверстия в дисках. Фланцы выполнены с пальцами, которые обкатывают окружные отверстия в дисках и передают их вращение вокруг собственных осей к ведомому валу. Передаточное отношение такого одноступенчатого редуктора лежит в диапазоне 3-119.

Точно такую же конструкцию имеют редукторы типа CYCLO серия FA, выпускаемые фирмой Sumitomo Drive Technologies (см. каталог фирмы 999016-09/2005). В передаче US 2003224893 для увеличения мощности число дисков и эксцентриков увеличено до 2n, где n - целое число, большее или равное 2. В редукторе CYCLO одним из тяжелонагруженных звеньев является подшипник, сидящий на эксцентрике ведущего вала.

Для увеличения нагрузочной способности передачи при прочих равных условиях, а также для увеличения передаточного отношения, применяют схему эксцентрикового редуктора с тремя разнесенными по окружности эксцентриковыми валами, которые приводятся во вращение дополнительной предварительной ступенью передачи. В редукторах CYCLO серии FT (см. каталог фирмы «Sumitomo Drive Technologies» 999016-09/2005, стр.77) в качестве предварительной ступени выступает планетарная эвольвентная передача с ведущей шестерней. Шестерня предварительной передачи жестко закреплена на центральном ведущем валу редуктора, которым является вал двигателя. Шестерня находится в зацеплении с несколькими сателлитами (как правило, с тремя). Сателлиты жестко связаны с эксцентриковыми валами, установленными на подшипниках в поворотных фланцах эксцентрикового редуктора. На эксцентричных участках валов с помощью подшипников посажены циклоидальные диски. Вращение вала двигателя через зубчатые колеса предварительной ступени приводит во вращение эксцентриковые валы, которые, вращаясь на подшипниках в отверстиях циклоидальных дисков эксцентрикового редуктора, заставляют последние совершать плоскопараллельное планетарное осциллирующее движение. Зацепляясь с неподвижным колесом внутреннего зацепления, диски поворачиваются вокруг своих осей, заставляя вращаться поворотные фланцы вместе с посаженными в них эксцентриковыми валами. Т.е. в этом редукторе функцию пальцев параллельных кривошипов выполняют эксцентриковые валы. Дополнительная передача расположена в корпусе эксцентрикового редуктора, поэтому имеет ограниченные радиальные размеры и небольшое передаточное отношение.

В редукторах ЕР 1767815, ЕР 1662138 для увеличения общего передаточного отношения предварительная передача выполнена двухступенчатой. Первой ступенью является эвольвентная передача, выполненная либо по планетарной схеме, либо по схеме с параллельными валами. У планетарной ступени ведущим звеном является шестерня, неподвижным - эпицикл, а ведомым звеном - водило. На водиле первой ступени жестко закреплено ведущее зубчатое колесо второй ступени предварительной передачи. Сателлиты этой ступени вращают эксцентриковые валы эксцентрикового редуктора. Редуктор имеет повышенное до 3000 передаточное отношение, достигнутое за счет усложнения конструкции и увеличения осевых габаритов.

В редукторе JP 2007046730 предварительная передача также двухступенчатая, причем первой ступенью является планетарная передача с двухвенцовым сателлитом, что еще более усложняет конструкцию редуктора.

В редукторе JP 2006283983 проблему увеличения передаточного отношения эксцентрикового редуктора решают, увеличивая передаточное отношение предварительной передачи без увеличения ее радиальных размеров. Для этого сателлиты через один разбивают на группы и группы разносят вдоль оси в параллельные плоскости, так что соседние колеса не пересекают друг друга. Такое решение позволяет увеличивать диаметр сателлитов до предела, ограниченного размерами ведущего колеса и корпуса эксцентрикового редуктора. На практике увеличение передаточного отношения редуктора при этом незначительно.

За прототип выберем описанный выше редуктор типа CYCLO, серия FT, выпускаемый фирмой Sumitomo Drive Technologies (см. каталог фирмы 999016-09/2005, стр.77).

Таким образом, задача создания простой и малогабаритной эксцентриковой передачи с повышенным передаточным отношением остается по-прежнему актуальной.

Техническим результатом изобретения является повышение передаточного отношения предварительной ступени эксцентрикового циклоидального редуктора без увеличения его габаритных размеров.

Для решения поставленной задачи эксцентриковый циклоидальный редуктор, как и прототип, содержит цилиндрический корпус, в котором на подшипниках установлены поворотные фланцы. По окружности фланцев на подшипниках установлены валы, имеющие эксцентричные участки. На эксцентриках валов с помощью подшипников установлен, по меньшей мере, один циклоидальный диск, совершающий плоскопараллельное планетарное движение при вращении эксцентриковых валов. При большем числе дисков, они установлены вдоль оси на смещенные по фазе эксцентрики, причем смещение по фазе равно 360 градусам, поделенным на число дисков. Циклоидальные диски находятся в зацеплении с центральным колесом внутреннего зацепления, зубья которого выполнены в виде роликов, свободно посаженных в гнездах на внутренней поверхности корпуса. Поворотные фланцы связаны друг с другом перемычками, проходящими сквозь отверстия в циклоидальных дисках. На указанных эксцентриковых валах жестко посажены сателлиты предварительной планетарной ступени передачи. Шестерня предварительной ступени жестко связана с ведущим валом редуктора.

В отличие от прототипа шестерня предварительной передачи выполнена однозубой с профилем в виде эксцентрической окружности, а сателлиты, число которых равно, по меньшей мере, трем, выполнены с циклоидальными зубьями.

Для увеличения нагрузочной способности передачи число сателлитов предварительной ступени желательно увеличить. Для того чтобы увеличение числа сателлитов не приводило к уменьшению передаточного отношения (или к увеличению радиальных размеров предварительной ступени) дополнительные сателлиты целесообразно разместить со сдвигом вдоль оси передачи в параллельной плоскости. Дополнительные сателлиты выполнены с эксцентриковой втулкой и с помощью подшипников посажены на перемычки между поворотными фланцами. Эксцентриковая втулка через подшипники посажена в отверстиях циклоидальных дисков.

Если в этой конструкции шестерню предварительной ступени выполнить составной из отдельных венцов, то можно еще более увеличить нагрузочную способность редуктора за счет компенсации радиальных нагрузок. Венцы шестерни при этом повернуты друг относительно друга на угол, равный 360 градусам, деленный на число венцов. Каждый из венцов находится в зацеплении с сателлитами, расположенными в одной плоскости

Такой же результат может быть получен, если шестерню и сателлиты предварительной ступени выполнить в виде составных колес, образованных из, по меньшей мере, двух венцов, повернутых друг относительно друга на угол, равный угловому шагу, деленному на число венцов составного колеса.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами, на которых изображено:

фиг.1 - редуктор в разрезе,

фиг.2 - поперечный разрез редуктора по А-А на фиг.1,

фиг.3 - редуктор с дополнительными сателлитами в разрезе,

фиг.4 - разрез В-В редуктора на фиг.3,

фиг.5 - редуктор с двухвенцовой шестерней и дополнительными сателлитами в разрезе,

фиг.6 разрез D-D редуктора на фиг.5,

фиг.7 и фиг.8 - аналогичные виды варианта редуктора с двухвенцовыми и шестерней и сателлитами.

Предлагаемый эксцентриковый циклоидальный редуктор представляет собой цилиндрический корпус 1, в котором на подшипниках 2 и 3 установлены поворотные фланцы 4 и 5. Фланцы 4 и 5 жестко соединены друг с другом с помощью трех перемычек 6. Кроме того, в поворотных фланцах на подшипниках 7 и 8 по окружности вокруг оси ОО1 редуктора установлены три эксцентриковых вала 9. На эксцентриках 10 этих валов с помощью подшипников 11 установлен циклоидальный диск 12. Его внешние циклоидальные зубья 13 находятся в зацеплении с зубьями 14 колеса внутреннего зацепления. Зубья 14 образованы роликами 15, посаженными с возможностью вращения в корпусе 1. Зубья-ролики могут быть посажены свободно в гнездах, как это описано в прототипе и в редукторе на фиг.7, 8, описанном ниже. Возможна также посадка роликов 15 на оси 16, запрессованные в корпусе 1, как это показано на фиг.1.

В данной конкретной конструкции показан один циклоидальный диск, но в большинстве реальных конструкций эксцентрикового редуктора используют два или три циклоидальных диска. Два диска повернуты друг относительно друга на 180 градусов, а три - на 120 градусов. Диски посажены на смещенных друг относительно друга по фазе эксцентричных участках 10 эксцентриковых валов 9.

Перемычки 6, скрепляющие между собой поворотные фланцы 4 и 5, проходят через отверстия 17 в циклоидальном диске (или в дисках, если их больше одного). Размеры перемычек 6 и отверстий 17 таковы, что позволяют диску 12 совершать планетарное движение внутри колеса внутреннего зацепления.

Для приведения во вращение эксцентриковых валов 9, на каждом из них жестко закреплено колесо-сателлит 18 предварительной ступени. Эти колеса имеют зубья 19 циклоидального профиля. Зубья 19 находятся в зацеплении с однозубой шестерней 20. Шестерня 20 выполнена за одно целое с центральным валом 21 и представляет собой цилиндр с сечением в виде эксцентрично смещенной относительно оси OO1 окружности 22. Вал 21 установлен на подшипниках 23 и 24 в поворотных фланцах 4 и 5 и проходит вдоль оси передачи сквозь отверстие 25 в циклоидальном диске 12. Центральный вал 21 является входным валом редуктора и имеет элементы для связи с валом двигателя (не показаны). Водилом предварительной ступени являются поворотные фланцы 4 и 5, в которых установлены водила эксцентриковой ступени - эксцентриковые валы 9. Число сателлитов предварительной ступени не может быть меньше 3-х, так как в противном случае нарушается непрерывность и равномерность зацепления между зубом шестерни 20, представляющим собой эксцентрическую окружность 22, и циклоидальными зубьями 19 сателлитов 18. Поскольку шестерня 20 предварительной ступени имеет только один зуб, то передаточное отношение в зацеплении шестерня 20 - сателлит 18 определяется числом зубьев сателлита 18. Передаточное отношение зацепления на фиг.2 составляет 10 и может быть еще увеличено, в то время как для эвольвентного зацепления даже при разнесенных в две плоскости сателлитах оно составляет величину порядка 3.

Для увеличения передаточного отношения необходимо уменьшить размеры шестерни 20 с одновременным увеличением числа зубьев сателлитов 18. При этом уменьшится допустимая нагрузка на шестерню 20. Если это не допустимо, то можно увеличить размеры сателлитов 18 до максимальной величины, определяемой диаметром колеса внутреннего зацепления. При этом сателлиты начнут перекрывать друг друга. Для устранения этого эффекта сателлиты достаточно разнести вдоль оси в параллельные плоскости, и тогда размер сателлитов будет для данных габаритов максимальный. В этом случае шестерня 20 будет зацепляться с каждым из сателлитов 18 разными участками вдоль ее оси.

На фиг.3 и 4 показано решение с дополнительными сателлитами предварительной ступени, разнесенными вдоль оси и расположенными в параллельной плоскости. Шесть сателлитов 18 образуют две группы из трех сателлитов (основные сателлиты 18b и дополнительные 18а на фиг.4). Плоскость основных сателлитов 18b расположена ближе к поворотному фланцу 5, а сателлиты 18а размещены дальше от этого фланца вдоль оси OO1 внутрь редуктора. Дополнительные сателлиты 18а выполнены заодно целое с эксцентричными втулками 26 и посажены на перемычках 6 между поворотными фланцами 4 и 5 с помощью подшипников 27. Т.е. сателлиты 18а используют перемычки 6 в качестве осей. Эксцентричные втулки 26 выполняют ту же функцию, что и эксцентриковые валы 9 сателлитов 18b. Для этого они с помощью подшипников 28 посажены в отверстиях 17 циклоидального диска 12. Сателлиты обеих групп взаимодействуют с одной шестерней 20 на разных участках вдоль оси. Остальные обозначения на фиг.3 и 4 те же, что и на фиг.1 и 2.

Число сателлитов в группе может быть равно двум или трем, в зависимости от того, сколько сателлитов в группе не будут пересекаться друг с другом. Так шесть сателлитов в редукторе на фиг.4 можно было бы объединить в три группы по два сателлита и разместить эти группы в трех параллельных плоскостях. Это позволило бы увеличить размер сателлитов, а следовательно, и передаточное число при тех же радиальных габаритах редуктора.

В редукторе на фиг.3 и 4 сателлиты 18а и 186 предварительного редуктора зацепляются с одним и тем же венцом шестерни 20 на различных по его длине участках S и Т. Как видно из фиг.4, рабочие участки шестерни 20 для сателлитов обоих рядов находятся близко друг к другу в угловом положении. Следовательно, на шестерню 20 действуют значительные радиальные нагрузки.

Для более равномерного распределения нагрузки в последней конструкции шестерню 20 целесообразно выполнить двухвенцовой с венцами 29 и 30, как это показано на фиг.5 и 6. Венцы 29 и 30 имеют форму эксцентрично смещенных в противоположные стороны окружностей. Венец 29 взаимодействует с сателлитами 18b, лежащими в одной плоскости, а венец 30 взаимодействует с сателлитами 18а в другой плоскости. При этом по сравнению с фиг.4 наиболее нагруженные рабочие участки по длине шестерни лежат на ее диаметрально противоположных сторонах (точки N и L на фиг.6), что уравновешивает радиальные нагрузки.

Редуктор, изображенный на фиг.7 и 8, имеет три двухвенцовых сателлита и двухвенцовую шестерню предварительной ступени. Венцы 31 и 32 сателлитов повернуты друг относительно друга на угол, равный половине углового шага (угловой шаг /число венцов). Венцы 29 и 30 шестерни 20 представляют собой эксцентрические окружности, повернутые друг относительно друга на 180 градусов. (Угловой шаг для однозубой шестерни составляет 360 градусов). Венец 29 шестерни находится в зацеплении с венцами 31, лежащими с ними в одной плоскости, а венец 30 зацепляется с венцами 32 сателлитов. Циклоидальное колесо 12 зацепляется с колесом внутреннего зацепления, зубья которого образованы роликами 15. В отличие от предыдущих конструкций здесь ролики 15 свободно лежат в выемках 33 на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1.

Конструктивно эксцентриковый редуктор на всех фигурах оформлен как самостоятельный модуль. При таком модульном исполнении любое из вращающихся друг относительно друга звеньев: поворотные фланцы 4 и 5, центральный вал 21 и цилиндрический корпус 1, могут служить ведущим, ведомым и опорным звеном. Это обеспечивается соответствующей посадкой модуля относительно валов внешних механизмов и неподвижного корпуса. В зависимости от выбора звеньев устройство будет работать как редуктор с разными передаточными отношениями или как мультипликатор.

Рассмотрим работу устройства на фиг.1 и 2 в режиме редуктора. Ведущим звеном является центральный вал 21, в качестве опорного звена выберем цилиндрический корпус, а ведомым тихоходным звеном будут поворотные фланцы 4 и 5. При вращении вала 21 начинает вращаться однозубая шестерня 20 предварительной планетарной ступени. Ее вращение вызывает вращение сателлитов 18, вместе с которыми вращаются связанные с ними эксцентричные участки 10 валов 9. Вращение эксцентриков 10 обеспечивает планетарное движение циклоидального диска 12. Зацепляясь с неподвижным колесом внутреннего зацепления, образованным роликами 15 и цилиндрическим корпусом 1, циклоидальный диск начинает обкатываться по этому колесу, поворачиваясь вокруг собственной подвижной оси. Этот поворот эксцентриковыми валами 9 передается к поворотным фланцам 4 и 5. Общее передаточное отношение редуктора определяется собственным отношением эксцентрикового редуктора CYCLO и передаточным отношением предварительной ступени.

В целом работа предлагаемого редуктора отличается от работы прототипа только иным зацеплением в планетарной передаче предварительной ступени. Поэтому рассмотрим работу зацепления в предварительной ступени более подробно. При вращении шестерни 20 по стрелке, эксцентрическая окружность 22 поочередно вступает в силовой контакт с циклоидальными зубьями 19 сателлитов 18. В положении, изображенном на фиг.2, шестерня находится в силовом контакте с левым сателлитом и вступает в контакт с верхним сателлитом. Эти сателлиты синхронно поворачиваются вокруг своих осей. Вместе с ними поворачивается и правый сателлит, так как все сателлиты связаны через валы 9 с эксцентриками 10 и циклоидальный диск 12. Фланцы 4 и 5 с валами 9 являются для предварительной ступени водилом. Поворот сателлитов 18 вызывает поворот жестко связанных с ними эксцентриков 10. Передаточное отношение в зацеплении шестерня 20 сателлит 18 при остановленном водиле, как и в прототипе, определяется отношением числа зубьев сателлита к числу зубьев шестерни. Для однозубой шестерни это отношение при прочих равных условиях максимально (для сведения: минимально возможное число зубьев шестерни эвольвентного зацепления составляет 6-10).

В предварительной ступени редуктора на фиг.3 и 4 шестерня 20 находится в силовом контакте с одним или двумя сателлитами 18 в каждом ряду (группе) сателлитов с небольшим угловым сдвигом между группами. Т.е. одновременно в контакте с шестерней 20 находится от двух до четырех сателлитов 18, что увеличивает нагрузочную способность передачи при прочих равных условиях. Соответственно и планетарное движение циклоидального диска 12 обеспечивается синхронным вращением как эксцентриковых валов 9 с эксцентричными участками 10, так и эксцентриковых втулок 26. Передаточное отношение у этой передачи такое же, как и у предыдущей.

В редукторе на фиг.5 и 6 два венца 29 и 30 шестерни 20 повернуты друг относительно друга на 180 градусов. Каждый из венцов зацепляется с одним рядом сателлитов 18а или 18b, и точки контакта, в отличие от предыдущего случая, лежат на диаметрально противоположных сторонах шестерни 20. В результате значительно уменьшены радиальные нагрузки шестерни 20. В остальном работа этого механизма не отличается от предыдущих.

В зацеплениях предварительной ступени передачи на фиг.7 и 8 участвуют составная шестерня 20 и три составных сателлита 18. Благодаря этому при том же числе зацеплений она имеет в два раза меньшее число эксцентриковых валов, чем две предыдущее конструкции.

На всех фигурах для простоты приведен редуктор только с одним циклоидальным диском 12. В то же время на практике чаще всего применяются редукторы с двумя или тремя циклоидальными дисками. Увеличение числа циклоидальных дисков не влияет на принцип работы предварительной ступени, поэтому предлагаемое изобретение в равной мере распространяется и на редукторы с несколькими циклоидальными дисками с тем же техническим результатом.

Таким образом, предлагаемое усовершенствование редуктора типа CYCLO позволяет с минимальными изменениями в конструкции и, не изменяя габаритов, значительно повысить передаточное отношение редуктора либо за счет повышения передаточного отношения предварительной ступени уменьшить передаточное отношение основной ступени, что повышает точность редуктора и максимальный крутящий момент.

Изобретение относится к зубчатым планетарным передачам с центральной осью передачи, лежащей внутри основной окружности планетарного колеса (редуктор типа CYCLO). В корпусе (1) эксцентрикового циклоидального редуктора с предварительной ступенью на подшипниках посажены поворотные фланцы (4, 5). Во фланцах установлены эксцентриковые валы (9) с эксцентричными участками (10). На эксцентриках (10) валов (9) на подшипниках установлен циклоидальный диск (12), который совершает планетарное плоскопараллельное движение при вращении валов (9). Диск (12) зацепляется с колесом внутреннего зацепления, венец которого образован роликами (15), свободно установленными во внутренней поверхности корпуса (1). На эксцентриковых валах (9) жестко посажены сателлиты (18) предварительной ступени, которые вращаются от шестерни (20), связанной с центральным валом (21). Шестерня (20) предварительной ступени выполнена однозубой с профилем в форме эксцентрично смещенной окружности (22), а сателлиты этой ступени имеют циклоидальный профиль (19). Такое усовершенствование редуктора позволяет с минимальными изменениями в конструкции и не изменяя габаритов значительно повысить передаточное отношение редуктора либо за счет повышения передаточного отношения предварительной ступени уменьшить передаточное отношение основной ступени, что повышает точность редуктора и максимальный крутящий момент. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Эксцентриковый циклоидальный редуктор, содержащий цилиндрический корпус с установленными в нем на подшипниках поворотными фланцами, в которых по окружности на подшипниках установлены валы с эксцентричными участками, на которых с помощью подшипников установлен, по меньшей мере, один циклоидальный диск, взаимодействующий с центральным колесом внутреннего зацепления, зубья которого выполнены в виде роликов, свободно посаженных в гнездах на внутренней поверхности корпуса, поворотные фланцы связаны друг с другом перемычками, проходящими сквозь отверстия в циклоидальных дисках, на указанных эксцентриковых валах жестко посажены сателлиты предварительной планетарной ступени, шестерня которой связана с ведущим валом редуктора, отличающийся тем, что шестерня предварительной передачи выполнена однозубой с профилем в виде эксцентрично смещенной относительно оси передачи окружности, а сателлиты, число которых равно, по меньшей мере, трем, выполнены с циклоидальными зубьями.2. Эксцентриковый планетарный редуктор по п.1, отличающийся тем, что шестерня и сателлиты предварительной ступени выполнены в виде составных колес, образованных из, по меньшей мере, двух венцов, повернутых относительно друг друга на угол, равный угловому шагу, деленному на число венцов составного колеса.3. Эксцентриковый циклоидальный редуктор по п.1, отличающийся тем, что со сдвигом вдоль оси размещены дополнительные сателлиты предварительной ступени, которые посажены с помощью подшипников на перемычки между поворотными фланцами и выполнены с эксцентриковыми втулками, вставленными через подшипники в отверстия циклоидальных дисков.4. Эксцентриковый планетарный редуктор по п.3, отличающийся тем, что шестерня предварительной ступени выполнена составной из, по меньшей мере, двух венцов, повернутых относительно друг друга на угол, равный 360/n градусов, где n число венцов составного колеса, каждый из венцов находится в зацеплении с группой сателлитов, расположенных в одной плоскости.