ПЛАНЕТАРНАЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2009 года по МПК F16H1/34 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к зубчатьм передачам вращения с планетарными колесами, и предназначено для использования в приводах самого широкого назначения, требующих высоких передаточных отношений при небольших габаритах.

Известен четырехзвенный планетарный механизм Джеймса (И.И.Артоболевский. Теория механизмов и машин, - М., Наука, 1988, с.156). Устройство содержит два центральных зубчатых колеса, одно из которых имеет внешние, а другое - внутренние зубья, водило и сателлиты, зацепляющиеся с обоими центральными колесами. Центральное колесо внешнего зацепления установлено на ведущем валу, колесо внутреннего зацепления неподвижно, а водило соединено с ведомым валом. Передача имеет высокий КПД (97-98) % и достаточно простую конструкцию.

Основным недостатком этого механизма является невысокое передаточное отношение, определяемое как отношение радиусов центральных колес.Для увеличения передаточного отношения необходимо значительно увеличивать диаметр колеса внутреннего зацепления, что резко увеличивает габариты и массу передачи. На практике передаточное отношение механизма по этой схеме не превышает 10.

Для увеличения передаточного отношения в планетарной передаче по патенту RU 2270388 используют схему Давида с внешним зацеплением и дополнительные паразитные шестерни. При этом происходит усложнение конструкции и удорожание передачи. Кроме того, механизм по схеме Давида с внешним зацеплением для больших передаточных отношений имеет весьма низкий КПД (менее 1% по оценке в книге В.М.Шанников. Планетарные редукторы с внецентроидным зацеплением. М., Машгиз, 1948, с.4).

Известны также более сложные схемы планетарных передач, соединяющие два или более простейших планетарных механизма (А.Ф. Крайнев, Словарь-справочник по механизмам. М., Машиностроение, 1987, с.290-291). Соответственно усложняется конструкция передачи, уменьшается ее КПД.

За прототип выбираем описанную выше планетарную передачу по схеме Джеймса.

Таким образом, задачей изобретения является создание простой планетарной передачи, обладающей высоким КПД и высоким передаточным отношением.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в увеличении передаточного отношения в планетарной передаче по схеме Джеймса без увеличения ее габаритов.

Для решения поставленной задачи планетарная передача, как и прототип, содержит центральное колесо внешнего зацепления, центральное колесо внутреннего зацепления и сателлиты, находящиеся в зацеплении с обоими центральными колесами. Сателлиты посажены на осях водила. В отличие от прототипа центральное колесо внешнего зацепления выполнено однозубым, с профилем зуба в виде эксцентрично смещенной окружности. Сателлиты, число которых не менее трех, выполнены с зубьями циклоидального профиля. Колесо внутреннего зацепления выполнено цевочным или циклоидальным.

Для повышения равномерности работы передачи и увеличения ее нагрузочной способности центральное колесо внешнего зацепления целесообразно выполнить составным из двух и более повернутых друг относительно друга венцов. Угол поворота равен угловому шагу, деленному на число венцов. Сателлиты через один разнесены друг от друга вдоль оси в параллельные плоскости. Сателлиты в каждой плоскости зацепляются с одним из венцов составного колеса внешнего зацепления. Колесо внутреннего зацепления находится в зацеплении с венцами всех сателлитов.

Такого же эффекта можно добиться, если выполнить составными как колесо внешнего зацепления, так и сателлиты, с зацеплением одноименных венцов. Но при этом необходимо выполнить составным и колесо внутреннего зацепления.

По сути оба варианта представляют собой зацепление составного центрального колеса с, по меньшей мере, шестью сателлитами, только в первом случае сателлиты разнесены в пространстве и вдоль оси, и по окружности, увеличивая число осей водила. Во втором случае венцы сателлитов разнесены только вдоль оси, и водило имеет меньшее количество осей. Но при этом увеличивается число венцов второго центрального колеса.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На фиг.1 показано продольное сечение, а на фиг.2 - схематически показан поперечный разрез, иллюстрирующий зацепление колес для передачи с одновенцовыми колесами и тремя сателлитами.

На фиг.3 и 4 - то же для передачи с составным двухвенцовым колесом внешнего зацепления и с разнесенными в разные плоскости сателлитами.

На фиг.5 и 6 - продольное сечение передачи и схема зацепления составных двухвенцовых колес.

Предлагаемую передачу конструктивно проще всего оформить в виде модуля с тремя вращательно подвижными друг относительно друга звеньями, как это представлено на чертежах. Однако она может быть оформлена и традиционно в виде неподвижного корпуса, в котором установлены подвижные звенья.

Передача содержит центральное колесо внешнего зацепления 1, выполненное заодно со сквозным ведущим валом 2. Сечение колеса 1 представляет собой эксцентрично смещенную окружность 3, которая является профилем единственного зуба колеса 1. На сквозном валу 2 на подшипниках 4 и 5 установлено водило 6. Оно представляет собой два жестко скрепленных между собой диска 7 и 8 с вырезами 9 для размещения сателлитов 10. Цифрой 11 обозначен винт для крепления дисков 7 и 8 друг к другу. В дисках 7 и 8 водила в области вырезов 9 установлены оси 12. На осях 12 на подшипниках 13 установлены сателлиты 10. Сателлиты имеют зубчатый венец 14 в форме циклоиды, которым они зацепляются с эксцентричной окружностью 3 центрального колеса 1. При числе сателлитов 10 менее трех, например при двух сателлитах, в зацеплении эксцентричной окружности 3 с циклоидальными зубьями 14 имеются «мертвые» зоны, в которых момент не передается. При трех сателлитах в зацеплении с окружностью 10 в любом ее положении находится, по меньшей мере, один сателлит. При большем числе сателлитов увеличивается равномерность передачи момента от колеса 1 к сателлитам 10.

Колесо внутреннего зацепления 15 выполнено в виде наружной ступицы 16, посаженной на подшипниках 17 и 18 на диски 7 и 8 водила 6. Зубчатый венец колеса 15 выполнен в виде цевок 19, посаженных свободно на оси 20, закрепленные в ступице 16. Циклоидальные зубья 14 сателлитов 10 находятся в зацеплении с цевками 19. Здесь следует отметить, что зубчатый венец колеса внутреннего зацепления может быть выполнен и циклоидальным, как это будет показано ниже на фиг.6. Циклоида и цевки - два варианта зубчатого профиля, который может находиться в зацеплении с циклоидальным профилем 14 сателлитов 10. Выбор профиля определяется конкретными требованиями, предъявляемыми к передаче. Циклоидально-цевочное зацепление имеет повышенный КПД, но более сложно в изготовлении. Поэтому при жестких требованиях к КПД выбирается цевочное зацепление, если же для передачи более важной характеристикой является технологичность и цена изделия, то для колеса 15 и сателлитов 10 выбирают зацепление циклоида-циклоида.

Таким образом, передача представляет собой модуль из трех соосных и вращательно подвижных друг относительно друга звеньев: вала 2, водила 6 и колеса 15. Соединяя одно из них с валом двигателя, другое - с ведомым валом, а третье - с неподвижным корпусом, можно получить передачи с разными передаточными отношениями. В качестве элементов соединения на фиг.1 для вала 2 показаны шпонка 21, для водила 6 и колеса 15 - резьбовые отверстия 22 и 23. Наиболее удобно корпусным элементом сделать наружное колесо 15. Тогда при соединении вала 2 с двигателем, а водила 6 с ведомым валом получим редуктор по схеме Джеймса. Передаточное отношение i для этой схемы определяется так же, как и в обычной эвольвентной планетарной передаче, i=1-Z₁₅/Z₁, где Z₁₅/Z₁ - отношение числа зубьев колеса внутреннего зацепления 15 к числу зубьев солнечного колеса 1. В нашем случае число зубьев колеса 1 минимально возможное, равное 1 и передаточное отношение равно 1-Z₁₅, т.е. по абсолютной величине на единицу меньше числа цевок 19 и отрицательное. Т.е. вращение ведомого вала будет происходить в противоположную ведущему валу сторону. Для передачи с эвольвентным зацеплением с той же нагрузочной способностью и в тех же размерах передаточное отношение будет меньше в 6-10 раз, так как минимально возможное число зубьев колеса внешнего зацепления 1 составляет 6 зубьев, а обычно принимается не менее 10.

При входе со стороны водила 6 и ведомом вале 2 это будет мультипликатор с тем же передаточным отношением. В случае неподвижного водила 6 и ведомого колеса 15 будем иметь редуктор с положительным передаточным отношением, равным числу зубьев колеса 15, т.е числу цевок 19.

Обратимся к передаче на фиг.3 и 4. Ее основное отличие от предыдущей передачи заключается в том, что колесо 1 внешнего зацепления выполнено составным из двух венцов 3а и 3б. Каждый венец представляет собой в сечении эксцентричную окружность. Венцы составного двухвенцового колеса повернуты друг относительно друга на половину углового шага, что для однозубого колеса составляет 180 градусов. Т.е. эксцентричные окружности 3а и 3б смещены относительно оси передачи в противоположные стороны. С венцом 3а колеса 1 взаимодействуют циклоидальные венцы 14а трех сателлитов 10а, расположенных в одной с венцом 3а плоскости. С венцом 3б взаимодействуют венцы 14б также трех сателлитов 10б, расположенных в другой плоскости вдоль оси передачи. Все шесть сателлитов 10а и 10б сидят с возможностью вращения на шести осях 12, закрепленных в дисках 7 и 8 водила 6. Все сателлиты 10 своими венцами 14 зацепляются с одним венцом колеса внутреннего зацепления 15. Колесо внутреннего зацепления 15 для упрощения сборки имеет ступицу 16, составленную из двух половин - 16а и 16б. Элементы крепления их друг другу на фиг.3 не показаны. В ступице 16 на осях 20 свободно посажены цевки 19, образующие венец колеса 15.

В этой передаче повышена равномерность вращения колес, так как поток мощности передается от колеса 1 к колесу 15 через все 6 сателлитов одновременно. Благодаря разнесению сателлитов 10а и сателлитов 10б в параллельные плоскости размер сателлитов может быть выбран максимальным для заданного расстояния между центральными колесами 1 и 15, так как соседние сателлиты 10а и 10б, находясь в разных плоскостях, не пересекаются. Передача имеет увеличенное число осей 12 водила 6. Диски 7 и 8 водила 6 жестко связаны друг с другом осями 12. Элементы крепления водила и центральных колес к звеньям внешних механизмов для простоты не показаны. Они могут быть любыми известными, например резьбовыми, шпоночными или шлицевыми. Все остальные детали на фиг.3 и 4 обозначены так же, как и на фиг.1 и 2.

В передаче на фиг.5 и 6 при зацеплении колеса 1 также с шестью венцами сателлитов число осей водила 6 остается таким же, как и на фиг.2. Здесь в обоих зацеплениях колеса выполнены составными из двух венцов, повернутых друг относительно друга на половину углового шага. Венцы колеса 1 - это эксцентричные окружности 3а и 3б, смещенные в противоположные от оси передачи стороны. Три сателлита 10 сидят на подшипниках 13 на трех осях 12 и имеют по два циклоидальных венца 14а и 14б каждый. Венцы 14а и 14б повернуты друг относительно друга на половину углового шага. Колесо внутреннего зацепления 15 выполнено также составным. Оно имеет две ступицы 16а и 16б, соединенных вместе. Элементы крепления для простоты не показаны. Каждая из ступиц выполнена со своим венцом внутреннего зацепления 24а и 24б. Венцы 24а и 24б также повернуты друг относительно друга на половину углового шага. Венцы 24 имеют циклоидальную форму, соответствующую циклоидальным зубьям венцов 14 сателлитов 10.

На фиг.5 венцы 10а и 10б сателлитов не связаны друг с другом, просто сидят на одних осях 12 на своих подшипниках 13а и 13б. Но возможен и другой вариант такой конструкции, когда венцы сателлитов жестко связаны друг с другом (или выполнены за одно целое). Конструкция со связанными венцами имеет большую жесткость и точность позиционирования, а конструкция со свободными венцами сателлитов имеет возможность выборки зазоров и устранения погрешностей изготовления.

Следует отметить, что составные колеса могут быть выполнены и с большим количеством венцов, повернутых друг относительно друга на угловой шаг, деленный на число венцов. Увеличение числа венцов усложняет конструкцию, но увеличивает равномерность работы и точность передачи.

Предлагаемая передача работает точно также, как и обычная планетарная передача с эвольвентным зацеплением, выполненная по такой же схеме. Отличие заключается лишь в увеличении передаточного отношения за счет уменьшения числа зубьев колеса внешнего зацепления 1 до одного зуба. Формулы для определения передаточного отношения при разных схемах соединения передачи с валами внешних механизмов приведены выше. Для передач на фиг.2 и 6 при ведущем вале 2 и ведомом водиле передаточное отношение составляет - 22. Для передачи на фиг.4 при такой же схеме включения передаточное отношение составит - 19.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для приводов, требующих высоких передаточных отношений при небольших габаритах. Планетарная зубчатая передача содержит центральное колесо (1) внешнего зацепления, центральное колесо (15) внутреннего зацепления и сателлиты (10), находящиеся в зацеплении с обоими центральными колесами. Сателлиты посажены на осях водила (6). Центральное колесо (1) внешнего зацепления выполнено однозубым с профилем зуба в виде эксцентрично смещенной окружности (3). Сателлиты (10) имеют зубья циклоидального профиля (14). Зубья центрального колеса (15) внутреннего зацепления образованы цевками (19) или, как вариант, имеют циклоидальную форму. При высоком КПД в одной ступени планетарной передачи без увеличения ее габаритов можно получить передаточное отношение более 20. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Планетарная зубчатая передача, содержащая два центральных колеса внешнего и внутреннего зацепления, водило и сателлиты, зацепляющиеся с обоими колесами, отличающаяся тем, что центральное колесо внешнего зацепления выполнено однозубым с профилем зуба в виде эксцентрично смещенной окружности, сателлиты, число которых не менее трех, выполнены с зубьями циклоидального профиля, а колесо внутреннего зацепления выполнено цевочным или циклоидальным.2. Планетарная зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что центральное колесо внешнего зацепления выполнено составным из двух и более повернутых относительно друг друга венцов, а сателлиты через один разнесены вдоль оси в параллельные плоскости и сателлиты в каждой плоскости зацепляются с одним венцом составного колеса.3. Планетарная зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что оба центральных колеса и сателлиты выполнены составными из двух и более повернутых относительно друг друга венцов и в зацеплении находятся одноименные венцы.