БЕЗВОДИЛЬНАЯ ПЛАНЕТАРНАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2011 года по МПК F16H1/36 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механическим передачам. Оно может найти применение в приводах запорной арматуры, подъемников, бурового оборудования и других приводах, где необходимо минимизировать «кольцевые» габариты редуктора, расположенного вокруг нагруженного выходного вала.

В машиностроении широко применяется планетарная передача Джемса, например [Решетов Д.Н. Детали машин. - М.: Машиностроение, 1975. - С.391 (рис.164)], содержащая два центральных зубчатых колеса, взаимодействующие с ними сателлиты, расположенные в один слой, и водило. Недостатком такой передачи применительно к редуктору, расположенному вокруг тяжело нагруженного вала, является наличие водила, которое требует использования подшипников, расположенных внутри сателлитов. В этих условиях диаметры сателлитов не могут быть уменьшены до желаемых размеров, поэтому возможности снижения «кольцевых» габаритов передачи ограничены. Кроме того, водило, являющееся достаточно сложной в изготовлении деталью, и наличие большого количества подшипников существенно удорожает редуктор.

Помимо указанной простейшей передачи Джемса известны планетарные передачи [Планетарные передачи. Справочник. Под ред. В.Н.Кудрявцева, Ю.Н.Кирдяшева. - Л.: Машиностроение, 1977. - С.14 и с.74 (схема D)], содержащие два центральных зубчатых колеса, одно из которых (ведущее) имеет наружные зубья, а другое (опорное) - внутренние, и сателлиты, расположенные в два слоя. Сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с центральным колесом, имеющим наружные зубья, а сателлиты внешнего слоя - с сателлитами внутреннего слоя и центральным колесом, имеющим внутренние зубья. Эта передача содержит также ведомое водило, несущее оси всех сателлитов.

Известны подобные планетарные передачи, например [SU 1516669, F16H 1/28, опублик. 1989], в которых на осях водила закреплены сателлиты только одного слоя, а сателлиты другого слоя являются плавающими.

Известны планетарные передачи, например [SU 476402, F16H 31/53, опублик. 1975], содержащие три центральных зубчатых колеса, с одним слоем сателлитов и водилом.

Известны и достаточно широко применяются в многоступенчатых коробках передач планетарные передачи, например [US 6986726, F16H 57/08, опублик. 2006; US 7316629, F16H 3/44, опублик. 2006 (US 2006/0089228 А1)], содержащие три центральных зубчатых колеса с двумя слоями сателлитов, установленных на водиле. При этом одно из центральных колес (обычно ведущее) имеет наружные зубья и взаимодействует с сателлитами внутреннего слоя. Другое центральное колесо, с внутренними зубьями взаимодействует с сателлитами внешнего слоя. Третье центральное зубчатое колесо имеет наружные или внутренние зубья и взаимодействует с сателлитами внешнего или внутреннего слоя соответственно. Ведомым в таком механизме становится водило или одно из центральных колес, в зависимости от включенной передачи.

Известна планетарная передача, например [RU 2340814, F16H 1/36, 2008], содержащая три центральных зубчатых колеса, с сателлитами, расположенными в два слоя. При этом сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с ведущим центральным колесом, имеющим наружные зубья, а их оси закреплены на водиле, которое является ведомым звеном передачи. Сателлиты внешнего слоя - плавающие. Они взаимодействуют с сателлитами внутреннего слоя и двумя центральными опорными колесами, одно из которых (имеющее внутренние зубья) неподвижное, а другое - подвижное.

Общим недостатком упомянутых выше передач, в случае применения их в редукторах, кольцевые габариты которых подлежат минимизации, является наличие водила. Водило, в совокупности с требующимися подшипниками внутри сателлитов, ограничивает возможности снижения «кольцевых» габаритов редуктора и удорожает привод.

Известны безводильные планетарные передачи, содержащие три центральных зубчатых колеса и взаимодействующие с ними сателлиты, расположенные в один слой. Все подобные передачи используются в режиме редуктора. При этом одно из центральных колес является ведущим и нагружено сравнительно небольшим вращающим моментом, а два других, ведомое и неподвижное (опорное), являются силовыми, т.е. воспринимающими большой вращающий момент. Существуют конструкции, например [US 5078665, F16H 1/32, опублик. 1992; SU 712043, F16H 1/48, опублик. 1980; RU 2169867, F16H 1/46, опублик. 1999; WO 0148397, F16H 1/28, опублик. 2001], в которых два силовых центральных колеса имеют внутренние зубья, а ведущее колесо - наружные. В другом варианте [WO 9205372, F16H 1/28, 1/46, опублик. 1991] силовые колеса имеют наружные зубья, а ведущее - внутренние. Заметим, что в обоих случаях силовые центральные колеса лежат по одну сторону от сателлита.

Указанное расположение силовых колес обуславливает следующие недостатки редуктора:

1) большие радиальные силы, возникающие в двух силовых зацеплениях, чрезмерно нагружают быстроходное зацепление ведущего колеса с сателлитом. Это приводит к снижению КПД передачи. Разгрузка же быстроходного зацепления с помощью дополнительных поддерживающих колец усложняет конструкцию передачи;

2) сателлит воспринимает значительный изгибающий (перекашивающий) момент от пары сил реакции, приложенных со стороны силовых колес.

Существует конструктивное решение, которое снимает проблему упомянутого перекашивающего момента радикально - это выполнение одного из силовых колес, обычно опорного, например [RU 1313076, F16H 1/46, опублик. 1995], с двумя зубчатыми венцами, разнесенными на края редуктора. Однако при этом исчезает возможность снимать вращающий момент с выходного колеса в осевом направлении, т.е., например, с помощью муфты. Такая безводильная планетарная передача может использоваться только в сочетании с другой передачей [US 3633441, F16H 1/28, опублик. 1970; SU 1460474, F16H 1/48, опублик. 1987; WO 92/05372] (цепной, ременной, зубчатой), осуществляющей съем движения в радиальном направлении, или служит для осуществления неполного поворота [US 3640150, F16H 1/32, опублик. 1970] ведомого звена. Отмеченные обстоятельства существенно усложняют конструкцию редуктора и сужают область его возможного использования.

Если второй венец опорного колеса отсутствует, быстроходное зацепление сателлитов с ведущим колесом нагружено большим перекашивающим моментом. Это снижает нагрузочную способность и КПД редуктора, такая безводильная планетарная передача используется только во второстепенных, малонагруженных или редко используемых приводах.

Известна [GB 1418284, F16H 1/36, опублик. 1975. Фиг.1 и 3] планетарная безводильная передача, содержащая три центральных колеса с наружными зубьями, взаимодействующий с ними слой сателлитов и опорные кольца с гладкой внутренней рабочей поверхностью. В ней сателлит имеет венцы с тремя различными числами зубьев, а опорное центральное кольцо выполнено с двумя венцами, максимально разнесенными друг относительно друга в осевом направлении.

Недостатком этой передачи является большая нагрузка на опорные кольца и общая сложность конструкции. Кроме того, в силу особенностей своих габаритов такая передача мало подходит для компоновки вокруг тяжелого нагруженного вала.

В качестве прототипа принята безводильная планетарная передача [GB 1418284, F16H 1/36, опублик. 1975. Фиг.2 и 4]. Она содержит ведущее центральное колесо с наружными зубьями, силовое опорное центральное колесо с внутренними зубьями, силовое ведомое центральное колесо с наружными зубьями, сателлиты, расположенные в один слой и взаимодействующие со всеми тремя центральными колесами. Причем венец сателлита, взаимодействующий с ведущим центральным колесом, имеет число зубьев, значительно превышающее числа зубьев венцов, взаимодействующих с силовым центральным колесом. В конструкции также присутствуют опорные кольца с наружной рабочей поверхностью.

Достоинством этой передачи является то, что сателлиты расположены между двух силовых колес - опорные кольца в этой схеме фактически не нужны.

Недостатком является то, что для получения передаточного числа, хотя бы U=2…3 венец сателлита, взаимодействующий с ведущим колесом, должен иметь диаметр в несколько раз больше диаметра венцов сателлита, зацепляющихся с силовыми колесами. Это делает конструкцию громоздкой и непригодной для использования в редукторе, компонуемом вокруг силового вала.

В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств редуцирования скорости вращения, а именно создания новой компактной и технологичной безводильной планетарной передачи.

Достигаемый технический результат - уменьшение «кольцевых» габаритов и повышение нагрузочной способности устройства.

Безводильная планетарная передача содержит два силовых центральных колеса - опорное и ведомое, одно из которых имеет внутренние зубья, а другое - наружные, и ведущее центральное колесо с наружными или внутренними зубьями, а также сателлиты, взаимодействующие со всеми тремя центральными колесами. От прототипа передача отличается тем, что сателлиты расположены в два слоя в шахматном порядке, причем сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с силовым центральным колесом, имеющим наружные зубья, сателлиты внешнего слоя - с силовым центральным колесом, имеющим внутренние зубья, и с сателлитами внутреннего слоя, а ведущее центральное колесо взаимодействует с сателлитами внутреннего или внешнего слоя со стороны, противоположной контакту данного слоя сателлитов с соответствующим силовым центральным колесом.

Расположение сателлитов между центральных силовых колес (как в прототипе) снимает с сателлита нагрузку перекашивающим моментом и радиальной силой, но в отличие от прототипа благодаря двум слоям сателлитов передача имеет значительно меньшие радиальные и в особенности кольцевые габариты, что важно для использования ее в редукторах, компонуемых вокруг тяжело нагруженного вала.

Рациональным, с учетом передаточного числа и КПД редуктора, является диапазон отношений чисел зубьев силового центрального колеса с внутренними зубьями к числу зубьев силового центрального колеса с наружными зубьями - 1,3…2, а оптимальна середина этого диапазона.

Для снижения кольцевых габаритов и повышения КПД передачи желательно, чтобы сателлиты внутреннего и внешнего слоев имели одинаковые числа зубьев, а расстояние между вершинами зубьев сателлитов и силовых центральных колес, с которыми данный слой сателлитов не взаимодействует, составляло 0,5…2 от модуля зацепления.

Предложенное конструктивное решение может быть реализовано в двух вариантах: 1) когда ведущее центральное колесо имеет внутренние зубья и взаимодействует сателлитами внутреннего слоя и 2) когда ведущее центральное колесо имеет наружные зубья и взаимодействует сателлитами внешнего слоя. При этом некоторыми технологическими и эксплуатационными преимуществами обладает второй вариант.

В передаче с ведущим колесом, имеющим наружные зубья (2-й вариант), для снижения потерь в зацеплениях, сателлиты внешнего слоя снабжены опорными цапфами, имеющими диаметр, меньший диаметра окружности впадин зубчатых венцов этих сателлитов, а передача дополнительно содержит плавающие кольца, охватывающие эти цапфы. Введение в конструкцию таких колец устраняет силовой контакт зуба по двум противоположным боковым поверхностям в зацеплении сателлитов внешнего слоя с центральным колесом, имеющим внутренние зубья.

Дополнительное снижение потерь достигается, если сателлиты на концах имеют цилиндрические дорожки качения с диаметрами, равными или близкими начальным диаметрам соответствующих зубчатых венцов в их зацеплении, причем сателлиты внутреннего слоя в своей части, расположенной напротив венца центрального ведущего колеса, имеют цилиндрическую перемычку (выточку), соединяющую часть сателлита, несущую зубчатый венец, с его частью, несущей дорожку качения, а силовые центральные зубчатые колеса снабжены кольцами, фиксированными относительно этих колес или плавающими, катящимися по соответствующим дорожкам сателлитов. В этом случае силовой контакт зуба по двум боковым поверхностям полностью исключен во всех зацеплениях механизма.

Дополнительно увеличение передаточного числа в передаче с ведущим колесом, имеющим наружные зубья, достигается, когда сателлиты внутреннего слоя имеют число зубьев в 1,2…2 раза меньше, чем сателлиты внешнего слоя, и длину, равную длине силового центрального колеса с внутренними зубьями. При этом каждый сателлит внешнего слоя состоит из двух половин, расположенных по краям сателлита внутреннего слоя, а силовое центральное колесо с наружными зубьями расположено между этими половинами.

В последнем случае, для уменьшения перекоса сателлитов, половины сателлита внешнего слоя могут быть жестко соединены между собой перемычкой, имеющей диаметр достаточно малый, чтобы не было касания перемычки с силовым центральным колесом, имеющим наружные зубья.

Любую конструктивную модификацию предлагаемой передачи можно использовать в двух режимах: 1) когда силовое центральное колесо с наружными зубьями является опорным, т.е. остановлено, а силовое центральное колесо с внутренними зубьями является ведомым звеном передачи; 2) когда силовое центральное колесо с внутренними зубьями делается опорным, т.е. остановлено, а силовое центральное колесо с наружными зубьями является ведомым звеном передачи.

Примеры реализации изобретения иллюстрируются чертежами, где на фиг.1 показана основная конструкция безводильной планетарной передачи, на фиг.2 - ее осевой разрез, на фиг.3 - 9 - различные варианты выполнения передачи.

Безводильная планетарная передача, показанная на фиг.1 и 2, содержит ведущее центральное колесо 1 с наружными зубьями и два силовых центральных колеса 2 и 3, одно из которых 2 имеет наружные зубья, а другое 3 - внутренние. В зависимости от применения в приводе, любое из силовых колес может быть остановлено, т.е. стать опорным (а другое - ведомым). Сателлиты 4, 5 расположены в два слоя в шахматном порядке. Сателлиты 5 внутреннего слоя взаимодействуют с центральным силовым колесом 2, имеющим наружные зубья. Сателлиты 4 внешнего слоя взаимодействуют с центральным силовым колесом 3, имеющим внутренние зубья, а также с сателлитами 5 внутреннего слоя, причем каждый сателлит 4 внешнего слоя взаимодействует с двумя сателлитами 5 внутреннего слоя и наоборот. В примере, показанном на фиг.1 и 2, ведущее центральное колесо 1 взаимодействует с сателлитами 4 внешнего слоя. Количество пар сателлитов - 7. Сателлиты 4 и 5 внешнего и внутреннего слоев имеют одинаковые числа зубьев Z₄=Z₅=18. Числа зубьев центральных колес: Z₁=66, Z₂=60, Z₃=102 (т.е. Z₃/Z₂=1.7). При таком соотношении чисел зубьев обеспечиваются условия сборки всех зацеплений передачи и оптимальные расстояния между вершинами невзаимодействующих зубьев. Сателлиты 4, 5 имеют сквозные отверстия, которые используются для их базирования при обработке и повышают равномерность распределения нагрузки по зубьям. Корпус редуктора, в который заключена передача, на фиг.1, 2, как и на последующих фигурах, не показан.

При работе передачи центральное ведущее колесо 1 вращает сателлиты 4 внешнего слоя. В этом зацеплении имеется боковой зазор, т.е. условия зацепления такие же, как в обычной зубчатой передаче. Контакт сателлитов между собой и с силовыми центральными колесами происходит в условиях отсутствия внешней фиксации соответствующих межосевых расстояний, т.е. без бокового зазора. Это обстоятельство является определенным недостатком данной передачи и отрицательно влияет на ее КПД и нагрузочную способность, однако, при сравнительно небольших передаточных числах U=3-6, КПД остается достаточно высоким. Нагрузочная же способность данной передачи благодаря большому числу одновременно участвующих в контакте сателлитов, при стесненных «кольцевых» габаритах, в итоге оказывается выше, чем у других планетарных передач.

При остановленном центральном колесе 2 передаточное число определяется по формуле:

,

что в примере (фиг.1, 2) составит .

При остановленном колесе 3:

.

Таким образом, между этими передаточными числами существует соотношение:

На фиг.3 показан конструктивный вариант передачи, изображенной на фиг.1. Сателлиты 4 наружного слоя на торцах содержат цилиндрические цапфы 6, по которым обкатываются плавающие кольца 7. Эти кольца воспринимают радиальную нагрузку, чем разгружают зацепление, находящееся в наиболее неблагоприятных условиях по углу давления. В рассматриваемом примере использование плавающих колец снижает общие потери в зацеплениях передачи на 20-25%.

В передаче, изображенной на фиг.4 и 5, все сателлиты и силовые центральные колеса снабжены катками, несущими дорожки качения, диаметры которых равны (или максимально приближаются) диаметрам начальных окружностей соответствующих зубчатых венцов. На колесе 3 и сателлитах 4 кольца 7 и 8, несущие дорожки качения, закреплены жестко. На колесе 2 одно кольцо 9 закреплено, а другое 12 является плавающим. Сателлиты внутреннего слоя, напротив венца центрального ведущего колеса 1, имеют цилиндрическую перемычку 11, соединяющую часть сателлита 5, несущую зубчатый венец, с его частью 10, несущей дорожку качения. В такой конструкции силовой контакт зуба по двум боковым поверхностям полностью исключен во всех зацеплениях механизма, что снижает общие потери на 40-50%. Практическое применение может получить более простой по конструкции, «переходный» вариант данной передачи, в котором кольца 9 и 12, относящиеся к центральному колесу 2, отсутствуют (на фигурах этот вариант не показан).

Передаточные числа для конкретной схемы (фиг.4, 5) ; .

В передаче, показанной на фиг.6, 7, сателлиты 5 внутреннего слоя имеют число зубьев в 1,33 раза меньше, чем сателлиты 4 внешнего слоя. Зубчатый венец нарезан по всей длине сателлитов 5. Сателлиты внешнего слоя имеют зубчатые венцы 4 только по краям, а в середине выполнена более тонкая цилиндрическая перемычка 11, или венцы 4 вообще не связанны друг с другом (данный случай не показан). Сателлит 5 «висит» на венцах 4 сателлита внешнего слоя, а своей центральной частью взаимодействует с силовым центральным колесом 2. Передаточные числа механизма (фиг.6, 7) составляют: ; , что существенно выше чем у механизма, изображенного на фиг.4, 5, выполненного в тех же габаритах.

На фиг.8, 9 показана передача, отличающаяся от предыдущих тем, что ведущее центральное колесо в ней взаимодействует не с внешним, а с внутренним 5 слоем сателлитов. Передаточное число такого механизма рассчитывается по тем же формулам, что и предыдущего, но его редуцирующая способность получается несколько ниже, так как число зубьев ведущего колеса 1 больше. Для схемы (фиг.8, 9), которая имеет 9 пар сателлитов: ; Такая же передача, но с центральным колесом 1, взаимодействующим с сателлитами 4 вешнего слоя, имела бы ;

Тем не менее для особых компоновочных условий может оказаться полезной и схема, показанная на фиг.8, 9.

Использование предлагаемой безводильной передачи в редукторах приводов различного назначения, в частности приводах запорно-регулирующей трубопроводной аппаратуры, позволит существенно снизить их габариты и вес.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механическим передачам, и может найти применение в редукторах приводов запорной трубопроводной арматуры и др. приводов. Безводильная планетарная передача содержит два силовых центральных колеса, одно из которых (3) имеет внутренние зубья, а другое (2) - наружные, ведущее центральное колесо (1) с наружными или внутренними зубьями и сателлиты (4, 5). Сателлиты расположены в два слоя в шахматном порядке. Сателлиты (5) внутреннего слоя взаимодействуют с силовым центральным колесом (2). Сателлиты (4) внешнего слоя взаимодействуют с силовым центральным колесом (3) и с сателлитами (5) внутреннего слоя. Ведущее центральное колесо (1) взаимодействует с сателлитами внутреннего или внешнего слоя со стороны, противоположной контакту данного слоя сателлитов с соответствующим силовым центральным колесом. В зависимости от условий применения в приводе любое из силовых колес может быть остановлено, т.е. стать опорным, а другое - ведомым. Изобретение позволит увеличить нагрузочную способность и минимизировать «кольцевые» габариты редуктора, расположенного вокруг нагруженного выходного вала или шпинделя. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Безводильная планетарная передача, содержащая два силовых центральных колеса - опорное и ведомое, одно из которых имеет внутренние зубья, а другое - наружные, и ведущее центральное колесо с наружными или внутренними зубьями, а также сателлиты, взаимодействующие со всеми тремя центральными колесами, отличающаяся тем, что сателлиты расположены в два слоя в шахматном порядке, причем сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с силовым центральным колесом, имеющим наружные зубья, сателлиты внешнего слоя - с силовым центральным колесом, имеющим внутренние зубья, и с сателлитами внутреннего слоя, а ведущее центральное колесо взаимодействует с сателлитами внутреннего или внешнего слоя со стороны, противоположной контакту данного слоя сателлитов с соответствующим силовым центральным колесом.

2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что отношение чисел зубьев силовых центральных колес лежит в диапазоне 1,3…2.

3. Передача по п.2, отличающаяся тем, что сателлиты внутреннего и внешнего слоя имеют одинаковые числа зубьев.

4. Передача по п.3, отличающаяся тем, что расстояния между вершинами зубьев сателлитов и силовых центральных колес, с которыми данный слой сателлитов не взаимодействует, составляют 0,5…2 от модуля зацепления.

5. Передача по п.2, отличающаяся тем, что ведущее центральное колесо имеет наружные зубья и взаимодействует с сателлитами внешнего слоя.

6. Передача по п.2, отличающаяся тем, что ведущее центральное колесо имеет внутренние зубья и взаимодействует с сателлитами внутреннего слоя.

7. Передача по п.5, отличающаяся тем, что сателлиты внешнего слоя снабжены опорными цапфами, имеющими диаметр, меньший диаметра окружности впадин зубчатых венцов этих сателлитов, а передача дополнительно содержит плавающие кольца, охватывающие эти цапфы.

8. Передача по п.5, отличающаяся тем, что сателлиты на концах имеют цилиндрические дорожки качения с диаметрами, равными или близкими начальным диаметрам соответствующих зубчатых венцов в их зацеплении, причем сателлиты внутреннего слоя в своей части, расположенной напротив венца центрального ведущего колеса, имеют цилиндрическую перемычку, соединяющую часть сателлита, несущую зубчатый венец, с его частью, несущую дорожку качения, а силовые центральные зубчатые колеса снабжены кольцами, фиксированными относительно этих колес или плавающими, катящимися по соответствующим дорожкам сателлитов.

9. Передача по п.5, отличающаяся тем, что сателлиты внутреннего слоя имеют число зубьев в 1,2…2 раз меньше, чем сателлиты внешнего слоя и длину, равную длине силового центрального колеса с внутренними зубьями, при этом каждый сателлит внешнего слоя состоит из двух половин, расположенных по краям сателлита внутреннего слоя, а силовое центральное колесо с наружными зубьями расположено между этими половинами.

10. Передача по п.9, отличающаяся тем, что половины сателлита внешнего слоя жестко соединены между собой перемычкой, имеющей диаметр достаточно малый, чтобы не было касания перемычки с силовым центральным колесом с наружными зубьями.

11. Передача по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что силовое центральное колесо с наружными зубьями является опорным, т.е. остановлено, а силовое центральное колесо с внутренними зубьями является ведомым звеном передачи.

12. Передача по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что силовое центральное колесо с внутренними зубьями выполнено опорным, т.е. остановлено, а силовое центральное колесо с наружными зубьями является ведомым звеном передачи.