ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ НА БАЗЕ ПЛАНЕТАРНОГО ЦИКЛОИДАЛЬНОГО РЕДУКТОРА - ПЭ ПЦР Российский патент 2014 года по МПК H02K7/116 F16H1/32 

Изобретение относится к преобразователям энергии в виде мотор-редукторов, электроприводов и может быть использовано в специальных преобразователях энергии в виде энергетических станций и агрегатов в машиностроении, на транспорте, в нефтегазовой промышленности и энергетике.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является планетарный циклоидальный редуктор разработки Минского института проблем надежности машин АН БССР, 1998 г., который содержит корпус 10, крышку 12, входной (ведущий) и выходной (ведомый) валы 4 и 13, подвижное центральное (солнечное) колесо 11 с рядом роликов (цевок) 1, 15, циклоидальные сателлиты 7, 9 блока сателлитов 8, установленного на входном валу 4 на подшипниках вала 3 и на эксцентрично расположенных подшипниках сателлитов 6, внутри центральных колес 11, 2, циклоидальные зубья которых зацепляются с зубьями центральных колес; пальцы 14, запрессованные во фланец выходного вала (подвижного выходного колеса 11) и свободно надетые на них ролики 1, 15, входящие в зацепление с сателлитами 7, 9, блока сателлитов 8, ролики (цевки) 1 неподвижного центрального колеса 2 и ролики (цевки) 15 выходного вала 13 (подвижного центрального колеса 11).

Блок сателлитов прототипа по фиг.1 находится в постоянном зацеплении с центральными колесами 11 и 2, жестко закрепленными соответственно в корпусе 10 и на выходном валу 13. Блок сателлитов 8 соединен с эксцентриковым валом 5 электрическим двигателем ЭД на подшипниках 3, а через подшипники 16 в крышке 12 выходной вал 13 подвижного колеса 11 соединен с нагрузкой. В аналогичной последовательности происходит и работа указанного прототипа.

Недостатками прототипа являются:

- возможный диапазон передаточных чисел значительно ограничен в пределах 7-5000 и не может быть регулируемым;

- КПД представленного прототипа не превышает 90-92%;

- редуктор прототипа одноступенчатый, нерегулируемый;

- ограничен срок службы - 30000-50000 часов;

- многопарное зацепление не превышает 70%;

- «жесткое» (как у традиционных эвольвентных и червячных передач) зацепление требует необходимых монтажных зазоров. Отсюда возможны люфты, обеспечение минимальных зазоров приводит к существенным затратам производства;

- массивный блок сателлитов имеет значительный момент инерции, что приводит к перегрузке быстроходных подшипников блока сателлитов и снижает ресурс работы редуктора;

- сложность конструкции, наличие блока сателлитов, сплошные трубчатые цевки, которые упругостью не обладают, наличие быстроходных подшипников блока сателлитов.

Требуемый технический результат - создание преобразователя энергии на базе планетарного циклоидального редуктора, с габаритно-весовыми параметрами соответствующими характеристикам современных и перспективных циклоидальных планетарных передач, обеспечивающего передачу значительных знакопеременных крутящих моментов, малошумный, безлюфтовый и плавный характер работы без потери информации, повышенную надежность и увеличенный ресурс работы. При этом предусматривается возможность передачи преобразователем энергии крутящего момента в герметичное пространство.

Требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве для передачи крутящего момента используется объемно-пространственное многопарное, самонастраивающееся, эластичное (пружинное) зацепление шестерни-сателлита и зубьев центрального колеса, выполненных в виде витых стальных роликов или пружин.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.2 представлен преобразователь энергии на базе планетарного циклоидального редуктора.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что новое техническое решение отличается наличием объемно-пространственного многопарного, самонастраивающегося, эластичного зацепления шестерни-сателлита и зубьев центрального колеса, выполненных в виде витых стальных роликов или пружин. Преобразователь энергии на базе ПЦР (фиг.2) содержит:

1 - ролики по типу D_рол.=18,5 мм, L_рол.=91,5 мм, n_рол. - расчетное;

2 - подвижное центральное колесо в сборе;

3 - подшипники (шариковые) ведущего (входного) вала;

4 - ведущий (входной) вал;

5 - шестерню - сателлит (эксцентрик);

6 - подшипники шестерни - сателлита;

7 - подвижное центральное колесо;

8 - переходной корпус подшипника от электродвигателя (ЭД) к ПЭ ПЦР;

9 - корпус подшипника выходного вала;

10 - корпус;

11 - ЭД;

12 - крышку;

13 - ведомый (выходной) вал;

14 - подшипники выходного вала.

При этом зубья центрального колеса могут быть реализованы как в виде специально созданных для ПЭ ПЦР стальных роликов или пружин, выполненных цилиндрической, конической или сферической формы радиус бочкоообразности - R, которых определяется по формуле Герца

R=1/2·D_РОЛ·n_{РОЛ.РАСЧ.}

для минимизации контактных напряжений в зацеплении, так и в виде готовых промышленных подшипников с витыми роликами (например подшипник №3522, по каталогу "Подшипники качения" М. 1964 г.). ПЭ ПЦР может иметь герметичный сильфон в соединении с ЭД, редуктором и нагрузкой для передачи усилий и моментов в герметичное пространство, в случае работы в агрессивных химических средах.

Преобразователь энергии на базе ПЦР работает следующим образом:

крутящий момент от электродвигателя 11 через подшипники 3 входного вала и входной вал 4 передается на подвижное центральное колесо 7, которое своими зубьями в виде бочкообразных стальных витых роликов или пружин 1,выполненных цилиндрической, конической или сферической формы радиус бочкоообразности - R, которых определяется по формуле Герца для минимизации контактных напряжений в зацеплении, входит в зацепление с зубьями шестерни-сателлита 5. С зубьев шестерни-сателлита 5 поток мощности через ведомый вал 13 передается на нагрузку электрогенератор.

Шестерня-сателлит по фиг.2 изготовлена по специальной технологии при расчетной разности в числе зубьев шестерни-сателлита и зубьев центрального колеса. Передаточное отношение - i изобретения ПЭ ПЦР определяется по зависимости:

, где

Z_к - число зубьев центрального колеса,

Z_ш - число зубьев шестерни.

Передаточное отношение данной конструкции - повышающее.

Изобретение ПЭ ПЦР (фиг.2) отличается более совершенной новой технологией изготовления сбалансированным с центральным и самоприспосабливающим характером работы, соединение шестерни-сателлита 5 в зацеплении с подвижным центральным колесом 2 выполнено многопарным по скользящей посадке со смазкой. Шестерня-сателлит имеет вогнутые зубья 5, а центральное колесо выпуклые зубья 1. Таким образом, в изобретении применен усовершенствованный круговинтовой (выпукло-вогнутый) циклоидальный профиль с возможным применением готового промышленного подшипника с витыми роликами. В этом заключается новизна и полезность изобретения, ибо его сборочное изготовление упрощает производство при повышении оптимальности и эффективности. Между осями центрального колеса и шестерни-сателлита существует расчетный эксцентриситет - е, что является необходимым условием нормальной эксплуатации изобретения ПЭ ПЦР. При его эксплуатации вращение шестерни-сателлита в зацеплении с центральным колесом носит плавный, безлюфтовый, бесшумный характер, без потерь информации.

В итоге, ресурс предлагаемого изобретения ПЭ ПЦР с круговинтовым выпукло-вогнутым зацеплением (однозначно циклоидального профиля) достигает ≥25 лет при КПД ≥95-97%, а у прототипа ресурс эксплуатации не превышает 5 лет при меньшем КПД ≥90-92%. ПЭ ПЦР отличается применением в нем новейшей технологии изготовления: точные прессование и штампование, производство по выплавляемым моделям, хонингование, химополирование и т.п.. По новому происходит формирование и суммирование энергетического потока без энергетических, тепловых потерь от трения и т.п.

Таким образом, у ПЭ ПЦР суммирование и концентрация энергии производится при значительно меньших потерях, чем у известных аналогов и прототипа. В нашем исследовании механическая энергия, задаваемая внешним источником (например, ЭД), преобразуется в электрическую, подключением к ПЭ ПЦР, выходному валу редуктора нормализованного нового электрического генератора с измерением его электрических выходных параметров (U, I и др.).

Таким образом, предлагается конструкционно простой, прочный, надежный электропривод и силовой редуктор с более высокими характеристиками по ресурсу, долгосрочности эксплуатации в экстремальных условиях и КПД, чем у прототипа. Новейшая металлообработка позволяет повысить прочность основных его элементов - роликов до σ_в≈275 кг/мм² при 11 классе чистоты их поверхности. Последнее повышает энергоэффективность внедрения ПЭ ПЦР.

Соответственно изобретение вносит свой вклад в развитие эластичной механики. Помимо стандартных исследований, конструкция ПЭ ПЦР проходила испытание с эксцентриковым характером работы шестерни-сателлита.

Источники информации, принятые во внимание

1. Патенты Франции (Pal. №1440594, 1966 г.; №1452099, 1966 г.; №1477772, 1967 г.), США (Pal. №32589994, 1966 г.; ЕР 0286760 А1 19.10.1988 г.).

2. Яковлев А.Ф. и др. Планерный циклоидальный редуктор. Патент №1802958 по заявке 4854625/28 от 27.07.1990 г.

3. Яковлев А.Ф. и др. Планерный циклоидальный редуктор. Патент № 1Ш 2059131 от 07.04.1993 г. по заявке 93-018248/28/017813.

4. Соловцов Н.Е., Яковлев А.Ф. Планерный циклоидальный редуктор. Патент №2153613 от 27.07.2000 г.

5. Соловцов Н.Е., Яковлев А.Ф. Электропривод с планетарным циклоидальным редуктором. Патент №2206805 от 20.06.2003 г.

6. Кириллов Ю.Ф., Яковлев А.Ф. Планерный циклоидальный редуктор повышенной мощности. Патент №2251038 от 27.04.2005 г.

7. Советский энциклопедический словарь. Гл. ред. A.M.Прохоров. М, Совет, энциклопедия, 1987 г., с.915, 933, 1165, 1475.

8. Политехнический словарь. Гл. ред. И.И.Артоболевский. М., Совет, энциклопедия, 1977 г., с.268, 295, 323, 330, 437, 552.

9. Николис Г., Пригожий И. Самоорганизация в неравновесных системах, перев. с англ. М., 1979 г.

10. Кириллов Ю.Ф., Яковлев А.Ф. и др. Электропривод с редуктором повышенной эффективности (варианты), патент 1Ш 2312 260 С2 от 10.12.2007 г.

11. Акад Благонравов А.А. «Преимущества огромны», статья в газете «Правда» от 21.03.1960 г.

12. Гулиа Н.В. Маховичные двигатели. М., «Машиностроение», 1976 г.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям энергии в виде мотор-редукторов и электроприводов, и может быть использовано в специальных преобразователях энергии в виде энергетических станций и агрегатов, в машиностроении, на транспорте, в нефтегазовой промышленности, энергетике и т.п. Для преобразования механической энергии в электрическую путем преобразования энергии первичного рабочего органа с использованием энергии гидро- и ветропотока, солнцепотока и других видов механической энергии (двигателей внутреннего сгорания и т.п.) в энергию электрическую, тепловую, давления и т.п. Предлагаемый преобразователь энергии содержит первичный энергетический рабочий орган (ПЭРО) - электродвигатель, планетарный циклоидный редуктор (ПЦР), закрепленный на валу ПЭРО через подшипники и передающий вращение на выходной вал редуктора. При этом выпуклые зубья центрального колеса редуктора, входящие в зацепление с вогнутыми зубьями шестерни - сателлита редуктора, выполнены в виде бочкообразных витых стальных роликов или пружин цилиндрической, конической или сферической формы, радиус бочкообразности R которых определяется по формуле Герца для минимизации контактных напряжений в зацеплении, что обеспечивает их безлюфтовую, бесшумную и оптимальную, с точки зрения износостойкости и долговечности, работу и эксплуатацию. Такое выполнение преобразователя энергии на базе ПЦР обеспечивает достижение технического результата, состоящего в повышении энергетических характеристик преобразователя по мощности, надежности и ресурсу работы с КПД≥95%. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь энергии на базе планетарного циклоидального редуктора - ПЭ ПЦР, содержащий корпус с крышкой, электродвигатель, закрепленный через подшипники на валу, связанный с редуктором, отличающийся тем, что выпуклые зубья центрального колеса редуктора, входящие в зацепление с вогнутыми зубьями шестерни-сателлита редуктора, выполнены в виде бочкообразных витых стальных роликов или пружин цилиндрической, конической или сферической формы, радиус бочкообразности - R которых определяется по формуле Герца для минимизации контактных напряжений в зацеплении.

2. Преобразователь - ПЭ ПЦР по п.1, отличающийся тем, что в качестве зубьев подвижного центрального колеса применены промышленные витые ролики или пружины.