ПЕРЕДАЧА С ОБЪЕМНО-ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ-ПОПЗ Российский патент 2014 года по МПК F16H1/16 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в специальных преобразователях энергии в виде энергетических станций и агрегатов в машиностроении, на транспорте, в нефтегазовой промышленности и энергетике, в ракетной, авиационной, космической и подводной технике.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является червячная передача (RU №2049279 С1, 17.03.1992. ПОЗДНЯКОВ В.М.), которая содержит корпус, установленный в нем на подшипниках цилиндрический жесткий вал, на котором закреплена посредством колец и шпонок витая пружина, регулирование натяга которой осуществляется гайками. Вал защищен крышками. Пружина находится в зацеплении с червячным колесом, закрепленном на валу, установленном между корпусом и крышкой. Между витками пружины размещена дополнительная витая пружина.

Крутящий момент червячной передачи прототипа от вала через шпонки передается кольцам, а от них пружине и, соответственно, дополнительной пружине, которые в сборе, находясь в зацеплении с червячным колесом, передают ему вращение, затем валу и далее потребителю.

Недостатками прототипа являются:

- массивное червячное колесо имеет значительный момент инерции, что приводит к перегрузке быстроходных подшипников и снижает ресурс работы редуктора;

- достаточно низкий процент многопарного зацепления, что непосредственно влияет на величину передаваемого крутящего момента.

Требуемый технический результат изобретения - создание передачи с объемно-пространственным зацеплением, обеспечивающей передачу значительных знакопеременных крутящих моментов, малошумный, безлюфтовый и плавный, безударный, скользящий характер работы без потери информации, повышенную надежность, увеличенный до 25 лет ресурс работы и высокий КПД ≥95÷96%.

Требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве для передачи крутящего момента используется круговинтовое объемно-пространственное многопарное, эластичное (пружинное) зацепление червяка, выполненного в виде пружины, закрепленной на упругом валу, и червячного колеса, в виде полого цилиндра с пазами и зубьями, изготовленными совместно с пазами червячного колеса.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена передача с объемно-пространственным зацеплением.

Передача с объемно-пространственным зацеплением (фиг.1) содержит:

1 - входной (ведущий) вал;

2, 6 - подшипники;

3 - ролики;

5 - профилированные упорные крепежные кольца пружины червяка на входном валу;

4 - пружинный червяк;

7 - выходной (ведомый) вал;

8 - червячное колесо;

9 - корпус.

Передача с объемно-пространственным зацеплением работает следующим образом: крутящий момент от источника крутящего момента через подшипники 2, 6 входного вала, профилированные крепежные упорные кольца 3, 5 и входной вал 1 передается на пружинный червяк 4, который своими бочкообразными круглыми витками входит в зацепление с пазами и роликами червячного колеса 8. С червячного колеса 8 поток мощности через ведомый вал 7 передается на нагрузку, в диапазоне значительных передаточных отношений (i≈2÷100).

Выполнение в предложенном устройстве червячного колеса в виде полого металлического цилиндра с пазами и роликами по сравнению с прототипом придают передаче новые, с более высокими потребительскими показателями свойства: способность к передаче более высоких крутящих моментов и мощностей, за счет увеличения на порядок многопарного круговинтового зацепления, при снижении металлоемкости конструкции редуктора и увеличения ресурса передачи, в результате использования зацепления пружинного червяка и червячного колеса в виде полого цилиндра с пазами и роликами 3 по периметру. Пружина червяка выполнена из высококачественной проволоки cm60C2A,50ХФА по спецтехнологии с G≥285(кг/мм²). Рекомендуемый диаметр проволоки 8÷10 мм.

Таким образом, предлагается прочный, надежный силовой редуктор с более высокими характеристиками по ресурсу, долгосрочности эксплуатации при перегрузках в экстремальных условиях и КПД ≥95÷96%, чем у прототипа.

Большинство зубчатых зацеплений, уже более 3-х столетий, обладают ударным характером работы с понижением контактной прочности, который в результате приводит к деформации и разрушению передачи [9] стр.74, 83; [10] стр.93, 163. Лишь относительно недавно русскими инженерами и учеными разработано и реализовано зубчатое зацепление Новикова [6, 7], в контактном зацеплении которого образуется толстый гидродинамический масляный слой, снижаются ударность в зацеплении и потери на трение, уменьшается износ [10], стр.158. Контактная прочность у передач Новикова в 1,7 раза выше, чем у эвольвентных передач.

Особенность конструкции ПОПЗ заключается в том, что зубья червячного колеса имеют скользящий характер зацепления, из-за наклона витков пружинного червяка в 5°-10°. Зубчатое зацепление изобретения и подробный анализ его режимов работы позволил сделать вывод, что расчет оптимального углового зацепления между пружинным червяком и червячным колесом позволит использовать ПОПЗ как в редукторах, так и в мультипликаторах. Наши подробные исследования планетарно-циклоидальных редукторов показывают, что при определенных условиях в них нарушается контактная прочность из-за условий ударного характера их работы, особенно при малой разности в зубьях их смежных шестерен, равной в один-два зуба. В этих условиях часть зубьев одной из шестерен разрушаются даже в условиях замены их на прочные стандартные подшипники. Как вариант, для дальнейших исследований и внедрения предлагается лопастная червячная передача с объемно-пространственным зацеплением, которая выполнена по оригинальной новой конструкции червяка и червячного колеса. Червяк представлен в виде профилированных лопастей пружинного червяка, а червячное колесо выполнено в виде лопастного червячного колеса. Новизна и полезность такого варианта состоит в том, что пружина червяка, выполненная в виде винтовой лопасти, изготовлена винтовой навивкой ленточной пружины из стали 50×ФА или бронзы Бр ОФ 6,5-0,15. Аналогично выполнены и лопасти червячного колеса. В результате использования лопастной конструкции как самого червяка, так и червячного колеса увеличивается степень ее объемно-пространственного зацепления со значительным повышением механических и энергетических характеристик: долговечности, надежности, ресурса работы в долговременных экстремальных условиях эксплуатации. В таких условиях работы необходима смазка передачи ПОПЗ. В длительно работающих комплексах необходима масляная ванна, специальная смазка касторовым маслом с графитом, повышающим КПД пружинного червяка. Лопасти также могут быть покрыты защитным кадмиевым покрытием.

Оптимальное расположение масс передачи ПОПЗ оптимизирует кинематику и динамику, совершенствуя перспективную эластичную механику. При этом передача ПОПЗ совместно с аппаратурой наблюдения и слежения позволяет обнаруживать и отслеживать «шумные» космические объекты и подводные лодки, айсберги, НЛО и т.п. То есть в этих условиях данная система является самоопределяющейся и самоорганизующейся [4] стр.1165, 1357.

Простота и экономичность конструкции ПОПЗ допускает ее резервирование и дублирование при изготовлении ее из высокопрочных материалов, с переключением передач, при необходимости, с режима суммирования на режим распределения энергетических потоков, например на силовые органы вертолетов и других военных объектов.

Испытания опытных образцов изобретения ново и полезно при замене жесткого входного вала прототипа, аналогов на гибкий прочный пружинный вал, выполненный из пружины червяка, т.е. упругий пружинный вал, что увеличивает взаимное зацепление пружины (червяка) с роликами червячного колеса, т.е. увеличивается объемно-пространственное их зацепление по окружности до 120° и возрастают энергомеханические характеристики передачи, при ее более простой и экономичной конструкции. При этом пружина (гибкий пружинный червяк) строго ориентирован в корпусе подшипниками и ребрами корпуса, и вращение от электродвигателя и с передаточным отношением $$i=\frac{z_K}{z_r}=\frac{36}{1}=36$$ (образца) передает на замедленное, усиленное вращение червячного колеса и на нагрузку. Расчеты подтверждают, что круговое стальное многопарное зацепление пружинного червяка (пружины) и червячного колеса с антифрикционным покрытием и смазкой позволяют повысить их передаточное отношение до i≥100, передаваемую энергию с КПД=95%-96%.

Источники информации

1. Поздняков В.М. Червячная передача. Патент RU №2049279 С1, 17.03.1992.

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

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

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

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

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

7. Лобастов В.К. Теория расчета и проектирования циклоидальных механизмов. М., 1978 г.

8. Яковлев А.Ф., Захаров В.Л., Волохов В.П. Патент №2452883 С2 РФ, Многофункциональный комплекс электроприводов на базе планетарного циклоидального редуктора - МКЭ ПЦР. Заявка 2008146825/11 от 27.11.2008 г. Опубл. 10.06.2010. Бюл. №16.

9. Копнов В.А., Никитин Е.Н. Сопротивление материалов. М., 1982 г., с.74,83, 106,139,142,143.

10. Иосилевич Г.Б., Строганов Г.Б., Маслов Г.С. Прикладная механика. М. "Высшая школа", 1989 г., с.12, 93, 113, 143, 145, 158, 159, 163, 263, 267, 316.

Изобретение относится машиностроению. Передача с объемно-пространственным зацеплением содержит червячное колесо и взаимодействующий с ним червяк, выполненный в виде цилиндрического вала и охватывающей его витой пружины, закрепленной на этом валу в профилированных кольцах. Червячное колесо выполнено в виде полого металлического цилиндра со сквозными пазами и роликами-зубьями, которые во взаимодействии с пружинным червяком образуют объемно-пространственное зацепление. Достигается улучшение рабочих характеристик и повышение срока службы передачи. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Передача с объемно-пространственным зацеплением (ПОПЗ), содержащая червячное колесо и взаимодействующий с ним червяк, выполненный в виде цилиндрического вала и охватывающей его витой пружины, закрепленной на этом валу в профилированных кольцах, отличающаяся тем, что червячное колесо выполнено в виде полого металлического цилиндра со сквозными пазами и роликами-зубьями, которые во взаимодействии с пружинным червяком образуют объемно-пространственное зацепление с более высокими механическими и энергетическими характеристиками при передаче значительных моментов и мощности.

2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что при перегрузках и длительной эксплуатации конструкции червячной передачи в агрессивных средах для смазки ее используется масло, а пружинный червяк смазывается касторовым маслом с графитом для повышения КПД пружинного взаимодействия его с роликами червячного колеса; передаточное отношение от ведущего или ведомого вала на выходной вал выполнено регулируемым и в конкретных условиях эксплуатации может работать как в редукторном, так и в мультипликаторном режимах; таким образом в определенных условиях эксплуатации ведущим валом передачи является вал пружинного редуктора или вал червячного колеса.

3. Передача по п.1, отличающаяся тем, что для реализации червячной передачей более высоких силовых моментов, мощностей, ресурса и долговечности в экстремальных условиях, повышения контактной прочности пружина червяка выполнена в виде лопастной пружины, изготовленной винтовой навивкой ленточной пружины из стали марки 50×ФА или бронзы марки БрОФ 6,5-0,15; аналогично выполняются лопасти червячного колеса, причем углы витков винтовой пружины и лопастей червячного колеса рассчитываются так, чтобы передача могла работать при переключении как в редукторном, так и мультипликаторном режимах.