Гипоциклоидальное зубчатое зацепление Российский патент 2019 года по МПК F16H1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к машиностроению, конкретнее к механическим передачам вращательного движения с большим передаточным числом.

Уровень техники

Известна планетарная передача с псевдоцевочным зацеплением (см. патент RU 2502904, МПК: F16H1/32, опубл. 27.12.2013), включающая наружное колесо с внутренним зубчатым профилем и взаимодействующее с ним внутреннее колесо с наружным зубчатым профилем, закрепленное на эксцентриковом валу. Активными участками профилей зубьев внутреннего колеса являются дуги окружностей, а сопряженными профилями зубьев наружного колеса - эквидистанты удлиненных гипоциклоид. Число зубьев внутреннего колеса на единицу меньше, чем у наружного. Конструкция обеспечивает практически 100%-ю многопарность зацепления, при которой все зубья внутреннего колеса касаются зубчатого профиля наружного колеса.

Теоретически многопарность зацепления способствует равномерному распределению рабочей нагрузки и обеспечивает высокую нагрузочную способность. На практике, при контакте колес только одна пара зубьев окатывается, во всех других взаимодействующих парах действует трение скольжения, которое оказывает сопротивление ведущему валу. Учитывая погрешности изготовления, в такой конструкции неизбежно заклинивание.

Для снижения риска заклинивания в патенте RU 2502904 выполнена корректировка контактирующих профилей зубьев внутреннего колеса за счет разнесения центров дуг окружностей и использования разных радиусов. Однако такое построение профилей сложное и нетехнологичное.

Известна планетарная передача (см. патент RU 166843, МПК: F16H1/32, опубл. 10.12.2016), содержащая пару взаимодействующих между собой колес, профили зубьев которых выполнены аналогично предыдущему аналогу: в виде дуг окружностей, центры которых не совпадают, для зубьев одного колеса, и в виде участков эквидистант циклоид - для второго. Для исключения заклинивания взаимодействующих профилей, зубья внутреннего колеса выполнены с усеченными (срезанными) вершинами.

Недостатком этого аналога, как и предыдущего, является сложность построения зубчатых профилей, при этом упомянутое усечение способствует появлению углов на профиле, что ведет к снижению плавности передачи.

В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого технического решения принято гипоциклоидальное зацепление, раскрытое в книге Воробьев Е.Н. и др., Механика промышленных роботов, книга 3, М.: Высшая школа, 1989г, с. 229-230, рис. 5.12(б).

Упомянутое зацепление содержит установленные на параллельных осях, смещенных друг относительно друга на величину эксцентриситета, внутреннее колесо и взаимодействующее с ним наружное колесо с внутренним зубчатым профилем, выполненным в виде эквидистанты к гипоциклоиде.

Внутреннее колесо выполнено с цевками, число которых на единицу меньше числа зубьев наружного колеса.

Существенным недостатком упомянутого аналога является невысокая надежность и ограниченный диапазон передаточных отношений и передаваемого крутящего момента, что обусловлено использованием цевочного зацепления. Для колес с разницей в один зуб использование цевок не позволяет добиться больших передаточных чисел в одной ступени. Воспринимаемые цевкой нагрузки напрямую зависят от их толщины и потому частые и мелкие зубья в цевочном исполнении не допустимы.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, является создание зацепления, параметры которого удовлетворяют требованиям надежности работы, большой нагрузочной способности, широкого диапазона передаточных чисел в одной ступени и технологичности изготовления.

Раскрытие сущности изобретения

Упомянутая проблема решена благодаря тому, что в гипоциклоидальном зубчатом зацеплении, содержащем установленные на параллельных осях, смещенных друг относительно друга на величину эксцентриситета «е», внутреннее колесо и взаимодействующее с ним наружное колесо с внутренним зубчатым профилем, выполненным в виде эквидистанты к гипоциклоиде, согласно заявляемому изобретению, внутреннее колесо выполнено с внешним зубчатым профилем, образованным эквидистантой к гипоциклоиде, построенной катящейся окружностью того же радиуса, что и гипоциклоида наружного колеса, и соприкасающейся с последней всеми вершинами, при этом радиус катящейся окружности равен эксцентриситету «е», а величина эквидистанты внутреннего колеса меньше величины эквидистанты наружного колеса на величину «h», составляющую (0,001-0,05) от величины эксцентриситета «е».

В отличие от ближайшего аналога, в предлагаемой конструкции оба колеса зацепления выполнены с зубчатыми профилями, в них отсутствуют цевки, а значит, и связанные с ними недостатки.

В отличие от других известных аналогов, в предлагаемом техническом решении зубчатые профили обоих колес зубчатого зацепления выполнены в виде эквидистант к обычным (нормальным) гипоциклоидам, а для получения требуемых технологических зазоров и обеспечения собираемости и работоспособности конструкции, профили колес скорректированы на стадии проектирования за счет уменьшения эквидистанты внутреннего колеса, по сравнению с эквидистантой наружного колеса, на величину «h» = (0,001-0,05)«е».

Такая форма зубчатых профилей достаточно проста и технологична и при этом обеспечивает большую нагрузочную способность и надежность работы передачи.

При работе без нагрузки в зацеплении (контакте) всегда находится одна пара зубьев, при этом соседние с ней, по обеим сторонам, несколько пар зубьев располагаются с минимальным зазором «f», постепенно увеличивающимся от пары к паре.

Угол α, внутри которого величина зазора «f» меньше величины упругой деформации Δz зубьев под расчетной нагрузкой, определяет сектор зацепления передачи, работающий при повышенной нагрузке. При увеличении нагрузки пара зубьев, находящаяся в контакте в нормальном режиме работы, упруго деформируется, и нагрузка распределяется на соседние пары зубьев в секторе зацепления.

Примененная корректировка профилей обеспечивает требуемую величину сектора зацепления, достаточную для надежной работы передачи в моменты пиковых нагрузок.

Пределы величины «h» коррекции колес были установлены экспериментальным путем. При дальнейшем уменьшении величины коррекции, т.е. при «h» < 0,001«е», не исключено заклинивание колес.

Коррекция профилей на величину «h» > 0,05«е» не позволяет получить вышеупомянутый технический результат увеличения нагрузочной способности и обеспечения надежности работы передачи.

Выбор величины коррекции «h» зависит от ряда условий. Большие значения «h» применяют в следующих случаях:

более мягкий материал колес;

низкая точность механической обработки;

низкий передаваемый крутящий момент;

большая ширина колес.

Величина эквидистанты наружного колеса составляет от 0,5«е» до 2,5«е», где «е» - величина эксцентриситета.

Краткое описание чертежей

Промышленная применимость предлагаемого технического решения подтверждается приведенным ниже примером и чертежами, на которых показаны:

на фиг. 1 – гипоциклоидальное зацепление, общий вид;

на фиг. 2 – построение исходных гипоциклоид колес;

на фиг. 3 - построение зубчатого профиля наружного колеса;

на фиг. 4 – построение зубчатого профиля внутреннего колеса;

на фиг. 5 – иллюстрирована работа зацепления в нормальном режиме, без нагрузки;

на фиг. 6 – фрагмент с фиг. 5, увеличено;

на фиг. 7 – показана работа зацепления в режиме повышенной нагрузки.

Осуществление изобретения

Гипоциклоидальное зубчатое зацепление (см. фиг. 1) содержит два колеса: наружное 1 и внутреннее 2, установленные на параллельных осях О_н и О_в, соответственно, которые смещены друг относительно друга на величину эксцентриситета «е».

Внешний зубчатый профиль внутреннего колеса 2 и взаимодействующий с ним внутренний зубчатый профиль наружного колеса 1 выполнены в виде эквидистант к гипоциклоидам.

Гипоциклоида - это кривая, образуемая точкой окружности, катящейся без скольжения по внутренней стороне второй, неподвижной окружности.

Гипоциклоиды описываются параметрическими уравнениями:

x = r (k-1)(cos t+cos((k-1)t/(k-1)) (1)

y = r (k-1)(sin t + sin((k-1)t/(k-1)) (2)

Число k в уравнениях – это целое число, равное отношению радиуса (R) неподвижной окружности к радиусу (r) катящейся окружности, т.е.: k = R/r.

Число k для каждого колеса, соответствует числу зубьев, и для внутреннего колеса 2 принимается на единицу меньше, чем для наружного колеса 1:

k_В = k_Н -1.

Радиус (r) катящийся окружности одинаковый для внутреннего 2 и наружного 1 колес и равен величине эксцентриситета «е» зубчатой передачи.

R_Н, R_В – радиусы исходных неподвижных окружностей для построения наружной и внутренней гипоциклоид.

R_Н= k_Н • r,

R_В= k_В • r.

Неподвижные окружности смещены друг относительно друга на величину эксцентриситета «е».

На фиг. 2- 4 иллюстрирован процесс построения зубчатого зацепления.

По параметрическим уравнениям (1) и (2) выполняется сначала построение гипоциклоиды 3 наружного колеса, а затем гипоциклоиды 4 внутреннего колеса.

Построенная гипоциклоида 4 внутреннего колеса 2 соприкасается с гипоциклоидой 3 наружного колеса 1 всеми своими вершинами, что является обязательным требованием.

На следующем этапе для каждой гипоциклоиды 3 и 4 строится эквидистанта - линии 5 и 6, соответственно, при этом каждая эквидистанта располагается по отношению к гипоциклоиде внешним образом (см. фиг. 3 - 4).

Под «эквидистантой» понимается линия, равноотстоящая от заданного контура (в нашем случае – от гипоциклоиды) по профильной нормали на заданное расстояние, именуемое в дальнейшем величиной b эквидистанты.

Величина b₁ эквидистанты наружного колеса 1 соответствует радиусу окружности, используемой для ее построения, и выбирается в интервале от 0,5«е» до 2,5«e» , где «е» - величина эксцентриситета.

Величина эквидистанты b₂ внутреннего колеса 2 выбирается меньше величины эквидистанты наружного колеса 1 на величину h = (0,001-0,05)·«е», где «е» - величина эксцентриситета.

Т.е. b₂ = b₁– h = b₁ - (0,001-0,05)«е».

Благодаря такой корректировке профилей, произведенной на стадии проектирования путем использования эквидистант разной величины, обеспечивается собираемость передачи, ее работоспособность и высокая надежность.

При работе без нагрузки в зацеплении всегда находится одна пара зубьев 7,8 (см. фиг. 5, 6), а соседние с ней, по обеим сторонам, несколько пар зубьев располагаются с минимальным зазором f, постепенно увеличивающимся от пары к паре, при этом величина зазора f в секторе зацепления α меньше величины упругой деформации Δz зубьев под расчетной нагрузкой (f< Δz).

При увеличении нагрузки (см. фиг.7), зубья 7 - 8 упруго деформируются, зазоры f, величина которых меньше величины упругой деформации Δz, выбираются, и нагрузка распределяется на соседние пары зубьев в секторе зацепления α, что обеспечивает большую нагрузочную способность и надежность работы передачи.

Предлагаемое гипоциклоидальное зацепление может быть использовано в редукторах или мотор-редукторах, предназначенных для получения высокого передаваемого момента и большого передаточного числа до 200 в одной ступени, способных выдерживать многократные пиковые перегрузки. При этом возможны две разные компоновки зубчатой передачи (редуктора).

В первом примере осуществления передачи вращающий момент передается на наружное колесо 1. Внутреннее колесо 2 выполняет сложнопараллельное движение вместе с эксцентриком без вращения. За каждый полный оборот эксцентрика наружное колесо 1 проворачивается на один шаг. В этом случае передаточное отношение передачи i = k_н.

В другом примере осуществления передачи, наружное колесо 1 неподвижно, вращается внутреннее колесо 2, одновременно совершая сложнопараллельное движение вместе с эксцентриком. За каждый полный оборот эксцентрика внутреннее колесо проворачивается на один шаг. Передаточное отношение передачи i = k_В.

Изобретение относится к машиностроению. Гипоциклоидальное зубчатое зацепление содержит взаимодействующее между собой внутреннее колесо с внешним зубчатым профилем и наружное колесо с внутренним зубчатым профилем, установленные на параллельных осях, смещенных друг относительно друга на величину эксцентриситета. Зубчатые профили обоих колес выполнены в виде эквидистант к нормальным гипоциклоидам. Гипоциклоиды колес построены катящейся окружностью одного радиуса, при этом гипоциклоида внутреннего колеса соприкасается с гипоциклоидой наружного колеса всеми своими вершинами. Радиус катящейся окружности равен эксцентриситету. Профиль зацепления скорректирован за счет уменьшения величины эквидистанты внутреннего колеса относительно величины эквидистанты наружного колеса на величину h, составляющую (0,001-0,05)е, где е - величина эксцентриситета. Обеспечивается увеличение нагрузочной способности и надежности работы передачи, при простоте и технологичности зубчатых профилей. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Гипоциклоидальное зубчатое зацепление, содержащее установленные на параллельных осях, смещенных друг относительно друга на величину эксцентриситета, внутреннее колесо и взаимодействующее с ним наружное колесо с внутренним зубчатым профилем, выполненным в виде эквидистанты к гипоциклоиде, отличающееся тем, что внутреннее колесо выполнено с внешним зубчатым профилем, образованным эквидистантой к гипоциклоиде, построенной катящейся окружностью того же радиуса, что и гипоциклоида наружного колеса, и соприкасающейся с последней всеми вершинами, при этом радиус катящейся окружности равен эксцентриситету, а величина эквидистанты внутреннего колеса меньше величины эквидистанты наружного колеса на величину h, составляющую (0,001-0,05) от величины эксцентриситета.

2. Зацепление по п. 1, отличающееся тем, что величина эквидистанты наружного колеса составляет от 0,5«е» до 2,5«е», где «е» - величина эксцентриситета.