ФРИКЦИОННАЯ ПЛАНЕТАРНАЯ ПЕРЕДАЧА
FRICTION PLANETARY GEAR

Изобретение относится к машиностроению, а именно механическим передачам. Изобретение может найти применение в скважинном оборудовании и других областях, где необходимо минимизировать радиальный габаритный размер.
Известны многопоточные фрикционные планетарные передачи [US 1093922 (fig.2), DE 665767, GB 1311186, DE 665767, SU 528405 и др.], обладающие свойством самонатяжения фрикционных контактов в плоском контуре. Они содержат: эпициклический центральный каток с внутренней фрикционной поверхностью солнечный центральный каток с наружной фрикционной поверхностью; сателлиты, расположенные между двумя центральными катками в два слоя, причем сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с солнечным катком, а сателлиты внешнего слоя взаимодействуют с эпициклическим катком и сателлитами внутреннего слоя; водило, шарнирно связанное с сателлитами внутреннего или внешнего слоя. Основным недостатком данной схемы является малый допуск на изменение размеров тел качения, которое может иметь место в результате износа и упругой деформации. При самом незначительном уменьшении диаметров тел качения сателлиты внешнего слоя «провалятся» между сателлитами внутреннего слоя и эпициклическим катком. Таким образом, подобные передачи ненадежны. Кроме того, как и большинство фрикционных передач, эти передачи имеют сравнительно небольшую нагрузочную способность.
Существуют фрикционные передачи с самонатяжением [US 1093922 (fig.3), US 3380312, US 3848476, US 3945270, US 4481842, GB 1461104, WO 2004/029480 и др.], содержащие: эксцентричные эпициклический каток с внутренней цилиндрической фрикционной рабочей поверхностью и солнечный каток с внешней цилиндрической фрикционной рабочей поверхностью; три ролика-сателлита разного диаметра, взаимодействующие с солнечным и эпициклическим катками; рычажное звено - стойку или водило, несущее оси, на которых закреплены два ролика, и упор для третьего ролика. К износу тел качения такие передачи значительно менее чувствительны, чем предыдущие. Недостатком данной схемы остается сравнительно небольшая нагрузочная способность передачи.
Наиболее близкой предлагаемой по конструкции является фрикционная передача [US 3380312 (fig.6)] - (прототип), которая содержит: эпициклический каток с внутренней рабочей поверхностью, солнечный каток с внешней рабочей поверхностью, водило и тройку сателлитов, расположенных между эпициклическим и солнечным катками, два из которых шарнирно связаны с водилом, а третий, имеющий наибольший диаметр, является плавающим.
Недостаток этой схемы, как и предыдущих, состоит в невысокой нагрузочной способности передачи. Увеличение осевого размера сателлитов повышает нагрузочную способность, но лишь до определенного предела. Слишком длинными сателлиты быть не могут из-за перекосов, возникающих в результате упругой деформации скручивания водила, а также по условиям его прочности.
В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала механических передач, а именно - создание технологичной конструкции фрикционной планетарной передачи, обладающей большой нагрузочной способностью при малых радиальных габаритах.
Достигаемый технический результат - повышение нагрузочной способности передачи без увеличения ее радиальных габаритов.
Предлагаемая фрикционная планетарная передача, содержит эпициклический каток с внутренней рабочей поверхностью, солнечный каток с внешней рабочей поверхностью, водило и тройку сателлитов, расположенных между эпициклическим и солнечным катками в пазах водила, причем, два из этих сателлитов шарнирно связаны с водилом, а третий, имеющий наибольший диаметр, является плавающим. От прототипа передача отличается тем, что содержит повторяющиеся тройки сателлитов, последовательно расположенные в отдельных пазах водила.
Наличие повторяющихся троек (т.е. рядов) сателлитов, работающих одновременно, обеспечивает многократное увеличение нагрузочной способности передачи.
Наиболее технологичной является конструкция, в которой водило представляет собой единую деталь, выполненную в виде стержня, имеющего главный продольный паз для солнечного катка, поперечные пазы для каждого плавающего сателлита и для каждых двух сателлитов, шарнирно связанных с водилом, а также два малых продольных паза для осей сателлитов, которые выходят в главный продольный паз.
В том случае, если передача реверсивная, ось плавающего сателлита каждой тройки сателлитов в своем исходном положении расположена на центральной оси сечения соответствующего поперечного паза, а два сателлита, шарнирно связанные с водилом, имеют одинаковые диаметры.
Если передача заведомо нереверсивная, ее долговечность может быть дополнительно увеличена за счет того, что ось плавающего сателлита каждой тройки сателлитов в своем исходном положении расположена со смещением относительно центральной оси сечения соответствующего поперечного паза, а два сателлита, шарнирно связанные с водилом, имеют разные диаметры.
Для размещения в скважине целесообразно применять конструктивный вариант передачи, в котором эпициклический каток остановлен, а к солнечному катку, совершающему планетарное движение, вращающий момент прикладывается с помощью внешнего устройства, компенсирующего несоосность валов, например, с помощью карданного вала. В других областях применения может оказаться целесообразным эксплуатировать передачу при остановленном водиле.
Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации изобретения. В примере описана передача, в которой водило представляет собой единую, цельную деталь, выполненную в виде стержня, имеющего пазы. Выполнение водила сборным также возможно, но менее предпочтительно.
Пример реализации иллюстрируется чертежами, на которых представлено: на Фиг.1 - продольный осевой разрез устройства, на Фиг.2 и 3 - его поперечные разрезы, на Фиг.4 - водило в поперечном разрезе. На Фиг.5 показан поперечный разрез конструктивного варианта передачи, предназначенной для нереверсивной работы.
На Фигурах обозначено: 1- корпус устройства, 2 - эпициклический каток, 3 - солнечный каток, 4 - водило, 5 - вал водила, 6 и 7 - малые сателлиты, 8 - наибольший (плавающий) сателлит, 9 - осевые выступы на плавающем сателлите, 10 - оси малых сателлитов, 11 - подшипники, 12 - карданный вал, 13 - упорный шарик; главный продольный паз водила, II - поперечный паз для двух малых сателлитов. III - поперечный паз для плавающего сателлита, IV, V - малые продольные пазы для осей сателлитов; е - эксцентриситет эпициклического и солнечного катков.
Фрикционная планетарная передача содержит корпус (стойку) 1, с которым жестко связан эпициклический каток 2, имеющий внутреннюю рабочую поверхность. Солнечный каток 3, имеющий внешнюю цилиндрическую рабочую поверхность, с корпусом не связан (даже вращательной кинематической парой) - он плавающий. Водило 4 выполнено в виде стержня, имеющего главный продольный паз I для солнечного катка 3, и другие пазы. Водило 4 жестко соединено с валом 5, который в данном примере связан с корпусом 1 вращательной кинематической парой. Между эпициклическим 2 и солнечным 3 катками в поперечных пазах II, III водила 4, рядами, по три в каждом ряду, расположены сателлиты 6, 7, 8. Два малых сателлита 6 и 7 в каждой тройке шарнирно связаны с водилом, а третий сателлит 8 тройки, имеющий наибольший диаметр, является плавающим. Для каждой тройки сателлитов в водиле 4 выполнены по два поперечных паза (окна): один (паз II) для плавающего сателлита 8, а другой (паз III) для двух малых сателлитов 6 и 7.
Плавающий сателлит 8 имеет осевые выступы 9 для уменьшения трения по торцу сателлита. Малые сателлиты 6 и 7 установлены на осях 10 с использованием подшипников 11 скольжения (как показано на чертежах) или качения. Водило 4 имеет два малых продольных паза IV, V, которые выходят в главный продольный паз I, для осей 10 сателлитов 6 и 7. На осях 10, в местах сопряжения с малыми пазами IV,V водила, выполнены вырезы (лыски), предотвращающие поворот и осевое смещение этих осей относительно водила. В примере, оси 10 выполнены длинными, общими для всех троек сателлитов, но возможно применение и более коротких осей, стыкующихся в местах их соединения с водилом. Плавающий солнечный каток 3 относительно эпициклического катка 2 и корпуса 1 расположен с эксцентриситетом е и совершает планетарное движение, поэтому вращающий момент к нему прикладывается с помощью внешнего устройства, компенсирующего несоосность валов, например, с помощью карданного вала 12. Для снижения трения между торцами солнечного катка 3 и вала 5, соединенного с водилом, в примере конструкции использован шарик 13.
Работа передачи в режиме редуктора происходит следующим образом. Движение через внешнее приводное устройство 12 подается на солнечный каток 3. Вращаясь, каток 3 за счет сил трения увлекает сателлиты 6, 7, 8, которые обкатываются по неподвижному эпициклическому катку 2. С малых сателлитов 6, 7 через оси 10 движение передается на водило 4. Большой, плавающий сателлит 8 за счет сил трения отклоняется (на Фиг.2 показано пунктиром) от начального положения, в котором его ось лежит в плоскости эксцентриситета е. При этом, сателлит 8 внедряется в клиновое пространство, образуемое катками 2, 3. Такое отклонение обеспечивает возникновение нормальных сил в контактах катков, необходимых для возникновения сил трения. Подобным же образом работает система самонатяжения прототипа и аналогов.
Особенностью предлагаемой передачи является наличие нескольких (многих) троек (т.е. рядов) сателлитов. В общем случае, до начала движения нагрузка между этими тройками распределена неравномерно. При возрастании момента сил сопротивления на валу 5 водила 4, отклонение сателлита 8 наиболее нагруженной тройки от положения равновесия, а соответственно и угол клина, увеличиваются. Это приводит к увеличению упругого скольжения (а в пределе и к возникновению проскальзывания) в данной тройке сателлитов. В работе начинают участвовать другие тройки сателлитов, которые, в силу своего углового положения, первоначально окружную нагрузку не воспринимали. В результате, общая нагрузочная способность передачи многократно возрастает.
Конструкция деталей редуктора, в первую очередь водила 4, позволяет сделать редуктор весьма длинным, например, содержащим десятки троек (рядов) сателлитов. Нагрузочная способность такого фрикционного редуктора будет превышать нагрузочную способность зубчатого планетарного редуктора с одним рядом сателлитов равных радиальных габаритов.
Когда передача нереверсивная (см. Фиг.5), ось плавающего сателлита 8 каждой тройки сателлитов в своем исходном положении расположена со смещением относительно центральной геометрической оси сечения соответствующего поперечного паза II. При этом для выравнивания площади сечения двух частей тела водила 4, два малых сателлита 6 и 7, шарнирно связанные с водилом, имеют разные диаметры. В такой конструкции допустимый окружной ход плавающего сателлита 8 увеличивается. Это увеличивает допуск на износ тел качения. В результате повышается долговечность редуктора.