ПЛАНЕТАРНЫЙ МЕХАНИЗМ
PLANETARY GEAR

Изобретение относится к планетарным механизмам и предназначено для использования, в частности, в планетарных передачах типа K-H-V (по классификации, принятой в книге В.Н. Кудрявцев. Планетарные передачи. - М.: Машиностроение, 1966 г., стр.10-11) с центральной осью передачи, лежащей внутри основной окружности планетарного колеса. Предлагаемый механизм предназначен для обеспечения орбитального движения планетарного колеса в таких передачах. Планетарный механизм может найти применение и в других конструкциях, где требуется орбитальное движение кольца, например, в механизмах преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное.
Традиционно орбитальное движение колеса обеспечивается эксцентриком на входном валу, на котором с возможностью вращения посажено планетарное колесо (см. там же стр.10-11).
Известна дифференциальная планетарная передача RU 2153612, предназначенная для преобразования вращательного движения ведущего звена во вращательно-вращательное движение ведомого звена. Передача содержит центральное колесо внешнего зацепления - ведущую шестерню, центральное колесо внутреннего зацепления, водило с установленными на них сателлитами. Центральное колесо внешнего зацепления смещено относительно оси центрального колеса с внутренним зацеплением на заданную величину эксцентриситета е за счет применения сателлитов разного диаметра. При этом все сателлиты находятся в зацеплении с обоими центральными колесами. Колесо внутреннего зацепления посажено в эксцентриковых подшипниках относительно оси шестерни. Ось водила совмещена с осью ведущей шестерни. Описанная передача преобразует вращательное движение ведущего звена в сложное вращательно-вращательное движение ведомого звена и предназначена для использования в смесителях, полировальных и др. подобных устройствах. Кроме того, передача имеет жесткие условия существования по числу зубьев колес, что резко ограничивает возможности ее использования.
За прототип нами выбран механизм по патенту на полезную модель №63476, как наиболее близкий по конструктивному исполнению и по назначению и выполняемым функциям. В патенте предложен механизм, обеспечивающий орбитальное движение выходного звена и названный авторами эксцентриковым подшипником. Эксцентриковый подшипник, кроме функции эксцентрика, выполняет также функцию редуктора. Эксцентриковый подшипник, по сути, представляет собой планетарный механизм, и содержит наружное кольцо - зубчатое колесо внутреннего зацепления и расположенную внутри него входную шестерню. Наружное кольцо посажено эксцентрично относительно входной шестерни с помощью, по меньшей мере, трех сателлитов разного диаметра. Сателлиты снабжены зубчатыми венцами, которые находятся в зацеплении с наружным кольцом и с входной шестерней. Наружное кольцо жестко связано с кронштейном, образуя совместно с ним шатун, который шарнирно связан с ползуном, взаимодействующим со стойкой. Эта связь предотвращает вращение наружного кольца вокруг собственной оси, но позволяет ему совершать орбитальное движение, тем самым преобразуя его в колебательное возвратно-поступательное движение ползуна.
Для увеличения нагрузочной способности наружное кольцо, входная шестерня и сателлиты кроме зубчатых венцов имеют цилиндрические беговые дорожки, диаметр которых равен диаметрам делительных окружностей соответствующих венцов. Благодаря этому цилиндрические беговые дорожки контактируют попарно друг с другом.
Данный механизм имеет ограничения по передаточному отношению, обусловленные необходимостью соблюдать все условия существования планетарного ряда. В частности речь идет об условии сборки, которое накладывает жесткие ограничения на возможные числа зубьев внутренней шестерни, наружного зубчатого кольца и всех трех сателлитов. Кроме того, прототип имеет ограничения по величине эксцентриситета, которая определяется соотношением диаметров большего и меньших сателлитов. Учитывая ограничения по числам зубьев, в реальности можно обеспечить не любой эксцентриситет, а лишь их ограниченное число.
Задачей изобретения является создание простого в сборке планетарного механизма, обеспечивающего повышенное передаточное отношение и больший эксцентриситет.
Технический результат изобретения заключается в исключении влияния на планетарный механизм условия сборки.
Для решения поставленной задачи планетарный механизм, как и прототип, содержит наружное кольцо, входную шестерню и сателлиты разного диаметра, снабженные зубчатыми венцами. Наружное кольцо снабжено механизмом, предотвращающим его свободное вращение вокруг собственной оси. В отличие от прототипа, все сателлиты посажены на одно свободное водило, причем таким образом, что сателлит большего размера находится в одновременном зацеплении с шестерней и наружным кольцом и выполнен размером, обеспечивающим эксцентричное смещение наружного кольца относительно центральной оси. Сателлиты меньшего размера зацепляются только с наружным кольцом. Очевидно, что при таком выполнении механизм может обеспечивать любой эксцентриситет, так как он определяется лишь размерами шестерни и большего сателлита. Сателлиты меньшего размера могут быть выполнены с любым числом зубьев. Число зубьев будет зависеть только от радиуса водила, который выбирают, учитывая геометрические размеры механизма (диаметр наружного кольца и величину эксцентриситета).
Для увеличения нагрузочной способности целесообразно все зубчатые венцы, как и в прототипе, дополнить цилиндрическими беговыми дорожками, которые имеют диаметры, равные соответственным начальным окружностям зубчатых венцов. В этом случае зубья служат для определения углового положения колес друг относительно друга, а беговые цилиндрические дрожки шестерни, большего и меньших сателлитов, и наружного кольца, опираясь друг на друга, передают основную нагрузку.
Такого же результата можно добиться, если зубья зубчатых венцов всех колес выполнить с опорными поверхностями цилиндрической формы. Опорные поверхности колес, находящихся в зацеплении, контактируют друг с другом и благодаря их цилиндрической форме перекатываются друг по другу, обеспечивая силовой контакт.
Предлагаемый планетарный механизм может быть использован в качестве эксцентрика и предварительной ступени в любой планетарной передаче типа K-H-V. Рассмотрим предлагаемый механизм на примере его использования в шариковых или роликовых редукторах, например таких как описаны в SU 1477964 или в RU 2029172.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, на которых изображено:
На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемого планетарного механизма.
На фиг.2 пример использования планетарного механизма в роликовой передаче с промежуточными телами качения.
На фиг.3 представлена часть продольного сечения планетарного механизма, у которого зубчатые венцы дополнены цилиндрическими опорными беговыми дорожками.
На фиг.4 показаны профили зубьев с опорными цилиндрическими поверхностями на вершинах и впадинах зубьев соответственно.
Планетарный механизм, представленный на фиг.1, содержит входную шестерню 1 и наружное кольцо 2 с зубчатым венцом 3, совершающее орбитальное движение вокруг входной шестерни 1 благодаря эксцентричной посадке с помощью сателлитов 4 и 5 разного размера с зубчатыми венцами. Сателлит 4 большего размера находится в зацеплении с шестерней 1 и наружным кольцом 2, а сателлиты 5 меньшего размера зацепляются только с наружным кольцом 2, причем все три сателлита посажены на одно свободное водило 6. Размер большего сателлита 4 выбран таким образом, чтобы наружное колесо 2 было смещено относительно центральной оси O механизма на эксцентриситет e. Все зубчатые колеса расположены в одной плоскости. Наружное кольцо 2 снабжено механизмом, предотвращающим его свободное вращение вокруг собственной оси. На фиг.1 этот механизм выполнен в виде ползуна 7, шарнирно связанного с наружным кольцом 2 и расположенного в продольной прорези 8.
В роликовом редукторе, представленном на фиг.2, содержащем корпус 9 с быстроходным и тихоходным валами, заявляемый планетарный механизм выполняет роль эксцентрика и предварительной ступени. Предварительная ступень содержит входную шестерню 1, посаженную на быстроходный вал, водило 6, сателлиты 4 и 5 и наружное колесо 2 с зубчатым венцом 3. Водило 6 посажено на подшипниках 10 с возможностью свободного вращения вокруг общей оси редуктора. Все сателлиты 4 и 5 посажены с помощью подшипников 11 и 12 на одно свободное водило 6 таким образом, что сателлит 4 находится в зацеплении с шестерней 1 и наружным кольцом 2, а сателлиты 5 зацепляются только с наружным кольцом 2. Размер сателлита 4 выбран таким образом, чтобы наружное кольцо 2 было смещено относительно оси O редуктора на эксцентриситет e. Меньшие сателлиты 5 служат только для геометрической фиксации эксцентричного положения наружного кольца 2, смещения от этого положения возникают из-за наличия зазора в зацеплении, который всегда присутствует в реальной конструкции. Внешняя окружность наружного кольца 2 планетарного механизма снабжена механизмом, который не дает возможности поворачиваться кольцу вокруг собственной оси. Этот механизм представляет собой профиль с лунками 13, находящимися в постоянном контакте с роликами 14. Ролики 14 посажены в прорезях сепаратора 15. В свою очередь, ролики 14 зацепляются с венцом внутреннего зацепления 16, посаженным в корпусе 9.
Описанный шариковый редуктор с одним наружным колесом предлагаемого планетарного механизма обладает большой неуравновешенной массой и требует применения противовесов. Кроме того, определенные положения колеса являются мертвыми точками, переход через них обеспечивается только его инерционной массой. Чтобы устранить эти проблемы, редуктор целесообразно делать больше чем с одним наружным кольцом, например двумя или тремя, расположенными вдоль одной оси и повернутыми друг относительно друга на одинаковые углы. Внутри каждого кольца расположены ряды сателлитов разного диаметра, также повернутые друг относительно друга. Два колеса повернуты друг относительно друга на 180 градусов, а три - на 120 градусов, что обеспечивается посадкой сателлитов большего размера со смещением друг относительно друга на те же углы. Кроме того, по длине сквозь все последовательно расположенные ряды наружных колец с сателлитами проходит одна общая входная шестерня.
В предлагаемом механизме зубчатые венцы наружного колеса 2 и сателлитов 4 испытывают дополнительные радиальные нагрузки, которых нет в обычном планетарном механизме. Предлагается эти нагрузки перенести с зубьев на цилиндрические опорные поверхности (см. фиг.3). Здесь шестерня 1, кроме зубчатого венца 17, имеет также цилиндрическую поверхность 18. Соответственно, больший сателлит 4 кроме зубчатого венца 19, находящегося в зацеплении с венцом 17 шестерни 1, имеет цилиндрическую поверхность 20, непосредственно контактирующую с цилиндрической опорной поверхностью 18 шестерни 1. Точно также наружное колесо 2 кроме венца внутреннего зацепления 3 имеет также внутреннюю цилиндрическую опорную поверхность 21, контактирующую с цилиндрической опорной поверхностью 20 сателлита 4. Причем цилиндрические опорные поверхности зацепляющихся колес имеют диаметры, равные соответственным начальным окружностям зубчатых венцов. Таким образом, зубчатые венцы 3, 17 и 19 отвечают только за угловое положение сателлита 4 и наружного кольца 2, а всю радиальную нагрузку несут опорные цилиндрические поверхности 18, 20 и 21, опирающиеся друг на друга.
На фиг.4 эта же задача разгрузки зубьев венцов решена иным образом. Здесь все находящиеся в зацеплении профили 3, 17 и 19 наружного кольца 2, шестерни 1 и сателлита 4 модифицированы так, чтобы перенести радиальную нагрузку с рабочей боковой поверхности зуба. Для этого вершины и впадины зубьев венцов, находящихся в зацеплении, выполнены в форме цилиндрических поверхностей, которые контактируют друг с другом, воспринимая радиальную нагрузку. Так, для пары венцов 3 и 19 вершины зубьев венца 19 выполнены по цилиндрической поверхности 22, которая контактирует с цилиндрической поверхностью 23, по которой выполнены впадины между зубьями венца 3. Соответственно вершины зубьев венца 3 выполнены по цилиндрической поверхности 24, контактирующей с цилиндрической поверхностью 25 впадин зубьев венца 19. Аналогично по цилиндрическим поверхностям 26 и 27 выполнены вершины и впадины зубьев венца 17. При этом поверхность вершин 26 венца 17 контактирует с поверхностью впадин 25 венца 19, а вершины зубьев венца 19, выполненные по цилиндрической поверхности 22, контактируют с поверхностью впадин 27 венца 17.
1
2
1
2
16
1
2
16
1
2
Рассмотрим работу предлагаемого планетарного механизма на примере роликового редуктора, изображенного на фиг.2. При вращении входного быстроходного вала начинает вращаться шестерня 1 планетарного механизма. Вращение входной шестерни 1 вызывает вращение зацепляющегося с нею большего сателлита 4. Сателлит 4 одновременно зацепляется и с внутренней поверхностью колеса 2. Но вращение сателлита 4 не может вызвать вращение наружного колеса 2 вокруг собственной оси, так как последнее фиксировано от вращения лунками 13 с посаженными в них роликами 14. Вращение сателлита 4 в этих условиях приводит к его обкатыванию по колесу 2 и вращению свободного водила 6. Т.е. ось сателлита 4 начинает вращаться вокруг оси редуктора. Перемещение сателлита 4, обеспечивающего эксцентричную посадку колеса 2, вызывает орбитальное перемещение последнего вокруг оси редуктора. Последующая работа роликового редуктора не отличается от работы обычного роликового редуктора с эксцентриком на входном валу. Движение наружного колеса 2 вызывает в цепочке роликов 14 волну перемещений вдоль радиуса. Взаимодействуя с неподвижным венцом 16, ролики начинают обкатывать венец 16 и вызывают вращение сепаратора 15, которое передается тихоходному валу. Передаточное отношение от шестерни 1 к водилу 6 (и к наружному кольцу 2), т.е. первой ступени, определяется, как и в обычной планетарной передаче, как i=1+z/z. Передаточное отношение непосредственно роликовой ступени определяется как i=z, где z, z и z - число зубьев шестерни 1, наружного колеса 2 и венца 16 соответственно. Таким образом, суммарное передаточное отношение определяется как ∑i=i×i
Сателлиты 5 предварительной ступени сидят на водиле 6 и находятся в зацеплении только с внутренней поверхностью 3 колеса 2. Тем самым сателлиты 5 обеспечивают колесу 2 дополнительные две точки опоры по его внутренней поверхности 3. Несмотря на то что положение колеса 2 в пространстве определено и без этих сателлитов 5 за счет его зацепления механизмом 13 с роликами 14 сепаратора 15, при погрешностях в изготовлении возможно смещение диска 2 от теоретического расчетного положения. Для устранения этих проблем и предусмотрены опорные сателлиты 5, которые к тому же уменьшают дисбаланс масс в предварительной ступени редуктора.
Таким образом, сателлиты 5, посаженные на свободное водило 6 и зацепляющиеся только с внутренней поверхностью 3 наружного кольца 2, исключают влияние условий сборки на работу планетарного механизма, позволяют расширить диапазон возможных эксцентриситетов планетарного механизма, чем и достигается технический результат изобретения. Кроме того, число зубьев меньших сателлитов 5 определяется только радиусом водила и не зависит от числа зубьев шестерни 1. А также дополнение всех зубчатых венцов 3, 17 и 19 цилиндрическими беговыми дорожками 21, 18 и 20 соответственно или выполнение зубьев зубчатых венцов 3, 17 и 19 с опорными поверхностями цилиндрической формы 23 и 24, 26 и 27, 22 и 25, соответственно, позволяет увеличить нагрузочную способность планетарного механизма.