Планетарная передача с предварительной ступенью
PLANETARY GEAR WITH PRESTAGE

Изобретение относится к планетарным передачам типа K-H-V (по классификации, принятой в книге В.Н. Кудрявцева. Планетарные передачи. Машиностроение, М. 1966 г., стр. 10-11) с центральной осью передачи, лежащей внутри основной окружности планетарного колеса. Передачи такого типа в России используются в так называемых планетарно-цевочных редукторах, а за рубежом они известны как передачи типа CYCLO. Передачи типа K-H-V в самом общем случае содержат установленные в корпусе входной вал с эксцентриком и выходной вал. На эксцентрик с возможностью вращения посажено планетарное колесо, сопрягающееся с неподвижным колесом внутреннего зацепления. Планетарное колесо связано с выходным валом механизмом передачи вращения между параллельными валами, оси которых могут иметь относительное перемещение, например, механизмом параллельных кривошипов. Для повышения передаточного отношения такой передачи в планетарном редукторе по патенту RU 2161278, к передаче типа K-H-V добавлена предварительная планетарная ступень. Она представляет собой шестерню на входном валу, зацепляющуюся через сателлит с колесом внутреннего зацепления, которое в свою очередь связано с эксцентриковым валом передачи K-H-V. Такая конструкция имеет большие осевые размеры.
Описанная в патенте RU 2506477 планетарная передача снабжена предварительной ступенью, выполняющей одновременно функцию эксцентрика. Предварительная ступень расположена внутри передачи типа K-H-V и содержит входную шестерню, сателлиты разного диаметра, а также колесо внутреннего зацепления, которое одновременно является планетарным колесом второй ступени передачи. Все сателлиты посажены на одно свободное водило таким образом, что сателлит большего размера находится в одновременном зацеплении с шестерней и планетарным колесом внутреннего зацепления и выполнен размером, обеспечивающим эксцентричное смещение этого колеса относительно центральной оси. Сателлиты меньшего размера выполнены таким диаметром, что находятся в зацеплении только с планетарным колесом внутреннего зацепления и не связаны с входной шестерней. Изобретение позволяет уменьшить осевой размер передачи, расширить диапазон возможных размеров эксцентриситета. Однако в этом механизме существует большая радиальная нагрузка, которая передается через зубья шестерни, сателлитов и планетарного колеса, вследствие чего предельная величина нагрузки ограничена прочностью зубьев. Для увеличения нагрузочной способности все зубчатые венцы дополняют 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 дорожки шестерни, большего и меньших сателлитов, и планетарного колеса, опираясь друг на друга, передают основную радиальную нагрузку. Основными недостатками передачи являются повышенные требования к точности изготовления и посадки сателлитов на водило, так как в противном случае, возможен большой люфт передачи. Кроме того, наличие трех сателлитов усложняет конструкцию и увеличивает ее себестоимость.
Указанных недостатков лишена планетарная передача с предварительной ступенью по патенту RU 2677952 по схеме на фиг. 2 указанного патента, которая выбрана за прототип. Передача содержит корпус с соосными входным и выходным валами, центральную шестерню на входном валу передачи, с которой в зацеплении находится сателлит, посаженный на свободное водило. Сателлит в свою очередь, находится в зацеплении с планетарным колесом внутреннего зацепления. Планетарное колесо посажено на подшипниках на эксцентричный участок водила. Планетарное колесо выполнено с наружным венцом, который находится в зацеплении с внутренним венцом неподвижного дополнительного центрального колеса. Планетарное колесо снабжено механизмом передачи вращения между параллельными валами, оси которых имеют относительное перемещение. В частности, на фиг. 2 в прототипе этот механизм представлен вторым зубчатым наружным венцом на планетарном колесе, который находится в зацеплении со вторым колесом внутреннего зацепления на выходном валу передачи. В этой передаче предварительная ступень, также как и в предыдущей передаче, расположена внутри планетарного колеса, а функцию эксцентрика выполняет посадка планетарного колеса на эксцентричный участок свободного водила. Здесь следует отметить, что в этой передаче выходным звеном может служить дополнительное центральное колесо внутреннего зацепления. Тогда неподвижным звеном, связанным с корпусом передачи, должен служить механизм передачи вращения между параллельными валами, в данном конкретном случае неподвижным должно быть второе колесо внутреннего зацепления.
В прототипе передаточное отношение предварительной ступени определяется отношением числа зубьев венца внутреннего зацепления планетарного и числа зубьев шестерни на входном валу, и ограничено радиальными размерами планетарного колеса. Для увеличения общего передаточного отношения планетарной передачи при той же нагрузочной способности необходимо увеличивать радиальные размеры механизма, что не всегда допустимо.
Техническим результатом изобретения является увеличение передаточного отношения без изменения габаритов передачи.
Технический результат достигается тем, что планетарная передача с предварительной ступенью, как и прототип, содержит корпус с входным и выходным валами. Планетарное колесо внутреннего зацепления посажено на подшипниках на эксцентричный участок свободного водила. Планетарное колесо имеет венец внутреннего зацепления, которым оно взаимодействует с предварительной ступенью. Планетарное колесо выполнено с наружным венцом, который находится в зацеплении с внутренним венцом дополнительного центрального колеса. Планетарное колесо снабжено механизмом передачи вращения между параллельными валами, оси которых имеют относительное перемещение. Предварительная ступень представлена центральной шестерней на входном валу передачи, с которой в зацеплении находится сателлит, посаженный с возможностью вращения на свободное водило. При этом дополнительное центральное колесо внутреннего зацепления и механизм передачи вращения между параллельными валами могут выполнять функции как ведомого, так и неподвижного звеньев, соответственно.
В отличие от прототипа планетарное колесо выполнено с двумя одинаковыми внутренними венцами, сателлит выполнен в виде сателлитного блока из трех зубчатых колес, жестко связанных между собой. При этом колесо большего размера, расположенное в середине блока, зацепляется с центральной шестерней на входном валу, а боковые колеса меньшего размера находятся в зацеплении с внутренними венцами планетарного колеса.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемой планетарной передачи, где дополнительное центральное колесо внутреннего зацепления связано с корпусом, а с выходным валом связан механизм передачи вращения между параллельными валами, выполненный в виде дополнительной зубчатой передачи. На фиг. 2 приведена схема предлагаемой передачи, в которой механизм передачи вращения между параллельными валами, оси которых имеют относительное перемещение, выполнен в виде механизма параллельных кривошипов. На фиг. 3 представлена схема, отличающаяся от схемы на фиг. 2 только тем, что наружный зубчатый профиль планетарного колеса и механизм параллельных кривошипов совмещены в одной плоскости планетарного колеса. На фиг. 4 представлен продольный разрез варианта передачи, схема которого изображена на фиг. 1. Этот вариант выполнен в виде модуля, в котором дополнительное центральное колесо внутреннего зацепления может служить как корпусным, так и выходным элементом. При этом дополнительная зубчатая передача становится в первом случае выходным элементом, а во втором случае она связана с неподвижным элементом - корпусом.
е
Передача на фиг. 1 содержит корпус 1, входной 2 и выходной 3 валы. Входной 2 и выходной 3 валы с помощью подшипников 4 и 5 посажены в корпусе 1, и базируются друг относительно друга с помощью подшипника 6. На входном валу 2 жестко закреплена центральная шестерня 7. Шестерня 7 находится в зацеплении с колесом 8 сателлитного блока. Сателлитный блок представляет собой вал 9, посаженный с возможностью вращения на свободное водило 10 с помощью подшипников 11. Свободное водило 10 с помощью подшипников 12 посажено в корпусе, а подшипниками 13 центрируется с выходным валом 3. На валу 9 кроме колеса 8, расположенного посередине сателлитного блока, симметрично по обе стороны от колеса 8 жестко закреплены два колеса 14 меньшего диаметра. Эти колеса, в свою очередь, находятся в зацеплении с двумя внутренними венцами 15 планетарного колеса 16. Планетарное колесо 16 посажено на подшипниках 17 на свободное водило 10 эксцентрично относительно центральной оси ОО1 передачи с эксцентриситетом . Планетарное колесо 16 кроме двух зубчатых венцов внутреннего зацепления 15 имеет еще зубчатый венец наружного зацепления 18. Этот венец находится в зацеплении с венцом внутреннего зацепления дополнительного центрального колеса 19. В данном варианте это колесо связано с корпусом 1 и является неподвижным. Планетарное колесо 16 связано с выходным валом 3 дополнительной зубчатой передачей, образованной зубчатым колесом внутреннего зацепления 20 и дополнительным венцом наружного зацепления 21 на планетарном колесе 16. Эта передача выполняет функцию механизма передачи вращения между параллельными валами.
Передача на фиг. 2 отличается от передачи на фиг.1 только тем, что механизм передачи вращения между параллельными валами выполнен в виде механизма параллельных кривошипов. Он представляет собой отверстия 22 в планетарном колесе 16 и пальцы 23, диаметр которых меньше диаметра отверстий 22 на величину 2-х эксцентриситетов планетарного колеса 16. Пальцы 23 связаны с выходным валом 3.
Передачи на фиг. 1 и 2 обе имеют относительно небольшие радиальные габариты. При этом за счет того, что у планетарного колеса 16 плоскости зубчатого венца наружного зацепления 18 и механизма передачи вращения между параллельными валами (зубчатая передача 20-21 на фиг. 1 и механизм параллельных кривошипов 22-23 на фиг. 2) разнесены вдоль оси, эти передачи имеют увеличенные осевые габариты.
Передача на фиг. 3 реализует тот же принцип, что и передача на фиг. 2. Единственное отличие заключается в том, что у планетарного колеса 16 плоскости зубчатого венца наружного зацепления 18 и механизма параллельных кривошипов с отверстиями 22 и пальцами 23 совмещены. За счет этого передача имеет уменьшенные осевые габариты. Но при этом для сохранения той же нагрузочной способности необходимо увеличивать радиусы расположения отверстий 22 и пальцев 23, т.е. увеличивать радиальные габариты передачи.
Во всех схемах предложенной планетарной передачи предварительная ступень выполнена двухступенчатой. Первую ступень составляют центральная шестерня 7 и сателлит 8. Вторую ступень образуют сателлиты 14, находящиеся в зацеплении с зубчатыми венцами внутреннего зацепления 15 планетарного колеса 16. В результате, при минимальных изменениях габаритов может быть значительно увеличено передаточное отношение
Передача на фиг. 4 реализует схему, изображенную на фиг.1, и представляет собой самостоятельный модуль, который удобно встраивать в различные механизмы, меняя местами неподвижное (корпусное) и выходное звенья. При этом в очень небольших пределах меняется передаточное отношение, но, что может быть важно для ряда применений, и направление вращения. При описании фиг. 4 мы для простоты в дальнейшем будем применять термины «корпус» и «выходной вал», однако имея в виду, что они могут поменяться функциями. Т.е. корпус может стать выходным звеном, а выходной вал неподвижным звеном.
Итак, модуль на фиг. 4 содержит корпус 1, в котором на подшипнике 4 установлен входной вал 2 и на подшипнике 5 выходной вал 3. Для устранения консольной нагрузки противоположный конец входного вала 2 на подшипнике 6 установлен в выходном валу 3. На входном валу 2 жестко посажена центральная шестерня 7, которая находится в зацеплении с сателлитом 8, который жестко посажен на валу 9, и вместе с сателлитами 14 меньшего размера образует сателлитный блок. Вал 9 посажен на подшипниках 11 в свободном водиле 10. На водиле 10 на подшипниках 17 эксцентрично посажено планетарное колесо 16. Оно имеет два зубчатых венца внутреннего зацепления 15, и два венца наружного зацепления 18 и 21. Венцы 15 находятся в зацеплении с малыми колесами 14 сателлитного блока. Венец наружного зацепления 18 находится в зацеплении с венцом внутреннего зацепления 19, выполненным на внутренней поверхности корпуса 1. Второй венец 21 планетарного колеса 16 зацепляется с зубчатым венцом внутреннего зацепления 20, выполненным на внутренней поверхности выходного вала, образуя дополнительную зубчатую передачу. Корпус 1 и выходной вал 3 снабжены элементами крепления 24, 25 с помощью которых они могут крепиться либо к неподвижному элементу, либо к исполнительному органу.
Рассмотрим работу передачи, изображенной на фиг.1 и фиг.4, где корпус 1 соединен с неподвижным элементом с помощью крепежных отверстий 24. Вращение входного вала 2 через шестерню 7 и сателлит 8 сателлитного блока передается на вал 9, который вращается и одновременно совершает планетарное движение. Это первая ступень предварительной передачи. Вместе с валом 9 вращаются и зубчатые колеса 14 сателлитного блока, находящиеся в зацеплении с венцами внутреннего зацепления 15 на планетарном колесе 16. Планетарное колесо 16 своим внешним венцом 18 зацепляется с неподвижным венцом 19. В результате этих взаимодействий вал 9 с сателлитами 14 кроме вращения вокруг собственной оси, обкатывается по венцам внутреннего зацепления 15 планетарного колеса 16. Планетарное колесо 16 начинает обкатываться по неподвижному колесу внутреннего зацепления 19, одновременно совершая вращение вокруг собственной оси. Это вращение с помощью зубчатого зацепления 21-20 передается к выходному валу.
Передаточное отношение i предлагаемой передачи определяется как , где z число зубьев колеса, подстрочный индекс у z соответствует номеру позиции колеса на фиг. 4.
7
8
14
15
18
19
21
20
изобретения
Так в передаче, изображенной на фиг. 4 наружные размеры венца 18 планетарного колеса 16, которые определяют радиальные размеры передачи, составляют 102 мм. Число зубьев шестерни z= 17, сателлита z = 42, сателлитов z = 16, а число зубьев двух венцов 15 внутреннего зацепления на планетарном колесе 16 z =85. При числе зубьев венцов наружного зацепления 18 и 19 на планетарном колесе 16 z= 52 и z= 53, и числах зубьев, z=z  =35 общее передаточное отношение i = 747,6.
прототипа
Передаточное отношение у прототипа при тех же габаритных размерах и той же толщине зуба, которая определяет нагрузочную способность передачи, составляет i = 364. Т.е. предлагаемое решение позволяет более чем в два раза увеличить передаточное отношение при равных габаритах и нагрузочной способности. Это особенно важно, при использовании передачи в таких областях, как: робототехника, авиакосмическое оборудование, точное приборостроение, станкостроение, грузоподъемная техника, приводы трубопроводной арматуры.