Планетарный редуктор
PLANETARY REDUCTOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в приводах машин и силовых механизмов для передачи высоких силовых нагрузок при обеспечении больших передаточных чисел.
Известны планетарные зубчатые передачи с внешним и внутренним зацеплением, содержащие два центральных колеса с подвижным внешним и неподвижным внутренним зацеплением, кинематически связанные между собой тремя сателлитами с присоединенным к осям сателлитов водилом (Иванов М.Н., Иванов В.Н. Детали машин. М.: Высшая школа, 1975. - с. 148…, 158, рис. 5.25).
К недостаткам данной передачи относится значительное трение скольжения в зубьях, наличие неравномерных зазоров в сателлитах, вследствие этого низкий КПД и небольшое передаточное отношение, равное отношению диаметров центральных колес.
Известна зубчатая передача, содержащая зубчатые колеса с впадинами и промежуточные элементы, размещенные в последних, отличающаяся тем, что с целью увеличения нагрузочной способности при одновременном сохранении габаритных размеров каждый промежуточный элемент выполнен в виде шарика с центральным отверстием, а передача снабжена стержнем, пропущенным через отверстия (SU 1173100, F16H 1/24, опубл. 15.08.1985).
Данная передача имеет низкое передаточное отношение и неуравновешена.
Известна планетарная шариковая передача, содержащая два центральных диска с расположенной между ними плавающей шайбой, свободно посаженной на эксцентрик, на обоих торцах плавающей шайбы выполнены замкнутые периодические дорожки качения, взаимодействующие посредством двух цепочек шариков с периодическими элементами на обращенных к плавающей шайбе поверхностях дисков. Периодические элементы на центральных дисках выполнены в виде лунок, в которые посажены шарики с зазорами, обеспечивающими свободное вращение шариков (RU 2253777, F16H 25/06, F16H 13/08, опубл. 10.06.2005).
Данная передача динамически неуравновешена, имеет эксцентрик, являющийся источником динамических колебаний привода в целом, а также имеет малое передаточное отношение, определяемое соотношением периодов дорожек качения, и низкую нагрузочную способность, ограниченную двумя зацеплениями шариков, передающих крутящий момент и низкий КПД из-за трения в сепараторе.
В качестве прототипа выбрана планетарная зубчатая передача (RU 2017032, F16H 1/48, опубл. 30.07.1994), которая содержит ведущий и ведомый валы, подвижное центральное колесо с внешними зубьями, неподвижное центральное колесо с внутренними зубьями и водило с тремя сателлитами. Подвижное центральное колесо с внешними зубьями выполнено составным из основного колеса, жестко соединенного с ведущим валом, и двух дополнительных колес, соосно установленных на ведущем валу с возможностью регулировки и последующего жесткого соединения с основным колесом, для взаимодействия каждого колеса с соответствующим сателлитом. Это позволяет повысить КПД и ресурс за счет обеспечения равномерности нагрузки на сателлиты путем выравнивания начальных зазоров в зацеплении передачи.
Основным недостатком прототипа является сложность регулировки зазоров в сателлитах, невысокое передаточное отношение, определяемое как отношение радиусов центральных колес, низкая нагрузочная способность, ограниченная формой пятна контакта в зацеплении. Для увеличения передаточного отношения необходимо значительно увеличивать диаметр колеса внутреннего зацепления, что приводит к резкому увеличению габаритных размеров и массы передачи.
Таким образом, задачей изобретения является повышение нагрузочной способности, передаточного отношения и КПД редуктора при одновременном повышении ресурса работы и уменьшении его габаритных размеров и исключение необходимости выравнивания начальных зазоров в передаче.
2
2
1
1
1
2
1
2
1
2
Поставленная задача решается тем, что в планетарном редукторе, содержащем установленные соосно и подвижно в опорах корпуса ведущий и ведомый валы, неподвижное центральное колесо, водило с тремя одинаковыми сателлитами, установленными на шипах водила с возможностью вращения вокруг своих осей и симметрично относительно общей продольной оси вращения валов, согласно техническому решению сателлиты выполнены двухступенчатыми с различными диаметрами ступеней, внешние ступени сателлитов выполнены с большим по отношению к внутренним ступеням диаметром и имеют n полусферических углублений, расположенных концентрично по делительной окружности с шагом t, контактирующих с основанием корпуса, имеющим n ответных полусферических углублений, выполненных по окружности внутреннего торца неподвижного центрального колеса, посредством n шариков диаметром d, установленных в полусферических углублениях неподвижного центрального колеса, причем внутренний конец входного вала установлен в радиальном подшипнике, расположенном в теле внутреннего торца выходного вала, а внешний конец входного вала установлен в радиальных подшипниках крышки корпуса, прикрепленной с помощью разъемного соединения к неподвижному центральному колесу, выполняющему функцию основания корпуса, на максимальной диаметральной ступени внутреннего торца выходного вала выполнено m полусферических углублений, расположенных концентрично по делительной окружности с шагом t, с установленными в них шариками диаметром d, которые ответной частью полусферы входят в полусферические углубления, выполненные в количестве m+1 на малой ступени двухступенчатых сателлитов, установленных посредством подшипников на сателлитных осях, расположенных под углом 120° относительно общего центра вращения и под углом α к продольной оси водила относительно входного вала, выполненного заодно с водилом, имеющим две полуторовые проточки с диаметрами торов d и d, выполненные на торцевой поверхности основания водила концентрично продольной оси водила на расстояниях с диаметрами делительной окружности соответственно D и D, контактирующие с установленными в полусферических углублениях неподвижного центрального колеса шариков соответственно диаметрами d и d, образуя сдвоенный упорный подшипник в промежутках между сателлитами, причем сателлиты имеют коническую форму с углом конуса у обеих ступеней γ при значениях угла α менее 90°.
На фиг. 1 изображен планетарный редуктор.
На фиг. 2 показано зацепление колес для передачи крутящего момента.
На фиг. 3 в разрезе показана конструкция опоры водила.
На фиг. 4 показано водило, вид снизу.
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
1
2
Планетарный редуктор содержит разъемный корпус 1, состоящий из основания 3 и крышки 2, и установленный в нем посредством радиальных подшипников 4 и 5 выходной ступенчатый вал 6. На выходном внешнем конце ступенчатого вала 6 выполнены шлицы 7, а на его внутреннем торце осевое углубление 8, в котором установлены игольчатые подшипники 9. На внутреннем торце максимальной диаметральной ступени выходного вала 6 выполнено также m полусферических углублений, расположенных концентрично по делительной окружности диаметром D с шагом t, в которых установлены шарики 10 диаметром d. Ответной частью полусферы шарики 10 входят в полусферические углубления, выполненные в количестве m+1 на внутренней ступени двухступенчатых сателлитов 11, установленных посредством подшипников 12 на сателлитных осях 13, под углом α к оси 14 водила, выполненного заодно с входным валом 15, причем сателлиты имеют коническую форму при значениях угла α менее 90°. Оси сателлитов расположены под углом 120° относительно общего центра вращения, лежащего на продольной оси редуктора. Внешние ступени двухступенчатых сателлитов 11 имеют n полусферических углублений, расположенных концентрично по делительной окружности с шагом t по внешней радиальной поверхности 16, контактирующих с основанием корпуса 1, имеющим n ответных полусферических углублений, выполненных по окружности диаметром D внутреннего торца основания корпуса 1, посредством шариков 17 диаметром d. Входной вал 15, выполненный заодно с водилом, имеет шлицевую часть 18 и опорную часть 19, на которой установлен радиальный подшипник 20, опирающийся внешним кольцом в крышку корпуса 2. Водило имеет две полуторовые проточки с диаметрами торов d и d, выполненные на торцевой поверхности основания водила концентрично продольной оси водила на расстояниях с диаметрами делительной окружности соответственно D и D, контактирующие с установленными в полусферических углублениях неподвижного центрального колеса шариков соответственно диаметрами d и d, образуя сдвоенный упорный подшипник в промежутках между сателлитами.
Редуктор работает следующим образом.
2
При приведении в движение водила, выполненного заодно с входным валом 15, за счет зацепления с ним приходят в движение оси 13 всех трех двухступенчатых сателлитов 11. Во время движения двухступенчатые сателлиты 11 внешней радиальной поверхностью обкатываются по основанию корпуса 1 через шарики 17, внутренняя ступень обкатывается по торцевой поверхности выходного вала 6 через шарики 10, передавая движение на выходной вал. При этом полусферические углубления, расположенные на окружности внутренней ступени сателлитов 11, вступают в контакт с шариками 10, оказывая на них клиновое воздействие, вызывая тем самым смещение контактирующих с ними ответных полусферических углублений выходного вала 6 относительно его оси вращения на угол, определяемый по формуле: δ=-π⋅d⋅m/Dв, где δ - угол смещения выходного вала при полном обороте входного вала, Dв - внешний диаметр внутренней ступени сателлитов. При этом шарики 10 проворачиваются в полусферических отверстиях, уменьшая трение скольжения при передаче крутящего момента.
Сателлиты при значениях угла α менее 90° имеют коническую форму с углом конуса у обеих ступеней γ.
1
2
1
2
1
2
В примере конкретного исполнения планетарного редуктора значения конструктивных параметров: m=30, n=42, d=4 (мм), d=3,5 (мм); D=46,5 (мм), D=63 (мм), t=12°, t=8,57°, α=80°, γ=100°.
Передаточное отношение редуктора определяется из уравнения для планетарной передачи:
где
1
Z - число полусферических углублений на внешней ступени сателлита,
2
Z - число полусферических углублений на неподвижном основании,
3
Z - число полусферических углублений на внутренней ступени сателлита,
4
Z - число полусферических углублений на внутреннем торце выходного колеса.
Подставляя соответствующие значения чисел углублений в формулу передаточного отношения, получим:
Повышение передаваемых моментов достигается тем, что в конструкции редуктора одновременно в зацеплении участвуют три сателлита, соответственно коэффициент перекрытия равен 1,5, что позволяет передавать большие крутящие моменты, чем зубчатые передачи, с многократной кратковременной перегрузкой и практически без упругих деформаций, при равных массогабаритных показателях.
Данный планетарный редуктор обладает малым моментом инерции и высоким уровнем динамичности. Так как в редукторе с высокой скоростью вращается только входной вал, имеющий незначительные массу и диаметр, и сателлиты расположены под углом 120° относительно друг друга, происходит взаимное уравновешивание и не создается момента инерции.
За счет большой жесткости кинематических звеньев планетарный редуктор имеет малый угловой люфт.
Конструкция редуктора обеспечивает абсолютное уравновешивание масс и уменьшает влияние погрешностей изготовления и монтажа, что обеспечивает малую вибрацию.
По сравнению с зубчатой передачей, при равных передаточных числах и крутящих моментах, планетарная передача с промежуточными телами качения меньше по габаритам в 2…6 раз в зависимости от типоразмера.
Планетарный редуктор обладает высокой износостойкостью передачи из-за отсутствия в ней трения скольжения.
Технический результат заключается в увеличении передаваемого крутящего момента, получении высокого передаточного числа, повышении кинематической точности, создании безлюфтового зацепления и повышении износостойкости передачи, что обеспечивает повышенный КПД и ресурс передачи.