ПЛАНЕТАРНЫЙ ЦИКЛОИДАЛЬНЫЙ РЕДУКТОР

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности редукторостроению, а именно созданию планетарных редукторов с циклоидальными зубчатыми колесами внутреннего зацепления.
В подавляющем большинстве планетарных циклоидальных редукторов с колесами внутреннего зацепления используются прямозубые зубчатые колеса, что обусловлено более простой технологией получения циклоидальных зубчатых профилей. Однако, как любые передачи с дискретными периодическими профилями, планетарные циклоидальные передачи, несмотря на многопарность их зацепления, в любом случае имеют неравномерность хода, обусловленную неодинаковостью мгновенных линейных скоростей на различных участках циклоидальных профилей в процессе их относительного обкатного перемещения, а также геометрическими и монтажными погрешностями, в частности циклическими отклонениями формы профилей и углового шага расположения зубьев, радиальным биением зубчатых профилей, а также перекосами осей вращения сопрягаемых зубчатых колес.
Одним из известных путей дальнейшего улучшения динамических показателей зубчатых передач является переход от прямозубых колес к косозубым (с винтовой формой образующих рабочих поверхностей зубьев по их длине). У косозубых зубчатых колес при одинаковых с прямозубыми геометрических параметрах их торцевых профилей увеличена длина линии контакта между сопрягаемыми зубьями, в результате чего увеличивается и дуга зацепления, а следовательно, и коэффициент перекрытия, что в определенной степени дополнительно улучшает плавность хода такой передачи. Кроме того, в косозубых передачах одновременно уменьшаются и детонационные явления, вызываемые циклическими погрешностями угловых шагов зубьев и их рабочих профилей. Это объясняется тем, что при большем количестве одновременно находящихся в зацеплении зубьев мгновенная средняя величина указанных погрешностей за счет их взаимной интерференции уменьшается.
В совокупности указанные преимущества косых (винтовых) зубьев обеспечат лучшую плавность хода также и в планетарных циклоидальных передачах внутреннего зацепления, что чрезвычайно важно для приводов исполнительных органов машин точного позиционирования, особенно в тех, в которых по условиям эксплуатации жестко ограничиваются явления тремера на выходном валу.
Известна планетарная циклоидальная передача (Эксцентриково-циклоидальное зацепление зубчатых колес и механизмы на его основе / В.В. Становский, С.М. Казакявичус, Т.А. Ремнева, В.М. Кузнецов. - Томск: ЗАО «Технология маркет». Интернет - источник: http://ctankoinstrument.ru/d/56735/d/ekscentrikocikloidalnoe zaceplenie.pdf) (частично применимый аналог), в которой используются зубчатые колеса, с зубьями циклоидального профиля и криволинейной по длине формы, причем на входном валу для увеличения передаточного отношения установлено зубчатое колесо наружного зацепления с небольшим числом (1…3-мя) криволинейными зубьями, вращение от которого передается обойме (водилу) с несколькими периферийно равномерно расположенными сателлитами, также представляющими собой циклоидальные зубчатые колеса с зубьями криволинейной формы, находящимися в зацеплении с внутренними зубьями ответного обкатного профиля центрального неподвижного колеса. При этом боковые рабочие поверхности сопряженных зубчатых венцов колес наружного (сателлитов) и внутреннего (центрального колеса) зацеплений образованы симметричным взаимозависимым смещением сопрягаемых циклоидальных профилей в осевом и фазовом направлениях.
Применение косозубых колес улучшает плавность хода, однако в представленной конфигурации передача имеет следующие недостатки: во-первых, малое число зубьев колеса входного вала снижает несущую способность передачи, вызывает увеличение радиальных нагрузок на валы сопрягаемых колес, при этом вследствие повышенной чувствительности циклоидальных колес к изменению межосевого расстояния и перекосу осей, то даже незначительное изменение этих параметров вызывает увеличение трения скольжения в сопрягаемых обкатных зубчатых профилях, а также то, что сопряжение зубьев из-за большой разницы (вследствие малого числа зубьев одного из колес) циклически изменяющихся мгновенных линейных скоростей, сопряжение циклоидальных профилей осуществляется со значительным относительным скольжением, подобным винтовым или червячным передачам, что требует обильной смазки в трущихся парах и затрудняет работу передачи на повышенных частотных режимах и, во-вторых, использование одной пары косозубых колес, как известно, вызывает появление дополнительных негативных осевых нагрузок на колеса и опоры валов, что в совокупности снижает работоспособность и ресурс такой передачи в целом.
Известен планетарный циклоидальный редуктор (Шанников В.М. Планетарные редукторы с внецентроидным зацеплением. - М.: Машгиз, 1948 г. - 172 с, с. 149. Рис. 137) (прототип), состоящий из корпуса с неподвижно закрепленным в нем центральным солнечным колесом с внутренними зубьями циклоидального профиля в торцевом сечении, соосно с ним установленного на опорах качения входного вала-водила, на двух рядом и оппозитно выполненных эксцентриковых шейках которого на своих опорах качения установлены для компенсации центробежных сил два идентичных сателлита с наружными циклоидальными профилями, сопряженными в обкатном режиме с ответным торцевым циклоидальным профилем центрального колеса, причем сателлиты имеют равномерно периферийно расположенные на окружностях одинакового заданного радиуса сквозные поводковые отверстия с осями, параллельными оси центрального колеса, и соосно ему установленный на опорах качения выходной вал, имеющий на торце со стороны сателлитов планшайбу, на которой выполнены цилиндрические пальцы в количестве, равном числу поводковых отверстий в сателлитах и идентично им расположенных, кроме того, на пальцах установлены свободно вращающиеся втулки, сопрягаемые своими наружными цилиндрическими поверхностями с отверстиями сателлитов, при этом эксцентриковые шейки входного вала образованы идентичными эксцентриковыми втулками, жестко и оппозитно своими эксцентриситетами размещенными на цилиндрической ступени входного вала, а наружные диаметры втулок пальцев меньше диаметров поводковых отверстий сателлитов на удвоенную величину эксцентриситета водила.
Основным недостатком прототипа является пониженная плавность хода передачи, обусловленная применением прямозубых цилиндрических колес.
Другим недостатком является повышенное трение скольжения в сопряжениях общих втулок пальцев с поводковыми отверстиями двух раздельных оппозитно расположенных сателлитов. Применение в прототипе общих втулок на пальцах планшайбы выходного вала, сопрягаемых с поводковыми отверстиями двух противофазно установленных сателлитов, приводит к тому, что названные втулки не выполняют роль тел качения, так как их сопряжение с отверстиями разных сателлитов происходит с противофазно циклически изменяющимися и поэтому различными по величине линейными скоростями из-за того, что текущие точки сопряжения находятся на разных текущих радиусах относительно осей вращения сателлитов. Поэтому сопряжение цельных общих втулок с отверстиями разных сателлитов происходит с большим относительным проскальзыванием и, соответственно, циклически изменяющейся в такой кинематической паре силой трения скольжения, что обусловливает повышенный износ сопрягаемых поверхностей и является дополнительным источником, инициирующим неравномерность хода редуктора.
Указанные недостатки снижают динамические показатели редуктора.
Целью предлагаемого технического решения является улучшение динамических качеств редуктора.
i
i
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом редукторе, состоящем из корпуса с неподвижно закрепленным в нем центральным солнечным колесом с внутренними зубьями циклоидального профиля в торцевом сечении, соосно с ним установленным на опорах качения входным валом-водилом, на двух рядом и оппозитно выполненных эксцентриковых шейках которого на своих опорах качения установлены два сателлита с наружными циклоидальными профилями, сопряженными в обкатном режиме с ответным торцевым внутренним циклоидальным профилем центрального колеса, причем сателлиты имеют равномерно периферийно расположенные на окружностях одинакового заданного радиуса сквозные поводковые отверстия с осями, параллельными оси центрального колеса, и соосно ему установленным на опорах качения выходным валом с планшайбой на торце со стороны сателлитов, на которой выполнены цилиндрические пальцы в количестве равном числу поводковых отверстий в сателлитах и идентично им расположенные, кроме того, на пальцах установлены свободно вращающиеся втулки, сопрягаемые своими наружными цилиндрическими поверхностями с отверстиями сателлитов, при этом эксцентриковые шейки входного вала образованы идентичными эксцентриковыми втулками, жестко и оппозитно своими эксцентриситетами размещенными на цилиндрической ступени входного вала, а наружные диаметры втулок пальцев меньше диаметров поводковых отверстий сателлитов на удвоенную величину эксцентриситета е водила, в отличие от прототипа центральное солнечное колесо выполнено в виде двух рядом соосно расположенных секций, каждая из которых находится в зацеплении с одним из оппозитно расположенных на водиле сателлитов, каждая сопряженная пара циклоидальных колес снабжена зубьями шевронной формы, в свою очередь каждое шевронное колесо пары: центральное колесо-сателлит выполнено составным из двух жестко связанных между собой косозубых колес, состыкованных по плоскости среднего торцевого сечения шевронного зубчатого венца и у каждой такой составной пары косозубых колес зубья имеют одинаковый заданный, но симметричный угол β наклона относительно оси составного шевронного колеса, при этом рабочие поверхности зубчатых венцов сопряженных в обкатном режиме косозубых колес внутреннего и наружного зацепления образованы взаимозависимым смещением их торцевых циклоидальных профилей в осевом x и фазовом ϕ направлениях в соответствии с выражением
e
c
ц
где D - диаметр делительной окружности сопряженных циклоидальных профилей зубьев соответственно сателлита  или центрального колеса , кроме того, сателлиты выполнены с диаметрами окружностей выступов циклоидального профиля, меньшими диаметра окружности выступов сопряженного с ними внутреннего циклоидального профиля центрального колеса, для чего выдерживается следующее соотношение чисел зубьев сателлита z и центрального колеса z
где
вс
вп
d, d - диаметры соответственно выступов и впадин циклоидального профиля (в частности сателлита), а эксцентриситет водила е устанавливается из соотношения
min
и, кроме того, минимальная толщина t стенки каждой эксцентриковой втулки входного вала выполнена большей удвоенного эксцентриситета водила, а каждая втулка пальцев выходного вала выполнена в виде двух отдельных независимо вращающихся втулок, каждая из которых сопрягаются с поводковым отверстием одного из оппозитных сателлитов.
На фиг. 1-8 приведены соответственно: продольный разрез редуктора по диаметральной плоскости (фиг. 1); поперечный разрез редуктора по торцевой плоскости одного из сателлитов (фиг. 2); схема образования косозубого циклоидального профиля в торцевом сечении сателлита (фиг. 3); схема образования косозубого циклоидального профиля сателлита в плоскости развертки его делительного цилиндра (фиг. 4); продольное сечение крепежно-центрирующего узла для соединения сочлененных косозубых сателлитов (фиг. 5); вид с торца на крепежно-центрирующий узел (фиг. 6); изометрическое изображение 3D-моделей сопрягаемых в одной секции модульных шевронных циклоидальных центрального колеса и сателлита (фиг. 7); схема, иллюстрирующая осуществление осевого монтажа шевронного сателлита в редукторе (фиг. 8).
Предлагаемый планетарный редуктор с циклоидальными зубчатыми колесами внутреннего зацепления (фиг. 1, 2) состоит из корпуса 1, во внутренней цилиндрической расточке 2 которого по плотной посадке установлено центральное солнечное колесо, состоящее из двух рядом расположенных секций с внутренними шевронными зубьями циклоидального профиля, каждая из которых представляет собой модуль, состоящий из двух рядом расположенных и жестко сочлененных между собой левых 3, 5 и правых 4, 6 косозубых колес (первый и второй модули образованы парами косозубых колес соответственно: левое 3 - правое 4 и левое 5 - правое 6). В каждой такой паре левое и правое косозубые колеса состыкованы по плоскостям средних торцевых сечений 7 и 8 шевронных зубчатых венцов соответственно первой и второй секций центрального колеса. В каждой составной паре зубья у левого и правого косозубых колес имеют одинаковый, но симметричный угол β наклона относительно оси центрального колеса (фиг. 4).
Весь пакет левых и правых косозубых колес 3, 4, 5 и 6 (фиг. 1) жестко стянут в корпусе 1 в осевом направлении периферийно расположенными болтами 9 посредством гаек 10 через фланец задней крышки 11 редуктора.
Болты 9 (или по крайней мере один из болтов), сопрягаясь по плотной посадке, своими цилиндрическими поверхностями с ответными периферийными отверстиями в колесах 3, 4, 5 и 6 могут одновременно обеспечивать требуемую фазовую взаимную ориентацию последних с целью обеспечения точной симметрии расположения левых и правых ветвей шевронных зубчатых венцов.
По другому варианту указанная фазовая ориентация косозубых колес может, например, обеспечиваться направляющей шпонкой, сопрягаемой с ответными шпоночными пазами: внутренним в посадочном отверстии 2 корпуса 1 и наружными на сопрягаемых с ним цилиндрических поверхностях косозубых колес (не показано).
Соосно с центральным колесом в редукторе установлен входной вал 12, расположенный на двух опорах качения, из которых одна - 13 размещена в корпусе 1, а другая, состоящая из двух подшипников 14 и 15, размещена в центральной выточке 16 выходного вала 17, соосно установленного с входным валом 12 на опоре качения 18, размещенной в центральной выточке 19 задней крышки 11.
На центральной цилиндрической шейке 20 входного вала 12 рядом размещены две идентичные эксцентриковые втулки 21 и 22, взаимно оппозитно установленные своими эксцентриситетами е (фиг. 2) и жестко связанные с входным валом 12 (фиг. 1) посредством шпонки 23.
На каждой эксцентриковой втулке посредством своих опор качения 24 и 25 оппозитно установлены два сателлита с наружными шевронными циклоидальными зубчатыми венцами, сопряженными с ответными внутренними шевронными циклоидальными зубчатыми венцами составного центрального солнечного колеса.
При этом первый и второй шевронные циклоидальные сателлиты выполнены аналогично шевронным секциям центрального колеса составными в виде модулей из двух жестко связанных между собой левого и правого косозубых циклоидальных колес наружного зацепления, соответственно 26-левое и 27-правое у первого сателлита и 28-левое и 29-правое - у второго. Каждый составной шевронный сателлит имеет одинаковую с сопрягаемой секцией центрального колеса ширину зубчатого венца, а их средние торцевые сечения лежат в одной плоскости, что обеспечивает симметричную работу левых и правых ветвей сопряженных шевронных циклоидальных профилей.
i
i
вс
вп
i
i
e
i
i
a
При этом рабочие поверхности внутренние (центрального колеса) и наружные (сателлита) косозубых зубчатых венцов, сопряженных в обкатном режиме, образованы взаимозависимым смещением их торцевых, циклоидальных профилей в осевом x (фиг. 3, 4) и фазовом ϕ направлениях в соответствии с выражением (1), согласно которому образование косозубого циклоидального профиля высотой h=d-d, например, для сателлита осуществляется путем одновременного разворота его торцевого сечения на угол ϕ (фиг. 3) и параллельного смещения вдоль оси 0Х колеса до координаты x (фиг. 4) так, чтобы произвольная точка а на делительной окружности диаметром D одновременно переместилась бы по дуге  из фазового положения I в фазовое положение II (точка ) (фиг. 3) и по наклонной образующей, расположенной в плоскости развертки делительного цилиндра под углом β к оси 0Х, до координаты x (фиг. 4).
Соединение пар (левого и правого) косозубых циклоидальных колес для образования составных (модульных) шевронных сателлитов может осуществляться различными способами. На фиг. 5, 6 в качестве примера приведен один из возможных вариантов, в котором жесткое сочленение левого 26 (28) и правого 27 (29) косозубых зубчатых колес обеспечивается посредством крепежно-центрирующих резьбовых элементов: гайки 30 и винта 31, снабженных унифицированными цилиндрическими головками соответственно 32, 33 с шестигранными углублениями 34, 35 под шестигранный стержневой ключ. При этом наружная цилиндрическая поверхность 36 гайки 30 одновременно выполняет функции центрирующего элемента, обеспечивая фазовое совмещение торцевых циклоидальных профилей левого 26 (28) и правого 27 (29) косозубых колес по среднему сечению сборного(модульного) шевронного сателлита, а также звена, обеспечивающего передачу крутящего момента одновременно на левую и правую ветви шевронного модуля, для чего гайку 30 ее цилиндрической поверхностью 36 следует устанавливать в сопряженные с ней соосные отверстия колес 26 (28) и 27 (29) с натягом, а для предотвращения самопроизвольного развинчивания крепежного узла винт 31, после затягивания гайки 30, например, можно раскернить со стороны резьбового торца 37.
по
Кроме того, в каждом модульном сателлите выполнены периферийно и равномерно размещенные на заданной окружности, концентрично расположенной относительно оси его вращения, сквозные поводковые отверстия 38 и 39 (фиг. 1) диаметром D (фиг. 2) (соответственно у первого и второго сателлитов), оси которых параллельны оси вращения самого сателлита.
На фиг. 7 приведено наглядное изометрическое изображение 3D-моделей сопряженных модульных шевронных центрального колеса и сателлита, образованных сочленением левых и правых косозубых колес соответственно с внутренним и наружным циклоидальными профилями.
вт
Выходной вал 17 (фиг. 1) со стороны своей центральной выточки 16, обращенной в сторону сателлитов, снабжен планшайбой, в которой в периферийно выполненных отверстиях запрессованы пальцы 40, оси которых параллельны оси вращения выходного вала 17, а их количество и расположение на планшайбе идентичны количеству и расположению поводковых отверстий в сателлите. На каждом пальце рядом установлены свободно вращающиеся втулки 41 и 42, каждая из которых своей наружной цилиндрической поверхностью диаметром d (фиг. 2) сопрягается с поводковыми отверстиями соответственно 38 и 39 (фиг. 1) первого и второго модульных сателлитов. Причем наружный диаметр втулок 41 (42) меньше диаметра поводковых отверстий 38 (39) на величину удвоенного эксцентриситета е установки сателлитов на входном валу 12.
Осевая фиксация кинематической цепочки, состоящей из входного вала 12 с установленными на нем модульными сателлитами и выходного вала 17, обеспечивается прижимной крышкой 43, закрепленной на корпусе 1 винтами 45, через наружное кольцо опоры качения 13 и бурт 44 входного вала 12. Регулировка эксплуатационного осевого зазора в указанной кинематической цепи может осуществляться, например, дообработкой торца прижимной крышки 43, сопрягаемого с наружным кольцом опоры качения 13, либо проставочного кольца 46.
вс(ц)
вс(с)
В связи с невозможностью осуществления осевой сборки предлагаемого редуктора с шевронными колесами (из-за разнонаправленных зубьев) при традиционной разности чисел зубьев центрального колеса и сателлита в одну единицу, характерной для прямозубых циклоидальных колес, соотношение чисел зубьев для шевронных колес регламентируется формулами (2)-(4) и соответствующий этому соотношению эксцентриситет водила е определяется по формуле (5). Указанные формулы устанавливают такое соотношение геометрических параметров шевронных колес, при котором гарантированно обеспечивается минимально необходимое превышение диаметра выступов циклоидальных зубьев центрального колеса D по отношению к диаметру выступов сателлита d (фиг. 8), что допускает возможность осуществления осевой сборки редуктора. При этом сборка, например, первой секции сопрягаемых шевронных колес осуществляется следующим образом: вначале совмещают ось предварительно отдельно собранного шевронного модуля сателлита с осью предварительно смонтированного в корпусе редуктора центрального колеса и затем сателлит, перемещая вдоль оси, свободно вставляют внутрь центрального колеса при отсутствии эксцентриковой втулки 21 (фиг. 8), но с установленной на входном валу 12 шпонкой 23 (фиг. 1, 2, 8). Далее сателлит посредством радиального смещения на величину 2е заводится своим зубчатым венцом в зацепление с внутренним зубчатым венцом центрального колеса и фиксируется путем установки своей эксцентриковой втулки 21 (фиг. 1, 2).
min
min
Сборка второй секции шевронных модульных колес осуществляется аналогично, но фиксация оппозитного сателлита обеспечивается своей эксцентриковой втулкой 22 (фиг. 1). При этом возможность радиального смещения сателлитов при сборке обеспечивается выполнением минимальной толщины стенки эксцентриковых втулок t, исходя из соотношения t<2e (фиг. 2).
Для предотвращения попадания загрязнений во внутреннее рабочее пространство редуктора в кольцевых выточках центральных отверстий прижимной 43 и задней 11 крышках (фиг. 1), которыми они сопрягаются соответственно с входным 12 и выходным 17 валами предусмотрены сальниковые уплотнения соответственно 47, 48.
Для монтажа редуктора в его корпусе 1 предусмотрены центрирующий выступ 49 и фланцевые крепежные отверстия 50.
Работа предлагаемого редуктора осуществляется следующим образом. К входному валу 12 (фиг. 1) от внешнего источника (не показан) подводится крутящий момент при определенной частоте вращения. При вращении входного вала 12 оппозитно установленные для компенсации центробежных сил на его эксцентриковых втулках 21, 22 одинаковые модульные сателлиты с наружными шевронными циклоидальными зубьями, обкатываясь по соответствующим сопряженным шевронным циклоидальным внутренним зубчатым венцам центрального модульного колеса, посредством своих поводковых отверстий 38, 39 сопряженных посредством втулок 41, 42 с пальцами 40 выходного вала 17 передают последнему вращательное движение с понижающим передаточным отношением. При этом пальцы 40 сопрягаются с поводковыми отверстиями 38, 39 каждого модульного сателлита посредством раздельных втулок, соответственно 21 и 22. Входной 12 и выходной 17 валы соосно вращаются на своих опорах качения, соответственно 13, 14, 15 и 18. Модульные сателлиты вращаются относительно оппозитно установленных и жестко закрепленных на входном валу 12 своих эксцентриковых втулок 21 и 22 также на собственных опорах качения 24 и 25. Внутренняя полость редуктора защищена от попадания в нее загрязнений сальниковыми уплотнениями 47 и 48, работающими с малым трением и установленными в кольцевых канавках задней 11 и прижимной 43 крышках редуктора по сопрягаемым с ними цилиндрическими участками входного 12 и выходного 17 валов редуктора.
Эффективность принятых решений состоит в следующем.
Основной эффект от реализации предлагаемой полезной модели заключается в использовании в планетарном циклоидальном редукторе зубчатых колес внутреннего и внешнего зацеплений с зубьями шевронной формы, что не только улучшает динамические качества редуктора за счет повышения плавности его хода, но и одновременно разгружает зубчатые колеса от осевых сил. Причем плавность хода улучшается одновременно за счет повышения коэффициента перекрытия зубьев и интерференции их циклических и геометрических погрешностей.
При этом рабочие поверхности левых и правых косых зубьев сопряженных колес внутреннего и внешнего зацеплений, из которых составлены шевронные колеса, образованы взаимозависимым одновременным фазовым и параллельным осевым смещением торцевых профилей их зубчатых венцов, что обеспечивает постоянство циклоидального профиля во всех текущих торцевых сечениях зубьев по их длине.
Использование раздельных втулок, сопрягаемых с поводковыми отверстиями разных модульных сателлитов, позволяет устранить их относительное проскальзывание, имеющееся в случае применения цельных общих втулок, сопрягаемых с отверстиями разных сателлитов, что устраняет циклическую неравномерность силы трения в указанных парах и, тем самым, дополнительно способствует улучшению плавности хода редуктора.
Применение конструктивно унифицированных соответственно левых и правых косозубых колес для образования составных (модульных) центрального колеса и сателлитов, а также унифицированных крепежно-центрирующих элементов для сборки модулей сателлитов повышает технологичность конструкции редуктора.