ПЛАНЕТАРНАЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА
PLANETARY GEAR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к планетарной зубчатой передаче, в частности к зубчатому механизму, который содержит солнечную шестерню, планетарные шестерни и водила планетарных шестерней, используемому в качестве редуктора.
Уровень техники
Планетарные зубчатые передачи представляют собой механические системы шестерней, в которых центральное колесо или ведущая шестерня, также называемая солнечной шестерней (солнечным зубчатым колесом), выполняет функцию входного устройства передачи движения и распределяет прилагаемую нагрузку на планетарные шестерни, расположенные вокруг нее и соединенные с шестерней с внутренним зацеплением. В дополнение к вращению вокруг собственной оси планетарные шестерни вращаются вместе с водилом планетарных шестерней, также называемым водилом зубчатой передачи или коническим дифференциалом, на котором они установлены с помощью специальных штифтов и роликовых подшипников. Оси вращения водила планетарных шестерней и солнечной шестерни совпадают.
Конструкция водила планетарных шестерней в планетарной системе может иметь две стенки или выступающие штифты. Поскольку опорные штифты планетарных шестерней опираются на оба конца соответствующих стенок водила планетарных шестерней, то водила планетарных шестерней с двумя стенками позволяют использовать более широкие зубчатые венцы и более устойчивы к нагрузкам, что позволяет обеспечить более эффективную работу по сравнению с водилами планетарных шестерней с выступающими штифтами.
В некоторых точках водил планетарных шестерней возникает концентрация нагрузок, передаваемых через штифты на стенку водила планетарных шестерней, которая находится на выходной стороне передачи движения, то есть на стороне планетарной системы, с которой опорные штифты планетарных шестерней выступают на большую величину. На другой стороне планетарной системы (напротив выходной стороны передачи движения) передаваемые нагрузки меньше. Несбалансированность такой системы приводит к постепенному увеличению величины несовпадения осей штифтов планетарных шестерней при увеличении передаваемого крутящего момента. Это приводит к неравномерному распределению линейной нагрузки вдоль сторон зубьев шестерней, сцепленных друг с другом (между зубьями солнечной шестерни и планетарных шестерней и между зубьями планетарных шестерней), а также к неравномерному разделению тангенциальных нагрузок между всеми планетарными шестернями системы.
Ранее были разработаны системы для водил планетарных шестерней с выступающими штифтами, имеющие повышенную гибкость, пример таких систем раскрыт в документах US 2010/0077881 и US 8075443. Известные из этих документов решения относятся к водилам планетарных шестерней с выступающими элементами, то есть с опорными штифтами планетарных шестерней, прикрепленными к одной стенке, и в данных системах предусмотрено использование специального подшипника с внутренним кольцом подшипника, которое имеет большую ширину по сравнению с наружным кольцом, прикрепленным к штифту, что делает систему боле гибкой. Таким образом, данные системы могут использоваться только вместе со специальным подшипником, имеющим более высокую стоимость на рынке по сравнению со стандартными подшипниками.
В планетарной зубчатой передаче с водилом планетарных шестерней, имеющим две стенки, распределение нагрузки между шестернями аналогично показателям гибкой системы, которая содержит водило планетарных шестерней с двумя стенками, соединительные спицы между двумя противоположными стенками и опорные штифты, определяющие границы гнезд для опорных подшипников планетарных шестерней.
Однако неравномерное распределение общего крутящего момента, передаваемого через штифты планетарных шестерней на две противоположные стенки водила планетарных шестерней, приводит к тому, что две стенки водила планетарных шестерней будут вести себя по-разному, из-за чего при концентрации нагрузок на одном из двух концов (на выходной стороне передачи движения) будет наблюдаться значительное несовпадение осей опорных штифтов и последующее значительное снижение эффективности работы планетарной системы. Проблемы, связанные с несовпадением осей, становятся более существенными при увеличении количества планетарных шестерней, в результате чего может начаться точечная коррозия, то есть образование полостей на шестернях и последующее появление трещин. Для устранения несовпадения осей можно выполнить продольную модификацию зубьев шестерней, однако при различных нагрузках данное решение неэффективно или даже может привести к обратным результатам.
Соответственно, существует необходимость создания планетарной зубчатой передачи, позволяющей устранить вышеперечисленные недостатки.
Раскрытие изобретения
Основная цель настоящего изобретения заключается в создании планетарной зубчатой передачи, которая включает в себя водило планетарных шестерней с двумя стенками для обеспечения достаточной гибкости, необходимой для оптимальной компенсации неравномерности нагрузки, и которая перераспределяет несовпадение осей, возникающее под действием крутящего момента на опорные подшипники планетарных шестерней и на зубчатые венцы, за счет чего достигается возможность повышения эффективности планетарной системы.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание планетарной зубчатой передачи, в которой водило планетарных шестерней с двумя стенками имеет регулируемую гибкость и обеспечивает максимальный предел безопасности.
Другой целью настоящего изобретения является создание планетарной зубчатой передачи, имеющей водило планетарных шестерней с двумя стенками, выполненной с возможностью регулировать величину несовпадения осей опорных штифтов планетарных шестерней, работать со стандартными роликовыми подшипниками, не требуя использовать специальные подшипники, и обеспечивать повышенную надежность стандартных подшипников по сравнению с существующими системами.
Таким образом, в соответствии с изобретением вышеуказанные цели достигаются с помощью планетарной зубчатой передачи, которая содержит заранее заданное количество планетарных шестерней с зубчатыми венцами; водило планетарных шестерней с двумя стенками, на которые установлены планетарные шестерни; опорные штифты, поддерживающие планетарные шестерни и образующие соответствующие продольные оси, причем каждый опорный штифт включает в себя:
- первый концевой участок, прикрепленный к первой из двух стенок,
- второй концевой участок, прикрепленный ко второй из двух стенок,
- третий центральный участок, диаметр которого превышает диаметр второго концевого участка, за счет чего между третьим центральным участком и вторым концевым участком образован кольцеобразный буртик,
в котором на кольцеобразном буртике выполнена кольцевая канавка, глубина которой вдоль продольной оси превышает протяженность зубчатого венца планетарной шестерни вдоль той же продольной оси, благодаря чему кольцевая концевая часть указанного центрального участка, проходящая вокруг кольцевой канавки, образует область деформации на опорном штифте; и
в котором кольцо, прочность которого превышает или совпадает с прочностью указанной кольцевой концевой части, по меньшей мере частично вставляется в кольцевую канавку, выполняя роль механического ограничителя области деформации, которая под действием нагрузки может деформироваться до достижения контакта с кольцом.
Настоящее изобретение предусматривает создание в водиле планетарных шестерней областей, деформирующихся под действием нагрузок и определяемых общей деформируемостью водила планетарных шестерней, в соответствии с возникающими нагрузками и вариантами реализации таким образом, чтобы минимизировать или исключить деформацию, возникающую из-за несовпадения осей штифтов под действием нагрузок или из-за незначительных ошибок монтажа в системе.
Настоящее изобретение предусматривает использование продольных опорных штифтов различного диаметра, расположенных на выходной стороне передачи движения, то есть на стороне, на которой сконцентрирована большая часть нагрузок, на которых выполнена канавка цилиндрической формы или в форме усеченного конуса, предпочтительно образуемая путем удаления материала, и который определяет границы области деформации штифта.
Канавка на штифте придает штифту определенную гибкость, соответствующую осевой глубине и высоте канавки: наличие области деформации на одном конце штифта с выходной стороны передачи движения от планетарной системы позволяет перенести часть нагрузок, которые обычно сконцентрированы в данной точке, в наиболее прочную область штифта, за счет чего достигают уменьшение величины несовпадения осей стенок и смещение распределяемых нагрузок к середине зубчатого венца.
В данном случае канавка выполняет функцию гибкого элемента, выполненного с возможностью изменять распределение нагрузок на подшипники и шестерни; при этом осевая глубина, конусность и заранее заданные значения толщины позволяют обеспечить соответствие между деформируемостью штифта, общей прочностью водила планетарных шестерней и прилагаемыми внешними нагрузками. Таким образом, различные конфигурации канавки и области деформации позволяют выполнять калибровку диапазона крутящего момента за счет адаптации различных штифтов к различным вариантам реализации, в которых они могут быть использованы.
В соответствии с первым вариантом изобретения опорный штифт каждой планетарной шестерни является монолитным, то есть он изготовлен в виде одной детали, и имеет кольцевую канавку, создаваемую путем удаления части материала.
В соответствии со вторым вариантом изобретения опорный штифт каждой планетарной шестерни состоит из двух частей: первой гладкой части и второй части в форме втулки, устанавливаемой коаксиально указанной первой части таким образом, чтобы канавка располагалась вдоль первой части. Данный второй вариант реализации является более простым, особенно с учетом увеличивающихся размеров зубчатых передач.
Для повышения эффективности гибкого элемента и обеспечения его защиты от перегрузок в обоих вариантах может быть предусмотрена вставка элемента защиты от внешних перегрузок, который будет ограничивать деформацию канавки при превышении заданного значения крутящего момента. Благодаря наличию такого элемента защиты, вставляемого в канавку и ограничивающего механическую деформацию, увеличение области деформации штифта происходит только до максимального заранее заданного значения, что позволяет предотвратить его повреждение под действием чрезмерных нагрузок. В частности, это позволяет исключить возникновение остаточной деформации штифта или даже разрушения деформируемой части.
Ограничение деформации деформируемой части штифта достигают за счет по меньшей мере частичной вставки металлического защитного кольца в канавку штифта, причем данное защитное кольцо имеет примерно такой же профиль в форме усеченного конуса или цилиндра, что и канавка.
Предпочтительно после вставки защитного кольца в канавку, между наружной поверхностью кольца и соответствующей внутренней поверхностью канавки, то есть внутренней поверхностью кольцевой концевой части центрального участка опорного штифта, остается зазор, который позволяет регулировать максимальную гибкость опорного штифта в случае возникновения перегрузок.
Размеры указанного зазора рассчитаны для ограничения деформации деформируемой концевой области штифта до заранее заданного значения. Фактически зазор между канавкой и механическим ограничителем создает определенный диапазон для изгибания штифта, при этом данный зазор определяет степень деформации штифта и его рабочий диапазон. При достижении под действием нагрузок контакта между областью деформации и механическим ограничителем остается расстояние, соответствующее рабочему диапазону штифта, после чего штифт перестает быть гибким и начинает работать как стандартный штифт, то есть на всей его длине прочность будет постоянной.
Форма профиля наружной поверхности защитного кольца соответствует форме профиля соответствующей внутренней поверхности кольцевой концевой части центрального участка штифта.
Предпочтительно внутреннее кольцо по меньшей мере одного подшипника, расположенное между каждым опорным штифтом и соответствующей планетарной шестерней, является элементом, отдельным от опорного штифта.
Предпочтительно гибкий опорный штифт планетарных шестерней в зубчатой передаче, соответствующей изобретению, может быть заменен стандартным штифтом или другими гибкими штифтами с другими признаками.
Планетарная зубчатая передача, соответствующая изобретению, может быть использована как ведущая зубчатая передача для правильных машин при изготовлении листопрокатной продукции, ведущая зубчатая передача для шпинделя намоточного устройства или в усилителях систем преобразования ветровой энергии.
В зависимых пунктах формулы изобретения описаны предпочтительные варианты изобретения.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные особенности и преимущества изобретения будут понятны из описания предпочтительного, но не исключительного варианта реализации планетарной зубчатой передачи, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан перспективный вид планетарной зубчатой передачи в соответствии с изобретением;
на фиг. 2а показан первый частичный разрез на перспективном виде части зубчатой передачи в соответствии с изобретением;
на фиг. 2b показан второй частичный разрез на перспективном виде части с фиг. 2а;
на фиг. 3 показан частичный разрез первого варианта зубчатой передачи в соответствии с изобретением;
на фиг. 4а показан вид сбоку компонента указанного первого варианта;
на фиг. 4b показан вид в разрезе компонента с фиг. 4а;
на фиг. 5 показан частичный разрез второго варианта зубчатой передачи в соответствии с изобретением;
на фиг. 6а показан вид сбоку компонента указанного второго варианта;
на фиг. 6b показан разрез компонента с фиг. 6а.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана планетарная зубчатая передача в соответствии с изобретением, которая обозначена ссылочной позицией 1 и содержит:
- центральное колесо или ведущую шестерню 2, также называемую солнечной шестерней или солнечным зубчатым колесом, с помощью которого движение передают на зубчатую передачу;
- заранее заданное количество планетарных шестерней 3 (планетарных зубчатых колес), например четыре планетарные шестерни, которые расположены вокруг солнечного зубчатого колеса 2 и входят в зацепление с ним;
- шестерню 4 с внутренним зацеплением, которая расположена вокруг планетарных шестерней 3 и входит в зацепление с ними.
В дополнение к вращению вокруг собственной оси планетарные шестерни 3 вращаются вместе с водилом планетарных шестерней или водилом 5 зубчатой передачи, на котором они установлены с помощью специальных штифтов 6, определяющих продольную ось X, и подшипников 7, например роликовых подшипников, расположенных на указанных штифтах 6. Оси вращения водила 5 планетарных шестерней и солнечной шестерни 2 совпадают.
Водило 5 планетарных шестерен имеет две стенки, при этом опорные штифты 6 зафиксированы перпендикулярно стенкам 8 и 9 водила планетарных шестерней.
На фиг. 2а и 4b показан первый вариант реализации планетарной зубчатой передачи в соответствии с изобретением, в которой каждый опорный штифт 6 изготовлен в виде единой детали и включает в себя:
- первый концевой участок 10, прикрепленный к первой стенке 8 водила 5 планетарных шестерней,
- второй концевой участок 11, прикрепленный ко второй стенке 9 водила 5 планетарных шестерней,
- третий центральный участок 20, диаметр которого превышает диаметр второго концевого участка 11, за счет чего между третьим центральным участком 20 и вторым концевым участком 11 образован кольцеобразный буртик 21.
При этом диаметр первого концевого участка 10 больше диаметра третьего центрального участка 20, за счет чего образован дополнительный буртик 22, на который опирается внутреннее кольцо подшипника 7, установленное в центральном участке 20. В соответствии с примером по фиг. 2 и 3 в центральном участке 20 штифта 6 установлено два подшипника 7, например два двухрядных цилиндрических роликовых подшипника, разделенных прокладкой 23. Может быть использовано другое количество подшипников, даже один, и другие типы роликовых подшипников.
Также первый концевой участок 10 и третий центральный участок 20 могут иметь одинаковые диаметры.
В отличие от решений, известных из уровня техники, внутреннее кольцо по меньшей мере одного подшипника 7, расположенное между опорным штифтом 6 и соответствующей планетарной шестерней 3, представляет собой элемент, отдельный от опорного штифта. Используемые подшипники являются стандартными, что позволяет избежать увеличения стоимости.
Предпочтительно кольцевая канавка 12, получаемая путем удаления материала на кольцеобразном буртике 21, имеет глубину вдоль продольной оси X, меньшую по сравнению с шириной зубчатого венца 13 планетарной шестерни 3 вдоль указанной продольной оси X.
Зубчатый венец или венец соответствует продольному размеру вдоль оси X боковых поверхностей контактирующих зубьев шестерней, то есть ширине сцепленных друг с другом зубчатых колес (см. фиг. 3 и 5).
Кольцевая канавка 12 предпочтительно выполнена на концевом участке 11, соответствующем выходной стороне передачи движения от зубчатой передачи, то есть на стороне, на которой обычно концентрируются нагрузки. Канавка 12 определяет границы области деформации опорного штифта 6, что позволяет перенести часть нагрузок на недеформируемую, то есть более прочную, область штифта и отрегулировать величину несовпадения осей двух стенок 8, 9, которое возникает из-за передаваемого крутящего момента. Указанная область деформации представляет собой кольцевую концевую часть 12′ центрального участка 20 штифта 6, причем данная кольцевая часть 12′ проходит снаружи вокруг кольцевой канавки 12.
Хорошие результаты с этой точки зрения были получены за счет выполнения кольцевой канавки 12 вдоль продольной оси X, глубина которого не превышает 50% от продольного размера зубчатого венца 13 вдоль той же оси X.
Отличные результаты были получены за счет выполнения кольцевой канавки 12 вдоль продольной оси X, глубина которого составляет от 20% до 50% от размера зубчатого венца 13.
Дополнительное преимущество может быть достигнуто за счет установки жесткого кольца 14, предпочтительно из металла, по меньшей мере частично вставляемого в кольцевую канавку 12 и имеющего соответствующий профиль, практически совпадающий с профилем части канавки 12, в который оно вставляется. Такое кольцо 14 имеет прочность, равную или превышающую прочность кольцевой концевой части 12′, и используется в качестве механического ограничителя для области деформации штифта 6, которая деформируется под действием заранее заданной нагрузки до достижения контакта с кольцом 14, то есть оно действует как механический ограничитель кольцевой концевой части 12′.
Кольцо 14 имеет первую часть, вставляемую в кольцевую канавку 12, и вторую часть, располагаемую вокруг кольцевой канавки 12 вплотную к кольцеобразному буртику 21 и фиксирующую внутреннее кольцо по меньшей мере одного подшипника 7 на месте. Фактически вторая часть напрямую контактирует с внутренним кольцом подшипника 7. Наличие второй наружной части кольца 14 упрощает извлечение кольца 14 из кольцевой канавки 12 и делает возможной фиксацию подшипника 7 по оси.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации, показанным на сопроводительных чертежах, защитное кольцо 14 представляет собой сплошное кольцо, то есть кольцо, не имеющее полостей.
Предпочтительно размер первой части кольца 14 вдоль оси X внутри кольцевой канавки 12 меньше размера данной канавки 12 вдоль этой же оси X. Предпочтительно продольный размер первой части не превышает 80% от размера канавки 12 вдоль оси X. И более предпочтительно продольный размер каждой первой части составляет от 20% до 80% от размера кольцевой канавки 12.
Защитное кольцо 14 может быть установлено в области с максимальной деформацией при нагрузке, то есть на наружной области канавки 12, что позволяет упростить контроль даже небольших деформаций.
Кроме того, форма профиля наружной поверхности первой части кольца 14 относительно продольной оси X совпадает с формой профиля смежной внутренней поверхности кольцевой канавки 12. Такой профиль может представлять собой поверхность со стенками в форме цилиндра (фиг. 5) или в форме усеченного конуса (фиг. 3).
Предпочтительно между наружной поверхностью первой части кольца 14 и смежной внутренней поверхностью кольцевой канавки 12 имеется зазор, причем наличие данного зазора позволяет регулировать максимальную гибкость опорного штифта 6 под действием перегрузок. В частности, данный зазор определяет максимальную гибкость штифта, то есть его рабочий диапазон. После создания плотного контакта между внутренней поверхностью канавки и наружной поверхностью первой части кольца 14, которая выполняет функцию механического ограничителя, область деформации штифта 6 не сможет более деформироваться, то есть начнет работать как стандартный штифт и не будет иметь областей деформации и гибкости.
Отличные результаты были достигнуты за счет создания зазора, размер которого при остановленной зубчатой передаче находится в пределах примерно от 5/1000 до 15/1000 от максимальной высоты канавки, то есть от максимальной ширины канавки вдоль направления, перпендикулярного продольной оси X.
Если профиль канавки 12 представляет собой профиль поверхности со стенками в форме цилиндра, то высота канавки, которая остается постоянной вдоль оси X, предпочтительно составляет от 20% до 40% от продольного размера зубчатого венца 13 вдоль оси X.
Если профиль канавки 12 представляет собой профиль поверхности со стенками в форме усеченного конуса, то максимальная высота канавки рядом с буртиком 21 предпочтительно составляет от 20% до 50% от продольного размера зубчатого венца 13 вдоль оси X, а ее наклонная поверхность 25 проходит под углом около 3-7°, например 5°, к оси X.
На фиг. 5-6b показан второй вариант реализации планетарной зубчатой передачи в соответствии с изобретением, для которого применимо описание первого варианта реализации за исключением того, что в данном случае каждый опорный штифт 6 состоит не из одной части, а из двух частей. Первая часть опорного штифта 6 включает в себя первый концевой участок 10, второй концевой участок 11 и центральный корпус 30, диаметр которых примерно равен диаметру второго концевого участка 11. В данном случае первая часть представляет собой гладкий штифт, единичное изменение диаметра которого возможно между первым концевым участком 10 и центральным корпусом 30.
Вторая часть опорного штифта 6 представляет собой втулку 31, установленную снаружи центрального корпуса 30 и имеющего форму внутренней поверхности, образующую совместно с центральным корпусом 30 кольцевую канавку 12 на кольцеобразном буртике 21.
Таким образом, как и в первом варианте реализации, область деформации опорного штифта 6 образуют за счет канавки 12 между гладким штифтом и втулкой.
Во втором варианте осуществления также может быть использовано кольцо 14, предпочтительно из металла, которое частично вставляется в кольцевую канавку 12 и имеет профиль, совпадающий с профилем части канавки 12, в которую оно вставляется. Такое кольцо 14 используют в качестве механического ограничителя для деформируемой части штифта 6, которая деформируется под действием заранее заданной нагрузки до достижения непосредственного контакта с кольцом 14, то есть оно выполняет роль механического ограничителя для кольцевой концевой части 12′ центрального участка 20 опорного штифта 6. Кольцо 14 может иметь первую часть, вставляемую в кольцевую канавку 12, и вторую часть, располагаемую вокруг кольцевой канавки 12 вплотную к кольцеобразному буртику 21 и фиксирующую внутреннее кольцо по меньшей мере одного подшипника 7 на месте. Кроме того, все технические отличительные признаки, описанные выше со ссылкой на первый вариант реализации, применимы ко второму варианту реализации, например, это касается размера первой части кольца 14 вдоль оси X внутри кольцевой канавки 12, профиля первой части кольца 14, зазора между наружной поверхностью первой части кольца 14 и смежной внутренней поверхностью рядом с кольцевой канавкой 12, высоты канавки.
В отличие от решений, известных из уровня техники, внутреннее кольцо по меньшей мере одного подшипника 7, расположенного между каждым опорным штифтом 6 и соответствующей планетарной шестерней 3, является частью, отдельной от втулки 31, на которой расположен по меньшей мере один подшипник 7. Используемые подшипники являются стандартными, что позволяет избежать увеличения стоимости.