Планетарный механизм и планетарная передача на его основе
PLANETARY MECHANISM AND PLANETARY TRANSMISSION BASED THEREON

Изобретение относится к механизмам, обеспечивающим орбитальное движение дисков (колес) редуктора и предназначено для использования в частности, в планетарных передачах типа K-H-V (по классификации, принятой в книге В.Н. Кудрявцев. Планетарные передачи. Машиностроение, М. 1966 г., стр. 10-11) с центральной осью передачи, лежащей внутри основной окружности планетарного колеса. В предлагаемой передаче механизм, обеспечивающий орбитальное движение планетарного колеса, является одновременно и предварительной ступенью передачи.
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 колесо внешнего зацепления - ведущую шестерню, центральное колесо внутреннего зацепления и водило с установленными на нем сателлитами. Ведущая шестерня смещена 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 может быть совмещена с осью ведущей шестерни, или с осью колеса внутреннего зацепления, или занимать любое другое положение в пределах эксцентриситета е. Описанная передача преобразует вращательное движение ведущего звена в сложное орбитально-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.
Известен также механизм по патенту на полезную модель №63476, обеспечивающий орбитальное движение выходного звена и названный авторами эксцентриковым подшипником. Эксцентриковый подшипник, по сути, представляет собой планетарный механизм, и содержит наружное кольцо - планетарное зубчатое колесо внутреннего зацепления и расположенную внутри него входную шестерню.
Планетарное колесо посажено эксцентрично относительно входной шестерни с помощью, по меньшей мере, трех сателлитов разного диаметра. Сателлиты снабжены зубчатыми венцами, которые находятся в зацеплении с планетарным колесом и с входной шестерней. Планетарное колесо жестко связано с кронштейном, образуя совместно с ним шатун, который шарнирно связан с ползуном, взаимодействующим со стойкой. Эта связь предотвращает вращение планетарного колеса вокруг собственной оси, но позволяет ему совершать орбитальное движение, тем самым преобразуя его в колебательное возвратно-поступательное движение ползуна.
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, этот механизм 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.
Известен планетарный механизм по патенту №2539438. Планетарный механизм содержит входную шестерню, наружное кольцо - планетарное колесо внутреннего зацепления и сателлиты разного диаметра, снабженные зубчатыми венцами. Планетарное колесо внутреннего зацепления снабжено механизмом, предотвращающим его свободное вращение вокруг собственной оси. 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 исключить влияние условий сборки на работу механизма, расширить диапазон возможных размеров эксцентриситета. 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 нагрузку. Этот механизм выполняет функцию эксцентрика с дополнительным передаточным отношением и используется в передачах типа K-H-V в качестве эксцентрика и предварительной ступени, а также в шариковых или роликовых передачах. Основными недостатками прототипа 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.
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. В планетарном редукторе по патенту RU 2161278, выбранном нами за прототип, 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 продольные размеры.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, технологии изготовления и сборки планетарного механизма. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в уменьшении количества сателлитов и кроме того появляется возможность использовать этот механизм в передачах типа K-H-V с предварительной ступенью без увеличения габаритов передачи
Для достижения указанных технических результатов планетарный механизм, как и прототип, содержит центральную входную шестерню и планетарное колесо внутреннего зацепления. Планетарное колесо внутреннего зацепления расположено снаружи центральной шестерни и эксцентрично смещено относительно нее. Между ними на свободном водиле посажен сателлит, находящийся в одновременном зацеплении с центральной шестерней и планетарным колесом внутреннего зацепления.
В отличие от прототипа, эксцентричное расположение планетарного колеса обеспечивается его посадкой с помощью подшипников на эксцентричный участок свободного водила
Планетарное колесо по внешней окружности выполнено с зубчатым венцом внешнего зацепления. Этот зубчатый венец находится в зацеплении с дополнительно введенным центральным колесом внутреннего зацепления.
Заявляемый механизм можно использовать в передаче типа K-H-V, где он будет создавать орбитальное перемещение планетарного колеса, выполняя при этом одновременно функцию предварительной ступени. Планетарная передача типа K-H-V, как и прототип, содержит корпус с входным и выходным валами. Для реализации на основе заявляемого механизма планетарной передачи типа K-H-V, его центральная шестерня связана с входным валом передачи, дополнительно введенное центральное колесо внутреннего зацепления выполняют неподвижным, а планетарное колесо связано с центральным выходным валом передачи механизмом передачи вращения между параллельными валами. В качестве такого механизма может быть использован любой известный в настоящее время механизм, например механизм параллельных кривошипов, муфта Ольдгейма, карданная передача или дополнительная зубчатая пара внутреннего зацепления, колесо с внешними зубьями которого жестко связано с планетарным колесом, а колесо внутреннего зацепления связано с выходным валом планетарной передачи. Все эти варианты передачи вращения от планетарного колеса к выходному валу будут проиллюстрированы в дальнейшем конкретными примерами
Благодаря такому выполнению заявляемый планетарный механизм выполняет функцию эксцентрика с передаточным отношением не равным 1, т.е одновременно является предварительной ступенью K-H-V передачи.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, на которых изображено:
На фиг. 1 показана принципиальная схема одного из вариантов предлагаемого планетарного механизма, в котором планетарное колесо посажено с помощью подшипников на эксцентричный участок свободного водила. Свободное водило в этом варианте посажено на входном валу, который в свою очередь базируется на подшипниках в корпусе. На фиг. 2 представлена принципиальная схема планетарной передачи на основе планетарного механизма на фиг. 1, в которой механизм передачи вращения между параллельными валами выполнен в виде зубчатой пары, а свободное водило посажено на подшипниках непосредственно в корпусе.
На фиг. 3 показано продольное сечение этой передачи, а на фиг. 4 поперечное сечение по АА передачи на фиг. 3.
Остальные варианты эксцентричной посадки планетарного колеса иллюстрируются на примерах применения заявляемого планетарного механизма в качестве эксцентрика и предварительной ступени в планетарных передачах типа K-H-V.
На фиг. 5 представлена принципиальная схемы планетарной передачи с механизмом передачи вращения между параллельными валами в виде параллельного кривошипа. При этом в передаче на фиг. 5 планетарное колесо посажено на подшипниках на эксцентричном участке свободного водила, посаженного с возможностью вращения на входном валу.
В передаче на фиг. 6 планетарное колесо посажено на подшипниках на свободном водиле, базирующемся на выходном валу. Механизм передачи вращения между параллельными валами выполнен в виде зубчатой пары.
В передаче на фиг. 7 посадка свободного водила такая же, как и на фиг. 1. Механизм передачи вращения между параллельными валами выполнен в виде карданной передачи или шарнира равных угловых скоростей.
Планетарный механизм, схема которого представлен на фиг. 1, содержит центральный входной вал 1, жестко связанный с центральной входной шестерней 2 с внешним зубчатым венцом 3, На входном валу 1 с возможностью вращения посажено водило 4 с сателлитом 5. Сателлит 5 находится в зацеплении с центральной шестерней 2 и планетарным колесом 6 внутреннего зацепления 7. Планетарное колесо 6 посажено эксцентрично относительно центральной оси 0-01 механизма с помощью подшипников 8. Подшипники 8 размещены на эксцентричном участке водила 4 с эксцентриситетом е относительно центральной оси 0-01 механизма. На внешней окружности планетарного колеса 6 выполнен зубчатый венец 9. Этот венец сопрягается с зубчатым венцом внутреннего зацепления 10 дополнительно введенного центрального колеса 11.
По сравнению с прототипом заявляемый механизм имеет меньшее число сателлитов (1 вместо 3), что упрощает его конструкцию и сборку. Кроме того, здесь радиальную нагрузку воспринимает подшипник 8, и нет необходимости на всех колесах выполнять беговые дорожки, как это делается в прототипе. Это еще более упрощает конструкцию и технологию изготовления планетарного механизма.
Планетарная передача типа K-H-V с предварительной ступенью, представленная фиг. 2 и фиг. 3, выполнена на основе планетарного механизма фиг. 1. Она содержит корпус 12, в котором на подшипниках 13 установлено водило 4 и на подшипниках 14 - выходной вал 15. Водило 4 в этой конкретной конструкции выполнено в виде полого цилиндра, внутри которого с помощью подшипников 16 и 17 базируется входной вал 1, жестко связанный с центральной входной шестерней 2 с зубчатым венцом внешнего зацепления 3. На боковой цилиндрической поверхности водила 4 выполнена прорезь, в которой на оси 18 с возможностью свободного вращения установлен сателлит 5. Сателлит 5 находится в зацеплении с центральной шестерней 2 и планетарным колесом 6 внутреннего зацепления 7. На внешней окружности планетарного колеса 6 выполнен зубчатый венец 9 внешнего зацепления. Этот венец находится в зацеплении с венцом внутреннего зацепления 10 дополнительного центрального колеса 11, которое в данной конструкции выполнено за одно с корпусом 12 и является неподвижным. Планетарное колесо 6 посажено эксцентрично относительно центральной оси передачи с помощью подшипников 19 и 20 на эксцентричный участок 21, выполненный на боковой цилиндрической поверхности водила 4. Для передачи вращения от планетарного колеса 6 к выходному валу 15 в конструкции использована зубчатая пара. Она представлена колесом внешнего зацепления 22 жестко связанным с планетарным колесом 6 и колесом внутреннего зацепления 23, связанного с выходным валом 15.
На поперечном сечении планетарной передачи, представленном на фиг. 4, обозначено: 2 - входная центральная шестерня с зубчатым венцом внешнего зацепления 3; 4 - свободное водило, в прорези которого на оси 18 на подшипниках установлен сателлит 5; 6 - планетарное колесо с зубчатым профилем внутреннего зацепления 7; 12 - корпус передачи, 20 подшипники, установленные на эксцентричном участке водила 4 (подшипники 19 в сечении не видны); На подшипниках 19, 20 посажено планетарное колесо 6 с эксцентриситетом е относительно центральной оси передачи.
В планетарной передаче на фиг. 2 и 3 водило с эксцентричным участком базируется непосредственно в корпусе 12. Однако возможны и другие конструктивные разновидности предлагаемого решения. Так на фиг. 5 в корпусе 12 устанавливается входной вал 1 с входной центральной шестерней 2. Свободное водило 4 базируется на входном валу 1, а планетарное колесо 6 посажено на подшипниках 19 на эксцентричный участок водила 4 с эксцентриситетом е относительно центральной оси передачи. Планетарное колесо 6 выполнено с внешним зубчатым венцом 9, сопрягающимся с венцом внутреннего зацепления 10 неподвижного колеса 11. Планетарное колесо 6 связано с выходным валом 15 механизмом параллельных кривошипов. Он представляет собой пальцы 24, равномерно расположенные по окружности относительно центральной оси передачи и связанные с выходным валом 15. Пальцы 24 размещены в отверстиях 25 планетарного колеса 6. Диаметр отверстий 25 превышает диаметр пальцев 24 на величину 2е. Обозначения остальных элементов на фигуре 5 такие же, как на предыдущих фигурах.
В планетарной передаче на фиг. 6 свободное водило 4 посажено на выходном валу 15, который в свою очередь посажен на подшипниках 14 в корпусе 12. Планетарное колесо 6 посажено на подшипниках 20 на эксцентричном участке водила 4. Механизм передачи вращения между параллельными валами здесь выполнен в виде зубчатой пары: венца внешнего зацепления на планетарном колесе 6 и венца внутреннего зацепления 23 дополнительного центрального колеса, связанного с выходным валом 15. Здесь в качестве венца внешнего зацепления на планетарном колесе 6 используется венец 9. Обозначения остальных элементов на фиг. 6 остаются такими же, как и на других фигурах.
Планетарная передача на фиг. 7 использует конструктивную компоновку планетарного механизма, представленную на фиг. 1. Входной вал 1 с шестерней 2 посажен в корпусе 12. На входном валу посажено свободное водило 4, на эксцентричном участке которого на подшипниках 8 посажено планетарное колесо 6 с венцом внутреннего зацепления 7 и венцом внешнего зацепления 9. На водиле 4 посажен сателлит 5, находящийся в зацеплении с центральной шестерней 2 и зубчатым венцом внутреннего зацепления 7 на планетарном колесе 6. Венец внешнего зацепления 9 планетарного колеса 6 находится в зацеплении с венцом внутреннего зацепления 10 дополнительного центрального колеса 11, которое в конструкции передачи выполнено неподвижным, соединенным с корпусом 12. Планетарное колесо 6 связано с выходным валом 15 планетарной передачи карданной передачей 26.
Рассмотрим работу планетарного механизма на фиг. 1. Этот механизм является дифференциальным, у него все звенья могут быть подвижными. Для определенности положим неподвижным дополнительное колесо внутреннего зацепления 11. Тогда при вращении вала 1 с входной шестерней 2 начинает вращаться сателлит 5, с которым зацепляется шестерня 2. Сателлит начнет обкатываться по внутреннему зацеплению 7 планетарного колеса 6 и одновременно начнет вращать его. Скорость вращения планетарного колеса вокруг собственной оси СС1 будет определяться соотношением числа зубьев в зацеплении его венца 9 с числом зубьев внутреннего зацепления 10 дополнительного центрального колеса 11. Обкатывание же сателлита 5 по внутреннему зацеплению 7 планетарного колеса 6 вызовет поворот водила 4 вокруг оси OO1. Планетарное колесо 6, посаженное на эксцентричный участок водила 4, при этом будет совершать одновременно с вращением вокруг собственной оси также и орбитальное движение. Благодаря посадке планетарного колеса 6 на подшипниках 8 радиальная составляющая силы при этом будет восприниматься эксцентричными подшипниками 8. Взаимодействие зубьев зубчатых колес определяет только их взаимное угловое положение. Следовательно, скорость орбитального вращения будет определяться соотношением чисел зубьев шестерни 2 и венца внутреннего зацепления 7 планетарного колеса 6, и будет меньше скорости вращения входной шестерни 2 на величину передаточного отношения. Т.е. этот планетарный механизм будет одновременно выполнять функцию генератора орбитального движения и предварительной ступени для планетарной передачи типа K-H-V.
Один из вариантов такой планетарной передачи представлен на фиг. 2. Работает она следующим образом. При вращении входного вала 1 с шестерней 2 начинает вращаться сателлит 5. Поскольку он входит в зацепление как с шестерней 2, так и с венцом внутреннего зацепления 7 планетарного колеса 6, то он начнет вращать планетарное колесо 6. Свободному вращению колеса 6 препятствует зацепление его венца 9 с венцом 10 неподвижного колеса 11. Поэтому сателлит 5 вместе со свободным водилом 4 начнет обкатываться относительно колеса 6. В результате этих взаимодействий планетарное колесо 6 будет совершать орбитальное перемещение относительно центральной оси передачи, а также вращение вокруг собственной оси. При этом скорость орбитального движения планетарного колеса будет меньше скорости вращения входного вала 1 и определяется соотношением чисел зубьев венцов 3 и 7. Т.е. заявляемый планетарный механизм здесь вместе с функцией генератора орбитального движения выполняет также и функцию предварительной ступени. Скорость вращения планетарного колеса 6 вокруг собственной оси будет определяться соотношением чисел зубьев венцов 3, 7, 9, 10. Для того, чтобы привести вращение планетарного колеса вокруг собственной оси к центральной оси передачи в данной конструкции используется дополнительная зубчатая пара 22-23, которая изменяет передаточное отношение планетарной передачи в соответствии с числами зубьев венцов 22 и 23.
По сравнению с прототипом значительно уменьшены осевые размеры передачи, так как предварительная ступень практически расположена внутри планетарного механизма.
Работа планетарной передачи по схеме на фиг. 6 аналогична работе передачи, изображенной на фиг. 2, 3. Отличие заключается лишь в том, в передаче на фиг. 6 передаточное отношение можно менять только изменением числа зубьев венцов 9,10. А в передаче на фиг. 2 передаточное отношение можно изменять в более широких пределах, как выбором числа зубьев венцов 22, 23,так и выбором числа зубьев венцов 9, 10.
Работа планетарных передач, изображенных на фиг. 5 и 7, отличается от вышеописанной только тем, что вращение планетарного колеса 6 вокруг собственной оси приводится к центральной оси передачи без дополнительного передаточного отношения с помощью механизма параллельных кривошипов в виде пальцев 24 в отверстиях 25 на фиг. 5, или с помощью карданной передачи 26 на фиг. 7.