Планетарная косозубая передача

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к механическим передачам, и может быть использована при проектировании планетарных передач с криволинейной эпициклоидальной формой зубьев внутреннего зацепления, обладающих высоким передаточным отношением в одной ступени, высокой нагрузочной способностью, повышенной плавностью и малой шумностью работы.
Известно косозубое эвольвентное зацепление (Детали машин. Н.Г. Куклин, Г.С. Куклина, В.К. Житков. - М.: Абрис, 2013. - 511 с.; Детали машин. М.Н. Иванов, В.А. Финогенов. - М.: Высш. шк., 2010. - 408 с.). Зацепление содержит два зубчатых колеса, венец и сателлит. Форма зубьев каждого из колес образована эвольвентой, а зуб по ширине шестерни и колеса является криволинейным.
Недостатками известного косозубого эвольвентного зацепления являются невозможность сборки передачи при разнице зубьев сателлита и венца в 1 зуб, с увеличением угла наклона зубьев возрастают осевые нагрузки в зацеплении, неоправданно большие габариты и масса зацепления при проектировании передачи с более высокой нагрузочной способностью, маленькое передаточное отношение. При проектировании передачи редко бывает больше 7.
Косозубое эвольвентное зацепление не позволяет получать максимальное передаточное отношение в одной ступени при минимальных габаритах, а так же высокую нагрузочную способность.
Указанные недостатки обусловлены тем, что технологии изготовления косозубых эвольвентных зубчатых колес не позволяют
получать требуемой точности, позволяющей осуществлять сборку зацепления с разницей в 1 зуб, что позволило бы реализовывать максимальное передаточное отношение в одной ступени. Помимо этого процесс внутреннего зацепления эвольвентных зубьев невозможен без определенной коррекции формы зубьев, что так же препятствует нормальной работе зацепления и уменьшает суммарную нагрузочную способность передачи. В свою очередь, сложность компоновочных решений не позволяет дополнительно разместить паразитную пару зубчатых колес с целью исключения возрастающей осевой нагрузки при увеличении угла наклона зубьев. Для достижения больших передаточных чисел вводят вторую ступень в передаче, что увеличивает габариты и массу зацепления.
Известно также косозубое зацепление М.Л. Новикова (Детали машин. Н.Г. Куклин, Г.С. Куклина, В.К. Житков. - М.: Абрис, 2013. - 511 с.;). Зацепление содержит два зубчатых колеса, шестерню и ведомое колесо. Форма зубьев зацепления образована дугами окружности, а сама контактная площадка зацепления представляет собой точку, вместо линии в эвольвентном зацеплении. Зуб шестерни выполнен выпуклым и криволинейным, а зуб колеса вогнутым и криволинейным.
Недостатками этого известного косозубого зацепления Новикова являются повышенные требования к обеспечению постоянства межосевого расстояния, чрезмерно большие габариты и масса передачи, непостоянство и цикличность передаваемой нагрузки.
Косозубое зацепление Новикова не позволяет получать максимально возможную нагрузочную способность передачи, а так же малогабаритные передачи внутреннего зацепления.
Указанные недостатки обусловлены тем, что при работе косозубого зацепления Новикова зубчатые колеса входят в контакт по точке, перемещающейся по линии. Отклонения межосевого расстояния в большую сторону от номинального вызывает прекращение данного контакта и как следствие прерывание нагрузки, что вызывает цикличный характер работы, а уменьшение межосевого расстояния приводит к быстрому износу рабочей поверхности зубьев и уменьшению коэффициента полезного действия.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности признаков полезной модели, присуща известному устройству эксцентриково-циклоидального зацепления зубчатых профилей с криволинейными зубьями в соответствии с патентом RU 2416748 (прототип).
Известное устройство содержит два зубчатых колеса. Зубчатые колеса могут быть внешнего и внутреннего исполнения. Данное зацепление не содержит водила в виде эксцентрикового вала при внутреннем зацеплении зубчатых колес, а передача вращения осуществляется с входного звена являющегося сателлитом на выходное звено, являющееся венцом посредством перекатывания зубьев сателлита при его вращении по зубьям венца. Один оборот сателлита соответствует вращению венца вокруг собственной оси на 1 зуб.
При внутреннем зацеплении зубчатое колесо с криволинейными зубьями, образованными путем перемещения и одновременного поворота, эксцентрично смещенных окружностей вокруг общей оси называется сателлитом, а зубчатое колесо, зубья которого образованы путем перемещения и вращения вокруг общей оси фронтами циклоидальных кривых называется венцом.
Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются большие контактные напряжения, действующие на зубья сателлита, что уменьшает нагрузочную способность и ресурс передачи, а так же
недостаточная длина линии зацепления зубьев. Увеличение габаритов передачи при увеличении коэффициента перекрытия. Относительное проскальзывание рабочих поверхностей зубьев и как следствие уменьшение коэффициента полезного действия. Технологическая сложность обработки зубчатых колес и невозможность сборки передачи при разнице зубьев между сателлитом и венцом в 1 зуб.
Указанные недостатки обусловлены тем, что число зубьев сателлита как минимум в 2 раза меньше числа зубьев венца, что вызывает более частое контактирование зубьев сателлита с зубьями венца и приводит к большему их износу и нагруженности. Вследствие того, что зубья сателлита представлены эксцентрично смещенными окружностями, а зубья венца фронтами циклоиды контакт зубьев осуществляется на половине ширины сателлита, что ведет к недостаточной длине контактной линии и как следствие уменьшению нагрузочной способности. С увеличением коэффициента перекрытия, возрастают диаметральные и осевые размеры передачи вследствие увеличения числа зубьев колес. Профиль зубьев венца представлен фронтами циклоидальных кривых, при этом для очерчивания профиля зуба взята часть начала подъема циклоиды, что ведет к чрезмерному удельному скольжению профилей и как следствие уменьшению коэффициента полезного действия. Остроконечная вершина или вершина любой другой формы при пересечении циклоидальных кривых на их шаг ведет к повышенным требованиям при обработке зубьев, а именно к увеличению точности обработки, что не всегда возможно и как следствие ведет к браку изготовленных колес. Сателлит, профиль зубьев которого представлен эксцентрично смещенными окружностями сцепляясь с венцом катится по нему без скольжения, но при разнице в числах зубьев между сателлитом и венцом в 1 зуб зубья сателлита будут внедряться в профиль зубьев венца и качения происходить не будет. При этом произойдет заклинивание передачи. Помимо этого, данную передачу невозможно будет собрать при разнице в 1 зуб между числом зубьев сателлита и венца.
Известное устройство не позволяет достичь уменьшения диаметральных размеров передачи, осуществления сборки передачи при минимальной разнице в 1 зуб между сателлитом и венцом, увеличения ресурса работы передачи.
Это обусловлено тем, что в прототипе зубья венца образованы фронтами циклоиды, а не ее замкнутым контуром. Зубья сателлита представлены эксцентрично смещенными окружностями, которые препятствуют сборке передачи при разнице в 1 зуб, и как следствие не может быть получено максимальное передаточное число в одной ступени. При отклонении межосевых размеров между зубчатыми колесами, зубья сателлита проскальзывают по зубьям венца, что приводит к появлению ударов, наличию люфтов и как следствие синусоидальному режиму работы, что в конечном счете сказывается на нагрузочной способности передачи, ее ресурсе и непостоянстве передаточного отношения. При увеличении коэффициента перекрытия приходится вводить в конструкцию дополнительные сателлиты, что приводит к необоснованному увеличению масса - габаритных показателей передачи.
Задачей, на решение которой направлено создание полезной модели является создание передачи с максимальным передаточным отношением в одной ступени при заданных габаритах передачи с высокой нагрузочной способностью, а так же повышенной плавностью и малой шумностью работы при высоком коэффициенте полезного действия.
Техническим результатом является уменьшение диаметральных размеров передачи, осуществление сборки передачи при минимальной разнице в 1 зуб между сателлитом и венцом, увеличение ресурса работы передачи.
Дополнительным техническим результатом является уменьшение площади поверхности требующей точной обработки в 2 раза и возможность обработки зубчатых колес на 3-х координатных станках с числовым программным управлением.
Для достижения указанного результата в предлагаемой полезной модели торцевое сечение зубьев сателлита представляет собой контур эквидистантной замкнутой внецентроидной эпициклоидальной кривой, а торцевое сечение каждого зуба венца представляет собой часть цевки определенного радиуса Rцевки с сопряжением соседних зубьев радиусом сопряжения Rсопр, причем число зубьев сателлита равно Z, а число зубьев венца равно Z+1. При этом, перемещение торцевых сечений венца и сателлита вдоль винтовой линии, образованной на делительном цилиндре зубчатых колес образует криволинейный зуб. Высота зубьев и впадин между зубьями сателлита равны по величине, а плавность переходов впадины в вершину зуба везде одинаковая. Отличительной особенностью предлагаемой модели от прототипа являются зубья сателлита и венца. Зубья сателлита образованы контуром эквидистантой замкнутой внецентроидной эпициклоидальной кривой, которая путем перемещения вдоль винтовой линии образует криволинейный зуб, а в прототипе эксцентрично смещенными окружностями, каждая из которых образует криволинейный зуб путем последовательного перемещения и поворота вокруг собственной оси. Зубья венца образованы частью цевки, а соединение соседних вершин зубьев осуществляется радиусом сопряжения Rсопр, а в прототипе же зубья образованы фронтами циклоидальной кривой. При предлагаемом исполнении зубьев венца обеспечивается зацепление только вершины зуба венца и полностью всей поверхности зуба сателлита, при этом впадина зубьев венца не участвует в зацеплении, что дает возможность более грубой обработки впадины. Помимо этого число зубьев сателлита составляет Z, а число зубьев венца составляет Z+1, в прототипе же минимальное число зубьев сателлита
равно 2, а число зубьев венца может быть значительно большим, не менее 4, так как должна обеспечиваться сборка передачи.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения:
1. Венец - зубчатое колесо с зубьями, спрофилированными на внутренней поверхности цилиндра.
2. Зубья венца.
3. Сателлит - зубчатое колесо с зубьями на наружной поверхности.
4. Зубья сателлита.
5. Водило - эксцентриковый вал, приводящий в движение сателлит.
6. Рабочая поверхность при вершине зубьев венца.
7. Боковая поверхность зубьев венца, являющаяся впадиной представлена радиусом сопряжения Rсопр. Радиус сопряжения выбирается таким образом, чтобы не контактировать поверхностью с вершиной зубьев сателлита.
Принятые понятия и определения:
Эпициклоида - кривая, образованная путем качения окружности малого диаметра по неподвижной окружности большого диаметра, при этом след, оставляемый зафиксированной точкой на окружности малого диаметра описывает эпициклоиду.
Гипоциклоида - кривая, образованная путем качения окружности малого диаметра внутри окружности большого диаметра, при этом след, оставляемый зафиксированной точкой на окружности малого диаметра, описывает гипоциклоиду.
Замкнутая эпициклоида - кривая, полученная при одном полном обороте окружности малого диаметра вокруг оси окружности большого диаметра.
Замкнутая гипоциклоида - кривая, полученная при одном полном обороте окружности малого диаметра вокруг оси окружности большого диаметра.
Эквидистантная линия - прямая или любая кривая, размещенная на заданном расстоянии от себе подобной прямой или кривой.
Циклоидальная кривая - кривая, полученная путем качения окружности по прямой, при этом кривая образуется следом точки зафиксированной на этой окружности.
Фронт циклоидальной кривой - часть циклоидальной кривой, полученная при неполном качении окружности по прямой.
Цевка - элемент конструкции в виде цилиндра определенного диаметра, заменяющий собой эпициклоидальные или гипоциклоидальные зубья венца.
Планетарное внецентроидное эпициклоидальное косозубое внутреннее зацепление - зацепление, при котором сателлит движется по траектории, аналогичной движению планет в солнечной системе. При этом зацепление зубчатых колес осуществляется при помощи внутренних зубьев венца имеющих при рабочей вершине радиус цевки Rцевки сопряженной с соседей рабочей вершиной зуба радиусом сопряжения Rсопр и наружных зубьев сателлита, представленных в торцевом сечении эквидистантой замкнутой внецентроидной эпициклоидальной кривой.
Радиус сопряжения Rсопр - радиус окружности, являющейся касательной к рабочим вершинам зубьев венца, при этом радиус сопряжения обеспечивает необходимый зазор между вершиной зуба сателлита и впадиной зубьев венца.
Эквидистантная замкнутая внецентроидная эпициклоидальная кривая - кривая, проходящая на расстоянии величины радиуса цевки от идеальной эпициклоидальной кривой, которая строится по параметрическим уравнениям, при этом полюс зацепления будет находиться вне центра полюса зацепления идеальной эпициклоидальной кривой.
Торцевое сечение сателлита и венца - сечение, проходящее параллельно одному из торцов сателлита и венца, в котором представлены контуры зубьев колес образующие их.
На фиг. 1 изображен главный вид планетарной косозубой передачи. Венец 1 и сателлит 3 сцепляются зубьями 2 венца 1 и зубьями 4 сателлита 3. Сателлит 3 приводиться в движение при помощи водила 5. Вращаясь вокруг собственной оси, водило 5 давит на сателлит 3 и под действием давящей силы сателлит 3 перемещается с проворачиванием вокруг собственной оси совершая сложное плоскопараллельное планетарное движение.
На фиг. 2 представлен сателлит 3 с изображением его торцевого сечения А-А, в котором видно, что зубья представлены эквидистантой замкнутой внецентроидной эпициклоидальной кривой. Так же на фиг. 2 показано изометрическое изображение зубьев 4, которые являются криволинейными.
На фиг. 3 показано, как вдоль винтовой линии образуется поверхность криволинейного зуба 4 сателлита 3.
На фиг. 4 представлен венец с изображением его торцевого сечения Б-Б, на отдельном виде «В» которого изображено очерчивание зуба 2 при помощи образования рабочих вершин 6 зуба частью окружности цевки с определенным радиусом Rцевки и соединением двух соседних рабочих вершин зубьев радиусом сопряжения Rсопр, который образует боковую поверхность 7 зуба 2, называемую впадиной зуба.
На фиг. 5 представлен график исследования предлагаемой планетарной косозубой передачи, по оценке параметра удельного относительного скольжения поверхности зубьев сателлита по поверхности зубьев венца. Известно, что при увеличении числа зубьев в зацеплении снижается общий коэффициент полезного действия, в частности, влияние на который оказывает чрезмерно большое удельное скольжение рабочих поверхностей зубьев. Но в случае с предлагаемой планетарной косозубой передачей исследования, проведенные для оценки ее эффективности показывают, что методом подбора числа зубьев сателлита в зацеплении для каждого типоразмера передачи возможен подбор оптимального соотношения числа зубьев к размеру передачи. От размера передачи и числа зубьев зависит так называемый угол сцепляемости профилей зубчатых колес по нормали к полюсу зацепления. Чем меньше данный угол, тем легче сателлиту начать движение без удельного относительного скольжения или с минимальным его значением. На фиг. 5 на графике по оси абсцисс располагаются числа зубьев сателлита Z в порядке увеличения их числа от 11 до 38. По оси ординат располагается угол сцепляемости профилей по нормали к полюсу зацепления. На графике видно, что с увеличением числа зубьев от 11 до 24 угол уменьшается, а с 25 зубьев и до 38 угол возрастает. Следовательно оптимальным числом зубьев, при котором будет обеспечиваться высокий коэффициент полезного действия является число 24 и 25 зубьев. Проведенные компьютерные исследования показывают, что при увеличении числа зубьев до оптимального значения можно добиться снижения удельного относительного скольжения поверхностей зубьев до 6% при коэффициенте трения от 0,01 до 0,03.
Таким образом, предлагаемая полезная модель может быть реализована при создании планетарных редукторов, использование которых, например, в мехатронных системах слежения и наведения позволит уменьшить массу и габариты узла, в который будет входить данный
редуктор, позволит увеличить ресурс узла, а так же позволит увеличить передаточное число узла. При этом возможно достижение высокой точности позиционирования рабочих органов по параметру кинематической точности передачи за счет меньшей точности обработки основных деталей зацепления.