ЭКСЦЕНТРИКОВАЯ ПЛАНЕТАРНАЯ ПЕРЕДАЧА ВНУТРЕННЕГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ
ECCENTRIC PLANETARY GEAR OF INTERNAL ENGAGEMENT

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к механизмам преобразования скорости вращения, и может быть использовано в приводах машин и механизмов самого широкого назначения, где требуется передаточное отношение в диапазоне 5-100, в частности, в приводах трубопроводной арматуры.
Планетарные передачи, содержащие центральное колесо внутреннего зацепления, зубьями которого служат цилиндрические цевки, и планетарное колесо, посаженное на эксцентрик входного вала и имеющее зубья циклоидальной формы, причем число зубьев отличается от числа роликов на единицу, известны давно (Планетарные редукторы с внецентроидным зацеплением. В.М.Шанников, Машгиз, М., 1948, US 4078454). Планетарное колесо совершает одновременно два движения - вращение вокруг собственной оси и орбитальное движение вокруг оси центрального цевочного колеса (оси передачи). В такой передаче необходим еще один механизм, приводящий вращение планетарного колеса к оси передачи. В качестве такого механизма используется либо вторая аналогичная ступень, передающая вращение с измененной скоростью, либо механизм параллельных кривошипов, передающий вращение планетарного колеса без изменения скорости.
Этот механизм представляет собой второе центральное колесо с набором пальцев, взаимодействующих с набором отверстий, выполненных в планетарном колесе. Размер отверстия равен диаметру пальца плюс двойной эксцентриситет планетарного колеса. При орбитальном перемещении планетарного колеса пальцы обкатывают отверстия и приводят вращение планетарного колеса к оси передачи без изменения скорости. Самым слабым по прочности звеном в такой передаче является механизм параллельных кривошипов.
С целью увеличения прочности было разработано множество конструктивных вариаций передачи, известной за рубежом под общим названием CYCLO, а в России как планетарно-цевочный редуктор (DE 19937412, фиг.4; WO 2006085536). В передаче CYCLO механизм параллельных кривошипов представляет собой два диска, расположенных по обе стороны от планетарного колеса и связанных друг с другом пальцами, проходящими в отверстиях планетарного колеса. Для уменьшения трения пальцы снабжены роликами или кривошипными втулками. Увеличение прочности передачи здесь достигнуто за счет увеличения числа деталей и усложнения конструкции. Кроме того, эта передача требует высокой точности изготовления и сборки, чтобы центры отверстий совпадали с центрами пальцев, а эксцентриситет втулки был равен эксцентриситету планетарного колеса. Передача имеет высокую стоимость и используется там, где требуется высокая точность движения, например в робототехнике.
В ряде областей применения нет особых требований к техническим характеристикам механических передач, а определяющим фактором является стоимость передачи.
Выбранная нами в качестве прототипа планетарная передача по патенту US 4117746 решает задачу создания простой и недорогой передачи, способной передавать высокие моменты при небольших габаритах. Кроме того, решается задача расширения диапазона передаточных отношений путем замены только одного блока в передаче с использованием всех остальных элементов конструкции без изменения.
Передача, как и аналоги, содержит центральное колесо внутреннего зацепления с зубьями в виде цевок, зацепляющиеся с циклоидальными зубьями планетарного колеса, посаженного на эксцентрик входного вала. Число цевок на единицу отличается от числа зубьев планетарного колеса.
Передача снабжена оригинальным механизмом параллельных кривошипов, приводящим вращение планетарного колеса к оси передачи. Этот механизм образован диском, жестко скрепленным с планетарным колесом, с выполненными по внешней окружности открытыми вырезами в форме дуг окружности, а также центральным диском с набором пальцев, которые взаимодействуют с открытыми вырезами. Диаметр окружности открытого выреза равен диаметру взаимодействующего с ним пальца плюс удвоенный эксцентриситет планетарного колеса. Число вырезов равно числу пальцев. Выходным и реактивным звеном могут быть либо центральное колесо с цевками, либо центральный диск с пальцами механизма параллельных кривошипов.
Планетарное колесо с циклоидальным венцом, жестко скрепленное с диском с вырезами, образуют планетарный блок. При изменении положения планетарного блока (поворота его другой стороной к соответствующим центральным колесам) у передачи изменяется передаточное отношение. При замене указанного планетарного блока на блок, в котором оба колеса имеют циклоидальные зубья, получается двухступенчатая передача с увеличенным передаточным отношением. Для возможности таких изменений число открытых вырезов в диске отличается от числа циклоидальных зубьев планетарного колеса, а число цевок центрального колеса равно числу пальцев параллельного кривошипа.
В передаче-прототипе по сравнению с обычным механизмом параллельного кривошипа, вынесенные на периферию планетарного колеса окружности увеличивают плечо и уменьшают действующую силу при передаче одного и того же крутящего момента, а открытые вырезы улучшают условия смазки и снижают требования к точности изготовления этого механизма. Действительно, открытые вырезы снижают вероятность заклинивания пальцев при наличии несоосности вырезов и взаимодействующих с ними пальцев.
Однако основным недостатком прототипа, определяющим его стоимость, является технологическая сложность изготовления планетарного блока. При изготовлении его в виде одной детали из одной заготовки нужно с противоположных сторон нарезать зубья и вырезы различной формы и различного количества. Это требует установки заготовки на станке другой стороной. При такой установке встает проблема юстировки центров окружностей нарезаемых элементов относительно друг друга. Это значительно увеличивает время и стоимость изготовления блока. В патенте предлагается изготавливать колесо и диск отдельно, и юстировку проводить при последующем соединении их в блок. Однако при этом вновь появляются недостатки, связанные с прочностью соединения, аналогичные недостаткам передачи CYCLO. Кроме того, прочность планетарного блока, состоящего из двух венцов с различным числом зубьев, определяется толщиной одного венца.
Таким образом, задачей изобретения является создание простой и дешевой малогабаритной передачи, позволяющей передавать высокие моменты.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности и упрощение технологии изготовления планетарного блока.
Для решения поставленной задачи эксцентриковая планетарная передача, как и прототип, содержит центральное колесо внутреннего зацепления с зубьями в виде цевок и планетарный блок, посаженный с возможностью вращения на эксцентрик входного вала и имеющий зубья циклоидальной формы, зацепляющиеся с цевками. Число циклоидальных зубьев не равно числу цевок. Для приведения вращения планетарного блока к оси передачи она, как и прототип, снабжена механизмом параллельных кривошипов, образованным центральным диском с пальцами, взаимодействующими с открытыми вырезами в форме дуги окружности на периферии планетарного блока. Выходным и реактивным звеном могут быть либо центральное колесо с цевками, либо центральный диск с пальцами механизма параллельных кривошипов. Для этого одно из этих звеньев должно быть соединено с выходным валом, а другое - с корпусом.
В отличие от прототипа планетарный блок выполнен с одним венцом сложной формы, имеющим с одной стороны циклоидальный профиль зуба, а с другой стороны блока зуб имеет профиль, составленный из дуг окружности, причем число циклоидальных зубьев равно или кратно числу зубьев, составленных из дуг окружностей. Оба профиля очерчены такими кривыми, что при совмещении в одной плоскости они лежат одна внутри другой без пересечений.
Выполнения последнего условия можно добиться, варьируя два параметра: изменяя радиусы образующих окружностей профильных кривых, или меняя относительные размеры роликов цевочного колеса и пальцев параллельного кривошипа, т.е. меняя амплитуды соответствующих кривых. При этом наиболее предпочтительными с точки зрения унификации деталей и технологии изготовления будут два варианта конструкции. В первом варианте диаметры цевок и пальцев выбраны одинаковыми, и радиусы образующих окружностей обеих профильных кривых равны. Во втором варианте диаметры также одинаковы, но радиус образующей окружности кривой из дуг окружностей меньше радиуса образующей окружности циклоидального профиля.
Во всех вариантах зуб венца имеет общую вершину. В результате этого толщина зубьев в их самой узкой части - в головке - становится в два раза больше, чем в прототипе при прочих равных условиях. Понятно, что это увеличивает прочность планетарного блока. В области впадин в первом варианте оба профиля совпадают, во втором варианте в области впадин профиль из дуг окружностей смещен относительно циклоидального профиля радиально внутрь.
Цевки и пальцы параллельного кривошипа целесообразно выполнить в виде роликов, посаженных с возможностью вращения на осях.
Изобретение иллюстрируется чертежами, фиг.1-9, на которых изображено:
на фиг.1 - осевое сечение предлагаемой передачи;
на фиг.2 приведена схема, поясняющая взаимодействие цевок с циклоидальной стороной венца планетарного блока для передачи на фиг.1;
на фиг.3 - схема взаимодействия другой стороны венца планетарного блока с пальцами параллельного кривошипа этой же передачи;
на фиг.4 - общий вид планетарного блока передач, изображенный на фиг.1;
на фиг.5 приведен общий вид планетарного блока с числом циклоидальных зубьев, кратных числу зубьев, образованных дугами окружностей.
На фигурах 6-9 приведены схемы, иллюстрирующие различные варианты выполнения условия, чтобы кривые, образующие профиль зуба с разных сторон планетарного блока, лежали в радиальном направлении одна в другой без пересечений. На фиг.6 и 7 диаметры цевок и пальцев, взаимодействующих с обеими кривыми, одинаковы, а на фиг.8 и 9 - различны.
Эксцентриковая передача содержит корпус 1, в котором на подшипнике 2 посажен полый выходной вал 3. Выходной вал выполнен за одно целое с диском 4, являющимся диском механизма параллельных кривошипов. В диске 4 по окружности радиуса R1 установлены пальцы 5, образующие механизм параллельных кривошипов. В этой конструкции центральное цевочное колесо 6 является реактивным звеном, поэтому оно жестко закреплено на корпусе винтами 7. В цевочном колесе 6, являющемся элементом корпуса, на подшипнике 8 посажен входной вал 9 с эксцентричным участком 10, имеющим эксцентриситет ε. Второй конец входного вала 9 консольно закреплен с помощью подшипника 11 внутри выходного вала 3. Передача на фиг.1 предназначена для привода задвижки, поэтому входной вал 9 выполнен полым для прохода штока задвижки (не показан). На эксцентрике 10 на подшипнике 13 посажен планетарный блок 14, имеющий возможность вращаться вокруг собственной оси.
В центральном цевочном колесе 6 по окружности радиуса R2≥R1 установлены оси 15, на которых с возможностью вращения установлены ролики 16, являющиеся цевками. Пальцы 5 центрального диска 4 также выполнены с надетыми на них роликами 17. Ролики 16 находятся в контакте с зубчатым венцом 18 сложной формы с одной его стороны, а ролики 17 контактируют с венцом 18 с другой его стороны (см. также фиг.4).
Венец 18 со стороны роликов 16 имеет зубья циклоидальной формы 19. Это может быть эпи- или гипоциклоида, огибающая циклоиды, трохоида. Образующая окружность этой кривой и ее амплитуда в зависимости от образующей окружности цевок 16 и эксцентриситета планетарного блока 14 выбираются такими, чтобы обеспечить постоянный и непрерывный контакт всех роликов 16 с указанной циклоидальной поверхностью 19.
С другой стороны зубчатый венец 18 выполнен с зубьями 20, боковые поверхности 21 которых образованы дугами окружностей 22, имеющих диаметр, равный диаметру ролика 17 плюс удвоенный эксцентриситет планетарного блока 14. Эти боковые поверхности 21 соседних зубьев образуют открытые вырезы 24 для взаимодействия с роликами 17 на пальцах 5 механизма параллельных кривошипов.
Таким образом, зубья зубчатого венца 18 имеют общие вершины 23, образованные вершинами циклоидального профиля 19 с одной стороны и вершинами между двух соседних открытых вырезов 24 с другой стороны (см. фиг.4). В результате каждый зуб планетарного блока в месте его наименьшей ширины (у вершины) имеет увеличенную толщину. Как показали наши расчеты, это приводит к увеличению прочности зубчатого венца в 4-5 раз.
Вследствие того что изобретение повышает прочность зубчатого венца 18, появляется дополнительная возможность уменьшить стоимость изделия. Становится возможным уменьшить количество элементов зацепления в механизме параллельных кривошипов, т.е. количество открытых вырезов и пальцев, как это показано на фиг.5. Здесь число зубьев 25, образованных дугами 21 соседних открытых вырезов 24, в два раза меньше, чем число зубьев циклоидального профиля 19. Соответственно появляется возможность в два раза уменьшить количество пальцев 5 с роликами 17, увеличив, при необходимости, их размеры. При числе циклоидальных зубьев, равном 15, число зубьев из дуг окружности можно уменьшить до 5, т.е. в три раза.
Для повышения технологичности изготовления планетарного блока кривые, образующие профили венца 18, должны проходить одна в другой в радиальном направлении. Обратимся к фиг.6-9, которые иллюстрируют, каким образом можно добиться выполнения этого условия. На схемах для наглядности ролики 16 цевочного колеса 6 показаны с их осями 15, а ролики 17 пальцев показаны без осей.
С точки зрения унификации деталей целесообразно ролики цевок и пальцев механизма параллельных кривошипов выполнить одинаковыми. В этом случае при равенстве радиусов образующих окружностей циклоидальной поверхности 19 и открытых вырезов 24 совпадают не только вершины 23 зубьев, но и впадины 27 (см. фиг.6), что еще более увеличивает прочность блока. Если в передаче определяющим требованием является не прочность, а технологичность конструкции, то впадины профилей лучше разнести. Для этого радиус R1 образующей окружности открытых вырезов 24 должен быть несколько меньше, чем радиус R2 образующей окружности циклоиды 19, как это показано на фигурах 2, 3, и 7.
ц
п
Такого же результата можно добиться, если радиусы образующих окружностей одинаковы R1=R2, а диаметр роликов 16 цевочного колеса d меньше диаметра роликов 17 пальцев d механизма параллельных кривошипов.
ц
п
Можно делать разными оба этих параметра, как показано на фиг.9. Здесь R2 больше R1, a d больше d. При этом профили 19 и 20 обеих кривых становятся практически параллельными друг другу.
Таким образом, во всех случаях кривая из дуг окружностей 21, образующая профиль зуба в виде открытых вырезов 24, смещена от циклоидальной кривой 19 в радиальном направлении к оси блока. Очевидно, что сложную форму такого зубчатого венца можно нарезать с одной установки цилиндрической заготовки на станке. Сначала инструменту для нарезания задается программа движения для изготовления профиля, более удаленного от центра, в данном случае циклоидального 19. Затем с уменьшением глубины задается другой закон движения инструмента для нарезания зубьев с боковыми стенками 21 по дугам окружности. Такая технология изготовления значительно упрощает выполнение условия соосности образующих окружностей обоих профилей, уменьшает время изготовления, а следовательно, и себестоимость планетарного блока.
Работает предлагаемая передача полностью аналогично прототипу. При вращении входного вала 9 с эксцентриком 10 планетарный блок 14 совершает орбитальное движение относительно оси передачи OO1. Взаимодействие циклоидального профиля 19 с роликами 16 неподвижного цевочного колеса 6 вызывает поворот блока 14 вокруг своей подвижной оси СС1. При этом одному полному обороту входного вала 9 соответствует поворот блока 14 вокруг собственной подвижной оси на угол, равный угловому шагу циклоиды. Планетарный блок одновременно взаимодействует с другой стороны своими открытыми вырезами 24 с роликами 17 и пальцами 5 механизма параллельных кривошипов. Этим механизмом вращение планетарного блока 14 вокруг оси СС1 передается выходному валу 3 без изменения скорости вращения. Таким образом, скорость вращения выходного вала будет уменьшена в число раз, соответствующее числу зубьев циклоиды. Для передачи, изображенной на фигурах 1, 2, 3, передаточное отношение составит 1/15.
Число пальцев 5 механизма параллельных кривошипов, соответствующее числу открытых вырезов 24, определяется величиной передаваемой нагрузки и прочностью зубчатого венца, образованного открытыми вырезами, и самих пальцев. Поскольку предлагаемое изобретение в несколько раз повышает нагрузочную способность венца при прочих равных условиях, появляется возможность уменьшить количество открытых вырезов, а соответственно и пальцев с роликами. Как показывают оценки, в общей стоимости редуктора доля роликов составляет значительную величину, поэтому уменьшение количества роликов еще более удешевляет конструкцию.