МНОГОРЯДНАЯ ПЛАНЕТАРНАЯ ПЕРЕДАЧА
MULTIPLE-ROW PLANETARY GEAR

Изобретение относится к машиностроению, а именно механическим передачам. Изобретение может найти применение в скважинном оборудовании и других областях, где необходимо минимизировать радиальный габаритный размер.
Общеизвестна планетарная зубчатая передача Джемса [Кудрявцев В.Н. Планетарные передачи. М.-Л. "Машиностроение", 1966, стр. 236, 237], содержащая корпус, закрепленное в нем центральное колесо внутреннего зацепления, центральную шестерню и водило с сателлитами. Повышение нагрузочной способности этой передачи без увеличения ее радиального габаритного размера возможно путем увеличения осевой длины зубчатых колес. Однако при отношении осевой длины сателлита к его диаметру свыше 1,5 такое увеличение становится неэффективным из-за неравномерности распределения нагрузки вдоль зуба.
Известна планетарная передача [патент СССР 1059326, F16H l/48, 1983 г.], содержащая несколько имеющих общее водило планетарных рядов, центральные колеса которых установлены на цилиндрическом звене с возможностью осевого перемещения, и устройство для выравнивания нагрузки между планетарными рядами, которое выполнено в виде установленных на прямозубых шлицах на цилиндрическом звене промежуточных дисков, снабженных торцовыми кулачками наклонного профиля. Центральные колеса свободно установлены на цилиндрическом звене и также снабжены торцовыми кулачками наклонного профиля, взаимодействующими с кулачками промежуточных дисков.
Недостатками такого конструктивного решения являются: его технологическая сложность - дополнительная обработка шлицев на внутренних и наружных цилиндрических поверхностях деталей и кулачков на их торцах; дополнительные радиальные габариты, приходящиеся на торцовые кулачки и кольца; ограниченная величина накопленного перекоса зуба, которую в качестве погрешности способно компенсировать данное выравнивающее устройство.
Известны планетарные зубчатые передачи [например, патент СССР 219974, F16H 37/02, 1968 г.], содержащие солнечную шестерню, коронное колесо и водило с сателлитами, каждый из которых состоит из двух отдельных зубчатых колес, прижатых друг к другу торцами с помощью пружин, одно из которых взаимодействует с солнечной шестерней, а другое с коронным колесом. Благодаря фрикционным связям в контактах отдельных колес, образующих сателлит, в передаче обеспечивается равномерное распределение нагрузки между всеми зацеплениями.
Недостатком такой конструкции являются неизбежно увеличенные радиальные размеры сателлитов, а следовательно, и всего редуктора. Осевые габариты такой передачи также увеличены, т.к. ее сателлиты должны быть вдвое шире обычных.
Известна многорядная планетарная передача [патент СССР 1216494, F16H l/46,
1986 г.], принятая за прототип, содержащая корпус, многовенцовую центральную шестерню, многовенцовое центральное колесо внутреннего зацепления, водило с установленными на нем рядами сателлитов, каждый которых включает подпружиненные в осевом направлении фрикционные диски, имеющие наружные зубья. Центральное колесо внутреннего зацепления выполнено составным, имеет основные венцы и размещенные между ними промежуточные фрикционные кольца. Упомянутые основные венцы и промежуточные фрикционные кольца центрального колеса установлены в корпусе с возможностью осевых перемещений и подпружинены в осевом направлении. Фрикционное взаимодействие между ними осуществляется по плоским торцевым поверхностям. Зубчатые венцы центральных колес соединены с ними с помощью шпонок или шлицевых соединений, что является причиной недостатков конструкции, т.к., с одной стороны, снижается технологичность изготовления устройства, что связано с обработкой шлицев, с другой стороны, увеличиваются радиальные габариты. Кроме того, контакт между фрикционно взаимодействующими деталями осуществляется по плоским торцевым поверхностям. Для достижения необходимой силы взаимодействия требуются мощные, а следовательно, габаритные нажимные устройства.
В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств, а именно создания новой технологичной в изготовлении многорядной планетарной передачи.
Достигаемый технический результат - повышение нагрузочной способности передачи.
Многорядная планетарная передача имеет в своем составе корпус, в котором установлен центральный вал с зубьями внешнего зацепления, водило с сателлитами, установленными на нем рядами, и центральное колесо с зубьями внутреннего зацепления, выполненное составным и имеющим основные венцы, между которыми расположены промежуточные фрикционные кольца, при этом упомянутые элементы центрального колеса поджаты в осевом направлении. От прототипа передача отличается тем, что торцы промежуточных фрикционных колец и встречно им ориентированные торцы основных венцов имеют конические поверхности, фрикционно взаимодействующие между собой, при этом промежуточные фрикционные кольца выполнены разрезными и с обеспечением возможности их фрикционного взаимодействия своими внешними цилиндрическими поверхностями с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения сателлиты рядами установлены на водиле в выполненных в водиле соответствующих окнах или пазах. При этом каждый сателлит установлен в отдельном окне или пазу. Центральный вал с зубьями внешнего зацепления может быть выполнен одновенцовым в виде общей шестерни. Наилучший результат достигается, когда угол раскрытия δ конуса взаимодействующих между собой конических торцевых поверхностей основных венцов и конических торцевых поверхностей фрикционных колец составляет δ=60-90°.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации изобретения. В примере описана передача с одновенцовым центральным валом, выполненным в виде общей шестерни и с отдельными окнами на водиле, выполненными для размещения в них сателлитов.
Пример реализации иллюстрируется чертежами, на которых представлено: на Фиг.1 - продольный осевой разрез устройства, на Фиг.2 - разрезы по А-А и Б-Б, на Фиг.3 - продольный осевой разрез водила, на Фиг.4 - поперечный разрез водила.
На чертежах обозначено: 1 - корпус устройства, 2 - центральный вал, 3 - общая шестерня, 4 - общее водило, 5 - осевой канал (полость) водила, 6 - боковая стенка водила, 7 - окна, 8 - каналы, 9 - оси (сателлитов), 10 - втулки, 11 - сателлиты, 12 - зубчатые колеса внутреннего зацепления, 13 - промежуточные фрикционные кольца, 14 - пружина, 15 - торцевая гайка, 16 - крайнее кольцо, 17 - разрез в промежуточном кольце.
Планетарная передача содержит цилиндрический корпус 1, в котором установлен центральный вал 2 с зубьями внешнего зацепления, выполненный одновенцовым с общей шестерней 3, что упрощает конструкцию и повышает надежность. При других реализациях изобретения возможно изготовление центрального вала с составной шестерней, как это описано в прототипе. В корпусе также установлено водило 4, имеющее осевой несквозной канал 5. В этом глухом канале водила 4 размещена шестерня 3. В стенке 6 водила 4 выполнены параллельные ряды окон 7, так, что в одном ряду окна равномерно распределены по кольцу. Окна отделены друг от друга. В рассматриваемом примере в каждом ряду имеется три окна, углы между осями которых составляют 120°. Окна 7 равномерно распределены вдоль трех продольных осей. В боковой стенке 7 водила выполнено три продольных сквозных канала 8. Каждый канал 8 проходит через окна 7 своего сегмента. В каждом канале 8 установлена одна из трех имеющихся в конструкции стержневых осей 9. На каждом стержне (оси 9) установлены втулки 10, а на каждой втулке 10 закреплен сателлит 11. Втулки 10 с закрепленными на них сателлитами 11 установлены так, чтобы зубчатая поверхность сателлитов 11 выступала за боковую внешнюю поверхность водила через окна 7, при этом каждому сателлиту соответствует одно окно.
Эквивалентной заменой окнам могут служить специальные радиальные пазы, выполненные в водиле, которые, как и окна, отделены друг от друга перегородками, при этом каждому сателлиту соответствует один паз.
В корпусе 1 установлены основные венцы - зубчатые колеса 12 внутреннего зацепления, предназначенные для взаимодействия с сателлитами 11, с образованием планетарных рядов. Между зубчатыми колесами 12 установлены промежуточные фрикционные кольца 13. Зубчатые колеса 12 и промежуточные фрикционные кольца 13 образуют составное центральное колесо с зубьями внутреннего зацепления следующим образом: зубчатые колеса 12 и промежуточные фрикционные кольца 13 имеют в поперечном сечении форму трапеций, которые встречно ориентированы таким образом, что для зубчатых колес 12 меньшее основание трапеции направлено наружу колеса, а для промежуточных колец 13 - меньшие основания ориентированы внутрь. Образованные таким образом конические поверхности зубчатых колес 12 входят (заглубляются) внутрь конусов смежных с ними промежуточных колец 13. При этом зубчатые колеса 12 и расположенные между ними промежуточные кольца 13 контактируют с внутренней поверхностью корпуса гладкими цилиндрическими боковыми поверхностями. Эти элементы центрального вала установлены с возможностью их осевого перемещения. Между описанными выше коническими поверхностями осуществляется фрикционный контакт путем поджатия с помощью нажимного устройства, имеющего в своем составе пружину 14, установленную в корпусе 1, и воздействующую на открытый торец крайнего кольца 16, закрывающего последнее зубчатое колесо 12. Сила нажатия регулируется при помощи торцевой гайки 15, установленной в корпусе 1.
Промежуточные кольца 13 выполнены разрезными (имеют разрез 17).
Оптимальный угол раскрытия δ фрикционно взаимодействующих конусов δ=60-90° (на Фиг.1 для простоты показан угол δ/2, как угол наклона образующей конуса к оси конуса).
Заявленная планетарная передача работает как обычная многорядная планетарная передача. При вращении центрального вала 2 сателлиты 11 обкатываются по общей шестерне 3 передают вращение на водило 4.
Однако при возникновении неравномерности распределения нагрузки между рядами сателлитов 11 некоторые зубчатые колеса 12 внутреннего зацепления (в первую очередь, крайние) оказываются нагруженными большей окружной силой, чем остальные. Сила трения между промежуточными кольцами 13, примыкающими к наиболее нагруженным отдельным зубчатым колесам 12, и корпусом 1 оказывается недостаточной, и эти зубчатые колеса 12 смещаются в окружном направлении, перераспределяя нагрузку между всеми планетарными рядами. При максимальной нагрузке, величина которой задается регулировкой нажимного устройства, все зубчатые колеса 12 внутреннего зацепления планетарной передачи нагружены равномерно. Кратковременное превышение максимального крутящего момента также допустимо. В этом режиме составное центральное зубчатое колесо внутреннего зацепления планетарной передачи работает как предохранительная муфта.
В заявляемом устройстве соединение корпуса 1 и промежуточных колец 13 осуществлено без используемых в прототипе для этих целей шлицев и шпонок, что повышает технологичность и уменьшает общий радиальный размер. Отказ от применения шпонок возможен благодаря тому, что при действии осевой силы на разрезные кольца 13 они раздвигаются, т.к. усилие воспринимается их коническими торцевыми поверхностями. Это приводит к возникновению радиальной составляющей силы, что создает необходимый натяг между наружной цилиндрической поверхностью промежуточного кольца 13 и внутренней поверхностью корпуса 1.
Крутящий момент с зубчатых колес 12 внутреннего зацепления на промежуточные кольца 13 передается за счет сил трения, но благодаря наличию конусов при одинаковом осевом усилии сила трения больше, чем в известных решениях с плоскими торцевыми фрикционными поверхностями.
Оптимальный угол раскрытия δ фрикционно взаимодействующих конусов δ=60-90°. При этом радиальная сила в контакте каждого промежуточного фрикционного кольца и корпуса в 1,5-2 раза превышает осевую силу, создаваемую нажимным устройством, а сила трения между основными венцами и промежуточными кольцами гарантированно превышает силу трения между промежуточными кольцами и корпусом. Последнее необходимо для того, чтобы при первоначальной затяжке нажимного устройства и по мере износа деталей при длительной работе передачи промежуточные кольца могли сместиться в осевом направлении, передав осевую силу на последующие элементы.