ПЕРЕДАЧА ТОРЦЕВАЯ КОНИЧЕСКАЯ ПЛАНЕТАРНАЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к механическим передачам с зубчатым зацеплением.
Известны аналогичные планетарные передачи, в которых ведущий вал сообщает при помощи кулачка, эксцентрика или наклонной шайбы возвратно-поступательное движение всему зубчатому венцу, отдельным частям зубчатого венца (передачи с гибким элементом, волновые) или отдельным зубьям, расположенным в пазах ротора и взаимодействующим с неподвижным торцевым зубчатым колесом. Например, известен «Планетарный редуктор» (авт.св. №132940 по классу 47, 7, опубликованное в «Бюллетене изобретений» №20 за 1960 г.). В этом редукторе роль качающегося блока конических шестерен выполняют подвижные зубья.
Недостаток этого планетарного редуктора заключается в том, что использование смещения качающейся шестерни относительно неподвижной, находящейся с ней в зацеплении, усложняет конструкцию, увеличивает число используемых деталей, а далее материалоемкость и стоимость изделия. Существенным недостатком является увеличение габаритов таких передач. Практически невозможно реализовать этим аналогом реверс выходного вала по отношению к вектору угловой скорости входного вала.
К аналогам можно отнести также «Редуктор конический торцевой планетарный: инновационное решение» //Вестник ТОГУ. 2010. №2 (17), который является частным техническим решением вопроса использования прецессирующего блока конических колес с торцевым зацеплением для передачи крутящего момента от двигателя к исполнительному механизму.
(13)
7
Наиболее близким прототипом передачи можно считать «коническую волновую передачу» (патент 2145016 С1, МПК F16H 1/32, опубликовано 27.01.2000 г.). Прототип содержит корпус, соосно-расположенные входной и выходной валы, блок зубчатых конических колес, совершающих прецессионное движение относительно центральной оси передачи, расположенных между ведущим и ведомым валами передачи, сцепляющихся с несколькими зубчатыми венцами, один из которых может быть заторможен, а другой расположен на ведомом валу.
Однако отметим основные недостатки передачи-прототипа:
Увеличенные (в сравнении с предлагаемой полезной моделью) габариты и недостаточная контактная прочность зубьев, что ограничивает нагрузочную способность.
Недостаточная устойчивость и долговечность гибкого элемента в волновых передачах сокращает срок полезного использования конструкции и повышает вероятность отказа.
Использование в большинстве случаев одной пары торцевых зубчатых венцов, ограничивающих передаточное отношение.
Использование нестандартных зубчатых венцов с трапецеидальным профилем зубьев (вместо более технологичного эвольвентного) и большого количества конструктивно сложных специальных деталей, увеличивающих материалоемкость, трудоемкость изготовления и себестоимость конструкции.
Необходимость использования генератора колебаний, связанного с входным валом для работы передачи.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание конструкции, позволяющей при малых размерах передавать большой крутящий момент и иметь большое передаточное отношение.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в передаче торцевой конической планетарной, содержащей корпус, соосно-расположенные входной и выходной валы, блок зубчатых конических колес, совершающих прецессионное движение относительно центральной оси передачи, расположенных между ведущим и ведомым валами передачи, сцепляющихся с несколькими зубчатыми венцами, один из которых может быть заторможен, а другой расположен на ведомом валу, объединено выполнение зубчатых пар с малой разницей чисел зубьев, большим числом одновременно контактирующих зубьев при большом угле передачи в блок зубчатых конических колес, совершающий прецессионное движение, расположеный между ведомым и ведущим валами и отделенный от них, с одной стороны шаровой опорой, лежащей на оси соосно-расположенных входного и выходного валов, в которой сходятся вершины делительных конусов всех зубчатых венцов и все оси передачи, с другой стороны - подшипником качения, через посредство которого на блок зубчатых конических колес воздействует наклонная часть приводного вала.
Сущность полезной модели поясняется чертежами: фиг.1 (передача, оформленная в виде чертежа редуктора в разрезе), фиг.2 (кинематическая схема), а также фотографиями опытного образца фиг.3, 4, 5.
Пояснения к позициям фиг.1. На ведущем валу (1) Н жестко закреплена наклонная шайба (или ведущий вал имеет наклонную плоскую часть, выполненную заодно с ним (1) Н), являющаяся аналогом водила планетарного редуктора. Через подшипник качения (2), наклонная часть ведущего вала (1)Н передает крутящий момент блоку прецессирующих жестко скрепленных между собой конических шестерен - колеса (3) (b) и (4) (с).
Блок конических шестерен имеет два зубчатых венца b и с (фиг.2) и своей шаровой опорой (или посредством шарика) (6) опирается на ведомый вал (5) (d).
Блок прецессирующих конических шестерен выполнен таким образом, что вершины начальных конусов зубчатых конических венцов b и c совпадают с центром шаровой опоры. Таким образом, вершины всех делительных конусов всех зубчатых колес находятся в центре шаровой опоры, лежащей на оси соосно-расположенных входного и выходного валов. В этой же точке сходятся (пересекаются) все оси передачи, фиг.2а.
а
а
а
d
H
d
H
d
H
d
H
Зубчатый конический венец b постоянно находится в зацеплении с зубчатым венцом  неподвижного торцевого колеса (7) (), которое является центральным колесом передачи. Колесо  и колесо d (фиг.1 и фиг.2) находятся на центральной оси O-O передачи. Колесо b и колесо с находятся на оси О'-О передачи (фиг.2). Ось О'-О пересекает центральную ось O-O в точке О - центре шаровой опоры. Ось О'-О совершает прецессирующее движение относительно оси O-O с частотой равной частоте вращения входного вала, постоянно при этом пересекая центральную ось O-O в точке О.
Зубчатый конический венец с (с наружными зубьями) находится в зацеплении с конической шестерней d (с внутренними зубьями!). Шестерня d выполняется заодно с ведомым валом-шестерней (5) (d) либо устанавливается и закрепляется на выходной вал отдельно.
Корпус передачи может быть реализован по-разному, например (фиг.1), выполнен из двух частей: корпуса (8) и фланца (9). Ведущий и ведомый валы установлены на подшипниках (10).
а
Для получения наибольшего передаточного отношения зубчатые венцы  и b, а также венцы с и d между собой должны отличаться на один зуб.
а
Одна пара зубчатых венцов, находящихся в зацеплении, например  и b, может иметь один модуль, а другая пара зубчатых колес, т.е. с и d, - другой модуль зубчатого зацепления. Также возможна реализация передачи, в которой все зубья имеют один модуль.
а
Любая из пар зубьев, находящихся в зацеплении, например с и d (или  и b), может иметь одинаковое число зубьев и исполнять в этом случае роль торцевой зубчатой муфты с передаточным отношением равным единице. Общее передаточное отношение всей передачи при этом определяется второй парой зацепляющихся колес.
Общее передаточное отношение передачи торцевой конической планетарной вычисляется по формуле:
i
здесь z - число зубьев соответствующего колеса передачи.
В знаменателе ставится знак «+» (плюс) если  или ,
и ставится знак «-» (минус) если  или .
а
Передача работает следующим образом. Вариантов реализации режимов работы может быть несколько в зависимости от требований к служебному назанчению готового изделия (фиг.2, ):
а
а
а
Если число зубьев шестерни  равно числу зубьев венца b блока колес (b-с), то несмотря на вращение ведущего вала (водила Н), поворота венца b относительно шестерни  не будет, ибо каждый зуб венца b будет входить в одну и туже впадину шестерни  и наоборот. Если при этом числа зубьев колес с и d также равны между собой, то ведомый вал (5) (d) будет совершенно неподвижен. Вращение ведущего вала будет приводить лишь к обкатыванию зубьев в двух зубчатых парах без относительного поворота.
Если же числа зубьев колес с и d не одинаковы, то по формуле (А) будут получаться значения передаточного отношения , характеризующие передачу вращательного движения и крутящего момента с ведущего вала на ведомый. В зависимости от соотношений чисел зубьев с и d возможно и реверсивное движение ведомого вала.
а
а
Если число зубьев шестерни  будет отличаться от числа зубьев венца b конического блока, то при вращении ведущего вала (водила Н) венец b будет поворачиваться относительно неподвижной шестерни  в ту или другую сторону.
Это относительное смещение качающегося блока колес (b-с) передается дальше на ведомый вал через зубчатые венцы с и d. Если числа зубьев колес с и d не одинаковы, возможно получение очень больших передаточных отношений (формула (А)), реализующих все преимущества этой передачи.
а
а
Если число зубьев шестерни  не равно числу зубьев венца b, но одновременно число зубьев венца с равно числу зубьев колеса d, то они (как и в случае п.1), выполняют роль обыкновенной торцевой муфты или корданного шарнира с передаточным отношением равным единице. Вся же передача будет иметь передаточное отношение, определяемое отношением чисел зубьев шестерен  и b и определяемое по формуле (А).
а
а
а
Если число зубьев венца с отличается от числа зубьев колеса d и при этом также отличаются числа зубьев колес  и b, то помимо основного использования (п.2.), возможно альтернативное (дополнительное) использование передачи, как дифференциального редуктора. Например, если затормозить колесо d, то в соответствующее движение прийдет колесо  (в исходном случае п.2 оно заторможено). Аналогично, если при ведущем водиле Н дать дополнительное вращение колесу  (в исходном случае п.2 оно заторможено), тогда на ведомом валу, колесе d, получится сумма этих двух движений (дифференциальное движение).
Дополнительные технические характеристики и возможные конструктивные особенности передачи торцевой конической планетарной (см фиг.2).
d
H
Ведущий (входной) и ведомый (выходной) валы - соосны. Ось O-O есть центральная ось передачи.
а
Между ведущим и ведомым валами расположены две пары конических зубчатых колес, находящихся в зацеплении соответственно: (-b) и (с-d).
а
а
Колесо  - неподвижно (например закреплено на корпусе редуктора), а колесо d закреплено на выходном валу (или выполнено заодно с ним). Колесо b находится в зацеплении с колесом , колесо с - с колесом d.
d
H
Блок зубчатых колес (b-с) расположен между ведущим и ведомым валами, причем блок зубчатых колес (b-с) может свободно вращаться вокруг наклонной оси (О-О') и жестко не связан с водилом Н ведущего вала. В свою очередь, ось (О-О') как образующая конуса с вершиной в т. О обращается вокруг центральной оси передачи - оси (O-O), смотри фиг.1.
а
Блок колес (b-с) может свободно вращаться вокруг наклонной оси (О-О') благодаря подшипнику качения (только одному (!) подшипнику), см. фиг.1, фиг.2, ' и фиг.3-5, расположенному между водилом Н и блоком прецессирующих конических колес (b-с).
а
Предложенная схема передачи торцевой конической планетарной может быть выполнена с различным отношением чисел зубьев (≤ или ≥b) и (с≤ или ≥d), что невозможно выполнить с помощью цилиндрических колес в планетарных или волновых передачах, смотри фиг.2, b. При цилиндрических колесах две пары зубчатых колес не могут зацеплятся по одну сторону от центральной оси редуктора, если одно колесо блока цилидрических колес с наружными зубьями (например - с), а другое колесо с внутренними (например - b) зубьями, смотри фиг.2, b и b'.
В передачах с разницей в один-два зуба (при больших передаточных отношениях) радиус водила, см. фиг.2, b, при цилиндрических колесах очень мал, что вызывает заклинивание, и чего не наблюдается в предлагаемой «передаче торцевой конической планетарной».
a
b
c
d
При числах зубьев: z=121, z=120, z=119, z=120, общее передаточное отношение редуктора будет: . Это означает, что электродвигатель, имеющий 1000 об/мин, должен работать более четырнадцати минут, чтобы выходной вал повернулся на один оборот.
Отметим как обязательное условие, что рассматриваемую передачу торцевую коническую планетарную невозможно выполнить при цилиндрических колесах, смотри фиг.1, фиг.2, b и b'.
a
b
c
d
10. Чтобы убедиться в работоспособности передачи был изготовлен опытный вариант редуктора с числами зубьев z=67, z=68, z=33, z=34 и соответственно с передаточным отношением:
.
Авторы убедились, что такую передачу можно изготовить и успешно и эффективно использовать в различных отраслях промышленности и других сферах деятельности. На фиг.3, 4, 5 показаны элементы опытного образца редуктора, использующего передачу торцевую коническую планетарную. В отечественной производственной практике редукторов и машин с передачей торцевой конической планетарной авторами не обнаружено.
Предлагаемая схема передачи в силу своей компактности может найти применение в приводах машин и механизмов в авиастроении, в бурильном деле, в ручном инструменте и в других областях народного хозяйства. Заявленная передача торцевая коническая планетарная может использоваться везде, где необходимо передавать большой крутящий момент с большим передаточным отношением при малых габаритах всей передачи между ведущим и ведомым валами. Схема передачи может быть выполнена как самостоятельный «редуктор», так и быть элементом более сложной конструкции между двигателем и исполнительным механизмом.
Отдельные инженерные решения собранные здесь вместе придают передаче и новизну, и экономический эффект в сравнении с прототипом:
- увеличение нагрузочной способности достигается благодаря повышению коэффициента перекрытия, создаваемого активным контактом всех зубьев, участвующих в зацеплении;
- увеличение передаточного отношения передачи получается за счет возможности применения стандартного (эвольвентного) зубчатого зацепления с минимальной разностью зубьев двух пар смежных колес;
- малые габариты всей передачи достигаются выполнением зубчатых пар в блок зубчатых конических колес, расположенный под углом к центральной оси передачи и совершающий относительно нее прецессионное движение.