Планетарные передачи с внецентроидным внутренним цевочным зацеплением в машиностроении (обзор)

УДК 621.833.6

ПЛАНЕТАРНЫЕ ПЕРЕДАЧИ С ВНЕЦЕНТРОИДНЫМ ВНУТРЕННИМ ЦЕВОЧНЫМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ В МАШИНОСТРОЕНИИ (обзор) С.О. КИРЕЕВ

Рассмотрена история возникновения и применения планетарных передач с внецентроидным внутренним цевочным зацеплением. Дана информация по величине их КПД, массогабаритным, инерционным характеристикам и виброактивности. Приведена конструкция наиболее перспективной схемы исполнения данных механизмов.

Ключевые слова: планетарные передачи, цевочное зацепление.

Введение. Применяемые в планетарных механизмах зубчатые передачи с эвольвентным зацеплением благодаря высокой конкурентоспособности занимают в машиностроении «монопольное» положение. Объясняется это известными технологическими и эксплуатационными достоинствами передачи, к которым относятся: простота формы исходного контура зуборезного инструмента, работающего по методу обката, сохранение передаточного отношения при изменении межосевого расстояния, прямолинейность линии зацепления, обеспечивающей постоянство направления действия силы нормального давления в зацеплении. Эти положительные качества эвольвентного зацепления стимулировали стандартизацию параметров исходного контура, способствовали созданию огромного парка специальных станков, обширной номенклатуры зуборезного и измерительного инструмента, а также разработке унифицированной технологии изготовления и контроля колёс прямозубых и косозубых эвольвентных передач с внешним и внутренним зацеплением. Из колёс с эвольвентным зубчатым венцом формируются рядовые ступенчатые передачи с неподвижными осями, планетарные зубчатые механизмы, коробки скоростей транспортных агрегатов и станков, компонуются механизмы подач технологического оборудования. Однако достигнутые успехи в производстве эвольвентных колёс не устраняют трудностей при совершенствовании эвольвентного зацепления посредством создания зуборезного инструмента отличного от стандартного [1]. В некоторых случаях эвольвентное зацепление теряет свои преимущества в сравнении с цевочным и циклоидальным зацеплениями, получившими признание в технике раньше эвольвентного.

Возникновение планетарных передач с внецентроидным внутренним цевочным зацеплением (ВВЦЗ). Использовать эпициклоиду в качестве профиля зуба ведомого колеса в часовом механизме (ведущим является триб), предложил датский астроном Ремер в 1675 г. Геометрию циклоидных кривых изучали Лагир, Дезарг, Камус, Дидро, Понселе [2]. Техническое приложение циклоидные кривые нашли в виде цевочного и циклоидального зацеплений, изготовляемых методом копирования. К недостаткам передач с этим зацеплением относятся чувствительность к изменению межосевого расстояния, криволинейность линии зацепления и сложность формы зуба исходного контура зуборезного инструмента при методе обката, что определило выбор эвольвентного зацепления в качестве преобладающего. Технический прогресс в станкостроении позволил преодолеть трудности воспроизводства сложных профилей, и в настоящее время на основе геометрии циклоидных кривых созданы роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания и компрессоры, гидромоторы и насосы, винтовые компрессоры и насосы, воздуходувки, планетарные передачи. Особого внимания заслуживают планетарные передачи [3].

Как известно, первые модели планетарных механизмов были созданы монахом Давидом в 1791 г. Эти четырехзвенные двухступенчатые механизмы, согласно классификации В.Н. Кудрявцева [4], имеют обозначение 2К-Н. К более простым схемам планетарного механизма отно-

сится трехзвенный одноступенчатый механизм К-Н, полученный обращенным движением рядовой однопарной зубчатой передачи с внутренним зацеплением. В механизме К-Н для передачи движения сателлита, совершающего сложное движение, ведомому валу, соосному с водилом, необходимо использовать механизм с передаточным отношением, равным единице. В дальнейшем этот механизм, по предложению В.Н. Кудрявцева [4], был назван механизмом W. По классификации, принятой в нашей стране, передача К-Н, содержащая механизм W, условно обозначается К-Н-V. Этот планетарный зубчатый механизм создавался и совершенствовался в течение нескольких десятилетий, о чем свидетельствует историческая справка по развитию конструкции и промышленному применению передач К-Н-V и 2^V.

Первая попытка использовать схему К-Н с внутренним цевочным зацеплением была сделана фирмой Carl Hamann [5] в Германии в 1900 г. В механизме фирмы Hamann в качестве сателлита использовалось цевочное колесо с нечетным числом цевок. Неподвижное колесо имело четное число зубьев, профиль которых определялся по траектории цевки, а изготовление выполнялось методом копирования. Параллельно работающий сателлит отсутствовал. Сложное движение сателлита преобразовывалось во вращение ведомого вала посредством механизма параллельных кривошипов. Передаточное отношение этого планетарного механизма определяется как отношение числа зубьев сателлита к разности числа зубьев неподвижного колеса и сателлита. Из-за низкого уровня технологии механизм Hamann не получил признания.

В 1925 г. фирма Fr. Deckel создала на базе схемы К-Н-V [5] планетарную передачу с неподвижным цевочным колесом и двумя параллельно работающими сателлитами, зубья которых спрофилированы по эквидистанте нормальной эпициклоиды. Числа зубьев сателлитов и числа цевок неподвижного колеса этой передачи отличаются на единицу, а преобразование сложного движения сателлитов во вращение ведомого вала реализуется посредством муфты Ольдгема. Позднее профиль зубьев сателлита стал выполняться по эквидистанте укороченной эпициклоиды, а муфта Ольдгема заменена механизмом параллельных кривошипов. После доработки конструкции эта передача в 30-е годы была успешно внедрена в машиностроение Западной Европы.

Промышленное внедрение передач К-Н-V связано с производственной деятельностью фирмы Simens-Schuckert-Werke (SSW). Эта фирма в конце тридцатых и начале сороковых годов прошлого столетия разработала и организовала промышленное изготовление гаммы мотор-редукторов с передачей К-Н-V. Данная передача также успешно применялась в электробарабанах ленточных конвейеров фирмы SSW, использовалась в механизме выдвижения шасси самолетов Фокке-Вульф 190А, в приводе макаронного пресса непрерывного действия (Италия) [5]. В нашей стране еще в двадцатых годах предпринималась попытка создать подобный планетарный механизм. Макет механизма К-Н-V был изготовлен в Харьковском технологическом институте в 1925 г. под руководством профессора Тира [5]. Однако по ряду причин эта разработка не была внедрена в производство.

Развитие планетарных передач с ВВЦЗ. За рубежом передачи типа К-Н-V получили широкое распространение и успешно используются в приводах различных промышленных объектов. Особого внимания заслуживают редукторы и мотор-редукторы фирмы Cyclo (Германия), созданные на базе передачи К-Н-V. Мотор-редукторы этой фирмы с одноступенчатыми передачами обеспечивают широкое поле эксплуатационных параметров (частота вращения выходного вала от 6,5 до 156 мин-1, при диапазоне мощностей от 0,2 до 30 кВт) и отличаются высоким КПД (до

0,98). Смазка этих передач - консистентная, поэтому вертикальное исполнение не требует специальных уплотнительных устройств. Аналогичную конструкцию с некоторыми изменениями производит японская фирма Sumitomo Machinery Co, поставляя потребителю под маркой Cyclo Drive.

Дальнейшее развитие планетарные передачи с цевочным внецентроидным зацеплением получили в редукторе фирмы Sier Bath (США) [5], в котором к передаче К-Н-V добавлена эвольвентная ступень. Этой передаче в российской технической литературе присвоено условное обозначение 2^V [5]. Передача 2K-V отличается высокой степенью упаковки деталей, компактностью, самоторможением и возможностью реализации передаточных отношений от 40 до 500. Такая передача нашла применение в приводах звеньев промышленных роботов и системах управления сервисными устройствами с требованием высокой жёсткости и точности позиционирования рабочего органа исполнительной системы. Фирма Teijin Seiki (Япония) и её наследница Nabtesco конструктивно усовершенство-вали передачу Sier Bath и организовали серийный выпуск типоразмеров передач модели RV (Rotary Vector) (рис.1).

Последующая эволюция трехзвенного планетарного механизма К-Н наблюдается в так называемой волновой передаче, на которую в 1959 году в США получил патент С. В. Мессер. Получили распространение волновые передачи с эвольвентными профилями зубьев, которые находятся в зацеплении с весьма малой несопря-

Рис.1. Планетарно-цевочный редуктор типа RV (схема 2К^): 1 - корпус; 2 - водило; 3 - эвольвентный сателлит быстроходной ступени; 4 - эпициклоидный сателлит и цевка внецентроидного внутреннего цевочного зацепления; 5 - цилиндрические роликовые подшипники; 6 - шарики радиальноупорных совмещённых опор качения

жённостью. Область применения таких передач ограничивается приводами кратковременного действия. Фирмами USM (США) и Harmonic Drive (Япония) налажено серийное производство волновых передач общего назначения.

Основные характеристики планетарных механизмов с ВВЦЗ. Выполненный обзор планетарных механизмов, созданных на базе схемы К-Н, свидетельствует о разнообразии технических решений, реализованных в их конструкциях. Из этой группы планетарных механизмов по признакам последовательности складываемых простейших движений выделяется подгруппа Cyclo, RV и Harmonic. Выделенную группу целесообразно сопоставить по рабочим характеристикам. На рис.2 представлены сравнительные характеристики по массе, механическому КПД, маховому моменту и вибрационным показателям, приводимые фирмой Teijin Seiki (Япония) [3].

360

250

I-»r

о

I"

Ш

.0

I

ню / RV Ж

/а УDycio

/ /

/ // у/ г

V

/ / / /

RV - переяйча 2K-V Cyclo - передача K-H-V НЮ (Harmonic) - волновая передача

Сравнение веса

Модель Весовое отношение

RV 100%

Cyclo 120%

Harmonic 60%

3 4 5 б 7 в 9 50 60 80 90

!0 1М

Масса, кг

Рис.2. Характеристики планетарных механизмов по массе

По весовым характеристикам (см. рис.2) модель RV занимает промежуточное положение между Cyclo и Harmonic. Анализ графиков КПД (рис.3, где Showa's Albania EPRO - тип консистентной смазки) свидетельствует о том, что потери на трение в модели RV на 10% ниже, чем у Cyclo и на 20% меньше чем у Harmonic. По моменту инерции на входном валу (рис.4) RV также превосходит Cyclo в 4 раза, а Harmonic в 25 раз. Вибрационные свойства сравниваемых планетарных механизмов представлены резонансными кривыми крутильных колебаний передач (рис.5).

смази Showa s Albania EPRO

* Постоянный момент

* Комнатная температура

* 8 случае машинного масла, он увеличивается на 10%.

1Ї5

-«л Мб ьив г.вйэ п

Частота вращения входного вала, мин-1 Рис.З. Механический коэффициент полезного действия

Сравнительная таблица махового момента

Модель GD2

RV 1

Cyclo А

Harmcnie ?s

GD2, кг-м2

Рис.4. График зависимости махового момента от величины передаваемого вращающего момента

С целью получения вибрационных характеристик отобранных типов передач (RV, Cyclo, Harmonic) той же фирмой Teijin Seiki (Япония) [3] проводились испытания с их образцами, объединёнными в группы сравнения, рабочие параметры которых практически совпадают (см. табл. на рис.5).

Параметры Группы испытуемы* передач

<Х)

:С.«

о

и

. t.l

i.l

:dc

TVn Модель u Нм G К.Г с vu e UM

RV RV - so 121 66 Ю ?(S 7S S

Сучо 11$ 65 12.Є 200 90

Иагпопіа СЕМ izo 61 e 190 100

/ N. / Cyclo ЧУ \ ft V

!,СМ

1,№Э

Частота вращения входного вала, мин-1

Рис.5. Вибрационные характеристики: G - масса, D - габаритный диаметр; В - габаритная ширина; М - расчётный момент

Полученные значения собственных частот колебаний передач позволяют сопоставить их по жёсткости и инерционным показателям. При сравнении собственных частот колебаний передач RV и Cyclo, отличающихся жёсткостью деталей (по технологическим причинам), выявляется более высокий момент инерции на ведомом валу системы Cyclo. Сравнение собственных частот передач RV и Harmonic даёт основание считать, что волновая передача обладает пониженными свойствами по показателям жёсткости и инерционным характеристикам нежели передача RV. Следовательно, передача RV выгодно отличается от Cyclo и Harmonic распределением массы в её конструкции. Кроме того, у резонансной кривой передачи RV на всём протяжении дорезонансного участка амплитуда вынужденных колебаний значительно меньше, чем у аналогичных кривых передач Cyclo и Harmonic. Таким образом по вибрационным показателям передача RV выгодно отличается от передач Cyclo и Harmonic.

Заключение. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что по рабочим характеристикам выделяется передача RV, выполненная по схеме 2K-V с внецентроидным внутренним цевочным зацеплением. В связи с этим в рамках госбюджетных работ по созданию зубчатых передач с нетрадиционными видами зацеплений, под руководством автора была разработана гамма передач такого типа [3], представленная в табл.1, с габаритными размерами, приведёнными на рис.6. и табл.2.

Таблица 1

Гамма планетарно-цевочных передач типа 2К^

Но- мер габа- ба- рита Модель* (типораз- мер) Передаточные отношения Номер передачи Z4 Момент Ми**, Н-м Мощность, Р***, кВт

Щи4 її н и14

1 ПЦ2-23 43 42 1 14 105 0,240

49 48 2 16

60 61 3 20

79 78 4 26

103 102 5 34

2 ПЦ2-28 57 56 6 14 140 0,330

65 64 7 16

81 80 8 20

105 104 9 26

121 120 10 30

3 ПЦ2-34 57 56 11 14 214 0,500

81 80 12 20

105 104 13 26

121 120 14 30

153 152 15 38

161 160 16 40

4 ПЦ3-40 57 56 17 14 380 0,875

81 80 18 20

105 104 19 26

121 120 20 30

153 152 21 40

5 ПЦ3-45 65 64 22 16 820 1,90

81 80 23 20

105 104 24 26

121 120 25 30

153 152 26 40

6 ПЦ3-51 65 64 27 16 1050 2,30

81 80 28 20

105 104 29 26

121 120 30 30

153 152 31 40

177 176 32 44

7 ПЦ3-56 61 60 33 12 1300 3,00

81 80 34 16

101 100 35 20

121 120 36 24

161 0 гН 37 32

181 1 СО о 38 36

201 200 39 40

8 ПЦ3-67 61 60 40 12 2160 5,00

81 80 41 16

101 1 О о 42 20

121 120 43 24

161 0 гН 44 32

181 1 СО о 45 36

201 200 46 40

Примечание: *) П - планетарный; Ц - цевочный; 2 - двухваловая модель; 3 - трехваловая модель; две последние цифры - межосевое расстояние эвольвентной ступени; **) Номинальный момент (момент, гарантирующий номинальный срок эксплуатации подшипника эпициклоидного сателлита, Ц, = 2000 ч) при оборотах на выходе пН = 20 об/мин.; ***) Величина входной мощности определена с учетом к.п.д. Номинальная частота вращения входного вала, Пі = 1500 об/мин, Z4 - число цевок.

Таблица 2

Параметры гаммы передач 2К^

Модель Момент, 10, Н-м Передаточное число Масса, кг А, В, с, Е,

мм

ПЦ 2-28 14 57,65,81,105,121 3,5 132 105 90 18 62 65

ПЦ 2-34 21,4 57,81,105,121,153,161 5,0 157 130 110 21 75 78

ПЦ 3-40 38 57,81,105,121,153 7,0 193 160 120 22 78 81

ПЦ 3-45 82 65,81,105,121,153 10 219 180 140 27 90 97

ПЦ 3-51 105 65,81,105,121,153,177 15 242 200 155 28 93 101

ПЦ 3-56 130 61,81,101,121,161,181,201 20 262 220 175 28 103 111

Б

В

Е

Рис.6. Габаритные размеры гаммы передач 2К-У

Следует отметить, что данные устройства называются передачами, а не редукторами в связи с тем, что относятся к дифференциальным механизмам и могут встраиваться в привод по различным схемам установки: неподвижным звеном может быть как корпус передачи, так и её водило. Это изменяет и передаточное отношение, что отражено в табл.1. В третьем столбце приведено передаточное отношение при закреплённом корпусе передачи (цевочном колесе) в четвёртом - при закреплённом водиле. Несложно заметить, что эти передаточные отношения отличаются лишь на единицу.

Библиографический список

1. Вулгаков Э.Б. Теория зубчатых зацеплений / Э.Б. Вулгаков. - М.: Машиностроение, 1995. - 320 с.

2. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений / Ф.Л. Литвин. - М.: Наука, 1968. - 455 с.

3. Киреев С.О. Теоретические основы методов анализа и синтеза планетарных механизмов с внецентроидным цевочным зацеплением: дис. ... д-ра техн. наук. - М.: ИМАШ РАН, 2002.

4. Кудрявцев В.Н. Планетарные передачи / В.Н. Кудрявцев. - Л.: Машиностроение, 1966. - 307 с.

5. Киреев С.О. Структура, кинематика и геометрия планетарных передач с внецентроидным цевочным зацеплением / С.О. Киреев, В.Н. Ковалёв. - Новочеркасск : НГТУ, 1995. - 98 с.

Материал поступил в редакцию 16.05.2011.

References

1. Vulgakov E'.B. Teoriya zubchaty'x zaceplenij / E'.B. Vulgakov. - M.: Mashinostroenie, 1995. - 320 s. - In Russian.

2. Litvin F.L. Teoriya zubchaty'x zaceplenij / F.L. Litvin. - M.: Nauka, 1968. - 455 s. - In Russian.

3. Kireev S.O. Teoreticheskie osnovy' metodov analiza i sinteza planetarny'x mexanizmov s vnecentroidny'm cevochny'm zacepleniem: dis. ... d-ra texn. nauk. - M.: IMASH RAN, 2002. - In Russian.

4. Kudryavcev V.N. Planetarny'e peredachi / V.N. Kudryavcev. - L.: Mashinostroenie, 1966. -307 s. - In Russian.

5. Kireev S.O. Struktura, kinematika i geometriya planetarny'x peredach s vnecentroidny'm cevochny'm zacepleniem / S.O. Kireev, V.N. Kovalyov. - Novocherkassk : NGTU, 1995. - 98 s. - In Russian.

PLANETARY GEAR WITH OFF-CENTROID INNER COGGING IN MECHANICAL ENGINEERING

S.O. KIREYEV

The origination and application history of planetary gearing with the off-centroid inner cogging is considered. Data on their mechanical efficiency, mass-dimensional and inertial characteristics and vibro-activity is presented. A structure model of the most promising design is given.

Keywords: planetary gear, cogging.