ЦИКЛОИДНАЯ ПЕРЕДАЧА С ТЕЛАМИ КАЧЕНИЯ
CYCLOIDAL GEARING WITH SOLIDS OF REVOLUTION

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в редукторах совместно с сервомоторами для привода роботов, станков с ЧПУ, радаров и т.д., где требуются большие передаточные отношения, высокая точность движения исполнительного механизма и повторяемость запрограммированных перемещений.
Современные научные разработки и технологии позволили довести до совершенства производство столь необходимых для этого волновых и циклоидных передач. Но изучение опыта использования этих устройств, а также влияния на экономические показатели оборудования с их применением подводит к необходимости дальнейших поисков в этом направлении.
Известны подшипниковые редукторы типа ТвинСпин с применением высокотехнологичных циклоидных передач (см. стр.1 каталога с реквизитами web: www.spinea.sk), где сателлит g и центральное колесо K близки по числу сцепляющихся элементов и водило и звено B связаны специальной муфтой с двумя осями подвижки (по принципу крестовой муфты). Схема перемещения в 5-ти фазах представлена на стр.2 упомянутого каталога.
В реальных редукторах циклоидная передача такого типа содержит сателлит с нарезкой зубьев трахоидного профиля, трудоемких и сложных в производстве, что приводит к непреодолимым сложностям при ремонтно-восстановительных работах и само по себе освоение производства таких передач является процессом весьма дорогостоящим.
Так как запрессованные ролики солнечного колеса не имеют прокрутки в момент сопряжения с сателлитом, то происходят потери КПД из-за трения хотя и при небольших относительных скоростях скольжения. Именно поэтому редукторы такого типа под нагрузкой заметно нагреваются, происходит износ самых сложных элементов редуктора и нарастание гистерезиса крутильной жесткости. Несмотря на имеющиеся технические решения по выборке зазоров в редукторах типа твинспин, производить такую операцию без специального оборудования не представляется возможным.
Многоэлементность редукторов этого типа, где число важных деталей с микронной точностью измеряется десятками штук, так же является существенным препятствием для более широкого их применения по экономическим причинам и не ремонтопригодности.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой циклоидной передаче является планетарная передача по патенту РФ №2124661, МПК F16H 13/08, содержащая корпус, внутри которого установлено водило с радиально расположенными отверстиями, тела качения, выполненные в виде одинаковых колец, которые изнутри поджаты к кривошипу роликами, расположенными в радиально расположенных отверстиях водила и жестко закрепленными на несущем элементе, входной вал и выходной вал, жестко соединенный с водилом, кулачок, охватывающий тела качения и кривошип. Она работает по принципу планетарной передачи с телами качения без зубчатого зацепления, где источником движения является кривошип, фрикционно связанный с сателлитами-кольцами, свободно установленными внутри неподвижного кулачка специального профиля математически рассчитанного для частного случая, силовое замыкание в которой обеспечивается водилом с роликами, контролирующими угловое положение колец.
При высокой точности и отсутствии износа за счет кинематических связей без скольжения, можно отметить недостаточную жесткость передачи из-за упругости колец и невозможности получения больших значений передаточных чисел редукторов, выполненных по такой схеме.
Технической задачей, решаемой данным изобретением является улучшение механических характеристик передачи (повышение крутильной жесткости и передаваемого момента), а также расширение технологических возможностей за счет большого числа передаточных отношений, реализуемых передачей.
Поставленная цель достигается тем, что циклоидная передача с телами качения, содержащая корпус, внутри которого установлено водило с радиально расположенными отверстиями, тела качения, входной вал и выходной вал, жестко соединенный с водилом, снабжена опорными элементами, установленными с возможностью вращения на осях, радиально расположенных и жестко закрепленных в корпусе, подшипником, установленным на входном валу, и элементом силового замыкания в виде диска, закрепленного на упомянутом подшипнике. Входной вал выполнен в виде кривошипного вала, опорные элементы выполнены в виде роликов, а тела качения - в виде цилиндров, размещенных в радиальных отверстиях водила с возможностью обкатки по их внутренним поверхностям и одновременного контакта с наружной поверхностью элемента силового замыкания и с опорными элементами. Водило выполнено из двух жестко связанных между собой частей, в центре одной из которых закреплен выходной вал, а в центре другой выполнено отверстие, через который проходит входной вал, при этом элемент силового замыкания расположен между двумя частями водила, воспринимая реакции от всех тел качения.
На фиг.1 изображена циклоидная передача с телами качения, в разрезе; на фиг.2 - кинематическая схема по сечению A-A на фиг.1; на фиг.3 - план сил одной группы взаимодействующих тел; на фиг.4 - расчетная схема геометрических параметров.
Циклоидная передача состоит из корпуса 1, несущего опорные элементы 2, расположенные на осях 3 с возможностью вращения, составного водила, выполненного из двух жестко связанных между собой частей, в центре одной 4 из которых закреплен выходной вал 5, а в центре другой 6 выполнено отверстие, через которое проходит входной вал 7, выполненный в виде кривошипного вала. Обе части составного водила 4 и 6 в сборе, образуя одно целое, имеют соосные отверстия 8, равномерно расположенные по окружности, причем центры этих отверстий расположены по диаметру Dц, по поверхностям которых могут обкатываться тела качения 9, находящиеся одновременно в контакте с элементом силового замыкания 10, закрепленным с помощью опорного подшипника 11 на кривошипном валу 7, и опорными элементами 2. Элемент силового замыкания 10 размещен между частями 4 и 6 составного водила.
Основные параметры передачи выражаются следующим образом:
передаточное число определяется отношением:
2/0
3/0
i=ω/ω,
где i - передаточное число;
2/0
ω - угловая скорость кривошипного вала;
3/0
ω - угловая скорость системы тел качения, образующих сателлит,
или
т.к.
т.к.
o
i=n/(n-n),
где i - передаточное число;
т.к.
n - число тел качения,
o
n - число опорных элементов,
из чего следует, что передаточное число возрастает с увеличением числа опорных элементов.
т.к.
Угловой ход выходного вала за один оборот кривошипного вала равен 360°/n
Связь диаметра тел качения и отверстия водила:
о.в.
т.к.
D-d=2е,
o.в.
где D - диаметр отверстия водила,
т к.
d - диаметр тела качения,
е - эксцентриситет кривошипного вала.
Максимальное количество отверстий водила (фиг.1):
ц
o.в.
n=π×D/D,
ц
где D - диаметр расположения центров отверстий водила,
o.в.
D - диаметр расположения отверстий водила,
фактически меньше на 2÷3 отверстия для обеспечения несущей перемычки.
Радиус элемента силового замыкания 10 (фиг.4) определяется при заданном передаточном числе или угловом ходе, радиусах тел качения, опорных элементов:
з
2
R=ВО-R-е,
з
где R - радиус замыкающего звена,
ВО - максимальное расстояние от центра передачи О для мгновенного центра тела качения (·)В определяется тригонометрическим методом,
2
R - радиус тел качения,
е - эксцентриситет кривошипного вала.
1
На фиг.4: R - радиус опорных элементов;
4
R - радиус расположения центров опорных элементов.
Циклоидная передача работает следующим образом.
в
При вращении кривошипного вала 7 элементу силового замыкания 10 передается через подшипник 11 плоскопараллельное перемещение, создающее силовое воздействие в радиальном направлении на группу тел 9 качения, кинематически связанных с составным водилом 4, 6 передающим вращение выходному валу 5. Так как элемент силового замыкания 10, не имея фрикционной связи с кривошипным валом 7, способен только повторять круговое вращение по радиусу, равному эксцентриситету, тела качения 9 соответственно воспринимают лишь радиальную составляющую сил, возникающих в точках контакта с элементом силового замыкания 10. В результате силового замыкания тел качения 9 с опорными элементами 2 корпуса 1 в местах сопряжения с отверстиями 8 составного водила 4, 6 возникает сила F, создающая вращающий момент, который складывается из отдельных составляющих сил, возникающих в каждой группе контактирующих элементов. Из схемы циклоидной передачи видно, что при вращении элемента силового замыкания 10 в любом направлении, в передаче момента задействованы не менее 50% тел качения 9. Остальные, находясь в силовом контакте, отслеживая вращение составного водила 4, 6, исключают появление зазоров и люфта и не допускают разрыва кинематической связи всех элементов системы. Линейная скорость любой точки контакта тел качения 9 строго одинакова за счет фрикционной связи с элементом силового замыкания 10, что обеспечивает плавность хода и отсутствие износа, а свободное вращение опорных элементов 2 на осях 3 корпуса 1 практически исключает потери на трение скольжения во всех кинематически связанных парах передачи.
Конструктивная простота всех узлов передачи гарантирует технологические преимущества при сохранении функциональных свойств подшипниковых циклоидных редукторов.