Зубчатая безводильная планетарная передача
GEAR CONVENTIONAL PLANETARY TRANSMITTION

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механическим передачам, преимущественно низкооборотным и периодического действия: приводы трубопроводной арматуры, лебедки, домкраты, ключи-мультипликаторы.
Известны планетарные передачи K-H-V (по классификации В.Н. Кудрявцева), например, [RU 2402708, F16H 1/32, 2010 г.]. Эта передача содержит неподвижное центральное колесо с внутренними зубьями, ведущее водило, сателлит с внешними зубьями и устройство снятия момента с сателлита, компенсирующее несоосность сателлита и ведомого вала. В некоторых приводах, например, винтового насоса [US 2012/0142473, F16H 1/32, 2012 г.] само ведомое звено имеет несоосное расположение. Один из недостатков таких передач заключается в наличии водила, которое является сложной и нетехнологичной деталью.
Известны безводильные планетарные передачи 3К (по В.Н. Кудрявцеву), например, передача [US 3675510, F16H 1/46, 1972 г.], содержащая ведущее центральное колесо с внешними зубьями, два центральных колеса с внутренними зубьями, одно из которых является неподвижным, а другое ведомым, смещенных друг относительно друга в осевом направлении, и плавающие сателлиты, взаимодействующие одновременно со всеми тремя центральными колесами. Подобные передачи характеризуются большим передаточным отношением при невысоком КПД. Недостатком подобных передач является также несимметричное нагружение сателлитов, для устранения которого приходится выполнять опорное колесо с дополнительным зубчатым венцом, что увеличивает осевые габариты передачи.
Известна также безводильная планетарная передача с двумя слоями сателлитов [RU 2423634, F16H 1/36, 2011 г.]. Она содержит ведущее центральное колесо с наружными зубьями и два силовых центральных колеса, одно из которых имеет наружные зубья, а другое - внутренние. В зависимости от применения в приводе, любое из силовых колес может быть остановлено, т.е. стать опорным (а другое - ведомым). Сателлиты расположены в два слоя в шахматном порядке. Сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с центральным силовым колесом, имеющим наружные зубья. Сателлиты внешнего слоя взаимодействуют с центральным силовым колесом, имеющим внутренние зубья, а также с сателлитами внутреннего слоя, причем каждый сателлит внешнего слоя взаимодействует с двумя сателлитами внутреннего слоя и наоборот. Недостатком данной передачи является ограниченное передаточное отношение и невысокий КПД.
Наиболее близким предлагаемой передаче по конструктивным признакам является устройство, известное по патенту [RU 2341697, F16C 27/00, 2007 г.]. Оно содержит колесо с внутренними зубьями, плавающие сателлиты наружной группы, непосредственно взаимодействующие с этим колесом, и плавающие сателлиты центральной группы, взаимодействующие только с сателлитами наружной группы. Это устройство предназначено для использования в качестве. зубчатого эксцентрикового подшипника. Оно не содержит конструктивных элементов, предназначенных для подачи и снятия вращающего момента с зубчатых звеньев, т.е. передачей не является.
В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств преобразования вращения, а именно, создания новой простой в изготовлении и компактной планетарной передачи, предназначенной для низкооборотных приводов периодического действия.
Достигаемый технический результат состоит в упрощении конструкции, устранении нетехнологичных деталей и повышении КПД безводильной планетарной передачи.
Прелагаемая зубчатая безводильная планетария передача содержит колесо с внутренними зубьями, разновеликие сателлиты наружной группы, непосредственно взаимодействующие с этим колесом, и сателлиты центральной группы, взаимодействующие только с сателлитами наружной группы. Новизна состоит в том, что ведомым звеном передачи является наибольший сателлит наружной группы, а ведущим звеном является другой сателлит.
Предлагаемое устройство в отличие от эксцентрикового подшипника, не только воспринимает радиальные нагрузки, но дает возможность снимать движение с ведомого звена, т.е. является передачей. В этой передаче нет водила, что упрощает и удешевляет изготовление ее деталей. Новая передача имеет лучшее соотношение КПД и передаточного отношения, чем у известных безводильных планетарных передач. Все зубчатые колеса новой передачи расположены в одной плоскости, что делает ее более компактной, чем известные безводильные планетарные передачи. Силовые звенья предлагаемой передачи представляют собой статически определимую систему, что снижает требования к точности деталей и, тем самым, удешевляет производство.
Наибольшие передаточное отношение и КПД механизма достигаются в том случае, когда ведущий сателлит относится к центральной группе сателлитов. При этом в простейшей конструкции передачи центральная группа сателлитов состоит из одного ведущего сателлита, а наружная группа сателлитов, помимо ведомого, содержит два опорных сателлита. Для обеспечения более надежного удержания сателлитов от выпадения в ненагруженном состоянии наружная группа сателлитов, помимо ведомого, содержит два опорных сателлита, а центральная группа сателлитов состоит из трех сателлитов, причем тот из них, который находится в центре, является ведущим, а два других - вспомогательными. Вспомогательные сателлиты играют роль «замков», предотвращающих выпадение опорных сателлитов. В другом варианте конструкции центральная группа сателлитов состоит из ведущего и двух вспомогательных сателлитов, а наружная группа сателлитов, помимо ведомого, содержит два опорных и два вспомогательных сателлита. Еще один вариант обеспеченья невыпадения сателлита состоит в том, что передача содержит поводок, шарнирно связанный с двумя опорными сателлитами. При этом наиболее компактным является конструктивное решение, в котором оси шарниров, связывающих поводок с двумя опорными сателлитами, закреплены на поводке консольно.
В некоторых приводах требуется однонаправленное вращение ведущего и ведомого валов. Для обеспечения этого условия ведущий сателлит относится к наружной группе сателлитов. При этом в наиболее простом случае наружная группа сателлитов состоит из ведомого и ведущего сателлитов, а центральная группа сателлитов состоит из двух промежуточных сателлитов. Для более надежного удержания сателлитов от выпадения в ненагруженной фазе работы передача содержит поводок, шарнирно связанный с двумя промежуточными сателлитами. В другом конструктивном варианте, обеспечивающем удержание сателлитов, центральная группа сателлитов состоит из двух промежуточных сателлитов, а наружная группа сателлитов, помимо ведомого, содержит три сателлита, причем тот из них, который находится в центре, является ведущим, а два других - вспомогательными (замковыми).
Для увеличения коэффициента полезного действия передачи зубчатые колеса снабжены концентричными им опорными катками, которые воспринимают радиальные силы, действующие в кинематических парах.
Примеры реализации изобретения иллюстрируются чертежами.
На фигуре 1 показана конструкция зубчатой безводильной планетарной передачи с ведущим звеном, принадлежащим центральной группе сателлитов.
На фигуре 2 - ее осевой разрез по А-А.
На фигуре 3 - осевой разрез по Б-Б конструктивного варианта передачи, содержащего опорные катки.
На фигуре 4 показана передача со вспомогательными сателлитами, принадлежащими центральной группе.
На фигуре 5 изображена передача со вспомогательными сателлитами, принадлежащими центральной и наружной группам.
На фигуре 6 - передача с поводком, связывающим опорные сателлиты.
На фигуре 7 - ее осевой разрез по Г-Г.
На фигуре 8 показана передача с ведущим звеном, принадлежащим наружной группе сателлитов.
На фигуре 9 - такая же передача со вспомогательными сателлитами наружной группы.
На фигуре 10 - такая же передача с поводком, связывающим промежуточные сателлиты.
Зубчатая безводильная планетарная передача, изображенная на фиг. 1, 2, содержит центральное зубчатое колесо 1 с внутренними зубьями. В данной конструкции оно является неподвижным. Остальные зубчатые колеса 2, 3, 4, 5 - сателлиты. Они имеют внешние зубья, расположены внутри центрального зубчатого колеса 1 и совершают планетарное движение. Сателлиты 3, 4, 5, непосредственно взаимодействующие с колесом 1, составляют наружную группу сателлитов. Сателлит 2 представляет сателлиты центральной группы. Он взаимодействует только с сателлитами наружной группы. Сателлит 3, который является наибольшим сателлитом наружной группы, выполняет функцию ведомого звена. Он закреплен на валу 6 при помощи шпонки 7. Ведущим звеном передачи является сателлит 2. Сателлиты 4, 5 служат опорой для ведущего сателлита 2. Для предотвращения осевого перемещения подвижных частей передачи, на остановленном центральном зубчатом колесе 1 закреплены реборды 8 (фиг. 2). Ведомый вал 6 удерживают от перемещения в осевом направлении стопорные кольца 9. Ведущий плавающий сателлит (вал-шестерню) 2 от осевого перемещения удерживают реборды 10 и стопорные кольца 11.
Передача работает следующим образом. Ведущее зубчатое колесо 2 центральной группы передает вращение сателлитам наружной группы 3, 4, 5, которые обкатываются по остановленному центральному колесу 1. Вращающий момент снимается с наибольшего сателлита 3 наружной группы. Оси ведущего 2 и ведомого 3 сателлитов совершают планетарное движение. Для подачи и снятия вращающего момента используются устройства, компенсирующие несоосность ведущего 2 и ведомого 3 звеньев по отношению к неподвижному центральному зубчатому колесу 1 с внутренними зубьями (например, карданный вал, муфта Ольдгема), которые на фигурах не показаны.
Передаточное отношение механизма вычисляется по формуле:
1
где z - число зубьев остановленного центрального колеса 1;
2
3
z, z - числа зубьев ведущего 2 и ведомого 3 сателлитов.
2-3o1
Рациональный диапазон передаточных отношений i от -4 до -20 (т.е. направление вращения меняется на противоположное).
1
2
3
На фиг. 1 и 2 изображен пример зубчатой безводильной передачи, имеющей параметры: z=59, z=13, z=43. Ее передаточное отношение:
,
На фиг. 3 показан конструктивный вариант передачи, в котором зубчатые колеса 1, 2, 4 снабжены концентричными им опорными катками 12, 13, 14, соответственно. При работе опорные катки не только удерживают сателлиты от радиального перемещения, но и воспринимают радиальные силы, действующие в зацеплениях. В результате обратная сторона зуба становится ненагруженной, что существенно повышает КПД передачи. В передаче, показанной на фиг. 3, на ведомом колесе 3 тоже могут быть установлены опорные катки, но необходимости в них нет, т.к. радиальные силы в зацеплении колеса 3 невелики. Если силовой контакт зуба по двум боковым поверхностям полностью исключен во всех зацеплениях механизма, то общие потери снижаются на 30-50%.
В передаче, изображенной на фиг. 4, наружная группа сателлитов, помимо ведомого, содержит два опорных сателлита 4, 5, а центральная группа сателлитов состоит из трех сателлитов, причем тот из них, который находится в центре 2, является ведущим, а два других 15, 16 - вспомогательными. Для увеличения КПД и нагрузочной способности передачи нужно минимизировать углы зацепления в силовых кинематических парах, образуемых опорным сателлитом 4. Однако при этом повышается опасность выпадения опорного сателлита 5, не нагруженного при данном направлении вращения. Вспомогательные сателлиты 15, 16 не дают выпасть ненагруженному опорному сателлиту 5. Вспомогательные сателлиты устанавливаются так, чтобы углы зацепления в образуемых ими кинематических парах были максимальными. На общий КПД передачи это практически не влияет потому, что данные кинематические пары не являются силовыми.
В передаче, изображенной на фиг. 5, центральная группа сателлитов состоит из ведущего 2 и двух вспомогательных сателлитов 15, 16, а наружная группа сателлитов, помимо ведомого, состоит из двух опорных 4, 5 и двух вспомогательных сателлитов 17, 18. Такая конструкция предназначена для реализации максимальных передаточных отношений.
Передача, изображенная на фиг. 6 и 7, содержит поводок 19, шарнирно связанный с двумя опорными сателлитами 4, 5, удерживающий от выпадения ненагруженный опорный сателлит 5. Наиболее компактным является вариант, когда оси шарниров 20, 21, связывающих поводок 19 с двумя опорными сателлитами 4, 5, закреплены на поводке консольно. Невысокая прочность и жесткость консольных осей 20, 21, в данном случае, роли не играет, т.к. поводок 19 не включен в силовую цепь.
На фиг. 8 показана передача, отличающаяся от предыдущих тем, что ведущий сателлит 22 относится к наружной группе сателлитов. Он непосредственно взаимодействует с центральным остановленным силовым колесом 1, а также с промежуточными сателлитами 23 и 24 центральной группы. Передаточное отношение такого механизма рассчитывается по формуле:
.
22-3o1
Диапазон передаточных отношений i от+1 до+16.
1
22
3
В примере, показанном на фиг. 8, z=59, z=11, z=45.
.
Таким образом, передача осуществляет однонаправленное вращение ведущего и ведомого валов.
Передача, показанная на фиг. 9, содержит вспомогательные сателлиты 25, 26. Она, так же как и предыдущая, обеспечивает однонаправленное вращение ведущего и ведомого звеньев. В передаче, показанной на фиг. 10, удержание промежуточных сателлитов 23, 24 от выпадения обеспечено поводком 27.