Шарнир-редуктор
HINGE REDUCER

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в робототехнике, в трансмиссиях транспортных средств, а также в приборостроении для передачи и преобразования параметров вращательного движения при необходимости работы в условиях, когда угловое расположение ведущего и ведомого звеньев механизма необходимо изменять.
Известен шарнир равных угловых скоростей (шарнир Рцеппа), в котором использованы промежуточные тела – шары, расположенные в тороидальных пазах двух полумуфт и одновременно в отверстиях сепаратора с наружной и внутренней сферической поверхностями, причем центры этих поверхностей смещены относительно друг друга. (Й. Раймпель. Шасси автомобиля. – М.: Машиностроение, 1989. – 356 с. стр. 120. Рис. 3.1.41).
Недостатками этого устройства являются технологическая сложность обработки тороидальных поверхностей и невозможность изменения угловой скорости ведомой полумуфты шарнира относительно полумуфты ведущей.
Известна шарнирная муфта (шарнир Кардана-Гука,см. Кудрявцев В.Н. Детали машин: Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. – 464 с., ил. стр. 432. Рис. 21.7, 21.8, 21.9), содержащая две вилки и крестовину, соединенные подшипниками для образования шарнира.
Недостатком этого устройства является невозможность получения постоянной угловой скорости ведущего звена-вилки при больших угловых смещениях. Колебания угловой скорости генерируют вибрации, что существенно ограничивает их применение.
Наиболее близким техническим решением является планетарный механизм с коническими колесами (Артоболевский С.И. Теория механизмов и машин. – М.: Высшая школа, 1968. – 366 с. Рис. 94). Механизм содержит конические колеса и водило, связанное с выходным валом.
Недостатком этого устройства является невозможность изменения углового положения осей входного и выходного валов.
Задачей данного изобретения является расширение функциональных возможностей за счет изменения угла между осями входного и выходного валов, упрощения конструкции повышения надежности устройства.
Технический результат – повышение КПД шарнира-редуктора, совмещающего возможность изменения угла между осями валов и изменения частоты вращения ведомого вала.
Результатом применения шарнира-редуктора является реализация эффекта передачи вращательного движения под любым управляемым межосевым углом со строгим постоянным значением передаточного отношения, при этом исполняются две функции – шарнира и зубчатого редуктора с высоким значением КПД, конструктивно простого и надежного.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что шарнир, содержащий корпус, во внутренней полости которого размещены вал-шестерня, ось для размещения сателлита, образующего зацепление с названным валом-шестерней, сателлит, установленный на оси, жестко связанной с якорем, имеющим цилиндрический участок для установки колеса, зубья которого зацеплены с зубьями паразита, колесо выполнено с возможностью взаимодействия с подшипником, который размещен в пазу корпуса, причем ось сателлита одновременно подвижно связана с сепаратором, выполненным в виде кольца с наружной и внутренней сферическими поверхностями, а также с отверстием для связи с якорем и паразитом на общей оси, причем вал-шестерня, сателлит, паразит и колесо являются коническими зубчатыми колесами, начальные конусы которых сходятся в одной общей точке, совпадающей с точкой пересечения осей вала-шестерни и колеса.
Конструкция шарнира - редуктора поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен разрез устройства в плоскости осей зубчатых колес, соответствующий углу ϕ, на фиг. 2 – вид сверху, на фиг. 3 показан вид по стрелке А.
4
11
5
7
Корпус 1 посредством гайки 2 соединен с крышкой 3, образуя внутреннюю полостью, в которой размещен вал-шестерня 4, зубья которого зацеплены с зубьями сателлита 5, установленного на оси 6, жестко связанной с корпусом 1, зубья сателлита 5 зацеплены с зубьями паразита 7, причем ось паразита 8 соединена с сепаратором 9, имеющим наружную и внутреннюю сферические поверхности, названная внутренняя поверхность сепаратора 9 служит для размещения головки якоря 10, соединенного с осью паразита 8 и выполненного с возможностью взаимодействия с зубчатым колесом 11 посредством цилиндрического выступа, входящего в отверстие указанного зубчатого колеса. Все зубчатые колеса (вал-шестерня 4, сателлит 5, паразит 7, а также колесо 11) выполнены коническими, причем вершины их делительных конусов сходятся в одной точке, а контактирующие с корпусом 1 и крышкой 3 поверхности выполнены сферическими. Зубчатое колесо 11 выполнено совместно с валом, входящим в отверстие подшипника 12, размещенного в пазу Б с возможностью перемещения в направлениях, показанных стрелками В и Г. Числа зубьев колес: вал-шестерня 4 – Z; колеса 11 – Z;сателлита 5 – Z; паразита 7 – Z.
4
11
Работает шарнир-редуктор следующим образом. При неподвижном корпусе 1, гайке 2 и крышке 3, вращение вала-шестерни 4 с числом зубьев Z передается через сателлит 5 и паразит 7 колесу 11 с числом зубьев Z, при этом передаточное отношение от вала-шестерни 4 к колесу 11 определится как
4
11
В случае равенства чисел зубьев (Z = Z) передаточное отношение .
При изменении угла ϕ паразит 7 зубьями обкатывается по сателлиту 5 в направлениях показанных стрелками В и Г, поскольку межосевые углы всех передач сохраняются неизменными за счет геометрически жестких связей колес – вала-шестерни 4 и сателлита 5, а также колеса 11 и паразита 7 – за счет геометрически жесткой связи якоря 10 и оси паразита 8. Кроме того, кинематическая связь оси 6, сателлита 5 и сепаратора 9, обеспечивает сохранение межосевого угла между сателлитом 5 и паразитом 7. При изменении угла ϕ законы зацепления для всех передач сохраняются, и передача вращения остается возможной. Подшипник 12 перемещается в пазу Б до достижения нужного значения угла ϕ. Перемещения колес обеспечивается поворотом сепаратора 9 относительно оси 6, а также поворотом якоря 10 относительно сепаратора 9.
Таким образом, обеспечивается передача вращательного движения, вращающего момента, изменение межосевого угла ϕ в заданных пределах, изменение частоты вращения ведомого звена механизма в соответствии с заданным передаточным отношением и совмещение функций шарнира и редуктора при высоком значении КПД.