Фрикционная планетарная передача
FRICTION PLANETARY GEAR

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механическим передачам. Оно может найти применение в скважинном оборудовании и других областях техники, где необходимо минимизировать радиальный габаритный размер редуктора.
Известны многопоточные фрикционные планетарные передачи [US 1093922 (fig. 2), DE 665767, GB 1311186, SU 528405 и др.], обладающие свойством самонатяжения фрикционных контактов в плоском контуре. Они содержат: эпициклический центральный каток с внутренней фрикционной поверхностью, солнечный центральный каток с наружной фрикционной поверхностью; сателлиты, расположенные между двумя центральными катками в два слоя, причем сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с солнечным катком, а сателлиты внешнего слоя взаимодействуют с эпициклическим катком и сателлитами внутреннего слоя; водило, шарнирно связанное с сателлитами внутреннего или внешнего слоя. Основным недостатком данной схемы является малый допуск на изменение размеров тел качения, которое может иметь место в результате износа и упругой деформации. При самом незначительном уменьшении диаметров тел качения сателлиты внешнего слоя «провалятся» между сателлитами внутреннего слоя и эпициклическим катком. Таким образом, подобные передачи ненадежны. Кроме того, как и большинство фрикционных передач, эти передачи имеют сравнительно небольшую нагрузочную способность. Наличие сложной в изготовлении детали - водила, само по себе является фактором, увеличивающим трудоемкость изготовления и стоимость редуктора.
Существуют фрикционные передачи с самонатяжением [US 1093922 (fig. 3), US 3380312, US 3848476, US 3945270, US 4481842, GB 1461104, WO 2004/029480 и др.], содержащие: эксцентричные эпициклический каток с внутренней цилиндрической фрикционной рабочей поверхностью и солнечный каток с внешней цилиндрической фрикционной рабочей поверхностью; три ролика-сателлита разного диаметра, взаимодействующие с солнечным и эпициклическим катками; рычажное звено - стойку или водило, несущее оси, на которых закреплены два ролика, и упор для третьего ролика. К износу тел качения такие передачи значительно менее чувствительны, чем предыдущие. Недостатками данной схемы остаются сравнительно небольшая нагрузочная способность передачи и наличие нетехнологичной детали - водила.
Наиболее близкой предлагаемой по конструкции является фрикционная планетарная передача [US 3380312 (fig. 6)] - (прототип), которая содержит: эпициклический каток с внутренней рабочей поверхностью, солнечный каток с внешней рабочей поверхностью, водило и тройку сателлитов, расположенных между эпициклическим и солнечным катками, два из которых шарнирно связаны с водилом, а третий, имеющий наибольший диаметр, является плавающим. Недостатки этой схемы, как и предыдущих, состоят в невысокой нагрузочной способности передачи и наличии нетехнологичной детали - водила. Увеличение осевого размера редуктора повышает его нагрузочную способность, но лишь до определенного предела, обусловленного жесткостью и прочностью водила.
В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала механических передач, а именно - создания технологичной конструкции фрикционной планетарной передачи, обладающей большой нагрузочной способностью при малых радиальных габаритах.
Достигаемый технический результат - повышение нагрузочной способности передачи без увеличения радиальных габаритов, а также упрощение ее конструкции и устранение нетехнологичных деталей.
Предлагаемая фрикционная планетарная передача содержит кольцо с внутренней рабочей поверхностью, разновеликие сателлиты наружной группы, непосредственно взаимодействующие с этим кольцом, и сателлиты центральной группы, взаимодействующие только с сателлитами наружной группы. Новизна состоит в том, что ведомым звеном передачи является наибольший сателлит наружной группы, ведущим звеном является другой сателлит, а прочие промежуточные сателлиты связаны между собой перемычкой, не нагруженной крутящим моментом.
Отсутствие водила - детали сложной формы, изготовленной с высокой точностью и нагруженной большим крутящим моментом, во-первых, упрощает конструкцию и снижает трудоемкость изготовления передачи, во-вторых, позволяет увеличить длину катков и, тем самым, повысить нагрузочную способность передачи, не увеличивая ее радиальные габариты. Имеющаяся перемычка между промежуточными сателлитами, во-первых, значительно проще водила по конструкции, во-вторых, не нагружена крутящим моментом, а ее жесткость и прочность не лимитируют крутящий момент, который выдерживает передача.
Наибольшее передаточное отношение и КПД механизма достигается в том случае, когда ведущий сателлит относится к центральной группе сателлитов. При этом центральная группа сателлитов состоит из одного сателлита, который является ведущим. В одном из конструктивных вариантов такой схемы перемычка, связывающая промежуточные сателлиты, выполнена в виде поводка, шарнирно соединенного с каждым из промежуточных сателлитов наружной группы.
Повышение нагрузочной способности редуктора без увеличения его радиальных габаритов требует увеличить общий осевой размер звеньев передачи, сохранив необходимую прочность и жесткость его элементов. Для выполнения этого требования промежуточные сателлиты наружной группы состоят из отдельных роликов, установленных соосно друг другу, а поводок, связывающий промежуточные сателлиты, выполнен в виде отдельных пластин, расположенных между роликами и объединенных общими осями, проходящими через центры промежуточных сателлитов.
В конструктивном варианте передачи с ведущим сателлитом, принадлежащим к центральной группе, промежуточные сателлиты наружной группы выполнены состоящими из отдельных колец, установленных соосно друг другу, и связаны между собой круглыми стержнями, расположенными внутри этих колец. При этом круглые стержни играют роль перемычки, соединяющей промежуточные сателлиты.
В некоторых приводах требуется однонаправленное вращение ведущего и ведомого валов. Для обеспечения этого условия ведущий сателлит относится к наружной группе сателлитов. В одном из конструктивных вариантов такой схемы перемычка, связывающая промежуточные сателлиты, выполнена в виде поводка, шарнирно соединенного с каждым из сателлитов центральной группы. Для увеличения общей длины звеньев этой передачи промежуточные сателлиты центральной группы состоят из отдельных роликов, установленных соосно друг другу, а поводок, связывающий эти сателлиты, выполнен в виде отдельных пластин, расположенных между роликами и объединенных общими осями, проходящими через центры промежуточных сателлитов. В другом конструктивном варианте передачи с ведущим сателлитом, принадлежащим к наружной группе, промежуточные сателлиты центральной группы выполнены состоящими из отдельных колец, установленных соосно друг другу, и связаны между собой круглыми стержнями, расположенными внутри этих колец. Круглые стержни играют роль перемычки, соединяющей промежуточные сателлиты.
Примеры реализации изобретения иллюстрируются чертежами.
На фигуре 1 показана конструкция фрикционной планетарной передачи с ведущим звеном, принадлежащим центральной группе сателлитов.
На фигуре 2 - ее осевой разрез по А-А.
На фигуре 3 - конструктивный вариант передачи с тремя опорными сателлитами.
На фигуре 4 - конструктивный вариант передачи с пятью опорными сателлитами.
На фигуре 5 - конструктивный вариант передачи с круглыми стержнями, выполняющими функцию перемычки, связывающей опорные сателлиты.
На фигуре 6 - осевой разрез по В-В этой передачи.
На фигуре 7 изображена передача с ведущим звеном, принадлежащим наружной группе сателлитов.
На фигуре 8 - конструктивный вариант этой передачи с круглыми стержнями, выполняющими функцию перемычки, связывающей промежуточные сателлиты.
Фрикционная планетарная передача, показанная на фиг. 1 и 2, содержит кольцо 1 с внутренней рабочей поверхностью. В данной конструкции оно является неподвижным. Остальные катки фрикционной передачи - сателлиты 2, 3, 4, 5. Они имеют внешнюю рабочую поверхность, расположены внутри центрального кольца 1 и совершают планетарное движение. Сателлиты 3, 4, 5, непосредственно взаимодействующие с кольцом 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 шлицев. Ведущим звеном передачи является сателлит 2. Сателлиты 4, 5 служат опорой для ведущего сателлита 2. Для предотвращения осевого перемещения подвижных частей передачи на остановленном кольце 1 закреплены реборды 7 (фиг. 2). Ведомый вал 6 удерживает от перемещения в осевом направлении стопорное кольцо 8. Ведущий плавающий сателлит 2 от осевого перемещения удерживают шайба 9 и стопорное кольцо 10. Опорные (промежуточные) сателлиты 4, 5 связаны между собой перемычкой - поводком 11. Этот элемент не нагружен крутящим моментом, что позволяет выполнить его компактным и легким. В данной конструкции сателлиты наружной группы состоят из отдельных роликов (фиг. 2), установленных соосно друг другу, а поводок 11, связывающий промежуточные сателлиты 4, 5, выполнен в виде отдельных пластин, расположенных между роликами и объединенных общими осями 12, проходящими через центры промежуточных сателлитов 4, 5.
Передача работает следующим образом. Ведущий сателлит 2 центральной группы за счет сил трения передает вращение сателлитам 3, 4, 5 наружной группы, которые обкатываются по остановленному кольцу 1. Вращающий момент снимается с наибольшего сателлита 3 наружной группы. Оси ведущего 2 и ведомого 3 сателлитов совершают планетарное движение, поэтому для подачи и снятия вращающего момента используются устройства, компенсирующие несоосность (например, карданный вал, муфта Ольдгема), которые на фигурах не показаны. Самонатяжение, необходимое для возникновения сил трения между звеньями передачи, обеспечивается «плаванием» сателлита 3. Сателлит 3 за счет сил трения отклоняется (на фиг. 1 показано пунктиром), внедряясь в клиновое пространство, образуемое звеньями 1, 2.
Конструкция деталей передачи позволяет сделать редуктор весьма длинным. Нагрузочная способность такого фрикционного планетарного редуктора будет соизмерима с нагрузочной способность зубчатого планетарного редуктора равных радиальных габаритов.
Передаточное отношение механизма вычисляется по формуле:
,
1
где: d - диаметр остановленного кольца 1;
2
3
d, d - диаметры ведущего 2 и ведомого 3 сателлитов.
2-3o1
Рациональный диапазон передаточных отношений i от -3 до -20 (т.е. направление вращения меняется на противоположное).
1
2
3
На фиг. 1 и 2 изображен пример фрикционной планетарной передачи, имеющей параметры: d=118, d=25, d=75. Ее передаточное отношение:
.
В передачах, изображенных на фиг. 3 и 4, наружная группа сателлитов содержит три и пять опорных катков соответственно. Это увеличивает нагрузочную способность редуктора.
В передаче, показанной на фиг. 5, 6, промежуточные сателлиты 13, 14, 15 наружной группы выполнены состоящими из отдельных колец, установленных соосно друг другу, и связаны между собой круглыми стержнями 16, расположенными внутри этих колец. Такая конструкция перемычки, связывающей промежуточные сателлиты, позволяет снизить потери на трение и повысить износоустойчивость редуктора.
На фиг. 7 изображена передача с ведущим сателлитом 17, принадлежащим к наружной группе сателлитов. Промежуточные сателлиты 18, 19 соединены поводком 20.
Передаточное число такого механизма рассчитывается по формуле:
.
17-3o1
Диапазон передаточных отношений i от +1 до +16.
1
17
3
В примере, показанном на фиг. 7: d=118, d=20, d=82.
.
Таким образом, передача осуществляет однонаправленное вращение ведущего и ведомого валов.
На фиг. 8 приведена подобная передача, в которой промежуточные сателлиты 21, 22, 23 центральной группы выполнены состоящими из отдельных колец, установленных соосно друг другу, и связаны между собой круглыми стержнями 16, расположенными внутри этих колец. Данная конструкция позволяет снизить потери на трение и повысить ресурс редуктора.