ДВУХСКОРОСТНОЕ ПРИВОДНОЕ УСТРОЙСТВО
TWO-SPEED DRIVE MECHANISM

Изобретение относится к машиностроению. Оно может найти применение в приводах, преимущественно ручных, трубопроводной запорно-регулирующей арматуры, в особенности клиновых задвижек, где шпиндель проходит внутри редуктора и стоят требования минимизации «кольцевых» габаритов редуктора.
Известно (SU 493584, F16K 31/53, 1976) двухскоростное приводное устройство для управления трубопроводной арматурой, содержащее электродвигатель с планетарным редуктором, фрикционную предохранительную муфту, кулачковую муфту и выходной вал. В устройстве использован простейший планетарный редуктор Джемса, содержащий ведущую центральную шестерню, насаженную на вал электродвигателя, неподвижное центральное колесо с внутренними зубьями, сателлит, взаимодействующий с центральными колесами, и водило, несущее ось сателлита. Фрикционная предохранительная муфта соединяет напрямую ведущий вал с выходным валом устройства, а кулачковая муфта соединяет с выходным валом водило. Конструкция муфт обеспечивает автоматическое отключение фрикционной муфты и включение кулачковой при повышении момента сопротивления на выходном валу. В результате при увеличении нагрузки выходной вал продолжает вращаться в ту же сторону, но с меньшей угловой скоростью.
Главный недостаток данного устройства применительно к приводам арматуры, для которых лимитированы «кольцевые» габариты редуктора, обусловлен тем, что в механизме Джемса нет места для ведомого вала (или шпинделя), проходящего внутри ведущей шестерни и ведущего вала. Если, например, требуется передаточное число редуктора - 4, то начальный диаметр центральной шестерни должен быть в 3 раза меньше начального диаметра неподвижного колеса с внутренними зубьями. При этом если в центральной шестерне выполнить отверстие необходимого диаметра, радиальные габариты редуктора получаются слишком большими. Если снизить передаточное число до 2.5 (что само по себе слишком мало для привода), то габариты становятся приемлемы, но возникают проблемы с размерами и количеством подшипников сателлитов. Это неоправданно увеличивает сложность и стоимость редуктора. Другой недостаток данного устройства связан со сложностью конструкции системы автоматического срабатывания муфт в зависимости от крутящего вала.
Наиболее близким предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому эффекту (прототип) является привод задвижки (SU 476402, F16K 31/53, 1975), выполненный в виде установленного на ее корпусе двухступенчатого планетарного редуктора и снабженный тормозным устройством, блокирующим определенные звенья редуктора. Редуктор содержит три центральных колеса, сателлиты и водило. Одно из центральных колес редуктора имеет наружные зубья, оно является ведущим и связано со штурвалом привода. Два других центральных колеса, опорное и ведомое, имеют внутренние зубья. Сателлиты выполнены с двумя венцами, один из которых взаимодействует с ведущим и опорным колесами, а другой - с ведомым центральным колесом. Тормозное устройство выполнено в виде двух выдвижных скоб. Оно обеспечивает жесткое соединение опорного колеса с ведомым колесом либо с корпусом привода. В первом случае весь редуктор вместе со штурвалом вращается как одно целое, и передаточное число привода равно единице. Во втором случае передаточное число привода равно передаточному числу планетарного редуктора.
Недостатком устройства в оговоренных условиях ограничения «кольцевых» габаритов редуктора является наличие водила. Оно необходимо для удержания осей сателлитов в определенном положении при действии больших сил, возникающих в зацеплениях, и неизбежно имеет значительные габариты (кстати, его реальные осевые габариты с учетом использования подшипников качения и необходимой величины их осевой базы будут пропорционально много больше, чем на фиг.1, SU 476402). Расположение ведущего вала внутри ведущей шестерни еще более увеличивает габариты такого привода. Наличие водила с подшипниками обуславливает также высокую сложность и стоимость редуктора. Другие недостатки известного устройства вызваны сложностью и малой надежностью автоматического тормозного устройства.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, - пополнение арсенала средств управления запорно-регулирующей трубопроводной аппаратурой за счет создания двухскоростного, преимущественно ручного, привода, имеющего малые «кольцевые» габариты, высокую нагрузочную способность, простого по конструкции, удобного и надежного в эксплуатации.
Предлагается двухскоростное приводное устройство, подобно прототипу выполненное в виде планетарного редуктора, содержащего корпус, три центральных зубчатых колеса, одно из которых имеет наружные зубья и является ведущим, другое имеет внутренние зубья и является ведомым, а третье колесо является опорным, но закреплено на корпусе редуктора с возможностью вращения, сателлиты, взаимодействующие со всеми тремя центральными колесами, а также двухпозиционное блокирующее устройство, обеспечивающее в одном положении стопорение опорного колеса относительно стойки, а в другом - стопорение всех колес редуктора друг относительно друга. Новым является то, что опорное колесо выполнено с наружными зубьями, сателлиты расположены в два слоя в шахматном порядке, причем сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с опорным колесом, сателлиты внешнего слоя - с ведомым колесом и сателлитами внутреннего слоя, а ведущее колесо взаимодействует с сателлитами внешнего слоя. Корпус редуктора выполнен в виде стакана, снабженного крепежным фланцем, присоединяемым к корпусу управляемого объекта (например, задвижки), а в дне этого стакана выполнено отверстие для вала ведущего колеса. Ведомое колесо редуктора (имеющее внутренние зубья) снабжено выходным фланцем, предназначенным для сцепления с подвижным звеном управляемого объекта. Ведущее колесо редуктора расположено вблизи выходного фланца или опирается на него своим торцом. Вал ведущего колеса проходит в отверстии опорного колеса (имеющего наружные зубья). Вал ведущего колеса также выполнен полым. При этом блокирующее устройство обеспечивает стопорение колес редуктора друг относительно друга, за счет установления жесткой связи между ведущим колесом и опорным или между опорным и ведомым колесами.
Благодаря отсутствию водила и подшипников приводное устройство просто в изготовлении и имеет минимальные «кольцевые» габариты. Большое число одновременно работающих сателлитов обеспечивает высокую нагрузочную способность редуктора.
Для обеспечения надежного и удобного переключения скоростей на валу ведущего колеса зафиксирован ведущий диск, расположенный вне корпуса редуктора, опорное колесо редуктора жестко связано с втулкой, охватывающей вал ведущего колеса и проходящей в отверстии дна стакана корпуса, на этой втулке жестко закреплен блокируемый диск, на дне стакана корпуса жестко закреплен неподвижный диск, а приводное устройство содержит систему стопорения блокируемого диска относительно ведущего либо неподвижного дисков.
Наиболее компактная система стопорения блокируемого диска содержит блокирующую втулку, имеющую свободу осевого перемещения, находящуюся в постоянном зацеплении с блокируемым диском и способную в своих крайних положениях входить в зацепление с ведущим диском либо с неподвижным диском. Блокирующая втулка на своей внешней цилиндрической поверхности имеет кольцевой паз для взаимодействия с элементами системы управления положением этой втулки.
Рациональное устройство управления положением блокирующей втулки содержит двуплечие рычаги, оси поворота которых закреплены на корпусе, перпендикулярно главной оси редуктора так, что одно плечо каждого рычага расположено внутри редуктора и взаимодействует с кольцевым пазом втулки, а другое расположено снаружи и взаимодействует с управляющим кольцом, охватывающим корпус редуктора.
Другая система переключения скоростей содержит диск, расположенный внутри корпуса, связанный с опорным колесом соединением, например шлицевым, допускающим осевое перемещение, но передающим вращающий момент, и способный в своих крайних положения входить в зацепление с корпусом редуктора либо с ведомым колесом, имеющий на своей цилиндрической поверхности, кольцевой паз или выступ, а также систему управления положением этого диска.
Предлагаемое двухскоростное приводное устройство помимо планетарного редуктора может содержать дополнительную передачу, например коническую, последовательно соединенную с планетарным редуктором и приводящую в движение его ведущий вал. При этом кроме увеличения общего передаточного числа достигается более удобное расположение оси входного вала привода (и штурвала).
Возможно последовательное соединение двухскоростного приводного устройства с другим, подобным ему двухскоростным приводным устройством. При этом помимо увеличения общего передаточного числа увеличивается число скоростей (т.е. переключаемых передач) привода.
Сущность технического решения поясняется чертежами:
на фиг.1 изображен разрез приводного устройства по плоскости А-А, перпендикулярной главной оси планетарного редуктора;
на фиг.2 - его осевой разрез по Б-Б;
на фиг.3 - осевой разрез приводного устройства с другим конструктивным вариантом системы переключения передач;
на фиг.4 - общий вид многоступенчатого приводного устройства.
6
5
2
4
3
Двухскоростное приводное устройство, изображенное на фиг.1 и 2, выполнено виде планетарного редуктора, содержащего корпус 1, три центральных зубчатых колеса, одно из которых 2 имеет наружные зубья и является ведущим, другое 3 имеет внутренние зубья и является ведомым, а третье колесо 4 с наружными зубьями является опорным, но закреплено на корпусе 1 редуктора с возможностью вращения. Сателлиты расположены в два слоя в шахматном порядке, причем сателлиты 5 внутреннего слоя взаимодействуют с опорным колесом 4, сателлиты 6 внешнего слоя - с ведомым колесом 3 и сателлитами 5 внутреннего слоя, а ведущее колесо 2 взаимодействует с сателлитами 6 внешнего слоя. Корпус 1 редуктора выполнен в виде стакана, снабженного крепежным фланцем 7, присоединяемым к корпусу управляемого объекта (например, задвижки), а в дне 8 этого стакана выполнено отверстие. Ведомое колесо 3 редуктора снабжено выходным фланцем 10, на котором выполнены кулачки 11, предназначенные для сцепления с подвижным звеном управляемого объекта. Ведущее колесо 2 редуктора расположено вблизи выходного фланца 10 или опирается на него своим торцом, вал 9 ведущего колеса 2 проходит в отверстии опорного колеса 4. Вал 9 ведущего колеса 2 редуктора выполнен полым. Ведомое колесо 3 удерживается от выпадения из корпуса 1 в осевом направлении стопорным кольцом 12. Количество пар сателлитов - 7. Сателлиты внешнего 6 и внутреннего 5 слоев имеют одинаковые числа зубьев Z=Z=18. Числа зубьев центральных колес: Z=66, Z=60, Z=102. При таком соотношении чисел зубьев обеспечиваются условия сборки всех зацеплений передачи и оптимальные расстояния между вершинами невзаимодействующих зубьев.
К системе переключения передач относятся следующие конструктивные элементы приводного устройства. На валу 9 ведущего колеса 2 при помощи шлицев 13 зафиксирован ведущий диск 14, расположенный вне корпуса редуктора. Опорное колесо 4 редуктора жестко связано с втулкой 15, проходящей в отверстии дна 8 стакана корпуса. На этой втулке жестко закреплен блокируемый диск 16. На дне 8 стакана корпуса жестко закреплен неподвижный диск 17. Блокирующая втулка 18 имеет свободу осевого перемещения, находится в постоянном зацеплении с блокируемым диском 16 и способна в своих крайних положениях входить в зацепление с ведущим диском 14 либо с неподвижным диском 17. Блокирующая втулка 18 на своей внешней цилиндрической поверхности имеет кольцевой паз 19. Устройство управления положением блокирующей втулки 18 содержит три двуплечих рычага 20, оси 21 поворота которых закреплены на корпусе 1, перпендикулярно главной оси редуктора. Одно плечо 22 каждого рычага расположено внутри редуктора и взаимодействует с кольцевым пазом 19 втулки 18, а другое (с осью 23) расположено снаружи и взаимодействует с управляющим кольцом 24, охватывающим корпус 1 редуктора.
Приводное устройство работает следующим образом.
Когда блокирующая втулка 18 находится в нижнем положении, как это показано на фиг.2, опорное колесо 4 остановлено относительно корпуса 1. Центральное ведущее колесо 2 вращает сателлиты 6 внешнего слоя. В результате ведомое центральное колесо 3 вращается в ту же сторону, что и ведущее 2, но с меньшей угловой скоростью. При остановленном центральном опорном колесе 4 передаточное число редуктора  определяется по формуле:
,
что в примере (фиг.1, 2) составит =4.64.
В таком режиме работы приводное устройство обеспечивает максимальный вращающий момент.
При малом моменте сопротивления, приложенном со стороны управляемого объекта, блокирующая втулка 18 переводится оператором в верхнее положение. Для этого рычаги 20 (за оси 23) поворачиваются в противоположное положение. Управляющее кольцо 24 синхронизирует перемещение всех трех рычагов 20. Ведущий диск 14 оказывается жестко связанным с блокируемым диском 16, а фиксация опорного колеса относительно стойки снимается. В таком режиме все центральные колеса редуктора вращаются как одно целое с угловой скоростью, равной скорости ведущего вала.
В самых простых вариантах двухскоростного приводного устройства блокирующее кольцо 18 и система рычагов 20 могут отсутствовать. При этом фиксация дисков 16 и 17 либо 16 и 14 может осуществляться, например, с помощью выдвижных скоб, как в прототипе (SU 476402).
Приводное устройство, показанное на фиг.3, имеет несколько иную систему переключения передач. Устройство содержит диск 25, расположенный внутри корпуса 1, связанный с опорным колесом 4 шлицевым соединением 26, допускающим осевое перемещение, но передающим вращающий момент, и способный в своих крайних положения входить в зацепление с выступами 27 корпуса 1 редуктора либо с выступами 28 ведомого колеса 3. Диск 25 имеет на своей цилиндрической поверхности кольцевой выступ 29, который взаимодействует с захватами 30 штоков 31. Штоки 31 могут перемещаться в осевом направлении с помощью дополнительного устройства (вилка, диск и др.), расположенного вне редуктора - на чертеже оно не показано.
Другое отличие устройства, изображенного на фиг.3, состоит в наличии между основными звеньями опор качения: подшипник 32 - между корпусом 1 и ведущим валом 9; шарики 33 - между торцами деталей 2 и 10; ролики 34 - между корпусом 1 и ведомым звеном 3.
Приводное устройство, изображенное на фиг.4, содержит три передачи, соединенные последовательно. Две из них 35 и 36 - планетарные двухскоростные приводные устройства, подобные изображенному на фиг.1 и 2, а третья 37, расположенная на входе, - коническая.
При использовании конической передачи кроме увеличения общего передаточного числа достигается более удобное расположение оси входного вала 38 привода и устанавливаемого на нем штурвала. Соединение двух двухскоростных приводных устройств увеличивает число скоростей, т.е. переключаемых передач привода. Если планетарные ступени привода будут иметь равные передаточные числа U=4.5, а коническая - U=4, то привод в целом обеспечит ряд передаточных чисел: 4; 18; 81.
Использование предлагаемого двухскоростного устройства в ручных приводах трубопроводной запорно-регулирующей арматуры позволит облегчить труд оператора и увеличить производительность его труда. Кроме того, новое приводное устройство имеет меньшие габариты и металлоемкость, а в итоге будет иметь меньшую стоимость, чем используемые аналоги. Аналогичного технического и экономического эффекта можно ожидать от двухскоростного приводного устройства и в случаях его использования в других отраслях техники.