ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ РЕДУКТОР ДЛЯ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ
ENVIRONMENTALLY ORIENTED ENERGY-EFFICIENT GEARBOX FOR HOUSEHOLD APPLIANCES

Заявляемое техническое решение относится к бытовой технике, а именно к механизмам в составе устройств с электроприводом.
Известны устройства электроприводов для бытовой техники, содержащие редуктор для понижения оборотов двигателя и повышения момента вращения на выходном валу.
В большинстве такие редукторы выполняют шестеренчатыми либо червячными, либо с ременной передачей, либо комбинацией из них.
Известны, например, редукторы для бытовой техники - CN20152108653U (13.02.2015) или CN201620014276U (05.01.2016).
Недостатком редукторов такого типа является небольшая площадь контакта взаимодействующих шестерен (червяка), и как следствие повышенные потери при работе. Кроме того, если шестерни выполнены из металла, особенно – шестерни первых ступеней – повышенная шумность механизма.
Известен редуктор, содержащий ременную передачу - патент RU 2010066 (29.03.1991).
Недостатком редукторов такого типа является низкая надежность (ресурс) ременной передачи.
Общим недостатком перечисленных редукторов является открытое или полуоткрытое исполнение механизма, что приводит к засорению заложенной густой смазки, засорению сопрягаемых рабочих поверхностей шестерен.
Известен планетарный редуктор для бытовой техники (электродрели, силового блока кухонного комбайна) CN201621417011U (22.12.2016), свободный от указанных недостатков.
В документе предлагается поместить редуктор на шумо- и вибропоглощающие подушки.
Недостатком указанного редуктора является недостаточное шумо- и вибропоглощение при работе.
Известен редуктор по заявке CN201610359787A (27.05.2016), в котором уровень шума в планетарном редукторе снижен за счет помещения редуктора целиком в шумозащитный кожух.
Недостатком устройства является неудобство использования в области бытовой техники.
Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом заявляемого решения является снижение шумности при работе редуктора.
Другим техническим результатом является снижение вибраций в том числе как следствие напряжений в узле соединения редуктора с внешним устройством - насадкой либо с другим конечным исполнительным устройством.
Целью заявляемого решения является получить электропривод с низкими вибрационными и шумовыми характеристиками, что наряду с использованием малошумного электродвигателя позволит получить малошумную и маловибрирующую бытовую технику.
Дополнительной целью является повысить адаптированность (приспособленность) выходного узла редуктора к приему входного вала присоединяемой насадки.
Дополнительной целью является получить экологически дружественную (ориентированную) конструкцию, в производстве которой максимально использовались бы регенерированные материалы, а при эксплуатации и утилизации минимизировался бы наносимый окружающей природе ущерб.
Известные редукторы не позволяют достичь указанного технического результата.
Принятые обозначения
1 – крышка корпуса передняя.
2 – вставка в выходное устройство, защитная.
3 – водило 3-ей ступени.
4 – сателлиты 3-ей ступени.
5 – зубчатый венец 3-ей ступени.
6 – корпус редуктора.
7 – водило 2-ой ступени.
8 – сателлиты 2-ой ступени.
9 – зубчатый венец 2-ой ступени.
10 – водило 1-ой ступени.
11 – сателлиты 1-ой ступени.
12 – зубчатый венец 1-ой ступени.
13 – крышка корпуса задняя.
14 – шестерня на валу двигателя.
15 – демпфирующий элемент.
ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
На фиг. 1. показана сравнительная таблица параметров редукторов разной схемы.
На фиг. 2 показана схема сборки редуктора.
На фиг. 3 показан редуктор в разрезе.
На фиг. 4, 5 показано расположение демпфирующих элементов внутри корпуса.
На фиг. 6а показано выполнение демпфирующих элементов в виде приливов на внутренней стороне пластикового корпуса редуктора.
На 6б взаимодействие демпфирующих элементов фиг. 6а с зубчатым венцом.
На фиг. 7а, 7б показаны способы снижения твердости материала корпуса для повышения демпфирующих свойств в области взаимодействия с зубчатым венцом.
На фиг. 8а, 8б, 10 показаны возможные варианты формы приливов и расположения пустот для получения разной степени жесткости материала корпуса на границе взаимодействия с зубчатым венцом.
На фиг. 9 показано выполнение демпфирующего элемента в виде пружинящей вставки из другого или такого же, как корпус, материала.
На фиг. 11 показано выполнение демпфирующего элемента в виде эластичной вставки из другого материала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ.
Заявляемый технический результат достигнут благодаря использованию планетарного редуктора, сателлитные шестерни по крайней мере первой ступени которого выполнены пластмассовыми для снижения уровня шума при работе.
Для снижения уровня шума все или часть шестерен могут быть выполнены косозубыми.
Для снижения вибрации, вызванной неточностью при изготовлении деталей, между зубчатыми венцами и корпусом помещен упругий элемент, деформация которого компенсирует возможные смещения зубчатого венца в радиальном направлении.
Указанный упругий элемент может быть выполнен в теле (в составе) корпуса. Это могут быть приливы из пластмассы, создание более мягкой области вблизи внутренней поверхности корпуса, непосредственно примыкающей к зубчатому венцу.
Для повышения адаптированности (приспособленности) выходного узла редуктора к приему входного вала присоединяемой насадки приемное устройство (в частном случае – с внутренним шестигранным отверстием) присоединено к водилу последней ступени редуктора с возможностью некоторого отклонения от оси в любом радиальном направлении, а также с возможностью отклонения по углу.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Заявляемый технический результат достигнут благодаря нескольким мерам, приведенным ниже. В заявленном планетарном редукторе, сателлитные шестерни по крайней мере первой ступени которого выполнены пластмассовыми для снижения уровня шума при работе.
Возможно, выполнены пластмассовыми шестерни второй ступени. Шестерни последующих ступеней имеют невысокую скорость вращения, а также более нагружены, поэтому более оправдано выполнить их из металла.
Для улучшения поставки смазки к точке контакта металлические шестерни могут быть выполнены путем порошкового спекания, что позволяет получить неплотную, проницаемую для смазки структуру без ущерба прочности.
Для снижения уровня шума шестерни всех или части ступеней могут быть выполнены косозубыми.
Для снижения вибрации, вызванной неточностью при изготовлении деталей, между зубчатыми венцами и корпусом помещен упругий элемент, деформация которого компенсирует возможные смещения зубчатого венца в радиальном направлении.
Указанный упругий элемент может быть выполнен в теле (в составе) корпуса.
Это могут быть приливы из пластмассы, например, треугольной, прямоугольной или другой формы.
Возможно создание местной более упругой (мягкой) области вблизи внутренней поверхности корпуса, непосредственно примыкающей к зубчатому венцу. Упругая (Мягкая) область может быть реализована путем создания пустот в виде каналов разной формы и размера поперечного сечения, пузырьков (вспенивания), нанесения пластмассового покрытия более мягкого, чем материал корпуса и др.
Для снижения вибрации, вызванной несоосностью выходного устройства редуктора и входного вала (хвостовика) сменной насадки, а также для повышения адаптированности (приспособленности) выходного узла редуктора к приему входного вала (хвостовика) присоединяемой насадки приемное устройство (в данном частном случае – с внутренним шестигранным отверстием) присоединено к водилу последней ступени редуктора с возможностью некоторого отклонения от оси в любом радиальном направлении, а также с возможностью отклонения по углу.
Это позволит при стыковке насадки с редуктором не применять дополнительных усилий для приема входного вала сменной насадки (например, мясорубки) при их соединении. А также позволит снизить вибрации и шум в месте стыковки редуктора с насадкой, избежать преждевременной поломки деталей редуктора в случае несовпадения осей выходного устройства редуктора и входного вала насадки.
Принципиальное воплощение конструкции заявляемого устройства (планетарный редуктор) выбрано, исходя из соображений получения более высокой эффективности при производстве, утилизации, а главное – при эксплуатации.
Были проанализированы редукторы разных принципиальных схем, по несколько вариантов каждой. Данные по ключевым параметрам, принимаемым в расчет, сведены в таблицу (фиг.1).
На фиг. 1 применены следующие обозначения.
G – вес, важность, значимость, показателя
E – степень соответствия требованиям технического задания на конкретное изделие.
GxE  -  обобщающий показатель по одной позиции.
Потом показатели GxE суммируют и получают итоговый показатель по каждому техническому решению.
Из представленной таблицы видно, что только планетарная передача не дает максимально выигрышный показатель по сравнению с ременно-шестеренчатой передачей для выбранных показателей оценки. Однако, если дополнительно учитывать экологические, гигиенические, габаритные, и ряд других показателей, суммарные потери в подшипниках, нагрузку на контактирующие поверхности, планетарный редуктор значительно превосходит другие типы.
Редуктор собирают следующим образом (фиг. 2, 3).
Если демпфирующий элемент(-ты) выполнен как отдельная деталь (детали), то вставляют внутрь корпуса 6 демпфирующий элемент или набор демпфирующих элементов.
В водило 3-ей ступени 3 запрессовывают защитный колпачок 2. Устанавливают сателлитные шестерни 4 и зубчатый венец 5.
Полученную сборку вставляют корпус 6 и закрывают передней крышкой 1.
Собирают 2-ую ступень. В водило 2-ой ступени 7 устанавливают сателлитные шестерни 8 и зубчатый венец 9. Полученную сборку вставляют корпус 6, соединяя с 3-ей ступенью.
Собирают 1-ую ступень. В водило 1-ой ступени 10 устанавливают сателлитные шестерни 11 и зубчатый венец 12. Полученную сборку вставляют корпус 6, соединяя с 2-ой ступенью.
Внутрь помещают смазку.
Закрывают заднюю крышку. Фиксируют. Каждую из крышек с корпусом стягивают винтами.
Снижение уровня шума работает следующим образом.
Ведущая шестерня 14 на валу электродвигателя передает вращение сателлитным шестерням 11, выполненным из пластмассы.
Первая ступень редуктора работает на больших оборотах, так что создает самый большой шум и вибрации. Пластмассовые шестерни в значительной степени гасят шумы.
При работе шестерен – солнечной, сателлитных и зубчатого венца - возможно появление вибраций вследствие неточности изготовления сопряженных деталей – шестерен, валов, подшипников. Вибрации, взаимодействуя друг с другом, складываются и вычитаются. Суммарная вибрация передается на корпус через демпфирующий элемент или несколько демпфирующих элементов. Демпфирующие элементы гасят вибрацию и шумы.
В описываемом воплощении редуктора расположение демпфирующих элементов внутри корпуса показано на фиг. 4, 5. В этом случае демпфирующие элементы в виде выступов отформованы на внутренней стороне пластикового корпуса.
Для получения необходимого уровня демпфирования, необходимого для реализации редуктора заявленного исполнения – с частично металлическими, а частично – пластмассовыми элементами, заявленного назначения - бытового, требуемого уровня шума, веса и габаритов, других факторов, было проведено исследование по оценке свойств, трудозатрат, технологичности, стоимости и ряда других факторов для различных вариантов исполнения демпфирующих элементов, на которые опираются зубчатые венцы ступеней.
В результате выяснилось, что вариант исполнения, соответствующий фиг. 6, проще других в исполнении, однако имеет менее стабильные характеристики демпфирования, и сложен в сборке. Для каждого варианта конкретных характеристик демпфирования (усилие х перемещение) необходимо выбирать геометрические параметры и частоту следования выступов, опираясь на характеристики материала корпуса.
Рассматривались также способы местного снижения твердости материала корпуса для повышения демпфирующих свойств в области взаимодействия с зубчатым венцом (фиг. 7).
Эти способы показали более стабильные характеристики зависимости жесткости от количества и размеров пустот в материале. Однако исполнение этой конструкции в производстве существенно сложнее.
Исследовались различные варианты формы приливов и частоты их расположения по окружности, расположения пустот разных размеров в приливах для получения разной степени жесткости материала корпуса на границе взаимодействия с зубчатым венцом (фиг. 8, 10). В результате выяснилось, что изменяя форму и размер, а также частоту выступов на внутренней стороне корпуса можно получать необходимую степень жесткости/демпфирования более предсказуемо. Конструкции показали приемлемые показатели по простоте сборки. Сложным фактором оказалось выполнение пустот в выступах (приливах).
На фиг. 9 показано выполнение демпфирующего элемента в виде пружинящей вставки из другого или такого же, как корпус, материала. Такое решение наиболее просто в производстве. Подбор жесткости выполняют путем выбора числа волн вставки, толщины, с учетом твердости и пружинящих свойств материала вставки. Простота сборки – удовлетворительная.
На фиг. 11 показано выполнение демпфирующего элемента в виде эластичной вставки из другого материала. В этом варианте демпфирующие свойства целиком зависят от применяемого материала. Простота сборки – удовлетворительная.
Выходное устройство редуктора выполнено с возможностью штатно работать при наличии некоторого отклонения от соосности соединяемых валов, а также при некотором угловом отклонении.
Это может быть реализовано любым известным способом, например в виде муфты или шарнира, или их комбинации.
В частном случае, и это предлагается как предпочтительное воплощение, эта функция реализована путем выполнения в узде стыковки выхода редуктора 2 и входа насадки гарантированного радиального зазора в пределах от 0.1 до 0.5 мм. Эта величина превышает точность изготовления сопрягаемых устройств, поэтому компенсирует несоосность. Одновременно такой зазор позволит иметь достаточную свободу по угловому перемещению.
Редуктор промышленно применим, поскольку все детали в максимально возможной степени унифицированы, и могут быть изготовлены на промышленном оборудовании в условиях крупносерийного и массового производства.