ПЛАНЕТАРНО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕДУКТОР
PLANETARY DIFFERENTIAL REDUCTION GEARBOX

Изобретение относится к редукторам газотурбинных двигателей, а именно к планетарно-дифференциальным редукторам и может найти применение, например, в малоразмерных авиационных турбовинтовых двигателях.
Известен редуктор, который содержит входной вал-шестерню, соединенный прямозубым зубчатым зацеплением с большим зубчатым венцом блока сателлитов, которая в свою очередь соединена прямозубым внутренним зубчатым зацеплением с ведомой шестерней выходного наружного вала, установленной на теле вращения, при этом малый зубчатый венец блока сателлита соединен с ведомой шестерней выходного наружного вала прямозубым зубчатым зацеплением, при этом в наружный выходной вал концентрично установлен внутренний выходной вал (патент на изобретение RU 2346172, от 28.02.2007, опубл. 10.09.2009, МПК F02C 7/36).
Наиболее близким является планетарно-дифференциальный редуктор, включающий входной вал-шестерню, имеющий внешнее зубчатое зацепление с блоком сателлитов, внутренний выходной вал, наружный выходной вал с телом вращения, содержащим зубчатый венец внутреннего зацепления, при этом в наружный выходной вал концентрично установлен внутренний выходной вал (патент на изобретение RU 2316667, от 06.02.2006, опубл. 27.08.2007, МПК F02K 3/072, F16C 21/00).
Недостатком данных редукторов является низкий коэффициент полезного действия (КПД) редукторов из-за высокого уровня потерь в зубчатом зацеплении, так как зубчатый венец входного вала-шестерни и малый зубчатый венец блока сателлитов имеют малое число зубьев.
Также недостатком является то, что редукторы имеют большие габаритные размеры, связанные с тем, что, во-первых, прямозубые передачи не создают разгружающей осевой нагрузки на подшипники; во-вторых, опоры входного вала-шестерни и опоры выходных наружного и внутреннего валов расположены на одной оси, тем самым увеличивается длинновой габаритный размер редукторов; в-третьих, большие передаточные отношения на выходных валах редукторов, приводящие к увеличению диаметрального габаритного размера.
Еще одним недостатком является то, что в опорах валов применяются частично оригинальные подшипники, что значительно повышает себестоимость редукторов.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение КПД редуктора, а также снижение нагрузки на опоры входного вала и на опоры выходных валов редуктора и уменьшение габаритных размеров редуктора.
Дополнительным техническим результатом является распределение нагрузки от нагружающих элементов по валам, тем самым достигается заданный баланс сил в редукторе.
Технический результат достигается тем, что планетарно-дифференциальный редуктор содержит входной вал-шестерню, имеющий внешнее зубчатое зацепление с блоком сателлитов, внутренний выходной вал, наружный выходной вал с телом вращения, содержащим зубчатый венец внутреннего зацепления, при этом в наружный выходной вал концентрично установлен внутренний выходной вал.
Новым в изобретении является то, что входной вал-шестерня снабжен опорами, хотя бы одна опора входного вала-шестерни концентрично установлена во внутреннем выходном валу, входной вал-шестерня сопряжен косозубым внешним зубчатым зацеплением с малым зубчатым венцом блока сателлитов, связанным с внутренним выходным валом, который содержит опору, установленную концентрично относительно опоры наружного выходного вала, большой зубчатый венец блока сателлитов соединен внутренним прямозубым зубчатым зацеплением с зубчатым венцом тела вращения, при этом Dш/Dк=1,5-2, где Dш - диаметр начальной окружности зубчатого венца внутреннего зацепления наружного выходного вала, Dк - диаметр начальной окружности входного вала-шестерни.
Блок сателлитов дополнительно снабжен шестерней с прямозубым зубчатым венцом, сопряженной внутренним зубчатым зацеплением с крышкой, выполненной с возможностью прохода входного вала-шестерни.
За счет того, что входной вал-шестерня с опорами концентрично установлен во внутреннем выходном валу, а внутренний выходной вал концентрично установлен в наружный выходной вал, при этом опоры всех валов расположены так же концентрично, достигается компактная схема редуктора за счет уменьшения диаметрального и длиннового габаритных размеров редуктора. При этом в редукторе блок сателлитов одновременно связан с наружным выходным валом и с внутренним выходным валом, и имеется косозубое зацепление с малым зубчатым венцом блока сателлитов и прямозубое зацепление с большим зубчатым венцом блока сателлитов, это позволяет увеличить число зубьев на малом зубчатом венце блока сателлитов. Также это позволит разгрузить опоры выходных валов и входного вала, тем самым снизить нагрузки на опоры валов и повысить КПД самого редуктора.
Дополнительно введение в блок сателлитов механизма дозагрузки в виде внутреннего зубчатого зацепления позволяет обеспечить заданный баланс сил в редукторе при распределении нагрузки от нагружающих элементов по выходным валам.
На чертежах представлены:
фиг.1 - конструкция планетарно-дифференциального редуктора,
фиг.2 - кинематическая схема зацепления планетарно-дифференциального редуктора.
Планетарно-дифференциальный редуктор состоит из входного вала-шестерни 1, имеющего внешнее зубчатое зацепление 2 с блоком сателлитов 3, внутреннего выходного вала 4, наружного выходного вала 5 с телом вращения 6 (фиг.1). При этом в наружный выходной вал 5 концентрично установлен внутренний выходной вал 4. Тело вращения 6 наружного выходного вала 5 содержит зубчатый венец внутреннего зацепления 7.
Входной вал-шестерня 1 снабжен опорами 8. Хотя бы одна опора 8 входного вала-шестерни 1 концентрично установлена во внутреннем выходном валу 4. Входной вал-шестерня 1 сопряжен косозубым внешним зубчатым зацеплением 2 с малым зубчатым венцом 9 блока сателлитов 3, связанным с внутренним выходным валом 4.
Внутренний выходной вал 4 содержит опору 10, установленную концентрично относительно опоры 11 наружного выходного вала 5. Большой зубчатый венец 12 блока сателлитов 3 сопряжен внутренним прямозубым зубчатым зацеплением 13 с зубчатым венцом 7 тела вращения 6, при этом Dш/Dк=1,5-2, где Dш - диаметр начальной окружности зубчатого венца внутреннего зацепления 7 наружного выходного вала 5 (фиг.1), Dк - диаметр начальной окружности входного вала-шестерни 1 (фиг.1).
Блок сателлитов 3 дополнительно снабжен шестерней 14 с прямозубым зубчатым венцом 15, сопряженной внутренним зубчатым зацеплением 16 с крышкой 17, выполненной с возможностью прохода входного вала-шестерни 1. Так как в редукторе применяется планетарно-дифференциальная схема зацепления, то передаточные отношения на валах 5 и 4 определяются согласно формулам (1) и (2):
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>5</mn></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mn>7</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>Z</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>Z</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>;</mo><mtext>                                 (1)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>Z</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>Z</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>;</mo><mtext>                                 (2)</mtext></mrow>
5
где i - передаточное отношение наружного выходного вала 5;
4
i - передаточное отношение внутреннего выходного вала 4;
7
Z - число зубьев зубчатого венца внутреннего зацепления 7 тела вращения 6;
9
Z - число зубьев малого зубчатого венца 9 блока сателлитов 3;
12
Z - число зубьев большого зубчатого венца 12 блока сателлитов 3;
1
Z - число зубьев зубчатого венца на валу-шестерне 1;
16
Z - число зубьев внутреннего зубчатого зацепления 16 на крышке 17;
15
Z - число зубьев шестерни 15.
Редуктор содержит блок сателлитов 3, который одновременно связан с наружным выходным валом 5 и внутренним выходным валом 4, это позволяет увеличить число зубьев малого зубчатого венца 9 блока сателлитов 3 и увеличить КПД редуктора:
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>β</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>Z</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>Z</mi><mn>9</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>a</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>a</mi><mn>9</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>a</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>a</mi><mn>9</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>;</mo><mtext>                    (3)</mtext></mrow>
где η - КПД редуктора;
f - суммарный коэффициент трения в паре зубчатых колес;
β - угол наклона зубчатого колеса;
1
9
Z и Z - число зубьев входного вала-шестерни и малого зубчатого венца блока сателлитов соответственно;
a1
a9
a1
a9
ε и ε - коэффициенты дополюсного и заполюсного зацеплений соответственно для зацепления с углом профиля зуба 20° ε=0,78, ε=0,9. Количество блоков сателлитов 3 в планетарно-дифференциальном редукторе должно быть от 3 до 7 штук (фиг.2).
Планетарно-дифференциальный редуктор работает следующим образом.
Крутящий момент от входного звена, например компрессора или турбины (не показаны), передается на входной вал-шестерню 1. От вала-шестерни 1 момент передается через внешнее косозубое зубчатое зацепление 2 малого зубчатого венца 9 на блок сателлитов 3. Затем крутящий момент поступает от малого зубчатого венца 9 блока сателлитов 3 на внутренний выходной вал 4, а от большого зубчатого венца 12 блока сателлитов 3 через внутреннее прямозубое зубчатое зацепление 13 - на тело вращения 6 и соответственно на наружный выходной вал 5. При этом одновременно крутящий момент передается от блока сателлитов 3 шестерне 14, при помощи внутреннего прямозубого зубчатого зацепления 16 соединенной с крышкой 17. Благодаря этому осуществляется балансировка сил в самом редукторе при распределении нагрузки от нагружающих элементов по выходным внутреннему 4 и наружному 5 валам.
Благодаря тому, что входной вал-шестерня снабжен опорами, хотя бы одна опора входного вала-шестерни концентрично установлена во внутреннем выходном валу, входной вал-шестерня сопряжен косозубым внешним зубчатым зацеплением с малым зубчатым венцом блока сателлитов, связанным с внутренним выходным валом, который содержит опору, установленную концентрично относительно опоры наружного выходного вала, большой зубчатый венец блока сателлитов соединен внутренним прямозубым зубчатым зацеплением с зубчатым венцом тела вращения, при этом Dш/Dк=1,5-2, где Dш - диаметр начальной окружности зубчатого венца внутреннего зацепления наружного выходного вала, Dк - диаметр начальной окружности входного вала-шестерни, достигается повышение КПД редуктора, а также снижение нагрузки на опоры входного вала и на опоры выходных валов редуктора и уменьшение габаритных размеров редуктора.
За счет того, что блок сателлитов дополнительно снабжен шестерней с прямозубым зубчатым венцом, сопряженной внутренним зубчатым зацеплением с крышкой, выполненной с возможностью прохода входного вала-шестерни, осуществляется распределение нагрузки от нагружающих элементов по валам, тем самым достигается заданный баланс сил в редукторе.