БЕЗВОДИЛЬНАЯ ПЛАНЕТАРНАЯ ПЕРЕДАЧА
CAGE-LESS PLANETARY GEAR

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механическим передачам. Оно может найти применение в приводах запорной арматуры, подъемников, бурового оборудования и других приводах, где необходимо минимизировать «кольцевые» габариты редуктора, расположенного вокруг нагруженного выходного вала.
В машиностроении широко применяется планетарная передача Джемса, например [Решетов Д.Н. Детали машин. - М.: Машиностроение, 1975. - С.391 (рис.164)], содержащая два центральных зубчатых колеса, взаимодействующие с ними сателлиты, расположенные в один слой, и водило. Недостатком такой передачи применительно к редуктору, расположенному вокруг тяжело нагруженного вала, является наличие водила, которое требует использования подшипников, расположенных внутри сателлитов. В этих условиях диаметры сателлитов не могут быть уменьшены до желаемых размеров, поэтому возможности снижения «кольцевых» габаритов передачи ограничены. Кроме того, водило, являющееся достаточно сложной в изготовлении деталью, и наличие большого количества подшипников существенно удорожает редуктор.
Помимо указанной простейшей передачи Джемса известны планетарные передачи [Планетарные передачи. Справочник. Под ред. В.Н.Кудрявцева, Ю.Н.Кирдяшева. - Л.: Машиностроение, 1977. - С.14 и с.74 (схема D)], содержащие два центральных зубчатых колеса, одно из которых (ведущее) имеет наружные зубья, а другое (опорное) - внутренние, и сателлиты, расположенные в два слоя. Сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с центральным колесом, имеющим наружные зубья, а сателлиты внешнего слоя - с сателлитами внутреннего слоя и центральным колесом, имеющим внутренние зубья. Эта передача содержит также ведомое водило, несущее оси всех сателлитов.
Известны подобные планетарные передачи, например [SU 1516669, F16H 1/28, опублик. 1989], в которых на осях водила закреплены сателлиты только одного слоя, а сателлиты другого слоя являются плавающими.
Известны планетарные передачи, например [SU 476402, F16H 31/53, опублик. 1975], содержащие три центральных зубчатых колеса, с одним слоем сателлитов и водилом.
Известны и достаточно широко применяются в многоступенчатых коробках передач планетарные передачи, например [US 6986726, F16H 57/08, опублик. 2006; US 7316629, F16H 3/44, опублик. 2006 (US 2006/0089228 А1)], содержащие три центральных зубчатых колеса с двумя слоями сателлитов, установленных на водиле. При этом одно из центральных колес (обычно ведущее) имеет наружные зубья и взаимодействует с сателлитами внутреннего слоя. Другое центральное колесо, с внутренними зубьями взаимодействует с сателлитами внешнего слоя. Третье центральное зубчатое колесо имеет наружные или внутренние зубья и взаимодействует с сателлитами внешнего или внутреннего слоя соответственно. Ведомым в таком механизме становится водило или одно из центральных колес, в зависимости от включенной передачи.
Известна планетарная передача, например [RU 2340814, F16H 1/36, 2008], содержащая три центральных зубчатых колеса, с сателлитами, расположенными в два слоя. При этом сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с ведущим центральным колесом, имеющим наружные зубья, а их оси закреплены на водиле, которое является ведомым звеном передачи. Сателлиты внешнего слоя - плавающие. Они взаимодействуют с сателлитами внутреннего слоя и двумя центральными опорными колесами, одно из которых (имеющее внутренние зубья) неподвижное, а другое - подвижное.
Общим недостатком упомянутых выше передач, в случае применения их в редукторах, кольцевые габариты которых подлежат минимизации, является наличие водила. Водило, в совокупности с требующимися подшипниками внутри сателлитов, ограничивает возможности снижения «кольцевых» габаритов редуктора и удорожает привод.
Известны безводильные планетарные передачи, содержащие три центральных зубчатых колеса и взаимодействующие с ними сателлиты, расположенные в один слой. Все подобные передачи используются в режиме редуктора. При этом одно из центральных колес является ведущим и нагружено сравнительно небольшим вращающим моментом, а два других, ведомое и неподвижное (опорное), являются силовыми, т.е. воспринимающими большой вращающий момент. Существуют конструкции, например [US 5078665, F16H 1/32, опублик. 1992; SU 712043, F16H 1/48, опублик. 1980; RU 2169867, F16H 1/46, опублик. 1999; WO 0148397, F16H 1/28, опублик. 2001], в которых два силовых центральных колеса имеют внутренние зубья, а ведущее колесо - наружные. В другом варианте [WO 9205372, F16H 1/28, 1/46, опублик. 1991] силовые колеса имеют наружные зубья, а ведущее - внутренние. Заметим, что в обоих случаях силовые центральные колеса лежат по одну сторону от сателлита.
Указанное расположение силовых колес обуславливает следующие недостатки редуктора:
1) большие радиальные силы, возникающие в двух силовых зацеплениях, чрезмерно нагружают быстроходное зацепление ведущего колеса с сателлитом. Это приводит к снижению КПД передачи. Разгрузка же быстроходного зацепления с помощью дополнительных поддерживающих колец усложняет конструкцию передачи;
2) сателлит воспринимает значительный изгибающий (перекашивающий) момент от пары сил реакции, приложенных со стороны силовых колес.
Существует конструктивное решение, которое снимает проблему упомянутого перекашивающего момента радикально - это выполнение одного из силовых колес, обычно опорного, например [RU 1313076, F16H 1/46, опублик. 1995], с двумя зубчатыми венцами, разнесенными на края редуктора. Однако при этом исчезает возможность снимать вращающий момент с выходного колеса в осевом направлении, т.е., например, с помощью муфты. Такая безводильная планетарная передача может использоваться только в сочетании с другой передачей [US 3633441, F16H 1/28, опублик. 1970; SU 1460474, F16H 1/48, опублик. 1987; WO 92/05372] (цепной, ременной, зубчатой), осуществляющей съем движения в радиальном направлении, или служит для осуществления неполного поворота [US 3640150, F16H 1/32, опублик. 1970] ведомого звена. Отмеченные обстоятельства существенно усложняют конструкцию редуктора и сужают область его возможного использования.
Если второй венец опорного колеса отсутствует, быстроходное зацепление сателлитов с ведущим колесом нагружено большим перекашивающим моментом. Это снижает нагрузочную способность и КПД редуктора, такая безводильная планетарная передача используется только во второстепенных, малонагруженных или редко используемых приводах.
Известна [GB 1418284, F16H 1/36, опублик. 1975. Фиг.1 и 3] планетарная безводильная передача, содержащая три центральных колеса с наружными зубьями, взаимодействующий с ними слой сателлитов и опорные кольца с гладкой внутренней рабочей поверхностью. В ней сателлит имеет венцы с тремя различными числами зубьев, а опорное центральное кольцо выполнено с двумя венцами, максимально разнесенными друг относительно друга в осевом направлении.
Недостатком этой передачи является большая нагрузка на опорные кольца и общая сложность конструкции. Кроме того, в силу особенностей своих габаритов такая передача мало подходит для компоновки вокруг тяжелого нагруженного вала.
В качестве прототипа принята безводильная планетарная передача [GB 1418284, F16H 1/36, опублик. 1975. Фиг.2 и 4]. Она содержит ведущее центральное колесо с наружными зубьями, силовое опорное центральное колесо с внутренними зубьями, силовое ведомое центральное колесо с наружными зубьями, сателлиты, расположенные в один слой и взаимодействующие со всеми тремя центральными колесами. Причем венец сателлита, взаимодействующий с ведущим центральным колесом, имеет число зубьев, значительно превышающее числа зубьев венцов, взаимодействующих с силовым центральным колесом. В конструкции также присутствуют опорные кольца с наружной рабочей поверхностью.
Достоинством этой передачи является то, что сателлиты расположены между двух силовых колес - опорные кольца в этой схеме фактически не нужны.
Недостатком является то, что для получения передаточного числа, хотя бы U=2…3 венец сателлита, взаимодействующий с ведущим колесом, должен иметь диаметр в несколько раз больше диаметра венцов сателлита, зацепляющихся с силовыми колесами. Это делает конструкцию громоздкой и непригодной для использования в редукторе, компонуемом вокруг силового вала.
В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств редуцирования скорости вращения, а именно создания новой компактной и технологичной безводильной планетарной передачи.
Достигаемый технический результат - уменьшение «кольцевых» габаритов и повышение нагрузочной способности устройства.
Безводильная планетарная передача содержит два силовых центральных колеса - опорное и ведомое, одно из которых имеет внутренние зубья, а другое - наружные, и ведущее центральное колесо с наружными или внутренними зубьями, а также сателлиты, взаимодействующие со всеми тремя центральными колесами. От прототипа передача отличается тем, что сателлиты расположены в два слоя в шахматном порядке, причем сателлиты внутреннего слоя взаимодействуют с силовым центральным колесом, имеющим наружные зубья, сателлиты внешнего слоя - с силовым центральным колесом, имеющим внутренние зубья, и с сателлитами внутреннего слоя, а ведущее центральное колесо взаимодействует с сателлитами внутреннего или внешнего слоя со стороны, противоположной контакту данного слоя сателлитов с соответствующим силовым центральным колесом.
Расположение сателлитов между центральных силовых колес (как в прототипе) снимает с сателлита нагрузку перекашивающим моментом и радиальной силой, но в отличие от прототипа благодаря двум слоям сателлитов передача имеет значительно меньшие радиальные и в особенности кольцевые габариты, что важно для использования ее в редукторах, компонуемых вокруг тяжело нагруженного вала.
Рациональным, с учетом передаточного числа и КПД редуктора, является диапазон отношений чисел зубьев силового центрального колеса с внутренними зубьями к числу зубьев силового центрального колеса с наружными зубьями - 1,3…2, а оптимальна середина этого диапазона.
Для снижения кольцевых габаритов и повышения КПД передачи желательно, чтобы сателлиты внутреннего и внешнего слоев имели одинаковые числа зубьев, а расстояние между вершинами зубьев сателлитов и силовых центральных колес, с которыми данный слой сателлитов не взаимодействует, составляло 0,5…2 от модуля зацепления.
Предложенное конструктивное решение может быть реализовано в двух вариантах: 1) когда ведущее центральное колесо имеет внутренние зубья и взаимодействует сателлитами внутреннего слоя и 2) когда ведущее центральное колесо имеет наружные зубья и взаимодействует сателлитами внешнего слоя. При этом некоторыми технологическими и эксплуатационными преимуществами обладает второй вариант.
В передаче с ведущим колесом, имеющим наружные зубья (2-й вариант), для снижения потерь в зацеплениях, сателлиты внешнего слоя снабжены опорными цапфами, имеющими диаметр, меньший диаметра окружности впадин зубчатых венцов этих сателлитов, а передача дополнительно содержит плавающие кольца, охватывающие эти цапфы. Введение в конструкцию таких колец устраняет силовой контакт зуба по двум противоположным боковым поверхностям в зацеплении сателлитов внешнего слоя с центральным колесом, имеющим внутренние зубья.
Дополнительное снижение потерь достигается, если сателлиты на концах имеют цилиндрические дорожки качения с диаметрами, равными или близкими начальным диаметрам соответствующих зубчатых венцов в их зацеплении, причем сателлиты внутреннего слоя в своей части, расположенной напротив венца центрального ведущего колеса, имеют цилиндрическую перемычку (выточку), соединяющую часть сателлита, несущую зубчатый венец, с его частью, несущей дорожку качения, а силовые центральные зубчатые колеса снабжены кольцами, фиксированными относительно этих колес или плавающими, катящимися по соответствующим дорожкам сателлитов. В этом случае силовой контакт зуба по двум боковым поверхностям полностью исключен во всех зацеплениях механизма.
Дополнительно увеличение передаточного числа в передаче с ведущим колесом, имеющим наружные зубья, достигается, когда сателлиты внутреннего слоя имеют число зубьев в 1,2…2 раза меньше, чем сателлиты внешнего слоя, и длину, равную длине силового центрального колеса с внутренними зубьями. При этом каждый сателлит внешнего слоя состоит из двух половин, расположенных по краям сателлита внутреннего слоя, а силовое центральное колесо с наружными зубьями расположено между этими половинами.
В последнем случае, для уменьшения перекоса сателлитов, половины сателлита внешнего слоя могут быть жестко соединены между собой перемычкой, имеющей диаметр достаточно малый, чтобы не было касания перемычки с силовым центральным колесом, имеющим наружные зубья.
Любую конструктивную модификацию предлагаемой передачи можно использовать в двух режимах: 1) когда силовое центральное колесо с наружными зубьями является опорным, т.е. остановлено, а силовое центральное колесо с внутренними зубьями является ведомым звеном передачи; 2) когда силовое центральное колесо с внутренними зубьями делается опорным, т.е. остановлено, а силовое центральное колесо с наружными зубьями является ведомым звеном передачи.
Примеры реализации изобретения иллюстрируются чертежами, где на фиг.1 показана основная конструкция безводильной планетарной передачи, на фиг.2 - ее осевой разрез, на фиг.3 - 9 - различные варианты выполнения передачи.
4
5
1
2
3
3
2
Безводильная планетарная передача, показанная на фиг.1 и 2, содержит ведущее центральное колесо 1 с наружными зубьями и два силовых центральных колеса 2 и 3, одно из которых 2 имеет наружные зубья, а другое 3 - внутренние. В зависимости от применения в приводе, любое из силовых колес может быть остановлено, т.е. стать опорным (а другое - ведомым). Сателлиты 4, 5 расположены в два слоя в шахматном порядке. Сателлиты 5 внутреннего слоя взаимодействуют с центральным силовым колесом 2, имеющим наружные зубья. Сателлиты 4 внешнего слоя взаимодействуют с центральным силовым колесом 3, имеющим внутренние зубья, а также с сателлитами 5 внутреннего слоя, причем каждый сателлит 4 внешнего слоя взаимодействует с двумя сателлитами 5 внутреннего слоя и наоборот. В примере, показанном на фиг.1 и 2, ведущее центральное колесо 1 взаимодействует с сателлитами 4 внешнего слоя. Количество пар сателлитов - 7. Сателлиты 4 и 5 внешнего и внутреннего слоев имеют одинаковые числа зубьев Z=Z=18. Числа зубьев центральных колес: Z=66, Z=60, Z=102 (т.е. Z/Z=1.7). При таком соотношении чисел зубьев обеспечиваются условия сборки всех зацеплений передачи и оптимальные расстояния между вершинами невзаимодействующих зубьев. Сателлиты 4, 5 имеют сквозные отверстия, которые используются для их базирования при обработке и повышают равномерность распределения нагрузки по зубьям. Корпус редуктора, в который заключена передача, на фиг.1, 2, как и на последующих фигурах, не показан.
При работе передачи центральное ведущее колесо 1 вращает сателлиты 4 внешнего слоя. В этом зацеплении имеется боковой зазор, т.е. условия зацепления такие же, как в обычной зубчатой передаче. Контакт сателлитов между собой и с силовыми центральными колесами происходит в условиях отсутствия внешней фиксации соответствующих межосевых расстояний, т.е. без бокового зазора. Это обстоятельство является определенным недостатком данной передачи и отрицательно влияет на ее КПД и нагрузочную способность, однако, при сравнительно небольших передаточных числах U=3-6, КПД остается достаточно высоким. Нагрузочная же способность данной передачи благодаря большому числу одновременно участвующих в контакте сателлитов, при стесненных «кольцевых» габаритах, в итоге оказывается выше, чем у других планетарных передач.
При остановленном центральном колесе 2 передаточное число  определяется по формуле:
,
что в примере (фиг.1, 2) составит .
При остановленном колесе 3:
.
Таким образом, между этими передаточными числами существует соотношение:
На фиг.3 показан конструктивный вариант передачи, изображенной на фиг.1. Сателлиты 4 наружного слоя на торцах содержат цилиндрические цапфы 6, по которым обкатываются плавающие кольца 7. Эти кольца воспринимают радиальную нагрузку, чем разгружают зацепление, находящееся в наиболее неблагоприятных условиях по углу давления. В рассматриваемом примере использование плавающих колец снижает общие потери в зацеплениях передачи на 20-25%.
В передаче, изображенной на фиг.4 и 5, все сателлиты и силовые центральные колеса снабжены катками, несущими дорожки качения, диаметры которых равны (или максимально приближаются) диаметрам начальных окружностей соответствующих зубчатых венцов. На колесе 3 и сателлитах 4 кольца 7 и 8, несущие дорожки качения, закреплены жестко. На колесе 2 одно кольцо 9 закреплено, а другое 12 является плавающим. Сателлиты внутреннего слоя, напротив венца центрального ведущего колеса 1, имеют цилиндрическую перемычку 11, соединяющую часть сателлита 5, несущую зубчатый венец, с его частью 10, несущей дорожку качения. В такой конструкции силовой контакт зуба по двум боковым поверхностям полностью исключен во всех зацеплениях механизма, что снижает общие потери на 40-50%. Практическое применение может получить более простой по конструкции, «переходный» вариант данной передачи, в котором кольца 9 и 12, относящиеся к центральному колесу 2, отсутствуют (на фигурах этот вариант не показан).
Передаточные числа для конкретной схемы (фиг.4, 5) ; .
В передаче, показанной на фиг.6, 7, сателлиты 5 внутреннего слоя имеют число зубьев в 1,33 раза меньше, чем сателлиты 4 внешнего слоя. Зубчатый венец нарезан по всей длине сателлитов 5. Сателлиты внешнего слоя имеют зубчатые венцы 4 только по краям, а в середине выполнена более тонкая цилиндрическая перемычка 11, или венцы 4 вообще не связанны друг с другом (данный случай не показан). Сателлит 5 «висит» на венцах 4 сателлита внешнего слоя, а своей центральной частью взаимодействует с силовым центральным колесом 2. Передаточные числа механизма (фиг.6, 7) составляют: ; , что существенно выше чем у механизма, изображенного на фиг.4, 5, выполненного в тех же габаритах.
На фиг.8, 9 показана передача, отличающаяся от предыдущих тем, что ведущее центральное колесо в ней взаимодействует не с внешним, а с внутренним 5 слоем сателлитов. Передаточное число такого механизма рассчитывается по тем же формулам, что и предыдущего, но его редуцирующая способность получается несколько ниже, так как число зубьев ведущего колеса 1 больше. Для схемы (фиг.8, 9), которая имеет 9 пар сателлитов: ;  Такая же передача, но с центральным колесом 1, взаимодействующим с сателлитами 4 вешнего слоя, имела бы ;
Тем не менее для особых компоновочных условий может оказаться полезной и схема, показанная на фиг.8, 9.
Использование предлагаемой безводильной передачи в редукторах приводов различного назначения, в частности приводах запорно-регулирующей трубопроводной аппаратуры, позволит существенно снизить их габариты и вес.