Двухступенчатый конический волновой редуктор с электродвигателем
TWO-STAGE BEVEL WAVE REDUCER WITH ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к области электротехники и электромеханики, в частности к электрическим машинам, и касается особенностей конструктивного выполнения двухступенчатого конического волнового редуктора с электродвигателем (электромотор-редуктора) в едином корпусе.
Изобретение может найти применение в различных механизмах приборов систем управления, оптико-механических устройствах в качестве кинематических и силовых приводов, в электроприводах роботов и манипуляторах, в прецизионных приводах наземной, космической и подводной навигации, в станкостроении, в электромобилях, на транспорте, в грузоподъемных механизмах в электролебедках, в нефтегазовой промышленности и иных устройствах, в которых требуется преобразование крутящего момента с большим передаточным отношением и малыми габаритами.
Известны различные мотор-редукторы (Анурьев В.И., Справочник конструктора-машиностроителя, - М.: «Машиностроение», 2001, том 3, с. 655-764) представляющие собой соединение электродвигателя и цилиндрического, конического, глобоидного или червячного редуктора. Данные устройства представляют собой электродвигатели, у которых выходные валы соединены с редукторами, причем оба узла размещены в общем корпусе. Отсутствие общих элементов не позволяет оптимизировать конструкцию устройства и добиться значительного снижения веса и габаритов, а применение упомянутых типов редукторов не позволяет получить передаточные числа более 100 без значительного увеличения размеров. Получение высоких значений передаточных отношений обусловлено возможностью использовать в конструкции электропривода электродвигатель с малым выходным моментом и, следовательно, с малыми габаритами по сравнению с двигателем такой же мощности и большим моментом, что позволяет снизить габариты и массу электропривода. Параметры габаритов и массы электропривода критичны для многих областей, например, космос, авиация, медицинская техника.
Известны мотор-редукторы, в которых отдельные элементы конструкции электродвигателя выполняют одновременно функции редуктора В мотор-редукторе (патент № RU 2098910) редуктор установлен эксцентрично в статоре и, обкатывая какую-либо поверхность, выполняет функцию одного из звеньев планетарной передачи, которая может быть либо фрикционной, либо зубчатой. Ротор в данном устройстве выполнен в виде двух дисковых радиально противоположно направленных магнитов, установленных вдоль оси редуктора. В орбитальном мотор-редукторе (патент № RU 2071631) и мотор-редукторе (патент № RU 2074490) статор и ротор установлены эксцентрично, связаны с планетарным редуктором и имеют электромагнитные тормозные устройства, а водило выполнено с возможностью осевого перемещения выходного вала. В вышеуказанных конструкциях некоторые детали электродвигателя являются одновременно и деталями редуктора, что позволяет сократить общее количество деталей в конструкции, снизить трудоемкость изготовления и уменьшить габариты и массу. Основным недостатком является невозможность получения передаточных отношений более 100 без увеличения габаритных размеров вследствие использования планетарной передачи.
Известен электропривод с планетарным циклоидальным редуктором (патент № RU 2206805) где редуктор, закрепленный на валу электромотора и через высокоскоростные подшипники редуктора передающий вращение на выходной вал, выполнен планетарно-циклоидальным, а магнитопроводящий ротор выполнен в виде пружины, сваренной в общую конструкцию, образующую тор, магнитопровод электромотора имеет по всей боковой периферии круговые пазы, повторяющие круговой профиль витков пружины, и выполняет функцию неподвижного колеса ПЦР, функцию подвижного колеса которого выполняет постоянный магнит с круговыми пазами, повторяющими круговой профиль витков пружины, причем рабочий магнитный поток передается со статора на постоянный магнит выходного вала через непосредственный контакт магнитопроводящего зацепления статора и ротора. Конструкция позволяет реализовать электропривод с передаточным отношением более 100, однако при такой конструкции электромотор вынужден преодолевать постоянное дополнительное сопротивление, создаваемое постоянными магнитами магнитопровода, "отрывать" магнитопроводящий ротор от магнитопровода, а если учесть, что максимальный выходной момент определяется мощностью постоянных магнитов магнитопровода, то вышеуказанные потери будут составлять существенную долю потребляемой мощности, что существенно снижает КПД электропривода. Предлагаемая конструкция не содержит нежестких элементов и позволяет регулировать выходные параметры привода.
Известен двухступенчатый конический волновой редуктор (№ RU 2564556), который содержит кривошипный вал, выходной вал, внешнее, внутреннее, корпусное и коническое колесо выходного вала. Кривошипный вал выполнен ступенчатым и имеет две соосные разнесенные опорные поверхности, на которые соосно устанавливаются два шарикоподшипника, при этом два других шарикоподшипника установлены в сборном блоке и на выходном валу. На наклонной части кривошипного вала установлена качающаяся шестерня, выполненная в виде сборного блока, состоящего из двух конических колес, жестко соединенных между собой таким образом, чтобы их зубчатые венцы располагались на одной стороне блока. На колесах, входящих в одну взаимодействующую пару, выполняется разное количество зубьев. Как и предлагаемая конструкция редуктор имеет наклонную часть кривошипного вала, установленную на ней качающуюся шестерню и два зубчатых колеса, одно колесо неподвижное, соединенное с корпусом, другое колесо, соединенное с выходным валом. К недостатку аналога относится его ограниченная функция -только функция редуктора, поскольку устройство не имеет источника движения. Добавление в конструкцию электродвигателя, корпус которого выполнен в виде элемента конструкции аналога - наклонной части кривошипного вала -позволяет реализовать электропривод на базе двухступенчатого конического волнового редуктора без значительного увеличения размеров и массы.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана двухступенчатая коническая волновая передача (Механизмы приборов и систем управления. Павлов Б.И., Л., «Машиностроение», 1972 г., стр. 151, рис. 82), состоящая из четырех зубчатых колес, два из которых выполнены в виде двухвенечного блока, свободно вращающегося на кривошипном валике. Валик вращается на двух шарикоподшипниках, один из которых запрессован во втулке ведомого колеса, а второй - во втулке неподвижно закрепленного в корпусе передачи конического колеса. Ведомое колесо закреплено на выходном валике.
К недостатку устройства-прототипа относится его ограниченная функция - только функция редуктора, поскольку устройство не имеет источника движения.
Задачей изобретения является создание малогабаритного редуктора с электродвигателем и передаточным отношением не менее 100.
Указанная задача выполняется благодаря тому, что в двухступенчатом коническом волновом редукторе с электродвигателем, содержащем корпус, неподвижное корпусное колесо, выходной вал, установленный на подшипниках, коническое колесо выходного вала, жестко связанное с выходным валом, качающуюся шестерню с двумя зубчатыми венцами, которая первым зубчатым венцом находится в зацеплении с неподвижным корпусным колесом, а вторым зубчатым венцом - с коническим колесом выходного вала; при этом на колесах, входящих в одну взаимодействующую пару, выполняется разное количество зубьев для обеспечения двухступенчатого режима работы редуктора, согласно изобретению введены неподвижный вал корпуса, выполненный соосно выходному валу, и обращенный электродвигатель, статор которого жестко закреплен на неподвижном валу корпуса, а на ротор установлен корпус электродвигателя, выполненный в виде наклонной части кривошипного вала, ось которого наклонена к оси неподвижного вала корпуса, содержащего отверстие, через которое осуществляется подвод питания к электродвигателю.
Конструкция двухступенчатого конического волнового редуктора с электродвигателем представлена на фигуре и содержит:
1. Корпус;
2. Обращенный электродвигатель;
3. Корпус электродвигателя;
4. Корпусное колесо;
5. Качающаяся шестерня;
6. Коническое колесо выходного вала;
7. Выходной вал;
8. Подшипник;
9. Неподвижный вал корпуса.
Предлагаемая конструкция объединяет в себе обращенный электродвигатель и двухступенчатый конический волновой редуктор. В корпусе 1 расположены: обращенный электродвигатель 2, корпус электродвигателя 3, корпусное колесо 4, качающаяся шестерня 5, коническое колесо выходного вала 6, выходной вал 7. Статор электродвигателя жестко установлен на неподвижном валу корпуса 9, корпус электродвигателя 3 установлен на внешний ротор электродвигателя и выполнен в виде наклонной части кривошипного вала - ось корпуса электродвигателя наклонена к оси неподвижного вала корпуса. Подвод проводов питания электродвигателя осуществляется через отверстие (на фигуре не показано) в неподвижном валу корпуса 9.
На корпус электродвигателя через подшипник 8 установлена качающаяся шестерня 5, имеющая два зубчатых венца. Первым зубчатым венцом качающаяся шестерня 5 находится в зацеплении с неподвижным корпусным колесом 4, а вторым зубчатым венцом - с коническим колесом выходного вала 6. Коническое колесо выходного вала 6 жестко связано с выходным валом 7. Выходной вал 7 установлен на подшипниках по оси неподвижного вала корпуса.
Двухступенчатый конический волновой редуктор с электродвигателем работает следующим образом:
При вращении корпуса электродвигателя 3 качающаяся шестерня 5 начинает совершать прецессирующее движение относительно точки совпадения вершин делительных конусов конических колес посредством обкатывания зубьев первого зубчатого венца по зубьям корпусного колеса 4. Зацепляясь одновременно зубьями второго зубчатого венца с зубчатым венцом конического колеса выходного вала 6, качающаяся шестерня передает вращение выходному валу 7.
Включение в конструкцию двухступенчатого конического волнового редуктора в качестве источника движения обращенного электродвигателя в качестве наклонной части кривошипного вала позволяет существенно снизить массу и габариты изделия.
Передаточное отношение двухступенчатого конического волнового редуктора определяется по формуле , где:
1
Z - количество зубьев корпусного колеса;
2
Z - количество зубьев первого венца качающейся шестерни;
3
Z - количество зубьев второго венца качающейся шестерни;
4
Z - количество зубьев конического колеса выходного вала.
На примере произведенных расчетов, был спроектирован двухступенчатый конический волновой редуктор с электродвигателем со следующими значениями:
1
2
3
4
- количество зубьев имеет значения Z=34, Z=35, Z=36, Z=35, что позволяет реализовать передаточное отношение равное 1225;
- при использовании обращенного электродвигателя с габаритами 30 мм в длину и ∅ 45 мм, общие габариты редуктора составили 140 мм в длину и ∅ 140 мм.
Изменение соотношения количества зубьев в колесах и венцах позволяет получить значения передаточного отношения более 1000 при сохранении малых габаритов.
Техническим результатом изобретения является включение электродвигателя в конструкцию редуктора с передаточным отношением не менее 100 при малых габаритах изделия.