Трехступенчатый редуктор

Полезная модель относится к механическому редуктору, в частности к трехступенчатому редуктору для электропривода, и может использоваться в различных отраслях техники и промышленности. Трехступенчатый редуктор предназначен для передачи вращательного движения и энергии от входного к выходному звену с обеспечением существенных снижения частоты вращения и увеличения крутящего момента.
Из патента РФ 2680574 (F16H 1/48, опубл. 22.02.2019) известен трехступенчатый редуктор для электропривода. Трехступенчатый редуктор содержит входной вал, связанный с электродвигателем, быстроходную, промежуточную и тихоходную планетарные передачи, коронное колесо и выходной вал. Входной и выходной валы расположены соосно центральной оси редуктора. Солнечная шестерня быстроходной планетарной передачи установлена на входном валу. Выходное звено (водило) тихоходной планетарной передачи изготовлено за одно целое с выходным валом.
Сателлиты всех трех планетарных передач вращаются внутри общего коронного колеса. В результате быстроходная передача имеет одинаковый с тихоходной передачей внешний диаметр, равный внешнему диаметру коронного колеса, что приводит к нежелательному увеличению радиальных размеров и массы быстроходной передачи.
Тихоходная планетарная передача выполнена со сдвоенными сателлитами и сдвоенными шарикоподшипниковыми механизмами, что увеличивает массу и габаритные размеры редуктора в осевом направлении.
Соосное расположение входного и выходного валов не позволяет использовать редуктор в приводах, где на поверхности редуктора над выходным валом необходимо свободное пространство для размещения указателя положения выходного вала, например в приводах трубопроводной арматуры.
Из патента JP 3975141 (F16H 1/32, F16K 31/53, опубл. 12:09.2007) известен трехступенчатый редуктор для электропривода клапана, выбранный за ближайший аналог (прототип). Трехступенчатый редуктор содержит входной и выходной валы, быстроходную, промежуточную и тихоходную передачи. Входной вал является валом электродвигателя. Параллельное расположение входного и выходного валов в редукторе обеспечивает промежуточная передача, изготовленная в виде цилиндрической передачи с наружным зацеплением. Промежуточная передача включает в себя шестерню, установленную на промежуточном валу, и зубчатое колесо, установленное соосно базовому валу. Базовый вал расположен соосно выходному валу. Тихоходная передача выполнена в виде планетарной эксцентриковой передачи с циклоидальным зацеплением и снабжена механизмом параллельных кривошипов, оси которых связаны с выходным валом. В качестве быстроходной ступени использована цилиндрическая передача с наружным зацеплением, входная шестерня которой установлена на входном валу. Однако цилиндрические передачи с наружным зацеплением характеризуются относительно низкой нагрузочной способностью, поэтому перегрузки на входном валу, обусловленные, например, дисбалансом вала электродвигателя, наличием толчков, ударов и вибраций, или изгибом вала электродвигателя, приведут к нарушению нормального распределения сил вдоль поверхности зуба в зацеплении, вплоть до поломки зубьев.
В промежуточной передаче промежуточный вал расположен параллельно входному валу со смещением ближе к базовому валу. Ввиду уменьшения расстояния между базовым и промежуточным валами, при прочих равных условиях уменьшается диаметр зубчатого колеса относительно диаметра шестерни на промежуточном валу, что приводит к нежелательному снижению передаточного отношения промежуточной передачи.
Тихоходная планетарная передача изготовлена с двумя сателлитами, последовательно установленными на эксцентриках эксцентрикового вала. Эксцентриковый вал посажен на подшипниках на базовый вал. Оси кривошипного механизма выполнены в виде отдельных цилиндрических деталей продолговатой формы. При этом каждая ось закреплена своим окончанием в диске-держателе, который насажен на выходной вал.
Перегрузка на выходном валу редуктора приведет к сдвигу выходного вала относительно диска-держателя, и вращение будет передано неточно. А при передаче большого крутящего момента перегрузка на выходном валу может привести к сдвигу такой величины, что оси не удержатся в диске-держателе в своем исходном положении, что приведет к аварийной ситуации.
Таким образом, актуальна проблема надежной передачи повышенного крутящего момента с высокой выходной мощностью, получаемой при высоком передаточном числе, при компактности трехступенчатого редуктора.
Технический результат заключается в обеспечении большей, по сравнению с прототипом, устойчивости трехступенчатого редуктора к перегрузкам.
Указанная проблема решается и технический результат достигается тем, что трехступенчатый редуктор, как и ближайший аналог, содержит входной и выходной валы, быстроходную, промежуточную и тихоходную передачи, при этом промежуточная передача выполнена в виде цилиндрической передачи с наружным зацеплением и включает в себя установленную на промежуточном валу шестерню и установленное соосно базовому валу зубчатое колесо, а тихоходная передача выполнена в виде эксцентриковой планетарной передачи с циклоидальным зацеплением, установлена соосно базовому валу и снабжена механизмом параллельных кривошипов, оси которого связаны с выходным валом.
В отличие от ближайшего аналога, быстроходная передача выполнена в виде планетарной передачи и включает в себя солнечную шестерню, установленную на входном валу, неподвижное коронное колесо, несколько сателлитов и быстроходное водило, неподвижно установленное на промежуточном валу, соосном входному валу, зубчатое колесо промежуточной передачи жестко соединено с базовым валом, а тихоходная планетарная передача с циклоидальным зацеплением выполнена с одним сателлитом, и оси механизма параллельных кривошипов изготовлены за одно целое с выходным валом.
При этом оси механизма параллельных кривошипов снабжены подшипниками скольжения. При этом выходной вал может быть выполнен по меньшей мере с одной выемкой, и в корпус редуктора ввинчена по меньшей мере одна упорная шпилька, выступающая в указанную выемку, для ограничения движения выходного вала в пределах менее одного оборота.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
на фиг. 1 показан продольный разрез трехступенчатого редуктора;
на фиг. 2 показан поперечный разрез трехступенчатого редуктора (разрез А-А на фиг. 1).
Трехступенчатый редуктор на фиг. 1 содержит быстроходную планетарную передачу 1, промежуточную цилиндрическую передачу 2 и тихоходную планетарную передачу 3 с циклоидальным зацеплением.
Быстроходная планетарная передача 1 включает в себя солнечную шестерню 4, установленную на входном валу 5 редуктора, неподвижное коронное колесо 6 и несколько сателлитов 7, например три сателлита. Сателлиты 7 кинематически связаны с промежуточным валом 8 посредством водила 9, неподвижно установленного на промежуточном валу 8. Входной вал 5 редуктора связан с электродвигателем (на чертеже не показан) для передачи на указанный входной вал 5 вращения от электродвигателя.
Промежуточная передача 2 выполнена в виде цилиндрической зубчатой передачи с наружным зацеплением и включает в себя шестерню 10, неподвижно установленную на промежуточном валу 8, и зубчатое колесо 11, установленное соосно базовому валу 12. Зубчатое колесо 11 жестко соединено с базовым валом 12, например посредством крепежных элементов 13. Промежуточный вал 8 расположен соосно входному валу 5 редуктора.
Тихоходная планетарная передача 3 выполнена в виде эксцентриковой планетарной передачи с циклоидальным зацеплением и включает в себя сателлит 14 с циклоидальным профилем зубьев, установленный на подшипнике 15 на эксцентриковом участке 16 базового вала 12, неподвижное колесо 17 внутреннего зацепления и кривошипный механизм 18 (механизм параллельных кривошипов). Сателлит 14 снабжен круглыми отверстиями (на чертеже не обозначены позициями), расположенными по окружности сателлита 14 на некотором расстоянии от его центра. Оси 19 кривошипного механизма с надетыми на них подшипниками 20 скольжения вставлены в круглые отверстия сателлита 14. Оси 19 выполнены за одно целое с выходным валом 21 редуктора. Подшипники 20 скольжения выполнены в виде втулок, окруженных цевками (на чертеже не обозначены позициями).
Выходной вал 21 включает в себя жестко соединенные между собой дисковую часть 22 и кольцевую часть 23. Выходной вал 21 своей дисковой частью 22 установлен на подшипнике 24 на базовом валу 12.
Выходной вал 21 в своей кольцевой части 23 может быть изготовлен по меньшей мере с одной выемкой 25 (см. фиг. 2), и в корпус 26 редуктора ввинчена по меньшей мере одна упорная шпилька 27, выступающая в указанную выемку 25, для ограничения движения выходного вала 21 в пределах указанной выемки 25, т.е. в пределах менее одного оборота.
В конкретном исполнении передаточное отношение быстроходной ступени может быть равно 4, передаточное отношение промежуточной ступени - 10, и передаточное отношение тихоходной ступени - 50. Общее передаточное отношение редуктора, равное произведению передаточных отношений трех ступеней, может быть равно 2000.
Трехступенчатый редуктор работает следующим образом.
При сообщении движения входному валу 5 неподвижно установленная на нем солнечная шестерня 4 передает вращение через сателлиты 7 на промежуточный вал 8, за счет кинематической связи сателлитов 7 с промежуточным валом 8. При вращении промежуточного вала 8 неподвижно установленная на промежуточном валу 8 шестерня 10 передает вращение через находящееся с ней в зацеплении зубчатое колесо 11 на базовый вал 12, за счет жесткого соединения зубчатого колеса 11 с базовым валом 12. Базовый вал 12 вращается вместе со своим эксцентриковым участком 16. И вращение эксцентрикового участка 16 базового вала заставляет сателлит 14 совершать орбитальное движение. Вращение сателлита 14 вокруг собственной оси предотвращается из-за взаимодействия с неподвижным колесом 17 внутреннего зацепления. Орбитальное движение сателлита 14 посредством осей 19, обкатывающихся внутри круглых отверстий в сателлите 14, преобразуется во вращение всего выходного вала 21, за счет выполнения за одно целое осей 19 с дисковой частью 22 выходного вала 21 и жесткого соединения дисковой части 22 и кольцевой части 23 выходного вала 21. При этом наличие подшипников скольжения 20 на осях 19 увеличивает КПД тихоходной передачи.
В случае использования трехступенчатого редуктора в неполнооборотном приводе, выходной вал 21 при движении упирается окончанием своей выемки 25 (фиг. 2) в упорную шпильку 27, что ограничивает вращение выходного звена редуктора в пределах менее одного оборота.
Выполнение быстроходной ступени 1 в виде планетарной передачи с несколькими, например тремя, сателлитами 7, обеспечивает сбалансированность сил в передаче ввиду зацепления большего числа зубцов и потому меньшей нагрузки на каждый зубец. Это позволяет обеспечить (по сравнению с быстроходной цилиндрической передачей в прототипе) большую устойчивость к перегрузкам на входном валу, особенно при использовании мощного электродвигателя. При этом за счет большего коэффициента перекрытия снижается уровень шума.
Благодаря соосному расположению промежуточного вала 8 со входным валом 5 (в отличие от параллельного расположения указанных валов в прототипе) увеличивается расстояние между базовым 12 и промежуточным 8 валами, что позволяет увеличить диаметр зубчатого колеса 11 относительно диаметра шестерни 10 на промежуточном валу 8, тем самым увеличивая передаточное отношение промежуточной передачи 2. Увеличение передаточного отношения промежуточной передачи 2 позволяет уменьшить количество зубьев циклоидального сателлита 14 тихоходной передачи при одном и том же общем передаточном отношении. В свою очередь, уменьшение числа циклоидальных зубьев позволяет увеличить их размеры, а следовательно, прочность зацепления и устойчивость к перегрузкам без изменения габаритов редуктора.
В тихоходной планетарной передаче 3 оси 19 механизма параллельных кривошипов имеют сравнительно небольшой осевой размер, равный толщине только одного сателлита 14, и выполнены за одно целое с выходным валом 21. Вышеуказанное позволяет (по сравнению с прототипом, где оси размещены в насаженном на выходной вал диске-держателе) надежно и точно передавать вращение при возможных перегрузках на выходном валу 21, в том числе при большом крутящем моменте на выходном звене редуктора. При этом уменьшен осевой габарит редуктора.
В результате, в трехступенчатом редукторе повышена устойчивость к перегрузкам. Кроме того, снижен уровень шума на быстроходной ступени, повышено передаточное число на промежуточной ступени, уменьшен осевой габарит тихоходной ступени. Кроме того, в конкретном исполнении, повышен КПД тихоходной передачи 3 за счет использования подшипников скольжения 20. Кроме того, предусмотрено расширение функциональных возможностей редуктора за счет использования его конкретного исполнения в неполнооборотном приводе. Таким образом, предложен надежный редуктор для электропривода в случае повышенного крутящего момента на выходном звене электропривода, например, с крутящим моментом до 63000 Нм. За счет высокой передаваемой мощности и большого крутящего момента на выходном звене, предложенный редуктор может быть использован для регулировки рабочего потока в трубопроводной арматуре, имеющей большой условный проход (Ду). Например, в шаровых кранах КШ Ду500, диаметром 500 мм.