КВАЗИПЛАНЕТАРНЫЙ РЕДУКТОР

Настоящее изобретение относится к области редукторостроения. Более конкретно, оно относится к планетарному редуктору с невращающимися сателлитами и многопарным зацеплением с центральным колесом. Предлагаемый редуктор может использоваться в двигателях машин и подъемных механизмах для передачи больших крутящих моментов. Размеры редуктора, по крайней мере, в дава раза меньше, чем размеры известного аналогичного редуктора при прочих равных условиях.
Известен редуктор с многопарным зацеплением зубъев, содержащий корпус, входной вал, вращающийся в указанном корпусе, балансир, эксцентрик на входном валу, сателлит на указанном эксцентрике для вращения вместе с ним на подшипнике; первые зубы на указанном сателлите; внутреннее колесо со вторыми зубами, которые зацепляются с указанными первыми зубами для вращения указанного внутреннего колеса посредством сателлита; выходной вал соединенный с указанным внутренним колесом для вращения вместе с ним; указанное внутреннее колесо имеет по крайней мере на один зуб больше, чем указанный сателлит для обеспечения редуцирования скорости вращения указанного входного вала относительно входного вала, указанные первые зубы сопряженные со вторыми указанными зубами, линия контакта между указанными первыми и вторыми зубами искривлена и расположена внутри серпообразной области перекрытия зубов, а контакт между первыми и вторыми указанными зубами осуществляется полностью по одну сторону от линии,
проходящей диаметрально через центры указанного сателлита и внутреннего колеса (патент США №5505668 от 04.09.1996). Главными проблемами в таком редукторе есть:
(i) значительный эксцентриситет установки сателлита и
(ii) удлиненная форма зубов, при которой высота зуба в 1.6-1.75 раз больше, чем толщина зуба.
Большой эксцентриситет установки сателлита вызывает вибрации корпуса. Для компенсации вибраций необходимо использовать баллансир с дополнительным весом. Балансир нуждается в дополнительном пространстве в корпусе редуктора. В результате - увеличивается вес редуктора и размеры в осевом направлении.
Известная удлиненная форма зуба обуславливает вторую проблему -ограниченный вращающий момент, передаваемый отдельным зубом, поскольку вершина бокового зуба на сателлите контактирует с основанием зуба внутреннего колеса и боковой зуб в серпообразной области может изгибаться или даже разрушиться при возникновении чрезмерных вращающих усилий.
Известен также планетарный редуктор, содержащий корпус, входной вал, как минимум три промежуточных вала, установленных эксцентрично на одинаковом угловом расстоянии друг от друга на подшипниках во вращающемся водиле, которое соединено с выходным валом, невращающееся солнечное колесо с внутренними зубами, дополнительные зубчатые колеса, установленные на входном валу и на всех промежуточных валах для кинематической связи с четырмя установленными эксцентрично сателлитами, которые установлены через подшипники на эксцентриковые втулки и на все промежуточные валы, кроме того, солнечное колесо имеет
по крайней мере на один зуб больше, чем сателлит (патент РФ No. 2011066, Кл. F 16 Н 1/32 от 15.04.94.)
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению упомянутой выше проблемы является редуктор, содержащий корпус, входной вал, как минимум три промежуточных вала, которые установлены эксцентрично на одинаковом угловом расстоянии друг от друга в невращающемся водиле, соединенном с корпусом, вращающееся центральное колесо с внешними зубами, соединенное с выходным валом, дополнительные зубчатые колеса, установленные на входном валу и на всех промежуточных валах для кинематической связи с четырьмя эксцентрично установленными сателлитами, которые установлены через подшипиники и через эксцентриковые втулки на все промежуточные валы и имеют внутренние зубы, кроме того, центральное колесо имеет по крайней мере на один зуб меньше, чем сателлит (патент РФ No. 2011067, Кл. F 16 H 1/32 от 15.04.94 г.).
Известный редуктор исключает все виды вибраций без дополнительных балансиров, но имеет слишком сложную конструкцию, большие размеры и совсем не устраняет второй проблемы (ii).
Целью предлагаемого технического решенения является задача упрощения редуктора, повышения коэффициента полезного действия, сокращения габаритных размеров и снижения уровня вибраций редуктора.
Решение этой задачи обеспечивается за счет технического результата, который состоит в том, что в редукторе, содержащем корпус, входной вал, выходной вал, как минимум три промежуточных вала, установленных эксцентрично на одинаковом угловом расстоянии друг от друга на подшипниках в неподвижном водиле, соединенном с корпусом,
вращающееся солнечное колесо с внутренними зубами, соединенное с указанным выходным валом, размещенные эксцентрично сателлиты, установленные через подшипники на эксцентриковые втулки и имеющие внешние зубы, каждый сателлит снабжен периферийными отверстиями, колличество которых равно колличеству промежуточных валов, которые размещены в указанных периферийных отверстиях всех сателлитов, края указанных отверстий касаются промежуточных валов, а указанные эксцентриковые втулки установлены на входном валу.
Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет второго варианта технического решения, согласно которому в редукторе, содержащем корпус, входной вал, выходной вал, как минимум три промежуточных вала, установленных эксцентрично на одинаковом угловом расстоянии друг от друга на подшипниках в неподвижном водиле, соединенном с корпусом, вращающееся солнечное колесо с внутренними зубами, соединенное с указанным выходным валом, размещенные эксцентрично сателлиты, установленные через подшипники на эксцентриковые втулки и имеющие внешние зубы, а также вторые подшипники и вторые эксцентриковые втулки, установленные на все указанные промежуточные валы, зубчатые колеса, установленные на все указанные промежуточные валы, усовершенствован таким образом, что указанный входной вал установлен эксцентрично и выполнен монолитным вместе с одним из указанных промежуточных валов.
Кроме того, в редукторе высота внутренних и внешних зубов меньше, чем их толщина.
Кроме того, редуктор, в котором указанные внутренние зубы сопряжены с указанными внешними зубами, линия контакта между
указанными внутренними и внешними зубами искривлена и расположена в серпообразном секторе перекрытия зубов, а контакт между указанными внутренними и внешними зубами осуществляется по обе стороны линии, продленной диаметрально через центры указанного сателлита и солнечного зубчатого колеса.
Кроме того, в редукторе указанные зубчатые колеса установлены напротив входного вала.
Кроме того, в соответствии с предложением редуктор содержит два боковых сателлита и один центральный сателлит, масса которого равна удвоенной массе бокового сателлита.
Кроме того, центральный сателлит с содержит противовес для выравнивания его массы.
Между отличительной частью формулы полезной модели и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.
В первом варианте из редуктора исключены эксцентриковые втулки на всех промежуточных валах и дополнительные зубчатые колеса, кинематическти связывающие входной вал и промежуточные валы, что существенно упрощает конструкцию. Устранение зубчатых колес повышает коэффициент полезного действия, так как при этом появляется возможность устранить потери в зацеплении зубчатых колес между входным валом и промежуточными валами. Устранение эксцентриковых втулок на всех промежуточных валах также позволяет уменьшить радиальные размеры редуктора при прочих равных условиях.
Во втором варианте редуктора исключен центральный входной вал, что также упрощает конструкцию редуктора. Вместо него введен
эксцентрично установленный комбинированный монолитный вал, который одновременно выполняет функции входного вала и функции промежуточного вала. В результате этого освобождается пространство в центральной части редуктора, а также уменьшается вес редуктора. Расстояние между промежуточными валами можно существенно сократить, уменьшая тем самым габариты редуктора.
Кроме того, в ряде случаев эксцентрично расположенный входной вал расширяет функциональные возможности предлагаемого редуктора.
Применение низкопрофильного зуба (высота которого меньше его толщины) позволяет уменьшить величину напряжения изгиба и повысить передаваемый крутящий момент при многопарном зацеплении в 1.5-2 раза по сравнению с извесным техническим решением (пат.США №5505668 от 04.09.1996), что также обеспечивает сокращение габаритов редуктора при прочих равных условиях.
Характерной особенностью технического решения по патенту США №5505668 от 04.09.1996 является наличие многопарного зацепления по спиральной кривой контакта зубов, которая располагается в одном квадранте (по одну сторону от прямой, проходящей через центры сателлита и центрального колеса).
Расположение спиральной линии контакта зубов сателлита и солнечного (центрального) колеса в предлагаемом техническом решении в двух квадрантах, (т.е. по обе стороны от прямой, проходящей через центры сателлита и центрального колеса) существенно увеличивает сектор многопарного зацепления, что достигается за счет уменьшения эксцентриситета установки сателлита по отношению к солнечному колесу в 1.5-2 раза по сравнению с номинальным (рассчитанным классическими
методами) и в 3-4 раза по сравнению с техническим решением, которое описано в патенте США №5505668 от 04.09.1996, где полюс зацепления находится за пределами окружности впадин центрального колеса.
Например, при числе Z1 зубьев солнечного, равном 32, числе Z2=30 зубъев сателлита и модуле m=1 мм эксцентриситет е установки сателлита согласно классической теории должен составлять
e=0.5m(Z1-Z2)=1 мм.
Для обеспечения многопарного зацепления в известном техническом решении (пат.США №5505668 от 04.09.1996) сателлит устанавливается с эксцентриситетом е, равным 2-2,5 мм.
В предлагаемом техническом решении эксцентриситет составляет 0.5 мм, что в пять раз меньше, чем в аналогичном многопарном зацеплении. Соответственно в пять раз уменьшается и уровень вибраций при прочих равных условиях.
Описание изобретения основывается на прилагаемых фигурах, иллюстрирующих предпочтительное воплощение изобретения, на которых:
Фиг.1 является схематическим изображением редуктора в соответствии с первым вариантом исполнения настоящего изобретения.
Фиг.2 является сечением Фиг.1 по линии А-А, без некоторых составных частей.
Фиг.3 является схематическим изображением редуктора в соответствии со вторым вариантом исполнения настоящего изобретения.
Фиг.4 является сечением Фиг.3 по линии В-В без некоторых составных частей.
Фиг.5 является кинематической схемой движения вершины зуба сателлита в соответствии с предлагаемым изобретением.
Фиг.6 является схематическим изображением обычной конфигурации зуба в сравнении с конфигурацией зуба согласно настоящего изобретения.
В соответствии с Фигурами 1 и 2 основными составными частями редуктора в соответствии с предлагаемым изобретением являются корпус 1, включающий входной вал 2, выходной вал 3, три промежуточных вала 4, вращающееся солнечное зубчатое колесо 5 с внутренними зубами 6, соединенное с корпусом водило 7,8, которое содержит на подшипниках 9,10 промежуточные валы 4, установленные в нем эксцентрично на
одинаковом угловом расстоянии (120°) друг от друга, эксцентрично установленные сателлиты 11,12 с внешними зубами 13 на них. Сателлиты 11, 12 установлены через подшипники 14 на эксцентриковые втулки 15 и содержат периферические отверстия 16, 17, количество которых (3) равно
числу указанных промежуточных валов 4, которые помещены в указанные периферические отверстия 16 всех сателлитов 11,12. Края отверстий 16 касаются промежуточных валов 4, а указанные эксцентриковые втулки 15 установлены на входном валу 2. Сателлит 11 установлен с эксцентриситетом е, а сателлит 12 установлен с противоположным эксцентриситетом - е. Водило определено парой цилиндрических секций 7 и 8. Цилиндрическая секция 7 и корпус 1 соединены рядом винтов 18 (показаны два из них). Цилиндрическая секция 7 и цилиндрическая секция 8 соединены посредством дистанционных втулок 19 и резьбовых элементов 20. Шарикоподшипники 9 закрыты крышкой 21. Входной вал 2 установлен на подшипниках 22, 23 соответственно в цилиндрических секциях 7 и 8. Подшипник 22 закрыт крышкой 24. Входной вал 2 проходит через маслозапорное кольцо 25 в крышке 24, а выходной вал 3 проходит через маслозапоное кольцо 26. На секции 8 установлен подшипник 27, который несет на себе солнечное колесо 5. В корпусе 1 установлен подшипник 28, в котором вращается стакан 29, соединяющий солнечное колесо 5 и выходной вал 3.
Второй вариант редуктора на Фигурах 3 и 4 дополнительно содержит зубчатые колеса 30, установленные на всех промежуточных валах 4 для кинематической связи с сателлитами 11, 12; вторые подшипиники 31 (см. Фиг.4) и вторые эксцентриковые втулки 32, которые установлены на все промежуточные валы 4. Входной вал 2 установлен эксцентрично и выполнен монолитно вместе с одним из промежуточных валов 4.
Высота внутренних 6 и внешних 13 зубов меньше, чем их толщина, а внутренние зубы 6 сопряжены с внешними зубами 13. Линия контакта 33 между внутренними зубами 6 и внешними зубами 13 искривлена и лежит
внутри серпообразной области 34 перекрытия (см. Фиг.5), а линия контакта 33 (на Фиг.4) между указанными внутренними 6 и внешними 13 зубами существует по обе стороны от линии 35, продленной диаметрально через центры указанных сателлитов 11(12) и солнечного зубчатого колеса 5. Зубчатые колеса 30 установлены напротив входного вала 2 и кинематически соединены посредством зубчатого колеса 36.
Второй вариант редуктора на Фиг.3 содержит два боковых сателлита 11 и один центральный сателлит 12. На секции 8 установлен подшипник 27, на котором вращается выходной вал 3. В корпусе 1 установлен подшипник 28, в котором вращается солнечное зубчатое колесо 5 вместе с выходным валом. Колесо 5 и выходной вал 3 соединены зубчатой муфтой 37.
1
2
Во время работы вращение входного вала 2 приводит к движению с биенем эксцентриковых втулок 15 на Фиг.1. В результате этого сателлиты 11, 12 осуществляют плоско-параллельное движение без вращения, поскольку водило 7, 8 соединено с корпусом 1. Фаза движения сателлита 11 является противоположной движению сателлита 12. Колличество зубов Zсателлитов 11 и 12 одинаково и меньше колличества зубов Z солнечного зубчатого колеса 5 на величину от 1 до 6.
1
2
На Фиг.5 показаны окружность выступов 38 солнечного зубчатого колеса 5, а также окружность выступов 39 сателлита 11. Как показано на Фиг.5, область 34 перекрытия окружности выступов 38 сателлита 11 и окружности выступов 39 солнечного зубчатого колеса 5 является серпообразной. Линия 35 проходит через центры колес O и O(соответственно солнечного зубчатого колеса и сателлита) и  пересекает
2
2
2
2
окружности выступов 38 и 39 в точках а и b соответственно. Рабочий диапазон h зубов есть расстояние между точками а и b соответственно. Точка b вершины зуба сателлита 13 совпадаете точкой с основания зуба солнечного колеса 5. В рабочем состоянии центр О сателлита 11 (12) движется по траектории, которая является окружностью с диаметром 2*е. Если эксцентриковая втулка 15 повернута на угол α, то центр сателлита O движется в положение O'. Положение окружности впадин сателлита 11 при повороте на угол α показано на Фиг.5 в виде пунктирной окружности 40. Поскольку сателлит 11(12) не вращается вокруг центра O, то каждая его точка движется по такой же траектории - окружности с тем же диаметром 2*е. Точка вершины b зуба 13 сателлита 11 движется в положение b'. Точка впадины с зуба 6 солнечного колеса движется в положение c' которое может быть определено из соотношения β=α/N, где N - коэффициент редукции.
1
В процессе плоско-параллельного движения сателлита 11(12) точка вершины b описывает удлиненную гипоциклоиду (гипотрохоиду) по траектории 41 относительно точки впадин с солнечного колеса 5. Эта кривая имеет несколько точек перегиба в полярных координатах с началом в центре O.
Точка перегиба определена в соответствии со второй производной в полярных координатах и одна из них показана как точка b' на Фиг.5.
В соответствии с предлагаемым изобретением в первом варианте редуктора точка перегиба b' гипотрохоиды 41 расположена вне серпообразной области 34, как это показано на Фиг.5.
Сопряженные профили зубов сателлита 11(12) и солнечного колеса 5 могут бить вычислены методами обычной геометрии зацепления в соответствии с профилем участка с'-b'.
При вращении эксцентриковой втулки 15 по часовой стрелке контакт зубов начинается в точке а. Контакт заканчивается в точке 42, где линия контакта 33 пересекает окружность выступов 39 сателлита 11. Если эксцентриковая втулка 15 вращается против часовой стрелки, то линия контакта 33 является зеркальным отображением той, что показана на Фиг.2.
1
2
1
На протяжении одного поворота входного вала 2 сателлит 11 обегает по внутренним зубам солнечное колесо 5 и в зацепление входит точно Zего зубов. Поскольку сателлит 11 не вращается, то кольцевое колесо 5 поворачивается на угол, пропорциональный разнице зубов Z-Z. В результате, чтобы повернуть один раз солнечное колесо 5 (и соответственно выходной вал 3), необходимо повернуть входной вал 2 несколько раз, т.е. коэффициент редукции N настоящего редуктора определяется следующим образом:
2
2
1
N=Z/(Z-Z),
что позволяет получить значения N от 10 до 300 при данной конструкции редуктора с погрешностью, меньшей чем 0.1%.
В соответствии с кинематической схемой на Фиг.5 второй вариант редуктора на Фигурах 3 и 4 соответствует положению точки b' перегиба
гипотрохоиды, когда она располагается на внутреннем краю серпообразной области 34. В этом варианте линия контакта 33' зубов между сателлитом 13 и солнечным колесом 6 существует с двух сторон от линии 35, проходящей диаметрально через центры сателлита 11 и солнечного колеса 5, как это показано на Фиг.4.
Вращение входного вала 2 на Фиг.3 передается непосредственно к одному из промежуточных валов 4 и к остальным промежуточным валам 4 через зубчатые колеса 30, 34 и все они вращаются синхронно (совместно с эксцентриковыми втулками 15 и 32). Синхронное вращение промежуточных валов 4 приводит к одновременному воздействию втулок 15 и 32 на сателлит 11 в трех или более областях, что количественно зависит от числа промежуточных валов 4. Сателлиты 11, 12 осуществляют плоскопараллельное движение без вращения. Движение сателлита 11 противоположно движению сателлита 12. При вращении входного вала 2 контакт зубов сателлита 11(12) и солнечного колеса 5 начинается в точке 43 на Фиг.5, пересекает отрезок a-b и заканчивается в точке 44, где линия контакта 33' пересекает окружность выступов 39 сателлита 11. Если эксцентриковая втулка 15 вращается против часовой стрелки, то линия контакта 33' является зеркальным отображением той, что показана на Фигурах 4 и 5.
Преимущество настоящего изобретения состоит в простоте конструкции. Так в первом варианте на Фиг.1 отсутствуют эксцентриковые втулки и подшипники на всех промежуточных валах 4. Во втором варианте на Фиг.3 редуктор не содержит конструктивные элементы (входной вал, подшипники и пр.) в центральной части редуктора, что позволяет сократить радиальное расстояние между промежуточными валами 4 и соответственно
s
размеры редуктора. Установка зубчатых колес напротив входного вала позволяет спрятать их в полом выходном вале 3 и сделать радиальные размеры редуктора почти такими же, как диаметр выходного вала 3. Общее преимущество предлагаемого редуктора состоит в квадратичной зависимости сопротивления изгибу зуба от толщины зуба. Для предлагаемой конфигурации зубов величина сопротивления изгибу W определяется следующим образом:
s
2
W=BS/6
где В - ширина зуба и S - толщина зуба.
В случае многопарного зацепления усилие от момента вращения F распределено между всеми сопряженными зубами в серпообразной области 34. В соответствии с приведенным выше выражением напряжение изгиба σ может быть определено из соотношения:
2
σ=Fr/n*6/(BS),
где n - число пар зубов, которые одновременно зацепляются в серпообразной области; r<1 коэффициент, отражающий неравномерность распределения усилий между n зубами.
s
В случае нарезанния в k раз больше зубов удлиненной конфигурации в той же серпообразной области с малым модулем (см. Фиг.6) толщина s' всех этих зубов будет соответственно в k раз меньше, что соответствует s'=s/k. Величина их сопротивления изгибу W' может быть определена из соотношения:
s
2
2
W'=BS/(6k)
В таких условиях усилие F вращающего момента распределено между n*k пар зубов и значение их напряжения згиба σ' может быть определено из соотношения:
2
2
σ'=Fr/(nk)*6k/(BS)=kσ.
Если сократить приведенное выше выражение на k, то можно получить зависимость между σ и σ', т.е. напряжение изгибе) в мелкомодульном зацеплении в k раз больше, чем в крупномодульном зацеплении предлагаемой конфигурации.