RU2177090C2

RU2177090C2 - Gear hinged-roller drive

Info

Publication number: RU2177090C2
Application number: RU99125150/28A
Authority: RU
Inventors: А.А. Тупицын
Original assignee: Иркутская государственная экономическая академия
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2001-12-20

Abstract

FIELD: structures of gear drives. SUBSTANCE: gear hinged-roller drive is similar to harmonic drive, but instead of flexible wheel there is wheel with teeth consisting of three rollers placed on one axle. The ales are pivotally connected. Intermediate rollers encloses the operating groove of the cam. The periphery rollers engages with two fixed wheels and driven rigid wheel which is operated by means of radial movement of the rollers. EFFECT: increased service life of the flexible wheel. 4 dwg

Description

Изобретение касается конструкции механических передач и направлено на повышение их нагрузочной способности и увеличения передаточного отношения в одной ступени. The invention relates to the construction of mechanical gears and is aimed at increasing their load capacity and increasing the gear ratio in one step.

В машинах, приборах и различных приводах наибольшее распространение получили зубчатые и червячные передачи. Они используются для преобразования движения от быстроходных двигателей к рабочим органам, вращающимся с относительно малыми угловыми скоростями. Поэтому важнейшей характеристикой передачи является передаточное отношение
i=z_k/z_m,
где z_k - число зубьев колеса;
z_m - число зубьев шестерни.In machines, devices and various drives, gears and worm gears are most widely used. They are used to convert movement from high-speed engines to working bodies rotating at relatively low angular speeds. Therefore, the most important characteristic of the transmission is the gear ratio
i = z _k / z _m ,
where z _k is the number of teeth of the wheel;
z _m is the number of gear teeth.

Для одноступенчатой цилиндрической зубчатой передачи рекомендуется соотношение i≤6, так как при i>6 возрастают габариты передачи и приходится применять многоступенчатые варианты, что приводит к увеличению металлоемкости приводов. For a single-stage cylindrical gear transmission, the ratio i≤6 is recommended, since for i> 6 the dimensions of the transmission increase and it is necessary to use multi-stage options, which leads to an increase in the metal consumption of the drives.

Червячные передачи позволяют в одной ступени добиться передаточных отношений от 8 до 30, но чем больше i, тем меньше кпд. Worm gears allow gear ratios from 8 to 30 to be achieved in one step, but the larger the i, the lower the efficiency.

Планетарные передачи (имеющие хотя бы одну подвижную ось зубчатого колеса) позволяют получить высокий кпд при небольших передаточных отношениях (~ i=10). Для получения большего передаточного отношения применяют двух-, трехступенчатые планетарные механизмы. Однако в этом случае кпд оказывается крайне низким. Кроме того, планетарные передачи требуют высокой точности изготовления колес, валов и опор, что значительно повышает их стоимость. Planetary gears (having at least one movable axis of the gear wheel) allow to obtain high efficiency with small gear ratios (~ i = 10). To obtain a greater gear ratio, two-, three-stage planetary mechanisms are used. However, in this case, the efficiency is extremely low. In addition, planetary gears require high precision manufacturing of wheels, shafts and bearings, which significantly increases their cost.

Волновые зубчатые передачи позволяют получить в одной ступени большие передаточные отношения. Наибольшее распространение получили двухволновые зубчатые передачи, реализующие i=80...320. К числу других достоинств относится высокая нагрузочная способность, обеспечиваемая большим коэффициентом перекрытия (многопарностью зацепления); кпд таких передач сравнительно высок. Wave gears allow to obtain large gear ratios in one step. The most widespread are two-wave gears that implement i = 80 ... 320. Other advantages include high load capacity, provided by a large coefficient of overlap (multipair gearing); the efficiency of such gears is relatively high.

Волновая зубчатая передача представляет собой передачу внутреннего зацепления двух соосных зубчатых колес. Наружное жесткое колесо выполнено с внутренними зубьями. Внутреннее колесо с внешними зубьями гибкое и имеет большую радиальную податливость. При сборке передачи внутрь обода гибкого колеса вставляется кулачок (генератор) овальной формы. Размер кулачка по большой оси больше внутреннего диаметра гибкого колеса, которое деформируется таким образом, что его зубья входят в зацепление с зубьями жесткого колеса вблизи большой оси. Вблизи малой оси кулачка зубья перемещаются к центру и выходят из зацепления. При повороте кулачка зубья гибкого колеса, смещаясь по радиусу, надавливают на зубья жесткого колеса. В случае неподвижного гибкого колеса жесткое колесо вращается в направлении вращения кулачка и наоборот. A wave gear train is an internal gear of two coaxial gears. The outer hard wheel is made with internal teeth. The inner wheel with outer teeth is flexible and has great radial compliance. When assembling the transmission, an oval-shaped cam (generator) is inserted inside the rim of the flexible wheel. The size of the cam along the major axis is larger than the inner diameter of the flexible wheel, which is deformed so that its teeth engage with the teeth of the hard wheel near the major axis. Near the minor axis of the cam, the teeth move toward the center and disengage. When the cam is rotated, the teeth of the flexible wheel, shifting along the radius, press on the teeth of the hard wheel. In the case of a fixed flexible wheel, the rigid wheel rotates in the direction of rotation of the cam and vice versa.

Обычно движение задается быстроходному валу кулачка, а снимается с ведомого гибкого колеса при неподвижном жестком колесе. Usually the motion is set by the high-speed cam shaft, and is removed from the driven flexible wheel with a fixed rigid wheel.

Основным недостатком волновых зубчатых передач является недолговечность гибкого колеса, вызванная неизбежно большими деформациями при циклически меняющихся напряжениях, что заставляет использовать их для приводов кратковременного действия с минимальным передаточным отношением i_min=80.The main disadvantage of wave gears is the fragility of the flexible wheel, caused by inevitably large deformations at cyclically changing voltages, which forces them to be used for short-term drives with a minimum gear ratio i _min = 80.

Данное техническое решение предполагает устранение основного недостатка волновых зубчатых передач - недолговечности гибкого колеса, заменой его колесом с зубьями в виде роликов, которые находятся на осях, закрепленных шарнирно (по аналогии с цепью). This technical solution involves eliminating the main disadvantage of wave gears - the fragility of the flexible wheel, replacing it with a wheel with teeth in the form of rollers, which are located on the axles mounted pivotally (similar to a chain).

На фиг. 1 показана схема передачи. Колесо 1 имеет внутренние зубья прямолинейного профиля, переходящие в круговую впадину. Колесо 2 с шарнирно закрепленными роликами располагается по контуру кулачка 3, в отличие от волновой передачи свободно, без предварительных напряжений. На схеме звенья, соединяющие оси роликов, показаны линиями. При повороте кулачка 3 (фиг. 2) движущим моментом Т_кул ролик колеса 2, смещаясь по радиусу от центра, будет давить на зуб колеса 1 с силой F_r. При неподвижном колесе 2 наружное колесо 1 под действием пары сил F_t и F'_t будет вращаться в направлении вращения кулачка. Сила F'_t действует от диаметрально противоположного ролика. В случае неподвижного колеса 1 будет вращаться колесо 2 в направлении, обратном вращению кулачка.In FIG. 1 shows a transmission scheme. Wheel 1 has internal teeth of a rectilinear profile, turning into a circular cavity. The wheel 2 with pivotally fixed rollers is located along the contour of the cam 3, in contrast to the wave transmission freely, without prestressing. In the diagram, the links connecting the axes of the rollers are shown by lines. When the cam 3 is rotated (Fig. 2) by the driving moment T _{cool, the} roller of the wheel 2, moving along the radius from the center, will press on the tooth of the wheel 1 with a force F _r . When the wheel 2 is stationary, the outer wheel 1 under the action of a pair of forces F _t and F ' _t will rotate in the direction of rotation of the cam. The force F ' _t acts from a diametrically opposite roller. In the case of a fixed wheel 1, the wheel 2 will rotate in the direction opposite to the rotation of the cam.

Наиболее предпочтительным является вариант остановки колеса 2. Остановка роликового колеса 2 осуществляется зацеплением его с двумя (для симметрии нагрузки на ролики) неподвижными зубчатыми колесами 4 и 5, имеющими число впадин, равное числу роликов (фиг. 1, вид А-А; звенья, соединяющие оси роликов колеса 2, не показаны). Круговой зуб колеса 2 состоит из трех роликов a, b и с, расположенных на одной оси и при работе передачи вращающихся с разными скоростями. Средний ролик b перекатывается по кулачку 3, чтобы он не взаимодействовал с колесом 1, в середине зубчатого венца колеса 1 выполнена выточка. Крайние ролики (а и с) входят в зацепление с зубчатыми колесами 1, 4 и 1, 5 поочередно. The most preferred option is to stop the wheel 2. The stop of the roller wheel 2 is carried out by its engagement with two (for symmetry of the load on the rollers) fixed gear wheels 4 and 5, having a number of depressions equal to the number of rollers (Fig. 1, view A-A; links, connecting axles of the rollers of the wheel 2 are not shown). The circular tooth of the wheel 2 consists of three rollers a, b and c located on the same axis and during transmission work rotating at different speeds. The middle roller b rolls over the cam 3 so that it does not interact with the wheel 1, a recess is made in the middle of the gear ring of the wheel 1. The extreme rollers (a and c) engage with the gears 1, 4 and 1, 5 alternately.

Предлагаемая передача может реализовывать в одной степени передаточное отношение от 6 и выше. Используемый в передаче круговой профиль зубьев (вращающихся роликов) дает возможность, в отличие от зубчатой и червячной передач, заменить в местах контакта зубьев трение скольжения трением качения, что значительно снизит потери на трение. Многопарность зацепления позволит повысить нагрузочную способность по сравнению с зубчатыми и червячными передачами, а соосность зубчатых колес и кулачка уменьшит ее габариты. The proposed transmission can implement to one degree a gear ratio of 6 or higher. The circular profile of the teeth (rotating rollers) used in the transmission makes it possible, in contrast to the gear and worm gears, to replace sliding friction at the points of contact of the teeth with rolling friction, which will significantly reduce friction losses. Multiple gearing will increase the load capacity in comparison with gears and worm gears, and the alignment of gears and cam will reduce its dimensions.

Кинематически предлагаемая передача подобна двухволновой зубчатой передаче, следовательно, из условия сборки z₁-z₂=2, где z₁ и z₂ - соответственно числа зубьев первого и второго колес. Тогда передаточное отношение определится
i=z₁/(z₁-z₂).The kinematically proposed transmission is similar to a two-wave gear transmission, therefore, from the assembly condition z ₁ -z ₂ = 2, where z ₁ and z ₂ are the number of teeth of the first and second wheels, respectively. Then the gear ratio is determined
i = z ₁ / (z ₁ -z ₂ ).

Направление движения ведомого и ведущего звеньев совпадают. Увеличение числа зубьев приводит к увеличению передаточного отношения. The direction of movement of the driven and leading links coincide. An increase in the number of teeth leads to an increase in gear ratio.

Кинематические исследования передачи проводились на макете, изготовленном с параметрами, соответствующими конструктивной схеме, изображенной на фиг. 1: z₁=14; z₂=z₁-2=12; z₄=z₅=l2; шаг зубьев колес 1 и 2 t₁=t₂=26 мм; диаметр роликов d=12 мм.Kinematic studies of the transmission were carried out on a prototype made with parameters corresponding to the structural diagram depicted in FIG. 1: z ₁ = 14; z ₂ = z ₁ -2 = 12; z ₄ = z ₅ = l2; tooth pitch of wheels 1 and 2 t ₁ = t ₂ = 26 mm; the diameter of the rollers d = 12 mm.

Исполнительные размеры деталей определялись следующим образом. Делительный диаметр колеса 1

Диаметр окружности впадин колеса 1
D_вп ⁽¹⁾=D₀ ⁽¹⁾+d=116,8+12=128,8 мм.Executive dimensions of the parts were determined as follows. Wheel pitch 1

Wheel Cavity Diameter 1
D _VP ⁽¹⁾ = D ₀ ⁽¹⁾ + d = 116.8 + 12 = 128.8 mm.

Диаметр окружности по вершинам зубьев колеса 1
D_в ⁽¹⁾=D₀ ⁽¹⁾-0,8d=116,8-0,8•12=107,2 мм.The diameter of the circle at the tops of the teeth of the wheel 1
D _in ⁽¹⁾ = D ₀ ⁽¹⁾ -0.8d = 116.8-0.8 • 12 = 107.2 mm.

Наибольший диаметр кулачка
D_K=D₀ ⁽¹⁾-d=116,8-12=104,8 мм.Largest cam diameter
D _K = D ₀ ⁽¹⁾ -d = 116.8-12 = 104.8 mm.

Наименьший диаметр кулачка d_к принимаем равным диаметру окружности впадин колеса с числом наружных зубьев z=10 и шагом t=26 мм.The smallest cam diameter d _{k is} taken equal to the diameter of the circumference of the wheel cavities with the number of external teeth z = 10 and pitch t = 26 mm.

Делительный диаметр, диаметр окружности выступов и диаметр окружности впадин такого колеса будут соответственно равны

d_к=d_вп=D₀-d=84,1-12=72,1 мм.The dividing diameter, the diameter of the circumference of the protrusions and the diameter of the circumference of the depressions of such a wheel will be respectively equal

d _to = d _VP = D ₀ -d = 84.1-12 = 72.1 mm.

Рассчитанные параметры принимаем для колес 4 и 5:
D₀ ⁽⁴⁾=84,1 мм; D_в ⁽⁴⁾=84,1 мм; D_вп ⁽⁴⁾=72,1 мм.The calculated parameters are accepted for wheels 4 and 5:
D ₀ ⁽⁴⁾ = 84.1 mm; D _in ⁽⁴⁾ = 84.1 mm; D _VP ⁽⁴⁾ = 72.1 mm.

Для того чтобы колесо 2 не вращалось, число его круговых зубьев должно быть равным числу впадин колес 4 и 5. Таким образом, для колеса с геометрическими параметрами, рассчитанными при z=10, предусматриваем 12 зубьев. Тогда шаг зубьев такого колеса определится из условия

Отсюда t₍₄₎=84,1•sin(180/12)=21,8 мм.In order for the wheel 2 not to rotate, the number of its circular teeth should be equal to the number of troughs of the wheels 4 and 5. Thus, for a wheel with geometric parameters calculated at z = 10, we provide 12 teeth. Then the tooth pitch of such a wheel is determined from the condition

Hence t ₍₄₎ = 84.1 • sin (180/12) = 21.8 mm.

Для того чтобы осуществить зацепление, необходимо впадины зубчатых колес увеличить симметрично за счет тела зубьев на величину t_ф-t⁽⁴⁾=26-21,8=4,2 мм (фиг. 3), здесь t_ф=26 - фиктивный шаг. Следует отметить, что с увеличением числа зубьев разность t_ф-t⁽⁴⁾ уменьшается.In order to engage, it is necessary to increase the valleys of the gears symmetrically due to the body of the teeth by the value of t _f -t ⁽⁴⁾ = 26-21.8 = 4.2 mm (Fig. 3), here t _f = 26 is a fictitious step . It should be noted that with an increase in the number of teeth, the difference t _f -t ⁽⁴⁾ decreases.

Переход от минимального диаметра d_k=72,1 мм к максимальному D_к=104,8 мм должен быть определенной кривизны, обеспечивающей постоянную скорость ведомого звена и многопарность зацепления.The transition from the minimum diameter d _k = 72.1 mm to the maximum D _k = 104.8 mm must be of a certain curvature, ensuring a constant speed of the driven link and multipair engagement.

При наличии двух симметрично расположенных колес 4 и 5 и при условии d_к= D⁽⁴⁾ _вп может быть использован кулачок упрощенной формы, имеющий окружности наибольшего диаметра D_к и переходные кривые. Тогда ролики b будут находиться под нагрузкой на переходных кривых и на окружностях наибольшего диаметра кулачка.In the presence of two symmetrically arranged wheels 4 and 5 and under the condition d _k = D ⁽⁴⁾ _{vp, a} simplified-shaped cam having circles of the largest diameter D _k and transition curves can be used. Then the rollers b will be under load on the transition curves and on the circles of the largest diameter of the cam.

Таким образом, передаточное отношение передачи с рассмотренными параметрами будет равным
i=14/(14-12)=7.Thus, the gear ratio of the transmission with the considered parameters will be equal
i = 14 / (14-12) = 7.

Принципы работы передачи исследовались на макете (фиг. 4) и подтвердили возможность зацепления и передачи движения предлагаемой конструкции механической передачи, а также равенство передаточного отношения, определенного аналитически. На макете роликовые зубья колеса 2 выполнены неразъемными. The principles of the transmission were investigated on the layout (Fig. 4) and confirmed the possibility of gearing and transmission of the proposed mechanical transmission design, as well as the equality of the gear ratio determined analytically. On the layout, the roller teeth of the wheel 2 are made integral.

Claims

A mechanical transmission, consisting of coaxial rigid and flexible gears and a cam, on which a flexible gear is placed with the possibility of transmitting the cam rotation movement to this wheel, characterized in that the gear is additionally equipped with two fixed wheels having the number of teeth equal to the number of teeth of the flexible wheel , the number of teeth of the hard wheel is greater than that of the flexible wheel, each tooth of the flexible wheel consists of three rollers located on the same axis, the axis of the teeth of the flexible wheel is pivotally connected to each other, its Wed dnie rollers cover the cam lobe and the extreme rollers are engaged with two fixed wheels and rigid wheel.