RU2813377C1

RU2813377C1 - Планетарная зубчатая передача

Info

Publication number: RU2813377C1
Application number: RU2023130096A
Authority: RU
Inventors: Александр Эдуардович Тарасов; Алексей Иванович Прядко; Андрей Николаевич Тимофеев; Юрий Александрович Новоселов
Filing date: 2023-11-20
Publication date: 2024-02-12

Abstract

Изобретение относится к области машиностроения. Планетарная зубчатая передача содержит корпус, входной вал, центральные колеса с наружными и внутренними зацеплениями, водило и сателлиты. На входном валу установлены и жестко закреплены два входных центральных солнечных колеса с наружным зацеплением. В корпусе соосно с солнечными колесами на подшипниках с возможностью вращения вокруг оси передачи установлено центральное коронное колесо с двумя зубчатыми венцами с внутренними зацеплениями, причем первый венец коронного колеса кинематически связан с первым входным солнечным колесом посредством введенных дополнительно промежуточных зубчатых колес с наружным зацеплением, оси которых жестко закреплены на корпусе, а второй венец коронного колеса связан со вторым входным солнечным колесом посредством сателлитов, установленных на водиле, которое жестко связано с выходным валом передачи. При этом передаточное отношение передачи определяется комбинацией чисел зубьев первого венца коронного колеса, первого солнечного колеса, второго венца коронного колеса и второго солнечного колеса. Обеспечивается повышение передаточного отношения передачи при сохранении низких массогабаритных характеристик. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в приводах, например, в робототехнике при создании шарниров роботов, для которых предъявляются высокие требования по минимизации массогабаритных характеристик.

Планетарная передача является составным элементом редуктора, который, в целом, практически не меняя передаваемую вращением мощность от двигателя к выходному валу редуктора, лишь взаимообратно изменяет две ее составляющие - крутящий момент и угловую скорость. Величина изменения определяется передаточным отношением. При этом редукция предполагает, что крутящий момент на выходе редуктора будет больше, чем на входе в него, а угловая скорость, соответственно, наоборот - на выходе будет меньше, чем на входе, т.е. передаточное отношение любого подобного редуктора больше единицы, и зачастую редукторы, а значит и их составные элементы - планетарные зубчатые передачи оценивают и сравнивают между собой именно по величине передаточного отношения при равных массогабаритных параметрах. Планетарная зубчатая передача - это механизм для передачи и преобразования вращательного движения, содержащий зубчатые колеса с перемещающейся осью вращения хотя бы одного из них. Планетарная передача содержит центральные зубчатые колеса - оси которых неподвижны, сателлиты - колеса с перемещающимися осями и водило - звено, в котором установлены сателлиты. Отличительной особенностью и преимуществом планетарных передач является многопоточность передачи энергии несколькими зубчатыми парами параллельно, что обеспечивает им малые размеры и массу.

Известно большое количество конструктивных схем планетарных передач [Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. Москва, «Машиностроение», 1981, с. 233-235; Кудрявцев В.Н. Планетарные передачи. 2-е издание, перераб. и дополн. - М. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1966]. В технике нашла широкое применение и потому ставшая «классической», отличающаяся своей простотой схема 2K-h (с двумя центральными колесами - 2К и водилом - h) содержащая корпус, входной вал с установленным на нем первым центральным зубчатым колесом с внешним зацеплением, второе центральное коронное колесо или эпицикл с внутренним зацеплением, жестко связанный с корпусом, и установленные на водиле сателлиты, взаимодействующие зубчатыми зацеплениями с центральными колесами. Выходным элементом передачи является водило с выполненным на нем по оси передачи выходным валом. Передаточное отношение этой передачи на единицу больше отношения числа зубьев эпицикла к числу зубьев солнечного колеса. При конструировании планетарных передач существуют условия, которые обязательно должны быть соблюдены. Одно из них это условие на минимальное число зубьев Z солнечного колеса и сателлитов без подрезки корня зуба при изготовлении которое равно Z≥17. При таких числах зубьев минимальное число зубьев эпицикла, равное сумме чисел зубьев солнечного колеса и двух сателлитов составит Z_Э≥51, а передаточное отношение i будет равно 4. В тоже время существует конструктивное компоновочное ограничение внешнего диаметра корпуса редуктора, а значит и диаметра, и числа зубьев эпицикла Z_Э, при котором максимальное передаточное отношение i ограничено обычно величиной, лежащей в диапазоне значений от 6 до 8.

Известны конструктивные схемы многоступенчатых планетарных передач, структурно и конструктивно объединяющие две и более ступеней рассмотренных выше передач, когда на выходном валу первой ступени установлено солнечное колесо, являющееся по сути входным колесом второй ступени. Объединение ступеней служит для увеличения общего передаточного отношения механизма в целом.

Известны также конструктивные схемы планетарных передач конструктивно и по габаритам подобные «классической» двухступенчатой планетарной передаче. К таким передачам относятся зубчатые планетарные передачи типа 3К, ЗК-h [Ястребов В.М. Планетарные передачи 3К с общим сателлитом / Вестник машиностроения, 1960, №3, С. 17-20; Чернова Н.М., Кобзев Р.А. Классификация и расчет зубчатых передач типа ЗК-h на основе графического синтеза. Вестник СГТУ, 2013, №1], патенты №2677952, №2145017 и др. В передачах этого типа, включающих три центральных колеса (3К), объединение «ступеней» осуществляется за счет того, что сателлиты имеют два зубчатых венца и находятся в зацеплении одновременно со всеми тремя центральными колесами.

Очевидно, что такие передачи имеют габаритный размер вдоль оси передачи практически равный размеру двух последовательно установленных ступеней «классической» передачи, поэтому величина передаточного отношения передачи типа 3К-h должна сравниваться с передаточным отношением двух ступеней рассмотренной выше «классической» передачи, равному квадрату передаточного отношения одной передачи. При этом усложнение конструктивной схемы при тех же габаритах позволяет практически на порядок увеличить передаточное отношение до (50÷600) [Чернова Н.М., Кобзев Р.А. Классификация и расчет зубчатых передач типа 3К-h на основе графического синтеза. Вестник СГТУ, 2013, №1] при практически равной массе. Тем не менее, недостатком может быть названа недостаточность достигаемой величины передаточного отношения для ряда случаев практических приложений, где требуется значительно более высокие величины передаточных отношений - до 1000 и выше в ограниченных габаритах передачи. Примерами могут служить приводы спутниковой аппаратуры дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), а также приводы шарниров антропоморфных роботов, приводы активных экзоскелетов, приводы шарниров манипуляторов для экстремальной робототехники, в том числе приводных шарниров космических манипуляторов.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является «Планетарная зубчатая передача» по патенту №2404382 (2008) содержащая корпус, входной вал, сдвоенные сателлиты с внешними зубьями, центральные зубчатые колеса с внутренними зубьями, из которых одно жестко связано с корпусом, а второе центральное колесо жестко связано с выходным валом и установлено с возможностью вращения вокруг оси передачи. При этом сателлиты выполнены в виде двух жестко связанных зубчатых венцов, взаимодействующих с соответствующими внутренними зубьями центральных колес. Рассмотренный прототип также можно отнести к типу планетарных передач 3К-h, а потому в качестве его недостатка можно указать недостаточное значение передаточного отношения.

Задачей изобретения является повышение передаточного отношения планетарной зубчатой передачи при сохранении габаритных и массовых характеристик передачи.

Задача повышения передаточного отношения планетарной зубчатой передачи, содержащей корпус, входной вал, центральные колеса с наружными и внутренними зацеплениями, водило и сателлиты, решается путем изменения конструктивной схемы передачи, за счет того, что

на входном валу установлены и жестко закреплены два входных центральных солнечных колеса с наружным зацеплением,

в корпусе соосно с солнечными колесами на подшипниках с возможностью вращения вокруг оси передачи установлено центральное коронное (эпицикл) колесо с двумя зубчатыми венцами с внутренними зацеплениями, причем первый венец связан с первым входным колесом посредством введенных дополнительно промежуточных зубчатых колес с наружным зацеплением, оси которых жестко закреплены на корпусе, а второй венец коронного колеса связан со вторым входным солнечным колесом посредством сателлитов, установленных на водиле, которое жестко связано с выходным валом передачи,

при этом передаточное отношение передачи определяется комбинацией чисел зубьев первого венца коронного колеса Zb₁, первого солнечного колеса Zb₂, второго венца коронного колеса Z_e1 и второго солнечного колеса Z_e2

и вычисляется по формуле

причем для достижения максимального значения передаточного отношения зубья подбираются из условия минимума значения знаменателя

Таким образом, основное отличие предложенной планетарной передачи от известных состоит в том, что, во-первых, объединяющим элементом передачи являются не двухвенцовые сателлиты с внешним зубчатым зацеплением, а единое центральное коронное колесо с двумя зубчатыми венцами с внутренним зацеплением, установленное с возможностью вращения вокруг оси передачи и, во-вторых, в том, что на входном валу установлены и жестко закреплены на нем два центральных солнечных колеса, при этом для замыкания от входа к выходу кинематической связи центральных колес в передачу введены промежуточные колеса с наружным зацеплением, жестко установленные на корпусе. В силу того, что конструктивная схема предложенной планетарной передачи с единым двухвенцовым коронным колесом имеет одинаковый осевой размер с известными передачами с едиными двухвенцовыми сателлитами, а масса введенных промежуточных колес будет сравнима с массой первого венца двухвенцового сателлита в известной передаче, то предложенная передача будет иметь практически равные и габаритные размеры, и массу с известными передачами.

Сущность изобретения поясняется следующими рисунками и чертежами.

На фиг. 1 показана конструктивная схема планетарной передачи.

На фиг. 2 показана конструктивная схема планетарной передачи с опиранием коронного колеса на входной вал.

На фиг. 3 показан вариант конструктивного исполнения предложенной планетарной передачи без опирания коронного колеса.

Планетарная зубчатая передача включает в себя корпус 1, входной вал 2 с установленными и жестко закрепленными на нем центральными колесами «b1» - 3, «е2» - 4 с наружным зацеплением, в корпусе 1 на подшипниках 5 установлено центральное коронное колесо 6 с двумя «b1» - 6-1 и «е2» - 6-2 зубчатыми венцами с внутренним зацеплением, промежуточные колеса «g1» - 7, оси которых закреплены на корпусе 1 и осуществляющие кинематическую связь между солнечным колесом 3 с первым венцом 6-1, сателлиты «g2» - 8, установленные на водиле «h» - 9 и осуществляющие кинематическую связь между вторым солнечным колесом 4 и вторым венцом 6-1. На водиле 9 выполнен выходной вал 10 планетарной передачи.

Передаточное отношение передачи определяется комбинацией чисел зубьев первого венца коронного колеса Z_b1, первого солнечного колеса Z_b2, второго венца коронного колеса Z_e1 и второго солнечного колеса Z_e2 и вычисляется по формуле:

При этом, исходя из необходимости при подборе чисел зубьев обеспечить выполнение условий соосности передачи, которое может быть выполнено, если числа зубьев (Zb₁, Zb₂) и (Z_e1, Z_e2) будут одновременно попарно четными либо нечетными, что приводит к тому что перекрестные произведения чисел зубьев также будут либо четными, либо нечетными числами, а их разность при любой комбинации будет только четным числом, поэтому знаменатель в формуле передаточного отношения может быть только четным числом, т.е. кратным 2 и, соответственно, минимальное значение знаменателя будет равно 2.

Примерами реализации предложенной передачи могут служить планетарные передачи, габаритный размер - диаметр которой ограничен и позволяет разместить в ней коронное колесо, например, с максимальным числом зубьев не более чем, например, 51≤Z_b1≤100.

Комбинации чисел зубьев, обеспечивающих значения знаменателя Δ, равные 2, 4, 6 и соответствующее каждому из них передаточное отношение - i и число сателлитов - n приведены в таблицах, соответственно, 1, 2 и 3:

Так, для сравнения «классическая» планетарная передача 2K-h с диаметром корпуса равным диаметру предложенной передачи с учетом радиального размера подшипников 5 будет иметь число зубьев на эпицикле примерно на (15-20) % больше, а передаточное отношение двухступенчатой передачи i_II будет не более чем

При этом, как указывалось ранее в приведенных источниках, передаточное отношение планетарных передач с двухвенцовым сателлитом достигает величин 500-600. Таким образом, предложенная планетарная передача решает поставленную задачу - увеличение передаточного отношения по сравнению с известными передачами при сохранении габаритов и массы и позволяет при необходимости получить передаточное отношение 1000 и выше.

Предложенную планетарную передачу можно конструктивно выполнить путем исключения подшипников 5 между корпусом 1 и центральным коронным колесом 6 и переноса опоры коронного колеса на подшипник 12, установленный на валу 2, как показано на фиг. 2.

Возможен также вариант (фиг. 3) конструктивного исполнения предложенной в изобретении планетарной зубчатой передачи без центрального опирания коронного колеса 6 на вал 2, при этом центральное коронное колесо с двумя зубчатыми венцами самоцентрируется в передаче на промежуточных колесах и сателлитах, а возможное осевое смещение колеса 6 ограничено установленными внутри корпуса двумя кольцевыми упорами 13 со стороны торцов коронного колеса с контактом качения или скольжения.

Эти варианты позволяют несколько снизить внешний диаметр корпуса и его массу при том же передаточном отношении передачи.

Возможен также вариант исполнения, исключающий возможность осевого смещения коронного колеса 6 за счет организации косозубых зубчатых зацеплений в передаче со встречными углами наклона зубьев венцов 6-1 и 6-2 центрального колеса 6 к его оси. А этот вариант исполнения позволит снизить не только внешний диаметр корпуса по сравнении с базовым вариантом, но и уменьшить осевой размер по сравнению с предыдущим вариантом, а значит и массу при том же передаточном отношении передачи.

Передача работает следующим образом.

При вращении двигателем Д 11 входного вала 2 с угловой скоростью ω_вх установленные на валу солнечные колеса 3, 4 вращаются с той же скоростью ω_вх и передают вращение через промежуточные колеса 7 и сателлиты 8 к центральному двухвенцовому колесу 6, при этом обеспечиваются условия для окружного перемещения сателлитов вокруг оси передачи и, соответственно, вращения водила 9 и установленного на нем выходного вала 10 с угловой скоростью Ω_вых=ω_вх/i.

Claims

1. Планетарная зубчатая передача, содержащая корпус, входной вал, центральные колеса с наружными и внутренними зацеплениями, водило и сателлиты, отличающаяся тем, что на входном валу установлены и жестко закреплены два входных центральных солнечных колеса с наружным зацеплением, в корпусе соосно с солнечными колесами на подшипниках с возможностью вращения вокруг оси передачи установлено центральное коронное колесо с двумя зубчатыми венцами с внутренними зацеплениями, причем первый венец коронного колеса кинематически связан с первым входным солнечным колесом посредством введенных дополнительно промежуточных зубчатых колес с наружным зацеплением, оси которых жестко закреплены на корпусе, а второй венец коронного колеса связан со вторым входным солнечным колесом посредством сателлитов, установленных на водиле, которое жестко связано с выходным валом передачи, при этом передаточное отношение передачи определяется комбинацией чисел зубьев первого венца коронного колеса Z_b1, первого солнечного колеса Z_b2, второго венца коронного колеса Z_е1 и второго солнечного колеса Z_е2 и вычисляется по формуле

,

2. Планетарная зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что центральное коронное колесо с двумя зубчатыми венцами установлено на подшипнике на входном валу между солнечными колесами.

3. Планетарная зубчатая передача по п.2, отличающаяся тем, что центральное коронное колесо с двумя зубчатыми венцами самоцентрируется в передаче на промежуточных колесах и сателлитах и ограничено от осевого смещения установленными внутри корпуса двумя кольцевыми упорами со стороны торцов коронного колеса.

4. Планетарная зубчатая передача по п.3, отличающаяся тем, что в передаче использованы косозубые зубчатые зацепления с встречными углами наклона зубьев венцов центрального коронного колеса к его оси.