Двухступенчатая планетарная передача обеспечивающая энерго-, ресурсосберегающих машин и высокоточных малогабаритных приборов нового поколения.

Двухcтупенчатая планетарная передача

Автoры: Сидoрoв Пётр Григoрьевич, Сидoрoв Олег Петрoвич, Смелoв Юрий Евгеньевич, Пашин Алекcандр Алекcандрoвич, Пляcoв Алекcей Валентинoвич, Ширяев Игoрь Алекcеевич

Изoбретение oтнocитcя к oблаcтям машинo- и прибoрocтрoения и может быть иcпользовано при поcтроении транcмиccий и зубчатых планетарных и дифференциальных передач. Двухcтупенчатая планетарная передача cодержит корпуc (1), входной вал (4) c малыми центральными колеcами (2, 3), подвижное (13) и неподвижное (12) большие центральные колеса, по меньшей мере одну пару одновенцовых сателлитов (8, 9), установленных на общей оси (11) водила (7). Суммы чисел зубьев центральных колес в обеих ступенях назначаются равными между собой. Числа зубьев центральных колес и сателлитов тихоходной планетарной ступени выбираются из параметрических рядов так, что половина их разности равна числу зубьев сателлитов этой ступени. Приведен подбор чисел зубьев центральных колес и сателлитов быстроходной планетарной ступени. Приведена формула для расчета общего передаточного числа передачи. Изобретение обеспечивает отсутствие конструктивных избыточных связей при одновременном расширении диапазонов изменения выходных параметров по скорости и моменту, малую инерционность, высокую жесткость и точность кинематических связей, нечувствительность передачи к неточностям изготовления, монтажа и деформациям звеньев при работе. 4 ил.

Трансмиссии и зубчатые передаточные механизмы являются одними из тех узлов, которые на всех этапах развития машино- и приборостроения сдерживали и продолжают сдерживать возможности создания энерго-, ресурсосберегающих машин и высокоточных малогабаритных приборов нового поколения.

Известны одно- и многосателлитные двухступенчатые планетарные передачи, включающие малые центральные колеса а₁ и а₂ с внешними зубьями, большие центральные колеса b₁ и b₂ с внутренними зубьями, водила H₁ и Н₂ и одновенцовые сателлиты g₁ и g₂, установленные на подшипниках в водилах. Основные звенья передачи отмечаются индексом 1 в быстроходной и индексом 2 в тихоходной ступенях. Зубчатые звенья двухступенчатых передач, зацепляясь между собой, образуют две идентичные последовательно соединенные силовые трансмиссии: «малое центральное колесо a₁ или а₂ - сателлиты g₁ или g₂ - большое центральное колесо b₁ или b₂ - водило H₁ или Н₂ в каждой ступени. При этом выход первой быстроходной ступени жестко связан со входом а₂ второй тихоходной ступени ([1] Планетарные передачи. Справочник. Под редакцией д.т.н. В.Н.Кудряцева и Ю.Н.Кудряшева. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение. 1977. стр.11-16. табл.1.2, варианты 1, 2).

Каждая из ступеней рассматриваемой двухступенчатой планетарной передачи представляет собой простейший четырехзвенный планетарный механизм по схеме 2К-Н (два центральных колеса - водило) по классификации проф. В.Н.Кудрявцева [1]. Воспроизводимое передаточное число в каждой ступени лежит в диапазоне где (i=1, 2), а общее передаточное число передачи не превышает Двухступенчатая передача является шестизвенным зубчатым механизмом, обладает высоким коэффициентом полезного действия (к.п.д.) и имеет достаточно широкое распространение в силовых трансмиссиях приводов машин и приборов благодаря компактности, легкой встраиваемости в конструкции, возможности устранения избыточных связей в кинематических соединениях ее звеньев.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом - является планетарная передача 3К (три центральных колеса) по классификации проф. В.Н.Кудрявцева ([1], табл.1.1, варианты 11 и 12, рис.1.5). Она относится к пятизвенным зубчатым механизмам, содержащим малое центральное колесо а с внешними зубьями, два больших центральных колеса b и е внутренними зубьями, одно из которых b выполняет роль опорного (неподвижного), а второе е - выходного звеньев, сателлиты g и f, попарно жестко связанные между собой в двухвенцовую конструкцию g f и водило Н. Зубчатые звенья этой передачи, зацепляясь между собой, образуют две связанные силовые планетарные многопоточные трансмиссии по схеме 2К-Н каждое: «входное малое центральное колесо а - венцы g сателлитов g f - большое опорное центральное колесо b - водило Н » в первой быстроходной ступени с одним силовым входом а и двумя силовым g и кинематическим Н выходами и «водило Н - двухвенцовые сателлиты g f - опорное центральное колесо b и выходное центральное колесо е» во второй тихоходной ступени с двумя кинематическим Н и силовым g f входами и одним силовым выходом е.

Наличие кинематического и силового выходов в первой и кинематического и силового входов во второй планетарных ступенях передачи по схеме 3К обусловлено жесткой связью между венцами g и f двухвенцовых сателлитов g f, которые в быстроходной ступени работают как одновенцовые, так как, зацепляясь через венец g с центральными колесами а и b, образуют первую планетарную ступень с одним внешним «a-g» и одним внутренним «g-b» эвольвентными зацеплениями, а в тихоходной - как двухвенцовые, так как, зацепляясь через венец g с центральным опорным колесом b, а через венец f с выходным центральным колесом е, образуют вторую планетарную ступень с двумя внутренними зацеплениями «g-b» и «f-е». Такая организация зацеплений в планетарных механизмах по схеме 3К по классификации проф. В.Н.Кудрявцева отрицательно сказалась на роли водила Н в передаче. Вместо основного энергопередающего звена роль водила в зубчатых планетарных механизмах по схеме 3К по определению В.Н.Кудрявцева свелась до уровня конструктивного элемента, необходимого для поддержания осей сателлитов, совершающих переносное вращательное движение вместе с водилом.

Таким образом, планетарный механизм по схеме 3К существенно отличается от простейших четырехзвенных планетарных механизмов с двумя зацеплениями, с одно- и двухвенцовыми сателлитами наличием двух кинематически сложно связанных силовых трансмиссий в структуре, т.е. двух зубчатых ступеней. Это наглядно подтверждается структурой формулы для определения общего передаточного отношения [1]



из которой следует, что - передаточное отношение первой силовой ступени при остановленном водиле; а - передаточное отношение второй силовой ступени передачи при остановленном водиле, при этом z_a; z_b; z_e; z_g и z_f - числа зубьев центральных колес и венцов двухвенцовых сателлитов.

Достоинства прототипа состоят в широких возможностях воспроизведения передаточных отношений в диапазоне в габаритах двух планетарных ступеней при сохранении достаточно высокого коэффициента полезного действия

Если основным недостатком аналога являются ограниченные возможности по воспроизводимым передаточным функциям и отсутствие возможности варьирования выходными параметрами передачи по скорости и моменту в больших пределах с сохранением высокого к.п.д. в одном типоразмере, то к недостаткам прототипа следует отнести: двухвенцовую конструкцию сателлитов и, как следствие этого, необходимость точного позиционирования венцов; наличие большого количества избыточных связей в передачи из-за сложных кинематических связей двухвенцовых сателлитов с водилом (только кинематические пары пятого класса) и одновременно тремя центральными колесами (только кинематические пары второго класса), расположенными в двух параллельных плоскостях вращения; многократная статическая неопределимость передачи в целом; кромочные эффекты во всех рабочих зацеплениях, высокие требования к технологии и точности изготовления и монтажа, невыполнение которых резко ухудшает качественные показатели по всем параметрам вплоть до неработоспособности передачи в целом.

Задачами изобретения являются: упрощение конструкции и минимизация габаритно-массовых характеристик передаточных механизмов управляемых приводов современных машин и приборов; сокращение числа звеньев и протяженности их кинематических цепей при одновременном расширении диапазонов регулирования выходными параметрами по скорости и моменту; обеспечение возможности построения широких параметрических рядов в одном типоразмере передачи при сохранении невысоких технологических требований к изготовлению и монтажу и высоких значений к.п.д., обеспечении безынерционности, высоких жесткостей и точности кинематических связей, нечувствительности передачи к деформациям звеньев при работе.

Поставленные задачи изобретения и обусловленный ими технический результат достигаются тем, что в двухступенчатую планетарную передачу, содержащую корпус, водило Н, одна вращательная кинематическая пара которого размещена в корпусе, а другая на выходном валу, установленный в водиле с возможностью вращения входной вал с малым центральным колесом а₁, подвижное b₂ и закрепленное на корпусе неподвижное b₁ большие центральные колеса и по меньшей мере один сателлит g₁, введены жестко закрепленное на входном валу второе а₂ малое центральное колесо и по меньшей мере один второй сателлит g₂, установленный на общей оси с первым сателлитом, при этом ось пары сателлитов закреплена на водиле параллельно оси вращения входного вала, зацепления первого сателлита пары с первым малым и неподвижным большим центральным колесами образуют первую быстроходную ступень передачи, а зацепления второго сателлита пары со вторым малым и подвижным большим центральным колесами образуют вторую тихоходную ступень передачи, так что вторая тихоходная ступень передачи выполнена с возможностью получения движения одновременно от двух входов: с входного вала через второе малое центральное колесо и с водила, являющегося выходом первой быстроходной ступени передачи.
Кроме того, передаточное число передачи в целом определяется по формуле



где а₁ и a₂ - первое и второе малые центральные колеса;
g₁ и g₂ - первый и второй сателлиты;
b₁ и b₂ - неподвижное и подвижное большие центральные колеса;

- числа зубьев зубчатых звеньев передачи с диапазонами изменения либо в интервале когда углы зацепления _w во всех четырех рабочих зацеплениях «a₁-g₁», «g₁-b₁», «a₂-g₂» и «g₂-b₂» равны между собой и лежат в пределах 20°<_w2528°, а числа зубьев зубчатых колес удовлетворяют условиям: при z_b=1, 2, 3; при z_a=1, 2, 3; и и

где z_a и z_b - разность числа зубьев первого и второго малых центральных колес и разность числа зубьев подвижного и неподвижного больших центральных колес соответственно;

• либо в интервале когда углы в четырех рабочих зацеплениях связаны неравенством а числа зубьев зубчатых колес назначаются как и где а_c=к₁=к₂ - заданное число потоков мощности передачи в первой к₁ и второй к₂ ступенях передачи, при выполнении условий соосности и сборки передачи и соседства сателлитов;
• - первая и вторая планетарные ступени передачи включают одно внутреннее и одно внешнее зацепления;
• - малые центральные колеса выполнены с внешними зубьями, а подвижное и неподвижное большие центральные колеса выполнены с внутренними зубьями;
• - сателлиты выполнены одновенцовыми;
• - водило выполнено двух- или трехщековым;
• - первый и второй сателлиты пары смонтированы на общей оси с помощью вращательной или сферической кинематических пар;
• - неподвижное большое центральное колесо жестко закреплено на корпусе;
• - неподвижное большое центральное колесо закреплено на корпусе посредством зубчатого кардана;
• - подвижное большое центральное колесо жестко закреплено на выходном валу передачи;
• - подвижное большое центральное колесо закреплено на выходном валу передачи посредством зубчатого кардана;
• - количество пар сателлитов, составленных из установленных на общей оси первого и второго сателлитов, определяется заданным количеством потоков мощности передачи.

Важнейшим аспектом заявленной двухступенчатой передачи является то, что малые центральные колеса a₁ и а₂ расположены и зафиксированы на общем входном валу двухступенчатой планетарной передачи, который служит одновременно входом быстроходной планетарной ступени и одним из двух входов тихоходной планетарной ступени, при этом вторым входом тихоходной ступени служит общее водило, которое является выходом первой ступени и передает входной крутящий момент величиной на сателлиты g₂ второй ступени, второй входной крутящий момент величиной 0,5·T_a поступает на сателлиты g₂ с малого центрального колеса а₂. Два входных движущих момента преодолевают момент сил полезного сопротивления приложенный к выходному валу, величина которого составляет



где T_a - движущий крутящий момент на входе, Нм;

- передаточное отношение со входа на выход первой ступени;

- общее передаточное отношение со входа на выход двухступенчатой передачи;

и - соответственно к.п.д. первой ступени и двухступенчатой передачи в целом.

Параллельная передача равных потоков мощности в быстроходной и тихоходной ступенях гарантирует высокий к.п.д. двухступенчатой планетарной передачи.

Вторым важным аспектом заявленной двухступенчатой планетарной передачи являются попарные размещения одновенцовых сателлитов первой и второй ступеней на общих осях, зафиксированных в едином для двух ступеней двух- или трехщековом водиле. Это резко упрощает кинематическую схему и конструкцию, сокращает число звеньев и протяженность кинематических соединений при передаче мощности с первой на вторую планетарную ступень и положительно сказывается на габаритно-массовых характеристиках трансмиссии в целом. При монтаже сателлитов g₁ и g₂ на общих осях с помощью сферических кинематических пар, а центральных колес b₁ в корпусе и b₂ на выходном валу с помощью зубчатых карданов трансмиссия не имеет избыточных связей, а следовательно, является самоустанавливающимся многозвенным зубчатым механизмом со всеми его преимуществами: нечувствительностью к неточностям изготовления и монтажа и упругим деформациям звеньев при работе, отсутствию кромочных эффектов во всех рабочих зацеплениях; высокой адаптивностью к различным режимам работы.

Третьим важным аспектом заявленной двухступенчатой планетарной передачи является организация кинематических соединений основных звеньев передачи по схеме: «один вход а₁ и один выход Н» в первой быстроходной планетарной ступени и «два входа а₂ и Н и один выход b₂» во второй тихоходной планетарной ступени.

Заявленное техническое решение открывает широкие возможности для унификации конструкции и построения параметрических рядов чисел зубьев и передаточных функций в одном типоразмере двухступенчатой передачи. Например, для диапазонов изменения чисел зубьев малых центральных колес a₁ и a₂ и сателлитов g₁ и g₂ диапазоны изменения чисел зубьев больших центральных колес b₁ и b₂ составят а воспроизводимые передаточные числа двухступенчатой передачи составят соответственно и 54 в одном габарите с межосевыми расстояниями в четырех зацеплениях



где m - модуль зацепления,
при равных углах зацепления _w во всех четырех рабочих зацеплениях «a₁-g₁»; «g₁-b₁»; «a₂-g₂»; «g₂-b₂».
Диапазон изменения воспроизводимых передаточных отношений можно расширить, если эти углы зацепления назначить разными но в допустимых пределах 18°_w30°. Здесь m - модуль зацепления, стандартная величина для всех четырех зацеплений, мм.

Двухступенчатая планетарная передача может монтироваться в цилиндрическом корпусе с фланцевым креплением приводного двигателя и к раме машины или в цилиндрическом корпусе на опорных лапах. Вход и выход планетарной передачи могут располагаться как горизонтально, так и вертикально. Во всех случаях передача работает в масляных ваннах. Многопоточное исполнение передачи гарантирует решение глобальной проблемы энерго- и ресурсосбережения. Удельная энерговооруженность силового привода может быть доведена до 35 кг массы на 1 кВт установленной мощности.

Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг.1 представлена кинематическая схема двухступенчатой планетарной передачи, на фиг.2 - продольный разрез типовой конструкции редуктора на основе двухступенчатой планетарной передачи, на фиг.3 приводится визуализация кинематических соединений основных звеньев передачи, на фиг.4 - план линейных скоростей, поясняющий принципы формирования движений звеньев и передаточных функций.