CC BY
40
МАШИНОВЕДЕНИЕ И ДЕТАЛИ МАШИН
УДК 621.833.6 С.В. Колмаков
Курганский государственный университет
БЕЗВОДИЛЬНЫЕ ПЛАНЕТАРНЫЕ ПЕРЕДАЧИ С ДВУХЗВЕННЫМИ САТЕЛЛИТАМИ
Аннотация. В статье рассмотрены конструкции без-водильных планетарных передач, содержащие принципиально новый структурный модуль - двухзвенный сателлит Такой сателлит состоит их двух (или для симметрии трёх) шестерён, закреплённых на общей оси с возможностью относительного вращения. Достоинство предложенных передач, по сравнению с прочими безводильными передачами, заключается в сочетании больших передаточного числа и нагрузочной способности с достаточно высокой технологичностью.
Ключевые слова: безводильная планетарная передача, двухзвенный сателлит, передаточное отношение, нагрузочная способность, технологичность, коэффициент полезного действия.
S.V. Kolmakov Kurgan State University
THE TOWBARLESS PLANETARY GEARS WITH A DOUBLE SATELLITE
Abstract. The article describes the designs of towbarless planetary gears containing a fundamentally new structural unit - a double satellite. This satellite is composed of two (or three for symmetry) gears mounted on the common axis with the possibility of relative rotation. The benefit of the proposed gears, as compared with other towbarless planetary gears, is in combining high reduction ratio and load capacity with relatively high technological effectiveness.
Index Terms: towbarless planetary gear, double satellite, reduction ratio, load capacity, technological effectiveness, efficiency factor.
В машиностроении применяются передачи типа 3К [1], где основными звеньями являются три центральных зубчатых колеса. Водило в этих передачах выполняет лишь вспомогательную функцию - поддерживает сателлиты. Такие передачи позволяют получить неограниченно большое передаточное число при малых габаритах. Другое достоинство передач 3К - возможность упрощения их конструкции за счёт полного исключения водила. В последнем случае речь идёт о так называемых безводильных передачах.
Для того чтобы передачи 3К, в том числе безводиль-ные, имели максимальные передаточное отношение и нагрузочную способность, их сателлиты должны быть двух-венцовыми, т.е. содержать два зубчатых венца, развёрнутых друг относительно друга в окружном направлении и в общем случае имеющих разные числа зубьев, а при необходимости и модули.
Существуют следующие варианты обеспечения взаимного углового положения зубчатых венцов сателлитов:
1) оба зубчатых венца нарезаны на одной заготовке
или жёстко зафиксированы в одном блоке при сборке. При этом относительное угловое положение зубчатых венцов не регулируется и зависит от точности изготовления сателлитов, определяемой технологией;
2) фиксация относительного углового положения венцов сателлитов происходит при монтаже с использованием сил трения.
Недостатками первого варианта являются сложность достижения необходимой точности углового позиционирования венцов и увеличение количества неидентичных деталей изделия (все сателлиты разные). Во втором варианте необходимость регулировки относительно положения зубчатых венцов сателлитов усложняет конструкцию и процесс сборки передачи.
Существует принципиальное решение, которое лишено указанных недостатков - это применение «двухзвен-ных сателлитов». «Двухзвенный сателлит» состоит из двух (или для симметрии трех) зубчатых колес, имеющих общую ось и свободу относительного вращения вокруг этой оси.
Двухзвенные сателлиты в принципе известны. Они присутствуют в безводильной планетарной передаче [2], которая сама по себе не нашла практического применения из-за сложности конструкции. Нами предложены более простые конструкции безводильных планетарных передач [3; 4] с двухзвенными сателлитами.
Одна из новых передач [3] показана на рисунке 1. Она содержит ведущее центральное колесо 1 с внутренними зубьями, неподвижное опорное центральное колесо 2 с наружными зубьями (число зубьев 72), выполненное с двумя венцами, разнесёнными друг относительно друга в осевом направлении, ведомое центральное колесо 3 с наружными зубьями (73), расположенное между этими венцами, соединенное с ведомым валом 4. Плавающие сателлиты состоят из вала-шестерни 5 (75) и двух одинаковых боковых шестерен 6 (76), надетых на хвостовики 7 вала-шестерни. Боковые шестерни 6 сателлитов способны свободно вращаться на хвостовиках 7. Ведущее центральное колесо 1 состоит из двух одинаковых половин, на каждой из которых выполнено по два венца с внутренними зубьями, один из них (71ь) предназначен для взаимодействия с боковой шестерней 6 сателлита, а другой (71а) - с зубчатым венцом вала-шестерни 5 сателлита. Для выполнения условий сборки, числа зубьев зубчатых колес редуктора связаны соотношением:
- ^ = 73 - = п, (1)
где п - разница чисел зубьев центральных колёс 71ь и 71а, 73 и 72 - небольшое целое число: 1, 2 или 3.
В рассматриваемом примере на внешней цилиндрической поверхности ведущего центрального колеса 1 выполнены ручьи 8 для клиновых ремней, приводящих это колесо в движение.
Передача работает следующим образом. Ведущее центральное колесо 1 вращает плавающие боковые шестерни 6, которые обкатываются по венцам опорного центрального колеса 2. В результате оси сателлитов (мнимое водило) совершают вращательное движение вокруг главной оси передачи. Через цилиндрические хвостовики 7 это движение передается шестерням 5 сателлитов, которые опираются на ведущее колесо 1 и передают движение на ведомое колесо 3.
Передаточное отношение Р13 от центрального подвижного колеса 1 к ведомому 3 вычисляется по формуле:
¡213=(1 + / 1 - ( г* / (2)
Рисунок 1 - Передача с двухзвенными сателлитами [3]
С учетом условия (1) расчетная формула (2) приводится к виду:
¡213 = 23/П. (3)
Благоприятный диапазон передаточных чисел данной передачи: 20...100. В случае использования зубчатых колес с разными модулями, передаточное число может быть значительно увеличено.
Главным преимуществом данной конструкции является отсутствие необходимости в какой бы то ни было регулировке угловых положений венцов сателлитов. К сожалению, такая безводильная планетарная передача может работать только в сочетании с другой передачей (цепной, ремённой или зубчатой), осуществляющей съем движения в радиальном направлении, либо обеспечивать неполный оборот ведомого звена.
Другая новая передача [4] показана на рисунке 2. Она содержит ведущее 1 (число зубьев 21), ведомое 2 (г2) и опорное 3 (г3) центральные колеса с внутренними зубьями, взаимодействующие с ведомым и опорным центральными колёсами, основные сателлиты, состоящие из вала-шестерни 4 (г4) и двух одинаковых боковых шестерен 5 (г5), надетых на хвостовики вала-шестерни, а также плавающее центральное колесо 6 с внешними зубчатыми венцами г6а и г6ь, предназначенными для взаимодействия с шестернями ¿4 и г5 сателлитов, соответственно. Передача также содержит дополнительные сателлиты 7 (г7) с наружными зубьями, находящиеся в зацеплении с ведущим центральным колесом 1 (21) и венцом (г4) вала-шестерни 4 основных сателлитов, причём каждый дополнительный сателлит взаимодействует с двумя соседними основными сателлитами. Ведомое центральное колесо 2 выполнено с двумя венцами (г2), разнесёнными друг относительно друга в осевом направлении, а зубчатые венцы опорного 3 (г3) и ведущего 1 (21) центральных колес расположены между ними. Боковые шестерни 5 сателлитов способны свободно вращаться на хвостовиках вала-шестерни 4. Плавающее колесо состоит из двух одинаковых половин, на каждой из которых выполнено по два венца с внутренними зубьями, один из которых г6ь предназначен для взаимодействия с боковой шестерней 5 сател-
лита, а другой г6а - с зубчатым венцом вала-шестерни 4 сателлита. Зубчатые венцы ведомого центрального колеса 2 закреплены с возможностью регулирования углового положения болтами 8 на промежуточных дисках 9, имеющих шлицевое соединение с ведомым валом 10. Рационален вариант конструкции, при котором дополнительные сателлиты 7 находятся в зацеплении с венцом сателлита, принадлежащем валу-шестерне 4. При этом в соответствии с условиями сборки числа зубьев зубчатых колес связаны соотношением: - 71ь = г2 - г3 = п, где п = 1; 2.. Работоспособной конструкция является и в том случае, если дополнительные сателлиты 7 находятся в зацеплении с одной из боковых шестерен 5 сателлита.
Передаточное отношение Р12 от центрального подвижного колеса 1 к ведомому 2 вычисляется по формуле:
1312 = (1 + г^) / [(1 - (^"Н^"^)]. (4)
Ведущее центральное колесо 1 вращает дополнительные сателлиты 7, которые передают движение валам-шестерням 4 основных сателлитов. Валы-шестерни 4 обкатываются по венцу опорного центрального колеса 3. В результате, оси сателлитов (мнимое водило) совершают вращательное движение вокруг главной оси передачи. Через цилиндрические хвостовики это движение передается боковым шестерням 5 сателлитов, которые опираются на плавающее центральное колесо 6 и передают движение на ведомое колесо 2. С венцов колеса 2 через диски 9 и шлицы движение попадает на ведомый вал 10. Необходимо подчеркнуть, что в отличие от конструкции [3] (рисунок 1), эта передача имеет осевой подвод и отвод движения.
Достоинство предложенных передач, по сравнению с прочими безводильными передачами, состоит в сочетании больших передаточного числа и нагрузочной способности с достаточно высокой технологичностью. Главный недостаток, свойственный и другим известным безводиль-ным передачам, - низкий КПД. Основной областью применения новых безводильных передач являются кратковременно работающие механизмы: приводы задвижек трубопроводной аппаратуры, подъемники, различные механизмы специальных машин, для которых лимитированы
4
ВЕСТНИК КГУ, 2013. № 2
«кольцевые» габариты редуктора, располагающегося вокруг тяжело нагруженного вала.
/1-/1
Б
5_
10
>
I", „—
. ' ' / , >
i L -, \
j , „ п \
т— \ \ / ✓
р;
1 1
Б
Фиг. 1
УДК 621.833.6
Г.Ю. Волков, С.В. Колмаков
Курганский государственный университет
ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕЗВОДИЛЬНОЙ ПЛАНЕТАРНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЗА СЧЁТ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СМЕЩЕНИЯ НА ВНУТРЕННИХ ЗУБЬЯХ
Аннотация. Статья содержит разработанный авторами метод силового расчёта и определения КПД новой безводильной планетарной передачи. Установлено, что предпочтительным является использование внутренних зубьев с большим положительным коэффициентом смещения инструмента.
Ключевые слова: безводильная планетарная передача, сателлит, коэффициент смещения, коэффициент полезного действия.
G.Y. Volkov, S.V. Kolmakov Kurgan State University
-4
A
Фиг 2
Рисунок 2 - Безводильная передача с двухзвенными сателлитами, содержащая второй слой сателлитов [4]
Список литературы
1 Кудрявцев, В. Н. Планетарные передачи [Текст]/В.Н. Кудрявцев. -
Изд. 2-е. - Л.: Машиностроение, 1966. - 308 с.
2 А. с. 842308 СССР, МП^ 16 Н 1/46. Многосателлитная
планетарная зубчатая передача / Небогин В. Г. ; Юровский Ю. Б. - № 2724345/25-29; заявл. 15.02.1970; опубл. 30.06.1981, Бюд. № 24.- 3 с.
3 Пат. 2463499 РФ, МПК F 16 Н 1/36. Безводильная планетарная
передача /Волков Г. Ю., Колмаков С. В.; заявитель и патентообладатель Курганский государственный университет. - № 2011114671/11; заявл.13.04.2011; опубл. 10.10.2012, Бюл. № 28. - 7 с.
4 Пат. 108525 РФ, МПК F 16 Н 1/36.Безводильная планетарная
передача /Волков Г. Ю., Курасов Д. А., Колмаков С. В.; заявитель и патентообладатель Курганский государственный университет. - № 2011120938/11; заявл. 24.05.2011; опубл. 20.09.2011, Бюл. № 26. - 12 с.
IMPROVING TECHNICAL CHARACTERISTICS OF THE TOWBARLESS PLANETARY GEAR BY INCREASING THE OFFSET COEFFICIENT OF INTERNAL TEETH
Abstract. The article contains the method of force calculation and efficiency test for a new towbarless planetary gear. It has been found that it is preferable to use internal teeth with a large positive offset coefficient of the instrument.
Index Terms: towbarless planetary gear, satellite, offset coefficient, efficiency factor.
Требования, предъявляемые современной техникой к механическим передачам, весьма разнообразны. От механизмов, работающих в постоянном режиме, в первую очередь, требуется высокий КПД. Для других приводов, рассчитанных на кратковременную работу, величина КПД не столь важна, но нужны минимальные массогабаритные характеристики и самоторможение. В приводах второго типа хорошо показывают себя многопоточные планетарные механизмы: редуктор Давида, передачи типа 3К [1], безводиль-ные планетарные передачи. Перспективным видом безво-дильной передачи, отличающимся компактностью и простотой конструкции, является передача с двумя слоями сателлитов, известная по патенту [2] и публикациям [3;4;5]. Главным достоинством такой передачи является уменьшение «кольцевых» габаритов силового редуктора, расположенного «вокруг» тяжело нагруженного вала.
Принципиальная конструкция этой передачи показана на рисунке 1. Она содержит ведущее центральное колесо 1 с наружными зубьями и два силовых центральных колеса 2 и 3, одно из которых 2 имеет наружные зубья, а другое 3 - внутренние. Сателлиты 4, 5 расположены в два слоя в шахматном порядке. Сателлиты 5 внутреннего слоя взаимодействуют с центральным силовым колесом 2, имеющим наружные зубья. Сателлиты 4 внешнего слоя взаимодействуют с центральным силовым колесом 3, имеющим внутренние зубья, а также с сателлитами 5 внутреннего слоя, причем каждый сателлит 4 внешнего слоя взаимодействует с двумя сателлита-
