CC BY
53
Машиностроение и машиноведение
УДК 621.833 Тупицын Алексей Альбертович,
д. х. н., профессор кафедры «Механика и приборостроение», Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: altfr@mail.ru Нечаев Валерий Владимирович,
к. т. н., доцент кафедры «Энергообеспечение и теплотехника», Иркутская государственная сельскохозяйственная академия,
e-mail: valery.nechaev@yandex.ru Гозбенко Валерий Ерофеевич,
д. т. н., профессор кафедры «Математика», Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: vgozbenko@yandex.ru
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПЛАНЕТАРНЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ. ТОРЦОВАЯ ЗУБЧАТО-РОЛИКОВАЯ ПЕРЕДАЧА
A. A. Tupitsyn, V. V. Nechaev, V. E. Gozbenko
CONSTRUCTION IMPROVEMENT OF THE PLANETARY GEARINGS. FACE TOOTHED-ROLLER GEARING
Аннотация. Достоинства планетарных зубчатых передач - большая нагрузочная способность, возможность получить большие передаточные отношения. Недостатки - сложность конструкции, трудность нарезания зубьев колес с внутренним зацеплением, снижение КПД с ростом передаточного отношения. Предлагаемое техническое решение предусматривает вместо сателлитов использовать тела качения. Компоновка передачи торцовая. Зубчато-роликовая передача состоит из двух соосных зубчатых колес, имеющих торцовые зубья с винтовым профилем. Передача движения от зуба ведущего к зубу ведомого колеса осуществляется через пару роликов, размещенных на одной оси и двигающихся возвратно-поступательно вдоль оси передачи. Внутренний ролик контактирует с зубом ведущего колеса, наружный с зубом ведомого. Ведущее колесо имеет два зуба, что позволяет в одной ступени добиться больших передаточных отношений. Соосная компоновка передачи обеспечивает симметричную нагрузку на зубчатые колеса. Круговой профиль роликов дает возможность в месте контакта их с зубьями колес реализовать трение качения, в результате чего повышается коэффициент полезного действия привода и уменьшается износ.
Ключевые слова: планетарная зубчатая передача, торцовая зубчатая передача, зубчато-роликовая передача.
Abstract. The main advantages of planetary gearings are high load rating, possibility to gain big reduction ratios. The basic deficiencies are complexity of construction, difficulty of toothing of wheels with an internal gearing, lowering of mechanical efficiency with reduction ratio growth. The offered engineering solution provides the use of rolling elements instead of planets. Componentry is face gearing. Toothed-roller gearing consists of two coaxial toothed wheels having face teeth with screw profile. Transfer of driving from a leading wheel cog to a driven wheel cog is carried out through pair of rollers placed on one axis and propelled seesawly along the axis of transfer. The internal roller contacts with a leading wheel cog, the end roller contacts with a driven wheel cog. Leading wheel has two cogs that allows to achieve the big reduction ratioes in one stage. Coaxial gearing componentry ensures balanced load on toothed wheels. The circular rollers profile gives the chance to realise a rolling friction in the place of their contact with wheel teeth. As a result the efficiency of the drive raises and deterioration is diminished.
Keywords: planetary gearing, face gearing, toothed-roller gearing.
Введение
На основании анализа [1] недостатков стандартных передач, используемых в механических приводах, нами предложены технические решения [2-13], позволяющие повысить работоспособность технических систем. Работы [2, 3] посвящены совершенствованию конструкции волновых зубчатых передач. Рассматриваемые в этих работах подходы могут быть применены для улучшения технических характеристик планетарных зубчатых передач.
Известна планетарная передача [14], состоящая из корпуса, ведущего диска с торцовым кулачком, ведомого диска, имеющего торцовые зубья, неподвижно связанный с корпусом сепаратор и размещенные в прорезях сепаратора ролики. При вращении ведущего диска его торцовый кулачок воздействует на ролики и перемещает их поочередно во впадины ведомого диска, заставляя его вращаться.
Данная передача может реализовать значительные передаточные отношения, но имеет существенный недостаток. Ролик одновременно кон-
тактирует с рабочими поверхностями ведущего и ведомого дисков (колес), вращающихся с разными угловыми скоростями, т. е. во время работы передачи ролики не перекатываются, а скользят по поверхности одного из колес. Время скольжения пропорционально передаточному отношению, что ограничивает его величину, а также нагрузочную способность передачи.
В [6] нами предложено техническое решение, позволяющее исключить недостаток передачи, описанной в [14], заменой ролика на пару роликов, расположенных на одной оси. Это позволяет заменить трение скольжения трением качения, что приведет к уменьшению износа деталей передачи и повысит коэффициент полезного действия.
В данной работе предлагается вариант конструкции передачи, аналогичной описанной в [6], отличающейся простой зависимостью передаточного отношения от параметров зубчатых колес. Конструкция торцовой зубчато-роликовой передачи На рис. 1 представлена конструктивная схема торцовой зубчато-роликовой передачи. На
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис. 1. Конструктивная схема торцовой зубчато-роликовой передачи: 1 - ведущий вал; 2 - ведущее колесо; 3 -ведомый вал; 4 - ведомое колесо; 5 - внутренние ролики; 6 - оси роликов; 7 - внешние ролики;
8 - промежуточное неподвижное кольцо
валу 1 расположено ведущее колесо 2, имеющее два зуба с винтовым профилем. На ведомом валу 3 находится ведомое колесо 4, имеющее четырнадцать зубьев винтового профиля. При вращении колеса 2 под действием винтовой поверхности зуба внутренние ролики 5, свободно сидящие на осях 6 двигаются в осевом направлении передачи. Через оси 6, это движение передается на ролики 7, которые, контактируя с винтовой поверхностью зубьев колеса 4, заставляют его вращаться. Возвратно-поступательное движение роликов вдоль оси передачи обеспечивается расположением осей роликов в продольных пазах промежуточного неподвижного кольца 8. Таким образом, вращательное движение шестерни с винтовым профилем зубьев преобразуется в поступательное движение роликов, которое, в свою очередь, преобразуется во вращательное движение ведомого колеса.
Схема работы передачи представлена на рис. 2. Развертки ведущего 2 и ведомого 4 колес условно приведены к одному диаметру (на схеме (см. рис. 1) диаметр шестерни 2 меньше диаметра колеса 4).
При числе зубьев шестерни равном двум необходимо иметь четыре ролика (ролики 5 и 7 на схеме проецируются в один).
При перемещении развертки 2 вправо, что соответствует вращению шестерни по часовой стрелке, и при неподвижной развертке 4 ролики
будут перемещаться в том же направлении, но с траекторией движения, соответствующей профилю зубьев колеса 4.
В случае ограничения движения ролика вдоль разверток и возможности его движения в перпендикулярном направлении (вдоль оси передачи) развертка 4 будет двигаться в обратном направлении.
На рис. 3 показана схема взаимодействия звеньев при работе передачи. При движении развертки шестерни вправо (по стрелке) рабочая поверхность зуба шестерни АшВш заставит двигаться ролик 1 в перпендикулярном направлении в сторону развертки колеса (по стрелке). Ролик 1, действуя на рабочую поверхность АкВк зуба колеса, заставит его развертку двигаться влево (по стрелке). По мере движения развертки колеса поверхность акЬк будет перемещать ролик 2 в направлении, обратном перемещению ролика 1 (по стрелке). Ролик 2, двигаясь без нагрузки, при одновременном движении нерабочей поверхности зуба шестерни ашЬш, дойдет до горизонтального участка к шестерни, вершина зуба аК пройдет над роликом 2, и он коснется рабочей поверхности зуба колеса. При дальнейшем движении развертки шестерни этот ролик будет совершать рабочий ход, двигая развертку колеса.
Зубья колеса и шестерни должны быть несимметричными (как показано на схеме рис. 3) и изготовлены с учетом перекрытия для обеспече-
Машиностроение и машиноведение
ния непрерывности работы передачи. Следовательно, передача не может быть реверсивной.
Силы, действующие на звенья передачи
На рис. 4 показано соотношение сил, действующих на звенья передачи.
При вращении шестерни движущим моментом Тш на ролик в точке контакта будет действовать окружная сила
Т
Рис. 2. Развертка зубчатых колес торцовой зубчато-роликовой передачи, условно приведенная к общему диаметру: 2 - ведущее колесо; 4 - ведомое колесо; 5 - внутренние ролики; 7 - внешние ролики
Рис. 3. Схема взаимодействия звеньев при работе торцовой зубчато-роликовой передачи: ^ - шаг зубьев шестерни;
1 - ведущий ролик; 2 - ведомый ролик
Рис. 4. Соотношение сил, действующих в торцовой зубчато-роликовой передаче
где йш - средний диаметр зубьев шестерни. Осевая сила, движущая ролик,
Р =-
Р
а ш
где аш - угол наклона винтовой линии зуба шестерни.
Окружное усилие, действующее на зуб колеса, определится
Р= Ра • ъ ак,
где ак - угол наклона винтовой линии зуба колеса.
В рассмотренном соотношении профилей шестерни и колеса их направления движения противоположны. Однако возможно реализовать движение в одном направлении (рис. 5).
Варианты конструкции роликов
В конструкции на рис. 1 в местах контакта зубьев и роликов, а также осей роликов и направляющих пазов неподвижного кольца реализуется трение качения. Однако в местах контакта роликов и неподвижного кольца действует трение скольжения при их вращательном и возвратно -поступательном движении. Поэтому контакт следует выполнить плоским с помощью лысок на кольце (рис. 6).
Рис. 6. Расположение роликов на неподвижном кольце: 1 - ролик шестерни; 2 - ролик колеса; 3 - ось роликов;
4 - неподвижное кольцо
Конструкция узла, обеспечивающего возвратно-поступательное движение, может быть различной.
Для силовых передач наиболее приемлема схема, представленная на рис. 7, где ось роликов 3, закрепленная на втулке 4, скользит по цилиндрической направляющей 5 и направляющей шпонке 6.
Рис. 5. Соотношение сил при совпадающем направлении движения ведущего и ведомого колес
торцовой зубчато-роликовой передачи
Машиностроение и машиноведение
Рис. 7. Конструктивная схема роликового узла: 1 - ролик шестерни; 2 - ролик колеса; 3 - ось роликов; 4 - втулка;
5 - цилиндрическая направляющая; 6 - шпонка
Для конструкции передачи с таким роликовым узлом необходимо реализовать схему совпадающего направления движения шестерни и колеса (см. рис. 5).
Принцип работы передачи исследовался с помощью геометрических построений, разверток зубчатых колес, а также на образце, изготовленном в соответствии с конструктивной схемой (см. рис. 1). Передаточное отношение определяется по аналогии с зубчатой цилиндрической передачей:
г- —
9
где Гк - число зубьев колеса; Гш - число зубьев шестерни.
Анализ результатов исследований показал, что данная конструкция может реализовывать передаточные отношения I = 5; 7; 9; 11; 13; 15 и т. д. Соответственно число зубьев ведомого колеса должно быть равным 10; 14; 18; 22; 26; 30 и т. д.
Заключение
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков планетарных зубчатых передач: снижения КПД при увеличении передаточного отношения, сложности конструкции и ее высокой стоимости.
Торцовая зубчато-роликовая передача имеет повышенную нагрузочную способность за счет многопарности зацепления и реализации в зацеплении трения качения.
Число зубьев шестерни может быть равным 1, 2, 3. При одном зубе необходимы два поочередно нагружаемых ролика, однако тогда нагрузка на колеса будет несимметрична. При трех зубьях и шести роликах увеличиваются габариты передачи. Оптимальным является число зубьев, равное двум при четырех роликах (см. рис. 2).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Тупицын А. А., Погодин В.К., Тупицын А. А. Проблемы обеспечения безопасной эксплуатации приводов промышленного оборудования и перспективное направление их решения // Системные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2007. № 3(15). С. 120-122.
2. Зубчатая шарнирно-роликовая передача : пат. 2177090 Рос. Федерация : МПК7 7Б 16Н 1/32 А, 7Б 16Н 25/06 В / Тупицын А. А., Тупицын А. А. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. экон. академия. № 9912515028 ; заявл. 29.11.1999 ; опубл. 20.12.2001, Бюл. № 35. 5 с.
3. Волновая зубчатая передача с невращающейся вту-лочно-роликовой цепью : пат. 2203443 Рос. Федерация : МПК7 7F 16Н 7/00 А / Тупицын А. А., Тупицын А. А. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. экон. академия. № 2001113596 ; заявл. 18.05.2001 ; опубл. 27.04.2003, Бюл. № 12. 6 с.
4. Торцовая зубчато-роликовая передача : пат. 2265765 Рос. Федерация : МПК7 7F 16Н 25/06 А / Тупицын А. А., Тупицын А. А. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т. путей сообщения. № 2003100970/11 ; заявл. 13.01.2003 ; опубл. 10.12.2005, Бюл. № 34. 7 с.
5. Зубчатая передача зацеплением через «третье тело» : пат. 2283447 Рос. Федерация : МПК7 Б16Н 25/06, Б16Н 3/42 / Тупицын А. А., Тупицын А. А. ; заявители и патентообладатели Тупицын А. А., Тупицын А. А. № 2003134115/11 ; заявл. 24.11.2003 ; опубл. 10.09.2006, Бюл. № 25. 4 с.
6. Зубчатая роликовинтовая передача : пат. 2271486 Рос. Федерация : МПК7 F16H 25/06 / Тупицын А. А., Тупицын А. А. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т. путей сообщения. № 2003103453/11 ; заявл. 10.08.2004 ; опубл. 10.03.2006, Бюл. № 7. 7 с.
7. Торцовый зубчато-шариковый вариатор : пат. 2315215 Рос. Федерация : МПК7 F16H 25/06, F16H 3/42 / Тупицын А. А., Тупицын А. А. ; заявители и патентообладатели Тупицын А. А., Тупицын А. А. № 2005132429/11 ; заявл. 20.10.2005 ; опубл.
20.01.2008, Бюл. № 2. 7 с.
8. Торцовая зубчатая передача с внутренним зацеплением : пат. 2354870 Рос. Федерация : МПК7 F16H 1/10 / Тупицын А. А., Каргапольцев С. К., Милова-нов А. И., Тупицын А. А., Ревенский А. А. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т. путей сообщения. № 2007144586/11 ; заявл. 04.12.2007 ; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13. 7 с.
9. Торцовая цевочная передача : пат. 84488 Рос. Федерация : МПК7 F16H 1/32, F16H 25/06 / Тупицын А. А., Каргапольцев С. К., Тупицын А. А. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т. путей сообщения. № 2008146315/22 ; заявл. 24.11.2008 ; опубл.
10.07.2009, Бюл. № 13. 1 с.
10. Торцовая передача с внешним зацеплением зубчатых колес : пат. 96201 Рос. Федерация : МПК7 Б16Н 1/32 / Тупицын А. А., Тупицын А. А., Милованов А.
И., Ревенский А. А., Гозбенков В. Е. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т. путей сообщения. № 2009149300/22 ; заявл. 29.12.2009 ; опубл. 20.07.2010, Бюл. № 19. 2 с.
11. Компоновочная схема тягового привода железнодорожного подвижного транспортного средства с параллельными потоками мощности : пат. 2412072 Рос. Федерация : МПК7 В16С 9/00 / Милованова Е. А., Милованов А. А., Милованов А. И., Тупицын А. А., Тупицын А. А. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т. путей сообщения. № 2009124142/11 ; заявл. 24.06.2009 ; опубл. 20.02.2011, Бюл. № 5. 5 с.
12. Тупицын А. А., Ревенский А.А. Альтернативный вид зубчатого зацепления: свойства и характеристики // Системные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. №4 (28). С. 84-91.
13. Милованова Е. А., Тупицын А.А., Милованов А.А. Кинематический анализ торцевой зубчатой передачи с внутренним зацеплением для оценки перспективы ее применения в конструкции тягового привода локомотива // Системные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 2 (30). С. 5761.
14. Планетарная передача : авт. св-во SU 1587271 А1 СССР : МПК7 Б16И 1/34, 25/06 / М. Ф. Пашкевич, С. Ф. Янукович, А. И. Дерученко, Е. Г. Денисов, О. П. Самуйлов ; заявитель и патентообладатель Могилев-ский машиностр. ин-т, Спец. констр. бюро технол. оборудования. № 4601193/25-28 ; заявл. 01.11.1988 ; опубл. 23.08.1990, Бюл. № 31. 4 с.
