RU2059131C1

RU2059131C1 - Планетарный циклоидальный редуктор

Info

Publication number: RU2059131C1
Application number: RU93018248A
Authority: RU
Inventors: А.Ф. Яковлев; А.С. Конышин; А.Ю. Данилов; В.А. Яковлев
Original assignee: Яковлев Анатолий Федорович
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1993-04-07
Publication date: 1996-04-27

Abstract

Использование: в качестве прецизионного общемашиностроительного привода промышленных роботов и манипуляторов, а также в составе электроприводов. Сущность изобретения: планетарный циклоидальный редуктор содержит корпус, входной и выходной валы, неподвижное и выходное центральные колеса, имеющие зубья в виде цевок, блок сателлитов. Цевки выполнены в виде консольных бочкообразных витых роликов-пружин, установленных через подшипники в центральных колесах. Преимущественно в качестве подшипников для установки роликов-пружин следует выбирать подшипники качения. Ролики-пружины установлены в центральных колесах так, что между ними и сателлитами сохраняется расчетный минимальный рабочий натяг. Рекомендуется выполнять сателлиты и ролики-пружины методом точного литья. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в приборостроении, станкостроении, во всевозможных видах транспорта, в системах автоматического регулирования, в дистанционном и программном управлении процессами ядерной промышленности, в роботах и манипуляторах, в автоматике управляемых летательных объектов, космических аппаратов, в подводных лодках, торпедах без применения специальных средств шумоподавления, а также в электроприводах транспортных средств для исследования планет солнечной системы.

Известны планетарные циклоидальные передачи с внецентроидным эпи- и гипоциклоидальным зацеплением при разности чисел зубьев колес в единицу, обеспечивающих многопарность зацепления. Высокоэффективный циклоидальный привод на основе планетарных передач позволяет существенно снизить энергоемкость и повысить конкурентоспособность выпускаемых в нашей стране машин, станков, промышленных роботов и другого оборудования на мировом рынке [1]
Известен циклоидальный редуктор, в качестве профилей зубьев цевочных колес в котором приняты ролики (цевки). При сборке таких редукторов между роликами-цевками цевочных (солнечных) колес и зубьями сателлита образуются зазоры. При работе редуктора возникает угловой люфт, число зубьев, одновременно передающих нагрузку, получается значительно менее половины [2]
Известен планетарный циклоидальный редуктор, содержащий корпус, входной и выходной валы, неподвижно закрепленное в корпусе и установленное на выходном валу центральное колесо, имеющее зубья в виде цевок, установленный эксцентрично на входном валу через подшипники блок сателлитов с эпициклоидальными зубьями для зацеплении с цевками, из которых ближайший к выходному валу сателлит предназначен для зацепления с цевками центрального колеса выходного вала [3]
По своей технической сущности редуктор является наиболее близким к изобретению и принят за прототип. Однако и этот известный планетарный циклоидальный редуктор имеет тот недостаток, что в нем имеются зазоры между цевками центрального колеса и циклоидальными зубьями сателлитов. Это приводит к образованию люфта при работе редуктора, уменьшению числа зубьев, одновременно передающих нагрузку, уменьшению кинематической точности и несущей способности редуктора.

Задачей изобретения является обеспечение беззазорности зацепления, повышение многопарности зацепления до 100% и, соответственно, увеличение надежности работы и кинематической точности, КПД и несущей способности редуктора, особенно при температурах, вибрационных и ударных нагрузках, в агрессивной и абразивной средах.

Новизна изобретения состоит в том, что силовой узел включает пружинные компенсаторы в виде бочкообразных витых роликов-пружин, установленных на подшипниках.

Одновременно бочкообразные витые ролики-пружины за счет многопарности в зацеплении (до ≈ 100%) позволяют увеличить передаваемые редукторов моменты и усилия. В результате возросла нагрузочная способность, надежность и долговечность планетарного циклоидального редуктора при снижении веса и габаритов его примерно в 1,5 раза. Химоэлектрополирование зацепления бочкообразных витых роликов-пружин и сателлитов, помимо технологичности, снижает трение, увеличивает коррозионную стойкость зацепления и КПД привода. На основе опыта ряда НИИ (ЭНИМС, ВНИИПП и др.) в качестве материала для зацепления бочкообразных пружин и сателлитов можно рекомендовать стали ШХ15 (ШХ9).

Проведенные исследования показали, что остальные силовые элементы планетарного циклоидального редуктора: эксцентриковый вал, корпусные детали и узлы, особенно на стадии освоения, могут быть выполнены из термообработанного высокопрочного алюминиевого сплава В95Т (Д16Т).

В изобретении многопарность зацепления между всей зубчатой поверхностью сателлитов и бочкообразными витыми роликами-пружинами обеспечивается не только за счет самих пружин, но и за счет консольного характера зацепления пружин в подшипниках с расчетным предварительным их натягом в зацеплении. При работе редуктора многопарность зацепления реализуется обкатыванием бочкообразных витых роликов-пружин по эпициклоидальным поверхностям сателлитов.

Это достигается вращением указанных роликов-пружин в подшипниках, чем снимается трение скольженния в зацеплении и заменяется трением качения в подшипниках.

Поставленная задача достигается тем, что в планетарном цевочном циклоидальном редукторе, содержащем корпус, крышку, входной и выходной валы, неподвижное центральное колесо, блок циклоидальных сателлитов, установленный на входном валу на подшипниках и эксцентрично расположенный внутри центрального колеса, причем эпициклоидальные зубья сателлитов зацепляются с зубьями центральных колес, пальцы, запрессованные во фланцы выходного вала (подвижного центрального колеса) и свободно надетые на них ролики, входящие в зацепление с сателлитом блока сателлитов, ролики (цевки) центральных колес выполнены в виде бочкообразных витых роликов-пружин, консольно закрепленных в подшипниках качения и находящихся в постоянном зацеплении с сателлитами с расчетным предварительным натягом, чем обеспечивается качения роликов-пружин по сателлитам без проскальзывания; причем максимальный радиус бочкообразных витых роликов-пружин принят равным половине минимального радиуса кривизны теоретического профиля эпициклоидального зуба сателлита.

На фиг. 1 изображен планетарный циклоидальный редуктор, продольный разрез; на фиг. 2 сателлит с основными параметрами; на фиг. 3 бочкообразный витой ролик-пружина с подшипником.

Планетарный циклоидальный редуктор содержит корпус 1, крышку 2, неподвижно закрепленное в корпусе центральное колесо с зубьями-цевками, выполненными в виде бочкообразных витых роликов-пружин 3, установленных в подшипниках качения 4, закрепленных в корпусе; соответственно бочкообразные витые ролики-пружины 5 расположены в подшипниках 6, последние закреплены на центральном колесе, установленном на выходном валу 7 на подшипнике 8. Входной эксцентриковый вал 9 установлен на подшипниках 10, 11, 12. Корпус редуктора соединен с крышкой шпильками.

Максимальный радиус бочкообразного витого ролика-пружины (фиг. 3) R_б.рол равен половине минимального радиуса кривизны выпуклого участка теоретического профиля (фиг. 2) эпициклоидальных зубьев блока сателлитов 13 и 14. Последнее вытекает из исследования приведенного радиуса кривизны сопряженных профилей зубьев колес на минимум.

Проведенные исследования-расчеты по формуле Герца указывают на минимальные контактные напряжения в зацеплении σ_н при R_б.рол=

максимальный радиус бочкообразной поверхности ролика-пружины.

σ_н= 0,418

, где Е_пр приведенный модуль упругости зубьев-сателлитов;
F_п нормальная нагрузка в зацеплении;
В ширина сателлита в зацеплении;
ρ_тмин минимальный радиус кривизны теоретического профиля эпициклоидальных зубьев сателлитов.

Планетарный циклоидальный редуктор работает следующим образом.

При вращении входного вала 9 сателлиты 13 и 14, установленные на подшипниках 11, обкатываются по витым роликам-пружинам 3 центрального неподвижного колеса (выполненного с корпусом 1) и по роликам-пружинам 5 центрального подвижного колеса (выходного вала 7) и передают движение выходному валу.

Указанное обкатывание достигается тем, что часть входного вала 9, взаимодействующая через подшипники 11 с сателлитами 13 и 14, выполнена с эксцентриситетом e.

Выполнение цевок центральных колес в виде бочкообразных витых роликов-пружин на подшипниках позволяет выполнить сборку зацеплений циклоидального редуктора с расчетным минимальным натягом, компенсирующим погрешности изготовления и монтажные зазоры за счет податливости пружин, что значительно увеличивает число пар зубьев (практически до 100%), передающих одновременно нагрузку, и обеспечивает беззазорность зацепления, повышает надежность, плавность, кинематическую точность, несущую способность редуктора. Бочкообразные витые ролики-пружины выполняют также роль компенсаторов и демпфируют ударные, вибрационные, температурные и фрикционные нагрузки, возникающие при эксплуатации редуктора в экстремальных условиях. Высокая технологичность изготовления бочкообразных витых роликов-пружин повышает эффективность предлагаемой конструкции редуктора и ее экономичность.

Передаточное отношение i редуктора (по модулю) определяется зависимостью
i

где Z₁₃ число зубьев сателлита 13;
Z₁₄ число зубьев сателлита 14;
Z₃ число бочкообразных витых роликов-пружин неподвижного центрального колеса;
Z₅ число бочкообразных витых роликов-пружин подвижного центрального колеса (выходного вала).

Испытания образца опытного редуктора показали, что многопарность в зацеплении составила ≈ 100% а замена трения скольжения на трение качения повысила его кинематическую точность до 4 угл.сек. КПД редуктора до 0,95, и ресурс работы составил 70000 часов.

Остальные параметры привода (ЭД с редуктором) составляют:
скорость вращения на входном валу ≈3000 об/мин;
скорость вращения на выходе 30 об/мин при передаточном отношении редуктора i 100;
крутящий момент на выходе ≈ 300 Нм ( ≈ 30 кгм);
корректированный уровень звуковой мощности ≈ 63 дБл.

Особенностью конструкции является то, что "чистое" качение, обкатывание бочкообразных витых роликов-пружин по сателлитам (без проскальзывания) обеспечивается рядом мероприятий. Во-первых, жесткое, неподвижное соединение ролика-пружины с внутренним кольцом подшипника; возможна конструкция с неподвижной посадкой роликов-пружин и на наружное кольцо подшипника.

Во-вторых, ролики-пружины во внутреннем (наружном) кольце подшипника жестко зафиксированы от продольного их перемещения запорным кольцом.

В-третьих, подшипники могут быть как шариковые, так и роликовые, т.е. любые, в зависимости от условий работы редуктора; сами подшипники (их наружные кольца) крепятся в центральных колесах по неподвижной посадке, т.е. ролик-пружина работает как балка с одним защемленным концом.

Основным для "чистого" обкатывания служит и то, что эксцентриситет e, обеспечивающий это обкатывание, является замыкающим звеном в расчете и при изготовлении, особенно при начальном производстве редукторов. Для приборных редукторов с мощностью до 1 кВт можно рекомендовать эксцентриситет в пределах e ≈ 0,8-1,5 мм, т.е. рассчитывается применительно к данной конструкции ПЦР.

Для широкого внедрения ПЦР в приводы общепромышленного назначения, в роботехнику, в учебно-лабораторные, научные исследования, изготовление металлических (для учебно-исследовательских целей пластмассовых) бочкообразных витых роликов-пружин и сателлитов целесообразно выполнить методом точного литья.

При практическом отсутствии станочного оборудования для шлифования эпициклоидальных сателлитов, при существенном упрощении технологии производства и эксплуатации указанный метод точного литья дает значительный экономический эффект.

Под упомянутым методом точного литья подразумеваются: литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям и другие виды литья с последующей доводкой химоэлектрополированием и т.п.

При проектировании и производстве низкоскоростных силовых редукторов конструктивно и технологически проще витые ролики-пружины изготовлять цилиндрическими. В этих случаях, видимо, целесообразно ставить периферийные кольцевые ограничители от значительных радиальных деформаций роликов-пружин на вылете.

Claims

1. ПЛАНЕТАРНЫЙ ЦИКЛОИДАЛЬНЫЙ РЕДУКТОР, содержащий корпус, крышку, входной и выходной валы, неподвижно закрепленные в корпусе и связанные с выходным валом центральные колеса, имеющие зубья в виде цевок, установленный эксцентрично на входном валу на подшипниках блок сателлитов с эпициклоидальными зубьями для зацепления с цевками, из которых ближайший к выходному валу сателлит предназначен для зацепления с цевками выходного центрального колеса, отличающийся тем, что цевки выполнены в виде консольных бочкообразных витых роликов-пружин, установленных через подшипники в центральных колесах.

2. Редуктор по п. 1, отличающийся тем, что бочкообразные витые ролики-пружины установлены через подшипники в центральных колесах так, что между бочкообразными витыми роликами-пружинами и эпициклоидальной поверхностью сателлитов постоянно сохраняется расчетный минимальный рабочий натяг.

3. Редуктор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве подшипников для установки бочкообразных витых роликов-пружин в центральные колеса выбраны подшипники качения.

4. Редуктор по п. 1 3, отличающийся тем, что сателлиты и бочкообразные витые ролики-пружины выполнены методом точного литья.