CC BY
58
УДК 621. 833 Тупицын Алексей Альбертович,
д. х. н., профессор кафедры «Прикладная механика», Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: [email protected] Нечаев Валерий Владимирович, к. т. н., доцент кафедры «Энергообеспечение и теплотехника», Иркутская государственная сельскохозяйственная академия, e-mail: [email protected]
Гозбенко Валерий Ерофеевич,
д. т. н., профессор кафедры «Математика», Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: [email protected]
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПЛАНЕТАРНЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ. ЗУБЧАТАЯ РОЛИКО-ВИНТОВАЯ ПЕРЕДАЧА
A. A. Tupitsyn, V. V. Nechaev, V. E. Gozbenko
CONSTRUCTION IMPROVEMENT OF THE PLANETARY GEARINGS.
ROLLER-SCREW 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. Зубчатая ролико-винтовая передача состоит из винта, винтовая канавка которого представляет собой замкнутую правильную ломаную винтовую линию. Винтовое колесо помещено внутри неподвижного зубчатого колеса. В винтовой канавке с одинаковым шагом расположены четыре тела качения, каждое из которых имеет два ролика, помещенных на оси. Внутренний ролик при вращении винта перемещается по винтовой канавке. Ось между внутренним и наружным роликами огибает профиль неподвижного зубчатого колеса, при этом наружный ролик входит в зацепление и вращает ведомое зубчатое колесо. Зубчатые колеса имеют торцовые зубья с винтовым профилем. Направление вращения роликов относительно оси передачи и винта совпадают. Если число зубьев ведомого колеса меньше, чем неподвижного, то ведомое колесо вращается в обратном направлении. В этом случае можно добиться больших передаточных отношений. 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, ролико-винтовая передача.
Abstract. The main advantages of planetary gearings are high load rating and possibility to gain the big reduction ratios. The basic deficiencies are complexity of a construction, difficulty of toothing of wheels with an internal gearing, lowering of mechanical efficiency with reduction ratio growth.
The offered engineering solution provides to use rolling elements instead of planets. Componentry is face gearing. Roller-screw gearing consists of the screw which spiral flute represents the closed regular broken spiral line. The spiral wheel is put in a motionless tooth gear. In a spiral flute with equal step four rolling elements, each of which has two rollers, put on an axis. The internal roller at screw twirl is displaced on a spiral flute. The axis between internal and outside rollers bends a profile of a motionless toothed gear, thus an outside roller meshes and twirls a driven wheel. Tooth gears have face teeth with spiral profile. Senses of rotation of rollers concerning axis of gearing and screw axis coincide. If the number of teeth of the driven wheel is less than motionless, the driven wheel is twirled in the opposite direction. In this case it is possible to gain the big reduction ratios. The circular rollers profile gives the chance to realise a rolling friction in a place of their contact to wheel teeth. As a result, the efficiency of the drive raises and deterioration is diminished.
Keywords: planetary gearing, face gearing, roller-screw gearing.
Введение
В [1] рассмотрены недостатки стандартных передач, используемых в механических приводах. Нами были предложены технические решения [211], позволяющие уменьшить влияние этих недостатков на работоспособность технических систем. Рассматриваемые в этих работах подходы могут быть применены для улучшения технических характеристик планетарных зубчатых передач.
Планетарные передачи (имеющие хотя бы одну подвижную ось зубчатого колеса) при небольших передаточных отношениях (/ « 10) имеют высокий КПД. Однако для получения больших значений i применяют двух-, трехступенчатые планетарные механизмы. В этом случае КПД зна-
чительно снижается. Кроме того, планетарные передачи требуют высокой точности изготовления колес, валов и опор, что повышает их стоимость.
В качестве прототипа для совершенствования конструкции и улучшения характеристик планетарных передач целесообразно выбрать передачу, в которой вместо сателлитов используются тела качения [12].
Планетарная передача с телами качения в качестве сателлитов
В технике широкое распространение получили винтовые механизмы (передачи «винт - гайка»), применяемые для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. Передача «винт - гайка» реализует большие передаточные отношения, за счет соосности ведущего
и ведомого звеньев имеет небольшие габариты, может передавать значительные нагрузки. Основной недостаток такой передачи - низкий КПД за счет реализации на рабочих поверхностях трения скольжения.
В последние годы нашли применение шари-ковинтовые механизмы (передачи «винт - гайка» качения). В них профиль резьбы винта и гайки представляет собой винтовые канавки, в которых размещаются тела качения (шарики). При вращении винта шарики движутся в канавках в направлении перемещения гайки, попадают в обводной канал в гайке и возвращаются в полость между винтом и гайкой. В такой передаче движение от винта на гайку передается через тела качения, поэтому передача «винт - гайка» качения имеет высокий КПД.
Представляется перспективным использовать положительные свойства механизма «винт -гайка» качения для передачи и редуцирования вращательного движения.
Попытка применения такого подхода предпринята в планетарной передаче [12], состоящей из корпуса, ведущего диска с торцовым кулачком, ведомого диска с торцовыми зубьями, подвижного диска (сепаратора) с прорезями, в которых размещены ролики с возможностью перемещения вдоль оси передачи и неподвижного диска с торцовыми зубьями, связанного с корпусом.
При вращении ведомого диска его торцовый кулачок воздействует на ролики и перемещает их поочередно во впадины неподвижного диска, ролики совершают планетарное движение, вращая сепаратор. Одновременно ролики входят во впадины ведомого диска, заставляя его вращаться.
При соответствующем подборе числа зубьев дисков (колес) можно получить значительные передаточные отношения.
Однако описанная передача имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что каждый ролик находится в одновременном зацепле-
нии с тремя зубчатыми колесами, имеющими разные скорости вращения (одно из них неподвижно). Таким образом, во время работы ролик не перекатывается, а скользит по рабочим поверхностям зубьев.
Зубчатая ролико-винтовая передача
Предлагаемая конструкция исключает недостаток передачи, описанной в [12], заменой ролика на пару роликов, расположенных на одной оси.
Такое техническое решение позволит заменить трение скольжения трением качения, что приведет к уменьшению износа деталей передачи и повысит коэффициент полезного действия.
Рассмотрим принцип работы зубчатой роли-ко-винтовой передачи.
На рис. 1 показана развертка поверхности ведущего колеса 1 с винтовой канавкой. Замкнутая винтовая канавка прямоугольного сечения проецируется на плоскость в виде правильной ломаной линии, содержащей два отрезка с правым направлением нарезки и два с левым.
В винтовой канавке расположены тела качения 2 (четыре ролика), которые свободно вращаются на осях 3. Ролики равномерно распределены по окружности винта с расстоянием пй/4, где й -наружный диаметр винта.
Колесо 1 помещено внутри неподвижного зубчатого колеса 4, зубья которого нарезаны по торцу и имеют винтовой профиль (рис. 2). Оси 3 роликов сопрягаются с неподвижным колесом 4, распределяясь равномерно по окружности на расстоянии пй/4. Развертки ведущего колеса 1 и неподвижного колеса 4 на схеме совмещены. При перемещении развертки винта 1 вправо (что соответствует его вращению по часовой стрелке) и при неподвижном колесе 4 ролики будут двигаться в том же направлении с траекторией движения, соответствующей профилю зубьев неподвижного колеса. Оси 3 будут перекатываться по зубьям колеса 4.
Из рис. 2 видно, что перемещение развертки
Рис. 1. Развертка поверхности ведущего винтового колеса зубчатой ролико-винтовой передачи и расположение роликов в винтовой канавке: 1 - ведущее колесо с винтовой канавкой; 2 - ролики винта; 3 - оси роликов
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис. 2. Развертка поверхности ведущего винтового колеса и неподвижного зубчатого колеса зубчатой ролико -винтовой передачи (развертки звеньев условно приведены к одному диаметру): 1 - ведущее винтовое колесо; 2 - ролики винта; 3 - оси роликов; 4 - неподвижное зубчатое колесо
Рис. 3. Развертка поверхности ведущего винтового колеса, неподвижного зубчатого колеса и ведомого колеса зубчатой ролико-винтовой передачи (развертки звеньев условно приведены к одному диаметру): 1 - ведущее винтовое колесо; 2 - ролики винта; 3 - оси роликов; 4 - неподвижное зубчатое колесо; 5 - ролики гайки;
6 - ведомое колесо (гайка)
винта на один шаг, равный яй/4, вызовет перемещение каждого ролика (оси) на один шаг зубьев колеса, равный яй^, где 24 - число зубьев колеса 4. Таким образом, передаточное отношение ступени «винт - ролики»:
. = щ = ^, пр 2
где п\ - число оборотов ведущего винтового колеса; Пр - число оборотов роликов относительно оси передачи.
На рис. 3 показана развертка поверхностей ведущего винтового колеса 1, неподвижного зубчатого колеса 4 и ведомого колеса 6.
При движении роликов по траектории, соответствующей профилю зубьев неподвижного колеса, ролики 5 входят в зацепление с зубьями ведомого колеса 6. При числе зубьев ведомого колеса 26, равном числу зубьев неподвижного колеса 24, ведомое колесо будет неподвижно. При 26 > 24 направление движения ведомого колеса совпадает с круговым движением роликов. При 26 < 24 ведомое колесо будет двигаться в направлении, противоположном движению роликов. Большие передаточные отношения можно реализовать при условии 26 < 24.
На рис. 4 приведена конструктивная схема зубчатой ролико-винтовой передачи. На ведущем валу 7 закреплено колесо 1, имеющее в винтовой канавке четыре ролика 2, помещенных на ось 3. При вращении колеса 1 движение от внутренних роликов передается на ось 3, которые перекатываются по зубьям неподвижного колеса 4. Внешние ролики 5, сидящие на оси 3, входят в зацепление с зубьями ведомого колеса (гайки) 6, помещенного на ведомом валу 8, и приводят его в движение.
Для передачи, изображенной на рис. 1-4, число зубьев неподвижного колеса 24 = 14, ведомого колеса 26 = 10. В этом случае круговое вращение роликов заставляет двигаться ведомое колесо в том же направлении, осевое перемещение роликов вращает ведомое колесо в обратном направлении.
Число оборотов ведомого колеса:
п = п
где пр - число оборотов ведомого колеса, вызванное осевым перемещением роликов.
пр = п1
2
„р _
2
где 2\ - число зубьев ведущего винтового колеса.
7
7
А
£
Рис. 4. Конструктивная схема зубчатой ролико-винтовой передачи; 1 - ведущее винтовое колесо; 2 - ролики винта; 3 - оси роликов; 4 - неподвижное зубчатое колесо; 5 - ролики гайки; 6 - ведомое колесо (гайка);
7 - ведущий вал; 8 - ведомый вал
Тогда
п
6
■п
V 2 4
^6;
Передаточное отношение между ведущим и ведомым колесами передачи п 1
г ■
п
-6
2 4 Z6
Для изображенной на рис. 1-3 винтовой линии = 2. Тогда для передачи, представленной на рис. 4, передаточное отношение
г = * =-17,5.
2 _ 2
14 - 10
Знак «минус» говорит о том, что направление вращения ведущего и ведомого колес не совпадают.
Принцип работы и кинематические характеристики передачи исследовались с помощью геометрических построений, разверток звеньев, а также на образце, изготовленном в соответствии с конструктивной схемой (см. рис. 4). Анализ результатов показал, что предлагаемая конструкция может реализовывать следующие передаточные отношения:
I = 17,5 при Z6 = 10 и Z4 = 14;
I = 31,5 при Z6 = 14 и Z4 = 18;
I = 49,5 при Z6 = 18 и Z4 = 22;
I = 71,5 при Z6 = 22 и Z4 = 26 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.
Зубчатая ролико-винтовая передача имеет повышенную нагрузочную способность за счет многопарности зацепления и реализации в зацеплении трения качения. При сопоставимых передаточных отношениях и передаваемой мощности такая передача по сравнению с классической планетарной имеет меньшие габариты за счет соосности ведущего и ведомого звеньев, а также значительно более простую конструкцию.
Особенностью зубчатой ролико-винтовой передачи является отсутствие необходимости в применении сепаратора для роликов, сложность конструкции которого ограничивает передаточные отношения планетарной передачи, предложенной
в [12].
Ведущее винтовое колесо передачи может быть выполнен с zl = 1, однако тогда нагрузка на звеньях будет несимметричной; при Z2 = 3 увеличатся габариты передачи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тупицын А. А. Погодин В. К. , Тупицын А. А. Проблемы обеспечения безопасной эксплуатации приводов промышленного оборудо-
z
2
7
2
вания и перспективное направление их решения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2007. № 3 (15). С. 120122.
2. Зубчатая шарнирно-роликовая передача : пат. 2177090 Рос. Федерация : МПК7 7Б 16Н 1/32 А, 7F 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 втулочно-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 7Б 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., Тупи-цын А. А. ; заявители и патентообладатели Тупи-цын 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 Б16Н 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., Каргаполь-цев С. К., Милованов А. И., Тупицын А. А., Ре-венский 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 F16H 1/32 / Тупицын А. А., Тупи-цын А. А., Милованов А. И., Ревенский А. А., Гозбенко 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. Планетарная передача : авт. св-во SU 1587271 А1 СССР : МПК7 Б16Н 1/34, 25/06 / М. Ф. Пашкевич, С. Ф. Янукович, А. И. Дерученко, Е. Г. Денисов, О. П. Самуйлов ; заявитель и патентообладатель Могилевский машиностр. ин-т, Спец. констр. бюро технол. оборудования. № 4601193/25-28 ; заявл. 01.11.1988 ; опубл. 23.08.1990, Бюл. № 31. 4 с.
