Синицын Д.А., к.т.н. Широких Э.В.

КИ(Ф)МГОУ им. В.С. Черномырдина, г. Коломна

Перспективы применения планетарных циклоидально-цевочных передач в приводах машин

Большинство современных машин нуждается в редуцировании скорости вращения, которое, преимущественно, осуществляется с помощью зубчатых передач с эвольвентными профилями зубьев.

Самое широкое распространение в приводах машин имеют зубчатые цилиндрические передачи ввиду их надежности, высокого КПД (0,97...0,98), точности плавности работы, технологичности.

В целях повышения плавности и бесшумности работы применяются косозубые цилиндрические колеса. Из этих же соображений колеса первых ступеней иногда делают из текстолита бронзы, пластмассы.

Поскольку зубчатые передачи одноконтактные, их передаточное число невелико: i = 6...10 — для прямозубых, i = 5...8 для косозубых передач. При высокой редукции привода массогабаритные параметры велики. Предпочтительней становятся червячные передачи, у которых передаточное отношение: i = 20...60, но низкий КПД (0,5...0,8). Из-за склонности к заеданию их предпочтительнее ставить ближе к выходу, а из требований точности к входу.

Применение конических зубчатых передач диктуется требованиями компоновки, когда необходимо изменить направление вращения на 90°. Передаточное отношение конических передач i = 6...8, КПД равен 0,90...0,92 , надежность невысокая.

Ограниченные возможности дальнейшего существенного улучшения прочностных и^: качественных показателей эвольвентного зацепления выдвигает задачу поиска новых конструкционных решений[3].Традиционные передачи уже не всегда могут обеспечить постоянно растущие требования к приводам по уменьшению их массогабаритных параметров, повышению точности, жесткости, нагрузочной способности, стойкости к перегрузкам (например, приводов антенн летательных аппаратов, мобильных систем, измерительных устройств). В связи с этим, целесообразно использование планетарных и волновых передач [6]. Из-за многопарности их передаточное отношение i = 20. ..80, габариты приводов уменьшаются в 2—3 раза по сравнению с эвольвентными, КПД равен 0,92—0,95.

Циклоидные зацепления используются в известных схемах планетарных передач. Так на Рис.1 показана самая распространенная схема эксцентрикового типа K-H-V.

Рис 1. Кинематические схемы планетарных

циклоидально-цевочных приводов:

Тип К-Н-V с применением механизма параллельных кривошипов;

1-центральное неподвижное зубчатое колесо; 2-цевочный сателлит;

3-механизм параллельных кривошипов; Н-водило;

Принцип работы планетарного циклоидально-цевочного (ПЦЦ) механизма ясен из Рис 2. Сателлитное колесо 5 с наружной эпициклоидной поверхностью установлено на опоре 6 на входном валу 7 с эксцентриситетом е, относительно солнечного колеса 1. Колесо выполнено в виде корпуса, в котором закреплены цевки 2, обкатывающие ротор 5.

Планетарное движение ротора через поводок W так называемый механизм параллельных кривошипов в виде пальцев 4 в опорах 3 передается на водило выходного вала.

Планетарное движение сателлитного или солнечного колеса обеспечивает многопарность зацепления. Как известно, в эвольвентной зубчатой передаче взаимодействует одна пара зубьев. В волновой передаче в зацеплении одновременно находится около четверти зубьев, а в цевочной - половина. Такая многопарность зацепления обеспечивает высокую нагрузочную способность и, соответственно, минимальные массогабаритные характеристики которые у цевочной передачи в 3-5 раз меньше, чем у зубчатой и в 1,2-1,5 раза меньше чем у волновой (при i<200) [5].

В отличие от волновой ПЦЦ по своей природе "жесткая", что обеспечивает ей высокую точность и долговечность (до 10 тысяч часов). Преимуществом ПЦЦ являются многопарный контакт увеличивший коэффициент перекрытия и способствующий их большой нагрузочной способности и обеспечение самоторможение передачи. Так, планетарные циклоидально-цевочные редукторы (ПЦЦР) общего назначения, обладая хорошими виброакустическими и удельными массогабаритными характеристиками реализуют передаточные отношения от 7 до 100 в одной ступени, передаваемую мощность до 250 кВт, крутящий момент 10…50000 Нм при высоком КПД (0,91…0,97), обеспечение срока службы в пределах до 50000 часов, возможность получения низкого уровня вибраций (65…75 дБ в силовых передачах) при достижимой кинематической точности 1…5´, хорошие массогабаритные показатели. По мере увеличения крутящего момента из-за упругой деформации в работу вступают дополнительно несколько пар зубьев, что способствует перераспределению нагрузки между зубьями и снижает чувствительность такой передачи к ударным нагрузкам [1].

Хорошие динамические характеристики, малые моменты инерции вращающихся звеньев и низкая их угловая скорость (при большом передаточном отношении) обеспечивают достаточное быстродействие такой передачи при переходных процессах (пуск, останов, перемена направления движения). Высокая надежность, долговечность и КПД циклоидально-цевочного зацепления обусловлена тем, что оно работает практически при отсутствии скольжения в высших кинематических парах. Это обеспечивает малоизносную надежную работу привода в течении длительного срока эксплуатации машины.

Рабочие профили передаточных звеньев которых выполнены на основе различных циклоидальных кривых (Рис.1): эпициклоиды, гипоциклоиды, эпитрохоиды, гипотрохоиды.

а) б) в) г)

Рис 3. Циклоидальные кривые перемещения точки профиля зубчатого колеса передачи

а) эпициклоида, б) гипоциклоида,

в) эпитрохоида, г) гипотрохоида;

От вида зацепления и числа тел качения z зависит величина и знак передаточного отношения i. В любом варианте циклоидного зацепления разность чисел тел качения (цевок) - z и зубьев (выступов) цевочного колеса 1(Рис. 1): |z – N| = 1. В общем случае величина i — целое постоянное число, а при необходимости можно обеспечить требуемый закон изменения i. В частном случае в эпитрохоидой передаче с внутренним зацеплением можно заменять корпус (в виде кольца с различной циклоидной поверхностью) и получать различные i кратные z (2 или 3). Передача может обеспечить i ≤ 100—150.

Другой путь повышения редукции - создание комбинированных передач (Рис. 4 а,б). На опоре 2 входного вала 1 установлено цевочное колесо 3 с цевками 4. Цевки имеют внешнее зацепление с эпициклоидной поверхностью 5 и внутреннее с гипоциклоидной поверхностью 7. Планетарное движение передается на выходной вал 6.

Рис 4.

В настоящее время наибольшее распространение получили два способа повышения i (за счет увеличения контакта в осевом направлении) модульное построение путем набора ступеней передач и сдвоенные сателлиты.

Например, в циклоидном механизме со сдвоенным сателлитом, изображенном на Рис.5, вращение от ведущего вала 1 через эксцентрик 2 передается сателлиту 4. Последний выполнен в виде двух спаренных эпициклоидных колес 3 и 5 с числами зубьев z₃ и z₅ соответственно. Колесо 3 обкатывает неподвижное солнечное колесо 11 с цевками 10, установленными в корпусе 6. Второй планетарный ряд образован колесом 5 и подвижным солнечным колесом 9 с цевками 8. В результате сателлит совершает сложное плоскопараллельное движение, которое преобразуется во вращательное на выходном валу 7. Передаточное отношение редуктора [5].

Рис 5. Планетарно-цевочный редуктор с циклоидальным зацеплением

Широкое внедрение в приводы машин ПЦЦП сдерживается сложностями обеспечения: чистовой обработки циклоидального профиля зуба на традиционном оборудовании с высокой точностью, профиля режущего инструмента, малой чувствительности к погрешностям монтажа и изменению межосевого расстояния зацепления и линейности характеристики крутильной жесткости.

Наибольшую сложность представляет технологическая чистовая обработка циклоидального профиля зуба особенно у закаленных колес.

Дальнейшее развитие производства ПЦЦР позволит существенно расширить их применение в прецизионных приводах подач станков с ЧПУ, механизмов наведения пусковых установок, приводов антенн и других машин, что обеспечит их дальнейшие снижение массогабаритных показателей при сохранении реализуемой мощности, повышении точности позиционирования, увеличении технического ресурса, снижения вибрации и повышения КПД.

Литература:

1. Лобастов В.К., Теория расчета и проектирование циклоидальных механизмов. Брянск., 1978.

2. Лобастов В.К., Цаплин Н.С. К вопросу о применении планетарно-цевочных редукторов в качестве привода роторных машин-автоматов и автоматических линий.

3. Янкевич Н.Г., Нагруженность и обеспечение работоспособности элементов трохоидной передачи. Автореферат., Минск 1990.

4. Продедович Ю.В., Обеспечение точности оборудования для прецизионной обработки циклоидальных профилей зубчатых колес особоточных циклоидально-цевочных редукторов. Автореферат., Москва 1996.

5. Диняева Н.С., Конструирование механизмов антенн. Москва .:Издательство МАИ 2002г.

6. Волновые передачи (рекомендации по инженерным расчетам). – Москва .:ВНИИТЭМР. 1986г.