НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

К.т.н., доцент Тарабарин В.Б., инженер Тарабарина З.И.

Кривошипно-планетарные редукторы с эвольвентным  внутренним зацеплением при разности чисел зубьев колес Z_d=1.

        Кривошипно-планетарные редукторы – известный, однако пока мало распространенный вид зубчатых передач. В основе этого вида передач лежит планетарный механизм типа K-H-V (по классификации В.Н. Кудрявцева) с внутренним зубчатым зацеплением с малой разностью в числах зубьев колес.  По принципу действия редуктор этого вида близок к волновым передачам, но в нем отсутствует недолговечное гибкое колесо.  В этих редукторах часто применяют внецентроидные циклоидальные и цевочные зацепления [1] или эвольвентное внутреннее зацепление с малой разностью в числах зубьев колес (обычно Z_d=1) [2]. Редукторы на основе такого механизма позволяют реализовывать большой диапазон передаточных отношений (от 10 до 300) при малых габаритах, высоком КПД, высокой точности и жесткости.  Затормаживая корпус, входной или выходной вал можно изменять передаточные отношения. При передаточном отношении менее 150 редукторы несамотормозящиеся. Кривошипно-планетарный механизм можно рассматривать как комбинацию планетарного зубчатого механизма и механизма муфты, предназначенной для съема вращательного движения с сателлита или его торможения. Конструктивные разновидности механизма определяются в основном применяемой в нем муфтой. В качестве муфты используются: цевочное зацепление или поводковая муфта (рис.1), зубчатая муфта (рис.2), механизм параллельных кривошипов (рис.3), муфта Альдгема, упругие муфты (сильфоны) или валы. Конструкция муфты в значительной степени определяет габариты, точность, виброактивность и КПД механизма.

        Для большинства конструкций кривошипно-планетарных редукторов отличительными особенностями являются: компактность; высокая нагрузочная и перегрузочная способности (допускает перегрузки по моменту в 5 раз); большой диапазон реализуемых в одной ступени передаточных чисел (10 – 300); малый момент инерции валов; низкие шум и вибрации; высокий КПД (70 – 85%). К недостаткам этих механизмов следует отнести высокую радиальную нагрузку на подшипники быстроходного вала, поэтому КПД таких механизмов ниже, чем других планетарных механизмов, а также повышенную виброактивность некоторых конструкций муфты.

Области применения кривошипно-планетарных редукторов достаточно разнообразны: приводы грузоподъемных машин, манипуляторов, различных станков, приводы радиолокационных антенн и других механизмов.

Ниже представлены фотографии моделей механизмов данного типа различного конструктивного исполнения.

  В редукторе, изображенном на рис.1, используется эвольвентное внутреннее зацепление с разностью в числах зубьев колес равной 1. Для передачи вращательного движения с сателлита на выходной вал в данном редукторе используется цевочная (поводковая) муфта.

В редукторе, изображенном на рис.2, тоже используется эвольвентное внутреннее зацепление с разностью в числах зубьев колес равной 1. Для передачи вращательного движения от колеса с внешними зубьями к выходному валу в данном механизме используется зубчатая муфта с эвольвентным внутренним зацеплением.

В механизме, изображенном на рис.3, тоже используется эвольвентное внутреннее зацепление с разностью в числах зубьев колес равной 1. Для останова вращательного движения с колеса с внутренними зубьями и задания ему поступательного движения по окружности радиуса эксцентриситета в данном редукторе используется механизм параллельных кривошипов.

По этой схеме для привода радиолокационной антенны был спроектирован планетарный редуктор с передаточным отношением u=97 с мощностью приводного двигателя N=2.8 кВт. Опытные образцы этого редуктора были изготовлены и испытаны. При испытаниях определялось КПД механизма и крутильные колебания валов. Испытательный стенд (Рис. 4) выполнен по схеме с замкнутым силовым контуром. Нагружение редукторов стенда крутящим моментом производилось спиральной пружиной, размещенной между быстроходными валами. КПД определялось двумя способами:

·           в первом измерялись напряжение и ток двигателя и по тарировочной кривой для двигателя определялся момент на его валу, момент создаваемый пружиной определялся по углу ее закручивания тарировочному графику пружины;

·          

во втором момент на тихоходном валу определялся по сигналам с наклеенных на нем тензодатчиков, а момент на входном – по величине угла закручивания пружины.                                                            

Осциллограммы сигналов с тензодатчиков при тарировке и в эксперименте приведены на рис. 5. Полученные по результатам эксперимента зависимости КПД от момента закручивания пружины и от частоты вала двигателя представлены на рис.6.  КПД редуктора в эксперименте от 0.32 при минимальной нагрузке и максимальной частоте до 0.78 при максимальной нагрузке и минимальной частоте. Полученные значения КПД достаточно хорошо совпадают с экспериментальными результатами других исследователей [1]. К сожалению, испытания выявили и некоторые неприятные свойства данного механизма: при увеличении частоты вала двигателя более 1800 оборотов в минуту в механизме возникали значительные крутильные колебания, которые приводили к его заклиниванию на частоте 2000 оборотов в минуту. Механизм в данном редукторе имеет только одно зубчатое колесо с внутренними зубьями или сателлит, которое уравновешивается тремя парами противовесов размещенных на кривошипных или входных валах. Добиться в такой конструкции точного уравновешивания сложно. Поэтому возможной причиной возникающего резонанса и заклинивания могла быть неудачная конструкция системы уравновешивания. В конструкциях, где для уравновешивания использованы два одинаковых сателлита, установленных на кривошипных валах в противофазе,  при исследовании во всем диапазоне рабочих частот двигателя заклинивания и резонанса обнаружено не было.

Кафедра ТММ МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с ММПП «Салют» спроектировала кривошипно-планетарный редуктор (Рис.7) с передаточным отношением  u=13 с внутренним эвольвентным зацеплением при Z_d=4 для малогабаритного рыхлителя почвы. Особенностью данной конструкции является использование в качестве муфты упругого гибкого вала. В настоящее время разработана документация на данный редуктор и скоро будет изготовлен его опытный экземпляр.

Заключение. Кривошипно-планетарные редукторы различных конструктивных исполнений обладают высокими качественными показателями и существенно расширяют возможности конструкторов при проектировании изделий различного назначения.

Список использованных источников

1.                  Шанников В.М. Планетарные редукторы с внецетроидным зацеплением. – М.: Машгиз, 1948. – 172 с.

2.                  Скворцова Н.А. Некоторые особенности внутреннего станочного зацепления. Труды МГТУ им. Н.Э. Баумана. «Вопросы теории механизмов и машин». Вып. 23. – М.: Машгиз, 1953.