Эллипсоидная передача с телами качения

(51)16 25/06 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное учреждение высшего профессионального образования Белорусско-Российский университет(72) Автор Лустенков Михаил Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное учреждение высшего профессионального образования Белорусско-Российский университет(57) Эллипсоидная передача с телами качения, содержащая корпус с цилиндрическим отверстием, размещенные в отверстии с возможностью вращения соосные ведущий и ведомый барабаны и взаимодействующие с корпусом и барабанами тела качения в виде шариков, отличающаяся тем, что на ведомом барабане выполнены два продольных паза с угловым расстоянием 180, в корпусе закреплен цилиндрический торцовый кулачок, который, как и ведущий барабан, имеет рабочие поверхности, выполненные в виде скосов цилиндра, при этом рабочие поверхности кулачка и ведущего барабана имеют разные углы наклона, а ведущий барабан имеет возможность поворачиваться внутри цилиндрического торцового кулачка. 8023 1 2006.04.30 Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве планетарной передачи в приводах различных механизмов. Известен планетарный редуктор для забойных двигателей, включающий ведомый вал с шаровыми сателлитами, ведущий вал и корпус с синусоидальными беговыми дорожками для шаровых сателлитов 1. Его недостатком является сложность изготовления синусоидальных беговых дорожек,особенно на внутренних цилиндрических поверхностях, и ограниченный диапазон передаточных отношений. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является передача с телами качения, содержащая корпус с цилиндрическим отверстием, размещенные в отверстии с возможностью вращения соосные ведущий и ведомый барабаны и взаимодействующие с корпусом и барабанами тела качения в виде шариков, причем в стенках отверстия равномерно по окружности выполнены продольные пазы, барабаны представляют собой цилиндрические торцовые кулачки с рабочими поверхностями, образованными синусоидами с целым числом периодов, число периодов на ведущем барабане равно единице, а на ведомом - на единицу меньше числа пазов, а шарики размещены в пазах между рабочими поверхностями кулачков 2. Недостатками данной передачи являются ее увеличенные габариты в осевом направлении, трудность изготовления синусоидальных торцовых поверхностей на кулачках и ограниченный диапазон передаточных отношений, включающий только целые числа. Задачей изобретения является уменьшение габаритов передачи, снижение трудоемкости изготовления деталей передачи и расширение диапазона передаточных отношений. Поставленная задача достигается тем, что в эллипсоидной передаче с телами качения,содержащей корпус с цилиндрическим отверстием, размещенные в отверстии с возможностью вращения соосные ведущий и ведомый барабаны и взаимодействующие с корпусом и барабанами тела качения в виде шариков, согласно изобретению, на ведомом барабане выполнены два продольных паза с угловым расстоянием 180, в корпусе закреплен цилиндрический торцовый кулачок, который, как и ведущий барабан, имеет рабочие поверхности, выполненные в виде скосов цилиндра, при этом рабочие поверхности кулачка и ведущего барабана имеют разные углы наклона, а ведущий барабан имеет возможность поворачиваться внутри цилиндрического торцового кулачка. Сущность изобретения поясняется чертежами. Рассмотрим устройство и принцип работы передачи, работающей в редукторном режиме. На фиг. 1 изображен редуктор, разработанный на основе предлагаемой передачи. Для пояснения принципа работы передачи на фиг. 2 приведено сечение цилиндра плоскостью, а на фиг. 3 развертка участка зацепления на плоскость. На фиг. 4 представлены детали предлагаемой передачи, а на фиг. 5 представлены два редуктора, созданные на основе предлагаемой передачи. Для уяснения принципа работы передачи рассмотрим сечение цилиндрической поверхности плоскостью, представленное на фиг. 2. Уравнение поверхности цилиндра 1 в системе координат , при оси , являющейся осью симметрии, имеет вид 2 2 1. 2 2 Нормальное уравнение секущей плоскости 2 записывается в виде(2)у-0,где , ,- углы, образуемые нормальным вектором плоскости с осями координат соответственно- расстояние от начала координат до плоскости. Уравнение плоскости, проходящей через начало координат параллельно оси ОХ и наклоненной с угломк оси , примет вид(3)0. Выразим из уравнения (3) ординату у и подставим ее в выражение (1) 2 Если вести отсчет углаот оси , то уравнение (6) запишется(7). Уравнение (7) представляет собой уравнение однопериодной цилиндрической синусоиды 3. Как доказано в 3, если совместить две цилиндрические синусоиды с одинаковыми радиусами и амплитудами, при этом чтобы серединная плоскостьэтих синусоид была общей, и вращать одну из цилиндрических синусоид относительно оси , то точки пересечения обеих синусоид будут равномерно распределены по окружности и угловой шаг их взаимного расположения будет постоянным и не будет зависеть от угла поворота одной цилиндрической синусоиды относительно другой. Это и есть математическая модель зацепления шарики представлены в виде точек, а поверхности в виде замкнутых кривых (эллипсов). Таким образом, на двух кулачках исполнены профильные поверхности, а на третьем звене - прорези, равномерно распределенные по окружности. Траектории движения центров шариков также представляют собой эллипсы, поэтому передача названа эллипсоидной с телами качения. Для предлагаемой передачи условие постоянства углового шага расположения точек пересечения двух эллипсов справедливо и при различных значениях амплитуд эллипсов ведущего вала и опорного кулачка, что доказано математически и на практике. Для определения передаточного отношения рассмотрим развертку фрагмента модели зацепления на плоскость, изображенную на фиг. 3, взаимодействующих поверхностей на плоскость . При повороте ведущего барабана на уголего рабочая поверхность 1 переместится вдоль оси ОХ на расстояние 1, тела качения 4 (рассматриваемые как математические точки) перемещаются по поверхности неподвижного цилиндрического кулачка 3 и вдоль пазов ведомого барабана 2. Наложенные связи вынуждают прорезь ведомого барабана 2 повернуться на угол 2 (переместиться вдоль оси ОХ на расстояние 2). Передаточное отношение передачи при равенстве углов наклона 1 и 3 и соответственно при равенстве треугольников ААВ и АВС (фиг. 3) определится 112,(8)22 где- радиус сопрягаемых цилиндров. Так как в каждой точке пересечения однопериодных синусоид 1 и 3 из-за их идентичности очевидно равенство 13, при любом значении угла поворота ведущего вала, то даже при непостоянстве углов 1 и 3 вдоль оси ОХ будет обеспечиваться постоянство передаточного отношения. 3 8023 1 2006.04.30 Недостатком эллипсоидной шариковой передачи с одинаковыми углами наклона рабочей поверхности ведущего вала и опорного кулачка является возможность получения передаточного отношения только равного двум. Рассмотрим возможность создания передачи с эллипсами, имеющими различную длину одной из полуосей, т.е. с однопериодными цилиндрическими синусоидами с различными амплитудами. Для этого нужно совместно решить уравнения 111(9) 333. Вычтем первое уравнение системы (9) из второго, обозначив результат переменной .(10)3-133-11. Уравнение (10) является трансцендентным. Для его решения была составлена программа в среде 6.0 при фиксированном значении одного из углов 1 и 3(например 1) другому углу сообщалось пошаговое приращение, и определялся результат согласно выражению (10) при изменении 3 от 0 до . При этом программой фиксировались значения угла 3, при которомстановился равным нулю, что соответствовало точкам пересечения двух эллипсов. Таких точек две, и они располагались на общей средней окружности двух эллипсов с угловым расстоянием 180. Угловое расстояние обозначенои показано на фиг. 1. Далее углу 3 сообщаем приращение 3, что соответствует повороту одного эллипса относительно другого на этот угол, и снова пошагово производились вычисленияв диапазоне от 0 до . Как показали результаты работы программы, угол 180 между двумя точками пересечения эллипсов остается постоянным при любом 3. А это, в свою очередь, доказывает,что схема предлагаемой передачи подходит для взаимодействия рабочих поверхностей ведущего вала и рабочего кулачка с различными углами наклона . Определим передаточное отношение передачи при условии 13. Для этого вновь обратимся к фиг. 3. Согласно формуле (8),Из геометрических построений 3(12) 1 Из формулы (12) следует, что при фиксированном значении одного из углов (например при значении угла наклона опорного кулачка 3) при заданном передаточном отношении , угол наклона рабочей поверхности ведущего вала определится по формуле 31(13)1 Как важное преимущество передачи в этом случае следует теоретическая возможность получения любого значения передаточного отношения, в том числе и дробного. Передаточное отношение при этом не зависит от диаметральных размеров передачи, что приводит к целесообразности использования передачи для создания редукторов, работающих скважинах (буровые машины для геологоразведочного и промышленного бурения нефтяных и газовых скважин). 8023 1 2006.04.30 Эллипсоидная передача с телами качения состоит из следующих звеньев (фиг. 1) ведущего барабана 1, ведомого барабана 2, цилиндрического торцового кулачка 3, тел качения 4, корпуса 5, шпонки 6 и крышки 7. Цилиндрический торцовый кулачок 3 фиксируется в корпусе 5 посредством шпонки 6 и крышки 7. На ведущем барабане 2 изготовлены два продольных паза 8 и 9. Ведущий барабан 1 имеет рабочие поверхности 10,образованные скосом цилиндрической поверхности под углом наклона 1, цилиндрический торцовый кулачок 3 имеет рабочие поверхности 11, образованные скосом цилиндрической поверхности под углом наклона 3. Передача работает следующим образом. При вращении ведущего барабана 1 тела качения 4 перемещаются по его рабочим поверхностям 10, а также по рабочим поверхностям 11 неподвижного торцового кулачка 3. При этом тела качения 4 также перемещаются вдоль пазов 8 и 9 ведомого барабана 2, вынуждая его совершать вращательное движение с редукцией. Перемещением крышки 7 с помощью резьбового соединения возможна регулировка зазоров в зацеплении. Возможна работа эллипсоидной передачи с телами качения не только в режиме редуктора, но и в режиме дифференциала. При этом корпус и закрепленный в нем цилиндрический торцовый кулачок получают возможность вращения относительно инерциальной(неподвижной) системы отсчета. Были созданы натурные образцы передачи, доказавшие справедливость математических расчетов (фиг. 4 и фиг. 5). Источники информации 1. А.с. СССР 605929, МПК 2 Е 21 В 3/10, Е 21 В 3/12, 1978. 2. А.с. СССР 1221418 А. МПК 16 Н 25/06, 1986. 3. Игнатищев Синусошариковые редукторы. - Мн. Выш. шк., 1983. - 107 с. ил., С. 5-7. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.