В 2012 году редакция журнала [3] опубликовала дискуссионную статью «Редуктор с циклоидальным зацеплением» под рубрикой «Профанация или прорыв». Название рубрики редакции журнала оказалась настолько привлекательной, что на сегодня зарегистрировано более 70 тысяч обращений. Однако все это случайные пользователи, далекие от проблем, обозначенных в статье. Решая в ней задачу импортного замещения, в том числе в области изделий зубчатых передач, их решающими критериями были взяты качество, надежность, стоимость, конкурентоспособность. Не повторение достигнутых успехов потенциальных конкурентов, а новый уровень продукции на основе современных технологий науки и техники.

Инструментарием для создания конкурентоспособной продукции сегодня являются компьютерное моделирование и применение современных станков с ЧПУ. Возможности современной техники позволяют с огромной точностью в виртуальном пространстве создавать 3D модели зубчатых передач, их корректировать или изменять. Затем, без потери качества, отправлять на станки с ЧПУ, преобразуя виртуальный образ в материальную деталь будущего изделия.

Объективная картина создаваемого изделия, полученная на экране монитора, разрешает взглянуть на некоторые устоявшиеся положения о зубчатых зацеплениях с другой стороны. Например, зубчатый венец колеса представлять, как траекторию перемещения режущих кромок инструмента [1]. А эвольвентное зацепление рассматривать как передачу из 2-х колес, которая не реализует постоянство передаточного отношения своими профилями зубьев [2].  Передачу, условно названную радиусной, проектировать, как вариант замены традиционных эвольвентных зубчатых передач на циклоидальную [3].

Перед конструкторами новой высокопроизводительной и энерговооруженной техники, к которой относятся редукторы, встает задача реализации достаточно больших удельных мощностей (до 1,15 кВт/кг) при обеспечении высокой нагрузочной способности (до 60 Н∙м/кг) [4].

Ориентиром может стать технический уровень редукторов, которого достигли ведущие фирмы зарубежного производства. Критерием сравнения стала относительная масса редуктора кг/(Н∙м). По данным источника [5] относительная масса зарубежных редукторов в среднем в два раза меньше редукторов отечественного производства. Лучшие фирмы Японии и Германии вышли на уровень 0,0116… 0,012 кг/(Н∙м).

Не трудно предположить, что применение планетарных редукторов является оптимальным решением, стоящим перед разработчиками задач. И хотя существуют различные кинематические схемы планетарных механизмов, для перспективных разработок, как у нас, так и за рубежом, выбрана 2К-Н одноступенчатая (редуктор Джеймса) i(H) <0 [6].

Всему миру известны малогабаритные высокоточные привода фирмы MXONMOTOR (Швейцария) [7] и высокомоментные приводы фирмы BREVINI RIDUTTORI (Италия) [8], которые для уменьшения габаритов и увеличения крутящего момента в своих изделиях используют редуктор Джеймса.

Обладая рядом преимуществ, структурный анализ передачи Джеймса показывает, что она является механизмом с избыточными связями в случае числа сателлитов больше одного. При этом любые отклонения размеров, например, шага зубьев, радиусов расположения осей сателлитов и др., сопровождаются неравномерным распределением нагрузки, а поскольку эта планетарная передача является механизмом с параллельными потоками передачи механической энергии, то возникает эффект циркуляции мощности во внутреннем контуре. Описанный эффект приводит к появлению дополнительных нагрузок на элементы редуктора.

Исследования динамики планетарных механизмов тракторов, построенных по схеме редуктора Джеймса, показали, что основной причиной преждевременного выхода из строя является неравномерное распределение нагрузки между сателлитами по длине зубчатых зацеплений шестерен, вызванное погрешностями изготовления и сборки.  Были опробованы различные конструктивные решения исключения избыточных связей, к которым относятся и такие как, планетарная передача с «бочкообразным зубом», планетарная передача с «карданным шарниром» и планетарная передача с «тросовым соединением».

В результате были сформулированы выводы, которые подтвердили, что исследованные механизмы без избыточных связей позволяют расширить допуски на изготовление, увеличивают долговечность узла, снижают трудоемкость [9].

Тем не менее, западные фирмы, гарантируя срок эксплуатации своих изделий и не отрицая их статически не определимые свойства, сделали ставку на повышение точности изготовления зубчатых колес планетарного механизма Джеймса и тщательности его монтажа без исключения избыточных связей.

В лаборатории «МНИТИ» разработана технология расчета и изготовления на вертикально-фрезерном станке ЧПУ под управлением системы FANUC радиусного зацепления, которое является альтернативой эвольвентному [10].

С помощью этого зацепления удалось реализовать планетарный механизм с большими кинематическими возможностями и КПД не хуже, чем в редукторе Джеймса (Рис. 1).

Рис. 1 Кинематическая схема с колесами циклоидального зацепления

Редуктор состоит из двух пар зубчатых колес внутреннего зацепления (Рис. 2), в которых разность у зубьев в каждой паре составляет единицу. В передачах отсутствует интерференция. Одновременно крутящий момент передается одной третью зубьев в каждой паре. Зубчатые передачи редуктора не имеют избыточных связей.

Расчеты показывают, что редуктор с радиусным зацеплением при мощности 45 кВт и передаточном отношении равном 60 имеет крутящий момент 17181 Нм и весит 55,1 кг.

Таким образом, его удельная мощность составляет 0,8 кВт/кг при нагрузочной способности 312 Нм/кг, что значительно лучше параметров поставленной задачи. Технический уровень редуктора с радиусным зацеплением превзошел уровень редукторов ведущих западных фирм и составляет 0.003 кг/(Н∙м), что в три раза лучше  зарубежных аналогов.

Кинематическая схема редуктора с радиусным зацеплением была опробована на действующем образце, что естественно недостаточно для его использования в качестве замещения редукторов фирмы BREVINI RIDUTTORI, которая к своим изделиям шла 40 лет и имеет сегодня 27 дочерних компаний в различных точках земного шара.

Понятно, не просто поколебать созданный механизм высокотехнологичной техники BREVINI. Однако, наша страна находится на таком этапе развития, когда объективно западные партнеры сами подталкивают нас искать решения лучше мировых стандартов.

Выводы:

1. Решая задачу импортного замещения, ЗАО «МНИТИ» разработал технологию изготовления радиусного зацепления, которая является альтернативой эвольвентным передачам.
2. Внутреннее радиусное зацепление, примененное в планетарном редукторе, позволяет продемонстрировать устройство, не уступающее лучшим мировым стандартам качества.

1. Пахомов С.Н. Программное обеспечение – инструмент разрешения споров //САПР и графика. -2014.- №8. – С. 104-105.
2. Пахомов С.Н. Зубчатые передачи для авиации //Авиакосмическое приборостроение. -2014.-№5. – С. 47-53.
3. Пахомов С.Н. Редуктор с циклоидальным зацеплением //Арматуростроение. -2012.-№4. – С. 68-70.
4. НТЦ «Приводная техника» Планетарные мотор-редукторы BREVINI RIDUTTORI компактные решения для промышленного оборудования //Новости приводной техники. – 2003.-№7.- Код 27-2
5. А.С. Иванов, С.В. Муркин Конструирование современных мотор-редукторов // Учебное пособие по курсам «Детали машин» и «Подъемно-транспортные машины». –М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2012.- 146 с.
6. Чернавский С.А. Краткий справочник машиностроителя. – М.: Машиностроение, 1966.- 797 с.
7. Программа 2013/2014 Высокоточные привода и системы //Каталог. – http://www.maxonmotor.com
8. НТЦ «Приводная техника» «В новый год – с новой гаммой редукторов!» //Новости приводной техники. -2003.-№1.- Код 21-4
9. Пивоваров А.О. Разработка методики компьютерного анализа и устранения избыточных связей в планетарных передачах гусеничных тракторов //Современные проблемы науки и образования. – 2013.-№6 –С.137.
10. Пахомов С.Н. Технология полуобкатного зацепления //Техника средств связи. Серия техника телевидения: Научно-технический сборник ЗАО «МНИТИ» – 2013. – С. 67-73

Все статьи автора «Пахомов Сергей Николаевич»