ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕЦЕССИРУЮЩИХ РЕДУКТОРОВ С ВНУТРЕННИМ КОНИЧЕСКИМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ В МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМАХ

1. Понятие прецессирующего движения диска.

Для самой простой демонстрации достаточно подбросить на стол монетку, которая завершая на столе свои колебания относительно своего центра, как раз и будет совершать прецессирующее движение.  Одновременно с этим необходимо дополнить информацию о нутационном движении, а это движение совершает ось прецессирующего диска.

2. Прецессирующий на плоскости диск – как демонстрационный макет редуктора.

Если визуально проследить поведение прецессирующего диска со стороны его видимой плоскости, то легко заметить, что по мере затухания движения угол прецессии уменьшается (равно, как и угол нутации), частота колебаний увеличивается, а вращение вокруг собственной оси замедляется.  Этот эффект замедления вращения на фоне увеличения частоты колебаний во время прецессии диска используется при разработке редукторов с прецессирующими элементами.

3. История развития тематики и причины нераспространения.

Первые публикации появились в 50-х годах. Была отработана общая принципиальная сферическая геометрическая модель и схематическое изображение. Эта принципиальная модель представляет собой радиальные конические поверхности, принадлежащие одной сфере с вершинами в центре этой сферы. Конические поверхности имеют углы конуса, близкие к 180º и касаются друг друга. Из этого родилось общее название – «Планетарная коническая зубчатая передача с прецессирующими сателлитами», или очень упрощенно – «Прецессирующая передача» (встречается также и «прецессионная»).

В настоящее время предложено огромное количество различных конструкций по всему миру, однако до сих пор такие редукторы являются «экзотикой». Причина в том, что ещё никто всерьёз не решился вкладывать инвестиции в разработку технологии изготовления конических зубчатых колёс внутреннего (а не распространённого наружнего) зацепления [1]. И на настоящий момент коническое зубчатое колесо внутреннего зацепления – очень дорогой продукт.

4. Особенности прецессирующей передачи.

Особенности сродни еще двум видам планетарных передач данного ряда – это волновым и эксцентриковым передачам, а именно: реализация передаточных отношений с числами от 30-40 до 1000 в одну ступень при массогабаритных параметрах приблизительно в 4-8 раз меньших, чем в случае использования традиционных, как правило многоступенчатых цилиндрических передач. Кроме этого всего одна ступень – это еще и повышенный КПД.

Теперь в отличие от родственных волновых и эксцентриковых: 

4.1 двухступенчатая конструкция настолько мало отличается от одноступенчатой по массогабаритным показателям, что позволяет без особого изменения последних (первый вариант) увеличить передаточное число до 1000000;

4.2 второй вариант: всё то же самое, только увеличивается максимально допустимый крутящий момент выходного вала в два раза;

4.3 допустимый крутящий момент (сам по себе повышенный) дополнен повышенной плавностью работы, поскольку в зоне зацепления контактируют не одна-две пары зубцов, как обычно, а больше десятка;

4.4 повышенная крутильная жёсткость выходного вала;

4.5 отсутствие в конструкции ответственных упругих деталей и гибких звеньев (отчего прецессирующие передачи называют еще «жёсткой волновой»), что позитивно сказывается на ресурсе работы [2];  

4.6 невозможность заклинивания зубцов при автоматической выборке зазоров в зацеплении, что открывает широкие возможности реализовать повышенную кинематическую точность передачи;

4.7 возможность компактного осевого размещения электромагнитных, пневматических и гидравлических генераторов прецессии;

4.8 безынерционность: как только сила, вызывающая прецессию, прекратится, прекратится и прецессия, тогда сателлит займет неподвижное положение в пространстве;

4.9 самоторможение (свойство червячных передач) не позволяет при отключении или сбросе питания выходному валу провернуться ни в какую сторону, он зафиксируется.

Рисунок 1. Кинематическая схема одноступенчатого редуктора

Рисунок 2. Кинематическая схема двухступенчатого редуктора

5. Одним из вариантов применения прецессирующего редуктора является система мотор-редуктор с бесколлекторным моментным двигателем.

Рисунок 3. Компоновочная схема элементов системы мотор-редуктор

Кулачок вставлен в отверстие ротора в натяг. На поверхности кулачка, генерирующей прецессию, вырезана канавка под шарики упорных подшипников для передачи движения сателлиту.

Сателлит содержит в себе два внутренних конических зацепления [3]. Наружное коническое зацепление контактирует с опорным колесом посредством прецессирующего движения, тем самым обеспечивая передаточное отношение. Центральное коническое зацепление сателлита контактирует с валом-шестернёй со скоростью, обеспеченной на предыдущем этапе. Прецессирующее движение центрального конического зацепления сателлита обеспечивает передаточное число между сателлитом и валом-шестернёй.

Опорное колесо вставлено в отверстие статора в натяг. Опорное колесо имеет две канавки: 1) для упорных подшипников, контактирующие с ротором; 2) для обеспечения жесткости посадки вала-шестерни в механизме. Для обеспечения бесперебойной работы ротора внутри статора и устранения возможности вылета ротора области вращения, для устранения люфта между опорным колесом и ротором, в стенке опорного колеса выточена канавка под шарик упорного подшипника без корпуса. Таким образом обеспечивается плавное движение ротора относительно опорного колеса.

Крышка корпуса имеет отверстие под вал, в котором расположена прорезь под канавку для вложения в неё шариков упорных подшипников без корпуса, чтобы обеспечить плавное передвижение вала на дальнейшее сочленение. Кроме того, как и опорное колесо, для обеспечения бесперебойной работы ротора внутри статора и устранения возможности вылета ротора из зоны вращения, для устранения люфта между крышкой корпуса и ротором, в стенке крышки выточена канавка под шарик упорного подшипника без корпуса. Крышка корпуса обладает отверстиями под стержни для закрепления крышки корпуса вплотную с самим корпусом

6. Перспективы применения прецессирующих технологий в технике.

6.1 В качестве редуктора применение очевидно там, где уже используются редукторы или мотор-редукторы традиционных конструкций, передаточное отношение которых соответствует числам больше 30, хотя в отдельных случаях можно рассмотреть и чуть меньшие числа. В данном случае, если имеется необходимость экономии массы и пространства в отдельно взятой единице техники, целесообразно провести модернизацию путем замены прежнего редуктора или мотор-редуктора на прецессирующий. В качестве примеров можно привести механизмы подъёма или поворота стволов орудий, башен, САУ, или корабельной артиллерии, палубная механика, лебедки разного назначения и т.д. Особую ценность прецессирующие передачи могут обрести в авиации.

6.2 В качестве конкретных двигателей необходимо учитывать, что по скорости вращения выходного вала много будет зависеть от используемого вида энергии для генерации прецессии сателлита: пневматика, гидравлика, электромагнетизм или поршни ДВС. Наиболее скоростной вероятно возможно будет электромагнитная генерация, далее ДВС, потом пневматика и после гидравлика. Однако, их всех объединяет то, что, во-первых, по сравнению со своими известными аналогами выходной крутящий момент на выходном валу всегда будет на порядок выше, чем у аналога. Во-вторых, такие двигатели обладают теми же свойствами, перечисленными выше, что и прецессирующие передачи.

Перечень возможного применения весьма обширен, как и в предыдущем пункт. В перспективе любой мотор-редуктор может быть заменен на прецессирующий двигатель, как и любой двигатель в технике, где необходима экономия массы и пространства.