мотор-редуктор

Формула изобретения

1. Мотор-редуктор, содержащий статор, закрепленный в корпусе, ротор, закрепленный на валу, и смонтированный на одном из торцов устройства редуктор, образованный передачей на основе шариков, размещенных в кольцевой канавке на валу ротора и контактирующих с корпусом и выходным валом, отличающийся тем, что канавка на валу ротора выполнена косой, а соответствующие поверхности двух других контактирующих с шариками деталей выполнены одна с лунками для шариков, а другая с зубчатой дорожкой качения с торцевым расположением зубьев, причем число зубьев на единицу отличается от числа шариков.

2. Мотор-редуктор по п.1, отличающийся тем, что на противоположном торце устройства смонтирован такой же редуктор, но с противоположным наклоном косой канавки на валу ротора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромеханике, в частности к электрическим машинам, конструктивно сопряженным с коробками передач, и может быть использовано в качестве электропривода широкого применения практически во всех областях машиностроения.

Известен мотор-редуктор (см. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М.: Машиностроение, 1979, т.3, с.506-515, а также RU 2126582, 20.02.1999), который представляет собой электродвигатель, ротор которого соединен со входным валом редуктора, причем оба узла размещены в общем корпусе. В зависимости от типа используемого редуктора мотор-редукторы бывают цилиндрические, планетарные, червячные. Основной недостаток таких мотор-редукторов заключается в больших габаритах и массе. Так, например, масса мотор-редукторов, выпускаемых промышленностью, в зависимости от крутящего момента на выходном валу, от допускаемой радиальной нагрузки и от передаточного отношения редукторной части составляет 35 - 250 кг, причем габариты редукторной части превышают габариты электродвигателя.

Известен мотор-редуктор на базе волновой передачи с промежуточными звеньями (см. рекламный проспект государственного предприятия "Технотрон", г. Томск), в котором за счет передаточного механизма масса и габариты уменьшены в 2 - 6 раз по сравнению с зубчатыми редукторами.

Во всех вышеописанных конструкциях мотор-редукторов конструкция электродвигателя и сопрягаемого с ним редуктора не изменяются, они просто объединяются в одном корпусе. Однако существует класс мотор-редукторов, в которых отдельные элементы конструкции электродвигателя выполняют одновременно функции деталей редуктора. В них используются электродвигатели с катящимся ротором. В патентах (см. RU 2030082, 27.02.1995, RU 2098910, 10.12.1997) роторы эксцентрично установлены в статоре и, обкатывая какую-либо поверхность, выполняют функцию одного из звеньев планетарной передачи, которая может быть либо фрикционной, либо зубчатой. При этом все недостатки, присущие фрикционной передаче (невысокие передаваемые моменты, низкий КПД), или зубчатой передаче (большие габариты при высоких передаточных отношениях), определяют недостатки мотор-редуктора в целом. К этому же классу относится орбитальный мотор-редуктор (см. RU 2071631, 10.01,1997, а также RU 2074490, 27.02.1997). В нем несколько роторов электродвигателя установлены на одних валах с сателлитами планетарного редуктора, а применение специального тормоза роторов с вращающимся диском позволяет фиксировать роторы, а следовательно, и сателлиты редуктора один относительно другого, с сохранением возможности вращения "составного" ротора относительно оси выходного вала. Такой мотор-редуктор реализует двухскоростной режим работы, однако имеет сложную конструкцию и большие габариты, обусловленные применяемым редуктором.

Известен мотор-редуктор (см. RU 2051302, 27.12.1995), в котором выходной вал ротора двигателя охвачен выходным валом планетарной передачи. Передача представляет собой роликовый конический подшипник качения, в котором ролики выполняют функцию сателлитов, а сепаратор подшипника - функцию водила планетарной передачи. Для этого внутреннее кольцо подшипника посажено на вал ротора, а внешнее кольцо закреплено в корпусе. Отбор мощности происходит от сепаратора подшипника, для чего сепаратор соединен с выходным полым валом мотор-редуктора. Мотор-редуктор с таким фрикционным редуктором предназначен для создания только невысоких крутящих моментов, в нем присутствуют большие потери энергии на трение роликов о сепаратор, с которого отбирают мощность.

Наиболее близким по технической сущности является электродвигатель со встроенным редуктором (см. RU 2027283, 20.01.1995, фиг. 2), выбранный в качестве прототипа. Мотор-редуктор содержит статор, закрепленный в корпусе, и ротор, закрепленный на полом валу. В этом мотор-редукторе использована фрикционная передача, выполненная с помощью шариков, которые составляют также подшипник для установки выходного вала передачи в корпусе с одной стороны. Другой конец выходного вала установлен в корпусе на обычном подшипнике. На валу ротора выполнена кольцевая канавка, а на выходном валу и в корпусе - кольцевые дорожки для шариков передачи. Каждый шарик фрикционной передачи имеет две зоны контакта с кольцевой канавкой ротора, зону контакта с кольцевой дорожкой корпуса и зону контакта с кольцевой дорожкой на выходном валу передачи. При вращении ротора шарики обкатываются по неподвижной дорожке в корпусе и за счет трения вызывают вращение выходного вала. Передаточное отношение определяется соотношением между собой расстояний от зон контактов шарика с ротором, корпусом и выходным валом до оси электродвигателя.

К основным недостаткам, присущим данному устройству, можно отнести следующие. Мотор-редуктор, как и предыдущий, не может работать в качестве силового агрегата, так как создает только невысокий крутящий момент, величина которого ограничена возможным проскальзыванием шариков при небольшом прижимном усилии их к дорожкам качения, или большими потерями на трение при большом прижимном усилии. Передаточное отношение такого мотор-редуктора также невелико, так как определяется соотношением расстояний, мало отличающихся друг от друга. Для увеличения передаточного отношения необходимо увеличивать размеры шариков, что влечет за собой увеличение габаритов устройства в целом. Кроме того, мотор-редуктор не сбалансирован в осевом напрвалении и подшипник на торце выходного вала будет испытывать большие нагрузки.

Таким образом, перед изобретением стоит задача создания простого, малогабаритного мотор-редуктора, способного создавать высокие крутящие моменты с большим передаточным отношением, т.е. пригодного к использованию в качестве силового агрегата.

Техническим результатом изобретения является резкое уменьшение весогабаритных характеристик при одних и тех же значениях силовых параметров, так, что габариты мотор-редуктора в целом приближаются к габаритам электродвигателя.

Для решения поставленной задачи мотор-редуктор, как и прототип, содержит статор, закрепленный в корпусе, и ротор, закрепленный на валу. На одном из торцов устройства смонтирован редуктор, образованный передачей на основе шариков, контактирующих с валом ротора, корпусом и выходным валом. Для этого на валу ротора выполнена косой, а соответствующие поверхности двух других контактирующих с шариками деталей выполнены - одна с лунками для шариков, а другая - в виде зубчатой дорожки качения для шариков с торцевым расположением зубьев, причем число зубьев дорожки качения на единицу отличается от числа шариков.

Для балансировки конструкции целесообразно на противоположном торце мотор-редуктора смонтировать такой же редуктор, но с противоположным наклоном косой канавки на валу ротора.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез устройства; на фиг.2, 3 и 4 - вид на контактирующие с шариками поверхности деталей корпуса и выходного вала соответственно. На фиг.5 показана косая кольцевая канавка в разрезе вала ротора; на фиг.6 - сбалансированный мотор-редуктор по п.2 формулы изобретения.

Мотор-редуктор представляет из себя корпус 1, в котором закреплен статор 2 электродвигателя. Ротор 3 электродвигателя посажен на вал 4. Вал 4 может быть выполнен в виде сплошного устотелого цилиндра, либо в виде двух цилиндрических отрезков у торцов ротора. Один конец вала 4 с помощью подшипников 5 посажен на выходной вал 6, который, в свою очередь, закреплен в корпусе 1 с помощью подшипника 7. На другом конце вала 6 смонтирован редуктор. Он образован шариками 8, расположенными в косой кольцевой канавке 9 вала ротора 4. Шарики 8 контактируют также с обращенными к ним поверхностями корпуса 1 и выходного вала 6. В этой конструкции мотор-редуктора выходной вал 6 проходит внутри вала ротора 4, а косая кольцевая канавка 9 выполнена на внутренней поверхности вала 4. На торцевой поверхности корпуса 1, контактирующей с шариками 7, выполнены лунки 10. Выходной вал 6 выполнен с фланцем 11, на торцевой поверхности которого, обращенной к шарикам, выполнена зубчатая дорожка качения 12 для шариков 8 с торцевым расположением зубьев. Число зубьев дорожки качения 12 должно на 1 отличаться от числа шариков 8. Следует отметить, что лунки 10 могут быть выполнены на торцевой поверхности фланца 11 выходного вала 6, а зубчатая дорожка качения 12 - на поверхности корпуса 1. Выбор варианта расположения лунок и зубчатого пояса для конкретной конструкции двигателя определяется технологичностью изготовления контактирующих поверхностей и удобством сборки мотор-редуктора. Так же, как и в прототипе, в предлагаемом устройстве редукторный узел выполняет функции подшипника, посредством которого выходной вал 6 и вал ротора 4 одним концом устанавливаются в корпусе 1.

В мотор-редукторе на фиг. 6 подшипники 5 и 7, устанавливающие вторые концы валов 4 и 6 в корпусе 1, заменены на такой же редукторный узел, только с противоположным наклоном канавки 9 на валу 4 ротора 3. Два редукторных узла с противоположными наклонами косых канавок разгружают мотор-редуктор от осевых нагрузок.

На фиг. 7 показана конструкция мотор-редуктора, выполненного в обращенной геометрии с внутренним расположением вала 4. Косая кольцевая канавка 9 в этой конструкции выполнена на наружной поверхности вала 4 ротора 3. Выходной вал 6 выполнен в виде двух полувалов, охватывающих вал 4, и расположенных снаружи корпуса 1. Цифрой 5 обозначены подшипники. Следует отметить, что в последней конструкции отбор мощности можно производить как от выходного вала 6, так и от корпуса 1, если закрепить неподвижно выходной вал. При этом отпадает необходимость в подшипниках 5.

Работает устройство следующим образом. При запуске электродвигателя ротор 3 начинает вращаться вместе с валом 4. Шарикам 8, расположенным в косой кольцевой канавке 9, лунки 10, выполненные в неподвижном корпусе 1, не позволяют совершать обкатные движения по кольцевой канавке 9. Поэтому они совершают осевое волнообразное перемещение вдоль оси 14. Полный оборот вала 4 соответствует одной волне осевого перемещения шариков 8. При осевом волнообразном перемещении шарики 8 представляют собой торцевой кулачок, который, взаимодействуя с торцевыми зубьями дорожки качения 12, поворачивают выходной вал 6 на один шаг зубчатой дорожки за один полный оборот вала 4. Таким образом, выходной вал 6 будет вращаться относительно вала ротора 4 с передаточным отношением, равным числу зубьев дорожки качения 12.

При расположении лунок 10 на выходном валу 6, а зубчатой дорожки качения 12 на поверхности корпуса 1, обращенной к шарикам, волновое осевое перемещение шариков 8 вызовет обкатное движение шариков относительно неподвижной зубчатой дорожки качения 12. Вместе с шариками 8 в обкатное движение будут вовлечены и лунки 10 на выходном валу 6. Причем одной волне осевых перемещений шариков 8 будет соответствовать поворот выходного вала 6 на один шаг зубчатой дорожки качения 12.

В конструкции мотор-редуктора, изображенного на фиг 1, подшипники 5 и 7 из-за осевого давления шариков 8, зубчатой дорожки качения 12 и стенок косой канавки 9 друг на друга, будут испытывать значительные осевые нагрузки, поэтому они должны быть радиально-упорными. Конструкция мотор-редуктора на фиг. 6 предусматривает осевую балансировку. Здесь давление деталей редуктора, расположенного на одном торце устройства, уравновешивается давлением деталей редуктора, расположенного на противоположном торце за счет противоположного наклона косых канавок 9 на валу 4.

Работа устройства обращенной конструкции на фиг. 7 ничем не отличается от вышеописанной.

Таким образом, на выходе устройства частота вращения электродвигателя будет понижена в число раз, равное числу зубьев зубчатой дорожки качения. Замена фрикционной шариковой передачи в прототипе на волновую торцевую шариковую передачу позволило при сохранении простоты и небольших габаритов устройства избавиться от всех недостатков, присущих фрикционной передаче. Мотор-редуктор при минимальных удельных весогабаритных характеристиках может создавать высокие крутящие моменты, так как его передача свободна от проскальзывания. Это позволяет использовать мотор-редуктор в силовых приводах мощных агрегатов там, где использовать устройства с фрикционными передачами невозможно. Его передаточное число не зависит от точности изготовления и от изношенности деталей.