Винахід відноситься до малогабаритним спеціалізованим приводним механізмам з великим передавальним відношенням, високим моментом на вихідному валу і може бути використано в якості приводів панелей сонячних елементів, антен і штанг спеціального обладнання космічних літальних апаратів, в літакобудуванні і суднобудуванні глиссирующих судів, а також у верстатобудуванні при створенні приводів верстатів з ЧПУ, роботизованих комплексів і високомоментного ручного електроінструменту. Зубчастий редуктор містить зубчасті передачі та кінематично пов'язані з цими передачами вхідний (3), проміжний (5) і вихідний (7) вали. Вихідний вал (7) редуктора входить до складу планетарної передачі. Проміжний вал (5) встановлено між вхідним і вихідним валами і спирається на сферичну подшипниковую опору, яка виконана у вигляді радіального підшипника (10) кочення, у внутрішнє кільце (9) якого встановлено сферичний елемент (8), виконаний як мінімум на одному зі згаданих валів і пов'язаний зі згаданим внутрішнім кільцем радіального підшипника кочення рухомим чином. Винахід дозволяє забезпечити зниження маси і габаритів редуктора, підвищити його компактність при одночасному зниженні вартості. 1 мул. 
Винахід відноситься до малогабаритним спеціалізованим приводним механізмам з великим, від декількох сотень до декількох тисяч, передавальним відношенням і високим, десятки ньютонів на метр, моментом на вихідному валу. Винахід може бути використано в якості приводів панелей сонячних елементів, антен і штанг спеціального обладнання космічних літальних апаратів. Цей винахід може також знайти застосування в літакобудуванні і суднобудуванні глиссирующих судів в якості приводу триммеров аеро- і гідродинамічних поверхонь, а також у верстатобудуванні при створенні приводів верстатів з ЧПУ, роботизованих комплексів і високомоментного ручного електроінструменту.
Відомі аналоги заявляється технічного рішення - це конструкції малогабаритних приводних механізмів з великим передавальним відношенням (див., Наприклад, «Атлас конструкцій елементів приладових пристроїв» під ред. Ю.Ф.Тімошенко, М., «Машинобудування», 1982, а також книгу З .А.Чернявского, Г.А.Снесарева і ін. «Проектування механічних передач», навчально-довідковий посібник для втузів, М., «Машинобудування», 1984). Основою для створення малогабаритних спеціалізованих приводних механізмів з великим передавальним відношенням зазвичай служать дво- і більш ступінчасті редуктори, при цьому однією із ступенів (зазвичай вихідний) є черв'ячна пара. Черв'ячна пара може забезпечити велике передавальне відношення, проте в черв'ячної парі осі валів перехрещуються в просторі, що знижує компактність такого редуктора.
Відомо, що ККД черв'ячної пари (0,75-0,98) (див., Наприклад, «Довідник металіста», під ред. С.А.Чернавского і В.Ф.Рещікова, том 1, М., «Машинобудування» , 1975, графік на рис.40, стр.649) в цілому нижче, ніж ККД пар циліндричних зубчастих коліс (0,95-0,99) (див. наприклад, таблицю 11.5 на стор.97 книги В.Н.Кудрявцева, Ю.А.Державца і Е.Г.Глухарева «Конструкція і розрахунок зубчастих редукторів», изд. «Машинобудування», Ленінград, 1971).
Пряма заміна черв'ячних пар в редукторі з великим передавальним відношенням на циліндричні передачі з метою підвищення ККД редуктора створює протиріччя, яке у тому, що отримання заданого передавального відносини в малих габаритах при заданому моменті на вихідному валу призводить до збільшення кількості щаблів редуктора і, відповідно, до зниження його ККД. Таке протиріччя дозволяється застосуванням ступенів редуктора на основі планетарних передач. Планетарні передачі, забезпечуючи передавальні відносини до 250, в залежності від схеми, мають ККД від 0,95 до 0,99 і від 1,5 до 5 разів меншу вагу в порівнянні зі звичайними циліндричними редукторами за інших рівних умов (див., Наприклад, книгу В.Н.Кудрявцева, Ю.А.Державца і Е.Г.Глухарева «Конструкція і розрахунок зубчастих редукторів», изд. «Машинобудування», Ленінград, 1971, табл.111.4 на стр.182, табл.11.5 на стор. 97, а також стор.5, відповідно). Загальний ККД електроприводів з редукторами на основі різних типів зубчастих передач характеризується наступними значеннями: на основі черв'ячних пар - від 0,45 до 0,8; на основі циліндричних пар - від 0,6 до 0,8, а на основі планетарних передач - від 0,65 до 0,81 (див., наприклад, каталог промислової автоматики WEXON, С-Петербург, 2010 р - 2012 р , стор.6). Крім того, застосування планетарних передач в многоступенчатом редукторі з великим передавальним відношенням дозволяє виконати цей редуктор з співвісним становищем вхідного і вихідного валів, що за інших рівних умов підвищує його компактність.
Ступінчастість редуктора має на увазі наявність прямої кінематичного зв'язку між його ступенями в проміжку між вхідним і вихідним валами редуктора, тобто проміжного конструктивного елементу з передавальним числом, рівним одиниці, передає обертання всередині редуктора від попереднього ступеня редуктора до наступної. Таким елементом може служити вал, з'єднаний одним кінцем з вихідним елементом попереднього ступеня, наприклад, водила в планетарній передачі за схемою 2К-Н з загальмованим одним з центральних коліс (див., Наприклад, книгу В.Н.Кудрявцева, Ю.А.Державца і Е.Г.Глухарева «Конструкція і розрахунок зубчастих редукторів», изд. «Машинобудування», Ленінград, 1971, табл.111.3 на стор.176), або вихідний зубчасте колесо планетарної передачі за схемою 3K (див., наприклад, книгу В .Н.Кудрявцева, Ю.А.Державца і Е.Г.Глухарева «Конструкція і розрахунок зубчастих редукторів», изд. «Машінос роїння », Ленінград, 1971, табл.111.4 на стр.182).
Для одночасного задоволення вимог компактності, малої ваги і технологічності проміжний конструктивний елемент виконується як одне ціле або з вихідним елементом попереднього ступеня редуктора, або з вхідним елементом наступному рівні редуктора, або що містить обидва ці елементи. Прикладами таких проміжних конструктивних елементів можуть служити проміжні вали загальновідомих багатоступеневих зубчастих редукторів і автомобільних коробок передач (див., Наприклад, книгу В.Н.Кудрявцева, Ю.А.Державца і Е.Г.Глухарева «Конструкція і розрахунок зубчастих редукторів», изд . «Машинобудування», Ленінград, 1971, ріс.111.1 на стор.171, ріс.111.3 на стор.172, ріс.111.5 на стор.174, ріс.111.15 на стор.181, ріс.111.21 і ріс.111.22 на стор .186, а також книгу Й.Раймпеля «Шасі автомобіля», М., «Машинобудування», 1983).
Виходячи з аналізу вищеназваних загальних ознак проміжних елементів і загальноприйнятого для них назви «проміжний вал» вказана назва тут і далі буде використано для елементів багатоступінчастого редуктора, що передають без зміни крутний момент від вихідного елемента попереднього ступеня редуктора до вхідного елементу наступному рівні редуктора і не є вхідним або вихідним валами редуктора. Проміжні вали мають свої підшипникові опори, в яких через технологічні похибок механічної обробки і складання елементів редуктора виникають взаємні ексцентриситети і перекоси, що призводять до перекосів проміжних валів. Крім цього, виникають зміни лінійних розмірів взаємного положення ступенів редуктора як через технологічні похибок виготовлення, так і з-за теплових деформацій внаслідок застосування різних за коефіцієнтом теплового розширення матеріалів, а також внаслідок нерівномірності зовнішнього нагріву або охолодження і внутрішнього тепловиділення при роботі приводу. Зазначені похибки призводять як до згинальних напружень проміжних валів, так і до перекосів підшипників і виникнення в них додаткових осьових навантажень. Перераховані силові фактори знижують ресурс редуктора, а збільшення перетину валів і застосування підшипників більшого типорозміру підвищує масу редуктора.
Зазначена проблема вирішена в конструкціях багатоступеневих редукторів, в яких проміжні вали встановлені на сферичних опорах, виконаних у вигляді сферичних підшипників.
Одним із прикладів такого рішення є двоступеневий редуктор, показаний на ріс.111.22, стр.186 книги В.Н.Кудрявцева, Ю.А.Державца і Е.Г.Глухарева «Конструкція і розрахунок зубчастих редукторів», изд. «Машинобудування», Ленінград, 1971. Дана конструкція має першу і другу сходинки і вал, який одночасно є вихідним валом першого ступеня і вхідним валом другого ступеня, тобто представляє собою проміжний вал редуктора. Перший ступінь даної конструкції виконана циліндричної і з'єднана з другою сходинкою, як сказано вище, проміжним валом, встановленим на сферичних опорах у вигляді сферичних кулькових підшипників кочення. Дана конструкція має з заявляється рішенням найбільшу кількість загальних істотних ознак і прийнята за прототип.
Ознаками, спільними з тим, що заявляється технічним рішенням, є більш ніж один щабель редуктора, наявність вхідного і вихідного валів, а також як мінімум одного проміжного вала, встановленого на сферичних підшипникових опорах.
Рішення, застосоване в прототипі, звільняючи проміжний вал і його опори від вищезазначених додаткових навантажень, має недолік у вигляді збільшеної маси, що важливо для літальних апаратів, особливо космічних. Іншим недоліком прототипу є те, що його перша ступінь виконана циліндричної, що призводить до несоосности компонування вхідного і вихідного валів і знижує компактність редуктора.
Відомо, що при однакових габаритах застосовані в якості сферичних опор сферичні кулькові підшипники кочення мають на (12-20)% більшу масу і на (10-30)% меншу динамічну вантажопідйомність, а також на (80-90)% меншу статичну вантажопідйомність по порівняно з аналогічними типорозмірами кулькових радіальних підшипників кочення (див., наприклад, дані ГОСТ 8338-75 і ГОСТ 28428-90 для легких серій однорядних радіальних кулькових підшипників кочення і сферичних кулькових підшипників кочення). Ті ж міркування застосовні і до сферичним роликовим підшипників кочення в порівнянні з радіальними роликовими підшипниками кочення. Необхідно відзначити, що вибір типу підшипника кочення (кульковий або роликовий) залежить тільки від необхідної вантажопідйомності підшипникової опори вала і не впливає на сутність викладу заявляється технічного рішення. Тому при подальшому викладі тип підшипника (кульковий або роликовий) буде опущений, а важливим є те, що розглядатися буде підшипник кочення. Таким чином, конструкція опор проміжного вала на основі сферичних підшипників кочення, як це виконано в прототипі, зумовлює збільшення маси і габаритів редукторів, від яких потрібна мала маса і компактність. Крім того, вартість сферичних підшипників кочення при однакових габаритних розмірах більш ніж в два рази перевищує вартість відповідних однорядних радіальних підшипників кочення. Що стосується зниженою компактності розглянутого прототипу, то завдання підвищення його компактності вирішується заміною в прототипі циліндричної першого ступеня на планетарну з відповідним передавальним відношенням.
Завданням цього винаходу є усунення недоліків прототипу шляхом виключення додаткових навантажень на проміжний вал і його підшипникові опори при збереженні переваг прототипу.
Поставлена задача вирішена наступним чином. Певною конструкції зубчастого редуктора, що містить зубчасті передачі та кінематично пов'язані з цими передачами вхідний і вихідний вали, а також проміжний вал, встановлений між вхідним і вихідним валами і спирається хоча б на одну сферичну подшипниковую опору, при цьому вихідний вал редуктора входить до складу планетарної передачі, відповідно до даного винаходу, сферична підшипникова опора виконана у вигляді радіального підшипника кочення, у внутрішнє кільце якого встановлений сферичний елемент, виконані й як мінімум на одному зі згаданих валів і пов'язаний зі згаданим внутрішнім кільцем радіального підшипника кочення рухомим чином.
Таке нове технічне рішення всією сукупністю суттєвих ознак дозволяє зменшити габарити, знизити масу зубчастого редуктора і, зберігаючи переваги прототипу, знизити його вартість.
Таким чином, суть пропонованої конструкції полягає в тому, що функції сприйняття радіальних навантажень і компенсації переміщень розділені між радіальним підшипником кочення і сферичним елементом валу, при цьому функції компенсації взаємних кутових і лінійних переміщень валів суміщені шляхом утворення на валу сферичної поверхні, яка контактує з посадочної поверхнею внутрішнього кільця зазначеного радіального підшипника кочення, що в порівнянні з прототипом є істотною відмінністю справжнього винахідн ня.
Заявляється сукупність істотних ознак була виявлена в патентному фонді і в фондах науково-технічної інформації. Тому пропоноване винахід можна визнати новим.
Заявляється конструкція зубчастого редуктора відповідає критерію патентоспроможності «винахідницький рівень», так як пропоноване технічне рішення для фахівця явно не випливає з рівня техніки.
Сутність заявляється конструкції зубчастого редуктора пояснюється фігурою, згідно з якою зубчастий редуктор забезпечений двигуном 1 (електро-, пневмо-, гідродвигуном без зміни суті викладу), містить корпус 2, в якому зібрана вся конструкція редуктора. Вхідний вал 3 першого ступеня 4 закріплений на валу двигуна 1. Ступінь 4 виконана, наприклад, у вигляді планетарної передачі типу 3К. Проміжний вал 5 кінематично з'єднує першу сходинку 4 з другим ступенем 6, яка також представляє собою планетарну передачу типу 3K з вихідним валом 7. Вхідний вал 3 має сферичний елемент 8, з яким пов'язаний своїм внутрішнім кільцем 9 радіальний підшипник кочення 10 проміжного вала 5 рухомим чином , наприклад, по рухомій посадці. З протилежного боку проміжного вала 5 виконаний сферичний елемент 11, який пов'язаний з внутрішнім кільцем 12 радіального підшипника кочення 13 вихідного вала 7 рухомим чином, наприклад, по рухомій посадці. Зовнішня навантаження 14 кінематично з'єднана з вихідним валом 7. На фігурі також показані деталі редуктора, що поєднують вищезазначені елементи в єдину конструкцію: корпусні деталі, зубчасті колеса, підшипники кочення, крім вищеописаних, кріплення, втулки та інші елементи, які не є предметом домагань.
Працює зубчастий редуктор, зображений на фігурі, в такий спосіб.
При включенні електродвигуна 1 він створює на вхідному валу 3 відповідні момент і обороти. Вхідний вал 3 обертає пов'язані з ним зубчастими передачами зубчасті колеса першого ступеня 4. Перший ступінь 4 перетворює момент і обороти вхідного вала 3 відповідно до свого передавальним відношенням в момент і обороти проміжного вала 5, який без змін передає обертання на другу сходинку 6 у вигляді планетарної передачі однієї з відомих схем. Вибір схеми планетарної передачі не є предметом винаходу, тому опис роботи планетарної передачі будь-якої відомої схеми є тривіальним і тут опущено. Другий ступінь 6 перетворює момент і обороти проміжного вала 5 у відповідності зі своїм передавальним відношенням в момент і обороти вихідного вала 7, який повідомляє їх зовнішньої навантаженні 14. У зв'язку з тим що двигун 1, перша 4 і друга 6 ступені, а також вихідний вал 7 встановлені в корпусі редуктора 2 на різні посадочні поверхні, проміжний вал 5 виконує не тільки функцію передачі моменту і оборотів від першого ступеня 4 до другого ступеня 6, а й компенсує виникаючі технологічні погрішності кутового положення, взаємні ексцентриситети, а також похибки поздовжнього розташування ступенів зубчастих передач. Це досягається тим, що радіальний підшипник кочення 10 проміжного вала 5 пов'язаний своїм внутрішнім кільцем 9 зі сферичним елементом вхідного вала 8, а сферичний елемент проміжного вала 11, в свою чергу, пов'язаний з внутрішнім кільцем 12 радіального підшипника кочення 13 вихідного вала 7.
Для забезпечення рухливості з'єднання відповідного сферичного елемента вала з відповідною посадкової поверхнею внутрішнього кільця радіального підшипника кочення їх взаємна посадка повинна бути рухливою, наприклад ковзної. Кулькові радіальні підшипники кочення допускають при своїй експлуатації невеликий, до восьми кутових хвилин, кутовий люфт (см., Наприклад, довідник-каталог «Підшипники кочення» під ред. В.Н.Наришкіна і Р.В.Коросташевского, М., «Машинобудування », 1984, табл.76 на стор.88). Тому в реальному конструкції зубчастого редуктора в залежності від технологічно розташовується точності виготовлення може знадобитися лише одна сферична опора проміжного вала.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Зубчастий редуктор, що містить зубчасті передачі та кінематично пов'язані з цими передачами вхідний і вихідний вали, а також проміжний вал, встановлений між вхідним і вихідним валами і спирається хоча б на одну сферичну подшипниковую опору, при цьому вихідний вал редуктора входить до складу планетарної передачі, що відрізняється тим, що сферична підшипникова опора виконана у вигляді радіального підшипника кочення, у внутрішнє кільце якого встановлений сферичний елемент, виконаний як мінімум на одному зі згаданих вал ів і пов'язаний зі згаданим внутрішнім кільцем радіального підшипника кочення рухомим чином.
