BR102015010602B1

BR102015010602B1 - Acionamento harmônico, e, sistema de acionamento harmônico

Info

Publication number: BR102015010602B1
Application number: BR102015010602-5A
Authority: BR
Inventors: Derick Balsiger
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corporation
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2023-10-31
Also published as: CA2890716C; CA2890716A1; US20150354686A1; CN105351450A; US9394984B2; CN105351450B; BR102015010602A2

Abstract

acionamento harmônico, e, sistema de acionamento harmônico um acionador harmônico é proporcionado e inclui uma engrenagem anular harmônica dentada, um gerador de onda harmônica que inclui um elemento de rotor que inclui um perfil de onda de três lóbulos exteriores, e um elemento de estator configurado para acionar a rotação do elemento de rotor. o acionador harmônico inclui ainda uma espinha flexível harmônica radialmente interposta entre a engrenagem anular harmônica e o elemento rotor. a espinha flexível harmônica inclui uma porção dentada e um elemento de mancal suportando de modo rotativo o elemento de rotor dentro da porção dentada. a porção dentada está disposta para nivelar com a engrenagem anular harmônica dentada em três pontos de contato definidos pelo perfil de onda de três lóbulos exteriores de acordo com a rotação do elemento de rotor.

Description

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[001] O objeto aqui divulgado refere-se a um acionador harmônico de três pontos e, mais particularmente, a um acionador harmônico de três pontos de uma máquina elétrica.

[002] As engrenagens de acionamento harmônico são engrenagens de onda de deformação que podem melhorar certas características em relação aos sistemas tradicionais de engrenagens. As vantagens de engrenagens de acionamento harmônico incluem nenhuma folga, compactação e peso leve, altas razões de transmissão, razões reconfiguráveis dentro de um alojamento padrão, boa resolução e excelente repetibilidade quando reposicionando cargas de inércia, alta capacidade de torque e eixos de entrada e saída coaxial. Razões altas de redução de engrenagem são possíveis em um pequeno volume (uma razão de 30:1 até 320:1 é possível no mesmo espaço em que as engrenagens planetárias tipicamente apenas produzem uma proporção de 10:1). As engrenagens de acionamento harmônico são normalmente utilizadas no controle industrial de movimento, ferramenta de máquinas, máquina de impressão, robótica e aeroespacial para redução de engrenagem, mas também podem ser usadas para aumentar a velocidade de rotação, ou para engrenagens diferenciais.

[003] O acionador harmônico típico contém um gerador de ondas com um arranjo de contato de dois pontos. Normalmente, esta estrutura é fornecida para aumentar a razão de transmissão do acionador harmônico. No entanto, dois arranjos pontuais são instáveis radialmente e exigem rolamentos adicionais para apoiar o alinhamento radial.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[004] De acordo com um aspecto da invenção, um acionador harmônico é proporcionado e inclui uma engrenagem em anel harmônico dentado, um gerador de onda harmônica que inclui um elemento de rotor, que inclui um perfil de onda externa que tem pelo menos três lóbulos, e um elemento de estator configurado para acionar a rotação do elemento de rotor, e uma espinha flexível harmônica radialmente interposta entre a engrenagem anular harmônica e o elemento de rotor e que inclui uma porção dentada e um elemento de mancal suportando de modo rotativo o elemento de rotor dentro da porção dentada. A porção dentada está disposta para nivelar com a engrenagem anular harmônica dentada em pontos de contato correspondentes aos lóbulos definidos pelo perfil de onda de acordo com a rotação do elemento de rotor.

[005] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, a engrenagem anular dentado harmônico e a porção dentada da espinha flexível harmônica têm números diferentes de dentes.

[006] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, o elemento de rotor inclui um elemento de base anelar, incluindo o perfil de onda externa e um arranjo anular de materiais magnéticos permanentes acoplados a um diâmetro interno do elemento de base anelar.

[007] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, o elemento de estator inclui um cubo, uma pluralidade de raios que se prolongam radialmente para fora a partir do cubo e os elementos condutores enrolados em torno do raio, para formar os enrolamentos.

[008] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, o elemento de mancal inclui um mancal de rolos.

[009] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, a espinha flexível harmônica inclui ainda uma pista de rolamento flexível que tem diâmetros interior e exterior, sendo o diâmetro interior disposto para contatar com o elemento de rolamento, e o diâmetro exterior, conferindo suporte à porção dentada.

[0010] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, a espinha flexível harmônica inclui aço de mola e está dimensionada de tal forma que a deflexão da mesma é menor do que um limite de fadiga elástica.

[0011] De acordo com outro aspecto da invenção, um acionador harmônico é proporcionado e inclui uma engrenagem anular harmônica incluindo uma primeira porção dentada disposta em torno de um eixo de rotação, um gerador de ondas harmônicas disposto em torno do eixo de rotação e tendo porção central e porções exteriores, a porção exterior incluindo um elemento de rotor, incluindo um perfil externo de onda tendo pelo menos três lóbulos que se prolongam radialmente para fora, e a porção central, incluindo um elemento de estator configurado para acionar rotação do elemento de rotor em torno do eixo de rotação e uma espinha flexível harmônica radialmente interposta entre a engrenagem anular harmônica e o elemento rotor. A espinha flexível harmônica inclui uma segunda porção dentada e um elemento de rolamento de suporte rotativo do rotor dentro da segunda porção dentada. A segunda porção dentada está disposta a registrar com a primeira porção dentada em pontos de contato definidos pelo perfil externo de onda de acordo com a rotação do elemento de rotor.

[0012] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, a primeira e segunda porções dentadas têm números diferentes de dentes.

[0013] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, o elemento de rotor inclui um elemento de base anelar, incluindo o perfil de onda externa e um arranjo anular de materiais magnéticos permanentes acoplados a um diâmetro interno do elemento de base anelar.

[0014] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, o elemento de estator inclui um cubo, uma pluralidade de raios que se prolongam radialmente para fora a partir do cubo e os elementos condutores enrolados em torno do raio, para formar os enrolamentos.

[0015] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, o elemento de mancal inclui um mancal de rolos.

[0016] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, a espinha flexível harmônica inclui ainda uma pista de rolamento flexível tendo diâmetros interior e exterior, sendo o diâmetro interior disposto para contatar com o elemento de rolamento, e o diâmetro exterior, conferindo suporte à porção dentada.

[0017] De acordo com modalidades adicionais ou alternativas, a espinha flexível harmônica inclui aço de mola e está dimensionada de tal forma que a deflexão do mesmo é menor do que um limite de fadiga elástica.

[0018] De acordo com ainda outro aspecto da invenção, um sistema de acionamento harmônico é proporcionado e inclui o acionador harmônico descrito acima e os elementos do circuito pelos quais a corrente é aplicada ao elemento de estator para alimentar o acionamento da rotação do elemento de rotor. O sistema de acionamento harmônico é disponível em um acoplamento de uma estrutura de aeronave fixa e uma superfície de controle de voo de uma aeronave e está configurado para controlar o movimento da superfície de controle de voo em relação à estrutura fixa da aeronave.

[0019] Estas e outras vantagens e características serão mais evidentes a partir da seguinte descrição tomada em conjunto com os desenhos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0020] O objeto que é considerado como a invenção é particularmente salientado e distintamente reivindicado nas reivindicações no final do relatório descritivo. As precedentes e outras características e vantagens da invenção são evidentes a partir da seguinte descrição detalhada tomada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais: a Fig. 1 é uma vista axial de um acionador harmônico de acordo com modalidades; a Fig. 2 é uma vista lateral do acionador harmônico da FIG. 1 tomada ao longo da linha A-A; a Fig.3 é uma vista axial ampliada da porção cercada do acionador harmônico da FIG. 1, de acordo com modalidades; a Fig. 4 é uma vista axial dos elementos de estator e rotor do acionador harmônico da FIG. 1; e a Fig. 5 é uma vista lateral de uma estrutura de aerofólio em que o acionador harmônico da FIG. 1 é disponível.

[0021] A descrição detalhada explica modalidades da invenção, juntamente com vantagens e características, a título de exemplo com referência aos desenhos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0022] Acionamentos harmônicos muitas vezes incluem um gerador de ondas com um arranjo de contato de dois pontos para aumentar a razão de transmissão do acionador harmônico. Este arranjo de contato de dois pontos é estável para geradores de ondas monolíticos, mas quando um gerador de ondas não é monolítico ter apenas dois pontos de contatos pode ser radialmente instável e requerer mancais adicionais para suportar alinhamento radial. Assim, tal como será descrito abaixo, um acionador harmônico com um arranjo de contato de três pontos foi desenvolvido que mantém a estabilidade radial com um suporte de mancal menos robusto. Este acionador harmônico de três pontos pode ser aplicado em qualquer lugar que uma engrenagem harmônica poderia ser usada e seria altamente aplicável quando um atuador de alto torque e baixa velocidade seria desejável.

[0023] Com referência às FIGS. 1-4, um acionador harmônico de três pontos 10 é fornecido e inclui uma engrenagem anular harmônica 20, um gerador de onda harmônica 30 e uma espinha flexível harmônica 40. A engrenagem anular harmônica 20 inclui uma primeira porção dentada 21 e disposta em torno de um eixo de rotação W, com os dentes individuais 210 que se prolongam radialmente para dentro. O gerador de onda harmônica 30 é disposto em torno do eixo de rotação W e tem uma porção central radial 31 e uma porção radial exterior 32 que estão separadas uma da outra por um intervalo radial G. A porção radial exterior 32 inclui um elemento de rotor 320 e a porção central radial inclui um elemento de estator 310. O estator elemento 310 está configurado para acionar rotação do elemento de rotor 320 em torno do eixo de rotação W formando desse modo uma configuração em que um motor elétrico está incorporado dentro de um acionador harmônico.

[0024] A espinha flexível harmônica 40 é radialmente interposta entre a engrenagem anular harmônica 20 e o elemento de rotor 320. A espinha flexível harmônica 40 pode ser formada de aço de mola, por exemplo, e é dimensionada de tal forma que a deflexão da espinha flexível harmônica 40 é menor do que o limite de fadiga elástica da espinha flexível harmônica 40 para um número infinito de deflexões. A espinha flexível harmônica 40 inclui uma segunda porção dentada 41 com dentes individuais 410 que se estendem radialmente para o exterior, um elemento de mancal 42 e uma pista de rolamento flexível 43 tendo diâmetros interno e externo. O diâmetro interno da pista de rolamento flexível 43 está disposto para contatar com o elemento de rolamento 42. O diâmetro externo da pista de rolamento flexível 43 confere suporte à segunda porção dentada 41.

[0025] Os dentes individuais 410 da segunda porção dentada 41 são cada um dispostos para nivelar com os dentes individuais 210 da primeira porção dentada 21 em três pontos de contato uniformemente distantes P1, P2 e P3 para definir um triângulo equilátero AX, que tem um centro geométrico no eixo de rotação W. De acordo com outras modalidades, deve-se entender que os dentes individuais 410 da segunda porção dentada 41 podem ser dispostos para nivelar com os dentes individuais 210 da primeira porção dentada 21 em mais do que três contato pontos.

[0026] De acordo com modalidades, os dentes individuais 210 da primeira porção dentada 21 e os dentes individuais 410 da segunda porção dentada 41 podem ser dimensionados na ordem de cerca de 0,015-0,030 polegada. Além disso, dentes individuais 210, 410 têm uma profundidade predefinida de modo que os lóbulos que se estendem radialmente para definir os pontos de contato P1, P2 e P3 sejam dimensionados para fazer com que a porção dentada 21 engate na porção dentada 41.

[0027] O número de dentes individuais 410 da segunda porção dentada 41 é menor do que o número de dentes individuais 210 da primeira porção dentada 21. Essa diferença no número de dentes individuais 410, 210 define uma razão de transmissão do acionamento harmônico 10 (isto é, quanto menor for a diferença, maior é a proporção de engrenagem).

[0028] O elemento de mancal 42 pode ser fornecido como um mancal de rolos 421 incluindo uma série anular de rolos fixados um ao outro ao longo de um elemento de espinha. O elemento de rolamento 42 é configurado para suportar de forma rotativa o elemento de rotor 320 dentro de uma região interna definida pela segunda porção dentada 41.

[0029] De acordo com modalidades, o elemento de rotor 320 inclui um elemento de base anular 321, um arranjo anular de materiais magnéticos permanentes 322 que são, respectivamente, acoplados a um diâmetro interno do elemento de base anular 321 e um perfil de onda de três lóbulos exteriores 323 estendendo-se radialmente para fora a partir do elemento de base anular 321 para definir as respectivas localizações de pontos de contato P1, P2 e P3. De acordo com outras modalidades, o elemento de estator 310 inclui um cubo 311 que é formado para definir uma abertura através da qual um eixo ou elemento de suporte pode se estender, uma pluralidade de raios 312 se estendendo radialmente para fora do cubo 311 e elementos condutores 313 que são enrolados em torno dos raios 312 para formar os enrolamentos.

[0030] Conforme mostrado na FIG. 4, o perfil de onda de três lóbulos externos 323 do elemento de rotor 320 inclui uma primeira porção convexa (ou lóbulo) 3231, uma segunda porção convexa (ou lóbulo) 3232 e uma terceira porção convexa (ou lóbulo) 3233. Quando o gerador de onda harmônica 30 é ativado, a corrente é aplicada aos elementos condutores 313 de tal modo que um fluxo de campo é gerado e esse fluxo de campo interage com os materiais magnéticos permanentes 322 para fazer com que o elemento de rotor 320 gire em torno do eixo W de rotação em uma primeira direção. Durante tal rotação, a primeira, segunda e terceira porções convexas 3231, 3232, 3233 empurram para fora contra a espinha flexível harmônica 40 e fazem com que a espinha flexível harmônica 40 desvie radialmente para fora de tal modo que os dentes individuais locais 410 nivelem com os dentes individuais locais 210 para formar o primeiro, segundo e terceiro pontos de contato P1, P2 e P3, respectivamente. Isto, por sua vez, faz com que a engrenagem anular harmônica 20 gire sobre o eixo de rotação W em uma segunda direção, que é oposta à primeira direção. A rotação continuada do elemento de rotor 320 na primeira direção resulta assim na rotação continuada da engrenagem anular harmônica 20 na segunda direção, com a diferença no número de dentes individuais 410, 210 definindo uma diferença de velocidades de rotação relativas do elemento de rotor 320 e da engrenagem anular harmônica 20.

[0031] Conforme mostrado na FIG. 2 e em um sistema de acionamento harmônico 1, elementos de circuito 50 podem ser acoplados ao elemento de estator 310. Os elementos de circuito 50 podem incluir elementos de terra 51 e elementos de saída 52 pelos quais a corrente pode ser aplicada aos elementos condutores 312 do elemento estator 310 para alimentar o acionamento da rotação do elemento de rotor 320.

[0032] Com referência à FIG. 5, o sistema de acionamento harmônico 1 da FIG. 2 pode ser operacionalmente disposto em um sistema de controle de voo de uma aeronave ou de um giroavião. Isto é, num caso em que a aeronave inclui uma estrutura fixa de aeronave, tal como uma asa 2 e uma superfície de controle de voo móvel, tal como um aileron 3, o acionamento harmônico de três pontos 10 do sistema de acionamento harmônico 1 pode ser disposto em um acoplamento da asa 2 e do aileron 3 e pode ser configurado para controlar uma articulação do aileron 3 em relação à asa 2. Como mostrado nas FIGS. 1 e 5, a asa 2 inclui uma longarina de asa 4 à qual um braço de terra 6 do elemento estator 310 do acionador harmônico de três pontos 10 é conectado e o aileron 3 inclui um longarina de aileron 5 que é conectada a um braço de saída 7 da engrenagem anular harmônica 20 do acionador harmônico de três pontos 10. A asa 2 pode incluir ainda mancais dispostos para manter uma posição axial do acionador harmônico de três pontos 10. Mais particularmente, a asa 2 pode incluir mancais dispostos para manter posições axiais relativas da engrenagem anular harmônica 20, do gerador de onda harmônica 30 e da espinha flexível harmônica 40.

[0033] Com o aileron 3 em uma condição de zero-articulação, as respectivas superfícies superior e inferior da longarina de asa 4 e da longarina de aileron 5 estão alinhadas. No entanto, quando o gerador de onda harmônica 30 é ativado, o elemento de rotor 320 pode ser acionado de uma das duas direções de articulação. Este acionamento do elemento de rotor 320 faz a engrenagem anular harmônica 20 girar em torno do eixo de rotação W e, por sua vez, a rotação da engrenagem anular harmônica 20 é transmitida para a longarina de aileron 5 através do braço de saída 7 para, desse, modo fazer com que a longarina de aileron 5 gire em torno do eixo de articulação do aileron. De acordo com modalidades, o eixo de articulação do aileron pode ser definido de modo coaxial com o eixo de rotação W. A rotação da longarina de aileron 5 pode estar em direções positivas ou negativas, em conformidade com as condições de voo da aeronave associada. Deve ser entendido que outras superfícies de controle de voo, tais como elevadores, lemes, aerofólios auxiliares, spoilers, etc., podem ser controladas usando o sistema de acionamento harmônico.

[0034] Embora a invenção tenha sido descrita em detalhes em relação com apenas um número limitado de modalidades, deve ser prontamente entendido que a invenção não está limitada a tais modalidades divulgadas. Em vez disso, a invenção pode ser modificada para incorporar qualquer número de variações, alterações, substituições ou disposições equivalentes, até agora não descritos, mas que são compatíveis com o espírito e escopo da invenção. Além disso, enquanto que várias modalidades da invenção tenham sido descritas, deve ser entendido que os aspectos da invenção podem incluir apenas algumas das modalidades descritas. Consequentemente, a invenção não deve ser considerada como limitada pela descrição anterior, mas é limitada apenas pelo escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. Acionamento harmônico, compreendendo: uma engrenagem anular harmônica (20) dentada; um gerador de ondas harmônicas que compreende um elemento de rotor (320), incluindo um perfil de onda externa tendo pelo menos três lóbulos e um elemento de estator (310) configurado para acionar rotação do elemento de rotor (320); uma espinha flexível harmônica (40) radialmente interposta entre a engrenagem anular harmônica (20) e o elemento de rotor (320) e que compreende uma porção dentada (41) e um elemento de mancal (42) suportando de modo rotativo o elemento de rotor (320) dentro da porção dentada (41); a porção dentada (41) sendo disposta para nivelar com a engrenagem anular harmônica (20) dentada em pontos de contato correspondentes aos lóbulos definidos pelo perfil de onda de acordo com a rotação do elemento de rotor (320); caracterizadopelo fato de que o elemento de rotor (320) compreende: um elemento da base anular (321) incluindo o perfil de onda; e um arranjo anular de materiais magnéticos permanentes (322) acoplados a um diâmetro interno do elemento de base anular (321).

2. Acionamento harmônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a engrenagem anular harmônica (20) dentada e a porção dentada (41) da espinha flexível harmônica (40) têm números diferentes de dentes.

3. Acionamento harmônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o elemento de estator (310) compreende: um cubo (311); uma pluralidade de raios (312) que se prolongam radialmente para fora a partir do cubo (311); e elementos condutores (313) enrolados em torno do raio, para formar os enrolamentos.

4. Acionamento harmônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de mancal (42) compreende um mancal de rolos (421).

5. Acionamento harmônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a espinha flexível harmônica (40) compreende ainda uma pista de rolamento flexível (43) que tem diâmetros interior e exterior, o diâmetro interno estando disposto para contatar com o elemento de apoio, e o diâmetro externo sendo de suporte da porção dentada (41).

6. Acionamento harmônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a espinha flexível harmônica (40) compreende aço de mola e está dimensionada de tal forma que a deflexão da mesma é menor do que um limite de fadiga elástica.

7. Sistema de acionamento harmônico, caracterizado pelo fato de que compreende o acionamento harmônico como definido na reivindicação 1 e elementos de circuito pelo qual corrente é aplicada ao elemento de estator (310) para alimentar o acionamento da rotação do elemento de rotor (320), o sistema de acionamento harmônico sendo disposto em um acoplamento de uma estrutura fixa de aeronave e uma superfície de controle de voo de uma aeronave e sendo configurado para controlar o movimento da superfície de controle de voo em relação à estrutura fixa de aeronave.