BR112017019159B1

BR112017019159B1 - Transmissão de alto torque

Info

Publication number: BR112017019159B1
Application number: BR112017019159-8A
Authority: BR
Inventors: Peter Elliot Armstrong; Andrew Duncan Mcphee
Original assignee: Nord-Lock Australia Pty Ltd
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2023-03-07
Also published as: CA2979029C; DK3268632T3; JP2018509579A; CA2979029A1; WO2016141407A1; JP6782717B2; EP3268632A1; CN107429797A; CN107429797B; US20180058544A1; BR112017019159A2; AU2015202820B1; US10598254B2; EP3268632A4; MX2017011421A; EP3268632B1; KR20170134417A; KR102503654B1

Abstract

Transmissão de alto torque contendo sem-fim e coroa. Os conjuntos de acoplamento são formados sobre a coroa compreendendo cada uma, uma esfera e uma capa recebendo uma porção da esfera. Cada capa é orientada em um ângulo agudo em direção ao giro do sem-fim em relação à periferia da coroa. A coroa apresenta um perfil cônico que complementa uma porção periférica da coroa. Consequentemente, as porções das esferas se engrenam com coroa e ficam livres para girar e, assim, reduzir as forças de cisalhamento entre coroa e a coroa em uso.

Description

CAMPO DE APLICAÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a coroa e parafuso sem-fim configurados como multiplicadores de torque mecânico para conferir torques altos a uma carga.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] Quaisquer referências a métodos, dispositivos ou documentos da técnica anterior não devem ser tomados como constituindo qualquer prova ou admissão de que eles formaram, nem fazem parte do conhecimento geral.

[003] Os mecanismos de sem-fim e engrenagens são conhecidos há séculos, usados em redução de velocidade, multiplicação de torque e aplicações gerais em que é necessária uma transmissão rotacional para rotacional.

[004] O mecanismo mais básico de sem-fim e engrenagem inclui um parafuso sem-fim de passo constante que se engrena com os dentes de uma engrenagem ou "coroa". Em tal mecanismo, apenas um dos dentes é forçado pela coroa a qualquer momento. Ou seja, o contato de engrenagem e coroa é restrito a um único ponto de contato que é um contato deslizante entre cada componente principal. Somente no ponto perpendicular exato entre a engrenagem e coroa o contato é feito e esse ponto suporta toda a força motriz do torque no contato deslizante.

[005] Sem-fins mais complexos, capazes de transmitir força ao longo de um arco mais longo entre a engrenagem e o parafuso sem-fim, são conhecidos e podem ser referidos como "helicoidal", em forma “de ampulheta" ou de "globo". Por exemplo, a patente US2338367 de Trbojevich descreve um parafuso sem-fim com perfil de globo truncado e afunilado projetado para acionar sua engrenagem de coroa tanto para a frente como para trás.

[006] Um problema que pode surgir em tal conjunto de coroa e parafuso sem-fim é o de desgaste indevido que ocorre entre os dentes de dito parafuso e a coroa.

[007] Uma abordagem para lidar com o problema do desgaste é descrita no pedido de patente europeia EP2251564A1 de Meko Seiki Inc., na qual a engrenagem helicoidal inclui ímãs periféricos, cada um das quais segura uma esfera para dentro de um respectivo soquete formado na coroa. As esferas engrenam com o parafuso sem-fim helicoidal de modo que haja um contato de rolamento entre o parafuso sem-fim e a engrenagem de coroa. Contudo, verificou-se que a fabricação de uma roda dentada com ímãs periféricos precisamente localizados requer um trabalho complexo. Além disso, os ímãs correm o risco de se tornarem desmagnetizados, caso em que as esferas não serão mais mantidas no lugar. Além disso, as esferas estão sujeitas a consideráveis forças de cisalhamento, que são indesejáveis.

[008] Outra abordagem para o contato de rolamento entre um parafuso sem-fim e uma engrenagem de coroa é apresentada na patente US20060156845 de Tong, em que as esferas circulam ao longo de uma trilha helicoidal do parafuso sem-fim e são circuladas novamente através de um túnel formado através delas. No entanto, o acionador de sem-fim descrito em Tong pode não ser capaz de transmitir altos torques do parafuso sem-fim para a coroa, como seria desejável em um multiplicador de torque para uso como uma chave ou um guincho.

[009] O documento de patente JPWO2013/141002 intitulado Worm Gear Device refere-se a um dispositivo para transmitir energia entre um parafuso sem-fim e uma coroa cujos dentes estão providos de cavidades onde ficam alojadas esferas. O contato ocorre entre as esferas e as laterais dos fios de rosca do parafuso sem-fim, o qual é configurado com formato de ampulheta, cujo contorno se ajusta à circunferência da coroa.

[010] O documento BE1016310 intitulado Worm Gear Transmission refere-se a uma coroa helicoidal rotativa em torno de um primeiro eixo e um parafuso helicoidal rotativo em torno de um segundo eixo, ambos sendo providos com esferas localizadas em torno da circunferência da superfície da roda helicoidal, onde as esferas transmitem forças entre primeiro e segundo eixos em engajamento mútuo.

[011] A patente JPH05302649 cujo título é Worm Reducer trata de um redutor que compreende um parafuso sem-fim fixado a um eixo de entrada e uma coroa presa a um eixo de saída, para reduzir uma velocidade de entrada. Os canais de esfera em forma de bobina formados no parafuso sem-fim em forma de ampulheta interagem com esferas contidas dentro de uma pluralidade de cavidades formadas na coroa. Consequentemente, a força de rotação do parafuso sem-fim pode ser transmitida para a coroa sem-fim.

[012] A patente US4665763 intitulada Worm Gear Drive refere-se a uma transmissão em que esferas giratórias são retidas em respectivas gaiolas igualmente espaçadas em torno de uma coroa. Os centros de cada gaiola estão em um círculo comum para engrenar com um canal sem-fim rolando em uma trilha definida por uma parede lateral. A trilha segue um contorno de ampulheta de diâmetro variável correspondendo a um contorno de raio igual ao do círculo comum.

[013] A patente US2338367 intitulada Worm Gearing refere-se a uma rosca sem-fim truncada que contata uma coroa em um plano deslocado no qual os contornos transversais de um dente em ambos os membros são feitos assimétricos com a finalidade de equalizar substancialmente os raios normais de curvatura nos lados opostos das convoluções da rosca em seu plano médio . Isso torna esse mecanismo adaptado para acionamento tanto na direção para frente quanto para trás com uma capacidade de torque substancialmente igual.

[014] É um objetivo da invenção fornecer um conjunto de coroa e parafuso sem-fim aperfeiçoado que seja capaz de operar com altos níveis de torque.

DESCRIÇÃO GERAL

[015] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é provido um acionador que inclui um parafuso sem-fim e uma coroa compreendendo:

[016] uma pluralidade de conjuntos de engrenamento providos na coroa compreendendo, cada um, uma esfera e uma concha que recebe uma porção da esfera, cada concha estando orientada em um ângulo agudo em relação à periferia da referida coroa;

[017] em que o parafuso sem-fim apresenta um perfil lateral côncavo que complementa uma porção periférica da coroa;

[018] pel o que as porções das esferas se encaixam no parafuso sem-fim e ficam livres para girar, reduzindo assim as forças de cisalhamento entre o parafuso sem-fim e a coroa.

[019] De preferência, o parafuso sem-fim compreende pelo menos uma rosca helicoidal que define uma trilha para a esfera, sendo a trilha de perfil côncavo.

[020] O conjunto de coroa e parafuso sem-fim pode ser configurado como um multiplicador de torque em que uma rotação completa do parafuso sem-fim provoca uma rotação parcial da coroa em torno de seu eixo.

[021] Numa forma de realização preferida da invenção, o parafuso sem-fim engrena com pelo menos três conjuntos de engrenamento.

[022] De preferência, a coroa inclui uma formação para o rápido acoplamento a um elemento externo. Por exemplo, a formação pode compreender um soquete hexagonal.

[023] Numa forma de realização preferida da invenção, o conjunto de coroa e parafuso sem-fim é configurado como uma chave de soquete, em que a coroa inclui um encaixe para receber a cabeça de um parafuso.

[024] De preferência, o conjunto de coroa e parafuso sem-fim compreende uma carcaça que retém o parafuso sem-fim e a coroa em acoplamento mútuo.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[025] As características, formas de realização e variações preferidas da invenção são apresentadas na descrição detalhada seguinte que proporciona informações suficientes para que os especialistas da técnica realizem a invenção.

[026] A descrição detalhada não deve ser considerada como limitativa do escopo da descrição geral. A descrição detalhada fará referência a certo número de desenhos conforme se segue:

[027] A Figura 1 é um corte transversal de um conjunto de coroa e parafuso sem-fim, de acordo com uma forma de realização preferida da presente invenção.

[028] A Figura 1A é uma visão explodida da coroa da Figura 1.

[029] A Figura 2 é uma vista lateral de um parafuso sem-fim do conjunto ilustrado na Figura 1.

[030] A Figura 3 é uma vista isométrica do conjunto de coroa e parafuso sem-fim da Figura 1 com a carcaça removida.

[031] A Figura 4 é um detalhe de um corte transversal de um conjunto de engrenamento do mecanismo do conjunto de coroa e pinhão da Figura 1.

[032] A Figura 5 é uma vista lateral do conjunto de coroa e parafuso sem-fim da Figura 1 com a carcaça removida.

[033] A Figura 6 é uma vista detalhada em corte de uma parte de um conjunto de coroa e parafuso sem-fim de acordo com uma segunda forma de realização da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS REALIZAÇÕES PREFERIDAS

[034] Com referência agora à Figura 1, é mostrado um corte transversal do conjunto da invenção. As Figuras 2 e 3 são respectivamente vistas lateral e isométrica do conjunto de coroa e parafuso sem-fim 1 com a carcaça 7 removida para maior clareza.

[035] Deve-se notar que os conjuntos de engrenamento 9a,...9n da coroa 5 são constituídos, cada um, por suportes formados integralmente nas conchas 11a,...11n. As conchas recebem uma esfera 13a,...13n. Na forma de realização preferida presentemente descrita, cada esfera 13a,...13n é livre para rodar na sua respectiva concha. A Figura 1A é uma vista explodida da coroa mostrando as esferas fora de suas respectivas conchas.

[036] Cada esfera 13a,...13n tem uma porção de sua superfície voltada para fora a partir de sua respectiva concha 11a,...11n de modo a apresentar uma face esférica para o parafuso sem-fim 3.

[037] Conforme mostrado na Figura 2, o parafuso sem-fim 3 é configurado com um primeiro e um segundo fios de rosca 15, 17, cada um originando-se na região proximal do parafuso sem-fim 15a, 17a adjacente à haste 4 até a extremidade distal 15n, 17n ou seja, a ponta 6 do parafuso sem-fim. Conforme indicado pelas linhas tracejadas 19, 21, as roscas 15, 17 apresentam um perfil lateral côncavo. Esse perfil lateral do parafuso sem- fim 3 é complementar ao contorno de periferia da coroa 5 onde se situam os conjuntos de engrenamento 9a,...9n, pelo que as porções salientes das esferas 13a,...13n engrenam com uma trilha côncava 23 que corre entre os fios de rosca 15, 17 e é delimitada pelos mesmos.

[038] Com referência novamente à Figura 1, as esferas 13a,...13n são retidas na coroa 5, quer pelos encaixes em suas respectivas conchas 11a,...11n, quer por uma trilha de rolamento 31 que é formada na carcaça 7 a qual circunda parte da coroa 5, e retidas no parafuso sem-fim 3 pela trilha 23.

[039] Na forma de realização preferida da invenção ora descrita da invenção, a trilha 23 se engrena com quatro conjuntos de engrenamento 9a,...9d da periferia da coroa.

[040] Com referência novamente à Figura 1, o parafuso sem-fim 3 inclui uma formação, ou seja, um soquete hexagonal 25 para o rápido encaixe de um elemento de manuseio, tal como uma alça alongada (parte da qual referenciada como 4 na Fig. 2).

[041] Na forma de realização preferida ora descrita, o conjunto 1 de coroa e parafuso sem-fim é configurado como uma chave de boca e, por conseguinte, a coroa 5 inclui um soquete central 27 para girar a cabeça de um parafuso. O conjunto de coroa e pinhão 1 é configurado como um multiplicador de torque, em que uma rotação completa do sem-fim 3 provoca uma rotação parcial da coroa 5 em torno do seu eixo.

[042] Com referência à Figura 3, quando em uso, o parafuso sem-fim 3 é girado em torno de seu eixo 29 na direção indicada pela seta 32. À medida que o parafuso sem-fim 3 gira, as faces esféricas das esferas 13a,...13n dos conjuntos de engrenamento 9a,...9n da coroa 5 se engrenam com a trilha 23 do parafuso sem-fim e são assim forçadas em torno do eixo 33 da roda da coroa 5 na direção indicada pela seta 35.

[043] A porção do fio de rosca de maior diâmetro 15a (mostrada na Fig. 2) proporciona maior força do parafuso sem-fim contra os conjuntos de engrenamento porque essa porção do fio de rosca 15a possui maior raio e menor ângulo de inclinação relativamente ao plano perpendicular ao eixo 29 desse parafuso (referenciado na Fig. 3). Conforme pode ser visto na Figura 2, o ângulo de inclinação diminui da extremidade distal 6 do parafuso sem-fim para sua extremidade proximal. Por exemplo, o ângulo de inclinação θ1, da segunda rosca para o dito plano na região proximal, é menor do que θ2 que é o ângulo de inclinação dessa rosca junto à extremidade distal 6 do parafuso sem-fim 3.

[044] À medida que o parafuso sem-fim 3 gira, alinha uma esfera para cada rotação. Consequentemente, se houver quinze conjuntos de engrenamento sobre a coroa 5, conforme mostrado na Figura 1, então a razão de multiplicação de torque é de 15: 1.

[045] À medida que as faces das esferas 13a,...13n se engatam com a porção de trilha de maior diâmetro 23a, as esferas 13a,...13n tendem a rodar mais rapidamente dentro das respectivas conchas 11a,...11n. Isto é devido ao fato de que porção 23a dessa trilha, que é mais próxima da haste 4 do parafuso sem-fim 3, formar uma área de contato maior com cada face esférica das esferas 13a,...13n do que é o caso para a porção de trilha 23n próxima à extremidade 6, cujo diâmetro é menor.

[046] Conforme pode ser visto na Figura 1, na forma de realização da invenção ora descrita, quatro esferas (13a, 13b, 13c, 13d na imagem ilustrada na Figura 1) se engrenam com a trilha 23 do sem-fim 3. Cada uma das esferas está em contato com a trilha do parafuso sem-fim e também com a respectiva concha 11a,...11d.

[047] Com referência à Figura 4, na forma de realização ora descrita, cada concha esférica 11a,...11d está orientada num ângulo agudo de θ3 (cerca de 60 graus) com a circunferência da coroa 5. A inclinação da concha permite que uma linha de força superior 10 seja transmitida a partir do parafuso sem-fim 3 para a coroa e depois através do soquete 27 para o dispositivo conectado, por exemplo, uma cabeça de parafuso). A linha central da concha (mostrada interrompida na Figura 4) está inclinada na direção da trilha do sem-fim, para maximizar a força de impulso para fora do sem-fim 3 em uma direção rotacional, ou seja, a direção indicada pelas setas 32, 35 na Figura 5. Além disso, a trilha 15 (conforme mostrada em detalhes na Figura 4) é moldada de modo que tende a interagir com as esferas de modo que a engrenagem seja impelida em direção à rosca sem-fim 3, o que ajuda a manter um acoplamento apertado entre coroa e o parafuso sem-fim.

[048] Orientar as capas 11a,...11d no ângulo de ataque θ3 sujeita as esferas 13a,...13n à força de compressão, em vez da força de cisalhamento, a partir da trilha 23 do parafuso sem- fim 3. Dessa forma, as conchas 11a,...11n não se desgastam de um lado. O ângulo das conchas fornece um suporte de apoio unidirecional que minimiza a força de separação que ocorre com os dispositivos conhecidos de parafuso sem-fim e coroa. Os ângulos das conchas também ajudam a função do conjunto 1 de coroa e parafuso sem-fim, proporcionando uma força de separação muito baixa entre os componentes originais, isto é, o parafuso sem-fim e a coroa, enquanto operam sob um torque extremo. Nesse caso, permitindo que a coroa 5 suporte a carga de separação completa sem necessidade de rolamentos adicionais.

[049] Se, em vez de usar uma concha em ângulo, fosse usada uma concha esférica plana alinhada à circunferência da coroa, então as esferas estariam submetidas a uma carga de cisalhamento e, portanto, a concha receberia força lateral, de modo que a transmissão de elevados esforços de torque seria acompanhada de altas forças de separação. Tais forças tenderiam a afastar mutuamente a coroa e o parafuso sem-fim. Tal disposição, portanto, resultaria em elevadas forças de separação que são encontradas em unidades de 90 graus conhecidas da técnica, onde o parafuso sem-fim e a engrenagem da coroa tendem a se separar e, como resultado, são muito ineficientes.

[050] Na concretização descrita anteriormente, as esferas ficam livres para girar nas conchas. No entanto, os inventores descobriram que é possível fazer os conjuntos de engrenamento com a esfera 13 e a concha 11 como uma única peça sólida, conforme mostrado na Figura 6. Nesse caso, a face salienta da esfera 13 é formada integralmente com a capa 11 e não há contato contínuo. Em vez disso, os conjuntos de acoplamento 9' atuam mais à maneira de dentes convencionais de engrenagem e devem ser bem lubrificados, de modo que não ocorra excesso de desgaste da trilha do parafuso sem-fim. Esta segunda forma de realização é consideravelmente menos desejável do que a forma de realização exemplificativa que foi aqui apresentada com referência à Fig. 1, por exemplo.

[051] Embora o mecanismo do conjunto exemplificativo de coroa e parafuso sem-fim tenha sido descrito no contexto de uma chave de torque, conforme ilustrado na Figura 1, ele pode ser usado em outras aplicações em que são necessários mecanismos de transmissão de torque altos, como caixas de engrenagens redutoras de velocidade e guinchos.

[052] Deve-se notar que a descrição acima identifica pelo menos um uso específico, substancial e confiável para a invenção.

[053] De acordo com as normas gerais de redação de patentes, a invenção foi descrita em linguagem adequada com respeito às características estruturais.

[054] O termo "compreende" e suas variações, tais como "compreendendo" e "compreendido por" é usado com um sentido inclusivo e não de exclusão de quaisquer características adicionais. Deve-se entender que a invenção não está limitada às características específicas mostradas ou descritas, já que os meios aqui descritos compreendem as formas preferenciais de realizar invenção e fazê-la funcionar. A invenção é, por isso, reivindicada em qualquer de suas formas ou modificações dentro do âmbito apropriado das reivindicações anexas devidamente interpretadas pelos técnicos da área.

[055] Ao longo do relatório descritivo e reivindicações, salvo disposições em contrário, o termo "substancialmente" ou "cerca" deverão ser entendidos sem se limitar ao valor para de faixas qualificadas pelos termos utilizados.

[056] Ao longo da descrição e reivindicações desta especificação, o singular abrange o plural, a menos que o contexto exija de outra forma. Em particular, onde o artigo indefinido for usado, a especificação deve ser entendida como contemplando a pluralidade e a singularidade, a menos que o contexto exija outra coisa.

[057] Qualquer forma de realização da invenção destina-se a ser apenas ilustrativa e não se destina a ser limitativa da invenção. Por conseguinte, deve ser entendido que várias outras alterações e modificações podem ser feitas em qualquer forma da realização descrita, sem que se afaste do espírito e do âmbito da invenção.

Claims

1. Transmissão de alto torque (1) consistindo num parafuso sem- fim (3) que se engrena com uma coroa (5), compreendendo uma pluralidade de conjuntos de engrenamento (9a,...9n) formados por uma pluralidade de esferas (13a,...13n) e uma pluralidade de conchas (11a,...11n), ditos conjuntos de engrenamento estando distribuídos ao longo do perímetro de dita coroa, onde cada conjunto de engrenamento é formado por uma dita concha tendo uma cavidade na qual se encaixa uma dita esfera, caracterizada pelo fato de que a linha central da cavidade, que se estende através do centro da esfera nela encaixada, intercepta a tangente da periferia da coroa segundo um ângulo agudo (θ3), e onde dito parafuso sem-fim (3) afunila-se em direção à sua extremidade distal (6) apresentando um perfil lateral côncavo complementar à porção periférica da coroa com a qual está em contato, dito parafuso sem-fim compreendendo uma trilha côncava (23) na qual se encaixam as esferas, onde as forças de cisalhamento entre o parafuso sem-fim e a coroa são minimizadas pela livre rotação das esferas encaixadas na dita trilha, onde a linha central da concha do conjunto de engrenamento está inclinada com relação ao parafuso sem-fim.

2. Transmissão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o parafuso sem-fim (3) compreender pelo menos um fio de rosca helicoidal (15, 17) que define uma trilha (23) para as esferas (13a,...13n), sendo a trilha de perfil côncavo.

3. Transmissão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato de ser configurada como um multiplicador de torque em que uma rotação completa do parafuso sem-fim (3) provoca uma rotação parcial da coroa (5) em torno do seu eixo (33).

4. Transmissão, de acordo com a qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizada pelo fato de o parafuso sem-fim (3) se acoplar com pelo menos três conjuntos de engrenamento (9a,...9n) da coroa (5).

5. Transmissão, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de o parafuso sem-fim (3) compreender uma formação (25) para encaixe rápido de um elemento de manuseio.

6. Transmissão, de acordo com a reivindicação 5 caracterizada pelo fato de ser configurada como uma chave de torque, em que a coroa (5) compreende um soquete (27) para receber uma cabeça de um parafuso.