CN100443778C - 用于泵的模块化齿轮传动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于将动力从马达传递到需要动力以工作的装置例如泵的模块化齿轮传动系统。该系统包括齿轮箱以及可连接在马达输出轴和泵的传动轴之间的第一和第二行星齿轮组组件。本系统可构造成单级模式或者多级模式，在该单级模式下第一齿轮组组件容纳在齿轮箱内以便在所述轴之间产生转速调节，在该多级模式下第一和第二齿轮组组件都容纳在齿轮箱内并串联连接以便产生不同的转速调节。该系统可灵活用于不同的速度和动力要求并适合多种马达。
Description
技术领域
本发明一般涉及用于改变机构的转速的变速系统，尤其涉及一种用于泵的模块化齿轮传动系统，该系统可灵活选择齿轮减速比和驱动马达。
背景技术
用于传送流体的机械泵用在多种可能需要各种动力源以进行工作的应用中。例如，工业企业生产设备中的泵可由交流(AC)电动马达有效地提供动力。安装在移动装置或矿用设备上的泵根据能利用的设备可能需要由有刷直流(DC)电机、无刷直流电机或液压马达来提供动力。通常，这些马达具有不同的运行特征，尤其是在给定功率下的转速。此外，根据特定的功能应用、流率要求、所泵送液体的粘度以及工作温度的范围，泵必须满足宽范围的功率和转矩条件。所述必须条件不是总能预先获知的。
理论上，泵应当适于连接到多种动力源组。不幸的是，许多泵不适于这种方式，从而其应用受到限制。通常，旋转传动轴接收来自马达的动力和转矩以便传递给泵。中间齿轮传动系统将由马达提供的转速降低为泵所需要的转速。由于这些参数的范围很宽，先前的泵通常都包括马达专用齿轮传动系统。这降低了将泵用于多种应用和多种马达的灵活性。
可参见PCT国际公开文献WO 00/11372，该文献示出一种具有多个齿轮模块的齿轮传动系统，所述齿轮模块均具有用于卡合连接到其它类似构造的齿轮模块上的弹簧夹。
发明内容
本发明的几个目的和特征是：提供一种用于传递动力并针对不同的速度和动力需求进行减速的齿轮传动系统；提供一种适于各种马达的齿轮传动系统；提供一种用于单级工作模式或者多级工作模式的模块化齿轮传动系统；提供一种可抑制磨损的齿轮传动系统；以及提供一种工作可靠的齿轮传动系统。
总的来说，本发明的模块化齿轮传动系统将动力从具有旋转输出轴的马达传递给需要动力并具有旋转传动轴的装置。该系统包括适于与所述马达和所述装置大致相邻地安装的齿轮箱，该齿轮箱包括限定一空腔的内壁。第一齿轮组组件可容纳在该空腔内并可操作性地连接在所述马达输出轴和所述装置的传动轴之间，以用于将动力从输出轴传递到传动轴并在所述轴之间产生第一转速调节，使得该传动轴以与该马达输出轴不同的转速转动。第二齿轮组组件可容纳在该空腔内并可操作性地与第一齿轮组串联连接，以用于传递动力并产生第二转速调节。该系统可构造成：1)单级模式，其中在所述空腔内容纳有第一齿轮组组件但没有第二齿轮组组件，以便产生第一转速调节；或者2)多级模式，其中第一齿轮组组件和第二齿轮组组件都容纳在所述空腔内并操作性地串联连接在马达输出轴和装置的传动轴之间，以便产生结合了第一和第二调节的转速调节。
另一方面，本发明的方法改变齿轮传动系统的工作模式，以用于改变当在马达的旋转输出轴和需要动力的装置的旋转传动轴之间传递动力时由齿轮传动系统提供的转速调节。该齿轮传动系统包括紧固在马达上并包括内壁的齿轮箱，该内壁限定一容纳有至少一个齿轮组组件的空腔。此方法包括将齿轮箱从马达上拆下以得以接近(出入)所述空腔的步骤以及改变由齿轮传动系统提供的转速调节的步骤。将一个或多个齿轮组组件与所述至少一个齿轮组组件串联安装在所述空腔内以增加齿轮传动的级数，或者将两个或更多齿轮组组件中的至少一个齿轮组组件从所述空腔中去除以减少齿轮传动的级数。所述空腔内的齿轮组组件与所述马达的输出轴或者不同的马达的输出轴相连。齿轮箱紧固在所述马达或者所述不同的马达上。
下面将部分地说明并指出本发明的其它目的和特征。
附图说明
图1是与泵和马达组装在一起的根据本发明的齿轮传动系统一个实施例的透视图；
图2是图1的组件的俯视图；
图3是图1组件的正视图；
图4是示出齿轮传动系统的部件的分解透视图；
图5是图1的组件的端视图，其中局部被去除；
图6是单级模式中的齿轮传动系统的端视图；
图7是沿图6中的线7-7的剖视图；
图8是多级模式中的齿轮传动系统的端视图；
图9是沿图8中的线9-9的剖视图；
图10是第一行星齿轮组组件的端视图，其中部分去除以示出内部结构；
图11是图10的第一行星齿轮组组件的侧视图；
图12是第二行星齿轮组组件的端视图，其中部分去除以示出内部结构；
图13是图12的第二行星齿轮组组件的侧视图；
图14是齿轮组垫圈的端视图；
图15是图14的齿轮垫圈的侧视图；
图16是单级模式中用于将马达连接到第一齿轮组组件的转接器的端视图；
图17是沿图16中的线17-17的剖视图；
图18是马达的侧视图；
图19是马达输出轴的端视图；
图20是泵的传动轴的侧视图；
图21是用于连接第一齿轮组组件和泵的传动轴的连接器的侧视图；
图22是与图4类似的分解图，但其具有不同类型的马达；以及
图23示意性地示出对第一齿轮组组件和传动轴之间的不对齐进行补偿的连接器。
在整个附图中，相同的参考符号指示相同的部件。
具体实施方式
现在参见附图尤其是图1和4，根据本发明的模块化齿轮传动系统的一个实施例整体上由标号30示出。齿轮传动系统30将动力从马达32传递到需要动力以进行工作的装置34。在示出的实施例中，装置34包括泵。然而，应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，该装置可以是任何需要动力的装置。齿轮传动系统30操作性地连接在马达的旋转输出轴36和泵的旋转传动轴38之间。该齿轮传动系统对所述轴之间的转速和转矩进行调节，使得传动轴38以与马达输出轴36不同的转速转动并且承载不同的转矩。齿轮传动系统30包括齿轮箱40、第一齿轮组组件42(例如行星齿轮组组件)和可选的第二齿轮组组件44。
齿轮箱40包括具有基本为圆筒状的内壁46的壳体(图7)，其在齿轮箱内限定了一空腔。如下所述，齿轮箱为一个、两个或更多齿轮组组件提供了公用壳体。齿轮箱的第一端-也称马达端48-适于安装到马达32上，而第二端50适于安装到泵34上。这样安装以后(如图1-3所示)，齿轮传动系统30、马达32和泵34就形成了一紧凑的组件。齿轮箱40优选地由适合的刚性材料例如铝合金一体铸造而成。可将用于减轻重量的空隙(未示出)设置在齿轮箱40内承受小载荷的位置，从而不会因在该空隙缺乏材料而降低齿轮箱的结构的完整性。
齿轮箱的马达端48(图6和图7)具有安装结构52，所述安装结构包括带有用于容纳紧固件56(图4)的开口54的突出部，以便将齿轮箱连接到马达上。安装结构52对应于两种不同的马达布置成两种不同的构型。在图4和图6所示的具体实施例中，安装结构52的三角形布置(间隔120度)容纳了三个紧固件56，并将齿轮箱安装到DC马达32上。这种布置对应于示例性的DC马达，具体如Motor Appliance Coporation，BrushlessMotor Company of St.Loius，Missouri，USA销售的34系列或36系列永磁无刷马达。参照图22，安装结构52的矩形布置(间隔90度)容纳了四个紧固件56，并将齿轮箱安装到AC马达58上。这种布置对应于示例性的AC马达，具体如Marathon Electric Manufacturing Corporation ofWausau，Wisconsin，USA销售的AC马达。在不脱离本发明的范围的情况下，也可以将安装结构52布置成其它形式，或者使用既适合DC马达又适合AC马达的单个公用安装结构52。
齿轮箱壳体40的马达端48具有一(凹)槽60(图4和6)，该槽适于容纳与马达32的外壳相接合的O型密封圈62。齿轮箱壳体的马达端48的一大致为圆形的开口64的尺寸设计成：在该齿轮箱与马达分离的情况下，有利于迅速将齿轮组组件42、44插入到空腔中或者从该空腔中取出。
齿轮箱壳体40的泵端50具有一大致为圆形的开口66，该开口小于马达端的开口。邻接开口66的安装边缘68具有多个用于容纳紧固件72(图4)的带螺纹的紧固件开口70，以便将第一齿轮组组件42固定在齿轮箱内。四个带有用于容纳紧固件78的开口76的安装突耳74从壳体的泵端50沿侧向突出出来，以便将齿轮箱连接到泵上。矩形键80(图6)沿空腔的内壁46轴向延伸，以便与各齿轮组组件42、44上的相应键槽82对齐(对准)，并防止齿轮组组件相对于齿轮箱40转动。应当理解，具有不同类型或形状的壳体或者安装布置的齿轮传动系统，或者不直接安装到马达或泵上的齿轮传动系统都不脱离本发明的范围。
所示实施例的泵34的功能是将润滑油从贮油器(未示出)输送到任何需要润滑的机构。该泵可通过泵行程往复运动并具有喷射器84，该喷射器84延伸进入可泵送的产品的供应源以泵送所述产品。泵34包括具有一体式安装结构88的泵壳体86(图4)，齿轮箱40可紧固到该安装结构88上。传动轴38由泵壳体中的轴承90支承而转动(图5)并与偏心器92相连接，该偏心器使泵管(未示出)相对于固定的柱塞往复运动，从而输送确定量的润滑剂。有关该泵的结构和工作方式的更多细节，可参考2000年8月15日公开的标题为“泵”的US专利No.6,102,676，所述专利在此被结合以作参考。应当理解，其它泵或装置也不脱离本发明的范围。
第一齿轮组组件42容纳在齿轮箱40内并操作性地连接马达输出轴36和泵的传动轴38，以将动力从输出轴传递到传动轴。第一齿轮组组件42在所述轴之间产生第一转速调节，使得传动轴38以与马达输出轴36不同的转速转动并承载不同的转矩。该调节取决于齿轮组组件中齿轮的布置和尺寸。通常，该调节是降低转速并相应地增大转矩。然而，也可将齿轮布置成提高输出速度而减小转矩、使输出方向颠倒或者不进行调节-即仅仅传递动力而基本不改变转速。
参照图10-13，第一齿轮组组件42的实施例是行星齿轮组，该行星齿轮组包括位于中心的太阳(齿)轮94、多个(优选三或四个)均具有向外的齿的行星齿轮96、外齿圈98以及行星齿轮架100，所述外齿圈98包围所述行星齿轮并具有可由所述行星齿轮啮合的向内的齿，所述行星齿轮架100将行星齿轮保持在相对于太阳轮和外齿圈的合适的位置上。行星齿轮96在外齿圈98内侧在绕太阳轮“行走”的同时绕自身的轴线自由转动。该组件的减速比通常在3∶1至7∶1之间，但也可以在该范围之外。太阳轮94与从组件的一侧延伸出来的在外部设有键槽(齿槽、齿条、花键)的短轴102相连。短轴102由太阳轮94支承并以马达输出轴36的转速转动，该短轴可与该太阳轮形成一体。在组件42的另一侧设有在内部设有键槽的插口104以用于与泵连接。该插口104与齿轮架100形成一体，并以已被齿轮组组件相对于马达输出轴的转速调节过的速度转动。外齿圈98上设有用于容纳紧固件72的紧固件孔106，以便将齿轮组组件固定在齿轮箱内。上述键槽82位于外齿圈98中以用于容纳齿轮箱的键80并防止外齿圈相对于齿轮箱转动。
齿轮组组件的一个示例为行星齿轮组组件，具体如Matex Products，Inc.of Cleveland，Ohio，USA分销的Model LGU 75-M烧结金属组件。Matex Co.，Ltd.Of Osaka，Japan的US专利No.4,617,839、No.4,674,360以及No.5,098,358中公开了类似的齿轮组组件。在不脱离本发明的范围的情况下，可使用其它样式和类型的齿轮组组件，包括非行星齿轮组组件。
第二齿轮组组件44(图12和图13)可容纳在齿轮箱壳体40的空腔内并操作性地与第一齿轮组组件串联，以用于传递动力并产生第二转速调节。第二齿轮组组件44基本与第一齿轮组组件42(例如行星齿轮组组件)相同，但该第二齿轮组组件具有一在内部设有键槽的插口108以及一相对的中心插口110，插口108用于容纳第一齿轮组组件的短轴102，插口110用于容纳马达的输出轴36。可将第二齿轮组组件44的齿轮设置成能对转速进行调节，所述调节或者与第一齿轮组组件42所提供的调节相同或与之不同。
在第一、第二齿轮组组件42、44的外齿圈98之间与所述外齿圈直接接合地安装有环形垫圈112(图14和图15)。垫圈112由合适的硬质材料例如金属或更优选地轻质塑料制成。该垫圈包含用于容纳齿轮箱的键80的键槽82以及用于容纳紧固件72的紧固件孔106。
本系统30可构造成不同的模式。第一种是单级模式(图7)：齿轮箱40内容纳有第一齿轮组组件42而没有第二齿轮组组件44，用以产生第一转速调节。第二种是多级模式(图5和图9)：第一齿轮组组件42和第二齿轮组组件44都容纳在齿轮箱40内，并操作性地串联连接在马达输出轴36和泵的传动轴38之间，用以产生结合了第一和第二调节的转速调节。正如本领域技术人员应理解的，总减速比通常是各级减速比的乘积。使用者可以根据需要动力的装置(例如泵)的具体功能要求和/或具体马达的要求，选择相应的齿轮传动组组件组合以获得所需要的减速比。还应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，多级模式可包括在齿轮箱中设置三个或更多齿轮组组件。
当将系统构造成单级模式时，转接器(适配器)114(图16和17)将马达输出轴36和第一齿轮组组件42相连。该转接器114包括套筒，该套筒的相对端部的尺寸和形状设计成可容纳马达输出轴36以及第一齿轮组组件的短轴102。转接器114具有内花键(齿条、齿槽、键槽)116并可具有任何适当的外形。值得注意的是，齿轮箱40的空腔在单级模式下只含有一个齿轮组。这与其中齿轮箱包含两个或更多齿轮组但只有一个齿轮组用于接合并完全工作的单级系统相比，重量更轻并且工作更可靠。
参见图18和19，马达输出轴36具有第一连接部118和第二连接部120，第一连接部118用于在构造成单级模式时接合齿轮传动系统30并将动力传递给该齿轮传动系统，第二连接部120用于在构造成多级模式时接合齿轮传动系统并将动力传递给该齿轮传动系统。输出轴的第一连接部118包括带有外花键122的轴段，该外花键122与转接器114的内花键116接合。
输出轴的第二连接部120包括在其一侧部上具有平面124的轴段。除了平面124外，该轴段的横截面大致为圆形。该横截面形状与第二齿轮组组件44的中心插口110相对应以便容纳在其中。第二连接部120离马达32的距离比离第一连接部118的距离远。通过设置所述第一和第二连接部，马达就可连接到齿轮传动系统而不必考虑齿轮传动系统的模式并能可互换地用于不同模式。
优选实施例中泵的传动轴38(图20)可围绕与第一齿轮组组件42的齿轮组轴线128(图11)相对应的中心轴线126转动。传动轴38的形状为成阶梯的圆柱形，其中的键130用于连接泵内的偏心器92。在传动轴的一端设有插口132(图20)。该插口132具有较宽的部分134和较窄的部分136，其中至少较窄的部分上设有键槽。中心轴线126和齿轮组轴线128是大致对齐的，并且在理想状态下应当重合。然而，马达、齿轮传动系统和泵的各部分的公差的累积可导致对预期对齐的轻微偏离。实际上，中心轴线和齿轮组轴线的偏离可达到0.3048mm。
在一个实施例中，包括连接轴的连接器138(图21)将第一齿轮组组件42与传动轴38相连接，并用于对中心轴线126和齿轮组轴线128的不对齐进行补偿。连接轴包括邻近其一个端部以用于接合传动轴的第一传动部140，以及邻近其相对的端部以用于接合第一齿轮组组件42的第二传动部142。第一传动部140在外部设有键槽，并且该传动部的尺寸设计成能容纳到泵传动轴的插口132中-具体为该插口的较窄部分136中。第二传动部142在外部设有键槽，并且该传动部的尺寸设计成能容纳到第一齿轮组组件42的插口104中。第一和第二传动部沿轴向隔开距离D(图23)。例如，该间距D可在12.7mm至76.2mm之间，优选为大约38.1mm。
如果泵传动轴的中心轴线126和齿轮组轴线128不对齐，则连接轴138弥补该不对齐。连接器上的轴向间距可以减小形成于连接器138和轴线126、128之间的夹角A(在图23中放大并示意性地示出)，从而形成比无显著轴向间距的连接器所形成的角小的角。例如，在一个实施例中，连接器的轴向间距将角A从2.0至3.5度减小到了0.4度。这可减少系统在转动时的径向“摆动”，抑制接合部件之间的相对运动，促进自动对齐并减少对连接器、传动轴和第一齿轮组组件的磨损。因此，连接器138提高了耐久性和工作的可靠性。
本发明的齿轮传动系统30在使用时能够选择较大范围的减速比以及多种类型的马达。根据具有期望减速比的齿轮组组件，可选择单级模式或多级模式。
如果需要改变工作模式以变更由齿轮传动系统提供的转速调节，则将齿轮箱40从马达32上松开以得以接近空腔。然后使用者可通过将齿轮组组件与已容纳在空腔内的齿轮组组件42串联安装来增加齿轮传动系统的级数。或者，使用者可通过从空腔内去除齿轮组组件以减少齿轮传动系统对转速的调节来减少齿轮传动系统的级数。然后，使用者可将马达输出轴36与空腔内的齿轮组组件相连。如果空腔内安装有一个以上的齿轮组组件，则将马达的输出轴直接插入齿轮组组件上相应的插口110中。如果空腔内只有一个齿轮组组件，则使用中间转接器114来将马达输出轴36与第一齿轮组组件42的短轴102相连接。然后，使用者再将齿轮箱紧固到马达32上。如果使用者还希望更换马达-例如将DC马达32换成AC马达58或相反，则可通过放置在与新马达对应的不同位置安装结构52中的紧固件来将齿轮箱容易地连接到新马达上。
综上所述，可见本发明的多个目的已经实现并且可获得其它优势。
在介绍本发明或本发明的优选实施例的部件时，词语“一”、“该”和“所述”是指一个或者多个部件。术语“包括”、“含有”和“具有”都是包含性的，其表示除了所列出的部件外可能还包括其它部件。
在不脱离本发明的范围的情况下可对上述实施例进行各种变型，上述说明中包含的所有内容和附图中示出的内容仅是示例性而非限定性的。
Claims (14)
1.一种用于将动力从具有旋转输出轴(36)的马达(32)传递到需要动力并具有旋转传动轴(38)的装置(34)的模块化齿轮传动系统(30)，该系统包括：
适于与所述马达(32)和所述装置(34)大致相邻地安装的齿轮箱(40)；
第一齿轮组组件(42)，该第一齿轮组组件(42)可操作性地连接在所述马达输出轴(36)和所述装置的传动轴(38)之间，以用于将动力从输出轴传递到传动轴并在所述轴之间产生第一转速调节，使得该传动轴以与该马达输出轴不同的转速转动；以及
第二齿轮组组件(44)，该第二齿轮组组件(44)可操作性地与第一齿轮组组件(42)串联连接，以用于传递动力并产生第二转速调节；
其中，该系统(30)可构造成：1)单级模式，其中只有第一齿轮组组件(42)但没有第二齿轮组组件(44)用以产生第一转速调节；或者2)多级模式，其中第一齿轮组组件和第二齿轮组组件操作性地串联连接在所述马达输出轴(36)和所述装置(34)的传动轴(38)之间，以便产生结合了第一和第二调节的转速调节，
其特征在于，所述齿轮箱包括限定一空腔的内壁(46)；在单级模式下，该第一齿轮组组件(42)容纳在所述空腔内；在多级模式下，第一齿轮组组件(42)和第二齿轮组组件(44)都容纳在所述空腔内。
2.一种如权利要求1所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，所述装置为泵。
3.一种如权利要求1所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，所述输出轴具有第一连接部(118)和第二连接部(120)，该第一连接部(118)用于在所述齿轮传动系统(30)构造成单级模式时接合该齿轮传动系统(30)并将动力传递到该齿轮传动系统，该第二连接部(120)用于在所述齿轮传动系统(30)构造成多级模式时接合该齿轮传动系统(30)并将动力传递到该齿轮传动系统。
4.一种如权利要求3所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，所述输出轴(36)的第一连接部(118)包括具有外花键(122)的轴段。
5.一种如权利要求4所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，还包括转接器(114)，以用于当所述系统构造成单级模式时将所述马达输出轴(36)和所述第一齿轮组组件(42)相连。
6.一种如权利要求3所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，所述输出轴(36)的第二连接部(120)包括其上有平面(124)的轴段。
7.一种如权利要求1所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，所述装置的传动轴(38)可围绕中心轴线(126)转动，所述第一齿轮组组件(42)可围绕齿轮组轴线(128)转动，该中心轴线和该齿轮组轴线大致对齐并重合。
8.一种如权利要求7所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，还包括用于将所述第一齿轮组组件(42)和所述装置的传动轴(38)相连并在它们之间传递动力和转动运动的连接器(138)，该连接器(138)构造成对所述中心轴线(126)和所述齿轮组轴线(128)之间的不对齐进行补偿。
9.一种如权利要求8所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，所述连接器(138)包括具有用于接合所述传动轴(38)的第一传动部(140)和用于接合所述第一齿轮组组件(42)的第二传动部(142)的轴段，其中所述第一和第二传动部大致位于该轴段的相反的端部并相隔一轴向间距(D)。
10.一种如权利要求1所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，所述齿轮箱(40)具有用于将该齿轮箱安装到马达(32)上的紧固件开口(54)，所述开口包括布置成对应于两种不同的马达的两种不同安装构型的开口。
11.一种如权利要求1所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，所述第一和第二齿轮组组件(42、44)当容纳在所述空腔内时被所述内壁(46)包围，并基本封装在所述空腔中。
12.一种如权利要求1所述的模块化齿轮传动系统，其特征在于，所述内壁(46)为圆筒状并连续地围绕所述空腔。
13.一种改变齿轮传动系统(30)的工作模式的方法，以用于改变当在马达(32)的旋转输出轴(36)和需要动力的装置(34)的旋转传动轴(38)之间传递动力时由该齿轮传动系统提供的转速调节，所述齿轮传动系统包括紧固在马达上并包括内壁(46)的齿轮箱(40)，该内壁(46)限定一容纳有至少一个齿轮组组件(42)的空腔，所述方法包括以下步骤：
将齿轮箱(40)从马达(32)上拆下以得以接近所述空腔；
通过在所述空腔内与所述至少一个齿轮组组件(42)串联地安装一个或多个附加齿轮组组件(44)以增加齿轮传动的级数，或者通过将已安装在空腔内的齿轮组组件中的至少一个齿轮组组件从所述空腔中去除以减少齿轮传动的级数，来改变由齿轮传动系统(30)提供的转速调节；
将所述空腔内的齿轮组组件与所述马达(32)的输出轴(36)或者不同的马达(58)的输出轴相连；和
将齿轮箱(40)紧固到所述马达(32)或者所述不同的马达(58)上。
14.一种如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括使用连接器(138)将已安装在空腔内的齿轮组组件(42，44)中的一个齿轮组组件与所述装置的传动轴(38)相连，该连接器(138)构造成为对所述一个齿轮组组件和所述传动轴之间的不对齐进行补偿。
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