CN101649890A - 惯性传动装置 - Google Patents

Abstract

行星传动有数目众多却无外心轴的行星轮，作圆周运动同时产生圆周力和离心力，通常离心力未得利用却成阻力矩。采用转臂输出的滚轮与行星轮分开并将行星轮的离心力及圆周力合成推力矩。钢质弹性行星轮以薄而柔，实现了多行星轮多点传力的惯性传动装置。钢制薄壁二半锥体相滑配套合并与碟簧组合成弹性行星轮被二个主动轮及二个外压圈等刚性传动副夹紧，运行中每个行星轮自行调整补偿消除各种偏差达到一致性，实现高效率大功率大减速比传动。传动元件刚柔配对，以柔让刚，接触传力点凹凸共曲成活性微凸坡角提高承载力。行星轮无外形心轴调速位移达全半径，突破变速范围。制成无级变速或定传动比的减速器具有高效率大变速范围凸显高效益。

Description

惯性传动装置

技术领域

行星传动具有主动轮(太阳轮)、行星轮、外压圈和转臂输出机构，作圆周运动同时产生圆周力和离心力，通常结构未能利用离心力却成阻力矩。一种行星轮无外形心轴并与转臂分开使圆周运转产生的离心力能与圆周力合成推动转臂的惯性传动装置。

背景技术

通常的齿轮或摩擦式行星轮以心轴装入转臂机构轴孔里传力，尤其是高转速圆周运动形成的径向惯性力既离心力成为阻矩或压紧力。由于离心力与角速度平方成正比，当巨大的离心力作用到楔角较小的槽形外压圈上运转甚至制止，所以转速受到限制。

行星传动的优势是制成数目众多的行星轮，但由于精度一致性和传力浮动性难以解决，仅有部分行星轮在工作，偏差较大者或因运动误差出现的相互干涉成为阻力矩，磨损与噪声严重。

齿轮啮合传动具有齿面推力而有高效率高承载力，但很难实现无级变速，一种结构尺寸仅一种传动比；摩擦传动容易以改变传动副元件的工作半径大小达到输出转速转矩的无级升降，却因摩擦力依赖于压紧力，并且通常采用钢对钢的全刚性摩擦副，所需的压紧力巨大，发热损耗和接触应力是限制承载力的主因，摩擦传动是“零距离”接触传递，精度要求极高，在运动中出现的一些偏差已足以使部分行星轮脱离接触成为“被动件”增加阻力矩，部分受力件应力更集中，因刚性大而弹性变形小，平均接触应力更高，降低了使用寿命。

齿轮式行星减速器结构复杂，行星轮的尺寸及数目受限制，制造成本高；摩擦式行星轮通常以心轴传力，又是刚性件，所以行星轮尺寸及数目也受到限制，其功率体积比常难以满足需求，尤其是效率低、承载力不足、变速比范围小是通常摩擦传力的结构缺陷。

发明内容

行星传动有一系列优势，其数目众多的行星轮，能实现多点传力完成大功率又紧凑性传动，尤其是外形(工作面上)无心轴行星轮并与转臂分开，构成一种传力关系就是将圆周力与离心力合成推力矩，带有一组滚轮和销轴的转臂(输出机构)能阻挡行星轮受离心力而径向外移，又接受这离心力转换成圆周推力，有效提高效率。

采用钢质薄壁弹性体行星轮控制其自重(质量)，其离心力能被圆周力转移到转臂输出的滚轮其接触点上，并形成合力。

钢制组合型行星轮由薄壁二半锥体相滑动配合套为整体，外侧工作面上无心轴，而内侧或称内部以心轴与套筒互相滑配组合并有碟簧始终具有压开(张开)二半锥体，迫使二外侧工作面保持与二个主动轮及二个外压圈的传力工作触点接触，避免出现间隙而失力。当受到二个主动轮及二个外压圈轴向压紧后，行星轮的工作厚度达到一致性，就是符合二个主动轮及二个外压圈其接触间距或同步增减变动。以弹性变形自行调整凑合补偿各种误差，达到每个行星轮受夹紧而传力。尤其是多行星轮传动，以每每各自的弹性变形量调整所需的厚度，消除“被动”件，减少阻力矩，实现多点传力，提高承载力。

行星轮无外形心轴，调速位移其工作点从锥顶0半径至行星轮外缘接触点的全半径，输出转速达到输入转速至零转的突破。

行星轮制成薄壁可采用薄钢板成形，降低了成本，减轻了质量，以适应更高的运行转速，突破通常产品的转速限制。

内有碟簧的组合结构弹性行星轮，具有宏观弹性变形量和微观弹性变形的双重因素，宏观变形是内部碟簧可作轴向较大尺寸压缩或张开的调整，消除制造、安装及运动偏差，而微观变形能形成摩擦面触点受力后易于出现刚柔挤压，形成凹凸共曲活性点或活动变迁的微凸坡角，相当于受力局部点形成微齿面推力，改变摩擦面状况，提高摩擦力传递。

滚动摩擦力与弹性变形密切相关，弹性行星轮其弹性变形及回弹力提高了摩擦力又减少了所需的正压力，减少磨损与发热，增长寿命。

行星轮以薄而柔，与二个主动轮及二个外压圈的刚性件挤压后以柔让刚，刚柔配对，成为柔性传动。行星轮改通常的外伸心轴为内部心轴而可得工作外圆径的任意缩小来增多数目获得大功率传动。

利用离心力作功和采用弹性变形实现多点传力的惯性传动装置获得了高效率，它克服了通常摩擦式或齿轮行星传动的“生理性”缺陷，其主要创新是将行星轮更“自由化”和“适应性”，行星轮与转臂作相对性分离，并形成由转臂上的结构外形来阻挡行星轮受离心力而外移，二个主动轮、一组行星轮、一组转壁滚轮和销轴、二个外压圈的传力应形成同一个中心截面上的平面力系，销轴中心圆半径(转臂传力半径)应较大，行星轮外形无轴化更“自由”些，而弹性体尤其是由碟簧可任意改变间距以及高柔度实现高“适应性”。

惯性传动装置具有多用性，可定速传动，传动比任意选用却结构尺寸甚至相同使制造容易成本降低。制造无级变速具有大变速比及高效率大功率恒功率高寿命的实质性优势。

还有细节上的改进也重要，本发明改通常产品单主动轮传力(另一是压紧轮，无键联接)为双主动轮传力，并创蜗轮与内螺旋副调速及多组小型碟簧分布于移动的外压圈上使压紧力与恒功率传动成正比自行增减，输入输出同轴型、传力件平行轴构成笼形梁式输出机构均得到显著效益。

下面结合附图详细说明实施本发明的具体细节和最佳方法。

附图1是惯性传动装置传力平面力系示意图。

附图2是上结构的轴向截面。

附图1′是一种由行星轮内部小轴径与转臂滚轮推动传力平面力系示意图。

附图2′是上图的轴向截面。

附图1″是一种制造无级变速器的惯性传动装置行星轮高低变速工位图。

附图2″是上图的轴向截面。

附图3是惯性传动装置的一种行星轮结构形状。

附图4是惯性传动装置另一行星轮的结构形状。

附图5是惯性传动装置作无级变速器的轴向截面。

附图6是惯性传动装置作无级变速器的平面受力状况，示明平面力系。

附图7是惯性传动装置作定速减速器结构的轴向截面图。

附图8是惯性传动装置作定速减速器结构平面力系传动示意图。

图1中，1是主动轮，夹紧着行星轮2，运转后行星轮2压到滚轮4上，于触点Q受力，高转速时主动轮以A点(接近或等于行星轮自转中心点)夹紧行星轮，调速时行星轮可从A移到B或C，B点已经接近或等于零的输出转速，而A点接近或等于输入转速。从回转中心O至触点Q行星轮离心力为P(行星轮推压后其离心力的作用点及方向)，而圆周力为T，T力与P力合力为TP，通过滚轮销轴中心O′，OO′为力臂，力矩＝T′P′×OO′。3是外力圈，在径向外围夹紧着行星轮，左右二外压圈构成槽形，行星轮无外伸心轴。

图2中，二个主动轮1夹紧着行星轮2，F是触点，外侧受到二个外压圈3的夹紧，控制了径向工位。4为滚轮和销轴组成的输出转臂机构，O₁O₁为输出轴，OO是输入轴。

图1′是行星轮由内部小心轴的外径与较大的滚轮外圆于Q点接触传力，有离心力P和圆周力T，合力PT，对滚轮和销轴中心O′的力臂＝OO′，合力是T′P′，行星轮自转中心即A点，可移至B或C，从A至C的范围内行星轮的离心力其传力点位于CO′截面径向内侧(截面⊥OO′)均具有与圆周力T合成，增大推力矩，这是因为行星轮受到滚轮的阻挡。

图2′中输入轴OO上装有二个主动轮1，主动轮1夹紧着行星轮2，行星轮2为半锥体与碟簧的组合，外压圈3控制行星轮的径向工位，转臂滚轮4滑套于输出机构上，O₁O₁为输出轴。

图1″是主动轮1高速时与行星轮2锥顶(既0半径)接触点为A，并可移至B或C，B点的输出转速已经低速或零转。仍有离心力能与圆周力T合成为TP力，因为截面CO′⊥OO′，B点位于角度AC弧上，转臂滚轮的外圆形成阻挡行星轮外移。

图2″是一个可移动的主动轮及一个可移动的外压圈位移后工位，行星轮外圆径(既全半径)与主动轮1接触传力，而锥顶近中心处(既零半径)则与外压圈的接触，输出转速从接近或等于输入转速至接近或等于零转，就是速比i₁＝1，及i₂＝0。

图3中，薄壁型半锥体1与另一薄壁型半锥体2以较小的内部心轴滑动配合套为一体，并有碟簧3具有压缩变形且有压开二半锥体的弹力，随时自行调整补偿接触间距，改变工作厚度。由于行星轮的离心力与自重(质量)成正比，控制自重与转速共同实现最佳传力。

图4中是说明另一种弹性行星轮的结构，它的壁厚可更薄可由薄钢板成形制造，降低了成本。半锥体1以内孔滑配于套筒3上，碟簧2分隔在心套4上，具有张开二个半锥1增加厚度的宏观弹性变形，(变形量较大)，足以消除各种偏差，达到多方一致性要求。以薄而柔，摩擦工作锥面受到二个主动轮及二个外压圈刚性件的挤压时，触点以柔让刚，增大受力面，降低接触应力，减少磨损降低发热提高寿命。刚柔配对凹凸共曲润滑更充分。滚动摩擦的弹性变形显著提高摩擦力传递。弹性回弹力随触点变迁位移，相当于一种活性微齿推力提高承载力，又减少对压紧力的依赖性。传力点形成一种既不同于纯摩擦力又没有固化齿形阻碍位移，兼有齿轮和摩擦轮取长避短的优势。以薄而柔的行星轮适应了极高转速传动，高速自转使其整体工作锥面增强抗塑性变形能力，提高整体刚度。由于高速圆周运行有着巨大的离心力，在大功率大圆周力的推压下形成更大的合力矩，加上多行星轮多点传力，实现了高效率大功率减变速传动。

图5中，无级变速器1是电机联接法兰，2是滚针平面轴承能使蜗轮3的调速位移轻松省力。4是装于蜗轮轴孔的螺旋移动件，使一个可移动的主动轮7相对于轴向固定的另一个主动轮20作进合或分开，让一组行星轮8作径向位移。6是输入轴，键联接二个主动轮7、20，共同产生摩擦力传动。一组滚轮16与滚针轴承17连接于销轴11上接受行星轮的力矩，使销轴11与其固联的输出轴19输出转矩。销轴的另一端联接轴承套圈10和轴承9上，成梁式转臂输出机构。二个主动轮、二个外压圈、及一组行星轮和一组滚轮销轴形成同一截面上传力的平面力系，提高了效率。12是蜗杆，可手动或电动自动控制调速。13是机座。14是手轮或电机。15是固定外压圈。18是可移动外压圈。21是端盖，使碟簧22装在可移动外压圈间，压紧力与恒功率传动成正比自行增减。轴承23和轴承9组成一对梁式支承。24是测速元件。25、26是一种行星轮的半锥体，27是碟簧。28是滚轮，滚轮进入行星轮二半锥体中间，与行星轮内轴相接触滚动，使滚轮的自转速降低，减少损耗，延长寿命。

图6中，行星轮8与滚轮16于Q点传力，离心力P和圆周力T形成合力TP作用于滚轮16、销轴17的中心点O₁，OO₁×合力T″P″是推力矩。

图7是定速比减速器。只要使行星轮装置于确定工位即有确定的速比，范围从1至0。传动比范围无穷大。以i_x＝1.2～30有最佳传动性能。1、14是端盖。轴承2、16支承输入轴3。而轴承6.17支承输出结构。二个主动轮4由碟簧5产生夹紧力，又压到外压圈11上。滚轮10、滚针轴承9和销轴8、轴承套圈7、输出轴15构成梁式输出转臂。行星轮12以圆周运行推动着滚轮转臂输出，因为转臂与行星轮改变通常的联接与传力关系，获得较“自由度”的行星轮，受到回转离心力作径向外移却被阻挡于转臂上，使离心力成为附加推力矩，变有害为有利。如果行星轮直接套在转臂轴上，其离心力只能增加磨损，消耗了功率。所以行星轮无外形心轴又与转臂分开，使转臂(滚轮)受行星轮的推压。18、19是行星轮二半锥体，20是碟簧，这种组合行星轮的工作厚度得到自行调整作适应性变动，相比固定不变的通常行星轮制造精度宽松又提高运转中的实际精度。

图8是上述减速机可采用多行星轮多点传力高承载力的平面受力状况，摩擦传力一个轮的能力有限，但可采用多轮的众多传力点，相比行星齿轮传动，行星轮数目几倍增多，因而具有高承载力，并且相比齿轮传动，浮动性易解决，行星轮间不存在相互干涉，所以达到高效率，尤其是高转速效率接近100％的最高值。

惯性传动装置由于采用无外形心轴既工作面无心轴，行星轮调速位移达到全半径，不仅是变速比无穷大，而且使二个主动轮及二个外压圈其工作面(受力面)“弧长”成倍增大，提高耐用性。本发明改变通常产品的主动轮及外压圈受力点或者线长十分狭窄、使用寿命极短的本质缺陷。因为通常产品行星轮具有心轴，因强度要求应有所需轴径，受此轴径阻挡，传动副其触点线长必须较小才达到变速比要求，通常变速比R_b≤4～5时，这种触点工作弧长(线长)仅为0.8～2毫米，而本发明弧长(线长)不受限制。

变速范围的计算：设行星轮工作半径为r_x，r_x＝0～r，主动轮触点半径(固定值)＝r₁，外压圈触点半径＝r₃，高速时，外压圈半径r₃与行星轮接触点至行星轮自转中线为r_x，这时行星轮为全半径，而主动轮半径r₁点与行星轮接触于锥顶r_x ¹＝0点，所以输出速比

低速时，外压圈r₃点与行星轮锥顶点r_x″＝0点接触，这时主动轮r₁点与行星轮外径r_x(全半径)处接触

速比1～0范围内均可制成定速比减速机，且减速机的效率高，结构简化，成本低，具有使用效益性，制成无级变速器更具大变比优势而扩大应用范围。

惯性传动装置与通常结构的最主要区别是能够利用圆周运动物体上同时产生的圆周力和离心力，而通常的结构产生的离心力总是有害因素，尤其是高转速运转形成巨大离心力是不允许而只得限制了转速范围。当离心力能与圆周力合成为推力后，这个高转速限制就被突破了，还形成多种有益效应。这就是本发明新的贡献。

Claims (6)

1、行星传动有主动轮、行星轮、外压圈和转臂输出机构，作圆周运转同时具有圆周力和离心力，尤其是惯性传动装置，其特征是无外形心轴的行星轮与转臂分开，构成转臂的滚轮阻挡行星轮的径向外移，使行星轮的离心力与圆周力合成推动滚轮，钢质弹性行星轮以薄壁成高柔度，与其他传动副刚性件传力相挤压，刚柔配对以柔让刚，弹性变形自行调整相关尺寸精度，接触传力点凹凸共曲，成活性微齿传动。

2、根据权利要求1所述的惯性传动装置，其特征是行星轮与滚轮、销轴这个转臂结构位置形成由滚轮外圆阻挡受离心力而径向外移的行星轮，使圆周力与离心力联合推动转臂，达到利用离心力并将其转为推力矩。

3、根据权利要求1或2所述的惯性传动装置，其特征是行星轮无外形心轴却有内部心轴相滑动配合套合为整体，行星轮与二个主动轮、二个外压圈和滚轮及销轴转臂机构形成同一中心截面上传力的平面力系，就是行星轮能由内侧中间心轴与滚轮外圆接触传力，并使离心力作用到该接触点上，达到离心力与圆周力组成合力，方向通过滚轮中心。

4、根据权利要求1所述的惯性传动装置，其特征是行星轮由钢质薄壁型弹性体二半锥体以内部心轴或轴套滑动配合为整体，并有碟簧始终具有压开(张开)二半锥体增大锥体厚度尺寸，补偿与其接触传力的传动副元件的工作间距，达到每个行星轮被夹紧传力。

5、根据权利要求1或4所述的惯性传动装置，其特征是行星轮以薄而柔，与二个主动轮及二个外压圈的刚性相比具有较大柔度而能以柔让刚，接触传力点出现凹凸共曲的弹性变形，增大触点受力面积降低接触应力。

6、根据权利要求1或4和5所述的惯性传动装置，其特征是行星轮有多种结构形状，均以内部心轴滑配或由钢板成形制造二半锥壳体相套合，有碟簧将二半锥体压开之势，尤其是薄钢板制造弹性行星轮具有二种弹性变形利用，既碟簧压缩变形调整行星轮工作厚度，而薄壁体的摩擦工作面上受二个主动轮及二个外压圈挤压的触点处形成凹凸共曲的微量变形，成为活性变迁的微观齿面推力而提高承载能力，采用薄钢板制造空心组合行星轮达到自重轻适应高转速传动。

Images