CN103380317B - 包括刚性优化的轴发电机的轴传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及谐波驱动器，其包括至少一个内齿齿圈、安装在该齿圈内的外齿柔性正齿轮，以及波发生器，该波发生器被安装在正齿轮内侧，用与在径向上弯曲正齿轮，在齿圈和正齿轮之间、正齿轮的两个相对位置上建立的扭矩传递连接，且波发生器具有环和椭圆变形的滚动轴承，所述环具有椭圆外周，滚动轴承连接到外周并具有外环(01)和内环(02)以及外环(01)和内环(02)之间设置的滚动元件(03)。本发明特征在于，波发生器具有两排滚动元件(03)。

Description

包括刚性优化的轴发电机的轴传动装置

技术领域

本发明涉及轴传动装置。本发明进一步涉及轴发电机，其适用于前述类型的轴传动装置。

背景技术

轴传动装置从现有技术可知。比如，此处可参考DE10222695A1。轴传动装置通常包括：包括内齿的柱状刚性环或者可选地包括内齿的两个柱状刚性环；柔性大齿轮，该柔性大齿轮包括外齿，所述大齿轮设置在刚性环的内部；且进一步包括配合在柔性大齿轮内部的轴发电机。该轴发电机由具有椭圆轮廓的刚性轴传动装置插入件和轴传动装置轴承构成，轴传动装置轴承被配合到轴传动装置插入件的外圆周表面上，使得柔性大齿轮被弯曲成椭圆形状，且大齿轮的外齿与刚性大齿轮的内齿连接啮合，所述大齿轮被布置在椭圆形状的主轴线两端的每一端上。当轴发电机通过发动机等进行旋转之时，两个大齿轮的部分相互啮合，在圆周方向上运动。因为外大齿轮和内大齿轮之间存在齿数差，这些大齿轮之间就发生了根据齿数差而形成的相对旋转。通常，齿数差是二。

取决于其结构，轴传动装置被细分为罐式传动、套管式传动和平型传动。在罐式传动的情况下，柔性大齿轮被构造为罐形，该罐形具有底部，其利用法兰安装在驱动轴上。乘法环被用作法兰，用于连接到外圆周。在套管式传动的情况下，柔性大齿轮被构造为环形。为此目的，使用两个环，乘法大齿轮和离合器大齿轮，离合器大齿轮具有和柔性大齿轮相同数目的齿，而乘法大齿轮具有大于柔性大齿轮的齿数。在轴发电机在低扭矩下的快速旋转期间，两环之间发生相对旋转。降低的旋转速度和高扭矩可以在环之间发生。平型传动经常是用在凸轮轴驱动中。

轴传动装置可以用作三轴系统中的电机相位调整器或者凸轮轴调整器。轴系统通过驱动轴，如凸轮轴链轮来接收其驱动功率，继而该功率再次通过从动轴，如凸轮轴来释放。用作调整部件的相位调整器作为在驱动轴和待调整轴之间的连接部件而被布置在功率流中。这使得，该调整轴也可以通过第三轴将与驱动功率重叠的、机械功率传递到轴系统中，或者使得该功率退出系统。以这种方式，能够改变由驱动轴限定的相对于从动轴的移动功能，如，可以实现相位差。在这样的三轴系统中通常用于移动调整轴的致动器是电动马达。然而，同样地能够通过电力、机械、或者液压制动器、具有旋转或线性运动的电磁体、磁阀或线性电动机或者线性致动器，来进行相位调整。

为了在致动系统中存在控制误差的情况下，防止部件的外围不期望的碰撞，视情况而定，调整范围或者驱动范围被限制为某种规则，通过三个轴中的一个轴相对于第二轴或者相对于壳体的旋转角度而限定该规则。为此目的，机械挡块被制成与所使用装置一体的某部分。该挡块可以设置在驱动轴和从动轴之间、驱动轴和调整轴之间、或从动轴和调整轴之间。在现有技术中，挡块被实现为位于从动轴和驱动单元之间的规则。现有技术中从动角度的限定总是仅仅被独一无二地在两个传动轴之间实现，且从不成双，即在动力输出和驱动之间，也在调整轴和驱动轴之间，或者调整轴和动力输出之间。

此外，轴传动装置也可以在三轴传动装置的双轴布置中作为调整驱动器。这种情况下，轴传动装置多数用作自动化领域以及工业应用中的用于调整驱动器的减速装置。减速装置服务于将以高速、低加载下传递的调整元件的驱动功率转换为低速、高荷载的输出功率。功率仅在调整轴和从动轴之间传输。该传动的第三轴被固定到壳体上。从动轴的角度变得大于360°。

为了在致动系统中存在控制误差的情况下、保护部件的外周不碰撞，还可以通过机械限定来限定动力输出旋转的角度。挡块可设置在调整轴和从动轴之间、从动轴和壳体之间、或者调整轴或驱动轴与壳体之间。该挡块通常在从动轴和壳体之间实现。也可以通过控制装置独一地或者附加地提供对调整路径的限制。这种情况下，主要通过驱动轴的调整路径或由控制装置限定的调整轴来预限定从动轴的路径。那么该挡块仅仅用于保证防故障状态。

如上刚刚所述，在大多数情况下，在驱动轴和从动轴之间、或者在从动轴和装置壳体之间实现调整范围的限定。输出功率一旦达到旋转角度的极值，未直接限定在调整角度或者驱动角度内的调整轴就通过传动运动学以及传动部件的刚度减速。现有技术并未限定任何措施来抑制发生在调整部件中到达挡块之后的脉冲加载运动。作为高负载的后果，传动部件可能如此强烈地变形，这样它们相互碰撞并使得调整部件卡住。进一步，传动部件可变得永久失效或者必须构造为用于正常操作的过大尺寸，从而甚至在非制动停止状态下支撑高加载。如果调整部件通过控制件或者由于碰撞(系统外侧的限动)，在现有的可能的挡块外突然减速的情况下，这种状态也可以发生在。

如上已述，轴传动装置的原理基于薄壁柔性正齿轮，其可以通过轴发电机圆周成椭圆形。然而，由于正齿轮的这种柔性，正齿轮也可以在径向和轴向以及切向上的齿接触中弯曲。一旦正齿轮由于传动动力学发生变形或移动，就会在传动部件和齿轮连接中之间发生啮合不规则和碰撞。因为迄今在轴发电机中通常使用单排轴承，其不可能防止加载下的径向偏离，因为当滚动元件间隙遇到加载区之时，外环引起该偏离的形成。与外环相似，柔性正齿轮也会发生变形。这使得在齿接触中形成不良的接触压力分布。在轴向非对称加载的应用中，这可以引起正齿轮在加载区和非加载区之间的外周发生更强烈的扭曲。此外，由于齿轮连接中不充分的支撑，轴传动装置更可能发生超载，且可导致夹住或者困住。

发明内容

因此本发明的目的在于提供改进的轴传动装置，其中加载情况下发生在齿接触中的径向偏离得以防止或者最小化，这样更好地保护传动部件防止超载，且传动部件的夹住或者损害得以充分防止。通过这个特征，本发明也旨在为在端部挡块中的对接中产生的脉冲加载，获得改良的轴承性能。

为了达到上述目标，本发明的轴传动装置其特征在于，两排滚动元件被布置在轴发电机的外环和内环之间。

根据本发明的轴传动装置其重要优点在于，刚度通过双排轴承的使用而得到加强。在双排轴承中，与迄今使用的单排轴承相比，柔性正齿轮具有改进的保护。在双排轴承中，当滚动元件间隙进入加载区时，变形较小，这样齿轮连接的保护得到改进，且传动机构承受到较低负载。以这种方式，传动部件的夹紧和因此形成的损坏被大体避免。

根据实施方式的有利形式，滚动元件为滚针或者圆柱滚子。滚针或者圆柱滚子提供了齿轮连接的特别好的支撑，这样便在轴传动装置过载保护意义上的获得了进一步的改进。自然也能使用球状物作为滚动元件。

已经证明，使滚动元件彼此之间偏移地布置是有利的。由于滚动元件这种偏移的布置，轮齿啮合几乎总是通过径向上的滚动元件进行直接支撑。这导致短的、刚性弯曲梁的形成。

根据实施方式的有利形式，滚动元件被布置在滚动元件架中。滚动元件相互之间的接触倾向于通过滚动元件架的适宜配置而避免，比如呈卡合架的形式。这种方式下，尤其是避免了摩擦损失。

已证明，让滚动元件在轴向上相互重叠是进一步有利的。这种情况下，两排滚动元件被以它们球直径的1％到99％的轴向重叠布置。这使得刚度基本上均匀分布在圆周上。取决于重叠的程度，一排球的球间隙被第二排的球部分地填充。这种方式下，外环被支撑在球间隙的区域中，这样仅仅发生了小小的弯曲。

在实施方式的进一步优选方式中，使用奇数个滚动元件。通过这个措施，由调整轴的旋转引起的刚性跳跃得以减少。在偶数个滚动元件的情况下，齿轮连接或者通过两相反元件被非常生硬地支撑在径向方向上，或者相反在调整轴旋转一又二分之一个球间距之后，齿轮连接仅通过两个间隙大齿轮被柔和地支撑在径向方向上。

使用具有较小滚动元件间隙的滚动轴承是有利的，其中更多的较小滚动元件尺寸的滚动元件得到使用。就此而论，≥17的滚动元件数量已经被证明是有利的。特别有利的实施方式使用≥21的滚动元件。利用许多小滚动元件使得产生特别好的支撑，因为单个滚动元件之间的间隙最小化。

如果正齿轮和外环在两个滚动元件之间的弹性径向弯曲具有0.3×m的最大值，这是更有利的，其中m代表齿轮连接的法向模数。这保证了良好的整体支撑，甚至是在单个滚动元件之间的间隙中。这个方式旨在将径向刚度应用于轴承的整个圆周上和整个宽度上。弹性弯曲被限定为：

w_ges＝F_r/c_ges

其中

F_r.-齿轮连接的最大径向负荷，假设其为两个滚动元件之间的中心处的点负荷

c._ges-两个滚动元件之间弯曲梁的弯曲刚度，由外环刚度和正齿轮刚度组成(两环之间的阻尼损耗忽略)

$c_{ges}=\frac{48}{S^3}\·(E_{AR}\·{\mathrm{Iy}}_{AR}+E_{SR}\·{\mathrm{Iy}}_{SR})$

其中

s-两个滚动元件之间的弦长(简单假设为直的弯曲梁)

E_AR-外环的弹性模量

E_SR-正齿轮的弹性模量

Iy_AR-围绕弯曲轴的外环的表面力矩(简单假设为长方形横截面)

Iy_SR-围绕弯曲轴的正齿轮的表面力矩(简单假设为长方形横截面)

s＝2×r×sin(γ/2)

其中

r-滚动元件节距圆的半径

γ-滚动元件γ角间距

在实施方式进一步有利的形式中，轴传动装置被用作三轴调整传动，用以调整和相对于机轴固定内燃机曲柄轴的位置。然而，该轴传动装置还可以用在用于调整驱动器的减速装置中。

该轴发电机包括低冲击滑动轴承来替代滚动轴承。该齿轮连接的良好支撑可以同样地通过该滑动轴承来保证。这使得对传动部件的夹紧或破损的可能性危险得以最小化。

附图说明

进一步有利的，本发明的细节和发展可从下方参考附图的实施方式的优选方式的说明而得到。附图示出为：

图1.现有技术中轴发电机的部分区域；

图2.与本发明中轴传动装置使用的轴发电机相比的现有技术中轴发电机纵向截面；

图3.本发明轴传动装置中所用的轴发电机的纵向截面，包括相互偏移布置的滚动元件；

图4.与现有技术相比的本发明的优化方案的刚度曲线的图解；

图5.本发明轴传动装置中所用的轴发动机的纵向截面，包括轴向地重叠的滚动元件。

具体实施方式

图1示出了现有技术中轴发电机的部分区域。通常用于现有技术轴发电机中的是单排滚动轴承，该单排滚动轴承包括外环01、内环02以及布置在外环01和内环02之间的一排滚动元件03。齿轮连接外的径向分力04作用在轴发电机上。在左手侧的示意图中，滚动元件03直接处在轮齿啮合之下。这保证了轴传动装置的柔性正齿轮刚性的径向支撑。在右手侧的示意图中，位于两滚动元件03之间的间隙布置在轮齿啮合下方。通过这一措施，当前，其仅仅能够实现温和的径向支撑。从该示意图中可以明显理解到的是，当间隙进入加载区时(虚线)，外环01屈服。柔性正齿轮以与外环01相似的方式发生变形。

图2示出了现有技术(左手边的示出)中轴发电机的横截面，与用于本发明轴传动装置中的轴发电机相比(右手边的示出)。所示出的是，通过齿宽而实现的径向支撑。可以看出来，在加载区自身中，通过齿宽发生径向夹紧的变化。如左侧所示，在单排轴承中，外环01可以在径向分力04(虚线)的作用下偏离，且这使得齿接触中的接触压力发生不良分布。在轴向非对称负荷输入中，这可能导致加载区和非加载区之间的柔性正齿轮的外周发生更强的扭曲。由于齿轮连接中较差的支撑，对于轴传动装置来说更可能过载或者夹紧或者卡住。由右手边的示意图可以看出，外环01(虚线)的变形通过双排轴承的使用充分得到减小。因此，柔性正齿轮具有更好的支撑，这样传动的过载及可能的夹紧以及传动部件的损害的危险得以大大减小。

图3示出了本发明轴传动装置中使用的轴发电机的纵向截面，其包括相互偏移布置的滚动元件。在该实施方式的这种形式中，轮齿啮合总是通过滚动元件03大体直接支撑。因此，总是能获得长久、稳固的径向支撑。

图4示出了该方案的刚度曲线的示意图，与现有技术相比根据本发明的方案得到了优化。虚线示出了现有技术轴承的刚度模式。连续曲线代表在本发明轴传动装置中使用的轴承的刚度模式。在点A处，其中滚动元件位于加载区，曲线到达最大值，而在点B处，其中滚动元件间隙位于加载区，曲线到达最小值。该示意图清楚地示出现有技术的轴承(虚线)比本发明优化方案表现出更为大幅的刚度浮动。

图5示出在本发明轴传动装置中使用的轴发电机的纵向截面，其包括轴向重叠的滚动元件。滚动元件的两排的球滚道示出了轴向重叠量b。此外，滚动元件03布置成在圆周方向上相互以球偏移量a而偏移。

附图标记列表

01外环

02内环

03滚动元件

04径向分力

a圆周方向上的球偏移量

b球滚道的轴向重叠量

Claims (7)

1.一种轴传动装置，包括：至少一个环状物，所述环状物包括内齿；柔性正齿轮，所述柔性正齿轮布置在所述环状物中并包括外齿，以及布置在所述正齿轮中的轴发电机，所述轴发电机用于在径向上弯曲所述正齿轮，扭矩传输连接在所述正齿轮的两个相反的点处形成在所述环状物和所述正齿轮之间，所述轴发电机包括：环，所述环包括椭圆形外周；以及椭圆变形的滚动轴承，所述滚动轴承应用于所述外周，所述滚动轴承包括外环(01)、内环(02)以及布置在所述外环(01)和所述内环(02)之间的滚动元件(03)，其特征在于，所述轴发电机包括两排滚动元件(03)，所述正齿轮和所述外环(01)在两个滚动元件(03)之间的弹性径向弯曲具有0.3×m的最大值，m为齿的法向模数。

2.根据权利要求1所述的轴传动装置，其特征在于，所述滚动元件(03)为滚针或者圆柱滚子。

3.根据权利要求1或2所述的轴传动装置，其特征在于，所述滚动元件(03)被布置为相互偏移。

4.根据权利要求1所述的轴传动装置，其特征在于，所述滚动元件(03)在轴向上相互重叠。

5.根据权利要求1所述的轴传动装置，其特征在于，使用奇数个滚动元件(03)。

6.根据权利要求1所述的轴传动装置，其特征在于，所述轴传动装置被构造为三轴传动装置，用于调整并固定内燃机的凸轮轴相对于曲柄轴的相位。

7.根据权利要求1所述的轴传动装置，其特征在于，所述轴传动装置被构造为用于调整驱动器的减速装置。