CN103836144B - 具有高减速比的减速齿轮装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减速齿轮装置，具有环形齿轮、在环形齿轮中滚动且具有行星齿轮轴线的至少一个行星齿轮、以及与环形齿轮共轴且可旋转地安装的输出部。根据本发明，行星齿轮包括远离所述行星齿轮轴线且当所述行星齿轮滚动时描绘相对于环形齿轮的内摆线的引导构件，其中，在引导构件与所述输出部的凸轮盘之间提供引导，使得所述输出部由于行星齿轮滚动而经历驱动运动。

Description

具有高减速比的减速齿轮装置

技术领域

本发明涉及一种具有高减速比的减速齿轮装置。这样的齿轮装置包括环形齿轮、在环形齿轮中滚动且具有行星齿轮轴线的至少一个行星齿轮、以及与环形齿轮共轴且可旋转地安装的输出部。

背景技术

所述类型的减速齿轮装置是公知的行星齿轮装置。行星齿轮装置通常包括与行星齿轮装置的外环形齿轮以及内太阳齿轮两者都啮合的多个行星齿轮。行星齿轮通常可旋转地安装在行星架中。行星架本身与可旋转地安装的环形齿轮和太阳齿轮等同轴地对齐。行星齿轮装置基本上提供保持环形齿轮或行星架或甚至太阳齿轮的可能性，其中另两个部件形成齿轮装置的驱动部和输出部。通常使用环形齿轮作为固定系统并将太阳齿轮与驱动轴连接。在这种情况下，行星架形成行星齿轮装置的输出部。

利用传统的行星齿轮装置已经可以实现高减速比，特别是当行星齿轮装置包括几个级时。然而，如果行星齿轮装置体现为多级方式，在轴向方向上需要更多的安装空间。但是，一些应用需要显著减小的齿轮装置，其可能在径向方向上需要更多的安装空间，但必须在轴向方向上是极短的。已经知道在这种情况下使用的几种类型的齿轮装置，它们通常被设计成具有单级。例如，这些齿轮装置类型包括ellipto-中心(ellipto-centric，偏心)齿轮装置，被称为“谐波传动部”。这样的齿轮装置从DE 10 2008 061672 A1已知。这种谐波传动部由三个部件组成，即，椭圆形驱动盘(所谓的波发生器)、具有外轮齿的弹性传动套筒(所谓的柔轮(flex spline))、以及具有内轮齿的刚性圆柱形外环(所谓的刚轮(circularspline))。所有三个部件彼此同心地布置。弹性传动套筒总是使其自身适配于椭圆形驱动盘的外部轮廓。因此，驱动盘的旋转导致弹性传动套筒的连续变形。椭圆形状使得弹性传动套筒的外轮齿仅在两个相对的部位处与刚性圆柱形外环的内轮齿啮合。通过旋转椭圆驱动盘，在弹性传动套筒的内轮齿与刚性圆柱形外环的外轮齿之间发生啮合的周向位移。由于弹性传动套筒的外轮齿的齿数少于外环的内轮齿的齿数，所以获得减速。应变波齿轮装置已知是坚固且可靠的。然而，弹性传动套筒需要使用特殊的耐磨材料，这使得制作这样的齿轮装置相对昂贵。此外，弹性传动套筒的永久变形导致有损传动。

另一种类型的具有高减速比的齿轮装置是摆线驱动部，也被称为“偏心驱动部”。例如，这样的齿轮装置从DE 10 2004 048197 A1已知。在这种类型的齿轮装置中，偏心轮驱动一凸轮盘，该凸轮盘在外周上具有一定数量的凸轮部分。凸轮盘围绕固定销环滚动。销的数量恰好比凸轮部分的数量多一个销。对于驱动齿轮的每一转动，输出部前进一个凸轮部分。摆线驱动部也非常坚固且耐用。然而，由于凸轮盘的摆动运动，有时会发生振动，这可能对齿轮装置的效率等级具有特别负面的影响。摆线驱动部在制造上也相对昂贵。

作为另一种类型的具有高减速比的齿轮装置，要提及一种沃尔夫罗姆(Wolfrom)齿轮装置。这种类型的齿轮装置是传统的行星齿轮装置的特殊形式。例如，沃尔夫罗姆齿轮装置从DE 10 2010 0128 79 A1已知。

所有上述类型的齿轮装置具有以下缺点：不能实现最佳的效率等级，特别是对于非常高的减速比。另外，上述减速齿轮装置在制造上也相对昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种减速齿轮装置，其允许以单级设计实现非常大的减速，并且具有比现有技术中已知的相当大的整体安装尺寸的减速齿轮装置更高的效率等级。该减速齿轮装置还能够简单且价廉地制造。

该目的通过本发明的特征满足。据此，根据本发明，当行星齿轮包括远离行星齿轮轴线且在行星齿轮滚动时描绘相对于环形齿轮的内摆线的引导构件时，本发明的目的适用于减速齿轮装置，其中在引导构件与输出部的凸轮盘之间提供引导，使得由于行星齿轮滚动，输出部经历驱动运动。

根据本发明的减速齿轮装置即使采用单级设计也允许非常大的减速比，高达6000:1。由此，与已知的高减速的(high step-down)减速齿轮装置相比，可以实现更高的效率等级。根据本发明的减速齿轮装置还具有的优点在于，它被设计得非常短并且以特别简单的方式被构造。它可以非常简单且价廉地制造。

通过以下优选实施例更详细地进一步说明本发明。

在本发明的特别优选的实施例中，凸轮盘的凸轮轮廓是闭合的内摆线或是闭合的内摆线的包络线(envelope)，其通过引导构件在一比值下的运动而描绘，所述比值不同于环形齿轮的有效半径与行星齿轮的有效半径的实际比值。优选地，凸轮盘的内摆线仅略微不同于描绘引导构件的路径的内摆线。这使得凸轮盘，并且由此使得齿轮装置的输出部，仅非常缓慢地进一步旋转。引导构件与齿轮装置部件的其他尺寸相比优选地以近似点状来实施。然而，需要指出的是，由于引导构件的必要有限延伸，凸轮盘的凸轮轮廓不可能是精确的内摆线。相反，它是在距精确的内摆线路径一定距离处运行的凸轮轮廓或凸轮轮廓的包络线。然而，如果引导构件例如是圆柱形销，则这个距离是恒定的，并且等于销的半径。可以假定，该凸轮轮廓覆盖有周期性循环偏差。从而对于根据本发明的减速齿轮装置，通过均匀的驱动速度也能实现不均匀的输出速度。对于凸轮盘的相应设计，任何期望的周期性循环时间-旋转-速度功能可以随之被映射。

在本发明的另一特别优选的实施例中，引导构件设置在行星齿轮轴线与行星齿轮的节圆之间。在本实施例中，当行星齿轮滚动时由引导构件描绘的路径对应于缩短的内摆线，也称为“长短辐圆内旋轮线”。根据本发明的减速齿轮装置在此实施例中以非常紧凑的方式设计。此外，在该实施例中，凸轮盘的形状确保输出的均匀驱动运动。需要指出的是，引导构件在理论上可以布置在距行星齿轮轴线一定距离处，该距离大于行星齿轮的有效半径。在这种情况下，引导构件描述了一种扩展的内摆线。例如，如果想要得到输出部的不均匀旋转运动或者甚至交替的正向和反向运动，则该实施例适合。

在本发明的另一特别优选的实施例中，引导构件是销，其设置成平行于行星齿轮轴线对准并沿着凸轮盘的凸轮轮廓被引导。这确保了根据本发明的减速齿轮装置的简单设计以及简单且节省成本的生产。如果所述销可旋转地安装在行星齿轮上并沿着凸轮盘的凸轮轮廓滚动，则是特别有利的。这个实施例引起非常低的摩擦损失。因此，根据本发明的减速齿轮装置的效率等级非常高。优选地，所述销利用滚柱轴承可旋转地安装在行星齿轮处。为此目的的高度优选的是滚针轴承。可替代地，所述销也可固定地附接至行星齿轮。在这种情况下，如果沿着凸轮盘的凸轮轮廓滚动的套筒可旋转地安装在所述销上，则是有利的。如果销本身可旋转地安装在行星齿轮处，则其可以有利地由陶瓷制成。因此，降低了磨损和摩擦损耗。因此，所述减速齿轮装置非常耐用、可靠且同时有效。如果销由氧化锆制造，则是特别有利的。可替代地，销有利地也可以由硬质金属制造。

在本发明的另一特别优选的实施例中，减速齿轮装置包括正好三个行星齿轮。这些行星齿轮优选地分别均匀分布在齿轮装置的周边上或环形齿轮的周边上。这使得根据本发明的减速齿轮装置特别安静的运转。应当指出的是，可以提供基本上更多个行星齿轮。

如果每个行星齿轮包括两个引导构件(所述两个引导构件布置在距行星齿轮轴线相同的距离处，相对于行星齿轮轴线彼此偏置180°)，则引导构件与凸轮轮廓之间的引导可得以改进。完全可行的是，行星齿轮的两个引导构件不总是同时与凸轮盘接合。然而，两个引导构件中的至少一个总是与凸轮盘的凸轮轮廓接触。当凸轮盘具有由凸轮轮廓限定的中心凹部时，具有两个相对设置的引导构件的实施例特别适合。特别优选地，凸轮轮廓是被其自身重叠的闭合的长短辐圆内旋轮线的包络线。

在本发明的另一特别优选的实施例中，凸轮盘的凸轮轮廓限定了凸轮盘的中心凹部。因此，凸轮盘能够以非常简单且价廉的方式制造。可替代地，凸轮轮廓可以例如通过凸轮盘中的凹槽形成。

根据本发明的减速齿轮装置的驱动部可以以多种方式实现。在本发明的特别优选的实施例中，减速齿轮装置包括与行星齿轮啮合并用来驱动行星齿轮的太阳齿轮。该行星齿轮或各行星齿轮分别被浮动地支撑在太阳齿轮与环形齿轮之间。当然，也可额外地提供行星架。在该实施例中，通过太阳齿轮与行星齿轮的啮合，拟在本发明的减速齿轮装置内实现行星级。利用另外的行星级，可以实现很高的减速比。可替代地，经由与环形齿轮同轴地且被可旋转地支撑的行星架，可以实现驱动行星齿轮。在本技术方案中，省去了经由行星级的额外减速。然而，在该实施例中减速齿轮装置的效率等级特别高。另外仅需要注意的是，环形齿轮在理论上也可用作驱动部。行星齿轮也可被直接驱动。

根据本发明的已经具有单级设计而不具有额外的行星级的减速齿轮装置允许非常大的减速比，在5:1至500:1之间的范围内。根据本发明的减速齿轮装置当然也可以实现为具有几个级。

附图说明

利用附图更详细地进一步说明本发明。

图1示出了包括环形齿轮、太阳齿轮和行星齿轮的布置，用于形成内摆线；

图2示出了图1的稍微修改形式的布置，用于形成缩短的内摆线；

图3示出了根据本发明的减速齿轮装置的第一实施例；

图4图示了图3中的根据本发明的减速齿轮装置的一种修改方案；

图5示出了图3中的根据本发明的减速齿轮装置的另一种修改方案；

图6示出了包括环形齿轮、太阳齿轮和行星齿轮的布置，用于形成由其自身重叠的闭合的缩短的内摆线；

图7示出了根据本发明另一实施例的减速齿轮装置的凸轮盘；

图8示出了根据本发明的具有图7所示凸轮盘的减速齿轮装置；以及

图9示出了图8的修改方案形式的根据本发明的减速齿轮装置。

具体实施方式

在下面的实施例中适用：相同的部件用相同的附图标记表示。如果图中包含在附图描述中未说明的附图标记，则参照之前或随后的附图描述。

图1示出了包括环形齿轮2、太阳齿轮11和行星齿轮3的布置。环形齿轮2形成固定系统，太阳齿轮11与环形齿轮2同心地设置且相对于环形齿轮可旋转地安装。公共轴线位于所示坐标系统的原点处。行星齿轮3与太阳齿轮以及与环形齿轮两者都啮合。通常，所有这三个齿轮都包括轮齿(在图中未示出)。行星齿轮3的节圆9接触环形齿轮的节圆以及太阳齿轮的节圆。行星齿轮3的轴线由附图标记4表示。当太阳齿轮11被驱动时，行星齿轮3在环形齿轮2的内周上滚动。行星齿轮3的节圆9上的点5(该点在起始位置接触环形齿轮的节圆)描绘了闭合的内摆线8。该内摆线8的参数表示可以由下面两个公式来描述：

其中：

R＝固定的环形齿轮2的半径

r＝行星齿轮3的半径

α＝旋转角度。

当比值R/r＝m为整数时，则内摆线由m个连续的圆弧组成。当比值不是整数时，那么所述弧重叠。当比值为有理数时，则曲线在一定数量的转数之后闭合。对于行星齿轮装置，所述半径之比值可以由齿轮的齿数替换。在这种情况下，比值R/r始终是有理数。在图1所示的情况中，比值为m＝R/r＝72/24。

当其路径被检查的点不在行星齿轮的节圆9上，而是在节圆的内部或外部时，则分别形成缩短或延长的内摆线。缩短和延长的内摆线也被称为“长短辐圆内旋轮线”。图2的布置对应于图1的布置。然而，图2示出了位于行星齿轮3的节圆9内的点5的路径。在所示的情况下，点5与行星齿轮轴线4的距离为13个单位。因此，该点描述了一种缩短的内摆线8。内摆线的参数表示是：

其中：

c＝点5与行星齿轮轴线4的距离。

图3示出了根据本发明的减速齿轮装置1的第一实施例。该减速齿轮装置包括图1和图2所示的布置。该减速齿轮装置另外包括凸轮盘6。所述凸轮盘包括与图2中发现的路径8对应的凸轮轮廓7。由于整数比值m＝R/r＝72/24＝3/1，因此这是一个具有三个圆弧的闭合的缩短的长短辐圆内旋轮线。正如上面已经提到的，环形齿轮2、太阳齿轮11和行星齿轮3的基本布置对应于图1和2的布置。然而，选择不同的比值m＝R/r。在所示的情况下，比值是m＝R/r＝73/25。因此，环形齿轮的齿数和行星齿轮的齿数都增加了一个齿。这导致行星齿轮3上的点5不再用三个圆弧描绘图2所示的闭合的缩短的内摆线，而是描绘由其自身重叠的缩短的内摆线8。根据本发明，在行星齿轮上的点5与凸轮盘6的凸轮轮廓7之间具有引导。由于凸轮盘6与环形齿轮和太阳齿轮同心地可旋转地安装，这种引导设定凸轮盘6旋转。作为驱动部的行星架(未示出)与作为齿轮装置的输出部的凸轮盘6之间的减速比通过比值m₇/m₈计算，其中：

m₇＝72/24并且

m₈＝73/25。

如果行星架不是被直接驱动的，而是如在所示的情况中，经由太阳齿轮被驱动，那么可获得甚至更大的减速结果。

图4示出了一种类似的减速齿轮装置的方案。这里，选择比值m₈＝71/23。比值m₇(通过该比值形成凸轮盘的凸轮轮廓7)不变，为72/24。当图3的减速齿轮装置中的太阳齿轮11和凸轮盘6具有相同的旋转方向时，图4的减速齿轮装置中具有相反的方向。

图5示出了图3的减速齿轮装置，具有两个另外的行星齿轮3.2和3.3。这三个行星齿轮3.1、3.2和3.3以均匀分布在减速齿轮装置的周边上的方式布置。每个行星齿轮分别包括一个点形状的引导构件5A、5C和5E。对于这种减速齿轮装置，在凸轮盘6的凸轮轮廓7与三个引导构件5A、5C、5E中的每个之间具有引导。与图3的减速齿轮装置相比，该实施例确保更平滑的运行。例如，凸轮盘6可以设计成使得凸轮轮廓7限定凸轮盘的中心凹部。在这种情况下，可以使用可旋转地安装在行星齿轮上的销作为引导构件，其沿着凸轮盘6的凸轮轮廓7滚动。然而，图5的减速齿轮装置具有的问题在于，这三个销的运动并不是在每一位置都导致凸轮盘6的前进。例如，如果检查到点5A在第一行星齿轮3.1上的路径从初始状态开始，则该点产生凸轮盘6的前进，直到其到达位置5A'。从该位置，点5A运动离开凸轮盘6的凸轮轮廓7。为了消除这个问题，在理论上可以使用例如位于行星齿轮的相对侧上的第二凸轮盘，该第二凸轮盘相对于第一凸轮盘偏置180°并且与行星齿轮的相对侧上的另外的相应销接合。相对于彼此偏置的这两个凸轮盘必须彼此连接。因为该解决方案在技术上是不可行的，没有将环形齿轮包封在由两个凸轮盘形成的输出部内，因此对于图5的减速齿轮装置的唯一解决方案保持为将凸轮轮廓7体现为凹槽。

图6示出了一种与图1和图2的布置类似的布置，用于形成由其自身重叠的闭合的缩短的内摆线8。在这种情况下，比值m＝R/r为70/28。图7示出了凸轮盘6，其凸轮轮廓7由图6中所示的内摆线8的包络线形成。对于图7所示的凸轮盘6，凸轮轮廓7限定了凸轮盘的中心凹部10。所述凸轮盘在图8所示的减速齿轮装置1中使用。在该减速齿轮装置中，环形齿轮的齿数与行星齿轮的齿数相对于图6的装置分别增加一个齿。因此，比值m＝R/r为71/29。类似于图5的减速齿轮装置，图8的减速齿轮装置也包括三个行星齿轮，它们以均匀分布在减速齿轮装置的周边上的方式布置。两个销可旋转地安装在每个行星齿轮处。所述两个销分别设置在距行星齿轮轴线相同的距离处并且相对于行星齿轮轴线彼此偏置180°。因此，所述两个销彼此相对布置。第一行星齿轮3.1包括两个枢轴销5A和5B，第二行星齿轮3.2包括两个销5C和5D，并且第三行星齿轮3.3包括两个销5E和5F。内摆线8描绘了销5A在第一行星齿轮3.1上的路径。可以清楚地看到，销5A不是沿着凸轮盘6的凸轮轮廓7连续地滚动。然而，在所有时间，销5A至5F中的至少一个与凸轮盘6的凸轮轮廓7进行夹带接合(entrainingengagement)，使得凸轮盘6连续地旋转。销5A至5F的旋转轴线与相应的行星齿轮轴线平行。销5A至5F优选地由陶瓷制成并利用滚动轴承(特别是利用滚针轴承)可旋转地安装在相应的行星齿轮中。在图8的减速齿轮装置中，太阳齿轮11与凸轮盘6具有相同的旋转方向。然而，图9的减速齿轮装置导致相反的旋转方向。该齿轮装置具有与图8的齿轮装置相同的凸轮盘。比值m＝R/r为69/27而不是71/29。

Claims (14)

1.一种减速齿轮装置，具有：环形齿轮、在所述环形齿轮中围绕滚动且具有行星齿轮轴线的至少一个行星齿轮、以及与所述环形齿轮共轴且能旋转地安装至所述环形齿轮的输出部，其中，所述行星齿轮包括与所述行星齿轮轴线间隔开且当所述行星齿轮在所述环形齿轮中围绕滚动时沿着相对于所述环形齿轮的第一内摆线运动的引导构件，其中，所述引导构件通过所述输出部的凸轮盘引导，使得当所述行星齿轮在所述环形齿轮中围绕滚动时，所述输出部经历由引导所述引导构件的所述凸轮盘传输的旋转驱动运动，其特征在于，所述凸轮盘包括用于引导所述引导构件的凸轮轮廓，其中，所述凸轮轮廓是闭合的第二内摆线或所述闭合的第二内摆线的包络线，所述闭合的第二内摆线通过所述引导构件在一比值下的运动来得到，所述比值不同于所述环形齿轮的有效半径与所述行星齿轮的有效半径的实际比值。

2.根据权利要求1所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述凸轮盘的所述凸轮轮廓周期地从所述闭合的第二内摆线或从所述闭合的第二内摆线的包络线偏离。

3.根据权利要求1所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述引导构件布置在所述行星齿轮轴线与所述行星齿轮的节圆之间。

4.根据权利要求1所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述引导构件是销，所述销平行于所述行星齿轮轴线而对准并沿着所述凸轮盘的所述凸轮轮廓被引导。

5.根据权利要求4所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述销能旋转地安装在所述行星齿轮处并沿着所述凸轮盘的所述凸轮轮廓滚动。

6.根据权利要求5所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述销由陶瓷或硬质金属制造。

7.根据权利要求6所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述销由氧化锆制造。

8.根据权利要求1所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述减速齿轮装置包括三个行星齿轮。

9.根据权利要求1所述的减速齿轮装置，其特征在于，每个所述行星齿轮分别包括两个引导构件，所述两个引导构件布置在距所述行星齿轮轴线相同的距离处，相对于所述行星齿轮轴线彼此偏置180°。

10.根据权利要求1所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述凸轮盘的所述凸轮轮廓限定所述凸轮盘的中心凹部。

11.根据权利要求1所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述凸轮轮廓由所述凸轮盘中的凹槽形成。

12.根据权利要求1所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述减速齿轮装置还包括与所述行星齿轮啮合并用来驱动所述行星齿轮的太阳齿轮，其中，所述行星齿轮被浮动地支撑在所述太阳齿轮与所述环形齿轮之间。

13.根据权利要求1所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述行星齿轮通过与所述环形齿轮同轴地且被可旋转地支撑的行星架而驱动地作用。

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的减速齿轮装置，其特征在于，所述减速齿轮装置的减速比在5:1至500:1之间的范围内。