CN106065925A - 谐波齿轮传动装置 - Google Patents

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安德鲁·格拉拉
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Abstract

一种谐波齿轮传动装置，包括输入轴与输出轴。输入轴机械联接至具有变化直径的波发生器。波发生器位于包括外齿的柔性齿条内。当波发生器的大直径与柔性齿条的外齿对准时，柔性齿条的外齿与固定齿条的内齿和输出齿条的内齿接合。输出齿条的齿数与输入齿条的齿数不同，以使得当波发生器旋转并且柔性齿条旋转时，输出齿条相对于固定齿条旋转。

Description

谐波齿轮传动装置
相关申请的交叉引用
该申请是要求2015年4月20日提交的第62/150,101号美国临时申请的优先权的非临时申请。
技术领域
本公开大体涉及动力传递机构，具体涉及井下工具的动力传递机构。
背景技术
在井眼中，可能期望部件相对于钻柱的其余部分旋转。通常，通过诸如电动马达或泥浆马达的马达来形成井下旋转。然而，电动马达和泥浆马达的旋转速度对于期望的旋转来说可能太快。当期望相对于钻柱的其余部分相对缓慢地旋转时，可能需要一个或多个传动设备。
发明内容
本公开提供了一种谐波齿轮传动装置。谐波齿轮传动装置可包括输入轴。输入轴可大体呈管状。谐波齿轮传动装置可包括机械联接至输入轴的波发生器。波发生器可具有变化的直径。波发生器的具有最大直径的部分可限定出波发生器的大直径。谐波齿轮传动装置可包括柔性齿条。柔性齿条可大致呈管状并且可包括外齿。柔性齿条可适于定位成围绕波发生器，从而适于在波发生器旋转时进行弹性收缩。谐波齿轮传动装置可包括固定齿条。固定齿条为环形形状并包括第一数量的内齿，该第一数量的内齿适于接合柔性齿条与波发生器的大直径对准的外齿。谐波齿轮传动装置可包括输出齿条，输出齿条为环形形状并包括第二数量的内齿，该第二数量的内齿适于接合柔性齿条与波发生器的大直径对准的外齿。第二数量的内齿与第一数量的内齿可数量不同。
附图说明
当与附图一起阅读时，从以下详细描述可最好地理解本公开。要强调的是，各特征没有根据工业中的标准实践按比例绘制。事实上，为了讨论的清楚起见，各特征的尺寸可能被任意地增大或减小。
图1示出了根据本公开的至少一个实施方式的谐波齿轮传动装置的剖视图。
图2示出了图1的谐波齿轮传动装置的分解局部剖视图。
图3示出了图1的谐波齿轮传动装置的局部拆开的端端图。
图4示出了根据本公开的至少一个实施方式的谐波齿轮传动装置的剖视图。
具体实施方式
要理解，以下公开提供了一些不同的实施方式或示例，以实现各实施方式的不同特征。下面描述部件和布置的具体示例以简化本公开。当然，这些仅是示例且不旨在进行限制。此外，本公开可在各示例中重复参考标记和/或字母。该重复是出于简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论的各种实施方式和/或配置之间的关系。
如图1、图2所示，谐波齿轮传动装置100可机械地联接在输入轴101与输出子件(sub)103之间。输入轴101可机械联接至马达(未示出)的输出轴。马达可例如而不限于泥浆马达、电动马达、或适于在井眼中使用的任何其它马达。在一些实施方式中，输入轴101可直接机械联接到马达的输出轴。在一些实施方式中，输入轴101可包括将输入轴101机械联接到马达的输出轴的一个或多个动力传递联接件。例如而不限制，在一些实施方式中，如图1、图2所示，传递联接件可包括城堡状件105。城堡状件105可形成在输入轴101中，并且可与形成于马达的输出轴中的城堡状件连接，从而允许通过城堡状件105的互锁将旋转力传递到输入轴101中。
输入轴101可机械联接至波发生器107。在一些实施方式中，输入轴101和波发生器107可大体呈管状，从而允许贯穿输入轴101和波发生器107地形成中央孔。在谐波齿轮传动装置100用作井下工具的一部分的一些实施方式中，例如而不限制，中央孔可允许经过该中央孔的钻井流体进行循环。波发生器107可形成为输入轴101的集成部件。在一些实施方式中，波发生器107可构成具有变化直径的偏心凸轮。例如，如图3所示，波发生器107的横截面可大体呈椭圆形。如本文所使用，波发生器107的“大直径”表示波发生器107的具有最大直径的一部分或多个部分，在图3中示为DM。受益于本公开的领域的普通技术人员应理解，根据波发生器107的横截面形状可形成一个或多个大直径DM。如关于沿波发生器107的外周界的点所使用的“直径”表示从该点通过中心到达位于波发生器107的周界上的、与该点相对的点所测量的直线。
如图1、图2所示，波发生器107可位于柔性齿条109内。柔性齿条109可以是具有外齿111的大致的管状构件。在一些实施方式中，柔性齿条109可与固定齿条113和输出齿条115接合。固定齿条113和输出齿条115可以是环形体。固定齿条113可机械联接至固定子件117，以使得固定齿条113不会相对于固定子件117旋转。固定齿条113可包括适于与柔性齿条109的外齿111接合的内齿114。输出齿条115可刚性地机械联接至输出子件103。输出齿条115可包括适于与柔性齿条109的外齿111接合的内齿116。
在一些实施方式中，响应于波发生器107的旋转，柔性齿条109可弹性变形。在一些实施方式中，在柔性齿条109与波发生器107的大直径DM对准的情况下，柔性齿条109的外齿111可与固定齿条113的内齿114和输出齿条115的内齿116接合。如图3所示，外齿111'与固定齿条113的内齿114接合，而外齿111"没有与固定齿条113的内齿114接合。当波发生器107旋转时，波发生器107可在柔性齿条109内滑动。在一些实施方式中，波发生器107与柔性齿条109之间可定位有滚针轴承110。滚针轴承110可包括多个滚子或针，该多个滚子或针位于柔性齿条109的表面与波发生器107的表面之间并定位成在柔性齿条109与波发生器107之间旋转。例如而不限制，滚针轴承110可减小柔性齿条围绕波发生器107旋转时波发生器107与柔性齿条109之间的摩擦。如本领域中所理解，在一些实施方式中，在没有背离本公开的范围的情况下，滚针轴承110可包括诸如滚道(未示出)的附加部件。如本领域中所理解，当波发生器107旋转时，固定齿条113的与柔性齿条109的外齿111接合的齿因而可围绕固定齿条113的内齿114进动。
当接合的外齿111'进动时，基于柔性齿条109与固定齿条113之间的齿数差异，柔性齿条109相对于固定齿条113旋转。
如以上关于固定齿条113所描述，(与波发生器107的大直径DM对准的)外齿111'同样地与输出齿条115的内齿116接合。在一些实施方式中，输出齿条115可具有与固定齿条113不同的齿数。在一些实施方式中，输出齿条115的齿可比固定齿条113的齿少1到10个。因为输出齿条115的齿数与固定齿条113的齿数不同，所以当柔性齿条109在输出齿条115内旋转且接合的外齿111'绕输出齿条115的齿进动时，输出齿条115相对于固定齿条113旋转。输出齿条115相对于固定齿条113的旋转速度与输入轴101的旋转速度之间的比率可通过输出齿条115和固定齿条113之间的齿数差与固定齿条113的齿数的比率来确定。例如，在固定齿条113包括160个齿且输出齿条115包括159个齿的实施方式中，对于波发生器107的每次旋转，输出齿条115可使一个齿旋转，或者可进行1/160次旋转。因而，这种谐波齿轮传动装置100在输入轴101与子件103之间可具有160:1的齿轮减速比。受益于本公开的领域的普通技术人员应理解，在不背离本公开的范围的情况下，输出齿条115与固定齿条113可包括任何适当的齿数并且可具有任意齿差。
在一些实施方式中，如图1、图2所示，输出子件103可以是机械联接至附加设备(未示出)的大致的管状构件，从而允许附加设备，诸如底部钻孔组件的部件相对于固定子件117旋转。在一些实施方式中，输出子件103与固定子件117可适于支撑输入轴101的旋转。在一些实施方式中，输入轴101与输出子件103和/或固定子件117之间可定位有一个或多个轴承119。
在一些实施方式中，如图1所示，固定子件117可例如而不限于通过包括连接销121的一个或多个紧固件而机械联接至固定齿条113。在一些实施方式中，输出齿条115同样可通过诸如连接销123的一个或多个紧固件而机械联接至输出子件103。
如受益于本公开的领域的普通技术人员所理解，固定齿条113与输出齿条115之间的齿数差可受到该齿需要与柔性齿条109的外齿111恰当啮合的限制。在一些实施方式中，柔性齿条109可包括两组外齿111，每组外齿111适于与固定齿条113的齿或输出齿条115的齿中的一种啮合。如本领域中所理解的，该实施方式中的外齿111可例如而不限于包括不同的齿的几何形状、间距或数量。在不同组外齿111与固定齿条113和输出齿条115一起使用的一些实施方式中，虽然柔性齿条109的每组外齿111包括不同数量的外齿，但是固定齿条113和输出齿条115可具有相同的齿数。
在一些实施方式中，如图4所示，输入轴101'可形成为电动马达200的转子201的一部分。电动马达200可包括机械联接至固定子件117的外壳203。电动马达200可包括定子205。如本领域中所理解的，定子205可包括定位成引发定子205内部中的旋转电磁场的绕组207。在一些实施方式中，电动马达200可以是感应电动马达。在该实施方式中，转子201可包括适于使转子201作为由绕组207引发的旋转电磁场的响应进行旋转的多个绕组。在一些实施方式中，电动马达200可以是永磁电动马达。在该实施方式中，转子201可包括定位成使转子201作为由绕组207引发的旋转电磁场的响应而进行旋转的多个永磁体。
在一些实施方式中，可通过使输入轴101'形成为转子201的一部分而减少或消除后冲。在一些实施方式中，轴承119可足够支撑整个长度的转子201和/或使其稳定，从而允许电动马达200在没有附加轴承的情况下进行操作。此外，可减小谐波齿轮传动装置100的总长度。
在一些实施方式中，输入轴101和波发生器107可形成为集成单元。在一些实施方式中，输入轴101在其最狭窄点处的壁厚可在3mm到20mm之间，且在其与波发生器107的大直径DM对应的最宽点处的壁厚可在5mm到50mm之间。
在一些实施方式中，如图4示意性示出，谐波齿轮传动装置100可在旋转导向系统(RSS)300中使用。RSS 300可包括RSS壳体301以及本领域中所理解的其它部件。RSS壳体301可机械联接至输出子件103并且可相对于钻柱305的其余部分旋转。在一些实施方式中，传动轴303可穿过输入轴101的内部。在该实施方式中，能够与谐波齿轮传动装置100一起使用的传动轴303的直径可取决于输入轴101的内直径。在一些实施方式中，对于谐波齿轮传动装置100的给定外直径而言，可通过使输入轴101形成为大致的薄壁构件而使传动轴303的直径最大。
上文概括了若干实施方式的特征，以使得本领域普通技术人员可更好的理解本公开的各方面。该特征可由多个等同替代方案中的任意一个取代，本文仅公开了这些等同替代方案中的一些。本领域普通技术人员应理解，本领域普通技术人员可容易地使用本公开作为设计或修改其它过程和结构的基础，以实现本文所介绍的实施方式的相同目的和/或实现本文所介绍的实施方式的相同优势。本领域普通技术人员还应意识到，该等同结构未背离本公开的精神和范围，并且在没有背离本公开的精神和范围的情况下，可对该等同结构进行各种变型、替换和修改。

Claims (28)

1.一种谐波齿轮传动装置，包括：
输入轴；
波发生器，机械联接至所述输入轴，所述波发生器具有变化的直径，所述波发生器的具有最大直径的部分限定出所述波发生器的大直径；
柔性齿条，所述柔性齿条呈大致的管状并包括外齿，所述柔性齿条定位成围绕所述波发生器；
固定齿条，所述固定齿条包括第一数量的内齿，其中，所述第一数量的内齿接合所述柔性齿条与所述波发生器的大直径对准的外齿；以及
输出齿条，所述输出齿条包括第二数量的内齿，其中，所述第二数量的内齿适于接合所述柔性齿条与所述波发生器的大直径对准的外齿，所述第二数量的内齿与所述第一数量的内齿数量不同。
2.如权利要求1所述的谐波齿轮传动装置，还包括机械联接至所述输出齿条的输出子件。
3.如权利要求2所述的谐波齿轮传动装置，还包括位于所述输出子件与所述输入轴之间的至少一个轴承。
4.如权利要求1所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述输入轴机械联接至马达的输出轴。
5.如权利要求4所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述马达是泥浆马达或电动马达。
6.如权利要求5所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述输入轴形成为所述马达的转子的一部分。
7.如权利要求4所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述输入轴还包括传递联接件，以将所述输入轴机械联接至所述马达的输出轴。
8.如权利要求7所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述传递联接件包括形成于所述输入轴上的城堡状件和形成于所述马达的输出轴上的对应城堡状件。
9.如权利要求4所述的谐波齿轮传动装置，还包括固定子件，所述固定子件机械联接至所述固定齿条和所述马达。
10.如权利要求9所述的谐波齿轮传动装置，还包括位于所述固定子件与所述输入轴之间的至少一个轴承。
11.如权利要求1所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述波发生器的横截面大致为椭圆形。
12.如权利要求1所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述第一数量的内齿和所述第二数量的内齿之差在1到10之间。
13.如权利要求1所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述柔性齿条的外齿包括第一组齿和第二组齿，所述第一组齿与所述固定齿条的内齿接合，所述第二组齿与所述输出齿条的内齿接合。
14.如权利要求1所述的谐波齿轮传动装置，还包括位于所述柔性齿条与所述波发生器之间的滚针轴承。
15.如权利要求1所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述输入轴、所述波发生器、所述柔性齿条、所述固定齿条和所述输出齿条呈大致的管状，并具有形成为贯穿所述输入轴、所述波发生器、所述柔性齿条、所述固定齿条和所述输出齿条的中央孔。
16.如权利要求15所述的谐波齿轮传动装置，还包括延伸通过所述中央孔的传动轴。
17.如权利要求1所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述输出子件联接至RSS的RSS壳体。
18.如权利要求1所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述波发生器是偏心凸轮。
19.如权利要求1所述的谐波齿轮传动装置，其中，所述波发生器的横截面大致为椭圆形。
20.一种方法，包括：
提供一种谐波齿轮传动装置，所述谐波齿轮传动装置包括：
输入轴；
波发生器，机械联接至所述输入轴，所述波发生器具有变化的直径，所述波发生器的具有最大直径的部分限定出所述波发生器的大直径；
柔性齿条，所述柔性齿条呈大致的管状并包括外齿，所述柔性齿条定位成围绕所述波发生器；
固定齿条，所述固定齿条包括第一数量的内齿，所述第一数量的内齿接合所述柔性齿条与所述波发生器的大直径对准的外齿；以及
输出齿条，所述输出齿条包括第二数量的内齿，所述第二数量的内齿适于接合所述柔性齿条与所述波发生器的大直径对准的外齿，所述第二数量的内齿与所述第一数量的内齿数量不同；
使所述柔性齿条的外齿与所述固定齿条的内齿和所述输出齿条的内齿接合；
利用所述波发生器使所述柔性齿条弹性形变，从而使得所述柔性齿条的至少一个齿与所述固定齿条的内齿和所述输出齿条的内齿接合；
使所述波发生器旋转，从而使得所述柔性齿条在保持与所述固定齿条的内齿和所述输出齿条的内齿接合时发生弹性变形，进而使所述输出齿条相对于所述固定齿条旋转。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述输入轴联接至马达的输出轴，并且所述方法还包括利用所述马达使所述输入轴旋转。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述输入轴通过传递联接件联接至所述马达的输出轴，所述传递联接件包括形成于所述输入轴上的城堡状件和形成于所述马达的输出轴上的对应城堡状件，且所述方法还包括使所述城堡状件互锁。
23.如权利要求20所述的方法，其中，所述输入轴、所述波发生器、所述柔性齿条、所述固定齿条和所述输出齿条呈大致的管状并具有形成为贯穿所述输入轴、所述波发生器、所述柔性齿条、所述固定齿条和所述输出齿条的中央孔。
24.如权利要求20所述的方法，其中，所述波发生器的横截面大致呈椭圆形。
25.如权利要求20所述的方法，还包括：
在所述波发生器和所述柔性齿条之间设置滚针轴承；以及
减小所述波发生器旋转时所述波发生器与所述柔性齿条之间的摩擦。
26.如权利要求20所述的方法，其中，所述输出齿条以与所述输入轴不同的速度旋转。
27.如权利要求26所述的方法，其中，所述输出齿条的旋转速度与所述输入轴的旋转速度之间的比率通过所述输出齿条和所述固定齿条之间的齿数差与所述柔性齿条上的齿数之间的比率来确定。
28.一种旋转导向系统，包括：
一种谐波齿轮传动装置，包括：
输入轴；
波发生器，机械联接至所述输入轴，所述波发生器具有变化的直径，所述波发生器的具有最大直径的部分限定出所述波发生器的大直径；
柔性齿条，所述柔性齿条呈大致的管状并包括外齿，所述柔性齿条定位成围绕所述波发生器；
固定齿条，所述固定齿条包括第一数量的内齿，所述第一数量的内齿接合所述柔性齿条与所述波发生器的大直径对准的外齿；以及
输出齿条，所述输出齿条包括第二数量的内齿，所述第二数量的内齿适于接合所述柔性齿条与所述波发生器的大直径对准的外齿，所述第二数量的内齿与所述第一数量的内齿数量不同；
马达，具有机械联接至所述输入轴的输出轴；
RSS壳体，机械联接至所述输出齿条；以及
传动轴，延伸通过所述谐波齿轮传动装置和所述RSS壳体的内部。
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