CN107429797B - 改进的高扭矩传动装置 - Google Patents

Abstract

蜗杆传动装置具有蜗杆和蜗轮。啮合组件围绕蜗轮形成，每个啮合组件包括滚珠和容纳滚珠的一部分的穴。每个穴相对于轮的外围以锐角朝向蜗杆传动装置定向。蜗杆呈现与蜗轮的外围部分互补的凹形锥形侧面轮廓。因此，滚珠的一部分与蜗杆啮合并自由旋转，以在使用中减小蜗杆与蜗轮之间的剪切力。

Description

改进的高扭矩传动装置

技术领域

本发明涉及蜗杆传动装置，还涉及配置为用于将高转矩分配给负载的机械扭矩放大器的蜗杆传动装置。

背景技术

对现有技术的方法、装置或文件的任何引用不能被认为是证明或认可其构成公知常识或公知常识的一部分。

蜗杆和齿轮机构数百年来已知用于减速、扭矩放大和需要旋转-旋转传动的常规应用。

最基本的蜗杆和齿轮机构包括与齿轮或“蜗轮”的齿相啮合的定螺距螺纹蜗杆。在这种机构中，任何一次只有一个齿受力于蜗杆。也就是说，齿轮和蜗杆接触被限制在每个主要部件之间的滑动接触的一个最佳接触点。仅在齿轮和蜗杆之间的准确垂直点进行接触，该点承受滑动接触中的所有扭矩驱动力。

已知更复杂的蜗杆，其能够沿齿轮和蜗杆之间较长的弧分配力，这些蜗杆可被称为“螺旋形”、“沙漏形”或“球形”蜗杆。例如，Trbojevich的美国专利2,338,367描述了一种截断的锥形球形蜗杆，其被设计成向前或向后驱动其齿轮。

在这种蜗杆传动装置中可能出现的问题是在齿轮的齿和蜗杆之间发生不适当的磨损。

解决磨损问题的一种方法已经在Meko Seiki Inc.的欧洲专利申请EP2251564A1中描述，其中蜗轮包括外围磁体，每个磁体将一个滚珠保持在轮上形成的相应插口处。滚珠与螺旋蜗杆的螺纹啮合，使蜗杆与齿轮之间有滚动接触。然而，将会认识到制造具有精确定位的外围磁体的齿轮是复杂的工作。此外，磁体具有消磁的风险，在这种情况下，滚珠不再保持在适当位置。此外，滚珠受到相当大的剪切力，这是不期望的。

在美国公开专利申请US20060156845中给出了在蜗杆和齿轮之间提供滚动接触的另一种方法，其中滚珠沿蜗杆的螺旋轨道循环并且通过由此形成的隧道再循环。然而，在Tong中描述的蜗杆传动装置可能不能将高扭矩从蜗杆传递到齿轮，而这是用作扳手或绞盘的扭矩放大器中所希望的。

本发明的目的是提供一种能够以高水平的扭矩操作的改进的蜗杆传动装置。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种包括蜗杆和蜗轮的蜗杆传动装置，包括：

a.围绕蜗轮形成的啮合组件，每个啮合组件包括滚珠和容纳滚珠的一部分的穴，每个穴相对于所述轮的周边以锐角取向，

b.其中所述蜗杆具有与所述蜗轮的外围部分互补的凹形锥形侧面轮廓，

c.滚珠的一部分与蜗杆啮合并自由旋转，从而减少使用中蜗杆与蜗轮之间的剪切力。

优选地，蜗杆包括限定滚珠的轨道的至少一个螺旋形螺纹，轨道在轮廓中是凹形的。

蜗杆传动装置可以配置为扭矩放大器，其中蜗杆的完全旋转导致蜗杆传动装置围绕其轴线的部分旋转。

在本发明的优选实施方式中，蜗杆与至少三个啮合组件啮合。

优选地，蜗杆包括用于迅速地连接到传动组件的构造。例如，该构造可以包括六角插口。

在本发明的一个优选实施方式中，蜗杆传动装置配置为套筒扳手，其中蜗轮包括用于容纳螺栓头部的插口。

优选地，蜗杆传动装置包括用于蜗杆和蜗轮的壳体，其保持蜗轮和蜗轮相互接合。

附图说明

通过以下详细描述可以领悟本发明的优选特征、实施方式和改变，其为本领域技术人员提供足够的信息来实施本发明。

详细描述不能被认为是以任何方式限制前述发明内容的范围。具详细描述将参考如下附图：

图1是根据本发明的优选实施方式的蜗杆传动装置的横截面。

图1A是图1的蜗杆传动装置的蜗轮的分解视图。

图2是图1的蜗杆传动装置的蜗杆的侧视图。

图3是图1的蜗杆传动装置的等距视图，其壳体被移除。

图4是图1的蜗杆传动装置的啮合组件的横截面图的细节。

图5是图1的蜗杆传动装置的侧视图，其壳体被移除。

图6是根据本发明的第二实施方式的蜗杆传动装置的一部分的详细视图。

具体实施方式

现在参考图1，示出了根据本发明的优选实施方式的蜗杆传动装置1的横截面。蜗杆传动装置1包括与蜗轮5啮合的蜗杆3，蜗杆和蜗轮通过壳体7彼此保持啮合。传动装置的图2和图3分别是蜗杆传动装置1的侧视图和等距视图，为了清晰起见，移除了壳体7。

将会观察到，蜗轮5的啮合组件9a，...，9n各自包括穴11a，...，11n形式的一体形成的支撑件。穴各自接收滚珠13a，...，13n。在目前描述的优选实施方式中，每个滚珠13a，...，13n在其相应的穴中自由旋转。图1A是示出在在其各自的穴外面的滚珠的蜗轮的分解视图。

每个滚珠13a，...，13n具有从其相应的穴11a，...，11n面向外部的表面区域部分，以便向蜗杆3提供球面。

如图2所示，蜗杆3形成有第一和第二螺纹15、17，每个螺纹从临近柄4的柄端(15a，17a)前进到邻近末梢6的尖端(15n，17n)。如虚线19,21所示，螺纹15,17具有凹形锥形的侧面轮廓。蜗杆3的侧面轮廓与蜗轮5外围的啮合组件9a，...，9n互补，从而滚珠13a，...，13n的球面的一部分与在螺纹15、17之间延伸的凹形轨道23啮合。

再次参考图1，滚珠13a，...，13n通过蜗杆3的轨道23或通过在壳体7中围绕蜗轮5的外侧形成的轴承座圈31而保持在它们各自的穴11a，...，11n的插口中。

在本发明的目前描述的优选实施方式中，轨道23与四个啮合组件9a，...，9d啮合。

再次参考图1，蜗杆3包括一个构造，即一个六角插口25，用于与如细长手柄的传动组件联接。

在目前描述的优选实施方式中，蜗杆传动装置1配置为套筒扳手，因此蜗轮5包括中心插口27，以在使用中旋转螺栓的头部。蜗杆传动装置1配置为扭矩放大器，其中蜗杆3的完全旋转导致蜗轮5绕其轴线的部分旋转。

参考图3，在使用中，蜗杆3围绕其轴线29沿箭头32所示的方向旋转。当蜗杆3旋转时，蜗轮5的啮合组件9a，...，9n的滚珠13a，...，13n的球面与蜗杆的轨道23啮合，因此沿着箭头35所示的方向围绕蜗轮5的轴线33受力。

由于螺纹部分15a具有最大的半径和最小的节面角，所以最大直径的螺纹部分15a(图2所示)提供了相对于齿的最大驱动力。从图2可以看出，节面角从蜗杆的轴端减小到远端。例如，第二螺纹朝向蜗杆3的柄4端的节面角θ₁小于第二螺纹朝向蜗杆3的末梢6的节面角θ₂。

当蜗杆3旋转时，每一次蜗杆旋转通过一个滚珠。因此，如果在蜗轮5周围有十五个啮合组件，如图1所示，那么扭矩放大比为15:1。

当滚珠13a，...，13n的表面与最大直径的轨道部分23a啮合时，滚珠13a，...，13n倾向于在它们各自的穴11a，...，11n内最快地旋转。这是由于朝向蜗杆3的柄部4的轨道部分23a与滚珠13a，...，13n的每个球面形成的接触面积大于朝向蜗杆较小直径的末梢6的轨道部分23n的情况。

从图1可以看出，在本发明的当前描述的实施方式中，在图1所示时刻的四个滚珠(即滚珠13a，13b，13c，13d)与蜗杆3的轨道23啮合。每个滚珠与蜗杆的轨道以及它们各自的穴11a，...，11d滚动接触。

参考图4，在当前描述的实施方式中，每个球形穴11a，...，11d与蜗轮5的圆周成锐角θ₃(约60度)对齐。穴的角度允许良好的力线10从蜗杆3传递到蜗轮中，然后经由插口27进入附接的装置，例如螺栓头。穴中心线(图4中虚线示出)朝向蜗杆轨道倾斜，以使蜗杆3的推力在一个旋转方向(即图5中的箭头32、35所示的方向)上最大化。此外，轨道15(如图4中详细所示)成形为使其倾向于与滚珠相互作用，使得齿轮被拉向蜗杆3，其有助于维持蜗杆和齿轮之间的紧密连接。

穴11a，...，11d以冲角θ₃取向，使滚珠13a，...，13n从蜗杆3的轨道23受到压力而不是剪切力。以这种方式，穴11a，...，11n不在一边磨损。穴的角度提供了单方向支撑物支撑，其使得常规蜗轮传动装置所经受的分离力最小化。通过在母体部件(即蜗杆和蜗轮)之间提供非常低的分离力，同时在极端扭矩下工作时，倾斜穴还有助于蜗杆传动装置1的功能。在这种情况下，允许蜗轮5承载完整的分离负载，而不需要其他轴承。

如果不使用有角度的穴，则使用与轴承轮的圆周对齐的平的球形穴，则滚珠将处于剪切负载中，因此穴将受到侧向力，使得它将不能在没有高分离力的情况下传递相同的高扭矩负载。这些力将使蜗轮偏离蜗杆，反之亦然。这种布置将导致高分离力，与在其中小齿轮和伞形齿轮尝试分离的其他90度传动装置中发现的一样，因此非常低效。

在之前描述的实施方式中，滚珠已经在穴中自由旋转。然而，如图6所示，发明人已经发现，可以将具有滚珠13和穴11的啮合组件制成单个实体件。在这种情况下，滚珠13的球面与穴11一体形成，没有滚动接触。相反，啮合组件9'更多地以常规齿的方式起作用，并且必须良好地润滑，使得不会发生与蜗杆的轨道的过度磨损。将认识到的是，第二实施方式远远不如本文参考图1所阐述的示例性实施方式吸引人。

尽管本文已经在扭矩扳手的上下文中描述了示例性的蜗杆传动装置，如图1所示，它可以用于需要高扭矩传动机构的其它应用中，例如齿轮箱和绞盘。

应当认识到，上述描述确定了本发明的至少一个具体的、实质上的和可信的用途。

根据法规，本发明已经或多或少针对结构或方法特征用语言进行了描述。

术语“包括”及其变体，例如“包括”和“由...组成”，在全文中以包含意义使用，而不排除任何附加特征。应当理解，本发明不限于所示出的或描述的具体特征，因为本文描述的装置包括实现本发明的优选形式。因此，本发明请求保护由本领域技术人员适当理解的所附权利要求的适当范围内的任何形式或修改。

在整个说明书和权利要求(如果存在)中，除非上下文另有要求，否则术语“基本上”或“约”将被理解为不限于由该术语定量的范围的值。

在本申请的整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，单数包括复数。特别是，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另有要求，否则说明书将被理解为考虑复数及单数。

结合本发明的特定方面、实施方式或实施例描述的特征、整数、特点、化合物、化学部分或基团应理解为可应用于本文所述的任何其它方面、实施方式或实施例，除非与其相矛盾。

本发明的任何实施方式仅仅是说明性的，而不意味着限制本发明。因此，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的任何实施方式进行各种其它改变和修改。

Claims (6)

1.具有蜗杆和蜗轮的蜗杆传动装置，包括：

啮合组件，其包括围绕蜗轮形成的多个滚珠和多个相应的穴，

每个啮合组件包括所述多个滚珠中的一个滚珠和所述多个相应的穴中的一个相应的穴，

其中所述一个相应的穴将所述一个滚珠的一部分容纳在所述一个相应的穴的插口中，并且其中所述一个滚珠具有从所述一个相应的穴面向外部的表面区域部分，

其中每个啮合组件的所述一个相应的穴的中心线朝向蜗杆的凹形轨道倾斜，

其中所述一个相应的穴的中心线与蜗轮外围的切线成锐角，所述中心线与蜗轮外围相交；

其中所述蜗杆朝一端逐渐变细并且呈现与啮合组件互补的凹形锥形侧面轮廓；以及

由此滚珠的球面与蜗杆的凹形轨道啮合并自由旋转，从而减少使用中蜗杆与蜗轮之间的剪切力。

2.根据权利要求1所述的传动装置，其中所述蜗杆包括限定用于所述滚珠的轨道的至少一个螺旋形螺纹，所述轨道在轮廓中是凹形的。

3.根据权利要求1所述的传动装置，其被配置为扭矩放大器，其中所述蜗杆的完全旋转引起所述蜗轮绕其轴线的部分旋转。

4.根据权利要求1所述的传动装置，其中所述蜗杆与所述蜗轮的至少三个啮合组件啮合。

5.根据权利要求3所述的传动装置，其中所述蜗杆包括易于连接到驱动组件的构造。

6.根据权利要求5所述的传动装置，其被配置为扭矩扳手，其中所述蜗轮包括用于容纳螺栓头部的插口。

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