CN107548443A - 周转齿轮系 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及周转齿轮系，其包括用于驱动多个行星齿轮(7)的驱动构件(3)。每个行星齿轮附接到行星架上并且与至少一个齿圈啮合。由此使齿圈或行星架围绕周转齿轮系的中心轴线(21)旋转。齿圈和行星架中的另一个固定在齿轮系的静止零件(5)。行星齿轮(7)各自经由至少一个行星连接器(17)附接到行星齿轮架(7)，所述行星连接器可围绕轴线(24)旋转，该轴线相对于行星轴线(23)偏移并平行于行星轴线(23)，使得转动所述至少一个行星连接器会通过偏心连接改变中心轴线(21)和行星轴线(23)之间的距离。行星连接器被旋转地预张紧，以向行星轴线(23)施加使其远离中心轴线(21)的压力，并且所述至少一个行星连接器通过轴承(27)附接到行星架。

Description

周转齿轮系
技术领域
本公开涉及一种周转齿轮系(epicyclic gear train)，其包括驱动构件，驱动多个行星齿轮，每个行星齿轮附接到行星架并围绕行星轴线旋转，并且具有与至少一个齿圈啮合的至少一个齿轮部分。由此使齿圈或行星架围绕周转齿轮系的中心轴线旋转。每个行星齿轮经由至少一个行星连接器附接到行星架，该至少一个行星连接器可围绕相对于行星轴线偏移的轴线旋转，使得转动所述至少一个行星连接器会通过偏心连接而改变齿轮系的中心轴线和行星轴线之间的距离。
背景
根据WO-2014/173701-A1，这种齿轮系是已知的。由于调节装置，行星轴线可以相对于中心轴线向外移动，直到与齿圈紧密啮合，从而减少齿隙(backlash)，这在例如齿轮系用于定位用途时可能是有用的。
与这种齿轮系相关的一个问题是如何进一步减少齿隙。
概述
因此，本公开的一个目的是如何为齿轮系提供进一步减小的齿隙。此目的通过权利要求1所限定的齿轮系实现。更具体地，在最初提到的那种齿轮系中，至少一个行星连接器被旋转地预张紧，以向行星轴线施加使其远离中心轴线的压力，并且行星连接器通过轴承附接到行星架。利用这种布置，齿轮系变得能够消除例如在长期使用之后由于磨损而产生的齿隙。此外，由于提供给每个行星连接器的旋转力，沿一个齿圈或多个齿圈的外周的任何变化都可以被补偿，因为即使在围绕齿轮系的中心轴线转动一圈期间行星轴线也可以径向移动。
可以允许每个行星齿轮的行星连接器被预张紧，并且这可以通过经由弹簧预张紧与中心轴线同轴的中心齿轮来实现。中心齿轮可以与行星控制齿轮啮合，所述行星控制齿轮连接到每个行星齿轮的行星连接器。
替代地，每个行星齿轮的行星连接器可以包括单独地预张紧行星连接器的弹簧。
弹簧可以是螺旋扭转弹簧(helical torsion spring)，或替代地是例如片簧(blade spring)或螺旋弹簧(coil spring)。优选地，弹簧是压缩弹簧。
每个行星齿轮可以具有第一和第二相互连接的齿轮部分，第一齿轮与静止的第一齿圈啮合，并且第二齿轮与第二齿圈啮合，从而使第二齿圈围绕周转齿轮系的中心轴线旋转。并且齿圈具有不同齿数。这可以为齿轮系提供非常高的齿轮传动比。所述齿轮部分中的至少一个齿轮部分和与该至少一个齿轮部分啮合的齿圈可以是圆锥形的或带斜度的。
驱动构件可以位于齿轮系的中心轴线处，并且直接驱动行星齿轮，或者可以替代地相对于中心轴线偏移并驱动行星架的齿轮。后一种情形允许在齿轮系中提供中心开口，电缆或类似结构可以延伸穿过该中心开口。
用于将行星齿轮连接到行星架的轴承可以是滚珠轴承或滚子轴承(ball orroller bearing)，或替代地是滑动轴承(plain bearing)。
驱动构件可以是驱动小齿轮(driving pinion)。
每个行星控制齿轮可以连接到行星轴的一端。
附图的简要描述
图1示意性地示出了具有中心驱动小齿轮的周转齿轮系的轴向正视图。
图2示出了图1中的齿轮系的局部径向横截面。
图3示出了周转齿轮系的侧视图。
图4a示出了沿着图3中的线A-A的横截面，并且图4b示意性地示出了具有圆锥形行星齿轮部分的布置。
图4c和图4d示出了替代实施方案。
图5和图6示出了用于获得预张紧布置的第一可选方案。
图7和图8示出了用于获得预张紧布置的其他可选方案。
图9示出了具有中心开口的齿轮系的横截面。
详细描述
本公开涉及周转齿轮系(也被称为行星齿轮系)，其经常实现高的总齿轮传动比，例如，高于50:1，经常甚至达到400:1，并且具有紧凑的结构。
图1非常示意性地示出了行星齿轮系1的轴向正视图，其具有呈驱动小齿轮3形式的中心驱动构件。齿轮系1可以具有外壳(图1中未示出)，该外壳可以附接到一结构，以提供关于齿轮系的操作的静止参考点。图2示出了图1中的齿轮系的局部径向横截面。通常由引入轴(incoming shaft)驱动的驱动小齿轮3围绕齿轮系的中心轴线21转动，并与行星齿轮7啮合，所述行星齿轮7附接到行星架(未示出)并且各自围绕行星轴线23转动。在所示的情形中使用了三个行星齿轮7，但是行星齿轮的数量可以不同。
行星齿轮7又与外齿圈9啮合。在所示的情形中，如果行星架是固定的，则这会使齿圈9围绕中心轴线21转动，并且齿圈可以连接到引出轴(outgoing shaft)。在这种情形中，齿轮传动比取决于驱动小齿轮3和齿圈9之间的比率。替代地，齿圈9可以是固定的，并且引出轴可以连接到行星架。
如图3和图4a所示，使用两个齿圈和分开的行星齿轮可以获得大很多的齿轮传动比。
图3示出了行星齿轮系，并且图4a示出了沿图3中的线A-A的横截面。齿轮系具有三个行星齿轮7。如上所述，尽管在大多数应用中三个行星齿轮被认为是优选的，但可以想到不同数量的行星齿轮。每个行星齿轮7包括第一齿轮部分39和第二齿轮部分41，所述第一齿轮部分39和第二齿轮部分41通过轴承13可旋转地布置在公共轴线上，并且相互连接以使得它们以相同的速度旋转。行星齿轮因此被分开(split)。每个行星齿轮7中的第一齿轮部分39和第二齿轮部分41甚至可以被设计成单个部件，但是在齿数方面上也可以有不同的大小。在图4a中，以横截面示出左侧的行星齿轮，而在右侧示出位于横截面平面后面的另一行星齿轮的正视图。
行星齿轮7布置在公共的行星架15中，参见图4a，行星架15可以由两个圆形板35、36形成。板35、36中的一个板35设置有间隔件37，以便在板35、36之间提供足以容纳板35、36之间的行星齿轮7的空间。在所示的行星架中，对于例如三个行星齿轮来说，三个行星齿轮以120°的间隔均匀地设置，但原则上可以采用不同的角度间隔。
在例如图4a中可以看出，位于中心的驱动小齿轮3与每个行星齿轮7中的第一齿轮部分39啮合。行星齿轮7中的第一齿轮部分39中的每一个还在不同位置处与第一外齿圈8啮合，该第一外齿圈8通过附接到外壳5而是静止的。结果是，驱动小齿轮3(在本示例中与齿轮系的中心轴线21对齐)的旋转使得行星齿轮7的轴线23围绕中心轴线21环行，而每个行星齿轮7围绕相应的行星轴线23和中心轴线21转动。
每个行星齿轮7的第二齿轮部分41与第二外齿圈10啮合，第二外齿圈10被布置成通过轴承12围绕中心轴线21转动。由于每个行星齿轮7的第一齿轮部分39和第二齿轮部分41可以具有互不相同的齿数(尽管这不是必需的)，并且第一齿圈8和第二齿圈10具有互不相同的齿数，因此行星齿轮7的移动使得第二齿圈10相对于第一齿圈8移动并且因此围绕中心轴线21转动。第二齿圈10可以连接到引出轴(未示出)。与驱动小齿轮3的角速度相比，第二齿圈10的角速度将非常低。第一和第二齿圈在这里按从齿轮系的驱动小齿轮侧看时齿圈的出现而被编号。替代地，可以使下齿圈10固定，并且使上齿圈8连接到齿轮系输出。
下面的表1提供了可应用于图4a的周转齿轮系的示例及其相应的齿轮传动比：
零件 齿数
驱动小齿轮(3)，其连接到输入轴 Z1＝13
第一行星齿轮部分(39)，其由小齿轮驱动 Z2＝26
第一齿圈(8)，其是固定的 Z3＝65
第二行星齿轮部分(41) Z4＝25
第二齿圈(10)，其连接到输出轴 Z5＝64
此示例给出了U＝256的齿轮传动比，其由如下公式确定：
本公开涉及减少周转齿轮系的齿隙。通常在齿轮用于准确地定位设备的应用中，齿隙可能是一个重要问题。这种应用包括工业机器人和不同种类的换能器，例如，太阳能发电系统，此时齿轮可以用于相对于最佳法向轴线对齐太阳能电池板。其他可能的应用包括例如风力发电系统等。本文公开的齿轮系主要意图用于工业机器人应用。此外，本公开描述了行星齿轮系，其可以提供不同的行星齿轮7之间的改进的载荷分布。
图4b示意性地示出了例如图4a中的本公开的齿隙消除装置。通过使行星架15以其整体沿齿轮系的轴向方向在一定程度上悬浮(float)，通过使用略微带斜度或圆锥形的齿轮，以及通过调节行星齿轮7的轴线23和中心轴线23之间的距离，即齿轮中心和行星齿轮7之间的径向位置，来消除齿隙。例如，在第二行星齿轮部分41和第二齿圈10之间存在微小的游隙(play)的情形中，可以通过远离齿轮的中心轴线21整体上向外移动行星齿轮轴线23来消除此游隙。这也使得位于悬浮的行星架15中的行星齿轮沿行星齿轮轴线23稍微向下移动，使得行星齿轮的前述向左移动不会导致第一行星齿轮部分39在第一齿圈8上产生过大的张力。同时，圆锥形驱动小齿轮3也可以向下移动。然而，由于驱动小齿轮3所施加的转矩相对小，并且因此也可以径向调节驱动小齿轮，使得所述驱动小齿轮仅驱动例如三个行星齿轮中的两个。
可以对称地调节行星齿轮7的径向位置，使得行星齿轮轴线23全部沿与齿轮系的中心轴线21同轴的单个圆柱延伸。替代地，原则上可以单独调节每个行星齿轮轴线的位置。这可以减小齿隙，但也可能意味着行星齿轮之间的不均匀的载荷分布，虽然这在某些应用中是可以允许的。
如图4b所示，每个行星齿轮7中的第一齿轮部分39和第二齿轮部分41可以呈圆锥形地倾斜或是带斜度的。在图4b中圆锥形倾斜度被显著夸大了，以更清楚地解释构思。在图4a所示的真实的齿轮系中，齿轮通常可倾斜0.5-4°。
每个行星齿轮中的第一和第二齿轮可以在它们互相最靠近的点处具有它们的较窄的端部，如图4b所示。每个齿圈进一步具有与和齿圈啮合的行星齿轮部分中的齿轮相对应的倾斜度。这意味着行星齿轮和行星架被齿圈夹住，并且可以悬浮，而不需要以其他方式在轴向上被支撑。如图4c所示，在其较宽的端部处互相连接的圆锥形齿轮部分也可以实现相同的作用。
如果为了消除齿轮系中的齿隙而向外移动行星齿轮轴线，驱动小齿轮可以被移置成仅驱动例如三个行星齿轮中的两个。
对于每个行星齿轮，一个行星齿轮部分和轮圈的对是圆锥形的或带斜度的可能是足够的。在图4d中示意性地示出了这种可想到的配置，其中驱动小齿轮和由驱动小齿轮驱动的行星齿轮部分因此可以是圆柱形的并且很可能不那么昂贵。如果为了消除圆柱形节段中的齿隙而向外移动行星齿轮轴线，则驱动小齿轮可以被移置成仅驱动例如三个行星齿轮中的两个。由于在这种配置中行星架不悬浮，因此应该施加轴向支撑(未示出)，除非行星架可通过重力保持就位。
参考图4a，齿轮系1包括调节装置，该调节装置被布置成改变中心轴线和每个行星轴线之间的距离。
每个行星齿轮7通过行星连接器(在所示情形中，包括滚子轴承17)附接到行星架15，所述行星连接器可围绕相对于行星轴线23略微偏移(offset)的轴线24旋转。如图所示，这可以通过提供行星轴45来实现。具有第一齿轮部分39和第二齿轮部分41的行星齿轮7是中空的以容纳行星轴45，并且能够通过第一组轴承13围绕行星轴转动，该第一组轴承13位于行星齿轮7的上端和下端处。圆锥形滚子轴承(也称为锥形滚子轴承)可以是优选的，因为它们允许设置成被预张紧，以便将行星齿轮7紧密地配合到行星轴45上。
行星轴45又具有第二组轴承17，该第二组轴承17位于行星轴45的端部(ends)，并且相对于第一组轴承13沿径向略微偏移。这可以通过在行星轴的每个端部18处提供行星轴的略微偏心的部分来实现。行星连接器在这种情形中因此包括行星轴45的每个端部18和第二组轴承17。这意味着转动行星连接器，即相对于行星架15转动行星轴45，会通过这种偏心连接改变中心轴线21和行星轴线23之间的距离。
除了行星轴线的偏心调节之外，行星连接器沿略微向外推进行星轴线的方向被旋转地预张紧。
图5和图6示出了用于获得预张紧布置的第一可选方案。在这种情形中，中心齿轮29用于对所有行星连接器施加相等的旋转移动。通过附接到行星架15的压缩弹簧32预张紧中心齿轮29。中心齿轮29经由杠杆臂33由压缩弹簧32预张紧。压缩弹簧32通过弹簧支架34附接到行星架。可以通过调节螺钉52来调节预张紧力。中心齿轮29与每个行星连接器一个的行星控制齿轮31啮合。每个行星控制齿轮31是被固定到相应行星轴45的端部18的齿轮，如图4a所示。来自中心齿轮29的力试图使所有行星轴旋转相同的旋转距离，并且因此使每个行星轴向外移动，如果可能的话，如前所述，直到游隙/齿隙被消除。如果例如由于长时间的使用和磨损产生新的游隙，则通过弹簧施加力不断地消除游隙。在齿轮系例如由于温度升高而变形的情况下，也这样消除游隙。
如果三个行星齿轮被使用，则将获得相等的载荷分布。如将示出的，存在用于获得预张紧的其他可能方式。
应该根据应用来确定由弹簧力和偏心几何结构决定的预张紧的量。通常，齿隙应该被消除，直到达到预定的转矩水平，但是对于超过该水平的转矩(例如，在紧急制动情况下)不需要消除齿隙，此时齿隙不重要。过强的行星轴线向外预张紧会降低效率和使用寿命，并增加磨损。对于每个齿轮系，可以单独设置预张紧，以在正常操作情况下(此时齿隙对性能不利)防止产生齿隙，但是对于齿隙可被接受的高扭矩情况，例如紧急停止时，不施加额外的载荷。
简言之，参照图9，以横截面示出了具有中空中心部的齿轮系。此齿轮系具有不同的总体结构，但本公开的齿隙消除装置可以非常相似。中空中心部49的存在是为了能够将缆线等从齿轮系的一侧引导到另一侧，这在例如工业机器人应用中是非常有用的。在这种情形中，因此，驱动小齿轮不与行星齿轮直接啮合，而与行星架15啮合。为此，使用行星架齿轮47，在图6中最佳地示出。驱动小齿轮因此驱动行星架，行星架旋转行星齿轮并使行星齿轮与齿圈啮合，同时行星齿轮围绕齿轮系的中心轴线行进。然后由齿圈中的一个提供输出运动。不提供输出运动的齿圈被锁定到齿轮系的静止零件，诸如齿轮系外壳。可以以与上文参考图6所描述的相同的方式，即通过具有附接到行星架15的压缩弹簧，来获得预张紧，所述压缩弹簧向中心齿轮29提供转动力，该中心齿轮29与每个齿轮连接器的控制齿轮31啮合，如前所述。
图7示出了另一个可选方案，其中使用附接到中心齿轮29的螺旋扭转弹簧50代替压缩弹簧。替代地，可以使用张力弹簧或片簧来代替压缩弹簧。
图8示出了用于获得预张紧布置的另一个可选方案，其中附接到行星架15的单个弹簧51被用于每个行星连接器。
本公开不受所示实施方案的限制，并且在所附权利要求的范围内可以以不同的方式修改和改变本公开。

Claims (13)

1.一种周转齿轮系，包括驱动构件(3)，所述驱动构件驱动多个行星齿轮(7)，每个行星齿轮附接到行星架(15)并围绕行星轴线(23)旋转，并且具有至少一个齿轮部分(39、41)，所述至少一个齿轮部分与至少一个齿圈(9；8、10)啮合，由此使所述齿圈(9；8、10)或所述行星架(15)围绕所述周转齿轮系的中心轴线(21)旋转，所述齿圈(9；8、10)和所述行星架(15)中的另一个被固定到齿轮系的静止零件(5)上，其中每个行星齿轮(7)经由至少一个行星连接器(17、18)附接到所述行星架(15)，至少一个行星连接器(17、18)能够围绕轴线(24)旋转，所述行星连接器所围绕的轴线(24)相对于所述行星轴线(23)偏移并且平行于所述行星轴线(23)，使得转动所述至少一个行星连接器(17、18)会通过偏心连接改变所述中心轴线(21)和所述行星轴线(23)之间的距离，其特征在于，所述至少一个行星连接器(17、18)被旋转地预张紧，以向所述行星轴线(23)施加远离所述中心轴线(21)的方向上的压力，并且所述至少一个行星连接器(17、18)通过轴承(17)附接到所述行星架(15)。
2.根据权利要求1所述的周转齿轮系，其中，每个行星齿轮的所述行星连接器(17、18)被预张紧。
3.根据权利要求2所述的周转齿轮系，其中，与所述中心轴线(21)同轴的中心齿轮(29)通过弹簧(32；50)预张紧，所述中心齿轮(21)与行星控制齿轮(31)啮合，所述行星控制齿轮连接到每个行星齿轮(7)的所述行星连接器(17、18)。
4.根据权利要求1所述的周转齿轮系，其中，每个行星齿轮(7)的所述行星连接器(17、18)包括弹簧(51)，所述弹簧单独地预张紧所述行星连接器(17、18)。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的周转齿轮系，其中，所述弹簧是螺旋扭转弹簧(50；51)。
6.根据权利要求3或4中任一项所述的周转齿轮系，其中，所述弹簧是片簧或螺旋弹簧(32)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的周转齿轮系，其中，每个行星齿轮(7)具有互相连接的第一齿轮部分(39)和第二齿轮部分(41)，所述第一齿轮部分(39)与静止的第一齿圈(8)啮合，并且所述第二齿轮部分(41)与第二齿圈(10)啮合，所述第二齿圈因此围绕所述周转齿轮系的中心轴线(21)旋转，并且所述第二齿圈(10)具有与所述第一齿圈(8)相比不同数量的齿。
8.根据权利要求7所述的周转齿轮系，其中，所述齿轮部分(39、41)中的至少一个齿轮部分以及所述第一齿圈和所述第二齿圈(8、10)中的与该至少一个齿轮部分啮合的齿圈是带斜度的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的周转齿轮系，其中，所述驱动构件(3)通过驱动所述行星架的齿轮(47)来驱动所述行星齿轮，并且提供穿过所述齿轮系的中心部分的开口(49)，以允许电缆穿过所述齿轮系的中心的通过。
10.根据前述权利要求中任一项所述的周转齿轮系，其中，所述轴承(17)是滚珠轴承或滚子轴承。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的周转齿轮系，其中，所述轴承(17)是滑动轴承。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的周转齿轮系，其中，所述驱动构件(3)是驱动小齿轮。
13.根据权利要求3所述的周转齿轮系，其中，每个行星控制齿轮(31)连接到行星轴(45)的端部(18)。
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