CN108361345A - 差速滚动摩擦减速器 - Google Patents

Abstract

一种滚动摩擦减速器，由输入轴1、多组工作滚动体2、可旋转的分珠片3、推力滚珠4、预紧推力螺母5、输出轴6和壳体7组成。所有轴向承力的零件，都以类似推力滚动轴承的方式工作，可以承受较大的轴向预紧力，使输出扭矩增大。变化各个接触端面的斜角、或变化工作滚动体2的半径、或变化滚动体中心到输入轴1旋转轴的距离，都可以主动改变减速器的减速比。本减速器不但结构简单、制造方便，而且单级减速比可以从个位数到10,000之间变化。

Description

差速滚动摩擦减速器

技术领域 本发明涉及一种新型结构的滚动摩擦减速器，尤其是单级大减速比、大输出扭矩的紧凑型减速器。

减速器是原动机与工作机之间，转速与转矩的匹配单元，是机械传动系统中不可缺少的重要元器件，应用面广、需求量大。迄今为止已经发明了多种不同结构的减速器，但仍不能满足大减速比、小型化、低成本的要求。

背景技术 1958年，苏联人帖烈霍夫(А.П.Терехов)和波利雅克维奇(В.Т.Полякевиц)首先提出，将普通的径向滚珠轴承施以适当的轴向预紧力，使轴承的内环、外环和滚珠之间错位，产生摩擦力防止打滑。并把滚珠笼改为可控的分珠片，也作为一个输入、输出或控制端使用，这样就可以利用单个径向滚珠轴承，实现行星减速器的功能。(见1958年机械工业出版社《滚珠式行星摩擦减速器》)。显然在这一发明中，径向滚珠轴承内环被视为太阳轮、滚珠被视为行星轮、分珠片被视为转臂、径向滚珠轴承外环被视为外齿轮。在这个周转轮系里，内环、外环、分珠片3个运动件中，只需确定其中任何2个的状态，余下1个的运动就完全受控。于是这种能按行星齿轮减速器的原理工作、既不需要制作轮齿、更省去了支承齿轮旋转的复杂轴承系统、结构简单的新型摩擦减速器受到广泛关注。

帖烈霍夫和波利雅克维奇原创形态的滚珠式行星摩擦减速器，虽有结构简单的优点，但限于径向滚珠轴承结构参数的限制，单级减速比太小。又加上径向滚珠轴承轴向承载能力弱，不能施加大的轴向预紧力而限制了减速器的输出扭矩，因此一直不能推广应用。此后许多人的研究工作，都集中在将多级滚珠轴承减速器串联，以增大减速比的方法。例如陈宫训在《机械工人：冷加工》1978年8期20-22页发表的《滚珠式行星摩擦减速器》；齐上智在《机械制造》1995年5期8-9页发表的《一种新颖滚珠行星减速器》；吴龙泉还申请了CN93236834.4《行星滚珠摩擦减速器》专利等。这些研究工作都在增大滚珠轴承摩擦减速器的减速比方面取得有益的进展。

实际上帖烈霍夫滚珠式行星摩擦减速器，先天性地存在两个重大缺陷：1，径向滚珠轴承承受轴向负载的能力弱，不能施加足够大的预紧力，限制了减速器输出扭矩的提高。2，减速比受限于径向滚珠轴承的结构参数，无法按需要改变。然而迄今为止，上述所有研究工作，都未涉及阻碍滚珠轴承摩擦减速器实用化的这两个根本缺陷。

本发明的目的就是要在保持滚珠轴承摩擦减速器结构简单这一显著优点的基础上，大幅提高输出力矩，并能方便地设定减速比，使这种新型减速器实用化。

发明内容 本差速滚动摩擦减速器发明的目的，主要是通过以下三条技术措施来实现的：1，将减速器中需要承受轴向预紧力的结构，由现有技术采用径向滚珠轴承，改换为类似推力滚动轴承的端面承力结构，以大幅提高轴向预紧力，从而显著提高输出扭矩；2，将现有技术中，减速比的数值完全受限于在径向滚珠轴承产品规格中，选择结构参数配对的被动状态，变成在减速器结构中，只要改变各个承载轴向预紧力端面的倾斜角和滚动体的尺寸参数，就能主动控制减速比；3，滚动体的形状除点接触的滚珠外，增加了线接触的圆柱体、圆锥体和园桶体，以进一步提高轴向预紧力。

本发明的结构原理见附图1。

附图说明 下面先对各附图作简要的说明。

图1：本发明差速滚动摩擦减速器第一种实施方案。

本图用以说明本发明采用双联分珠片结构和工作原理的示意图。

图2：本发明第一种实施方案的局部放大图。

本图是图1所示A圆圈内的局部放大图，用以说明双联分珠片结构的减速比计算方法。

图3：本发明差速滚动摩擦减速器第二种实施方案。

本图用以说明本发明采用两个独立分珠片，而固定其中一个分珠片时，减速器结构和原理的示意图。

图4：本发明第二种实施方案的局部放大图。

本图是图3所示B圆圈内的局部放大图，用以说明一个分珠片固定时减速比的计算方法。

图5：本发明差速滚动摩擦减速器第三种实施方案。

本图用以说明另一种轴向预紧力加载方式的工作原理示意图。

图6：本发明差速滚动摩擦减速器第四种实施方案。

本图用以说明采用双联分珠片结构，而滚动体由滚珠改为圆柱体的工作原理示意图。

图7：本发明差速滚动摩擦减速器第五种实施方案。

本图用以说明采用一个分珠片固定，但滚动体由滚珠改为圆锥体的工作原理示意图。

图8：本发明差速滚动摩擦减速器第六种实施方案。

本图用以说明采用一个分珠片固定，但滚动体由滚珠改为圆桶体的工作原理示意图。

具体实施方式 下面以图1为例，对本发明差速滚动摩擦减速器的结构和工作原理进一步详细说明。

图1是本发明第一种实施方案的示意图，用以说明差速滚动摩擦减速器的结构和工作原理。

由图1可见，本发明第一种实施方案由输入轴1、两组工作滚动体2、可旋转的分珠片3、推力滚珠4、预紧推力螺母5、输出轴6和壳体7组成。所有与工作滚动体2轴向接触的工作面，都以类似推力滚动轴承的方式，正面承受轴向预紧力。预紧推力螺母5通过推力滚珠4，将输出轴6强力推向壳体7的左内侧，使输入轴1台肩和两组工作滚动体2，被轴向预紧力压紧而产生工作摩擦力。分珠片3将两组工作滚动体2，分别约束在相应结构中。各组工作滚动体2的自转不受分珠片3的限制，但公转只可以与分珠片3的转动相同。当输入轴1转动角度φ时，左端的工作滚动体2既有自转、也有公转。其公转推动分珠片3转动一定角度。右端的另一组工作滚动体2，必然和分珠片3有相同的公转角度，但此工作滚动体2自身，又被输入轴1台肩右端面接触摩擦力推动而自转。分珠片3右侧工作滚动体2的公转和自转，将驱动输出轴6转动ω角度。此即减速器从输入轴1转动角度φ，到输出轴6转动角度ω的整个减速过程。

实际上变化与两组工作滚动体2轴向接触的4个接触端面相对于输入轴1旋转轴垂直面的斜角，可以改变减速器的减速比。变化两组工作滚动体2的半径、以及变化工作滚动体2中心到输入轴1旋转轴的距离，也可以改变减速器的减速比。

但为了使对减速器结构的运动分析简单化，下面的推导中假定壳体7的左内壁和输入轴1台肩的左端面垂直于输入轴1的回转轴、即斜角θ为0。因此当输入轴1正向转动角度φ时，与输入轴1台肩左端面接触的工作滚动体2既有自转、也有公转。其公转为φ/2角、并将推动分珠片3也转动φ/2角。与输入轴1台肩右端面接触的一组工作滚动体2，既然和与输入轴1台肩左端面接触的另一组工作滚动体2，同时被约束在分珠片3中，所以与输入轴1台肩右端面接触的工作滚动体2的公转，必然也是φ/2角。

如上所述，与输入轴1台肩右端面接触的工作滚动体2，其运动既有公转、也有自转，我们将在下面图2中进一步分析。

图2是图1中A圆圈内的局部放大图。由图2可见，当输入轴1旋转φ角后，与输入轴1台肩右端面接触的工作滚动体2必然也公转φ/2角，而且其自转必然受到输入轴1台肩右端面的约束。现假定此工作滚动体2是半径为q的球体，球体中心与输入轴1旋转轴距离为R。因为输入轴1以斜角θ的右端面与此工作滚动体2接触，所以接触点与输入轴1旋转轴的距离为R1。而输出轴6也以斜角θ的端面与工作滚动体2接触，所以接触点与输入轴1旋转轴距离为R2。R1与R2的数值，可由下式计算：

R1＝R-q*Sinθ

R2＝R+q*Sinθ

由于R1与R2不相等，再加上此工作滚动体2的中心，在输入轴1转动角度φ时，已有追随的φ/2角度的公转。因此，与输入轴1右端面接触的工作滚动体2，将在自身已有φ/2角度公转的基础上，又被输入轴1右端面转动φ角的驱动而自转。这将迫使与工作滚动体2在R2距离处接触的输出轴6转动ω角度。

下面列出减速器的减速比i、即φ角与ω角的关系：

i＝φ/ω＝2*R2/(R2-R1)

i＝2*(R+q*Sinθ)/[(R+q*Sinθ)-(R-q*Sinθ)]

i＝(R+q*Sinθ)/q*Sinθ

可见只选择θ足够小，减速比i将足够大。

在此需要说明的是，输入轴1台肩右端面的斜角不一定要和输出轴6左端面的斜角θ取相同的数值，因为各个工作端面的斜角θ都是独立变量。本公式推导中令输入轴1台肩右端面的斜角与输出轴6端面的斜角相等，只是为了计算的简便。

在实际产品中，为了降低滚动体与工作端面之间的接触应力，工作端面上往往要做出供滚动体滚动的环形滚道。滚道的截面为圆弧形或其他曲线。此时端面的斜角θ就是工作滚动体2，与工作端面滚道的圆弧形或其他曲线接触点的公切线与输入轴1旋转轴垂直面的夹角。

图3是本发明第二种实施方案的示意图，用以说明差速滚动摩擦减速器的另一种结构和工作原理。

由图3可见，本发明差速滚动摩擦减速器，由输入轴1、工作滚动体2、反向环11、输出轴6、壳体7、滑键8、夹紧环9和预紧螺钉10组成。输入轴1的台肩右端面与夹紧环9的左端面之间夹着工作滚动体2和反向环11。滑键8保证夹紧环9始终与输入轴1同步转动。预紧螺钉10施加足够的轴向预紧力，将工作滚动体2和反向环11紧紧夹住以防止相对滑动。反向环11左侧的工作滚动体2被约束在壳体7的分珠片结构中，使其只能自转而不能公转。因此当输入轴1正向转动角度φ时，通过工作滚动体2的自转，迫使反向环11反向转动一个角度。但此角度的数值取决于输入轴1台肩右端面的斜角、反向环11左端面的斜角、工作滚动体2的半径与其中心与输入轴1旋转轴的距离。反向环11右边的工作滚动体2，虽然也被约束在输出轴6左端的分珠片结构中，但输出轴6本身是可以自由旋转的，因此它约束不了工作滚动体2的公转。相反如果被它约束的工作滚动体2发生公转，输出轴6会被推动也发生公转。在减速器工作时，反向环11右边的工作滚动体2的运动是既有自转、又有公转。由局部放大图B可见(可参看图4)，由于反向环11右端面的斜角θ与夹紧环9左端面的斜角θ，决定着它们与工作滚动体2两个接触点与输入轴1旋转轴的距离R1与R2不相等，导致反向环11与夹紧环9转动的角度不相等，使工作滚动体2除了自转以外还要产生公转。公转的角度ω是夹紧环9转角(即输入轴1的转角φ)与反向环11转角代数和的平均值。输出轴6左端的分珠器，将一组工作滚动体2约束其中，因此工作滚动体2的公转ω，将推动输出轴6也转动ω，达到从输入轴1的转角φ到输出轴6的转角ω的减速效果。

图4是本发明第二种实施方案中，图2的B圆圈内的局部放大图，用以说明减速比的计算方法。

为了简明扼要地说明第二种实施方案的工作原理、并定量地计算减速比，在此除了反向环11的右端面和夹紧环9的左端面有斜角θ外，假定其它2个端面都垂直于输入轴1的旋转轴、即斜角θ＝0。这样当输入轴1转动φ角时，反向环11必定转动-φ角。由图4可见，工作滚动体2是半径为q的球体，球体中心与输入轴1旋转轴距离为R。因为反向环11以斜角θ的端面与工作滚动体2接触，所以接触点与输入轴1旋转轴距离为R1。而夹紧环9也以斜角θ的端面与工作滚动体2接触，所以接触点与输入轴1旋转轴距离为R2。R1与R2的数值，可由下式计算：

R1＝R-q*Sinθ

R2＝R+q*Sinθ

假定输入轴1转动了角度φ，反向环11将转动角度-φ。而夹紧环9的转动角度与输入轴1转动角度φ相同。反向环11右边的工作滚动体2将被反向环11和夹紧环9两个大小相等、方向相反的旋转运动搓动。但因两个接触点高度R1不等于R2，导致工作滚动体2的自转轴与垂直方向倾斜θ角，并且产生公转ω。此工作滚动体2的公转ω，直接推动输出轴6转动ω。角度ω由下式计算：

ω＝[0.5(S1+S2)]/R

式中S1是工作滚动体2被反向环11搓动所转动的弧长，S2是工作滚动体2被夹紧环9搓动所转动的弧长。S1、S2可由下式计算：

S1＝-φ*R1

S2＝φ*R2

因此

ω＝[0.5*(φ*R2-φ*R1)]/R

ω＝[0.5*φ*(R+q*Sinθ)-0.5*φ*(R-q*Sinθ)]/R

ω＝φ*q*Sinθ/R

本发明差速滚动摩擦减速器第二种实施方案的减速比i为

i＝φ/ω＝R/q*Sinθ

如前所述，反向环11右端面的斜角θ不一定要和夹紧环9左端面的斜角θ取相同的数值，它们是独立变量。这里反向环11右端面的斜角取与夹紧环9端面相同的斜角θ，只是为了计算的简便。

图5是本发明第三种实施方案的示意图，用以说明另一种轴向预紧力加载方式的工作原理。

在本实施方案中输入轴1的结构作了改变：把第二种实施方案中位于左边的台肩移动到右边，并改用台肩的左端面工作，起到原先图3中夹紧环9的作用。在第三种实施方案中，采用预紧螺母12、预紧垫片14，通过轴承内环13、预紧隔圈16，压紧输入环15，对工作滚动体2、反向环11施加轴向预紧力。采用滑键8以保证输入环15与输入轴1同步转动。在第三种实施方案中除了轴向预紧力加载方式不同以外，减速器的工作原理与第二种实施方案完全相同，因此其减速比的计算公式也相同。

图6是本发明差速滚动摩擦减速器第四种方案。

本图是本发明的第四种实施方案的示意图，用以说明采用双联的分珠片3、并将工作滚动体2改为圆柱体的另一种减速器工作原理。

在第四种实施方案中，输入轴1、分珠片3、推力滚珠4、预紧推力螺母5、输出轴6、壳体7的作用，都与第一种实施方案相同，工作原理也相同，仅工作滚动体2改为圆柱体。

在本发明的第四种实施方案中，圆柱体滚动体的工作状态，类似现代重型载荷通用的十字交叉滚子轴承(Cross Roller Bearing)。因为当承力元件的接触状态，由点接触改为线接触以后，能显著增加轴向预紧力承载能力。

图7是本发明差速滚动摩擦减速器第五种方案。

本图是本发明第五种实施方案的示意图，其工作原理与第二种实施方案完全相同。本实施方案仍由输入轴1、工作滚动体2、反向环11、输出轴6、壳体7、滑键8、夹紧环9和预紧螺钉10组成。但是工作滚动体2由滚珠改换为园锥体。在本实施方案中，不论是圆锥形的滚动体、抑或是作为接触承力端面的园锥体，其共同的锥顶角应当相交在输入轴1的旋转轴上。在本实施方案中，滚动体由滚珠改换为园锥体后，也使承力元件的接触状态，由点接触改为线接触，将大大提高预紧力的允许数值、也就是大大提高滚动摩擦减速器的输出扭矩。

图8是本发明差速滚动摩擦减速器第六种方案。

本图是本发明的第六种实施方案的示意图，其工作原理与第二种实施方案完全相同。本实施方案仍由输入轴1、工作滚动体2、反向环11、输出轴6、壳体7、滑键8、夹紧环9和预紧螺钉10组成。但是工作滚动体2由滚珠改换为园桶体。工作滚动体2改换为园桶体后，其轴向预紧力的承载能力，较之上述圆锥体滚动体的第五种实施方案，又有进一步的提高。与第五种实施方案类似，圆桶体与两个圆弧端面接触点的公切线应当相交在输入轴1的旋转轴上。

综上所述，本发明不限于以上6种实施方式。不论在减速器的结构上或形式上做任何变化，或是将一些特征合并、简化或重组；或是采用特殊材料、特殊形状制作工作滚动体；凡是采用类似推力滚动轴承结构，利用端面承载能力提高轴向预紧力，能通过改变端面斜角和滚动体尺寸参数就能改变减速比数值的滚动摩擦减速器，都在本发明专利知识产权的保护范围之内。

有益效果

1，由于帖烈霍夫原创形态的滚珠式行星摩擦减速器的固有缺陷之一，是输出扭矩小，究其原因则是径向轴承不能承受大的轴向预紧力。本发明在改用类似推力滚动轴承的端面承力结构、并将滚动体由点接触的滚珠改进为线接触的圆柱体、圆锥体或园桶体后，轴向预紧力可大幅提高。如果减速器的轴向预紧力为N牛、滚动体和工作端面之间的滑动摩擦系数为f、输出级工作滚动体中心距离旋转轴的半径为R米，则此减速器的输出扭矩可达N*f*R牛米。由此可见，以端面承力结构和线接触方式工作的本摩擦减速器，其预紧力的允许值将有数量级的提高。必将一扫人们对于摩擦式减速器不可能用于大扭矩场合的观念。

2，本发明差速滚动摩擦减速器不但结构简单、制造工艺成熟，而且所有关键零件的工作表面都是简单的回转体。回转体是现代机械制造工艺中，唯一可以用最经济的手段、达到最高精密度的结构形态。几乎国内任何一家中等生产水平的滚动轴承制造厂，都能胜任本差速滚动摩擦减速器的生产任务。

3，本发明差速滚动摩擦减速器单级减速比可以上万，是现有任何其他类型减速器都难以企及的。减速比的数值可以方便地用多个结构参数控制：即各个滚动体的半径、各个滚动体中心到旋转轴的距离、各个工作端面的斜角。其实这诸多参数中只要改变其中某一个端面的斜角，就可以把单级减速比控制在个位数到一千之间变化。这在工业生产时将带来非常大的便利，因为在生产包含许多大小不同减速比数值的单品种产品系列中，可以只变化其中的一、两个零件，其余绝大多数零件都是通用件。

4，虽然摩擦式减速器不可能像齿轮式减速器那样有绝对准确的减速比，但只要在摩擦减速器额定输出扭矩范围之内使用，都不会出现打滑现象。但当出现事故，阻力矩大大超过减速器的额定输出扭矩时，摩擦式减速器的过载打滑特性，可以对设备起着安全保护作用。

Claims (7)

1.一种差速滚动摩擦减速器，由输入轴1、两组工作滚动体2、可旋转的分珠片3、推力滚珠4、预紧推力螺母5、输出轴6和壳体7组成，其特征在于：所有与工作滚动体2轴向接触的工作面，都以类似推力滚动轴承的方式，正面承受轴向预紧力。

2.据权利要求1所述的差速滚动摩擦减速器，其特征在于：可旋转的分珠片3，同时分别约束着两组工作滚动体2；两组的工作滚动体2之间不能相对公转，只可以与分珠片3共同转动。

3.根据权利要求1所述的差速滚动摩擦减速器，其特征在于：用分珠片3或起同样分珠功能的结构零件，分别约束两组工作滚动体2时，至少有一个分珠片3或起同样分珠功能的结构零件是和壳体7固定联结的。

4.根据权利要求1至3所述差速滚动摩擦减速器，其特征在于：变化与各组工作滚动体2轴向接触的各个接触端面，相对于输入轴1旋转轴垂直面的斜角，可以改变减速器的减速比。

5.根据权利要求1至3所述差速滚动摩擦减速器，其特征在于：变化各组工作滚动体2的半径、以及变化各组工作滚动体2中心到输入轴1旋转轴的距离，可以改变减速器的减速比。

6.根据权利要求1至3所述差速滚动摩擦减速器，其特征在于：与工作滚动体2接触的工作端面上，可做出供滚动体滚动的环形滚道，滚道的截面为圆弧形或其他曲线。

7.根据权利要求1至3所述差速滚动摩擦减速器，其特征在于：工作滚动体2的结构，可以是圆球体、圆柱体、圆锥体、圆桶体等。