CN111336231A - 二元主动变速器 - Google Patents

Abstract

二元主动变速器，一种不需要经过多级减速就能实现无穷大到无穷小减速比的减速器，其在现有行星减速器、摆线针轮减速器或谐波减速器的定子、转子和输出元件三元传动结构中引入变速装置或动力装置，使定子具有主动转速，从而转换成二元主动一元从动的三元传动结构，合成的转速变化范围更大，可以减速也可以加速，还可以在不同方向输出，当作为减速器时，即便不需要多级减速也可以使减速比最大达到无穷大，采用双动力驱动的实施例不需要增加复杂的换挡机构就能实现无级调速，结构简洁，使用便利。

Description

二元主动变速器

技术领域

本发明涉及一种变速器。

背景技术

变速器是一种在机械装备中常用的传动装置，减速器在其中的数量份额最大，目前主要有平行轴减速器、交叉轴减速器和同轴减速器，其中，同轴减速器因为体积小、结构紧凑而得到广泛的应用，特别是在航空航天、自动化、机器人等领域高速发展的今天，又迎来了新一轮的发展机遇，同时，在技术水平上也提出了更高的要求。同轴减速器技术类型主要有行星减速器、摆线针轮减速器和谐波减速器，它们有一个共同的特征——都属于三元传动结构，即，都包含有围绕公共轴分布，分别作为定子、转子和输出元件的这三种角色的组件，定子固定不动，转子和输出元件自转或公转，转子以定子作为支点驱动输出元件，元件之间的角色可以互换，如图1所示的行星减速器中的行星轮101、外圈102和太阳轮103，如图2所示的摆线针轮减速器中的摆线轮201、针轮202和偏心轮203，又如图3所示的谐波减速器中的波发生器301、刚轮302和柔轮303。以上几种三元结构的减速器可以通过互换组件的角色来获得多种减速比，但不同的减速比之间拉开的距离不是太大，一套装置一般只有一个挡位，在可接受的尺寸下要得到较大的减速比往往需要进行多级减速，使结构变得复杂起来，体积、重量和制造成本也随之增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种二元主动一元从动的三元传动结构变速器，在现有同轴类减速器包含定子、转子和输出元件的三元传动结构中引入变速装置或动力装置，使定子相对于输出元件具有主动转速，从而转换成二元主动一元从动的三元传动结构，合成的转速范围大，可以减速也可以加速，还可以在不同方向输出，当作为减速器时，即便不需要多级减速也可以使减速比最大达到无穷大，采用双动力驱动的实施例不需要增加复杂的换挡机构就能实现无级调速，结构简洁，使用便利。

本发明的在现有三元传动结构同轴减速器中作为定子的组件在本发明中不固定安装，相对于输出元件具有主动转速，由此形成二元主动一元从动的三元传动结构——原转子为第一转子，原定子为第二转子，共同作用决定输出元件的输出结果。

本发明的第一转子和第二转子并列驱动输出元件，把双方的转速合成输出元件的转速。

本发明的第一转子不直接驱动输出元件，而是参与驱动第二转子使其相对于输出元件具有主动转速，由第二转子单独驱动输出元件，把自己的自转速度和公转速度合成输出元件的输出转速。

本发明带有前级减速结构，使第一转子和第二转子在比初始输入转速更低的转速下工作。

本发明带有变速装置，第一转子或第二转子通过它连接动力而相对于输出元件具有主动转速。

本发明的第一转子和第二转子分别由各自独立的动力装置驱动，可以通过直接调整不同动力装置输入的转速来改变输出元件的转速。

本发明的同一个第一转子、第二转子或输出元件的单元有两个以上不同的安装位置或功能相同但参数不同的同类结构，可以通过选择不同的工作位置或功能参数来获得不同的输出结果。

本发明带有操控装置，可以用来控制输出元件的输出转速。

本发明带有空心轴或空心轴动力装置。

本发明带有其特征在于带有双转子结构电机，电机的两个转子的转速可以独立控制，分别用于驱动三元传动结构中的第一转子和第二转子。

附图说明

图1是行星减速器的三元传动结构；

图2是摆线针轮减速器的三元传动结构；

图3是谐波减速器的三元传动结构；

图4是并联结构实施例轴向视图；

图5是并联结构实施例径向视图；

图6是带有前级减速结构的实施例径向视图；

图7是变速公转的串联结构轴向视图；

图8是变速公转的串联结构径向视图；

图9是变速自转的串联结构轴向视图；

图10是机械式多挡位结构；

图11是双转子结构电机。

具体实施方式

本发明包括在现有三元传动结构的同轴减速器中分别作为转子、定子和输出元件的三种组件，以及作为公共轴的中轴，转子、定子和输出元件在传动关系中的角色可以互换，它们的具体类型可以是行星减速器的太阳轮、外圈和行星轮，可以是摆线针轮减速器的摆线轮、偏心轮和针轮，可以是谐波减速器中的波发生器、刚轮和柔轮，还可以是其它具有前述同轴类三元传动结构减速器共同特征的减速器的三种组件，所不同的是，作为定子的组件在本发明中不固定安装，相对于输出元件具有主动转速，由此形成二元主动一元从动的三元传动结构——原转子为第一转子，原定子为第二转子2，共同作用决定输出元件的输出结果。在“转子”之前冠以“第一”或“第二”只是为了标明彼此不是同一个组件，角色可以互换。参照图4和图5所示的并联结构行星减速器实施例——以中轴5作为动力输入轴，太阳轮4为第一转子，外环2为第二转子，两者并列驱动作为输出元件的行星轮3，三者绕中轴5公转或自转；太阳轮4是单层结构或阶梯结构，与中轴5固定连接；在周向均布的多个行星轮3与行星架7转动连接，形成一个与中轴5可相对于转动的整体，行星轮3分别与太阳轮4和外环2传动，作为输出元件的同时还起到变速作用；行星轮1作为专门的变速传动装置，在周向均布并定轴转动安装在底座6上，分别与太阳轮4和外环2传动；每一单元行星轮1或行星轮3可以是单层结构，也可以是具有变速功能的阶梯结构，可以是单轴结构，也可以是多个平行轴行星轮组合而成的可多次变向或变速的复合结构；外环2可以是单层结构，也可以采用阶梯结构，可以在不同的半径位置分别与行星轮1和行星轮3传动；当中轴5带动太阳轮4转动来驱动行星轮3时，动力同时也经行星轮1分流到达外环2使其相对于行星轮3具有主动转速，太阳轮4和外环2同时主动从相同或相反的方向对行星轮3进行传动，它们的自转速度矢量转变成行星轮3的自转中心的公转速度矢量，这也就是行星架7的自转速度矢量，以之为输出结果。当太阳轮4和外环2的角速度方向相同大小相等，即相对速度为零时，减速比为1，太阳轮4和外环2的角速度绝对值的比越接近两者齿数的反比，减速比的绝对值就越大，当太阳轮4和外环2的角速度绝对值的比等于两者齿数的反比时，太阳轮4和外环2上分别与行星轮3传动的半径位置的线速度方向相反大小相等，输出转速为零，减速比为无穷大或无穷小。动力的输入、分流、合并也可以采用这样的方式——动力从外环2输入，外环2通过行星轮1驱动太阳轮4，外环2和太阳轮4并列驱动行星轮3 ，或者，把结构调整为动力直接分成两路分别经过太阳轮4和外环2到达行星轮3，在整个过程中没有太阳轮4和外环2串联的环节。太阳轮4和外环2可以由同一动力装置分流动力进行驱动，也可以分别由独立的动力装置驱动；采用太阳轮4和外环2分别由独立的动力装置驱动时，行星轮1作为专门的变速传动装置可以省去；动力装置可采用的类型包括但不限于电机、发动机，可以是外部设备，也可以是系统自带的部件。太阳轮4、行星轮3和外环2之间的传动方式包括但不限于摩擦传动、啮合传动、磁力传动或挠性传动。外环2、行星轮3和太阳轮4可以依照同样的二元主动一元从动的传动关系换成图2所示的摆线针轮减速器的摆线轮201、针轮202和偏心轮203，或者，换成图3所示的谐波减速器的波发生器301、刚轮302和柔轮303，或者，换成其它具有定子、转子和输出元件的同轴减速器的组件，从而形成新的实施例。第一转子和第二转子在图4实施例中为并联传动关系，也可以采用在下文中详述的图8和图9实施例所示的串联传动结构。

本发明的本发明的第一转子和第二转子并列驱动输出元件，把双方的转速合成输出元件的转速。参照图4和图5所示的并联结构行星减速器实施例——以中轴5作为动力输入轴，太阳轮4为第一转子，外环2为第二转子，两者并列驱动作为输出元件的行星轮3，三者绕中轴5公转或自转；太阳轮4是单层结构或阶梯结构，与中轴5固定连接；在周向均布的多个行星轮3与行星架7转动连接，形成一个与中轴5可相对于转动的整体，行星轮3分别与太阳轮4和外环2传动，作为输出元件的同时还起到变速作用；行星轮1作为专门的变速传动装置，在周向均布并定轴转动安装在底座6上，分别与太阳轮4和外环2传动；每一单元行星轮1或行星轮3可以是单层结构，也可以是具有变速功能的阶梯结构，可以是单轴结构，也可以是多个平行轴行星轮组合而成的可多次变向或变速的复合结构；外环2可以是单层结构，也可以采用阶梯结构，可以在不同的半径位置分别与行星轮1和行星轮3传动；当中轴5带动太阳轮4转动来驱动行星轮3时，动力同时也经行星轮1分流到达外环2使其相对于行星轮3具有主动转速，太阳轮4和外环2同时主动从相同或相反的方向对行星轮3进行传动，它们的自转速度矢量转变成行星轮3的自转中心的公转速度矢量，这也就是行星架7的自转速度矢量，以之为输出结果。当太阳轮4和外环2的角速度方向相同大小相等，即相对速度为零时，减速比为1，太阳轮4和外环2的角速度绝对值的比越接近两者齿数的反比，减速比的绝对值就越大，当太阳轮4和外环2的角速度绝对值的比等于两者齿数的反比时，太阳轮4和外环2上分别与行星轮3传动的半径位置的线速度方向相反大小相等，输出转速为零，减速比为无穷大或无穷小。动力的输入、分流、合并也可以采用这样的方式——动力从外环2输入，外环2通过行星轮1驱动太阳轮4，外环2和太阳轮4并列驱动行星轮3 ，或者，把结构调整为动力直接分成两路分别经过太阳轮4和外环2到达行星轮3，在整个过程中没有太阳轮4和外环2串联的环节。

本发明的第一转子不直接驱动输出元件，而是参与驱动第二转子使其相对于输出元件具有主动转速，由第二转子单独驱动输出元件，把自己的自转速度和公转速度合成输出元件的输出转速。参照图7和图8，太阳轮19为第一转子，行星轮11为第二转子，太阳轮19连接动力并驱动行星轮11去驱动作为输出元件的外环13；太阳轮19固定在作为动力输入轴的中轴20上，可以对行星轮11主动传动使其自转；两个以上的行星轮11转动安装在行星架14上，行星架14与太阳轮17固定连接，可以一起相对于中轴20转动，中轴20与太阳轮16固定连接；变速环15、太阳轮16和太阳轮17，以及定轴转动安装在底座18上的行星轮12和行星轮21，共同组成变速装置；变速环15是单层结构或阶梯结构，在不同的轴向位置分别跟行星轮12和行星轮21传动；中轴20的动力有一路经由太阳轮19驱动行星轮11自转，另一路依次经过太阳轮16、行星轮12、变速环15、行星轮21和太阳轮17变速，最后通过行星架14带动行星轮11公转；外环13由行星轮11驱动，行星轮11的公转速度与自转速度共同决定外环13的自转速度，当行星轮11的公转角速度与太阳轮19的自转角速度的方向相同，大小相等时，减速比为1，行星轮11的公转角速度与太阳轮19的自转角速度的比值的绝对值越接近于太阳轮19与外环13的齿数比，减速比的绝对值就越大，当行星轮11的公转角速度与太阳轮19的自转角速度的比值的绝对值等于太阳轮19与外环13的齿数比时，减速比为无穷大或无穷小。图7和图8的实施例中，作为第二转子的动行星轮11，其经过变速装置的驱动获得公转速度，也可以采用图9所示的结构方案，作为第二转子的动行星轮31，其经过变速装置的驱动获得自转速度——太阳轮39为第一转子，行星轮31为第二转子，外环33为输出元件；行星轮32、行星轮41定轴转动安装在底座38上，分别在不同的轴向位置与活动的变速环35传动，变速环35可以是单层结构，也可以是具有不同传动半径的阶梯结构；行星轮31的行星架34固定在中轴40上，可以带动与外环33传动的行星轮31公转；太阳轮39与中轴40转动连接并在不同的轴向位置分别与行星轮31和行星轮41传动；行星轮32与固定连接在中轴40上的太阳轮36传动；动力从中轴40输入后分成两路，一路由经行星架34驱动行星轮31公转，另一路依次由经太阳轮36、行星轮32、变速环35、行星轮41、太阳轮39变速后驱动行星轮31自转，行星轮31依靠自身的公转和自转速度驱动外环33转动。这种串联结构的动力传递方向也可以反过来，从外环输入，经过行星轮传递后从太阳轮输出，变速装置的连接方式需要做相应的调整。

本发明带有前级减速结构，使第一转子和第二转子在更低的转速下工作。为使第一转子和第二转子在比初始输入转速更低的转速下工作，采用如图6所示带有前级减速结构的实施方案，在图4实施例的基础上增加与中轴5固定连接并与行星轮1传动的太阳轮8，同时，其余组件的连接和传动方式也做了局部调整——太阳轮4与中轴5转动连接，从中轴5输入的转速依次经过太阳轮8和行星轮1后再进一步分别传递给外环2和太阳轮4，减速环节设置在太阳轮8和行星轮1的组合，也可以设置在行星轮1和外环2的组合以及星轮1和太阳轮4的组合，或者三个组合都有减速作用，预先把转速降下来再传递给第一转子和第二转子。前级减速机构的结构类型包括但不限于行星结构，传动方式包括但不限于齿轮传动、挠性传动、摩擦传动和磁力传动。

本发明带有变速装置，第一转子或第二转子通过它连接动力而相对于输出元件具有主动转速，如图5的行星轮1，作为专门的变速装置用来改变上游元件速度的大小或方向，可以是单层结构，也可以是具有变速功能的阶梯结构，可以是单轴结构，也可以是多个平行轴行星轮组合而成的可多次变向或变速的复合结构，在周向均布并定轴转动安装在底座6上，分别与太阳轮4和外环2传动起传动和变速作用，使作为第二转子的外环2相对于作为输出元件的行星轮3具有适用的主动转速。图8的太阳轮16、行星轮12、变速环15、行星轮21和太阳轮17，以及图9的太阳轮36、行星轮32、变速环35和行星轮41，也同样起到变速作用。

本发明的第一转子和第二转子分别由各自独立的动力装置驱动，可以通过直接调整不同动力装置输入的转速来改变输出元件的转速。如图4所示的实施例，太阳轮4和外环2可以由中轴5输入动力后分流进行驱动，也可以分别由独立的可控的动力装置驱动，动力装置的类型包括但不限于电机、发动机，可以是外部设备，也可以是系统自带的部件。

本发明的同一个第一转子、第二转子或输出元件的单元有两个以上不同的安装位置或功能相同但参数不同的同类结构，可以通过选择不同的工作位置或功能参数来获得不同的输出结果。以图10为例，作为第二转子的行星轮11是阶梯结构的，在不同的径向位置或方位分别可以驱动直径各不相等作为输出元件的外环13A、13B和13C，选定不同的工作位置可以输出不同的转速。

本发明带有操控装置，可以用来控制输出元件的输出转速。图10所示的是机械式控制的实施例，作为输出元件的外环13A、13B和13C的端面带有凸起的挡块22，也可以是凹槽、插销、销孔、磁块或连续的齿形，在与之传动的负载元件上相同直径位置相应设置有可轴向活动的挡块、凹槽、插销、销孔、磁块或齿环作为锁定装置，有技术类型包括但不限于拉索、推杆、推环、丝杠、电磁、气动或液动的操控装置来轴向移动锁定装置与外环13A、13B或13C锁定或分离，由此控制输出转速。由动力装置直接驱动转子的实施例设置有电位器或油门控制器来控制输出转速，由人工手动操控或者设置有自动控制系统来操控。

本发明带有带有空心轴或空心轴动力装置。为了节省轴向空间或方便传动、控制、布线等方面的结构设计，动力装置的转轴采用空心结构，与变速器三元组件的中轴同轴安装，可以把变速器三元组件包围在中间。在动力装置为空心轴电机的实施例，电机定子、电机转子和空心轴在径向套叠，把变速器三元组件包围在中间。

本发明带有双转子结构电机，电机的两个转子的转速可以独立控制，分别用于驱动三元传动结构中的第一转子和第二转子。参照图11，系统自带的电机为径向多层套叠结构，以三元组件的中轴26为轴或与之同轴安装，有内、外两层电机转子24和25，同时分别与电机定子23组成电动机组，可以独立转动，分别驱动三元传动结构中的第一转子和第二转子。有调速装置可以分别控制电机转子24和电机转子25转速，连续调节不同转子的转速就可以连续调节变速器输出转速。电机转子24和25与电机定子23的径向排列顺序不局限于图中所示，电机转子24和25也可以有各自独立与之配套的电机定子。

Claims (10)

1.二元主动变速器，包括在现有三元传动结构的同轴减速器中分别作为转子、定子和输出元件的三种组件，以及作为公共轴的中轴，其特征是在现有三元传动结构同轴减速器中作为定子的组件在本发明中不固定安装，相对于输出元件具有主动转速，由此形成二元主动一元从动的三元传动结构——原转子为第一转子，原定子为第二转子，共同作用决定输出元件的输出结果。

2.根据权利要求1所述的二元主动变速器，其特征在于第一转子和第二转子并列驱动输出元件，把双方的转速合成输出元件的转速。

3.根据权利要求1所述的二元主动变速器，其特征在于第一转子不直接驱动输出元件，而是参与驱动第二转子使其相对于输出元件具有主动转速，由第二转子单独驱动输出元件，把自己的自转速度和公转速度合成输出元件的输出转速。

4.根据权利要求1、2或3所述的二元主动变速器，其特征在于带有前级减速结构，使第一转子和第二转子在比初始输入转速更低的转速下工作。

5.根据权利要求4所述的二元主动变速器，其特征在于带有变速装置，第一转子或第二转子通过它连接动力而相对于输出元件具有主动转速。

6.根据权利要求1、2或3 所述的二元主动变速器，其特征在于第一转子和第二转子分别由各自独立的动力装置驱动，可以通过直接调整不同动力装置输入的转速来改变输出元件的转速。

7.根据权利要求6所述的二元主动变速器，其特征在于同一个第一转子、第二转子或输出元件的单元有两个以上不同的安装位置或功能相同但参数不同的同类结构，可以通过选择不同的工作位置或功能参数来获得不同的输出结果。

8.根据权利要求1、2、3、5或7所述的二元主动变速器，其特征在于带有操控装置，可以用来控制输出元件的输出转速。

9.根据权利要求8所述的二元主动变速器，其特征在于带有空心轴或空心轴动力装置。

10.根据权利要求1、2、3、7或9所述的二元主动变速器，其特征在于带有双转子结构电机，电机的两个转子的转速可以独立控制，分别用于驱动三元传动结构中的第一转子和第二转子。

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