CN113153981A - 一种具有无间隙蜗杆蜗轮传动装置 - Google Patents

Abstract

一种具有无间隙蜗杆蜗轮传动装置，其至少包含：蜗轮，其至少具有旋转轴线并且能够按照围绕该轴线的方式进行旋转，蜗杆，其接触至蜗轮以便驱动蜗轮围绕其自身轴线转动，蜗轮沿周向表面设有多个滚槽，在滚槽内安装有滚子，滚槽是按照如下的分体部分环抱的形式限制滚子的，即滚子面向蜗轮的半球部突出于滚槽之外，从而滚子在滚槽内滚动的圆滚线与用于环抱滚子的滚槽的第一滚槽边缘和第二滚槽边缘的相交位置处于蜗杆向滚子施力的力线之外。滚子的与第一滚槽边缘和第二滚槽边缘所在的平面是与蜗杆向滚子施加压迫作用力所在的力线彼此不正交的。

Description

一种具有无间隙蜗杆蜗轮传动装置

技术领域

本发明涉及机械传动领域，尤其涉及一种具有无间隙蜗杆蜗轮传动装置。

背景技术

机械领域常用的传动装置或者减速器装置较为常见的形式是蜗轮蜗杆传动装置，其现已广泛应用在矿机、采油、化工厂、基建、重轻工业、军工、仿生机器人、航天等领域当中。现有的蜗轮蜗杆传动机构具有较大的单级传动比，相较于普通的齿轮形传动装置具有较大的传动性能，并且具有自锁、传动平稳等优点。现有的蜗轮与蜗杆之间由于通常采用滑动摩擦传导受力的方式，使得蜗轮与蜗杆之间具有较大的磨损，不利于长时间工作的大型设备的寿命管理需求。因此，存在一些考虑利用滚子结构来将滑动摩擦变更为滚动摩擦来减小设备磨损的研究。

CN104534030B公开了一种滚子包络内啮合蜗杆蜗轮传动装置，包括蜗杆、动力输入轴、若干个蜗轮和安装在蜗轮上的动力输出轴，蜗杆为中空的半圆球结构，蜗杆的中部设置有蜗杆喉，动力输入轴的一端安装在蜗杆喉内，蜗杆的内壁上设置有内啮合面，蜗轮的外壁上均匀设置有与蜗杆上内啮合面相匹配的外啮齿，蜗轮安装在蜗杆的内腔中，并且外啮齿与内啮合面相啮合，蜗杆在动力输入轴驱动下，带动蜗轮转动。同时，该装置具有结构紧凑、体积小、重量轻、传动效率高、润滑性能好的特点，并且实现了多负载输出。

CN203189624U提供一种高效率新型蜗轮体之蜗轮蜗杆传动机构，属于机械传动领域，本设计由电机、蜗杆和蜗轮组成，蜗杆与电机输出连接，蜗轮由蜗轮盘、蜗轮齿和蜗轮轴组成，所述的蜗轮齿由独立单齿组成，各独立单齿由独立销轴和一对圆锥滚子轴承组成，按照蜗轮蜗杆传动比，各独立单齿相对蜗轮轴中心线圆周式间隔等分固定连接在蜗轮盘内，通过所述蜗轮与蜗杆啮合即构成该蜗轮轴的传动输出，通过本设计创新蜗轮体设计，将传统的蜗轮蜗杆传动由滑动配合变为滚动配合，显著降低了摩擦，提高了传动效率，在传动比不变的条件下，传动平稳，可稳定输出更大转矩，提高传动装置的承载能力，并可通过两个创新蜗轮与蜗杆啮合相应组成两轴反向或同向传动输出装置。

现有技术中均是将滚子固定安装至相应一体式生成的契合部位上，只能实现基本的将滑动摩擦转换为滚动摩擦的功能，对于传动机构不同的使用情况中滚子的受力、滚槽结构的选择、滚槽加工方式的可变性均未涉及，无法应用至多种工况的传动装置的选择当中，存在应用灵活性不足的问题。另外为考虑到如何利用蜗杆与滚子之间的紧密贴合以及采用液压油填补缝隙的方式对蜗杆与滚子之间的间隙进行补偿以形成无间隙状态。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

为解决上述现有技术中至少一部分不足之处，本发明提供了一种具有无间隙蜗杆蜗轮传动装置，其至少包含：蜗轮，其至少具有旋转轴线并且能够按照围绕该轴线的方式进行旋转，蜗轮沿周向表面设有多个滚槽，在滚槽内安装有滚子，蜗杆，其接触至蜗轮以便驱动蜗轮围绕其自身轴线转动，滚槽是按照如下的分体部分环抱的形式限制滚子的，即滚子面向蜗轮的半球部突出于滚槽之外，从而滚子在滚槽内滚动的圆滚线与用于环抱滚子的滚槽的第一滚槽边缘和第二滚槽边缘的相交位置处于蜗杆的蜗齿向滚子施力的力线之外。滚子的与第一滚槽边缘和第二滚槽边缘所在的平面是与蜗杆向滚子施加压迫作用力所在的力线彼此不正交的。

采用两半封装结构实现了快速构建滚子的滚动限位结构，其采用两个部件相结合的方式避免了采用镗孔等方式加工的难度以及对限位线部位可能的损坏，另外从加工效果来看，较难的加工方式带来的不仅是对滚槽内部的磨损或不平整，其还可能造成滚槽内部碎屑无法清除导致滚子运行中的磨损，或者加工产生的碎屑经由导油孔进入油箱造成更大的清理难度，本发明采用的两半封装结构使得可以单独对每一个半封装结构进行加工，由于其另一侧为方便刀具进入的空置位置，其在加工精度、平整度以及碎屑清理方面将得到很大的保证，极大地降低了加工成本。另外两半封装的设计为用户和制造方提供了更多选择的可能，具体为第一半滚槽环可以根据传动设备的具体使用情况选用不同材质的材料制造或者以形成不同数量滚槽的方式区别化设计，例如需要在第一半滚槽一侧承载较重力量时，第一半滚槽环可以选用硬度较高的材料以提供更好的物理支撑性，在不考虑承载耐受性时，第一半滚槽环可以选用硬度尚可的金属或者其它材料制成以实现成本的降低。另外对于设置于蜗轮主体上的第二半滚槽不方便调整其数量的情况下，可以通过对第一半滚槽环上的滚槽数量进行差异化设置，使得用户可以选择多种滚槽数量的第一半滚槽环与第二半滚槽配合形成数量不等的滚槽以容纳数量不等的滚子，由于滚子数量与传动机构承载力呈正相关关系，用户可以根据传动机构具体使用时的承载力需求自由选择第一半滚槽环的种类以获得经济实惠的传动装置配置。另外对于本发明采用的两半封装的结构对于滚子的更换检查方面具有优势。

优选地，第一滚槽边缘与第二滚槽边缘配合形成对滚子的限位区域，其中，第一滚槽边缘和/或第二滚槽边缘的边缘按照环绕滚子表面补全后的形状尺寸小于滚子的最大剖切尺寸。

此种设置使得第一滚槽边缘与第二滚槽边缘在水平面上不必处于同一高度，使得在加工方面对于高度的精度需求答大幅降低，另外对于经常使用同一旋转方向进行重载需求的传动装置，可以将滚子承重受力的一边的滚槽边缘设置的稍微高于对边的滚槽边缘，稍高的滚槽边缘带来的是对该侧边滚子表面更多的包覆承载性，使得在这个部分进行重载受力的滚子表面能够得到更多的滚槽支撑，同时另一侧由于滚子受力较小因而可以设置较低的滚槽边缘，高低的滚槽边缘的设置还使得用户可以方便地通过低滚槽边缘的一侧观察滚子表面的磨损情况以及与蜗杆之间的接触情况，避免了由于位置过高的包覆性滚槽以及蜗杆的遮挡导致用户无法检查滚子磨损以及与蜗杆之间的接触性的问题，提升了整体传动装置的使用效能。另外由于采用两半封装的结构，使得第一半滚槽环可以设置多种差异化高度的配置，以供用户按照实际使用情况进行选择。

优选地，第一滚槽边缘与处于同一径向高度的第二滚槽边缘连线而成的限位线长度小于滚子的最大直径，使得滚子随蜗轮滚动时滚槽开口部分向滚子提供支撑力以抵消重力和/或离心力导致的滚子离开滚槽的趋势。

将第一滚槽边缘与第二滚槽边缘设置在同一平面的方式使得滚子运动的平稳性得到保证，一定程度上也减少了相关部件的生产成本以及生产难度，在一方面增大了蜗杆接触至滚子的面积，在不需要重载或载重程度不高的情况下此种设置有助于提升传动部件之间的接触性能。

优选地，滚槽设置为互为补足的第一半滚槽和第二半滚槽，数个第二半滚槽按照环形排布的方式连接形成第一半滚槽环，其中，两半封装形式按照如下方式形成：

按照先将滚子放置在第一半滚槽或第二半滚槽上再将第一半滚槽环连接至第一半滚槽以形成完整的滚槽的方式将最大半径大于滚槽开口半径的滚子安装在滚槽内。

优选地，蜗轮分为互相共轴的第一半蜗轮与第二半蜗轮，第二半蜗轮直径大于第一半蜗轮，使得在两者的接触面形成高低的台阶，其中第二半滚槽设置在台阶的高位面上，第一半滚槽环直径大于第一半蜗轮直径，使得第一半滚槽环能够穿过第一半蜗轮并连接至第二半滚槽。

优选地，第一半滚槽与第二半滚槽底部分别设有半开口，半开口共同构成用于导入液压油的导油孔，导油孔轴线指向滚子的形状中心设置使得由导油孔导出的液压油能够接触至滚子部分表面并且借助滚子的自由滚动覆盖滚子的所有表面。

优选地，导油孔联通有导油通道，导油通道由分布于第一半滚槽与第二半滚槽上的半滚槽配合形成，其中，连接至所有沿蜗轮环形分布的滚槽内部的导油通道均以蜗轮圆形中心为圆心向蜗轮表面方向为路径指向，并且数个导油通道之间呈圆形发散排布。

本发明采用两半封装的形式使得设置于两个半滚槽底部的导油孔以及导油通道部分的加工变得易于实现。另外，两半封装的结构设计使得对于导油通道的异形化加工变得更加方便。例如，为使得位于导油通道顶部导油孔的位置具有较大的油压，可以将接近导油孔的部分导油通道内径做收窄设置，另外对于精度需求较高或者相对来说作为主体的第二半滚槽所在的蜗轮部分可以设置为平直加工的半通道以保证其尺寸精度，第一半滚槽环一侧则可以在接近导油孔的位置做单边收窄设计，同样可以起到较好的增加油压的效果。而上述这些异形导油通道的设计均很难在一体式生成的滚槽底部加工实现。

优选地，在蜗轮内设置有环形空腔，所有导油通道除导油孔的另一端均联通至环形空腔，使得储存在环形空腔内的液压油能够被重力和/或离心力驱动流动至滚子表面。

优选地，蜗杆沿其周向环形围绕设置有啮合部，啮合部按照配合滚子露出部分的外形的方式而构成两端凸出的蜗道，蜗道突出的两侧按照贴紧滚子表面的方式设置。

采用蜗道凸出的两侧紧贴滚子的方式进一步减小了滚子与啮合部两侧的间隙，配合本发明采用的由蜗轮上的滚槽底部流出的液压油通过滚子的自由转动从滚槽中带出的方式接触至蜗轮的啮合部上的设计，使得蜗道与滚子之间的间隙最大程度的减小至无间隙状态，大幅提升传动机构的运转效能，减小了间隙摩擦，提升组件的使用寿命。

优选地，沿蜗杆环绕有啮合部的直线路径上观察，啮合部弯曲弧度配合与其接触的滚子所在的蜗轮的弧度设置。

本发明至少还具有以下优点：

1、滚子与滚槽之间形成间隙配合，使得滚子可以在滚槽之间自由转动。

2、滚槽内部设置有导油孔，使得液压油可以接触至滚子表面，并且随着滚子的自转覆盖至滚子全部表面以及蜗杆表面，使得缝隙被自动填充同时减小摩擦损耗。

3、导油孔以及导油通道均呈圆形发散分布使得仅需在蜗轮之中设置一个环形空腔即可储存滚子所需的所有液压油，并且该指向设计使得液压油可以利用重力或旋转离心力自动流向滚子而无需额外驱动力。

4、蜗杆采用无间隙接触至滚子的设计，配合液压油的补隙作用使得蜗杆与滚子之间时刻保持接触状态，对于传动机构的传动效果具有较大的提升。

附图说明

图1是本发明一种实施例的爆炸结构图；

图2是本发明一种实施例滚槽部分放大图；

图3是本发明一种实施例的沿图1中X轴方向观察的正视图；

图4是本发明一种实施例沿图3中沿A方向观察的剖视图；

图5是本发明一种实施例的沿图1中Z轴方向观察的俯视图；

图6是本发明一种实施例的螺杆一种旋转方向时滚子的受力示意图；

图7是本发明一种实施例的螺杆另一种旋转方向时滚子的受力示意图；

图8是本发明计算蜗杆啮合齿面方程建立的坐标系示意图；

图9是本发明计算蜗杆啮合齿面方程是对与球形滚子情况下建立的坐标系示意图；

图10是本发明一种实施例沿逆时针旋转的蜗杆轴线观察的蜗杆滚子蜗轮部分的剖视结构与受力分析图；

图中：100、蜗轮；110、第一半蜗轮；120、第二半蜗轮；130、滚槽；130a、第一滚槽边缘；130b、第二滚槽边缘；130c、最大施力点；α、第一夹角；β、第二夹角；L、限位线；F5、力线；131、第一半滚槽；132、第二半滚槽；133、第一半滚槽环；140、导油孔；150、导油通道；160、环形空腔；200、滚子；300、蜗杆；310、啮合部；F1、第一切向力；F2、第一径向力；F3、第二切向力；F4、第二径向力。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本发明提供一种具有无间隙蜗杆蜗轮传动装置，如图1、3、4、5所示，其至少包括蜗杆300、蜗轮100和滚子200。沿蜗轮100周向表面环形路径上间隔设置有数个滚子200，该滚子200至少一部分裸露在蜗轮100本体外部，并且裸露部分接触至蜗杆300上设置的啮合部310。蜗杆300自转轴线与蜗轮100自转轴线垂直且不共面，因此在外部电机驱动下蜗杆300沿其轴线自转，进而设置在其上的啮合部310以滑动摩擦的方式带动滚子200进行自转以及按照啮合部310所形成的螺旋路径运动方向进行移动，并且以此带动蜗轮100沿上述方向为切线方向进行顺时针或逆时针转动。

用于受外部驱动使得自身按照其中心轴线进行自转并且通过该自转向与其连接的外部部件进行受力传导的蜗轮100可以被设置为圆形或圆盘形状。并且优选地，为实现减轻其本身重量以及中间可以额外设置加强主轴之目的，蜗轮100可以设置为圆环构型。使得在需要的时候，用户通过向圆环中心中空部位穿过用于补强作用的加强主轴，使得当蜗轮100连接至较重的部件或者用于较大载荷的传动方式时可以接受上述加强主轴的额外支撑力，防止蜗轮100由于载荷较大或者重力较大的因素而导致的使用寿命降低和/或金属疲劳损伤等问题。

在三维空间方面观察，蜗轮100周向具有一定的宽度，使得蜗轮100在空间中整体构成圆柱体或者圆环柱体的构型。其中，沿蜗轮100周向外表面上按照一定的间距排布规则连续设置有数个具有由外表面向内表面凹陷的构型的滚槽130。该滚槽130用于安装并包裹滚子200的至少一个部分，并且由于滚子200需接触至蜗杆300并形成紧密接触的形式。故优选地，上述数个滚槽130在蜗轮100周向外表面上形成的开口之间被设置为保持一个较为接近的距离，使得当滚子200被装入滚槽130后，其相互之间也被引导为一个较为接近的距离，此种设计可以防止滚子200距离较远，在接触蜗杆300时存在一部分蜗杆300没有接触至滚子200而导致出现预期外的滑动摩擦的情况。

上述用于形成蜗杆300与蜗轮100之间的中间传导机构的滚子200，由于其利用自身较为圆滑的外形而将蜗轮100与蜗杆300间的滑动摩擦变更为滚动摩擦的功能，滚子200可以设置为圆球形状态。并且相应地，上述滚槽130按照配合滚子200形状的方式也被设置为按照球形的形状向内凹陷，以形成承托滚子200的凹槽。优选地，为实现滚子200的至少一个部分接触至蜗杆300的目的，该滚槽130被设置为半包裹滚子200的构型，即滚槽130按照球形滚子200的下半球形状为基础向内凹陷以形成一种类似于杯子形状的承托构型(如图2所示)，使得当滚子200被安装在滚槽130中，其至少上半部分是裸露在滚槽130之外的。优选地，当蜗轮100按照其自身轴线进行转动时，沿蜗轮100周向外表面排布的数个滚子200跟随蜗轮100运动形成以蜗轮100圆形中心的圆形运动轨迹。

为实现滚子200在滚槽130之中可以自由转动之目的，当滚子200被放置进滚槽130之后，其与滚槽130之间形成间隙配合。该种配合是指滚槽130的开口尺寸大于滚子200的尺寸，具体到本实施例中呈球形的滚子200和呈杯状的滚槽130上时，则该间隙配合可以指滚槽130的杯状凹陷直径大于球形滚子200的最大直径，这种配合使得滚子200与滚槽130之间形成一定长度的间隙，进而使得滚子200在滚槽130中可以自由地转动。优选地，为防止滚子200与滚槽130之间出现较大的撞击摩擦，该间隙长度被设置为一个较小的数值，使得在整体保持较高的机械配合精度的同时，滚子200获得较好的自由转动的空间。

沿蜗轮100转动的路径观察，可知若该蜗轮100以垂直与地面设置时，当某一滚子200跟随蜗轮100一起转动至朝向地面的一面时，由于重力作用，滚子200极易从滚槽130中脱出，造成本滚子200包覆蜗轮100零件缺失。另一方面，若该蜗轮100进行转动时，滚子200由于离心力的作用也极易滚槽130中脱出。故优选地，将滚槽130在蜗轮100周向表面的开口直径设置为小于滚子200的最大直径，这种设计将在以下两个方面具有优势。一方面，在某一滚子200随蜗轮100旋转至接触蜗杆300时，该滚子200结构上剖面直径小于上述滚槽130开口直径的部分仍会裸露在滚槽130之外并可以自由地接触至蜗杆300，并且由于间隙配合的设置，其仍可以自由滚动。另一方面，在某一滚子200随蜗轮100旋转至朝向地面的一侧或者当滚子200受到由离心力带来的影响时，被包裹在滚槽130内部的滚子200部分由于其剖面直径大于滚槽130开口直径而不能从滚槽130中脱出，使得滚子200整体被固定在滚槽130当中。

由于滚槽130开口直径被设置为小于滚子200的最大直径，因此在向滚槽130中安装滚子200时不能直接由滚槽130的开口处直接插入滚子200的方式进行。故本实施例中采用两半封装的结构将滚子200安装在滚槽130中。优选地，上述两半封装的结构是指滚槽130设置为可拆分的两个部分，这两个部分其中一个部分为设置在蜗轮100上的第二半滚槽结构132，另外一部分可由一个可拆卸的第一半滚槽环133实现。该第一半滚槽环133由数个可以与第二半滚槽132配合组成完整的滚槽130的第一半滚槽131按照环形排布的方式连接组成，并且该第一半滚槽环133以套设在蜗轮100的其中一端圆柱形或圆环形主体上的方式与第二半滚槽132结构进行组合。即对于以上所述的滚子200与滚槽130开口之间的尺寸设置问题，若按照蜗杆轴线方向对蜗杆与球形滚子按最大半径进行剖视的剖视图进行观察(图10所示)，滚子200与第一半滚槽131和第二半滚槽132之间均有接触，具体到滚槽130开口位置来看，滚子200分别在第一滚槽边缘130a和第二滚槽边缘130b位置与上述两个半滚槽接触。在图10所展示的一种实施例的版剖视图中，将第一滚槽边缘130a与第二滚槽边缘130b处于同一径向高度，并且将两者的位点连线以形成限位线L，则若将滚子200最大直径称之为直径D(图中未示出)，则可以明确看出，当限位线L长度或等于大于直径D的长度时，滚槽130将不具有对滚子200的限位能力，滚子200将随着蜗轮100运行过程中的重力或者离心力从滚槽130中脱出。故只有在限位线L小于直径D时，滚槽130才对滚子200形成了限位功能。

在另一些实施例中，第一滚槽边缘130a与第二滚槽边缘130b也可以采用不同高度设置，这样就能够实现不同边缘尺寸的两个滚槽边缘，只要满足两个滚槽边缘沿滚子200边缘水平的补全轮廓尺寸是小于滚子200最大剖面尺寸的条件即可实现对滚子的限位作用，例如滚槽边缘为圆弧时，其沿滚子200边缘的补全轮廓就是沿该边缘所在平面去切剖滚子而形成的剖面轮廓，例如圆形轮廓，则该圆形轮廓的直径被设计为小于滚子200的最大直径以实现对滚子200的限位。

故本实施例中，蜗轮100沿第一半滚槽131和第二半滚槽132分开的剖面线为界线分为两个部分，如图4所示的110和120两个环形或圆柱形蜗轮部分。上述两个蜗轮部分分别为第一半蜗轮110和第二半蜗轮120处于同轴线设置，其不同之处在于，第二半蜗轮120的直径大于或稍大于第一半蜗轮110，使得在两者的接触面形成了高低构型的台阶，或者也可以理解为L形台阶。上述第二半滚槽132均是设置在台阶的高位面上的，并且为实现第一半滚槽环133可以穿过第一半蜗轮110而与第二半滚槽132组合，将第一半滚槽环133的直径设置为大于或稍大于第一半蜗轮110的直径，并且优选地，第一半滚槽环133的直径按照能够满足设置在其上的第一半滚槽131高度对应地与设置在台阶高位面的第二半滚槽132相结合以形成滚槽130的方式设置。优选地，第二版滚槽环133与上述台阶的连接部位设置在台阶高位面的除开设置有第一板滚槽131的部分，并且两者的连接关系可以设置为可拆卸的螺纹连接、扣接等方式。优选地，为满足对称原则以获得更好的稳定性，上述第一半滚131与第二半滚槽132被剖分为包裹面积相等分两个半槽。

优选地，通过引入可活动连接于第二半蜗轮120上的第一半滚槽环133可以实现对滚子200在滚槽130内的受力方向以及最大摩擦位置的调整，以实现对于不同转动以及不同载荷需求的灵活性调整。具体地，通过观察由蜗杆300轴线视角形成的对蜗杆300、滚子200以及滚槽130的剖面视图(图10所示)可以做出以下分析。滚子200在接触至蜗杆300并在蜗杆300的带动下进行旋转，其转动过程中形成的圆滚线与第一半滚槽131和第二半滚槽132之间形成的相交位置即为第一滚槽边缘130a和第二滚槽边缘130b，两边缘以环抱而形成的连线长度小于滚子的最大直径的方式将滚子200限位在滚槽130内部。在受力方面，若按照图中所示的视角观察，蜗杆300采取的是逆时针旋转的情况下，在蜗杆300接触至滚子200并且对滚子200产生的其中一个作用力来自于其对滚子的挤压力，该挤压力在蜗杆300的转动作用下与滚子200的垂直法线形成一定夹角，具体至图中所示的蜗杆300逆时针旋转的情况下，表征挤压力的力线F5指向第一半滚槽内壁位置，该力线F5是穿过滚子球心的，并且若将力线F5沿球心反向延长至限位线L上时，第一滚槽边缘130a与力线F5之间形成了第一夹角α，第二滚槽边缘130b与力线F5之间形成了第二夹角β。通过观察上述两个夹角可知，在蜗杆采用沿图中方向观察下的逆时针旋转的方式转动时，第一夹角α呈钝角状态，第二夹角β呈锐角状态，这种夹角状态表征了力线F5至少是指向第一半滚槽131一侧。另一方面若蜗杆采用顺时针方向转动时，第二夹角β则会呈钝角状态，第一夹角α呈锐角状态，则此刻两种夹角状态表征的是力线F5指向第二半滚槽132一侧。进一步地，挤压力的直接施力点也就是力线F5的作用点称为最大施力点130c，在这个点上出现整个滚子200在转动过程中与滚槽130内壁的最大摩擦，即在此处滚子200受到的摩擦影响最大。而对于本发明采用的在蜗轮100上以两半封装形式限定滚子200的结构设置，使得用户可以根据不同使用情况来适应性地调整力线F5的最大施力点130c的位置。

具体地，首先，第一滚槽边缘130a和第二滚槽边缘130b处于与滚子200圆滚向相交的位置上，并且由于其属于滚槽130开口处的位置，因此此处的形状弧度变化最大，以致形成较为锋利的边缘，故调整第一半滚槽环133的距离可以实现第一滚槽边缘130a与第二滚槽边缘130b所组成的包围环形面处于蜗杆300向滚子200施加挤压力的力线之外，因此通过变更力线F5的施力中心，使其避免较为锋利的边缘处，实现了对滚子200磨损的保护，极大地提升了滚子200的使用寿命。另外对于旋转中的蜗杆，由于压力角的存在，力线F5与第一滚槽边缘130a和第二滚槽边缘130b组成的平面之间呈彼此不正交的状态，此状态使得导油孔140可以设置在滚槽130正底部，避免了力线F5直接作用与导油孔140开口处导致液压油流通不畅等问题。进一步地，由于第一半滚槽环133是通过螺纹等活动连接至第二半蜗轮120上的，因此通过调整第一半滚槽环133距离第二半蜗轮120的距离即可调节力线F5在滚槽130内壁上的最大施力点130c，例如在蜗杆300进行逆时针运动的情况下，稍微加大第一半滚槽环133与第二半滚槽120之间的距离，即稍微加大限位线L的长度，可使得力线F5作用位置靠近滚槽130槽口的位置，即第一夹角α随限位线L增大而逐渐增大，第二夹角β随限位线L增大而组件减小。另一方面，减小限位线L的长度，可使得力线F5作用位置靠近滚槽130槽底的位置，即第一夹角α随限位线L减小而逐渐减小，第二夹角β随限位线L减小而逐渐增大。由此还可以看出，当蜗杆300采用逆时针旋转时，第一夹角α与限位线L长度之间呈现正相关关系，而第二夹角β与限位线L长度之间呈负相关关系。反之，当蜗杆300采用顺时针旋转时，第一夹角α与限位线L长度之间呈负相关关系，而第二夹角β与限位线L长度之间呈正相关关系。力线F5施力位置的调整可根据蜗轮蜗杆滚子传动机构的具体使用情况来调整，例如在需要重载的时候，可将最大施力点130c设置为靠近滚槽130底部的位置以实现较好的受力支撑，在需要高转速的时候，可将最大施力点130c设置为靠近滚槽130开口位置以实现阻力较小的快速转动，这些均可以依靠调整第一半滚槽环133的位置来实现。

在安装滚子200时，先将滚子200放置在第一半滚槽131或第二半滚槽132上，然后将第一半滚槽环133沿第一半蜗轮110轴向方向穿过第一半蜗轮110连接至台阶，由此第一半滚槽131与第二板滚槽132结合形成了完整滚槽130并且以半包裹的形式将滚子200限定在其内部。其上步骤实现了滚子200的两半封装结构安装方式。将滚槽130设置为可拆分的设计在保证滚子200可以正常装入的情况下，还使得用户或制造商可以对磨损严重的滚子200或滚槽130进行拆卸更换或维修内部表面。

在另一些实施例中，为实现蜗轮100以及滚槽130部分较好的机械强度，滚槽130可以与蜗轮100一体式制成，滚子200在上述两者形成之前就预先安装在滚槽130之中，该实施例可以获得较好的机械强度，防止连接部位磨损失效，但无法在不损伤蜗轮100的情况下将滚子200拔出。

上述蜗轮100和滚子200可以由工业上常用的硬质材料制成以获得较高的机械强度，该硬质材料例如可以是铁和以铁为基础的合金(例如钢材、铸铁或其它铁合金)、有色金属及其合金(例如铜材、铝材或其合金材料)。优选地，蜗轮100采用ZCuSn10P1合金材料，其弹性模量为113GPa，泊松比为0.32～0.35，滚子200采用铜合金材料制成。

优选地，为实现对滚子200以及与滚子200接触的蜗杆300的润滑效果，在滚槽130内部至少一个部位设置有导油孔140，该导油孔140开口指向滚子200的形状中心，使得从该导油孔140中导出的液压油能够充入滚子200与滚槽130之间的间隙中形成润滑和填充间歇效果。另外一方面，由于滚子200在装入滚槽130后由于一定的间隙或者导油孔形成的近似负压的原因，滚子200底部将会贴近滚槽130底部而造成滚子200露出部分不能很好地接触至蜗杆300，因此从导油孔140中流出的液压油同时具有将滚子200从滚槽130底部向外顶出的作用，使得滚子200更加接近蜗杆120以形成更好的滑动摩擦效果。另外，由于滚子200接触至滚槽130开口部位时被限位卡住，由此在滚槽130开口部位形成类似球阀类型的锁紧结构，使得液压油不能从滚槽130的开口出漏出，进一步使得滚槽130的内部形成有液压油充满的腔室。由于滚子200与滚槽130之间的间隙配合，使得滚子200可以在滚槽130中自由滚动，故当蜗杆300自转带动滚子200进行转动时，露出滚槽130的未接触液压油的部分由于滚子200的自转而转动至滚槽130内并与存在于滚槽130内的液压油接触以形成润滑油膜，且在滚子200持续转动的过程中，该滚子200的全部表面将会涂覆上液压油膜。另外一方面，由于滚子200接触至蜗杆300，滚子200上的液压油也将随之涂覆至蜗杆300表面。由于液压油具有较为粘稠的流动性特性，其可以使得滚子200与滚槽130之间以及滚子200与蜗杆300之间的缝隙被自动填充或补偿误差，同时液压油将显著降低滚子200与滚槽130之间以及滚子200与蜗杆300之间摩擦损耗。

优选地，为统一管理液压油存储与添加，与设置在滚槽130内部的导油孔140相通连导油通道150被设置为指向蜗轮100圆形中心，并且所有沿蜗轮100环形分布的滚槽130底部的导油通道150均以蜗轮100圆形中心为圆心呈圆形发散排布，故在蜗轮100内部设置有一个与蜗轮100同心的环形空腔160，所有导油通道150的出导油孔140的另一端均联通至该环形空腔160。该空腔用于储存足量的液压油，使得在重力或者离心力的作用下，液压油可以由空腔经由导油通道150从导油孔140中流出并接触至滚子200表面。为方便用户向环形空腔160中添加或补充液压油，将蜗轮100设置为圆环柱形，并且在其内环处设置一个加油开口，该加油开口联通至上述环形空腔160，使得用户可以由该加油开口向环形空腔160中添加液压油。优选地，对于上述一些实施例中的可剖分的蜗轮100，可在环形空腔160、导油通道150以及滚槽130相应接缝处设置防漏机构，该防漏机构可以是贴附在接缝处的橡胶条或防液薄膜等结构。

优选地，由于滚槽130被设置为拆分设计，相应地，导油孔140与导油通道150同样可以相应地设置为拆分设置，即位于第一半滚槽131与第二半滚槽132的半开口与半通道分别组成了导油孔140以及导油通道150。另外优选地，为使得位于导油通道150顶部导油孔140的位置具有较大的油压，可以将接近导油孔140的部分导油通道150内径做收窄设置，另外对于精度需求较高或者相对来说作为主体的第二半滚槽132所在的蜗轮部分可以设置为平直加工的半通道以保证其尺寸精度，第一半滚槽环133一侧则可以在接近导油孔140的位置做单边收窄设计，同样可以起到较好的增加油压的效果。

接触至滚子200的蜗杆300上为形成对滚子200的定向驱动力，沿其周向环形围绕设置有啮合部310。并且为接触滚子200之目的，啮合部310配合裸露在滚槽130外的滚子200部分的构型形成两端凸出中间凹陷的凹槽构型，并且该凹槽的导向路径环绕蜗杆300以螺旋等构型进行延伸，该沿螺旋路径延伸的凹槽构型被称之为蜗道。优选地，为缩小啮合部310与滚子200接触时的间隙同时保证滚子200或蜗杆300之间可以自由的滚动或自转，啮合部310相邻两端凸起之间的间距与滚子200裸露在滚槽130外的部分的最大直径之间呈间隙配合关系。优选地，滚子200与蜗杆300接触时，在滚子200露出滚槽130部分的表面上形成了至少一部分接触面。优选地，上述接触面是指若干临近的接触线排列构成的空间上的曲面，并且该曲面符合滚子球形弧面的至少一部分轮廓构型面。优选地，接触线是指由数个临近的接触点串联构成的空间上的曲线，以球形滚子200的构型来观察，该优选的接触线是指球形滚子200接触至蜗杆300的球形顶点沿球形弧面延伸至滚子200与滚槽130开口相切的圆周面上的曲线。优选地，调整蜗杆300上啮合部310与滚子200球形构型的配合程度，上述球形滚子200与蜗杆300接触面面积与球形滚子整体裸露在滚槽130外的面积部分之间的占比可以达到50-75％。当上述面积占比更高时，说明滚子200与蜗杆300的接触程度越高，则这种高程度的接触将较大提升传动装置的承载能力和传动效率、减少间隙冲击、减小接触面的磨损。

优选地，蜗杆300上配合滚子200形状而形成的啮合部310凹槽路径环绕蜗杆300而形成螺旋形的蜗道，使得当蜗杆300以其自身轴线自转之时，在空间上形成以蜗杆轴线为中心的螺旋形轨迹包络线，该轨迹包络线描述的既是啮合部310螺旋路径的走向，也同时描述了无束缚的滚子200在啮合部中的运动轨迹。上述无束缚的滚子200运动轨迹是指当进行自转的蜗杆300接触至位于蜗轮100上的滚子200时，若将蜗杆300视作相对静止的状态而将滚子200视作未被滚槽130限定位置的情况下，则滚子200与蜗杆300的啮合部310之间的相对运动将会转化成滚子200沿啮合部310螺旋延伸的路蜗道运动以形成螺旋形的轨迹包络线。

并且，若将滚子200视作束缚在滚槽130中的情况下时，上述轨迹包络线的所展示的相对运动中包含了对滚子200施加的多个方向的外力。优选地，若将滚子200接触至啮合部310的部分作为一个整体来观察，其接触轮廓可大致描述为一个贴紧啮合部310其中一个蜗道两端的圆形(如图6和图7所示)，并且在其表面上各个不同地方施加的力可以合并为至少两个方向施加力，即切向力和径向力。优选地，由于蜗杆300具有顺时针和逆时针两种旋转方向而导致其相应的轨迹包络线也相应地具有两个方向的相对运动，进而也产生了至少两组方向互为相反的切向力和径向力的组合。优选地，当蜗杆300采用顺时针转动的方式进行自转的情况下，上述切向力为第一切向力F1，径向力为第一径向力F2；当蜗杆300采用逆时针转动的方式进行自转的情况下，上述切向力为第二切向力F3，径向力为第二切向力F4。

由于滚子200在滚槽130中处于自由滚动状态，故施加至滚子200的第一切向力F1和/或第二切向力F3使得滚子200沿切向力作用方向进行滚动，具体地，当蜗杆300进行顺时针转动时，产生的上述第一切向力F1带动滚子200沿其自身进行转动，并且若将滚子200的轴向与蜗杆300轴向大致等同方向观察，上述滚子200进行逆时针转动。同样地，当蜗杆300进行逆时针转动时，产生的上述第二切向力F3带动滚子进行顺时针转动，即在蜗杆300的滚动带动下，滚子200与蜗杆300之间形成了逆向滚动状态。上述无论时蜗杆300顺时针还是逆时针的转动均使得滚子300在滚槽130中实现了自由滚动的功能，使得蜗杆300与滚子200之间的摩擦至少很大一部分被转化为滚子200的滚动摩擦，从而大量减小了摩擦损失，提升了传动效果。

另一方面，对滚子200受到的径向力进行分析，则可知径向力垂直与上述切向力，并且不同于给滚子200带来自由滚动的切向力，主要由啮合部310蜗道两端凸起部位贴合至滚子200所带来的径向力使得滚子200在空间上产生了向受径向力方向进行运动的趋势。再者由于数个接触至啮合部310的滚子200均产生了相似方向的径向力，在将滚子200与其所固定于的蜗轮100作为一体观察，上述整体受到了蜗杆300转动产生的朝向一定方向的径向合力，使得蜗轮100在上述径向合力的作用下沿其自身轴线进行滚动。并且在方向相反的第一径向力F2和第二径向力F4的作用下，蜗轮100可以沿顺时针和逆时针的方向转动。

在一些实施例中，沿所述蜗杆300环绕有所述啮合部310的直线路径上观察，啮合部310凹槽路径的螺旋半径配合其接触至所述滚子200所在的蜗轮100的弧度设置，而形成一种中间半径较小，两端半径较大的构型。此种设置可以使得啮合部310在接触至由于蜗轮100的影响而具有一定弧形排布的数个滚子200时，啮合部310依靠其配合蜗轮100弧度的弯曲形状而保证其表面上的尽可能多的接触上述数个滚子200以向滚子200提供受力传导，提升本传导装置的传导效率和承载强度。另外为消除蜗杆与滚子之间的缝隙，将啮合部设置为两端突出位置紧贴滚子外侧面的结构，使得蜗杆与滚子之间的间隙被消除，提升传动效率。

优选地，蜗杆相关设计参数计过程可以参照蜗杆啮合齿面方程进行计算：

基于微分几何和齿轮啮合原理，首先建立了如图8所示的坐标系：建立蜗杆、蜗轮的静坐标系S₁(i₁,j₁,k₁)、S₂(i₂,j₂,k₂)，与蜗杆、蜗轮固联的动坐标系S_1′(i_1′,j_1′,k_1′)、S_2′(i_2′,j_2′,k_2′)，其中k₁＝k_1＇＝ω₁/ω_1＇为蜗杆的回转轴，k₂＝k_2＇＝ω₂/ω_2＇为蜗轮的回转轴,ω₁,ω₂分别为蜗杆蜗轮的角速度此外，在滚子柱顶中心，建立在滚子上与蜗轮固联的坐标系S₀(i₀,j₀,k₀)，滚子的回转轴线沿着蜗轮的径向方向，且与蜗轮回转轴k_2′垂直相交。

在图8中，A为蜗杆与蜗轮的中心距，c₂为滚柱偏距，α为蜗轮齿距角；φ₁、φ₂分别为蜗杆、蜗轮的转角，传动比i₁₂＝ω₁/ω₂＝φ₁/φ₂＝1/i₂₁，当φ₁＝φ₂＝0时，动坐标系与静坐标系重合，并设O₀点在S_2′坐标中的坐标为(a₂,b₂,c₂),在接触点O_p处设置活动标架S_p(e₁,e₂,n)，对于球形滚子的标系设置如图9所示，固定坐标系S₀的位置在滚子顶部或中央。

根据啮合原理，空间啮合的两齿面，无论是点接触，还是线接触在任一瞬时总是相切的，即在接触点总有公共的切平面和公共的法矢n，且两齿面在接触点的相对运动速度ν^1′2′必然和公法矢n相垂直，即两齿面在接触点的公法矢方向无相对运动。只有这样，才能保证相互接触的两齿面不致脱离或产生卡死现象，从而使两齿面能连续地保持接触，即两齿面在接触点处必须满足啮合方程:

由母面(产形面)上所设置的接触点O_p的活动标架可知，n轴即为母面与蜗杆齿面的公法矢，所以接触点O_p处的相对速度矢量ν^1′2′在活动标架S_p中沿n轴投影即得到该传动的啮合函数：

由啮合函数得到此蜗杆传动的啮合齿面方程为：

上式中，u、θ分别为蜗轮滚子的设计参数，Φ₂为蜗轮转动角，M₁，M₂，M₃为减速器后续设计需要求解的参数。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种具有无间隙蜗杆蜗轮传动装置，其至少包含：

蜗轮(100)，其至少具有旋转轴线并且能够按照围绕该轴线的方式进行旋转，所述蜗轮(100)沿周向表面设有多个滚槽(130)，在所述滚槽(130)内安装有滚子(200)，

蜗杆(300)，其接触至所述蜗轮(100)以便驱动所述蜗轮(100)围绕其自身轴线转动，

其特征在于，

所述滚槽(130)是按照如下的分体部分环抱的形式限制所述滚子(200)的，即所述滚子(200)面向所述蜗轮(100)的半球部突出于所述滚槽(130)之外，从而所述滚子(200)在所述滚槽(130)内滚动的圆滚线与用于环抱所述滚子(200)的所述滚槽(130)的第一滚槽边缘(130a)和第二滚槽边缘(130b)的相交位置处于所述蜗杆(300)向所述滚子(200)施力的力线(F5)之外，

所述滚子(200)的与所述第一滚槽边缘(130a)和第二滚槽边缘(130b)所在的平面是与所述蜗杆(300)向所述滚子(200)施加压迫作用力所在的力线(F5)彼此不正交的。

2.根据权利要求1所述的传动装置，其特征在于，所述第一滚槽边缘(130a)与所述第二滚槽边缘(130b)配合形成对所述滚子(200)的限位区域，其中，所述第一滚槽边缘(130a)和/或所述第二滚槽边缘(130b)的边缘按照环绕所述滚子表面补全后的形状尺寸小于所述滚子的最大剖切尺寸。

3.根据前述权利要求之一所述的传动装置，其特征在于，所述第一滚槽边缘(130a)与处于同一径向高度的所述第二滚槽边缘(130b)连线而成的限位线(L)长度小于所述滚子(200)的最大直径，使得所述滚子(200)随所述蜗轮(100)滚动时所述滚槽(130)开口部分向所述滚子(200)提供支撑力以抵消重力和/或离心力导致的所述滚子(200)离开所述滚槽(130)的趋势。

4.根据权利要求1或2所述的传动装置，其特征在于，所述滚槽(130)设置为互为补足的第一半滚槽(131)和第二半滚槽(132)，数个所述第二半滚槽(132)按照环形排布的方式连接形成第一半滚槽环(133)，其中，所述两半封装形式按照如下方式形成：

按照先将所述滚子(200)放置在所述第一半滚槽(131)或第二半滚槽(132)上再将所述第一半滚槽环(133)连接至所述第一半滚槽(131)以形成完整的所述滚槽(130)的方式将最大半径大于所述滚槽(130)开口半径的所述滚子(200)安装在所述滚槽(130)内。

5.根据前述权利要求之一所述的传动装置，其特征在于，所述蜗轮分为互相共轴的第一半蜗轮(110)与第二半蜗轮(120)，所述第二半蜗轮(120)直径大于所述第一半蜗轮(110)，使得在两者的接触面形成高低的台阶，其中所述第二半滚槽(132)设置在所述台阶的高位面上，所述第一半滚槽环(133)直径大于所述第一半蜗轮直径，使得所述第一半滚槽环(133)能够穿过所述第一半蜗轮(110)并连接至所述第二半滚槽(132)。

6.根据前述权利要求之一所述的传动装置，其特征在于，所述第一半滚槽(131)与所述第二半滚槽(132)底部分别设有半开口，所述半开口共同构成用于导入液压油的导油孔(140)，所述导油孔(140)轴线指向所述滚子(200)的形状中心设置使得由所述导油孔(140)导出的液压油能够接触至所述滚子(200)部分表面并且借助所述滚子(200)的自由滚动覆盖滚子(200)的所有表面。

7.根据前述权利要求之一所述的传动装置，其特征在于，所述导油孔(140)联通有导油通道(150)，所述导油通道由分布于所述第一半滚槽(131)与所述第二半滚槽(132)上的半滚槽配合形成，其中，连接至所有沿所述蜗轮(100)环形分布的所述滚槽(130)内部的所述导油通道(150)均以所述蜗轮(100)圆形中心为圆心向所述蜗轮(100)表面方向为路径指向，并且数个所述导油通道(150)之间呈圆形发散排布。

8.根据前述权利要求之一所述的传动装置，其特征在于，在所述蜗轮(100)内设置有环形空腔(160)，所有所述导油通道(150)除所述导油孔(140)的另一端均联通至所述环形空腔(160)，使得储存在所述环形空腔(160)内的液压油能够被重力和/或离心力驱动流动至所述滚子(200)表面。

9.根据前述权利要求之一所述的传动装置，其特征在于，所述蜗杆(300)沿其周向环形围绕设置有啮合部(310)，所述啮合部(310)按照配合所述滚子(200)露出部分的外形的方式而构成两端凸出的蜗道，所述蜗道突出的两侧按照贴紧所述滚子表面的方式设置。

10.根据前述权利要求之一所述的传动装置，其特征在于，沿所述蜗杆(300)环绕有所述啮合部(310)的直线路径上观察，所述啮合部(310)弯曲弧度配合与其接触的所述滚子(200)所在的所述蜗轮(100)的弧度设置。

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