CN1246612C - 滚珠行星传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚珠轴承行星齿轮，包括三个共轴的圆柱形隔离圈(2，3，4)，其中一个隔离圈(2)是被固定的。在内隔离圈(4)和外隔离圈(2)上具有工作滚道(5和6)和返回滚道(7，8)。在中间隔离圈(3)上具有开口式的凹槽(9)。滚珠(10)被容纳在开口凹槽(9)中并与隔离圈(2和4)的滚道相接触。第一实施例涉及被设置在内隔离圈(4)上的螺旋工作滚道(5)与螺旋返回滚道(7)之间的关系。第二实施例涉及一种多行传动装置。第三实施例涉及一种设有插入件(23)的传动装置，滚珠(10)被容纳在该插入件(23)内的凹座(24)中。

Description

滚珠行星传动装置

技术领域

本发明涉及机械工程和钻孔设备，尤其是涉及用于使共轴的轴之间的旋转速度变化的机械装置。

背景技术

一种现有的公知的循环滚珠行星传动装置包括一个箱体，该箱体内容纳有被推力轴承支承的一主动轴和一从动轴，在该箱体内设置有三个共轴的圆柱形隔离圈，其中中间和内隔离圈被分别连接到从动轴和主动轴上；该内隔离圈的外表面和该外隔离圈的内表面上设有螺旋循环滚道，而中间隔离圈具有敞开的凹槽；滚珠被容纳于所述凹槽内并被用以同时与所述螺旋循环滚道接触，以及滚珠逸出滚道(SU,A1,1,525,375)。

然而，滚珠在与滚珠逸出滚道滑动接合时滚珠的冲击进入会影响到传动装置的强度性能，并会对其旋转速度施加限制。

另一种现有的公知的滚珠螺旋行星传动装置包括三个共轴的圆柱形隔离圈，其中的外和内隔离圈设有具有有效的(工作)段的螺旋循环滚道，这样的循环滚道具有滚珠返回段，所述返回段位于与所述有效段的方向相反的位置，而中间隔离圈具有敞开的凹槽，滚珠被容纳于所述凹槽内并被用以与其它两个隔离圈上的循环滚道接触(SU,A1,1,810,681)。上述传动装置实际上是本发明所有实施例的最接近现有技术。

上述传动装置具有足够高的可靠性和速度。然而，由于滚珠沿着滚珠逸出滚道运动而存在非单调的变加速度运动，带来的问题是导致在所述滚珠逸出滚道的共轭位置出现不正常的高度磨损，这就限制了所讨论的传动装置的高速度。

已经有一些技术解决方案，目的在于通过使滚珠逸出滚道具有特殊的形状以此减少冲击负载(比较，教科书“screw-type mechanismsand trains”(螺旋式机构和传动装置)，Moscow(莫斯科)，Mashinostroenie PH，1982，第130-137页(俄语))。然而，迄今为止的技术解决方案没能够完全消除在滚珠逸出滚道全长范围内的非单调变加速度。

发明概述

本发明首要的和本质的目的在于提供一种具有更高的可靠性和使用寿命的循环滚珠行星传动装置，能够完全消除滚珠逸出滚道内的任何冲击负载，是由于将所述滚道沿曲线设计成形，以致于在滚珠啮合和脱离的情况下消除起始加速度，也包括沿滚珠逸出滚道的路径上在滚珠的变形点。

本发明的一种循环滚珠行星传动装置包括三个共轴的圆柱形隔离圈，其中之一是固定的，内和外隔离圈具有工作的螺旋滚道和滚珠逸出滚道，它们定位于与循环滚道方向相反的方向，而中间隔离圈设有敞开的凹槽，滚珠被容纳于所述凹槽内并用于与其它隔离圈的循环滚道相接触。

所述内隔离圈的滚珠逸出滚道在其入口和出口的共轭点之间，该滚珠逸出滚道沿所述滚珠的一根中心轴线设置并且是由在局部坐标系中的方程式Y_1，2＝aXⁿ _1，2所表示的曲线的两个相似的镜像部分；所述曲线之一与建立在所述螺旋循环滚道的延长线上的坐标系(X₁，Y₁)相关联，而另一曲线与建立在所述螺旋返回滚道的延长线上的坐标系(X₂，Y₂)相关联，两个坐标系的参考点分别与螺旋循环滚道和螺旋滚珠逸出滚道在入口和出口处的中心线延长线的相交点间隔开，间距为L≥D/Z_rcos，而且在所述曲线的共轭点处保持相同的切线倾角；其中X_1，2-相应的局部坐标系从它们的坐标原点读取的线段L部分的长度，n-大于2的整数，对于两条共轭曲线n是相同的，D-滚珠中心圆周的直径，-内隔离圈上的螺旋循环滚道相对于圆周方向的倾角，Z_r-中间隔离圈上的凹槽的数量。

上述数学表达式Y_1，2＝aXⁿ _1，2代表Y_1，2＝aXⁿ的幂函数，其中a，n为常量(比较，“初等数学手册”(“Handbook of elementarymathematics”)，M.Ya.Vygodski编著，“Nauka”PH，1982，第312页(俄语))，下标1，2(Y_1，2，X_1，2)表示在上文中所描述的和图3中所示出的不同的坐标系。

所述滚珠逸出滚道被设置在一固定隔离圈上，其横截面尺寸至少为所述循环滚道宽度的(1+L/dZ_r)倍，其中d为滚珠10的直径。

在现有技术中有一种公知的行星齿轮机构(比较，教科书“正弦滚珠减速机构”(Sine-ball reduction units)，R.M.Ignatishchev编著，Minsk(明斯克)，Vysshaya shkola PH，1983，第8页(俄语))，包括共轴的圆柱形隔离圈，一个外隔离圈和一个内隔离圈，两个隔离圈都具有周期不同的正弦循环滚道，所述内隔离圈的循环滚道设在其外圆柱面上，所述外隔离圈的循环滚道设在其内圆柱面上，所述滚道容纳有滚珠，滚珠位于行星(保持架)的纵向开口(凹槽)内。上述结构被称为一种正弦-滚珠减速机构并被用于向下钻进电动机(涡轮钻机，电钻)。所述机构可有利的用于上述公知的行星齿轮减速器，其相似的目的(比较，教科书“带齿轮的涡轮钻机电动机的工业结构(Industrial construction of geared turbo-drill motors)”，Oil and gasindustry(石油和天然气工业)，Compendium of papers on constructionof Oil and gas well，Issue 2-3，VNIIOENG，Moscow，1992，第26-30页(俄语))在于，所述正弦滚珠减速齿轮机构的简化的结构设计被与不可忽视的动力学潜能相结合，就是说，可以获得的单级传动比范围等于1.5至10，然而，具有相同的直径，在向下钻进电动机中的一级齿轮减速器的传动比为2至4，而双级传动装置需要更高的传动比值，这又使整个结构非常复杂。而且，为了获得更高的承载能力，与多行单级行星传动装置相比，能够更加容易地得到一种多行单级正弦滚珠减速传动机构。

然而，上述多行正弦滚珠行星减速器具有一些缺点。正弦滚珠行星减速器固有的一个主要的操作缺陷在于，随着滚珠沿隔离圈的正弦滚道运动，由滚珠传递给行星齿轮架上的开口(凹槽)的负载大小是一个变化量，当滚珠沿着该行星齿轮架上的凹槽运动时，在滚珠的轴向位移的振幅的中点处，该变化量达到其最大值。其结果是导致所述齿轮架的凹槽的有效(接触)表面上形成不均匀磨损，磨损的最大值发生在其中部。在所述滚珠相对于所述凹槽发生轴向位移的情况下，就依次导致堵塞，并在操作期间最终导致效率的降低。

所述正弦滚珠行星减速器与其生产过程技术相关的另一个实质性缺点在于，当利用正运动学的方法在铣床、包括数控机床上铣削正弦循环滚道时，相对迫切地需要保证精度。通常，利用选择性的组装，然而不会消除使用附加结构的设备的必要性，以使在一个多行减速器的行之中提供均匀的负载分配。

最后，与齿轮减速器相比，正弦滚珠行星减速器的再一个缺点在于，当传动比为3至7时，其效率相对较低(0.85至0.87％)。

一种循环滚珠行星传动装置(SU A1 1,810,681)，它克服了所述正弦滚珠行星减速器所固有的上述一些缺点，它包括三个圆柱形隔离圈，其中之一为固定隔离圈，而内隔离圈和外隔离圈具有螺旋循环滚道和与所述循环滚道的方向相反的滚珠逸出滚道，中间隔离圈具有敞开的凹槽，凹槽内容纳有滚珠，滚珠与其它隔离圈的滚道相接触。

事实上，上述技术解决方案其实是针对正弦滚珠行星减速器的一种运动学的数学模型，其区别仅在于，用一种螺旋循环滚道的闭合圆形系统代替了沿着直的循环滚道延伸的闭合的圆形正弦曲线，从而，当所述滚珠沿着所述螺旋循环滚道运动时，能够由滚珠将切向力均匀地传递给所述齿轮架的凹槽。

然而，所述机构所具有的一些总的缺陷在于，限制了它的使用或者割裂了它的用途，而这对于多行重负载传动装置是不可能存在的，限制了比如向下钻进的钻机的减速器的直径大小，所述缺陷如下：

1.通过这样的实事解决了轴向的不平衡，即仅仅在单向性的螺旋循环滚道中，滚珠承受一个切向力；

2.复杂的制造过程和外隔离圈的装配；

3.当被用于一种重负载的多行减速器(比如，一种向下钻进的钻机)时，在该传动装置的行之中复杂的一致的负载分配；

因此，本发明的目的在于解决更高的操作可靠性和通过消除作用在轴承上的推力负荷而提高所述传动装置的使用寿命。

本发明提供一种循环滚珠行星传动装置，它包括三个共轴的圆柱形隔离圈，其中之一为固定隔离圈，而被装配在输入轴上并在减速器箱体内的内隔离圈和外隔离圈分别具有螺旋循环滚道和与循环滚道的方向相反的滚珠逸出滚道，而中间隔离圈(行星齿轮架)被与减速器输出轴相连接并具有敞开的凹槽，滚珠被容纳在凹槽内并适用于与内和外隔离圈的滚道相接触，为了提供一种具有重负载减速器的多行传动装置，其内和外隔离圈具有右旋螺旋循环滚道的行数等于其内和外隔离圈具有左旋螺旋循环滚道的行数，在外隔离圈上的滚珠逸出滚道的宽度是所述循环滚道宽度的至少1.09倍。

所述循环滚珠行星传动装置被容置在一个箱体内，该箱体容纳有所述外隔离圈，该外隔离圈保持不旋转并设有所述螺旋循环滚道，而滚珠逸出滚道为敞开的滚道，其向外隔离圈的端面敞开，所述滚珠逸出滚道与外隔离圈轴线平行。

所述外隔离圈具有与所述行相应并设有轴套的分段，每一隔离圈分段可以在其自己的轴套内轴向运动，每一所述轴套被容纳在箱体内并保持不旋转，轴套的长度超过隔离圈分段的长度。

在所述分段和/或所述轴套之间设置弹性元件。

除了所述循环滚珠行星传动装置，包括具有螺旋和正弦循环滚道的传动装置所具有的上述操作问题之外，还存在在滚道的接触面上滚珠的非正常的高度磨损的问题，是由于滚珠与循环滚道的复杂的相互作用，因为在操作期间，随着滚珠的同时旋转和它沿凹槽的往复运动，来自滚珠的力通过滚珠与凹槽面之间的接触而被传递给中间隔离圈。

上述缺陷在另外一种现有的行星传动装置中也是固有的，它包括三个共轴的圆柱形隔离圈，其中之一为固定隔离圈，内隔离圈和外隔离圈具有螺旋循环滚道和滚珠逸出滚道，中间隔离圈具有敞开的凹槽，滚珠被容纳在凹槽内并适用于与其它隔离圈的滚道相接触(SU,A1,1,810,681)。

因此，本发明的首要目的是提供一种循环滚珠行星传动装置，通过提高它的强度特性和延长它的使用寿命，从而使之具有更高的工作特性。

所述目的是通过提供一种循环滚珠行星传动装置而实现的，该行星传动装置包括三个共轴的圆柱形隔离圈，其中之一为固定隔离圈，内和外隔离圈具有螺旋滚道和滚珠逸出滚道，中间隔离圈设有敞开的凹槽，滚珠被容纳于所述凹槽内并用于与其它隔离圈的循环滚道相接触，根据本发明，该传动装置还包括设置在所述中间隔离圈的凹槽内的插入件，插入件可移动地横跨所述凹槽，所述滚珠被容纳于插入件的承窝中。

所述插入件承窝的部分表面为球形的，其球半径等于滚珠半径。

所述插入件具有一个与凹槽表面接触的平面，凹槽表面沿着所述中间隔离圈的旋转方向而定向。

在所述插入件的与凹槽面接触的平面的相对侧上设有一个圆孔，该孔的轴线通过形成所述承窝的球体的中心，所述孔的半径等于滚珠半径。

所述插入件为一个旋转实体。

所述旋转实体实际上是一个圆柱体，其直径与所述凹槽的宽度一致，其轴线通过形成所述承窝的球体的中心。

所述插入件的半径不超过所述中间隔离圈的厚度。

径向限定所述插入件的表面为圆柱形。

附图说明

通过下面的附图1-9描述本发明的实质内容：

图1为本发明的循环滚珠行星传动装置的纵断面图；

图2为投影到一选定坐标系中的所述外、中间和内隔离圈的平面上的圆柱形投影；

图3为所述内隔离圈上的滚珠逸出滚道的放大视图，示出了所参照的局部坐标系和共轭点；

图4为所述循环滚珠行星传动装置(多行式)的纵断面图；

图5为投影到在一种多行式行星传动装置的相邻两行中的所述外、中间和内隔离圈的平面上的圆柱形投影；

图6为所述传动装置元件的负载示意图；

图7-9为采用插入件的所述行星传动装置的一个实施例。

实现本发明的最佳方法

本循环滚珠行星传动装置(图1-3)包括被封装在一箱体1内的3个共轴的圆柱形隔离圈2，3，4。外隔离圈2被固定.内隔离圈4和外隔离圈2分别具有螺旋形的循环滚道5和6，以及与循环滚道5和6的方向相反的滚珠逸出滚道(ball escape groove)7和8。中间隔离圈3具有一个开口式的凹槽9以容纳滚珠10，使滚珠与外隔离圈2和内隔离圈4的滚道相接触。

为了实现本发明的目的，在内隔离圈4上和在其入口和出口区域上的共轭点O₁和O₂之间，滚珠逸出滚道7沿一根通过滚珠10中心的轴线11设置并且看起来好象是曲线12和13的两个相似的镜像部分，曲线12和13由在一个局部坐标系中的方程式Y_1，2＝aXⁿ _1，2表示；所述曲线之一与建立在所述螺旋循环滚道5的延长线上的坐标系(X₁，Y₁)相关联，而另一曲线与建立在所述螺旋返回滚道7的延长线上的坐标系(X₂，Y₂)相关联.在入口和出口处，两个坐标系的参考(共轭)点O₁和O₂分别与螺旋循环滚道5中心线的延长线和螺旋滚珠逸出滚道7中心线的延长线的相交点C间隔开，间距为L≥D/Z_rcos，其中X_1，2-相应的局部坐标系从其坐标原点读取的线段L部分的长度，n-大于2的整数，对于两条共轭曲线n是相同的，D-滚珠10的中心圆周的直径，-内隔离圈4上的循环滚道5相对于圆周方向的倾角，Z_r-中间隔离圈3上的凹槽9的数量。在局部坐标中，所述曲线12，13的切线在所述曲线的共轭点T处的斜率保持相同。固定隔离圈2上的滚珠逸出滚道8的宽度至少是螺旋循环滚道6的宽度的(1+L/dZ_r)倍，其中d为滚珠10的直径。

为了便于描述这里所提供的循环滚珠行星传动装置的操作方法，已经选择一个主坐标系，其中X轴与所述传动装置的旋转轴一致，而Y轴位于圆周方向，将内隔离圈4上的螺旋循环滚道5的滚珠10的中心线11的延长线与X轴的交点作为参考点(O点)。如图2所示，在图示的沿截面AA的圆柱形投影中，OX轴将圆周分成两个相等的部分，螺旋循环滚道5的延长线在B点结束螺旋形线圈。

随着内隔离圈4的旋转，同时与内隔离圈4上的螺旋循环滚道5、中间隔离圈3上的纵向凹槽9和外(固定)隔离圈2上的螺旋循环滚道6接触的滚珠10，开始沿螺旋循环滚道6移动。由于滚珠10被容纳在凹槽9中，滚珠10的这种移动是通过由中间隔离圈3执行的圆周运动来完成的。轮流地，滚珠10沿螺旋循环滚道5的运动受到它们的长度的限制，随着内隔离圈4在某种意义上的旋转(用箭头E表示，图2)，被容纳在中间隔离圈3的凹槽9中的滚珠10，由于它们与螺旋循环滚道的接触，表现为连续地在最左边的位置。为了使滚珠10再继续它们的沿螺旋循环滚道6的运动，滚珠10应该被从最左边的位置转移到所述固定隔离圈2上的下一个螺旋循环滚道6的起点。为此，滚珠逸出滚道7和8分别为被设置在内隔离圈4和外(固定)隔离圈2上。

为了实现这种滚珠的转移，当滚珠的中心位于内隔离圈4上的螺旋循环滚道5的最后部分时的点C，被通过滚珠返回螺旋滚道与点C′连接，在该点C′，位于点C的滚珠10应当被重新定位以使所述滚珠重新开始它沿下一个螺旋循环滚道6的运动。

然而，使点C和C′通过滚珠返回螺旋滚道互相连接，会在滚珠进入和离开所述滚道的时候导致冲击的开始。这一冲击会对所述的传动装置的强度特性产生不利的影响，并导致对其旋转速度产生限制。

为了消除对进入和离开内隔离圈4上的返回滚道的冲击，该滚道借助于由方程式Y_1，2＝aXⁿ _1，2表示的两条相似的镜像曲线部分与螺旋循环滚道5形成紧密配合。所述两条相似的镜像曲线的使用由这样的实事来说明，即仅仅前一状态的动力相关性(power dependency)能够使滚珠入口和出口免受冲击。当设计各种螺旋齿轮机构和传动机构的滚珠逸出滚道时(参见教科书“screw-type mechanisms and trains”(螺旋式机构和传动装置)，Moscow(莫斯科)，Mashinostroenie PH，1982，第130-137页(俄语))，为了延长机构的使用寿命，人们试图消除冲击负载。为实现此目的，就这样设计一种滚珠逸出滚道，即，在共轭点的滚珠轨迹曲率等于零，直到所述曲率平稳地增加。正如人们众所周知，在一直角坐标系中的曲率可以根据下面的公式得出：

$C_r=Y^{\′\′}/\sqrt{{(1+Y^{\′2})}^3},$ 其中，Y′和Y″分别是一用于描述滚珠沿返回滚道的运动路径的函数的一次导数和二次导数。

通常，当形成一滚珠逸出滚道时，人们仅仅考虑设计一种无冲击的滚珠入口(X＝0)，而忽略了在与直线滚道部分配接的入口部分的点处的冲击负载。在这种配接的所有实例中，当利用上述动力相关性时，由于在配接点当X＞0时不满足条件C_r＝0，就发生了冲击。

当将所述滚珠逸出滚道的配接部分分成两个相似的分段时，就可以克服上述困难。

由于滚珠逸出滚道7相对于点G的对称性，在下文中，仅仅考虑在所述滚道的入口侧形成滚珠运动路径。

所述滚道分段之一应当参考所述局部坐标系(Y₁，X₁)，其参考点为O₁，而另一分段应当参考所述局部坐标系(Y₂，X₂)，其参考点为O₂。对于轴O₁X₁和轴O₂X₂而言，所述配接段的长度L应当相等。这意味着，L的值应当小于线段OO₁的长度，以便在滚珠10沿凹槽9的加速运动的入口处为滚珠逸出滚道7与滚珠10之间的接触提供合适的角度。选择这样的局部坐标系，所述点T就是所采用的动力相关性的共轭点。这就意味着依次满足等式X_1m＝X_2m和Y_1m＝Y_2m。

然而，为了获得配接段的平滑度并从而获得相等的曲率，也必须使所述切线与曲线在切点T的倾角相等，即，满足等式Y′_1T＝Y′_2T＝tgγ_T。为了满足上述条件，需要使在坐标系(X₁，Y₁)和(X₂，Y₂)中该切线在点T的倾角γ_T等于轴O₁X₁和O₂X₂之间的夹角γ的一半。

我们已经知道了所述传动装置的所有几何参数(即，螺旋循环滚道5的倾角，凹槽9长度的一半，也就是线段OG的长度，在坐标系(O₁X₁)或(O₂X₂)中所述配接段的长度)，利用相应的数学工具就可以计算出所有缺少的特性(即，X_1T，Y_1T，Y′_T，γ和γ_T)。

为了便于构造所述循环滚珠行星传动装置的结构，提高它的可靠性和速度，所述固定隔离圈2上的滚珠逸出滚道8要比螺旋循环滚道6至少宽(1+L/dZ_r)倍螺旋循环滚道6的宽度，以便当所述滚珠以一加速度向外隔离圈2上的下一个螺旋循环滚道6的起点移动时，使所述滚珠10能够沿所述滚珠逸出滚道8自由运动。由于所述滚珠10没有传递该切向力，所述滚珠逸出滚道8的结构基本上被简化，尤其是所述滚道在它们的全部长度内可以沿着螺旋线延伸，而没有相应的入口和出口部分，而所述内隔离圈4上的所述滚珠逸出滚道7也是这样的。该滚珠逸出滚道的宽度的相对增加是滚道长度L、滚珠直径d和中间隔离圈9上的凹槽数Z_r的函数。**对于如图2所示的圆柱形投影，与所述循环滚道的宽度比较，所述逸出滚道的宽度的相对增加为1.092。

比如，用于一种向下钻进的钻孔机——一种水轮机的井下马达或者电动井下马达的一种减速齿轮单元的所述循环滚珠行星传动装置(图4-6)是一种多行(multiple-row)传动装置，它包括一箱体1，一输入轴14和一输出轴15，以及一循环滚珠行星传动装置，该传动装置包括一内隔离圈4，一外隔离圈2和一中间隔离圈3，该内隔离圈4具有右旋和左旋螺旋循环滚道5和滚珠循环滚道7，该外隔离圈2具有右旋和左旋螺旋循环滚道6和滚珠循环滚道8，该中间隔离圈3具有容纳所述滚珠10的凹槽9。该内隔离圈4可以表现为设置在该输入轴14上的分段，通过被固定在适当位置的键16借助于一个螺母17而防止轴向移动。该外隔离圈2也还可以表现为这样的分段，每一段被通过键19而安装在一轴套18内，以便轴向移动。

所述轴套18被依次固定在所述箱体1内，在它们的端部被有摩擦地压紧。所述轴套18的长度超过隔离圈2的分段的长度。内隔离圈4和外隔离圈2的每一分段包括至少一行(row)右旋或者左旋螺旋循环滚道5和6。所述中间隔离圈3是所述内隔离圈4和外隔离圈2的所有行的共用隔离圈，所述中间隔离圈3通过一个花键联接或者在工程实践中的公知设备的任一联接被连接到该输出轴15上。可以在内隔离圈2或者外隔离圈4的分段之间设置弹性元件，也可以设置在轴套18之间。

具有共轭部分的所述螺旋循环滚道5和6以及滚珠逸出滚道7和8形成了闭合的循环滚道。

按照下述方法在内隔离圈4，5和外隔离圈6，7上形成滚道。内隔离圈4上的一行滚道具有一循环(工作)部分，即，右旋螺旋滚道5和左旋螺旋滚珠逸出滚道7，两个所述滚道通过一个滚道20被配接在一起，该滚道20的轴21由一个幂函数表示。所述螺旋滚道5和7各自的螺旋角_r和β_r彼此不同，在投影到一平面上的投影的圆周长度上设置有偶数对滚道5和7，从而形成所述循环滚道的一个闭合的循环系统。

设置在其它行的内隔离圈4上的所述循环滚道的系统与第一行的相似，但是是镜像相对设置的，即，循环滚道5为左旋而螺旋返回滚道7为右旋，而所述配接滚道20是由相同的幂函数表示但是具有相反的符号。此外，所述各个角度大小相等(_r＝₁＝，β_r＝β₁＝β)。

外隔离圈2的所述循环滚道的系统表现为，对于一行的隔离圈2为具有螺旋角Δ_r的右旋螺旋循环滚道6，对于其它行的隔离圈2为具有螺旋角β₁的左旋螺旋循环滚道6，而且垂直的滚珠逸出滚道8与隔离圈轴平行，所述滚道的宽度S_e等于所述循环滚道6的宽度S_tr的至少1.09倍。不同行的隔离圈2的所述螺旋循环滚道的螺旋角大小相等(α_r＝α₁＝α)，在投影到一平面上的投影的圆周长度上设置有偶数对的螺旋循环滚道和滚珠逸出螺旋滚道，从而形成所述循环滚道的一个闭合的循环系统。

所述螺旋滚道6和逸出滚道8为敞开的滚道，向外隔离圈的端面A和B敞开。

内隔离圈上的螺旋循环滚道和螺旋逸出滚道的对数(Z₁)与外隔离圈上的螺旋循环滚道和螺旋逸出滚道的对数(Z₃)之间的比值，或者内隔离圈上的螺旋循环滚道的螺旋角()和外隔离圈上的螺旋循环滚道的螺旋角(Δ)，确定了本正弦滚珠行星减速齿轮的运动学传动比i，如下式：

i＝(Z₁+Z₃)/Z₁＝(tg+tgα)/tg                   (1)

这可以根据此种机构的通用理论得知。

如图7-9所示，在本发明的一实施例中，这里的传动装置被设有插入件23，所述插入件23被安装在中间隔离圈3的凹槽9中并可移动地横跨该凹槽9，滚珠10被容纳在插入件23的承窝24中。插入件23中的承窝24的部分表面或者它的全部表面为球形，其球半径R_sph与滚珠半径相似。

所述插入件23具有一平面25与凹槽9的表面接触，该表面被定位在隔离圈3的旋转方向。在该插入件23的与接触凹槽9表面的平面25相对的一侧上设置一圆孔26，该圆孔26的轴27穿过用以形成所述承窝24的球的中心F_sp，R_h与滚珠10的半径相似。该轴27与表面25成直角。所述插入件23为一个旋转实体，实际上为一个圆柱体，其直径D_c与凹槽9的宽度S_r相似，其轴穿过用以形成所述承窝24的球的中心F_sp。

插入件23的径向尺寸S_ins不超过中间隔离圈3的厚度。用以径向限制插入件23的表面28，29为圆柱形。

下面将描述循环滚珠行星传动装置的有区别的操作特点，技术和性能优点。

根据本发明，在制造所述传动装置期间，用以形成所述外隔离圈的循环滚道的过程基本上被简化，而所述循环滚道是传动装置中最花费劳动力的部件，因为在一个内圆柱表面上切削所述循环滚道是一个复杂的工序。

当切削螺旋滚道(即，切削工具超行程至隔离圈端部)时，采用“长度切削”技术可以简化工序和降低成本，而传动装置的性能特性没有损失。

当将本发明的多行式传动装置安装到被装配在轴2上的内隔离圈4的预组装部分上时，首先安装中间隔离圈(载体)8，随后滚珠10被装入隔离圈8的凹槽9中并接连地进入循环滚道5和逸出滚道7的每一行中，而与它们的一致之处无关。这样，外隔离圈2的各个(右旋和左旋)部分被旋入到每一行。这是因为，设置在外隔离圈上的螺旋循环滚道6和滚珠逸出滚道8，相当于将一个螺母(外隔离圈)拧到一个螺栓(其上装有内隔离圈的所述轴)上，在隔离圈(内隔离圈)的自由旋转期间，通过设置在循环滚道中的滚珠，被运动地连接到隔离圈上。

设在外隔离圈2上的键19上的所述轴套18，在通过比如被轴向卡紧方式已经被固定在箱体1内的适当位置之后，将每一个外隔离圈2本身锁紧防止旋转，由于轴套18和外隔离圈2具有不同的轴向高度，则后者隔离圈就在滚珠与循环滚道的接触面之间的间隙内自由地轴向移动，该间隙是由制造误差和机械的缺陷所造成的。于是，由于隔离圈2的自动对准，就获得了将隔离圈2的行之间的工作负荷进行分配的高度均匀性。

所述多行式的循环滚珠行星传动装置(比如，在一种井下钻进的钻机的重载减速齿轮中)按照如下方式操作。

输入轴2以一圆周速度n₁旋转，滚珠10位于隔离圈4和2的循环滚道和中间隔离圈3的凹槽9中，借助于一预定结构的传动装置机构，使得保持架的和输出轴3的圆周速度n₂随着所述正弦滚珠行星减速传动装置的动力学传动比i而变化：

n₂＝n₁/i          (2)

将工作力矩M施加到输出轴3上，则在输入轴2上产生一力矩

M₂＝M/iη                       (3)

其中，η-传动装置效率，并在减速齿轮箱体1上产生一个反作用力矩

M₃＝M₁/(iη-1)    (4)

因而，位于隔离圈4和2的螺旋循环滚道和中间隔离圈3的凹槽9中的滚珠10受到由所述隔离圈和该保持架施加的法向力N₁，N₂，N₃的作用，这些力取决于所述力的施加半径，螺旋循环滚道的螺旋角和Δ，传动装置的行数以及滚珠数。根据对作用在传动装置部件上的载荷力的分析，可以得出在所述滚珠与隔离圈的接触点处的载荷如下：

N₁＝M/Kkiηr₁sin            (5)

N₂＝M/Kkr₂                    (6)

N₃＝M(iη-1)/(iηKkr₃sinα)   (7)

其中，r₁，r₂，r₃-接触载荷的圆周分力的作用半径，k-设置在螺旋循环滚道内的滚珠数(根据该机构的动力学结构而定)，K-传动装置的行数。

需要计算出最大容许接触载荷[N]

N₁≤[N]，N₂≤[N]，N₃≤[N]     (8)

这取决于行数K，特别是其范围为K＝6至10。对于具有右旋和左旋螺旋循环滚道的行数被选择为相等，即，K_r＝K₁＝K/2，是出于下面的考虑。被施加到内隔离圈上的所述力N₁被分解为一个圆周分力m₁和一个轴向分力P₁，其中，前者决定了作用在该减速齿轮的驱动(输入)轴2上的力矩大小，而后一分力决定了作用在部分内隔离圈上的轴上的轴向推力。从图6的示意图明显可知，作用到所述右旋和左旋螺旋循环滚道的隔离圈4和6上的力P₁方向相反并且彼此大小相等，就是说，所述行被相互平衡。

因此，在上述循环滚珠行星传动装置中，其输入轴和轴承没有经受轴向载荷，考虑它的高旋转速度并结合它的上述其它有利特征，就进一步提供了可以提高具有多行循环滚珠行星传动装置的减速齿轮的机械效率和它的使用寿命的可能性。

现在讨论所述循环滚珠行星传动装置的操作方式(如图7-9所示)，随着内隔离圈4的旋转，位于中间隔离圈3的凹槽9中的滚珠10作用在所述承窝24的圆周面上并与所述插入件23相互作用，该插入件23依次与凹槽9的接触面相互作用。因而，该复合摩擦力被两个摩擦分力代替，即，抵抗一球面的滚珠10的摩擦力和抵抗凹槽9的接触面的插入件23的摩擦力。将所述插入件23做成一个旋转实体(图7)，则该插入件23的滑动摩擦力就被它的滚动摩擦力代替。

上述循环滚珠行星传动装置可以应用于卷绕机械，其共轴的轴之间旋转速度发生变化，而这就限制了具有高扭矩的直径大小，其情形是，比如，用于钻油井和天然气井的井下钻进的电动机，还可以应用于机床工程，机器人技术领域以及工程和技术的一些其它分支领域。

工业实用性

本发明的目的在于应用于具有高扭矩却限制了其直径大小的设备，比如，用于钻油井和天然气井的向下钻进的电动机。

Claims (3)

1.一种循环滚珠行星传动装置，包括三个共轴的圆柱形隔离圈(2，3，4)，其中一个隔离圈(2)是被固定的，内隔离圈(4)和外隔离圈(2)具有螺旋形的循环滚道(5，6)和与所述循环滚道(5，6)的方向相反的滚珠逸出滚道，而所述中间隔离圈(3)具有开口式的凹槽(9)，滚珠(10)被容纳在所述凹槽(9)中并与所述外隔离圈(2)和内隔离圈(4)的滚道相接触，其特征在于：

在所述内隔离圈(4)上的所述滚珠逸出滚道(7)在其入口和出口区域的共轭点O₁与O₂之间，该滚珠逸出滚道(7)沿通过所述滚珠(10)中心的一根轴线(11)设置并且是由在一个局部坐标系中的方程式Y_1，2＝aXⁿ _1，2所表示的曲线(12)和(13)的两个相似的镜像部分；所述曲线之一与建立在所述螺旋循环滚道(5)的延长线上的所述坐标系(X₁，Y₁)相关联，而另一曲线与建立在所述螺旋返回滚道(7)的延长线上的坐标系(X₂，Y2₎相关联，两个坐标系的所述参考点O₁与O₂分别与螺旋循环滚道(5)和螺旋滚珠逸出滚道(7)在入口和出口处的中心线延长线的相交点(C)间隔开，间距为L≥D/Z_rcos，而且在所述局部坐标系中所述曲线(12和13)在所述曲线的共轭点(T)处保持相同的切线倾角；其中X_1.2-相应的局部坐标系从它们的坐标原点读取的线段L部分的长度，n-大于2的整数，对于两条共轭的曲线n是相同的，D-所述滚珠(10)的中心圆周的直径，-所述内隔离圈(4)上的螺旋循环滚道(5)相对于圆周方向的倾角，Z_r-所述中间隔离圈(3)上的凹槽(9)的数量，a为常量。

2.根据权利要求1所述的循环滚珠行星传动装置，其特征在于：所述外隔离圈(2)上的所述滚珠逸出滚道(8)的横截面宽度至少是所述螺旋循环滚道(6)的宽度的(1+L/dZ_r)倍，其中d为所述滚珠(10)的直径。

3.根据权利要求1和2任一项所述的循环滚珠行星传动装置，其特征在于：它具有一个箱体(1)，该箱体容纳所述外隔离圈(2)，该外隔离圈(2)保持不旋转，并且所述外隔离圈(2)的螺旋循环滚道(6)和滚珠逸出滚道(8)为敞开的滚道，其向所述外隔离圈(2)的端面敞开，所述滚珠逸出滚道(8)与所述外隔离圈(2)的轴线平行。

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