CN1628224A - 偏心式行星传动器 - Google Patents

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Abstract

一种偏心式行星行走轮器传动(A),包括至少两个行星滚子(3和4)、中心滚子组件(2)及托架组件(27)。行星滚子(3、4、或5)之一为柔性,位于外环组件(1)与中心滚子组件(2)之间,并与两者相接触。外环组件(1)或是中心滚子组件(2)的旋转将柔性行星滚子(3,4,或5)楔入收缩的楔形空隙(23)内,此空隙挤压柔性行星滚子(3,4,或5)于外环组件(1)与中心滚子组件(2)之间。柔性行星滚子(3,4,或5)、中心滚子组件(2)及外环组件(1)之间的摩擦力传送外环组件(1)和中心滚子组件(2)之间的旋转运动和转矩。另外的至少为一个的支承行星滚子(3,4,或5)是支承性滚子,其支持中心滚子组件(2)和托架组件(27)。多个轴承(26)支持外环组件(1)内的中心滚子组件(2)和至少为一个的支承行星滚子(3,4,或5)。

Description

偏心式行星传动器
技术领域
本发明一般涉及的是一种行星行走轮传动器,更具体地,涉及一种配有至少一个柔性滚子的行星行走轮传动器,其中的柔性滚子具有自适应的自负载装置。
背景技术
行走轮传动使用摩擦力传送转矩和动力。因为在两个光滑的表面间传送的动力,经常是通过一薄层滑润剂来传送的,所以行走轮传动拥有齿轮传动不易获得的、独特的特性。这些特性包括无声性、高效、高度旋转准确性及零间隙。
在接触处产生足够的法向力对行走轮传动来说是必需的。至今已有各种各样的负载装置提出,并依据这些负载装置产生了大量的设计。习惯作法是沿轴向使用收缩式表面。这些表面沿轴向的移动转化为沿径向的移动,从而产生法向力。这种设计的实施例在美国专利3,475,993和3,375,739中公开。
因为在大多数的设计中,其收缩式表面的包络线不一定会聚到公共点上,由此导致了在接触表面上发生所谓的自旋运动。这种自旋运动不仅抵消了本来由行走轮传动提供的高效率,而且也导致了结构部件的磨损及最小开机转矩的增大。
近来,Ai已经提出了一种零自旋行星行走轮传动设计,并公开在美国专利6,095,940中。此设计采用了与收缩式滚子轴承概念相近的顶点概念。用两排行星滚子来平衡作用于行星滚子上的内部轴向压力。尽管这种设计提供了转矩传动负载机制及更大的转矩力,但其在结构上多少有些复杂。
圆柱形行星行走轮传动也能够获得零自旋运动。然而,要想在接触面上产生足够的法向力却一直是一个挑战。过去提出的设计中提供各种不同的方法,或是机械地将外环变形或是热装配(thermalassembling)传动来对传动装置预加负载。用这样的方法产生的预加负载,一般情况下,在操作过程中是不可调节的。在进行部分负载时,行走轮传动装置又存在不必要地超负载。这对传送效率和设备寿命会造成负面影响。
或许最简单的产生转矩响应负载的方法是使用Dieterich于1914年公开在美国专利1,093,922中的偏心式行星传动装置。在过去的一些年里,针对其的各种不同的改进已经提出,从下面的实例中可以看到,如美国专利3,945,270、4,481,842、4,555,963,及外国专利JP10-311398、EP0,856,462 A2。他们全部都含有多个行星刚性滚子,并且每个行星滚子都需要一个支承轴。
现有技术中公开的摩擦驱动负载机械装置中,装置内行星滚子中的其中一个在摩擦力作用下被夹带进偏心滚道产生的楔形空间内,因为负载滚子是刚性的,所以夹带角保持不变。这是依据操作中最大牵引系数不变的概念。根据指定的摩擦系数确定夹带角,假设此摩擦系数不是接触负载的函数。当最大有效牵引系数随接触负载改变时,这样的负载机械装置就会显得过于保守或是不适宜。
对于偏心式行星传动装置,其行星滚子有不同的尺寸。在大多数现有技术设计中,这会导致中心滚子与行星滚子之间的接触面上有不同的接触应力。
现有技术提出的一些设计里,传动装置含有一个以上的可移动负载滚子。这可以导致在负载滚子调节主动轴与从动轴位置时,主动轴与从动轴之间偏心率发生变化。
因此,提供一种简单而改进的设计是理想的。提供的这种设计中应具有自适应转矩响应机械装置,当负载同最大有效牵引系数的变化相匹配地进行改变时,夹带角也随之发生变化。此设计应为所有行星滚子提供平衡的接触应力。此设计还应减少和消除当负载滚子调整其位置时偏心率所发生的变化。
发明内容
本专利申请一般涉及行星行走轮传动装置,具体地来说是指,一种偏心式圆柱形行星传动装置,装置中含有至少一个柔性行星滚子,此滚子能够提供自适应自负载机制,有助于旋转运动和转矩的传送。所述发明也提供了一种行走轮传动,其允许自适应转矩响应负载,并且还提供了在大多数临界接触点处具有良好的接触应力平衡的行走轮传动。
附图说明
图1是本发明的正视图。
图2是本发明的左侧剖面图。
图3是本发明的斜剖面图。
图4是本发明的分解图。
图5是本发明的不同部分之间的数学关系图示。
图6是本发明的各部分之间的法向力图示。
图7表明了本发明中接触负载与几何/牵引系数之间的关系。
图8是本发明第二实施例的正视图。
图9是本发明第二实施例的左侧剖面图。
图10是本发明第二实施例的斜剖面图。
图11是本发明第二实施例的分解图。
相应的参考符号指示贯穿图纸的几个视图中相应的部分。
具体实施方式
现在参考图1和图2,圆柱形行星行走轮传动装置的一个实施例A包括外环组件1、中心滚子组件2、第一行星滚子组件5、两个第二行星滚子3&4,及一个托架组件27。外环组件1进一步包含环绕转动轴的第一圆柱滚道9,及第一固定法兰盘10和第二固定法兰盘11。
中心滚子组件2包括第二圆柱滚道12、第三固定法兰盘13、第四固定法兰盘14和轴15。第一行星滚子5有第三圆柱形滚道16,第二行星滚子3和4分别有第四圆柱形滚道18和17(见图4)。第一行星滚子5和两个第二行星滚子3和4放置在第一圆柱形滚道9和第二圆柱形滚道12之间,并与两滚道相接触。
行星滚子5或行星滚子3及4中的至少一个与其它的滚子相比较而言是柔性的。此处表示的实施例中,第一行星滚子5为柔性滚子,并作为负载滚子。这样,在下文中将称它为负载行星滚子5。负载行星滚子5受到直径方向挤压时会发明显变形。
第二行星滚子3和4中的至少一个是支承性滚子。支承性滚子是相对钢性的,在受到直径方向上的负载时很难发生变形。这里所示的实施例中,行星滚子3和4都是支撑性滚子。在下文中称它们为支承行星滚子3和4。支承行星滚子3和4被轴22和25分别牢固地固定在托架组件27上。用轴承26和二个卡环24将支承行星滚子3和4分别安装在其对应的轴22或25上。
托架组件27包含底板6和盖板7。从底板6的后表面垂直地伸出三个突出部分19、20、21。盖板7用紧固件8固定在突出部分的上部,它们形成空腔容纳负载行星滚子5和支承行星滚子3和4。外环组件1上的第一圆柱形滚道9与中心滚子组件2上的第二圆柱形滚道12不是同圆心的。第一圆柱形滚道9与第二圆柱形滚道12之间的空间组成了一个楔形空隙23(见图5)。
楔形空隙的宽度h表示为:h=2rcosδ2---(1a)]]>它可以用下面的cosine函数近似表示为:h≈R2-R1+ecosα1(1b)其中R1是中心滚子滚道12的半径;R2为第一圆柱形滚道9的半径;e代表为中心滚子滚道12与外环滚道9之间的偏心率。
行星滚子在方位角位置α1处的楔角δ由下式给出:δ=Arccos[(R1+r)2+(R2-r)2-e22(R1+r)(R2-r)]---(2)]]>其中r为行星滚子在这个方位角位置处的有效半径,根据已知的α1,则r可以表示为:r=R22-R12-e2+2eR1cosα12(R2+R1-ecosα1)---(3a)]]>楔角δ代表接触几何条件。
几何系数μG定义如下:μG=tan(δ2)---(4)]]>
从公式(1)到(4)可以看出,对于在0到90度(或0和-90)之间的α1,当α1离开α1=0的位置处时,空隙宽度h减少,楔角增大,随之几何系数μG增大。
在图1表示的实施例中,柔性负载行星滚子5被装配在方位角α1在-90到90度之间变化的楔形空隙23内,而优选在α1=0的附近。柔性负载行星滚子5的中心沿楔形空隙23向左浮动。柔性负载行星滚子5在径向上有足够的柔性。当受到挤压时,它的有效直径在相应的方向上减小。建议应使柔性负载行星滚子5在原始位置α1=0处受到轻微的挤压。
通常将支承行星滚子3和4放置在方位角位置为α1=90到270度之间的楔形空隙23内。支承行星滚子3和4的中心都固定在托架组件27上。
优选在托架组件27固定时操作行星行走轮传动装置A。在操作过程中,与负载行星滚子5的第三圆柱形滚道16相切的牵引力总是将负载行星滚子5拖曳到收缩的楔形空隙23内。这样,负载行星滚子5就受到挤压,产生相当大的与接触表面正交的接触力。如果与行星齿轮传动系几何形状相关的偏心率e合适,则在最大有效牵引力等于或大于操作牵引力的位置处可达到平衡。称这种条件为摩擦自负载。用下式说明确保这样的摩擦自负载关系:μG≤μT(5a)这里μT是指接触面上的最大有效摩擦系数。
为了行星行走轮传动装置A的最佳效率和使用寿命,往往可取的做法是让几何系数μG接近但要稍微小于各种不同负载条件下的最大有效牵引系数μT。即为:μG≤≈μT(5b)在操作过程中,负载行星滚子5被夹带进收缩的楔形空隙23内,受到挤压。结果,负载行星滚子5的有效直径(或半径)减小。负载行星滚子5就这样移动到新的方位角位置处,建立了新的平衡。在新的位置处,楔形空隙23的宽度变窄,接触面处的几何系数μG增大。
负载行星滚子5的直径减小量可以用下式估算出来:
2dr=(π4-2π)Wr3EI---(6)]]>其中W为接触负载;E为杨氏弹性模数;I为柔性第一行星滚子5的环横截面惯性矩面积。
与此直径减小量相对应的几何系数μG为:μG=tan{12Arccos[(R1+R2+e-2dr)2+(R1+R2-e+2dr)2-4e22(R1+R2+e-2dr)(R1+R2-e+2dr)]}---(7a)]]>根据公式(6)和(7a),可以确定几何系数μG随着接触负载W的变化所增加的数值。图7表明在不同的横截面惯性矩I下,随着行星滚子接触负载W的变化,μG产生的变化。
最大几何系数给定为:μGmax=tan{12Arccos[1-2(eR1+R2)2]}---(7b)]]>另一方面,大量的研究结果(Tevaarwerk,NASA CR-165226,1981)表明最大有效牵引系数μT随着接触压力或接触负载增大而增大。在图7中也用符号和虚线绘出了牵引流体的μT随接触负载变化而变化的情况。
本发明的柔性移动式行星滚子设计为自适应摩擦自负载机制提供了机会。即,自适应地改变接触面几何系数,以便与最大有效牵引系数的改变相匹配。结果,不仅约束条件(5a)能够得到满足,而且几何系数也可以接近于整个负载范围内的最大有效牵引系数(约束条件(5b))。通过选取一个具有合适横截面惯性矩I的柔性行星滚子,可以获得自适应性自负载。由于有了这个柔性滚子,就有可能改变接触面几何系数和进行变化匹配,或是补偿因接触负载变化而导致的最大有效牵引系数的变化。例如,在图7中I=13mm4时的第二条曲线与最大牵引系数的变化相匹配。这条曲线演示了自适应设计的原则。
柔性负载行星滚子5可以象一个圆环一样简单,然而,也可选择其它类型的设计。
行走轮传动的最大转矩由接触面上的最大允许压力决定。因为偏心式行星行走轮传动装置所用行星滚子可以有不同的尺寸,所以其中的每一个行星滚子的最大接触压力不一定是相同的。为改善疲劳寿命,理想的作法是选取合适尺寸的行星滚子,并将这些滚子放在适当的方位角位置处以便每一个行星滚子的接触压力大致相同。
假设在一个指定的负载下(通常是最大受力负载),柔性负载行星滚子5的有效半径为γ5(受挤压后),和其方位角位置为α5(见图6)。支承行星滚子3和4的半径由下列的公式与公式(3)联用而确定:R3sin(α5-α3)+ R4sin(α5-α4)=0             (8)R3cos(α5-α3)+ R4cos(α5-α4)+ R5=0          (9)其中R‾i=R1·riR1+ri]]>(i=3,4,或5)分别表示在中心滚子2与行星滚子3、4和5接触时,它们之间的加权接触半径。
支承行星滚子的半径与其方位角位置之间的几何关系由公式(3)给定,即:ri=R22-R12-e2+2eR1cosαi2(R2+R1-ecosαi)---(3b)]]>下脚标i=3和4分别指的是支承行星滚子3和4。为避免边缘应力,第一圆柱滚道9和第二圆柱滚道12可以处理为凸面。或者,作为选择地,也可以将行星滚子3、4、5的第三和第四柱滚道16、17、18处理为凸面。
外环组件1的外表面可以有轮齿以便将旋转运动传递给驱动和从动部件。作为选择地,也可以将外环组件的外表面制成滑轮,以便可以将旋转运动传递给传送带。
图8-图11说明本发明的第二个实施例。第二个实施例包括外环组件101、中心滚子组件102、两个支承行星滚子103和104、一个柔性负载行星滚子105、托架组件127、支架组件130。外环组件101包括第一圆柱滚道109,和轴133,轴133通过双列滚珠轴承131被支撑在支架130上。中心滚子组件102包括第二圆柱滚道112和轴115。用滚珠轴承132将轴115支撑在托架127上。
中心滚子组件102上的第二圆柱滚道112为外环组件101内的第一圆柱滚道109所环绕,将两圆柱滚道设置成不同圆心。将两个支承行星滚子103和104安排在第二圆柱滚道112和第一圆柱滚道109之间的楔形空隙内。支承行星滚子103和104中的每一个都有一个轴122,此轴固定在托架127上。用轴承126将支承滚子支持在轴122上。柔性负载滚子105安置在两个支承滚子之间的楔形空隙内。柔性滚子的中心沿楔形空隙自由旋转。
托架127包括底板106和盖板107。底板106有三个突出119、120和121。盖板107被栓接在底板106的突出部分上。用如螺钉之类的紧固工具将托架127安装在支架130上。用卡环134和轴肩136将轴承131沿轴向定位在支架130内。用卡环135和轴肩137将轴承132沿轴向固定在托架组件127内。

Claims (20)

1.一种行星行走轮传动器,包括:一个外环组件;一个托架组件;一个与外环组件不同圆心的中心滚子组件;至少一个的负载行星滚子;和至少一个的支承行星滚子,其中,至少一个的负载行星滚子或是至少一个的支承行星滚子中的其中一个,在直径方向上有足够的柔性,以传送外环组件与中心滚子组件之间的旋转运动,及在负载发生变化时有效地改变几何系数。
2.如权利要求1所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述外环组件还包括旋转轴和环绕该旋转轴的第一圆柱滚道。
3.如权利要求2所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述中心滚子组件还包括第一轴及第二圆柱滚道,与所述第一圆柱滚道有不同圆心的所述第二圆柱滚道在所述第一和第二圆柱滚道之间形成一个收缩式楔形。
4.如权利要求3所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述至少为一个的负载行星滚子包括第三圆柱滚道,并且所述至少为一个的支承行星滚子中的每一个都有一个第四圆柱滚道。
5.如权利要求4所述的行星行走轮传动器,其特征在于,它还包括至少为一个的支承轴,用来支撑支承托架组件中的至少为一个的支承行星滚子。
6.如权利要求5所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述托架组件包括底板、盖板和至少两个紧固件,底板有至少两个从该底板的后表面伸出的突出部分,所述至少为两个的突出部分在底板上的大小和位置须能够形成空腔来容纳所述至少为一个的负载行星滚子和所述至少为一个的支承行星滚子,所述至少为两个的突出部分的每一个在其上都有一个螺纹孔,在盖板上排列着一组安装孔,其位置使得盖板上该组安装孔中的每一个能够与所述至少两个突出部分上的螺纹孔的其中一个相对齐,并且其中所述底板上有第一组支承轴孔,在盖板上有第二组支承轴孔,两组支承轴孔的大小和位置须能够接收用于所述至少为一个的支承行星滚子的至少为一个的支承轴。
7.如权利要求6所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述至少为一个的支承行星滚子中的每一个,都分别用轴承支持在其支承轴上,并且还包括一种将轴承保持在至少为一个的支承行星滚子的每一个的单独支承轴上的装置。
8.如权利要求7所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述至少为一个的负载行星滚子组装于方位角在α1=-90到90度之间的收缩式楔形空隙内,至少为一个的负载行星滚子的中心可以沿收缩式楔形空隙自由移动。
9.如权利要求8所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述至少为一个的支承行星滚子被安排在方位角通常在α1=90到270度之间的收缩式楔形空隙内,并且至少为一个的支承行星滚子中的每一个,其中心都相对于托架组件位置而固定。
10.如权利要求9所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述至少为一个的负载行星滚子在方位角位置为α1处的楔角δ用如下式子描述:δ=Arccos[(R1+r)2+(R2-r)2-e22(R1+r)(R2-r)]]]>其中:R1为中心滚子组件的第二圆柱滚道的半径;R2为外环组件的第一圆柱滚道的半径;e代表第一圆柱滚道和第二圆柱滚道之间的偏心率;r是在此方位角位置处至少为一个的负载行星滚子的有效半径,相对于α1表示为:r=R22-R12-e2+2eR1cosα12(R2+R1-ecosα1)]]>
11.如权利要求10所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述几何系数μG设定为通过楔角δ的改变而随接触负载变化而变化,以此来提供自适应负载机制,几何系数μG由下式描述:μG=tan(δ2)]]>
12.如权利要求11所述的行星行走轮传动器,其特征在于,当至少为一个的负载行星滚子在收缩式楔形空隙内受到挤压时,所述几何系数μG的变化主要是由至少为一个的负载行星滚子的径向减小来达到,负载行星滚子径向减少量表示如下:2dr=(π4-2π)Wr3EI]]>在这里:W为接触负载;E为杨氏弹性模数;I为至少为一个的负载行星滚子的环横截面惯性矩面积。
13.如权利要求12中所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述几何系数μG设定为随着负载的变化而紧密地与最大有效牵引系数的变化相匹配,对应于至少为一个的负载行星滚子的径向减少量的几何系数μG表示如下:μG=tan{12Arccos[(R1+R2+e-2dr)2+(R1+R2-e+2dr)2-4e22(R1+R2+e-2dr)(R1+R2-e+2dr)]}]]>
14.如权利要求13所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述最大几何系数μGmax的设定不大于最大有效牵引系数μT,最大几何系数μGmax表示如下:μGmax=tan{12Arccos[1-2(eR1+R2)2]}]]>
15.如权利要求14所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述的至少为一个的支承行星滚子半径表示如下:R3sin(α5-α3)+R4sin(α5-α4)=0R3cos(α5-α3)+R4cos(α5-α4)+R5=0其中:α5是至少为一个的负载行星滚子的方位角位置;α3是至少为一个的支承行星滚子中,其中一个的方位角位置;α4是至少为一个的支承行星滚子中,另一个的方位角的位置;R‾3=R1·r3R1+r3,]]>其中R1为中心滚子组件的第二圆柱滚道半径,r3是至少为一个的支承行星滚子中,其中一个的半径。R‾4=R1·r4R1+r4,]]>其中R1为中心滚子组件的第二圆柱滚道半径,r4是至少为一个的支承行星滚子中,另一个的半径。R‾5=R1·r5R1+r5,]]>其中R1为中心滚子组件圆柱滚道的第二圆柱滚道半径,r5是至少为一个的行星滚子半径。
16.如权利要求15所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述的至少为一个的支承行星滚子中的每一个,其半径和方位角位置之间的几何关系表示如下:ri=R22-R12-e2+2eR1cosαi2(R2+R1-ecosαi)]]>其中:αi为至少为一个的行星滚子方位角位置;ri为至少为一个的行星滚子中,其中一个的半径。
17.如权利要求16所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述的至少一个的负载行星滚子所用材料的惯性矩允许该负载行星滚子变形,从而使得几何系数的变化与最大有效牵引系数匹配或是基本匹配,最大有效牵引系数的变化源于至少一个的负载行星滚子和外环组件之间及至少为一个的负载行星滚子与中心滚子组件之间的接触负载的变化。
18.如权利要求17所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述的第一圆柱滚道和第二圆柱滚道稍微凸出。
19.如权利要求17所述的行星行走轮传动器,其特征在于,所述至少为一个的负载行星滚子的第三圆柱滚道及所述至少为一个的支承行星滚子的第四滚道中,至少有一个稍微凸出。
20.一种传送旋转运动和转矩的方法,包括下列步骤:将中心滚子组件安装进外环组件内,使得所述中心滚子组件与外环组件不是同心的,并且在所述中心滚子组件与所述外环组件之间形成收缩式楔形空隙;使用单一或复合材料中的一种制造至少为一个的具有足够的柔性的负载行星滚子,使其在至少为一个的负载行星滚子和外环之间,及至少为一个的负载行星滚子及中心滚子之间产生自适应摩擦自负载机制;将至少为一个的负载行星滚子组件安装进收缩式楔形空隙内,使得至少为一个的负载行星滚子组件位于中心滚子组件和外环组件之间,并与它们相接触;安装至少为一个的支承行星滚子来支承托架组件上的中心滚子组件;并且通过中心滚子组件中的一个或是外环组件的旋转将至少为一个的负载滚子夹带而楔入到外环组件与中心滚子组件之间,使得旋转运动和转矩在外环组件和中心滚子组件之间传送。
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