CN1685170A - 用于行走轮驱动器的楔形负荷机构 - Google Patents

Abstract

一种用于偏心式行星行走轮驱动器的楔形负荷机构(1)，在其内含有柔性安装轴(4)的滚轮位于形成会聚楔的两条滚道(2&3)间。两条滚道(2&3)中的任意一条的旋转将滚轮楔入会聚楔内，挤压两条滚道(2&3)间的滚轮，由此传送两条滚道(2&3)间的旋转运动和转矩。柔性安装轴(4)产生出滚轮的有效支撑刚度与滚轮在与两条滚道(2&3)的接触点处的有效接触刚度之间的差异。有效刚度中的差异允许滚轮以更小的会聚楔角有效运转。

Description

用于行走轮驱动器的楔形负荷机构

交叉引用的相关申请

本申请与2002年9月27日申请的60/414134号美国临时专利申请相关，并要求其优先权。

技术领域

本发明一般涉及一种用于行走轮驱动器的楔形负荷机构，更具体地，涉及一种楔形负荷机构，其对于在形成会聚楔的两个滚道间楔入的负荷滚轮(loading roller)的接触点有增加的法向力。

背景技术

行走轮驱动器使用摩擦力传送转矩和动力。因为在两个光滑的表面间经常通过一薄层滑润剂来传送动力，所以行走轮驱动器拥有齿轮驱动不易获得的独特特性。这些特性包括无声性、高效性、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驱动器来说是必需的。至今已有各种各样的负荷机构被提出。这些机构已产生了大量的设计。最简单的产生转矩响应负载的装置大约是使用Dieterich于1914年公开在美国专利1093922号中的偏心式行星驱动器。这些年来，已经提出各种各样的改进。实例，3945270、4481842、4555963号美国专利、和外国专利JP10-311398、EP0856462 A2。然而，这些设备在楔角小到导致转矩和动力不能有效地传送时，有时会倾向于使滚轮和滚道过载。

习惯作法是沿轴向使用锥形表面。通过轴向地移动这些表面，产生径向位移和由此的法向力。这种设计的实施例在美国3475993和3375739号专利中被公开。

因为在大多数的设计中，其锥形表面的包络线不需要会聚到公共点上，由此导致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由行走轮驱动器提供的高效率，而且也导致了组件的磨损及起步转矩的增大。

近来，一种零自旋行星行走轮驱动的设计已经被Ai提出，公开在美国专利6095940号中。此设计采用了与锥形滚轮轴承概念相近的顶点(on-apex)概念。用两排行星滚轮来平衡作用于行星滚轮上的内部轴向压力。这种设计提供了转矩启动负荷机构及更大的转矩能力。

圆柱形行星行走轮驱动也能够获得零自旋运动。然而，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方法，或是通过机械地将外环变形或是通过对驱动器的热装配(thermalassembling)来对驱动预加负载。用这样的方法产生的预加负载通常在操作过程中是不可调节的。为了应用部分负载，行走轮驱动器不必要地被过载。这对传送效率和设备使用寿命会造成负面影响。

如上所述，楔形负荷提供一种产生法向力的简单方法。以先前技术中的大多数楔形负载布局是基于一个特定的摩擦系数，对应此摩擦系数需要一个确定的楔角。这就给行走轮驱动设计强加了一个限制。

因此，希望提供一种简单的可以解除对楔角的限制的负载机构，由此可以给予行走轮驱动设计改进的灵活性。

发明内容

本发明涉及行走轮驱动的一种楔形负荷机构，具体地说，是以楔入到两个滚道之间的独特设计的滚轮的形式的楔形负荷机构，其中的滚道在负载滚轮和滚道的接触点处提供增大的法向负载。

偏心式行星行走轮驱动经常包括一个负荷滚轮，此滚轮被楔入到外环部件和偏心式定位的中心滚轮(sun roller)部件之间。环部件或是中心部件可以用作驱动部件。当驱动部件旋转时，它驱动负载滚轮进入到外环和中心滚轮之间形成的会聚楔形物中，这样就在负载滚轮与中心滚轮及负荷滚轮与外环之间产生法向力。

为了保证在接触处产生足够的法向负载，下面的关系是经常需要的：

$\tan \frac{\mathrm{\δ}}{2}\≤\mathrm{\μ}---\left(1\right)$

其中的δ指楔角(见图1(b))，且μ是指接触处的最大有效摩擦系数。

为了使行走轮驱动被限制在小的楔角范围内运转，驱动不需要超载。这可能会导致产生低传送效率和短的使用寿命。

为得到行走轮驱动的最高的可能效率，楔角δ需要足够大以使

接近最大有效摩擦系数μ。理想情况下，需要：

δ＝2·arctanμ    (2a)

然而，在过去，这可能会对先前的行走轮驱动设计产生一个不需要的几荷限制。

依据本新发明，针对偏心式行星行走轮传动，如图所示(图1(b))楔角δ由行走轮驱动器的内部几何尺寸(R₁、R₂和e)及负荷滚轮的方位角位置α确定，如下：

$\mathrm{\δ}=\arccos \left[\frac{{(R_1+r)}^2+{(R_2-r)}^2-e^2}{2(R_1+r)(R_2-r)}\right]---\left(3a\right)$

其中：

R₁为中心滚轮部件的第一圆柱形滚道的半径；

R₂为外环部件的第二圆柱形滚道的半径；

e代表第一圆柱形滚道和第二圆柱形滚道之间的偏心率；和

r为负荷滚轮在此方位角位置处的有效半径，关于α，r表示为：

$r=\frac{R_2^2-R_1^2-e^2+2e{R}_1\cos \mathrm{\α}}{2(R_2+R_1-e\cos \mathrm{\α})}---\left(3b\right)$

在下面的实例中，可以理解，对于μ＝0.06的法向摩擦系数，最佳楔角约为δ＝7度。如果假设R₁＝10mm、R₂＝50mm和e＝10mm，则负荷负载所需要的方位角位置在大约α＝18度处。这对于某些应用，特别是在其中驱动被用于双向操作和单独的负荷滚轮被用于在双向上的负荷的应用是多余的。此外，受公式(1)限制而设计的行走轮驱动没有过载保护。随着所施加的转矩的增大，接触点上的法向负载持续增加以正比于接触点上的牵引力。

本发明提供一种负荷机构，其允许行走轮驱动在一个小的楔角内运转，而不会使行走轮驱动受到不必要的负荷，由此提高行走轮驱动的效率。本行走轮驱动也提供一种提高行走轮驱动的动态稳定性的负荷机构，此机构在驱动超载时提供保护。

附图说明

图1是结合本发明的典型偏心式行星行走轮驱动的正视图。

图2是典型偏心式行星行走轮驱动的总体纵向剖面图。

图3是典型偏心式行星行走轮驱动的总体横向剖面图。

图4以本发明的偏心式行星行走轮驱动实施例形式，示出楔角和滚轮之间几何关系的图示。

图5以本发明的偏心式行星行走轮驱动实施例形式，示出具有楔形负荷机构的本发明的图示。

图6是示出本发明的接触负载与几何/牵引系数(traction coeficient)之间关系的作用力示意图。

图7是说明本发明有效刚性比与楔角之间关系的图表。

对应的参考符号指明所有附图中几个视图上的对应部分。

具体实施方式

现参考图1、图2和图3描述含有一个偏心式中心滚轮和三个中至少有一个是负荷行星滚轮的行星滚轮的典型偏心式行星行走轮驱动器。在此典型行走轮驱动器中，楔形负荷机构1的本发明是一个行星滚轮，此滚轮在此典型偏心式行星行走轮驱动器中用作负荷滚轮。楔形负荷机构1位于第一滚道2和第二滚道3之间。楔形负荷机构1包括支撑轴4(见图5)、橡胶垫5、轴承6和负荷滚轮环7。轴4被固定到楔形负荷机构1上。楔形负荷机构1被定位在第一滚道2与第二滚道3之间，并与其接触。在图6中，位于第二滚道3和楔形负荷机构1之间的接触点A的切线 OA相对于位于第一滚道2和楔形负荷机构1之间的接触点B的切线 OB呈角δ。这样两条切线就构成了会聚楔AOB。

滚道2是驱动部件且滚道2上的接触点B在楔形机构1运转过程中相对于负荷滚轮环7上的接触点B有沿切线 BO向O点移动的趋势。摩擦力F就这样在接触点B产生。摩擦力F趋向于旋转滚轮环7，使负荷滚轮环7上的接触点A相对于第二滚道3上的对应接触点A沿切线 OA从点O移动。同样地，摩擦力F在接触点A上产生。接触点A和B上的摩擦力都驱动负荷滚轮环7更深地进入到会聚楔内，使负荷滚轮环7紧紧地在接触点A和B推压滚道，同时也推压支撑轴4。

接触点A和B上的摩擦力F由接触点A和B上的法向接触力N和支撑轴4上的支撑力F₀平衡。

在法向负载下正交于接触表面的所有的挠度，包括表面和结构性挠度，可以用接触点上的有效刚度表示。接触点A和B上的有效刚度用K_R表示。负荷滚轮环7和支撑轴4之间的接触面积上的有效刚度用K_S表示。这样负荷滚轮环7就被接触点A和B上的摩擦力F驱动而沿OC进入到会聚楔内，法向接触力N和支撑接触力F₀被估算为：

F₀＝K_S·l          (4)

$N=K_R\·l\sin \frac{{\mathrm{\δ}}^{*}}{2}---\left(5\right)$

其中当δ是一个随l变化的变量时， 是一个平均值。即，

$\sin \frac{{\mathrm{\δ}}^{*}}{2}=\frac{1}{l}{\∫}_0^l\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\mathrm{dl}---\left(5a\right)$

其中l是负荷滚轮环7的中心C(不是支撑轴4的中心)在接触点A和B上的摩擦力作用下沿线 OC移动的距离。图7是表明刚度比K_S/K_R与楔角δ^*关系的图表。

接触点上的工作摩擦系数为μ₀，摩擦力表示为：

F＝μ₀·N          (6)

在静态平衡条件下：

$\frac{F_0}{2N}={\mathrm{\μ}}_0\·\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}-\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}---\left(7\right)$

根据有效刚度K_S和K_R，将等式(4)和(5)代入进此等式可以得到等式：

$\frac{K_S}{K_R}=2({\mathrm{\μ}}_0\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}-\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2})\sin \frac{{\mathrm{\δ}}^{*}}{2}---\left(8a\right)$

在其中的δ变化很小且δ∝δ^*的情况下，公式(8a)变为：

$\frac{K_S}{K_R}={\mathrm{\μ}}_0\sin \mathrm{\δ}-2\mathrm{si}{n}^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)---\left(8\right)$

图7给出针对不同工作摩擦系数μ₀，作为楔角δ的函数的有效刚度比K_S/K_R。

在非零楔角处的零刚度比表明无支撑F₀，由此产生下列条件：

δ＝2·arctanμ₀    (2b)

负刚度比意味着力F₀方向改变。换而言之，轴4正推压负荷滚轮环7进入会聚的楔内。

由此看出，只要刚度比被适当选择，装有此楔形负荷机构1的行走轮驱动器可以在任何小的楔角δ下被操作，同时也仍可使行走轮驱动器在等于或接近最大有效摩擦系数μ₀的条件下被操作。即：

$\frac{K_S}{K_R}=2({\mathrm{\μ}}_0\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}-\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2})\sin \frac{{\mathrm{\δ}}^{*}}{2}\≤\mathrm{\μ}\sin \mathrm{\δ}-2{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)---\left(9\right)$

楔形负荷机构1的适当支撑刚度K_S是通过橡胶垫5(见图5)、轴承6及轴4而得到的。其它的装置也是可能的。例如，支撑轴可以通过可偏移安装设备如弹簧、和/或垫圈被安装到行走轮驱动器上。在该情况下，负荷滚轮环7可以采取实心滚轮(solid roller)的形式。

楔形负荷机构1的柔性支撑也可以用作提供将负荷滚轮推入楔形接触的必需力的设备，从而提高系统动态稳定性。

因为负荷滚轮的预定允许行程范围，楔形负荷机构1也可以用作超负荷保护设备。当驱动转矩到达其最大允许级别时，楔形负荷机构1被推入楔内而接近预定允许行程范围的限制。任何转矩上的额外增大都不可能将楔形负荷机构1进一步推入楔内，这样就限制了最大有效摩擦力。在这样的条件下，滑动发生在楔形负荷机构1与滚道2和3之间的接触点上。

当上面的描述说明了本发明的不同实施例时，本发明很显然可以容易地修改以适用于使用行走轮驱动器的楔形机构的任何构造。因为在不偏离本发明的范围中可以对上述结构进行不同的变化，所以在如上描述内包含的或附图所表明的所有内容应用作为示例来解释，而没有限制性含义。

Claims (10)

1.一种用于行星行走轮驱动器的楔形负荷机构，包括一个位于形成会聚楔的两个滚道间并与该两滚道摩擦接触的滚轮，以便在该两个滚道间传递运动，其中，所述滚轮包括一个柔性装配，其产生所述滚轮的有效支撑刚度K_S和在接触点A和接触点B上的有效接触刚度K_R之间的差异，在接触点A所述滚轮与所述两滚道中的一个接触，而在接触点B所述滚轮与所述两个滚道中的另一个接触。

2.如权利要求1所述的楔形负荷机构，还包括负荷滚轮环，其中所述柔性装配包括支撑轴、弹性垫，和轴承。

3.如权利要求2所述的楔形负荷机构，其中，当所述负荷滚轮环被接触点A和B上的摩擦力F所驱动而进入到所述两个滚道间的会聚楔内时，法向接触力N和支撑力F₀表示为：

               F₀＝K_s·l

$N=K_R\·l\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}=K_R{\∫}_0^l\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\mathrm{dl}$

其中的l是负荷滚轮环的中心响应接触点A和B上的摩擦力在会聚楔中移动的距离，和δ是在所述接触点处测得的所述两滚道间的楔形角。

4.如权利要求3所述的楔形负荷机构，其中在接触点处的工作摩擦系统为μ₀，并且静态平衡条件下的支撑力被表示为：

$\frac{F_0}{2N}={\mathrm{\μ}}_0\·\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}-\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}$

5.如权利要求4所述的楔形负荷机构，其中在静态平衡条件下，K_S与K_R之间的有效刚度比表示为：

$\frac{K_S}{K_R}=2({\mathrm{\μ}}_0\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}-\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2})\sin \frac{{\mathrm{\δ}}^{*}}{2}\≤\mathrm{\μ}\sin \mathrm{\δ}-2\mathrm{si}{n}^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)$

其中μ是接触点的最大有效摩擦系数。

6.如权利要求5所述的楔形负荷机构，其中在所述刚度比为负值的情况下，力F₀方向改变，表示所述支撑轴正推压所述负荷滚轮环进入所述会聚楔内。

7.如权利要求6所述的楔形负荷机构，其中，只要所述刚度比选择适当，含于所述行星行走轮驱动器内的楔形负荷机构能够在任何小的楔角δ下被操作，同时也使所述行走轮驱动器在等于或接近最大有效摩擦系数μ时被操作，其表示为：

$\frac{K_S}{K_R}=2({\mathrm{\μ}}_0\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}-\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2})\sin \frac{{\mathrm{\δ}}^{*}}{2}\≤\mathrm{\μ}\sin \mathrm{\δ}-\mathrm{si}{n}^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)$

8.一种用于行星行走轮驱动器的楔形负荷机构，包括一个位于外环部件和行星行走轮驱动器中心滚轮部件之间并与它们摩擦接触的行星滚轮，这样以便于在所述外环部件和所述中心滚轮部件之间传送旋转运动，其中，所述行星滚轮包括将支撑轴柔性安装在所述行星滚轮内的装置，这样所述装置产生所述行星滚轮的有效支撑刚度K_S和在接触点A和B的有效接触刚度K_R，在接触点A所述行星滚轮与所述中心滚轮部件接触，在接触点B所述行星滚轮与所述外环部件接触，其中K_S对K_R的所述比率比K_S对K_R的其它比率在所述两滚道之间产生更有效的动力与转矩的传输。

9.如权利要求8所述的楔形负荷机构，其中将支撑轴柔性安装在所述行星滚轮内的所述装置包括弹性垫和轴承，其中，所述支撑轴位于所述弹性垫内而所述弹性垫位于所述轴承内。

10.在行走轮驱动器内传送旋转运动和转矩的方法包括的步骤有：

加工一个具有柔性安装支撑轴的楔形负荷机构；

将所述楔形负荷机构安装到行走轮驱动器内，该行走轮驱动器具有在外环部件中的中心滚轮部件，这样所述中心滚轮部件与所述外环部件偏心，并且楔形间隙在所述中心滚轮部件与所述外环部件之间形成，所述楔形负荷机构置于所述楔形间隙内；

将所述行星滚轮部件安装到所述楔形间隙内，这样所述行星滚轮部件在所述中心滚轮部件与所述外环部件之间，并与它们接触；和

通过旋转所述中心滚轮部件或是所述外环部件中的至少一个而将所述楔形负荷机构楔入到所述外环部件和所述中心滚轮部件之间，这样将旋转和转矩从所述外环部件和所述中心滚轮部件传送。

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