JP2021500518A - ギヤボックス - Google Patents
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Abstract
Description
遊星キャリアを含む典型的な従来のディファレンシャルギヤは、ピニオン内の軸受及びシャフトを必要とするため、遊星内でPM(永久磁石)を使用することはできない。更に、従来の遊星ギヤ(平面の単一の円形アレイを有する)が、固定太陽ギヤと共に遊星内のPMを使用する場合、減速機ではなく増速機として作用する。
図7は、内側ローラ16上の内側ヘリングボーンギヤ又はローブ30、及び外側ローラ18上の外側ヘリングボーンギヤ又はローブ32の非限定的な例を示す。ギヤ又はローブ30及び32は、線によって概略的に示されている。ギヤ又はローブ30及び32は噛み合うが、この図では、ギヤはわずかに分離されていると思われる。ヘリングボーンギヤ又はローブは、ローラの軸方向の位置決めを拘束するのに役立つ。軸方向の位置決めは、表面又は別のローラと同時に接触するローラの異なる部分において異なるねじれ角を有するギヤ又はローブの任意の使用によって拘束されてもよい。図7に示すヘリングボーン形状は、この一例に過ぎない。以下に定義される「圧力角」と区別するために、この段落で言及される角度は、軸方向から離れるローブ山部又は谷部の角度であり、ねじれ角と呼ばれる。(ローブ30を示す線を軸に平行な点線に接続する弧によって表される)ねじれ角34は、この実施形態では、ローラの異なる軸方向部分に対向する。この対向する非ゼロ角度は、異なる軸方向部分上の異なるねじれ角の一例である。
本発明の装置の実施形態は、遊星の2つの列との間、及び遊星とレースとの間のギヤ接触を使用する。このギヤ接触は、より大きいカム角度及び潜在的により高いトルク伝達を可能にする。ギヤ接触で解決しようとする1つの課題は、ギヤ付きコンポーネント間の径方向圧縮が、非共役運動をもたらすことができ、また、噛み合い遊星の受容歯間に強制的に作用するくさびとして作用する1つの遊星の歯のくさび効果の結果として、高摩擦及びコギングをもたらすことができることである。このくさび効果は、ギヤ接触面に平面に位置するピニオン間の径方向力の高い機械的利点をもたらし、高摩擦及び摩耗をもたらす。ギヤを径方向に共に強制することはまた、ピニオン回転中のギヤ歯接触の異なる位相全体にわたって機械的利点が変化するにつれて、可変摩擦力をもたらす。この可変摩擦力は、コギング及び不規則な摩耗をもたらす可能性がある。
正弦波形状のギヤ形状を使用する、比較的単純なギヤ歯プロフィールを有する合理的な性能が示されている。この形状は、純粋な正弦波、又はローブを形成する一連の連結された弧などの近似正弦波であってもよい。十分に多くのローブを有すると、歯の高さは、滑らかな転がり接触のために、径方向のローブの先端部及び根元部に十分な表面領域を提供しながら、ギヤ歯間の摺動運動を低減するために、十分に低い。例えば、ローブ高さは、ギヤ、例えば、内側ローラギヤ又は外側ローラギヤの半径の1/20、1/30又は1/40未満であってもよい。高いねじれ角の使用は、接線方向における一貫した径方向接触及び一貫したトルク伝達表面領域を提供する。このローブ形状が本装置の自己カム形状で使用されるとき、トラクション角度は、接線接触によってトルク伝達がどの程度提供されるか、そして歯の先端部との半転がり接触における歯根元部のトラクションを介してどの程度提供されるかを決定する。
装置の実施形態は、プラスチックから構築された場合でも、非常に堅固なトルク伝達を表す。装置の実施形態の回転剛性ポテンシャルは、従来の遊星ギヤ列による可能性よりもはるかに高いと考えられる。これは、内側ギヤ及び外側ギヤを介して、ほぼ直線のアレイを介して内側ギヤから外側ギヤに伝達されるためである。この直線トルク伝達は、図11の簡略化されたFEA分析で示される。図11により明るい陰影で示される応力線110をマークするために、矢印が追加される。
一実施例では、ギヤボックスの自己増力部分は、17個の均等に離間配置された内側遊星と噛み合う固定内側太陽ギヤメッシュからなり、これは次に17個の均等に離間配置された外側遊星と噛み合う。次いで、外側遊星は、外側リングと噛み合う。この段の入力は、遊星の軌道であり、出力は外側リングの運動である。入力段は、遊星ギヤを使用することによって、自己増力段で遊星を駆動する。この段では、入力としての太陽、出力としての遊星回転、及びアイドラ外側リングを使用する。45°ヘリカルプロフィールは、各ギヤのヘリングボーン構成で使用される。
遊星とリングギヤとの間のギヤ接触の使用は、それらを均等に円周方向に離間させる。ヘリングボーンギヤ又はローブ歯の使用は、軸方向におけるギヤの移動を防止する。これにより、ギヤは、径方向及び軸方向(スラスト軸受)方向の両方において、内側固定ギヤと外側出力ギヤとの相対位置の軸受として使用することができる。これは、複雑性及びコストを低減する利点である。
図15は図14の装置の分解図であり図16は図14の切取り図である。図14に示される部品はまた、図15に存在する。加えて、外側遊星を一時的に整列させるためのピン98と、ピンを受容するための孔102を有する外側出力ギヤ100と、入力太陽ギヤ96と結合する入力太陽リング104と、固定太陽ギヤ108と結合する固定太陽リング106とがある。
この装置の多くの潜在的な利点が存在するが、この時点では、完全なギヤ噛み合いを提供する既知のギヤの組み合わせが存在しないことが本発明者らによって示されている。
出力トルク能力を試験するために、ギヤボックスの固定及び入力コンポーネントに固定されるように、別個のコンポーネントが設計され、3D印刷された。図17は、レバーアーム上の質量をギヤボックスに接続し、質量を持ち上げるために必要なトルクを測定するために使用されるトルク試験セットアップを示す。図17に示すように、1フィートのレバーアーム112を出力外側リングに接続して、ギヤボックスの出力をロードし、出力トルクは、取付点114に取り付けられた質量(図示せず)をアームの長さで乗算して計算した。装置を介するトルク伝達のために、レンチ(図示せず)をアームの入力116に取り付けた。
図18に示すように、大ギヤ90上の大径外側遊星ギヤ歯の周りのアイドラリング118を挿入して、ギヤが通電される際に遊星ギヤと入力太陽ギヤ歯との間の分離を防止することができる。
遊星の曲げを防止するために、自己増力ギヤは、図19及び20に示されるように、入力の両側に配置され得る。この構成により、遊星がギヤボックスの中心軸に平行に留まることを確実にする。外側入力リング120は、固定リング122によって両側に取り囲まれ、内側遊星ギヤ124と噛み合い、内側遊星ギヤ124を駆動する。内側遊星ギヤ124及び外側遊星ギヤ126は、2列ローラシステムを形成し、固定リング122に対して出力太陽リング128を駆動する。
図21は、片面入力自己増力ギヤボックスの非限定的な例示的実施形態の切取り等角図を示す。ここでは固定リングである内側リング130は、ギヤ付き内側ローラ132のアレイと接触している。ここで出力リングである外側リング134はまた、ギヤ付き外側ローラ136のアレイとギヤ接触しており、ギヤ付き外側ローラ136のそれぞれは、2つのギヤ付き内側ローラ132と接触している。入力トルクは、ギヤ入力リング138を使用して供給される。図示の実施形態では、ギヤ入力リング138は、外側ローラとギヤ接触する径方向外側に面する部分を有する。この実施形態では、外側ローラ136は、内側ローラ132と噛み合う第1の部分140と、入力リング138と噛み合う第2の部分142と、同じ直径を有する。第1の部分140及び第2の部分142の両方は、外側リング134と噛み合う。ここで、第1及び第2の部分は、ローラ136のそれぞれの端部を含むが、図20に示されるような対称配置を使用することもできる。外側ローラと外側リングギヤとの係合は、それらの長さに沿った全ての方法により、ローラが整列した状態を維持するのに役立つ。示される実施形態では、単一のギヤ噛み合いは、第1の部分140及び第2の部分142の両方を覆うが、これらの部分はまた、別個のギヤ噛み合いを有してもよい。図示される実施形態は、直線状の切断ギヤを有するが、ヘリカルギヤも使用することができ、また上述のようにヘリングボーンギヤも使用することができる。
典型的な遊星ギヤボックスでは、3を超える多くの遊星が、非常に正確な公差なしでは、均等に負荷を共有しないことが予想される。自己増力ギヤボックスは、3つを超える遊星対を有し、追加の遊星の強度の使用を最良にするために負荷共有が存在することを確実にするための何らかの機構を有さなければならない。このギヤボックスが、このギヤボックスの異常な負荷分布を利用する本明細書に記載されているいくつかの非限定的な機構を利用することができるいくつかの機構がある。
上述のギヤボックスは、図23〜25に示されるように、2段式ギヤボックスで作製することができる。図23は、例示的な2段式ギヤボックス160の等角切取り図である。図23に示すように、外側ハウジング162は、両方の段において共通の外側固定ギヤとして作用する。入力リング164は、第1の段の外側ギヤ168と噛み合う外面166を有する。第1の段の内側ギヤ170は第1の段内側リング172と噛み合い、外側ハウジング162に対して内側リング172を駆動する。この第1の段の内側リングは、第2の段の外側ギヤ178と噛み合う外面176を有する第2の段の入力ギヤ174に接続され、且つそれと共に1つの部品に形成されてもよい。第2の段の内側ギヤ180は、内側出力ギヤ182と噛み合うことにより、内側出力ギヤ182を外側ハウジング162に対して駆動し、差動運動は、2段式ギヤボックスの出力を提供する。
片面自己増力ギヤボックスの別の例示的な実施形態は、図26〜29に示す先細設計である。この設計では、より基本的な片面ギヤボックス設計の円筒形ギヤ歯は、先細ギヤで置き換えられ、ギヤ接触は先に述べたものと同じままであるが先細になっている。
Claims (30)
- 変速装置であって、
外面を有し、且つ軸を画定する内側レースと、
内面を有し、且つ前記内側レースと同軸である外側レースと、
前記内側レースの前記外面とギヤ接触している内側ローラと、前記外側レースの前記内面とギヤ接触している外側ローラとを含む1組の軌道ローラであって、全ての内側ローラが2つの外側ローラとギヤ接触しており、全ての外側ローラが2つの内側ローラとギヤ接触している、1組の軌道ローラと、
前記内側レース及び外側レースと同軸であり、前記内側ローラ又は前記外側ローラとギヤ接触する入力リングと、
A又はBのうちの1つであって、
Aであって、前記外側ローラが前記内側ローラよりも長く、各外側ローラは、それが接触している前記内側ローラと噛み合うそれぞれの第1の部分を有し、前記入力リングは、それが接触している各外側ローラのそれぞれの第2の部分と噛み合う外面を有し、前記外側ローラの前記第1の部分及び前記第2の部分の両方は、前記外側レースと噛み合う、Aと、
Bであって、内側ローラが前記外側ローラよりも長く、各内側ローラは、それが接触している前記外側ローラと噛み合うそれぞれの第1の部分を有し、8前記入力リングは、それが接触している各内側ローラのそれぞれの第2の部分と噛み合う内面を有し、前記内側ローラの前記第1の部分及び前記第2の部分の両方は、前記内側レースと噛み合う、Bと
を備える、変速装置。 - 変速装置であって、
外面を有し、且つ軸を画定する内側レースと、
内面を有し、且つ前記内側レースと同軸である外側レースと、
前記内側レースの前記外面とギヤ接触している内側ローラと、前記外側レースの前記内面とギヤ接触している外側ローラとを含む1組の軌道ローラであって、全ての内側ローラが2つの外側ローラとギヤ接触しており、全ての外側ローラが2つの内側ローラとギヤ接触している、1組の軌道ローラと、
前記内側レース及び外側レースと同軸であり、前記内側ローラ又は前記外側ローラとギヤ接触する入力リングと
を備え、
前記内側ローラ及び外側ローラはギヤ接触している長さを有し、前記ギヤ及びレースは、トルクを前記入力リング上に生じさせて、前記入力リング上の前記トルクによって引き起こされる分離力を克服するのに十分な前記内側ローラ及び外側ローラの径方向負荷を増加させるように選択されるそれぞれの直径を有する、変速装置。 - 前記入力リングとギヤ接触する前記内側ローラ又は外側ローラが、1:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、又は4:1より大きい長さ対直径比を有する、請求項2に記載の変速装置。
- 前記内側ローラ及び外側ローラがそれぞれ、少なくとも2つの異なる先細部で形成され、前記内側レース及び外側レースがそれぞれ、少なくとも2つの軸方向に隣接するコンポーネントから形成される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の変速装置。
- 前記軸方向に隣接するコンポーネント間のシムも含む、請求項4に記載の変速装置。
- 変速装置であって、
外面を有し、且つ軸を画定する内側レースと、
内面を有し、且つ前記内側レースと同軸である外側レースと、
前記内側レースの前記外面とギヤ接触している内側ローラと、前記外側レースの前記内面とギヤ接触している外側ローラとを含む1組の軌道ローラであって、全ての内側ローラが2つの外側ローラとギヤ接触しており、全ての外側ローラが2つの内側ローラとギヤ接触している、1組の軌道ローラと、
異なるねじれ角を有する2つの角度付きギヤ面から形成されている前記内側レースの前記外面及び前記外側レースの前記内面のうちの少なくとも1つと、
前記内側レース及び外側レースと同軸であり、前記内側ローラ又は前記外側ローラとギヤ接触する入力リングと
を備える、変速装置。 - 前記2つの角度付きギヤ面が、軸方向に隣接するコンポーネント上に配置される、請求項6に記載の変速装置。
- 前記2つの角度付きギヤ面が、対向するねじれ角を有してヘリングボーンギヤ面を共に形成する、請求項7に記載の変速装置。
- 前記入力リングが、各々がそれぞれの入力角度付きギヤ面を有する2つの軸方向に隣接するコンポーネントから形成され、前記それぞれの入力角度付きギヤ面が異なるねじれ角を有する、請求項7又は8に記載の変速装置。
- 前記入力角度付きギヤ面が、対向するねじれ角を有してヘリングボーンギヤ面を共に形成する、請求項9に記載の変速装置。
- 変速装置を組み立てる方法であって、前記方法が、
1組の外側軌道ローラを、外側レースの内面とギヤ接触させて配置するステップと、
1組の内側軌道ローラを、前記外側軌道ローラとギヤ接触させて配置するステップであって、全ての内側軌道ローラが2つの外側軌道ローラとギヤ接触しており、全ての外側軌道ローラが2つの内側軌道ローラとギヤ接触している、ステップと、
内側レースの第1のコンポーネントを、前記内側軌道ローラとギヤ接触させ、且つ前記外側レースと同軸に配置するステップであって、前記第1のコンポーネントが第1の角度付きギヤ面を有する、ステップと、
内側レースの第2のコンポーネントを、前記内側軌道ローラとギヤ接触させ、且つ前記外側レースと同軸に配置するステップであって、前記第2のコンポーネントが第2の角度付きギヤ面を有し、前記第1の角度付きギヤ面及び前記第2の角度付きギヤ面が異なるねじれ角を有する、ステップと、
入力ギヤを、前記外側軌道ローラとギヤ接触させ、且つ前記外側レースと同軸に配置するステップと
を含む、方法。 - 前記第1の角度付きギヤ面及び前記第2の角度付きギヤ面が、対向するねじれ角を有してヘリングボーンギヤ面を共に形成する、請求項11に記載の方法。
- 前記入力ギヤが、第1の角度付き入力ギヤ面を有する第1の入力ギヤコンポーネントと、第2の角度付き入力ギヤ面を有する第2の入力ギヤコンポーネントとを含み、入力ギヤを前記外側軌道ローラとギヤ接触させ、且つ前記外側レースと同軸に配置する前記ステップが、前記第1の入力ギヤコンポーネントを、前記外側軌道ローラと、前記外側軌道ローラとギヤ接触している前記第1の角度付き入力ギヤ面とに同軸に配置するステップと、前記第2の入力ギヤコンポーネントを、前記外側軌道ローラと、前記外側軌道ローラとギヤ接触している前記第2の角度付き入力ギヤ面とに同軸に配置するステップとを含み、前記第1の角度付き入力ギヤ面と前記第2の角度付き入力ギヤ面が異なるねじれ角を有する、請求項11又は12に記載の方法。
- 前記第1の角度付き入力ギヤ面及び前記第2の角度付き入力ギヤ面が、対向するねじれ角を有してヘリングボーン入力ギヤ面を共に形成する、請求項13に記載の方法。
- 前記第1の角度付き入力ギヤ面が、前記1組の内側軌道ローラを前記外側軌道ローラとギヤ接触させて配置する前記ステップの前に、前記外側軌道ローラとギヤ接触させて配置され、前記第2の角度付き入力ギヤ面が、前記内側レースの前記第1及び第2のコンポーネントを前記内側軌道ローラとギヤ接触させて配置する前記ステップの後に、前記外側軌道ローラとギヤ接触させて配置される、請求項13又は14に記載の方法。
- 変速装置を組み立てる方法であって、前記方法が、
1組の内側軌道ローラを、内側レースの外面とギヤ接触させて配置するステップと、
1組の外側軌道ローラを、前記内側軌道ローラとギヤ接触させて配置するステップであって、全ての外側軌道ローラが2つの内側軌道ローラとギヤ接触しており、全ての内側軌道ローラが2つの外側軌道ローラとギヤ接触している、ステップと、
外側レースの第1のコンポーネントを、前記内側軌道ローラとギヤ接触させ、且つ前記内側レースと同軸に配置するステップであって、前記第1のコンポーネントが第1の角度付きギヤ面を有する、ステップと、
外側レースの第2のコンポーネントを、前記外側軌道ローラとギヤ接触させ、且つ前記内側レースと同軸に配置するステップであって、前記第2のコンポーネントが第2の角度付きギヤ面を有し、前記第1の角度付きギヤ面及び前記第2の角度付きギヤ面が異なるねじれ角を有する、ステップと、
入力ギヤを、前記内側軌道ローラとギヤ接触させ、且つ前記内側レースと同軸に配置するステップと
を含む、方法。 - 前記第1の角度付きギヤ面及び前記第2の角度付きギヤ面が、対向するねじれ角を有してヘリングボーンギヤ面を共に形成する、請求項16に記載の方法。
- 前記入力ギヤが、第1の角度付き入力ギヤ面を有する第1の入力ギヤコンポーネントと、第2の角度付き入力ギヤ面を有する第2の入力ギヤコンポーネントとを含み、入力ギヤを前記内側軌道ローラとギヤ接触させ、且つ前記内側レースと同軸に配置する前記ステップが、前記第1の入力ギヤコンポーネントを、前記内側軌道ローラと、前記内側軌道ローラとギヤ接触している前記第1の角度付き入力ギヤ面とに同軸に配置するステップと、前記第2の入力ギヤコンポーネントを、前記内側軌道ローラと、前記内側軌道ローラとギヤ接触している前記第2の角度付き入力ギヤ面とに同軸に配置するステップとを含み、前記第1の角度付き入力ギヤ面と前記第2の角度付き入力ギヤ面が異なるねじれ角を有する、請求項16又は17に記載の方法。
- 前記第1の角度付き入力ギヤ面及び前記第2の角度付き入力ギヤ面が、対向するねじれ角を有してヘリングボーン入力ギヤ面を共に形成する、請求項18に記載の方法。
- 前記第1の角度付き入力ギヤ面が、前記1組の外側軌道ローラを前記内側軌道ローラとギヤ接触させて配置する前記ステップの前に、前記内側軌道ローラとギヤ接触させて配置され、前記第2の角度付き入力ギヤ面が、前記外側レースの前記第1及び第2のコンポーネントを前記外側軌道ローラとギヤ接触させて配置する前記ステップの後に、前記内側軌道ローラとギヤ接触させて配置される、請求項18又は19に記載の方法。
- 前記内側ローラ及び外側ローラが、前記根元部に径方向スロットを有するギヤプロフィールを有する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の変速装置。
- 前記内側ローラ及び外側ローラが中空である、請求項1〜10又は21のいずれか一項に記載の変速装置。
- 前記内側ローラ及び外側ローラは、前記ギヤが形成される1組の公差を与えられると、前記ギヤが変形して負荷を分担するように十分に低い剛性になるように選択された材料で形成される、請求項1〜10、21又は22のいずれか一項に記載の変速装置。
- 前記内側ローラ及び外側ローラが、少なくとも2つの異なる先細部からそれぞれ形成される、請求項1〜3、6〜10又は21〜23のいずれか一項に記載の変速装置。
- 前記第1の段以外の各段の前記内側レースが前記連続する段の入力リングに接続されるように、段として配置された請求項1〜10又は21〜24のいずれか一項に記載の複数の変速装置を備える、変速装置。
- 前記連続する段の前記外側レースが一緒に接続される、請求項25に記載の変速装置。
- 前記複数の段の前記外側レースが、同じピッチ直径及び歯数である、請求項26に記載の変速装置。
- 他の各段の前記外側レースが前記連続する段の前記入力リングに接続されるように、段として配置された請求項1〜10又は21〜24のいずれか一項に記載の複数の変速装置を備える、変速装置。
- 前記連続する段の前記内側レースが一緒に接続される、請求項28に記載の変速装置。
- 前記複数の段の前記内側レースが、同じピッチ直径及び歯数である、請求項29に記載の変速装置。
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