TW202200917A - 變速行星式減速機 - Google Patents

Abstract

一種變速行星式減速機，包含固定外殼、行星齒輪組及離合裝置。固定外殼將行星齒輪組及離合裝置裝置入內，並提供安裝鎖固點。行星齒輪組具有太陽齒輪、行星齒輪、內齒環構成行星式減速機。可使用線性電磁致動器構成離合裝置，電磁致動器的伸縮運動與行星齒輪組的內齒環直接接合或轉接後接合，控制行星齒輪組的內齒環與固定外殼的接合。可使用旋轉電磁致動器構成離合裝置，電磁致動器連結曲軸結構，控制其正反180度的運動，可控制行星齒輪組的內齒環與固定外殼的接合。

Description

變速行星式減速機

本發明是有關於一種減速機，且特別是有關於一種變速行星式減速機。

台灣專利號92116644揭示一種二段式行星齒輪電磁變速裝置，透過電磁線圈與電梳控制離合器套位移，控制齒輪箱與內齒輪或恆星齒輪耦合達到二段式變速的效果。

中國專利號CN101922534A揭示一種電磁行星齒輪無級變速器，在多級行星齒輪系統中設置有內圈的煞車機構，透過電磁機構干涉不同級的行星齒輪的自轉來調節末端輸出速度。

上述兩案所實行的變速方案倚靠高度的機構整合、複雜的傳動零件導致機構體龐大，達成的減速比切換幅度也較為小。

為使扭力與速度需求上能兼具並在單一機構上得以實現，免除大幅升級馬達的必要，改善目前機器人產業長久的問題，亦即高附載的應用場域配套的機器手臂運作緩慢而笨重；低附載的應用場域配套的機器手臂敏捷而無力，而在未來機器人市場將走出工廠，上述的機械人系統無法適應未來需求，即機構大小、能耗、馬達都受限的狀況下要保有能協助人類工作的高輸出扭矩與高速度。

本發明基於傳統行星式減速常見劣勢，即減速比為既定齒輪組的組合搭配數值，實際應用上若需求高扭矩輸出則輸出速度緩慢，反之若需求高速度輸出則輸出扭矩低下；而若想達到兼具高扭矩輸出與高速度既有的解決方案只有選購更加高功率馬達來彌補所缺，但顯而易見的缺點即機構大小、能耗也大幅上升。為解決前述問題，本發明提出可變速行星式減速機設計。

齒差式行星減速機原理為太陽齒輪作為輸入，並嚙合自由旋轉的上行星齒輪內側，上行星齒輪外側與第一內齒環嚙合並聯動下行星齒輪與第二內齒環8嚙合，第一內齒環則連結固定外殼，第二內齒環作為輸出，輔助太陽齒輪作為下行星齒輪的支撐輔助輪不參與減速傳動。其中透過配置第一、第二層齒輪的模數變異可達成少量齒數差異，形成輸出輸入間的高減速比。

行星式減速機原理透過太陽齒輪作為輸入，並嚙合上行星齒輪內側，行星齒輪固定架與固定外殼相接，上行星齒輪直接連動下行星齒輪外側與第二內齒環嚙合，此時第一內齒環與輔助太陽齒輪皆作為行星齒輪組的支撐輔助輪不參與減速傳動，前述組合行成標準行星式減速機傳動連結。

基於上述減速機原理，透過配置離合裝置，其中包括：電磁致動器，設有致動器固定件插銷執行動作；第一內齒環固定環外側，設有缺槽與致動器固定件結合；行星齒輪固定架，設有缺槽與致動器固定件結合；致動器固定架，設有圓滑槽輔助電磁致動器之末端插銷運動，本發明得以實現一種基於齒差式行星減速機原理的變速行星式減速機，離合裝置閉鎖時，末端插銷將第一內齒環固定環與固定外殼接合，並使行星齒輪固定架自由旋轉構成齒差式減速機傳動連結；離合裝置開啟時，末端插銷將行星齒輪固定架與固定外殼接合，並使第一內齒環固定環自由旋轉構成行星式減速機傳動連結，透過離合裝置的交替接合，進而改變減速機的傳動連結達到減速比切換的效果。

齒差式行星減速機可切換成為行星式減速機，相對於其他國內外類似發明案本發明能在最少機構數量、最少機構體積下達到切換減速比的效果，同時可製造性與成本方面也相當有優勢。

在此發明中選用齒差式行星減速機作為開發標的是基於所述具有高減速比特性，與切換成行星式減速機時兩者能有顯著的速度與扭矩改變，同時該構型也能達到最緊湊機構大小符合機器人的需求。

本發明一實施例的變速行星式減速機包括一動力輸入軸、一動力輸出軸、一組齒差行星齒輪組及一組離合裝置。齒差行星齒輪組包括一太陽齒輪、一輔助太陽齒輪、一行星齒輪固定架、第一內齒環、第二內齒環及複數個行星齒輪單元，各行星齒輪單元單元由上行星齒輪、下行星齒輪與固定軸組成。離合裝置包括一組以上電磁致動器，動力輸出軸嚙合行星齒輪單元而連結太陽齒輪，其中下行星齒輪嚙合太陽齒輪與第一內齒環，上行星齒輪與第二內齒環、輔助太陽齒輪嚙合，第二內齒環再與動力輸出軸連接，形成齒差式減速機構型，行星齒輪固定架連接複數個上行星齒輪及複數個下行星齒輪。離合裝置閉鎖時，電磁致動器伸至前極限，電磁致動器前緣與第一內齒環固定環相接，則第一內齒環與固定外殼串聯相接，行星齒輪固定架呈現自由旋轉，齒差行星齒輪組得以高減速比輸出轉矩。離合裝置開啟時，電磁致動器縮回後極限，電磁致動器前緣與行星齒輪固定架相接，則行星齒輪固定架與固定外殼串聯相接，第一內齒環呈現自由旋轉，齒差行星齒輪組傳動轉為行星齒輪組得以低減速比輸出轉矩。

本發明一實施例的離合裝置的電磁致動器包括線性電磁致動器或旋轉電磁致動器，其中線性電磁致動器達成前後定距離的往復運動，旋轉電磁致動器達成固定角度間的往復運動。

本發明一實施例的第一內齒環與第一內齒環固定環連接，其中連接部件設有環型階級與軸承相接，並連接固定外殼的內部槽內，連接部件含有離合裝置的連接配合機構。

本發明一實施例的第一內齒環固定環與行星齒輪固定架外側設有連續的缺槽部供離合裝置的電磁致動器接合。

本發明一實施例的固定外殼內側設有電磁致動器之致動件的滑動圓槽。

本發明一實施例的離合裝置可配置1組以上，且以平均角度安裝，以並聯同動的方式控制。

本發明一實施例的線性電磁致動器末端連結或加工為圓柱體，圓柱體直徑與第一內齒環固定環和行星齒輪固定架之缺槽部直徑相等。

本發明一實施例的旋轉電磁致動器末端連結或加工為曲軸結構，曲軸結構直徑與第一內齒環固定環和行星齒輪固定架之缺槽部直徑相等，曲軸結構缺圓處大於第一內齒環固定環和行星齒輪固定架之頂圓半徑干涉範圍。

本發明一實施例的第一內齒環固定環的有效機構部件可部分或全部整合入第一內齒環的內齒環設計中。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明綜上所述，說明如後。

本發明為一種變速行星式減速機，參照圖1所示且以齒差式行星減速機構型為實施例，是以達成較大的差異之減速比切換，若以二階行星減速機構型本發明亦可得以施行。本發明中使用固定外殼1將大部分的齒輪組與傳動元件包括其中，動力輸入軸2提供減速機與馬達連接的法蘭面與鎖固點，該動力輸入軸2與太陽齒輪5連結以傳遞扭矩給與其相嚙合之行星齒輪組，並且動力輸入軸後段連接有軸承12與輔助太陽齒輪6連接並給予輔助太陽齒輪6自由旋轉，最後連接輸入軸軸承11。上述行星齒輪組具有連接軸14與上行星齒輪15、下行星齒輪21依序結合，且該連接軸14透過軸承樞設於行星齒輪固定架16中且能自由轉動。其中，參照圖3行星齒輪固定架16具有凹槽16a用以安裝軸承連接行星齒輪組，內孔16b做為行星齒輪組於太陽齒輪5與輔助太陽齒輪6之間的限位，缺槽部16c供離合裝置使用。

在本發明實施例中，行星齒輪組配置有四組，其中所配置組數可自由配置一組以上以平均分布於減速機內為原則。行星齒輪組的上行星齒輪15向內與太陽齒輪5嚙合，向外與第一內齒環7嚙合，第一內齒環7又與內齒環固定環9連接，該固定環具有軸承連接面9a、內齒環連接槽9b、缺槽部9c供離合裝置使用；行星齒輪組的下行星齒輪21向內與輔助太陽齒輪6嚙合，向外與第二內齒環8嚙合，第二內齒環8與動力輸出軸4連接輸出，其中動力輸出軸4連接軸承10與鎖固於固定外殼1之固定蓋3限位安裝。在前述內齒環固定環9中參照圖2，所包含之軸承連接面9a、內齒環連接槽9b、缺槽部9c可部分或全部整合於第一內齒環7的設計中以簡化機構，是故內齒環固定環9非必要機構，可將部分或全部機構併入本實施例中有與之相連接機構。

在本發明實施例中，針對變速行星式減速機說明兩種離合裝置實施例：

實施例一，參照圖5A及圖5B，離合裝置組成由線性致動器17作為動力來源，且所述線性致動器17配置組數可自由配置一組以上以平均分布於減速機內，施以並聯同動控制，且能透過通電控制線性致動器17上下的往復性運動，裝置於致動器固定架18上並與固定外殼1連接，該固定架18設有與致動器固定件19相配合之滑槽18a，做為徑向移動限位，其中參照圖4A致動器固定件19為一圓形帶有階級之插銷，且該插銷上半部階級19a厚度不小於內齒環固定環9或行星齒輪固定架16之厚度，且厚度不同時干涉內齒環固定環缺槽9c與行星齒輪固定架缺槽16c。透過控制致動器內部線圈，控制致動器固定件19往圖5B所示的上極限位置19h或圖5A所示的下極限位置19s運動。

當固定件19位於上極限位置19h時，內齒環固定環缺槽9c與致動器固定架滑槽18a形成連接固定不動，則行星齒輪固定架缺槽16c得以自由旋轉。上述齒輪傳動鏈為太陽齒輪傳遞給行星齒輪組，第一內齒環連接地桿，行星齒輪組傳遞給第二內齒環輸出，可形成齒差式行星減速機構型；當固定件19位於下極限位置19s時，行星齒輪固定架缺槽16c與致動器固定架滑槽18a形成連接固定不動，則內齒環固定環缺槽9c得以自由旋轉。上述齒輪傳動鏈為太陽齒輪傳遞給行星齒輪組，行星齒輪固定架連接地桿，行星齒輪組傳遞給第二內齒環輸出，可形成行星式減速機構型。

實施例二，參照圖6A及圖6B，離合裝置組成由旋轉致動器22作為動力來源，並所述旋轉致動器配置組數可自由配置一組以上以平均分布於減速機內，施以並聯同動控制，且能透過通電控制旋轉制致動器22進行0度與180度間的往復性運動，裝置於致動器固定架18上並與固定外殼1連接，該固定架18設有與致動器固定件20相配合之滑槽18a，做為徑向移動限位，其中參照圖4B致動器固定件20為一曲軸，該曲軸有上曲面20d與下曲面20a彼此相差180度，並且該曲面能與行星齒輪固定架缺槽16c與內齒環固定環缺槽9c相接合；該曲軸上切面20c與下切面20b彼此相差180度並且該切面與行星齒輪固定架缺槽16c與內齒環固定環缺槽9c不相干涉。透過控制致動器內部線圈，控制致動器固定件20往0度位置20h(如圖6B所示)或180度位置20s(如圖6A所示)運動。

當固定件20位於0度位置20h時，內齒環固定環缺槽9c與致動器固定架滑槽18a形成連接固定不動，則行星齒輪固定架缺槽16c得以自由旋轉。上述齒輪傳動鏈為太陽齒輪傳遞給行星齒輪組，第一內齒環連接地桿，行星齒輪組傳遞給第二內齒環輸出，可形成齒差式行星減速機構型；當固定件20位於180度位置時，行星齒輪固定架缺槽16c與致動器固定架滑槽18a形成連接固定不動，則內齒環固定環缺槽9c得以自由旋轉。上述齒輪傳動鏈為太陽齒輪傳遞給行星齒輪組，行星齒輪固定架連接地桿，行星齒輪組傳遞給第二內齒環輸出，可形成行星式減速機構型。

在本實施例中，所述變速行星式減速機為基於齒差式行星減速機的構型，並可進行傳動鏈切換進而變為行星式減速機。以齒差式行星減速機為例，齒差式行星減速機減速比計算公式為：(1+(上行星齒輪齒數*第二內齒環齒數)/(太陽齒輪齒數*下行星齒輪齒數))除以(1-(上行星齒輪齒數*第二內齒環齒數)/(第一內齒環齒數*下行星齒輪齒數))。

在本實施例中，太陽齒輪齒數為32，上行星齒輪齒數為16，下行星齒輪齒數為21，第一內齒環齒數為64，第二內齒環齒數為81，帶入公式得出減速比為82。

以行星式減速機為例，行星式減速機減速比計算公式為(以太陽輪驅動環齒輪輸出行星架固定的傳動鏈為例)：-(第二內齒環齒數/太陽齒輪齒數)。

在本實施例中，太陽齒輪齒數為32，第二內齒環齒數為81，帶入公式得出減速比為-2.53。

在上述兩實施例中致動器可藉由上位控制器控制切換，或與馬達驅動器整合控制，此時馬達輸出具有三種模式：模式一，高附載模式，全數致動器組進入上極限位置19h或0度位置20h將減速機傳動轉為齒差式行星減速機，運作於高扭力低速度輸出；低附載模式，全數致動器組進入下極限位置19s或0度位置20s將減速機傳動轉為行星式減速機，運作於低扭力高速度輸出；鎖定模式，半數致動器組，進入上極限位置19h或0度位置20h將減速機傳動轉為齒差式行星減速機，半數致動器組，進入下極限位置19s或0度位置20s將減速機傳動轉為行星式減速機，因此在減速機傳動鏈中，第一內齒環固定環9與行星齒輪固定架16皆與固定外殼連接，可終止減速機傳動關係，導致動力輸出軸與動力輸入軸間無相對運動並鎖定馬達運作。

舊有的行星式減速機為固定減速比，本發明能達到變速行星式減速機有2段以上變速，使得應用於機器手臂、機器人或產業機械上不受限於單一馬達的扭矩、速度限制，提供馬達選用上更小、能源效率更好、機構大小縮減的效益。

綜上述可知本發明實施例中的變速行星式減速機，減速比得以透過電控方式切換於82與-2.53之間，進而達到顯著的速度與扭矩切換效果，提供各式不同的機器人應用使用，以搬運機器人為例：若以本發明做為搬運機器人的機器手臂，在空載移動時減速機切換至低附載模式，使機器手臂能快速移動到達定位，接著減速機切換至高附載模式，機器手臂得以輸出高扭矩舉起重物，當機器手臂到達舉起附載的定位，不須轉動的軸該軸減速機可進入鎖定模式減少系統功耗，需要轉動的軸若附載較低該軸減速機可進入低附載模式提升轉動速度。因此可使用體積小、功率小、成本低的馬達控制系統進而使整體機器人系統可以降低成本、減少機構大小、若為電池系統可延長運作時間。

1:固定外殼 2:動力輸入軸 3:動力輸出軸固定蓋 4:動力輸出軸 5:太陽齒輪 6:輔助太陽齒輪 7:第一內齒環 8:第二內齒環 9:第一內齒環固定環 9a:軸承連接面 9b:內齒環連接槽 9c:第一內齒環固定環缺槽部 10:輸出軸軸承 11:輸入軸軸承 12:輔助太陽齒輪軸承 14:行星齒輪組連接軸 15:上行星齒輪 16:行星齒輪固定架 16a:凹槽 16b:內孔 16c:行星齒輪固定架缺槽部 17:線性致動器 18:致動器固定架 18a:致動器固定架滑槽 19:致動器固定件(插銷) 19a:階級 19h:上極限位置 19s:下極限位置 20:致動器固定件(曲軸) 20a:下曲面 20b:下切面 20c:上切面 20d:上曲面 20h、20s:位置 21:下行星齒輪 22:旋轉致動器

圖1係本發明的剖面結構示意圖。 圖2係本發明的離合裝置所接合之內齒環固定環示意圖。 圖3係本發明的離合裝置所接合之行星齒輪固定架示意圖。 圖4A及圖4B係本發明的離合裝置的致動器固定件示意圖。 圖5A及圖5B係本發明實施例1的離合裝置做動示意圖。 圖6A及圖6B係本發明實施例2的離合裝置做動示意圖。

1:固定外殼

2:動力輸入軸

3:動力輸出軸固定蓋

4:動力輸出軸

5:太陽齒輪

6:輔助太陽齒輪

7:第一內齒環

8:第二內齒環

9:第一內齒環固定環

10:輸出軸軸承

11:輸入軸軸承

12:輔助太陽齒輪軸承

14:行星齒輪組連接軸

15:上行星齒輪

16:行星齒輪固定架

17:線性致動器

18:致動器固定架

19:致動器固定件(插銷)

21:下行星齒輪

Claims (9)

1. 一種變速行星式減速機，包括： 一動力輸入軸； 一動力輸出軸； 一組齒差行星齒輪組，包括一太陽齒輪、一輔助太陽齒輪、一行星齒輪固定架、第一內齒環、第二內齒環及複數個行星齒輪單元，各該行星齒輪單元單元由上行星齒輪、下行星齒輪與固定軸組成；以及 一組離合裝置，包括一組以上電磁致動器，該動力輸出軸嚙合該行星齒輪單元而連結該太陽齒輪，其中該下行星齒輪嚙合該太陽齒輪與該第一內齒環，該上行星齒輪與該第二內齒環、該輔助太陽齒輪嚙合，該第二內齒環再與該動力輸出軸連接，形成齒差式減速機構型，該行星齒輪固定架連接複數個該上行星齒輪及複數個該下行星齒輪， 該離合裝置閉鎖時，該電磁致動器伸至前極限，該電磁致動器前緣與第一內齒環固定環相接，則該第一內齒環與固定外殼串聯相接，該行星齒輪固定架呈現自由旋轉，該齒差行星齒輪組得以高減速比輸出轉矩， 該離合裝置開啟時，該電磁致動器縮回後極限，該電磁致動器前緣與該行星齒輪固定架相接，則該行星齒輪固定架與該固定外殼串聯相接，該第一內齒環呈現自由旋轉，該齒差行星齒輪組傳動轉為該行星齒輪組得以低減速比輸出轉矩。
2. 如請求項1所述之變速行星式減速機，其中該離合裝置的該電磁致動器包括線性電磁致動器或旋轉電磁致動器，其中該線性電磁致動器達成前後定距離的往復運動，該旋轉電磁致動器達成固定角度間的往復運動。
3. 如請求項1所述之變速行星式減速機，其中該第一內齒環與該第一內齒環固定環連接，其中連接部件設有環型階級與軸承相接，並連接該固定外殼的內部槽內，該連接部件含有該離合裝置的連接配合機構。
4. 如請求項1所述之變速行星式減速機，其中該第一內齒環固定環與該行星齒輪固定架外側設有連續的缺槽部供該離合裝置的該電磁致動器接合。
5. 如請求項1所述之變速行星式減速機，其中該固定外殼內側設有該電磁致動器之致動件的滑動圓槽。
6. 如請求項1所述之變速行星式減速機，其中該離合裝置可配置1組以上，且以平均角度安裝，以並聯同動的方式控制。
7. 如請求項2所述之變速行星式減速機，其中該線性電磁致動器末端連結或加工為圓柱體，該圓柱體直徑與該第一內齒環固定環和該行星齒輪固定架之缺槽部直徑相等。
8. 如請求項2所述之變速行星式減速機，其中該旋轉電磁致動器末端連結或加工為曲軸結構，該曲軸結構直徑與該第一內齒環固定環和該行星齒輪固定架之缺槽部直徑相等，該曲軸結構缺圓處大於該第一內齒環固定環和該行星齒輪固定架之頂圓半徑干涉範圍。
9. 如專利申請範圍第3項所述之變速行星式減速機，其中該第一內齒環固定環的有效機構部件可部分或全部整合入該第一內齒環的內齒環設計中。

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