TWI556906B - 工具機之傳動機構及其操控方法 - Google Patents

Description

工具機之傳動機構及其操控方法

本發明係關於一種工具機之傳動機構，特別是一種兼顧高轉速與高扭力需求的工具機之傳動機構。

工具機俗稱『工作母機』，是各種基礎加工與精密加工不可或缺的機械設備，尤與航太及國防工業、汽車工業及一般機械、金屬品加工業及電子產業等更是息息相關。

在工具機所有部件中，主軸為工具機的主要元件。主軸通常是由中心軸、主軸軸承和安裝在軸上的傳動元件所組成。當工具機進行加工時，主軸帶動刀具或工件旋轉，以進行切削、鑽孔、攻牙、研磨等製程。在進行切削、鑽孔或攻牙等加工製程時，會有高扭力的需求，而在進行研磨加工製程時，會有高轉速的需求。然而，目前工具機的主軸設計實難以兼顧兩種需求。詳細來說，主軸之高扭力特性與高轉速特性一般難以並存。也就是說，設計應用於高扭力的主軸，則存在無法應用於高轉速之場合的問題。反之，設計應用於高轉速的主軸，則存在無法應用於高扭力之場合的問題。因此，如何讓工具機能夠同時兼顧高扭力輸出與高轉速輸出兩種需求，則為研發人員應解決的問題之一。

本發明在於提供一種工具機之傳動機構及其操控方法，藉以讓工具機能夠同時兼顧高扭力輸出與高轉速輸出兩種需求。

本發明所揭露的工具機之傳動機構，包含一外殼、一行星齒輪組、一驅動心軸、一傳動心軸及一夾持環。外殼具有一容置槽。行星齒輪組位於容置槽。行星齒輪組包含一太陽輪、多個行星輪、一環齒輪及一支架。太陽輪可轉動地設於容置槽內。這些行星輪環繞並嚙合於太陽輪。環齒輪環繞太陽輪與這些行星輪，並嚙合於這些行星輪。支架樞設於這些行星輪。驅動心軸固設於支架。傳動心軸固設於太陽輪。夾持環介於外殼與環齒輪之間，並環繞於環齒輪外圍。夾持環裝設於外殼並與外殼圍繞出一腔室。腔室用以填充一流體。其中，藉由腔室的壓力控制來令部分夾持環沿環齒輪之徑向彈性變形，以使夾持環夾住環齒輪或脫離環齒輪。

如上所述之工具機之傳動機構的操控方法，包含令流體注入腔室，以增加腔室之壓力。夾持環受流體擠壓而朝靠近環齒輪的方向彈性變形，並抵壓於環齒輪，以令支架與太陽輪間形成一轉速比。流體自腔室流出，以降低腔室之壓力，使夾持環朝遠離環齒輪的方向復位而脫離環齒輪，以令太陽輪之轉速等同於支架之轉速。

根據上述本發明所揭露的工具機之傳動機構及其操控方法，由於夾持環設於環齒輪之外圍，且夾持環可沿徑向方向朝靠近或遠離環齒輪的方向位移，故可透過夾持環的變形程度來切換環齒輪之固定與否。也就是說，可透過夾持環的變形程度來切換工具機之傳動機構之工作特性，進而讓工具機之傳動機構滿足高扭力低轉速與高轉速低扭力兩特性。

以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範 與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。

10‧‧‧工具機之傳動機構

22‧‧‧第一軸承

24‧‧‧第二軸承

26‧‧‧第三軸承

30‧‧‧腔室

32‧‧‧流體

100‧‧‧外殼

110‧‧‧第一環體

111‧‧‧第一內表面

112‧‧‧第一外表面

113‧‧‧第一側面

114‧‧‧流道

115‧‧‧第一開口

116‧‧‧第二開口

120‧‧‧第二環體

121‧‧‧第二內表面

122‧‧‧第二外表面

123‧‧‧第二側面

130‧‧‧容置槽

200‧‧‧行星齒輪組

210‧‧‧太陽輪

220‧‧‧行星輪

230‧‧‧環齒輪

231‧‧‧環形表面

232‧‧‧凹凸結構

240‧‧‧支架

300‧‧‧驅動心軸

400‧‧‧傳動心軸

500‧‧‧夾持環

510‧‧‧夾持段

520‧‧‧結合段

530‧‧‧抵壓段

540‧‧‧凹槽

600‧‧‧環形密封條

710‧‧‧定子

720‧‧‧轉子

第1圖為根據本發明第一實施例所述之工具機之傳動機構的剖面示意圖。

第2圖為沿第1圖之2-2剖面線繪示的剖面示意圖。

第3圖為第1圖之部分立體剖示圖。

第4圖為第1圖之局部放大圖。

第5A圖與第5B圖為第1圖之夾持環固定環齒輪的作動示意圖。

第6A圖與第6B圖為第1圖之夾持環脫離環齒輪的作動示意圖。

請參閱第1圖至第4圖。第1圖為根據本發明第一實施例所述之工具機之傳動機構的剖面示意圖。第2圖為沿第1圖之2-2剖面線繪示的剖面示意圖。第3圖為第1圖之部分立體剖示圖。第4圖為第1圖之局部放大圖。

如第1圖所示，本實施例之工具機之傳動機構10包含一外殼100、一行星齒輪組200、一驅動心軸300、一傳動心軸400、一夾持環500及一環形密封條600。此外，工具機之傳動機構10更包含一第一軸承22、多個第二軸承24、多個第三軸承26、多個定子710及多個轉子720。

外殼100包含一第一環體110及一第二環體120。第一環體110與第二環體120彼此相組而形成一容置槽130。詳細來說，第一環體110具有一第一內表面111、一第一外表面112、一第一側面113及一流道114。第一外表面112背對於第一內表面111。第一側面113連接於第一內表面111，並自第一內表面111朝向第一外表面112的方向延伸，即第一側面113介於第一內表面 111與第一外表面112之間。如第2圖所示，流道114之相對兩端分別貫穿第一外表面112與第一內表面111而於第一外表面112處形成一第一開口115，以及於第一內表面111處形成一第二開口116。

第二環體120具有一第二內表面121、一第二外表面122及一第二側面123。第二外表面122背對於第二內表面121。第二側面123之相對兩側分別連接於第二外表面122及第二內表面121。其中，第一環體110之第一內表面111與第二環體120之第二內表面121共同圍繞出容置槽130。

如第2圖與第3圖所示，行星齒輪組200位於容置槽130。行星齒輪組200包含一太陽輪210、多個行星輪220、一環齒輪230及一支架240。太陽輪210可轉動地設於容置槽130內。這些行星輪220環繞並嚙合於太陽輪210。環齒輪230環繞太陽輪210與這些行星輪220，並嚙合於這些行星輪220。如第4圖所示，環齒輪230具有一環形表面231及一凹凸結構232。凹凸結構232位於環形表面231，以增加環形表面231的粗糙度。支架240樞設於這些行星輪220。

其中，環齒輪230係透過第一軸承22而可轉動地設於第一環體110內。詳細來說，第一軸承22嵌設於第一環體110。環齒輪230與第一軸承22係沿環齒輪230之軸向排列，且環齒輪230嵌設於第一軸承22而能夠相對第一環體110轉動。

如第1圖與第3圖所示，這些第三軸承26同軸地嵌設於第二環體120內，即第二環體120之第二內表面121環繞並抵靠於這些第三軸承26。驅動心軸300穿設這些第三軸承26，且驅動心軸300之一端固設於支架240，使得驅動心軸300可相對第二環體120轉動，並令支架240一併轉動。

如第1圖所示，這些第二軸承24同軸地嵌設於第一環體110內，即第一環體110之第一內表面111環繞並抵靠於這些第二軸承24。傳動心軸400穿設這些第二軸承24，且傳動心軸400之一端固設於太陽輪210，使得傳動心軸400可受太陽輪210的帶動而相對第二環體120轉動。

如第3圖與第4圖所示，夾持環500包含一夾持段510、一結合段520及一抵壓段530。結合段520與抵壓段530分別自夾持段510之相對兩側朝同方向凸出。結合段520例如透過螺絲固設於第一環體110，並抵靠於第一環體110之第一側面113。夾持段510覆蓋第一環體110之第一內表面111，抵壓段530可分離地抵壓於第一環體110之第一內表面111。夾持段510介於第一環體110與環齒輪230之間，以將環齒輪230環繞於內，並覆蓋環形表面231。夾持段510、結合段520、抵壓段530及第一環體110圍繞出一腔室30。流道114之第二開口116和腔室30相連通，且腔室30用以自流道114注入或排出一流體32(如第5B圖)。流體32例如為油、水或空氣。在本實施例中，流體32係以油為例，並藉由腔室30內之油壓控制，迫使夾持環500彈性變形，令抵壓段530可沿環齒輪230之徑向相對第一環體110位移。如此一來，腔室30內之油壓變化可帶動夾持段510朝靠近環齒輪230的方向(如箭頭a所指示的方向)位移而夾住環齒輪230(請先參閱第5A圖)，或是帶動夾持段510朝遠離環齒輪230的方向(如箭頭e所指示的方向)位移而脫離環齒輪230(請先參閱第6A圖)。工具機之傳動機構10之詳細操控方法容後一併說明。

本實施例之夾持環500的材料例如為銅，其目的在於銅可兼顧彈性變形的能力與耐磨的能力。銅的耐磨能力與上述環形表面231上設有凹凸結構232皆為了增加夾持環500與環齒輪230間的磨擦阻力，以提升夾持環500 對於環齒輪230的夾持能力。

在本實施例及其他實施例中，夾持環500更具有一凹槽540。凹槽540位於結合段520與夾持段510之銜接處，使得結合段520與夾持段510之銜接處的厚度薄化。如此一來，夾持環500在彈性變形時會從結構強度較弱的凹槽540處開始彎曲變形，進而提升夾持環500之彈性變形能力。

在本實施例及其他實施例中，夾持環500彎曲變形前，夾持段510與環齒輪230的間距自連接結合段520之一側朝連接抵壓段530之一側遞增。也就是說，夾持段510與環齒輪230的間距由鄰近凹槽540處朝遠離凹槽540處遞增(如第4圖所示，夾持段510鄰近凹槽540處之第一間距D1小於夾持段510遠離凹槽540處之第二間距D2)。如此一來，當夾持環500從凹槽540處開始彎曲變形時，夾持段510會相對傾斜，使得夾持段510幾乎平行於環齒輪230之環形表面231而進一步增加了夾持段510與環齒輪230間的接觸面積，進而提升夾持段510對於環齒輪230的夾持能力。

在本實施例及其他實施例中，環形密封條600例如為油封。環形密封條600夾設於夾持段510與第一環體110之間，並鄰近於夾持段510較靠近抵壓段530之一側。也就是說，環形密封條600位於第二開口116和抵壓段530之間，以用來避免腔室30內之流體32外漏(如第5B圖)。

在本實施例及其他實施例中，腔室30內的流體32可獨自搭配一流體供應裝置(未繪示)，或與工具機之傳動機構10中其它需流體32的元件共用流體供應裝置(未繪示)。

請再參見第1圖，這些定子710固設於第二環體120之第二內表面121。這些轉子720環繞並固設於驅動心軸300。在定子710與轉子720的 電磁感應作用下，可帶動驅動心軸300相對第二環體120轉動。

此外，本實施例之工具機之傳動機構10可搭配內藏式馬達或外接式馬達，惟，工具機之傳動機構10搭配內藏式馬達將可進一步縮小工具機的整體體積。

請參閱第5A圖至第6B圖。第5A圖與第5B圖為第1圖之夾持環固定環齒輪的作動示意圖。第6A圖與第6B圖為第1圖之夾持環脫離環齒輪的作動示意圖。

如第5A圖所示，令流體32沿箭頭F所指示之方向注入腔室30，以增加腔室30之壓力。當腔室30內之壓力超過令夾持環500變形的臨界壓力時，夾持環500受流體32擠壓而朝靠近環齒輪230的方向(如箭頭a所指示的方向)彈性變形，並夾住環齒輪230，使環齒輪230固定不動。

如第5B圖所示，當驅動心軸300沿箭頭b所指示的方向轉動時，驅動心軸300會帶動支架240沿箭頭b所指示的方向轉動。此時，由於環齒輪230被夾持環500夾住而固定不動，故環齒輪230會令各行星輪220沿箭頭c所指示的方向轉動，並帶動太陽輪210沿箭頭d所指示的方向轉動。

依據行星齒輪的公式，環齒輪230固定不動時，太陽輪210與支架240的轉速比值R=(Zc/Za)+1，Zc為環齒輪230之齒數，Za為太陽輪210的齒數。在本實施例中，環齒輪230之齒數以48為例，太陽輪210之齒數以24為例，則太陽輪210與支架240的轉速比值R為3。也就是說，太陽輪210之轉速為支架240之轉速的3倍。

因此，假設驅動心軸300之轉速每分鐘為4000轉(rpm)，具有低轉速高扭力的特性。但當腔室30內之油壓達4.5MPa時，連接於太陽輪210之 傳動心軸400的轉速會透過行星齒輪的轉換而提高成每分鐘達12000轉(rpm)，使得傳動心軸400具有高轉速低扭力的特性，進而提供研磨加工之需求。

如第6A圖所示，令流體32自腔室30流出，以降低腔室30之壓力。當腔室30內之壓力低於令夾持環500彈性變形的臨界壓力時，夾持環500則不再受到流體32擠壓而朝遠離環齒輪230的方向(如箭頭e所指示的方向)復位，並與環齒輪230脫離。

如第6B圖所示，當驅動心軸300沿箭頭f所指示的方向轉動時，驅動心軸300會帶動支架240沿箭頭f所指示的方向轉動。此時，由於環齒輪230未被夾持環500夾住，故各行星輪220會讓環齒輪230與太陽輪210一併沿箭頭f所指示的方向轉動。藉此，太陽輪210之轉速會等同於支架240之轉速，使得傳動心軸400與驅動心軸300一樣具有低轉速高扭力的特性，進而提供重切削加工之需求。

上述環齒輪230與太陽輪210的齒數比為2比1，使太陽輪210與支架240的轉速比呈3比1，但並非用以限制本發明。在其他實施例中，行星齒輪組200也可以採用不同齒數比之環齒輪230與太陽輪210，來改變太陽輪210與支架240的轉速比，詳見表一。

在本實施例中，環齒輪230之固定與否係透過油壓控制的方式來達到，與傳統透過激磁控制的方式相比，除了同樣可讓工具機之傳動機構10兼顧高轉速低扭力與高扭力低轉速兩個特性外，更因為油壓控制的熱生成量較激磁控制的熱生成量少，故可降低驅動心軸300與傳動心軸400之熱膨脹程度，進而可避免工具機之傳動機構10的組裝精度降低。

根據上述本發明所揭露的工具機之傳動機構及其操控方法，由於夾持環設於環齒輪之外圍，且夾持環可沿徑向方向朝靠近或遠離環齒輪的方向位移，故可透過夾持環的變形程度來切換環齒輪之固定與否。也就是說，可透過夾持環的變形程度來切換工具機之傳動機構之工作特性，進而讓工具機之傳動機構滿足高扭力低轉速與高轉速低扭力兩特性。

此外，夾持環的作動係透過油壓控制所驅動，故可減少降低操控過程中的熱生成量，進而可避免工具機之傳動機構受熱影響而產生組裝精度降低的問題。

雖然本發明的實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，舉凡依本發明申請範 圍所述的形狀、構造、特徵及數量當可做些許的變更，因此本發明的專利保護範圍須視本說明書所附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧工具機之傳動機構

22‧‧‧第一軸承

24‧‧‧第二軸承

26‧‧‧第三軸承

100‧‧‧外殼

110‧‧‧第一環體

111‧‧‧第一內表面

112‧‧‧第一外表面

113‧‧‧第一側面

114‧‧‧流道

120‧‧‧第二環體

121‧‧‧第二內表面

122‧‧‧第二外表面

123‧‧‧第二側面

130‧‧‧容置槽

200‧‧‧行星齒輪組

300‧‧‧驅動心軸

400‧‧‧傳動心軸

500‧‧‧夾持環

600‧‧‧環形密封條

710‧‧‧定子

720‧‧‧轉子

Claims (13)

1. 一種工具機之傳動機構，包含：一外殼，具有一容置槽；一行星齒輪組，位於該容置槽，該行星齒輪組包含一太陽輪、多個行星輪、一環齒輪及一支架，該太陽輪可轉動地設於該容置槽內，該些行星輪環繞並嚙合於該太陽輪，該環齒輪環繞該太陽輪與該些行星輪，並嚙合於該些行星輪，該支架樞設於該些行星輪；一驅動心軸，固設於該支架；一傳動心軸，固設於該太陽輪；以及一夾持環，該夾持環之部分介於該外殼與該環齒輪之間，並環繞於該環齒輪外圍，該夾持環裝設於該外殼並與該外殼圍繞出一腔室，該腔室用以填充一流體；其中，藉由該腔室內的該流體壓力控制來令部分該夾持環沿該環齒輪之徑向彈性變形，以使該夾持環夾住該環齒輪或脫離該環齒輪。
2. 如請求項1所述之工具機之傳動機構，其中該外殼包含一第一環體及一第二環體，該第一環體與該第二環體彼此相組而形成該容置槽，該第一環體將該夾持環、該傳動心軸與該行星齒輪組環繞於內，該第二環體將該驅動心軸環繞於內，該夾持環包含一夾持段、一結合段及一抵壓段，該結合段與該抵壓段分別自該夾持段之相對兩側朝同方向凸出，該結合段固設於該第一環體，該抵壓段抵壓於該第一環體，該夾持段將該環齒輪環繞於內，該夾持段、該結合段、該抵壓段及該第一環體圍繞出該腔室，該抵壓段可沿該環齒輪之徑向相對該第一環體位移，以帶動該夾持段朝靠近該環齒輪的方向位移而夾住 該環齒輪，或是帶動該夾持段朝遠離該環齒輪的方向位移而脫離該環齒輪。
3. 如請求項2所述之工具機之傳動機構，其中該第一環體具有一第一內表面、一第一外表面及一第一側面，該第一內表面面向該傳動心軸，該第一外表面背對於該第一內表面，該第一側面介於該第一外表面與該第一內表面之間，該夾持環之該結合段固設於該第一環體之該第一側面，以及該夾持環之該抵壓段抵壓於該第一環體之該第一內表面。
4. 如請求項3所述之工具機之傳動機構，其中該第一環體具有一流道，該流道之相對兩端分別貫穿該第一外表面與該第一內表面而於該第一外表面處形成一第一開口，以及於該第一內表面處形成一第二開口，該流道之該第二開口和該腔室相連通。
5. 如請求項4所述之工具機之傳動機構，更包含一環形密封條，該環形密封條夾設於該第一環體與該夾持段之間，且該環形密封條位於該第二開口和該抵壓段之間。
6. 如請求項3所述之工具機之傳動機構，更包含多個定子及多個轉子，該第二環體具有一第二外表面、一第二內表面及一第二側面，該第二內表面面向該驅動心軸，該第二外表面背對於該第二內表面，該第二側面之相對兩側分別連接於該第二外表面及該第二內表面，該些定子固設於該第二環體之該第二內表面，該些轉子環繞並固設於該驅動心軸。
7. 如請求項2所述之工具機之傳動機構，其中該夾持環更具有一凹槽，該凹槽位於該結合段與該夾持段之銜接處。
8. 如請求項7所述之工具機之傳動機構，其中該夾持段與該環齒輪的間距自連接該結合段之一側朝連接該抵壓段之一側遞增。
9. 如請求項2所述之工具機之傳動機構，其中該環齒輪具有一環形表面及一凹凸結構，該環形表面面向該夾持段，該凹凸結構位於該環形表面。
10. 如請求項2所述之工具機之傳動機構，其中該第一環體具有一第一內表面、一第一外表面及一第一側面，該第一內表面將該傳動心軸與該行星齒輪組環繞於內，該第一外表面背對於該第一內表面，該第一側面面向該第二環體，且該第一側面之相對兩側分別連接於該第一外表面及該第一內表面，該夾持環之該結合段固設於該第一環體之該第一內表面，以及該夾持環之該抵壓段抵壓於該第一環體之該第一內表面。
11. 如請求項2所述之工具機之傳動機構，更包含一第一軸承，該第一軸承設於該第一環體內，且該第一軸承並列於該環齒輪旁，該環齒輪之一側嵌設於該第一軸承，以透過該第一軸承相對該第一環體轉動。
12. 如請求項11所述之工具機之傳動機構，更包含至少一第二軸承及至少一第三軸承，該第二軸承設於該第一環體內，並套設於該傳動心軸，該第三軸承設於該第二環體內，並套設於該驅動心軸。
13. 一種如請求項1至12之任一項所述之工具機之傳動機構之操控方法，包含：令該流體注入該腔室，以增加該腔室之壓力，該夾持環受該流體擠壓而朝靠近環齒輪的方向彈性變形，並夾住該環齒輪，以令該支架與該太陽輪間形成一轉速比；以及令該流體自該腔室流出，以降低該腔室之壓力，使該夾持環朝遠離該環齒輪的方向復位而脫離該環齒輪，以令該太陽輪之轉速等同於該支架之轉速。