齿轮装置的制作方法

文档序号:11141799
齿轮装置的制造方法

本发明涉及一种用于将线性力/运动转化为旋转扭矩/运动(反之亦然)的齿轮装置。本发明还涉及将这样的齿轮装置整合到能量转换器和线性致动器中。



背景技术:

许多应用存在一种将线性运动或力转化为旋转运动或扭矩(反之亦然)的需要。这样的应用的示例为能量生成装置,诸如波浪和风力发电机和不同的工业升降或致动系统。出于在这样的系统中在线性和旋转运动之间转化的目的,可利用不同类型的齿轮装置。齿轮装置通常包括可线性移动(可能往复的)构件,该可线性移动构件例如借助啮合的嵌齿而与旋转构件共同作用。这样的装置一般被称为齿条和小齿轮驱动器。当期望在输入运动或力与输出运动或扭矩之间实现一定的传动比时,所述齿轮装置可包括与小齿轮啮合并布置在齿条和输出或输入轴之间的附加嵌齿轮或齿轮。

本发明可用在上述类型的各种应用及其它应用中。特定关注的应用是波浪发电行业。WO 2012/008896 A1公开了一种能量转化系统,可利用该能量转化系统将海浪能量转换为电力。根据一个实施方式,所述系统包括振荡器,该振荡器具有面对面垂直布置的双缸-活塞装置。缸盛装流体,并且两个活塞借助杆机械地连接到彼此。受海浪影响的浮标连接到缸之一的活塞,并且在受海浪影响时导致杆的往复振荡运动。

为了将杆的动能转换为电力,齿轮装置可布置在往复的杆和旋转的发电机或交流发电机之间。

在这些类型的齿轮装置里,主要关注的是,整个装置要耐用并且具有长久和可预见的使用寿命。另一重要方面是,移动部分的惯性应该尽可能低,由此例如嵌齿轮和轴的重量应该尽可能低。相应地,还最期望的是,齿轮装置及其组成部分的尺寸保持尽可能小。另一方面,还重要的是,整个装置应该能够承受高的变化载荷,因为海浪的载荷和工业机械的致动载荷可能大幅变化。由此,非常重要的是,齿轮装置可设计成使载荷与体积和重量之比较高。

现有技术

WO 2011/104561A2公开了一种用于从水体的运动中生成电力的设备。根据一个实施方式,所述设备包括齿条和可旋转元件系统,其包括齿条构件以及两个棘爪和齿轮组件。每个这样的组件均包括布置在齿条的相应齿侧上的两个棘爪。每个棘爪均被布置成驱动相应轮,并且两个轮与固定到输出轴的共同齿轮啮合。

US 5,836,205公开了一种包括线性致动器的线性致动器系统,该线性致动器在两个外侧面上设置有齿轮齿。小齿轮驱动两个驱动轮,这两个驱动轮借助相应的轴连接到相应的齿轮。这两个齿轮接合位于致动器的一个侧面上的齿。这两个驱动轮均驱动相应的另一驱动轮,相应的另一驱动轮又借助相应的轴连接到相应的另一齿轮。这另外两个齿轮接合位于致动器的另一侧上的齿。

DE 100 09 930 A1公开了一种齿条和小齿轮机构,其将电动马达旋转运动转换为精确的线性运动。所述机构具有四个以上多级齿轮,其布置成两列乘两行的矩阵。

根据WO 2011/104561A2的装置可由此用于将线性力和运动转化为旋转扭矩和运动,而根据US 5,836,205和DE 100 09 930 A1的装置可用于将旋转扭矩和运动转化为线性力和扭矩。然而,仍存在改进齿轮装置的需要。



技术实现要素:

由此,本发明的目的是提供一种增强的齿轮装置,其能够将线性力和/或运动转化为旋转扭矩和/或运动(反之亦然)。

另一目的是提供这样的齿轮装置,其耐用并且具备相当长久和可预见的使用寿命。

另一目的是提供这样的齿轮装置,其呈现相当高的载荷与体积和重量之比。

额外目的是提供这样的齿轮装置,其允许载荷在所述装置的所有齿面之间均匀分布。

另一目的是提供这样的齿轮装置,通过该齿轮装置有效地平衡了齿条与小齿轮(与双面带齿齿条的相对侧啮合)之间的方向相反的反作用力。

另一目的是提供这样的齿轮装置,其具备对齿条的线性运动的增强性引导。

又一目的是提供这样的齿轮装置,其允许在有限的空间要求里利用一个或若干齿轮级并且将载荷均匀分布到所有齿轮和齿面。

另一目的是提供这样的齿条小齿轮齿轮装置,其允许所述小齿轮的一级旋转速度相对于所述齿条的线性速度较高,同时耐用并能够传输高载荷。

另一目的是提供一种齿轮装置,其将齿条的较大线性载荷均匀分布到多个小齿轮上,并且将来自所述小齿轮的分布载荷收集为至少一个输入/输出轴上的组合扭矩(反之亦然)。

另一目的是提供这样的齿轮装置,其在所述装置由传入往复线性运动激发时实现连续且相当均匀的输出旋转运动。

本发明由此涉及一种用于将线性力和/或运动转化为旋转扭矩和/或运动(反之亦然)的齿轮装置。所述装置包括齿条,所述齿条具备纵向轴线和平行于所述齿条的所述纵向轴线延伸的至少一个齿侧,所述齿条能沿着其纵向轴线往复移动。至少两个小齿轮与所述齿条的齿侧旋转地啮合,并且固定到布置在所述小齿轮的第一轴向侧的相应第一一级齿轮。至少两个所述第一一级齿轮机械地连接到共同的输出或输入轴,使得所述至少两个第一一级齿轮将扭矩传输到所述第一输出或输入轴或从中传出。借助布置成在所述相应第一一级齿轮与小齿轮之间允许有限相对旋转的可弹性变形的固定装置将所述第一一级齿轮中的至少一个固定到所述相应的小齿轮。

本发明的齿轮装置由此提供的是,由所述装置传递的载荷分别被均匀分布到所有小齿轮与所有一级齿轮之间。据此,小齿轮和齿轮(从而整个齿轮装置)的尺寸可保持得相当小,但仍允许与任何期望的所有传动比组合的较大总载荷容量。由小齿轮和带齿齿条的接合齿面承受的载荷被为与所述齿条啮合的若干小齿轮分割。这造成,针对所述齿轮装置的任何给定的总扭矩容量,所述第一小齿轮的直径可保持得相当小。这还会增强选择小齿轮尺寸的可能性,这样小齿轮的使用寿命对应于齿条的使用寿命,从而在保持所述装置的总重量较低的同时减少材料的任何过度使用。小齿轮的减小直径还允许齿轮的直径可相应地保持较小,同时允许实现所述齿轮装置的任何期望的总传动比。

正如借助与齿条啮合的不止一个小齿轮将输入或输出轴联接到齿条的现有技术齿轮装置中,所述齿轮装置大体构成超定系统。在这样的系统中固有的问题是将载荷均匀分布到同时接合的小齿轮和齿条的所有齿面。如果载荷不均匀分布,则一些齿面将经历比其它齿面更高的磨损,由此系统的使用寿命减少。替代地,齿条和所有嵌齿轮需要针对经历最高磨损的齿面来设计尺寸。从而,所述齿轮装置的载荷与体积和重量之比减小。

根据现有技术,该问题通常通过尽可能高精确地制造齿条和嵌齿轮(即减少制造公差)来解决。另外,诸如在DE 100 09 930 A1中,现有技术努力解决通过尽可能精确地刚性地锁定小齿轮与第一齿轮之间的相对旋转位置而超定的相关问题。然而,解决涉及超定导程的问题的这些公知元件增加了制造和组装成本,以及增加了所述装置的复杂性。另外且尤其是在齿条较长、行程长度较长且具有许多协作的小齿轮的齿轮装置中,现有技术齿轮装置仍需要载荷传递部件的尺寸设计有相当的安全余量。尤其是当系统传递高载荷时,诸如在例如波浪发电厂或重型提升和运输装备的线性致动器中,这会导致载荷与体积和重量之比严重减小。

与解决上述问题的先前公知措施完全相反,本发明的发明人Stig Lundback先生等人已经认识到,涉及齿轮装置超定的问题可通过在通常固定到彼此的旋转部件之间引入某些扭转弹回柔性而大大减少。根据本发明,第一小齿轮借助固定装置固定到相应的一级齿轮,这允许小齿轮与一级齿轮之间一些弹性有限的相对旋转。

据此,所有小齿轮的与所述齿条啮合的齿面将各自接合所述齿条的对应齿面。因为所述小齿轮借助弹性固定装置、一级齿轮和共同的输出或输入轴而弹性地连接到彼此,所以每个小齿轮的齿面将相对于所述齿条的对应齿面旋转地调整,使得总载荷被均匀分布到瞬间接合的所有齿面。本发明由此提供了自调整装置,借此由所述齿轮装置传输的总载荷被均匀分布到所有接合的齿面。据此,涉及超定齿轮装置的上述问题显著减少。这进而尤其造成材料和制造成本降低以及载荷与体积和重量之比增加。

虽然能够允许所述小齿轮与所述一级齿轮之间的某种相对旋转,但是所述可弹性变形的固定装置应该刚性布置在径向方向和轴向方向上以实现啮合的嵌齿轮之间的平行对准。所述固定装置可进一步布置成使得相对旋转发生在已施加某种基本载荷之后,提供每个小齿轮与相应一级齿轮之间的相对旋转,使之至少对应于所述齿轮装置的总制造和安装公差。

根据一个实施方式,所述至少两个小齿轮与所述齿条的共同的第一齿侧啮合。然后,齿条设置有单个齿侧,并且所有小齿轮都与该单个齿侧啮合。在这样的实施方式里,附加引导元件(诸如滚子或滑动引导件)应该优选布置成防止所述齿条在远离所述小齿轮的横向方向上移动。

根据一个替代和优选的实施方式,所述齿条具备第一齿侧和第二齿侧,所述第二齿侧布置成与所述第一齿侧平行并且与所述第一齿侧相反。所述至少两个小齿轮包括与所述第一齿侧啮合的至少一个第一小齿轮,并且包括与所述齿条的所述第二齿侧啮合的至少一个第二小齿轮,每个第一小齿轮和第二小齿轮均借助可弹性变形的固定装置固定到所述相应第一一级齿轮。通过这种手段,总载荷可容易地均匀分布到所述齿条的两个齿侧。该实施方式还造成小齿轮和一级齿轮的数目可增加,同时仍保持所述装置的尺寸(尤其是纵向长度)相当小。通过布置小齿轮与所述齿条的两个相反齿侧啮合带来的额外优点涉及所述齿条的改进性引导。这些优点在下面进一步详细地解释并描述。所述齿轮装置可布置成使得与所述齿条的相反两侧啮合的小齿轮构成所述齿条在垂直于所述齿条的所述纵向轴线的横向方向上的唯一引导。替代地,所述齿轮装置可设置有附加引导元件。这样的替代例的示例也在下面讨论。

在一个有利实施方式中,所述齿轮装置包括至少一组齿轮部件,每组均包括:两个第一小齿轮和两个第二小齿轮,每个第一小齿轮均借助可弹性变形的固定装置固定到第一一级齿轮,该第一一级齿轮与借助可弹性变形的固定装置固定到相应第二小齿轮的对应第一一级齿轮啮合;以及二级齿轮,所述二级齿轮与第一小齿轮或第二小齿轮两者的两个一级齿轮啮合。由此,所述一级齿轮成对啮合地布置在所述齿条上方或下方,每对均包括固定到与所述齿条的一侧啮合的小齿轮的一个一级齿轮,并且包括固定到与所述齿条的另一侧啮合的小齿轮的一个一级齿轮。通过这种手段,实现了非常节省空间的装置。

所述二级齿轮可与第一小齿轮或第二小齿轮的两个一级齿轮啮合。

替代地,所述二级齿轮与第一小齿轮的一个一级齿轮和第二小齿轮的一个二级齿轮啮合。

然后,所述齿轮装置可包括一组这样的齿轮部件,其中所述二级齿轮固定到共同的输出或输入轴。在这样的装置中,经由所有小齿轮和一级齿轮在所述齿条与单个输出或输入轴之间传递运动和载荷。

替代地,所述齿轮装置可包括两组这样的齿轮部件。这造成总载荷可能甚至进一步增加并且均匀分布到数目增加的小齿轮和一级齿轮。

当使用两组齿轮部件时,每组的二级齿轮可连接到相应的输出或输入轴。通过这种手段,可以在所述齿条与两个输出或输入轴之间传递运动和/或载荷。

替代地,两组齿轮部件的二级齿轮可布置成与三级齿轮啮合,所述三级齿轮连接到共同的输出或输入轴。据此,运动和/或载荷可在所述齿条与单个输出或输入轴之间传递。包括三级齿轮还进一步增强了自由选择所述齿轮装置的总传动比的可能性。

齿轮部件的组数可能甚至进一步增加,并且对于每个数量的组,可以通过布置对应数目的中间齿轮(诸如二级齿轮、三级齿轮、四级齿轮等等)来自由选择包括在所述齿轮装置中的输出或输入轴的数目。

根据另一实施方式,至少两个(优选所有的)第一小齿轮和/或第二小齿轮借助可弹性变形的固定装置固定到布置在小齿轮的第二轴向侧的相应第二一级齿轮,其被布置成允许相应第二一级齿轮与小齿轮之间的有限相对旋转。然后,所述至少两个第二一级齿轮机械地连接到共同的输出或输入轴,使得所述至少两个第二一级齿轮将扭矩传输到所述输出或输入轴。通过这种手段,所述齿轮装置可对称布置并且使得总载荷被均匀分布到布置在所述齿条的相对两侧的一级齿轮。

在这种情况下,所述第二一级齿轮可连接到与所述第一一级齿轮相同的输出或输入轴。据此,在所述齿条与所述单个输出或输入轴之间传递的总载荷分别被均匀分布在所有小齿轮和一级齿轮上。所述单个输出或输入轴可具备能连接到相应载荷或驱动元件的一个或两个轴端。

替代地,布置在第一小齿轮和第二小齿轮的第一轴向侧的所述第一一级齿轮可连接到第一输出或输入轴,而布置在第一小齿轮和第二小齿轮的第二轴向侧的所述第二一级齿轮可连接到第二输出或输入轴。

例如,通过或者在单个共同的输出或输入轴上或者在两个分离的输出或输入轴的相应一个输出或输入轴上布置两个轴端可以让所述齿轮装置驱动两个不同的发电机或者被连接到分别两个输出或输入轴之一的两个不同马达驱动。

为了完成扭转弹回柔性,所述可弹性变形的固定装置可采取不同的方式布置。

至少一个可弹性变形的固定装置可包括旋转地固定到小齿轮的第一部分并包括旋转地固定到一级齿轮的第二部分,并且所述第一部分和第二部分可借助可弹性变形材料机械地相连。这带来简单而节省空间的装置,其中扭转弹性可容易地通过选择弹性材料的属性和尺寸而决定。

所述至少一个可弹性变形的固定装置优选包括用于调整所述第一部分与所述第二部分之间的额定相对旋转位置的元件。额定相对旋转位置指的是当所述可弹性变形的固定装置松弛时,即当没有扭矩施加到所述小齿轮与所述一级齿轮之间时所述小齿轮与一级齿轮之间的相对旋转位置。这些元件用在所述齿轮装置的组装中。通过这种手段,可以容易地实现每对小齿轮和一级齿轮的精确的相对额定旋转定位,使得在协作的各对小齿轮与一级齿轮之间实现相等的载荷分布。

所述第一部分可借助轴部和可弹性变形套筒连接到所述第二部分,所述轴部从所述一级齿轮的轴向端沿轴向突出到所述轴部的自由端,并且所述可弹性变形套筒绕所述轴部从所述自由端朝向所述一级齿轮的所述轴向端同心地延伸。通过这种手段,所述固定装置的弹性可精确而容易地通过选择弹回套筒的合适的轴向长度而决定。该实施方式还允许所述固定装置以相当小的径向尺寸来构建。

另外,所述轴部可布置成能在周向方向上弹性变形。通过这种手段,所述固定装置的总弹性由所述轴部及所包围套筒的弹性总和得到。

替代地,所述可弹性变形材料的至少一部分可形成径向延伸的轮辐。这造成所述固定装置以相当小的轴向尺寸来构建。

所述可弹性变形材料可包括布置成当所述第一部分相对于所述第二部分旋转时被压缩的聚合物材料。例如,所述弹性材料可包括天然橡胶或合成橡胶或具有合适弹回属性的任何其它合成聚合物或弹性体材料,或者由其构成。通过布置所述固定装置使得所述弹性材料在第一部分与第二部分之间相对旋转时被压缩,材料的剪切应力减少或消除,从而最大限度地降低材料疲劳或装置失效的风险。

不管使用何种类型的可弹性变形的固定装置,所述装置应该优选布置成使之仅允许在旋转方向上的相对移动。即所述装置应该布置成在其它方向上是刚性的,使得所述小齿轮与所述一级齿轮之间的相对移动在轴向方向上被防止。

所述齿条可进一步包括相互连接的两个纵向齿条半体,具有或没有中间空间。

为了实现本发明的期望优点,没有必要的是,所有一级齿轮借助可弹性变形的固定装置固定到它们的相应的小齿轮。然而优选地,机械地连接到共同的输出或输入轴的第一一级齿轮和/或第二一级齿轮的至少所有减去一个借助可弹性变形的固定装置固定到它们的相应的小齿轮,所述可弹性变形的固定装置被布置成允许相应的第一一级齿轮与小齿轮之间的有限相对旋转。

本发明还涉及一种包括上述齿轮装置的波浪能量转化装置,所述齿轮装置被布置成将施加到齿条的线性往复运动转化为至少一个输出轴的输出旋转运动。

进一步,本发明涉及一种包括上述齿轮装置的线性致动器,所述齿轮装置被布置成将施加到至少一个输入轴的旋转运动转化为齿条的输出线性运动。例如,这样的线性致动器可用在提升或推动装置中。

发明人已经进一步认识到,上述的扭转弹回柔性可用于增强所述齿条的纵向运动的引导。与所述齿条的一侧接合的小齿轮可仅用作所述齿条在朝向所述小齿轮的方向上的引导。在这样的情况下,小齿轮齿面调整其与所述齿条接合的能力允许:齿条的形状不规则以及任何附加引导元件或齿侧支撑构件(布置在所述齿条的相反侧)的形状不规则和居中被所述小齿轮的弹回旋转调整所吸收。据此,所述齿条的纵向运动将在横向方向上浮动地被引导。

通过这种手段,发生于刚性固定的引导构件的横向引导的这种超定可被消除。另外,在支撑的小齿轮间均匀分布横向支撑力,这带来平滑往复运动以及所述小齿轮、所述齿侧支撑构件和所述齿条的磨损减少。

由此,所述齿轮装置可被布置成单独通过分别在所述齿侧与所述第一小齿轮和齿侧支撑构件之间的接触使得所述齿条的纵向运动在垂直于第一齿侧和第二齿侧的方向上被引导。

在借助可弹性变形的固定装置固定到一级齿轮的小齿轮被布置成与具备两个相反布置的齿侧的齿条的两个齿侧啮合的情况下,在一些应用中,所述齿条的纵向运动可单独由所述小齿轮在垂直于所述齿侧的方向上被引导。因此,在这样的实例中,用于在垂直于所述齿侧的横向方向上引导所述齿条的任何附加引导元件可被消除。这样的装置可主要用于载荷相当低并且所述齿条相当短和/或未暴露于高横向力的应用中。

然而,啮合的小齿轮的法向力对所述齿条的纵向引导还可以与不同类型的常规线性引导件组合,包括在接合所述齿条之前具有一定的公差/游隙的引导件。因此,这样的附加引导元件可能或者以某些受限游隙布置于所述齿条,或紧密配合,或者被预装以便完成所述齿条的横向方向的严格引导。当引导元件以游隙布置于所述齿条时,如果所述齿条到达侧向方向的某一偏移,则所述引导元件将充当终端止挡。当所述引导元件以紧密配合布置或者被预装时,所述齿条以紧密公差被推到中心位置,由此独立于啮合的小齿轮的法向力来提供齿条位置的刚性引导。这样的可利用的附加引导元件的示例包括滑动引导件、滚子引导件、往复的球或滚子引导件。

由小齿轮的上述扭转弹回柔性及其在齿面上的均匀分布动力所实现的横向引导大大减少了附加纵向引导元件上的载荷,这对于吸收作用在所述齿条上的内部和外部侧向力而言可能是需要的(诸如所述纵向引导元件的重力和错位力矢量)。这可以通过布置同质双面带齿齿条或两个单面带齿齿条来完成,其直接或间接地通过例如工字梁彼此支撑,作为具有至少两个柔性啮合的一级齿轮和纵向引导元件的至少两个相反运动的小齿轮。该装置将通过所述齿条,抵消大多数由所述齿轮生成的侧向力,由此几乎没有载荷施加到所述纵向引导元件。由此,这些引导元件可以将尺寸设计成仅仅抵消所述齿条的矫直及全程通过变速箱的外部侧向力。建立该功能的力是相当的。

尤其是当使用大量小齿轮使得变速箱的长度增加时,这可能是重要的。此外,在某些应用中,纵向引导不需要很紧,因为通过柔性一级齿轮的啮合的自调整将看到,纵向引导的小间隙以及齿条形状的不规则将得到补偿。

大量减少的所述纵向引导元件上的侧向力将减少摩擦损失,降低材料和制造成本,并且将增加载荷与体积和重量之比以及引导装置的使用寿命。

另外,所述齿轮装置的至少一个(优选所有的)输出轴或输出轴端可连接到负载,诸如发电机、马达或高压泵(用于例如淡水生成)、自由轮、飞轮或其组合。通过这种手段,所述齿轮装置可有效地用在不同的发电设施及其它电力采集应用中,诸如用在波浪发电设施中。自由轮可连接到至少一个输出轴。通过在每个输出轴端与例如发电机(但可能不一定是飞轮)之间布置自由轮,可以在所述齿条的往复运动期间驱动每组飞轮/发电机以在单个旋转方向上旋转。布置成仅在所述齿条沿一个相应方向移动期间将扭矩传递到相应负载的第一和第二自由轮的这样的装置还带来其它优点。通过该装置,发电机或连接到第一输出轴和第二输出轴的其它旋转负载可在所述齿条沿两个方向往复运动期间继续在相应单个旋转方向上旋转。由此,负载之一在所述齿条沿第一方向移动期间被激发,并且另一个负载在所述齿条沿另一个方向移动期间被激发。然而,两个负载可在整个齿条周期期间继续在其单个旋转方向上旋转。这造成的是,整个系统的惯性基本上减少,由此齿轮部件因往复运动的磨损降低并且系统的效率增加。另外,当发电机或交流发电机连接到相应自由轮的输出轴时,自由轮装置造成更均匀电力的生成。

自由轮装置导致来自每个输出轴的负载阻力在所述齿条在与另一个方向不同的一个方向上移动期间基本上较高。这可能导致所述小齿轮和所述齿条的嵌齿的一个齿面将经受比相反齿面基本更高的载荷及与磨损。然而,因为所有小齿轮和所述齿条的所有齿侧可布置成在齿条的两种往复运动中的扭矩传递中以及向自由轮的两个输出轴传递扭矩时是有效的,所述小齿轮的所有齿面和所述齿条的所有齿侧将均匀磨损。这进一步造成所述装置的增加的且可预见的使用寿命。

当发电机经由飞轮连接到输出轴时,所述飞轮可形成所述发电机的转子的一部分。据此,方便以节省空间和可靠的方式均匀地生成电力。

相同组合的自由轮和飞轮可与所述轴端和驱动马达组合而形成线性驱动单元的不同构造。

所述输出或输入轴或轴的所述旋转轴线可居中地布置在所述齿条的纵向中心线处。在所述输出或输入轴具备能连接到负载或驱动元件的两个轴端的情况下,这要求所述齿条或者具备纵向槽缝或者被分成两个纵向延伸的齿条半体以允许所述输出轴在其往复运动期间延伸穿过所述齿条。

替代地,所述输出或输入轴或轴的所述旋转轴线可相对于所述齿条偏心地布置。在这样的情况下,一个或多个所述输出或输入轴的所述旋转轴线可布置在由所述一级齿轮的所述旋转轴线限定的几何线内。这造成所述齿轮装置的总空间要求进一步减少。

所述可弹性变形的固定装置的第一部分和第二部分的一者可包括若干突出销,所述若干突出销被接收于布置在第一部分和第二部分的另一者中的对应凹部之中,并且其中可弹性压缩材料被布置在所述销与相应空腔的壁之间。据此,扭矩通过任何期望数目的销被有效地在两个部分之间传输,这造成嵌齿轮装置的扭矩容量可容易地适合任何期望的值。

所述销和凹部可平行于小齿轮和一级齿轮的旋转轴线延伸。该装置方便制造并安装这两个部分。

关于所述可弹性变形的固定装置,所述第一部分可包括布置成固定到轴的毂部,并且包括从所述毂部径向向外延伸的凸缘部,所述销在垂直于所述凸缘部的径向平面的方向上从所述凸缘部延伸,并且其中所述第二部分包括呈现若干轴向延伸开口的环形部,每个开口均接收由可弹性压缩材料制成的相应销和柱形套筒,每个套筒均布置在相应销上。该装置造成可用相当低的成本制造并安装的相当简单而可靠的构建。

所述环形部可呈现用于接收毂部的中央轴向开口。据此,容易实现所述第二部分的径向引导。

所述第二部分的所述环形部可呈现外围、轴向延伸的环形边缘部,用于接收所述第一部分的所述凸缘部。这造成径向方向的额外引导,同时仍允许简单地安装嵌齿轮装置的组成部分。

所述齿轮装置可包括限定内部空间的壳体,其中所述齿条能线性移动穿过所述内部空间,并且所述小齿轮布置在所述内部空间中,用固定到所述壳体的轴承来轴颈连接。通过这种手段,可实现所述装置的相当简单而可靠的设计。替代地,所述壳体可形成为单件。对于两个替代例,所述壳体可优选由铸造、模塑或加工材料(诸如铁、铝、钢合金、复合材料,并且在一些低载荷应用中是模塑的聚合物材料)形成。加工或模塑过程的准确性以及完成壳体的刚性和稳定性可以是维持齿轮部件的期望空间取向的关键参数,这有助于所述齿轮之间的负荷分担。

每个小齿轮均可借助第一小齿轮轴固定到其第一一级齿轮,并且在适用的情况下,固定到第二一级齿轮,该第一小齿轮轴在所述第一小齿轮的每个轴向侧延伸穿过所述壳体的相应壁,并且其中所述第一一级齿轮(以及可能的第二一级齿轮)布置于形成在所述对置壁的相应一个对置壁的外侧的相应凹部中。据此,所述小齿轮和所述一级齿轮的刚性而可靠的固定可采取可靠的方式完成。该实施方式还造成所述齿轮装置的高效制造和保养。

每个输出或输入轴均可至少部分地布置于形成在所述壁的相应一个壁的外侧的凹部中,并且盖板可固定到所述壳体并且被布置成密封地覆盖容纳所述齿轮和所述输出或输入轴的所述凹部。这造成例如所述齿轮装置的移动部分的润滑可采取简单而高效的方式完成。

所述内部空间和所述凹部可填充润滑介质,诸如油。然而,在旋转速度更高的应用中,所述内部空间可部分被填充。所谓的滴落润滑在一些应用中也可以是有利的。所述壳体可包括一个整体部分或两个壳体半体,每个壳体半体均形成所述对置壁之一。这还造成所述齿轮装置的相当简单、可靠而成本高效制造并且方便其保养。

通过增添任何期望数目的第一小齿轮和第二小齿轮以及对应数目的第一一级齿轮及可能的第二一级齿轮,总载荷可分布到对应数目的小齿轮和一级齿轮。从而,在保持所述齿轮装置的相同总扭矩容量的同时,每个小齿轮和一级齿轮的载荷和磨损进一步减少。替代地,在维持小齿轮和一级齿轮上的载荷的同时,扭矩容量可增加。

这样的增添小齿轮优选应该成对做出,包括布置在所述齿条的一个齿侧处的第一小齿轮和布置在所述齿条的相反齿侧处的第二小齿轮,以维持所述齿条的所有齿侧上的载荷相等。

当所述齿轮装置用于将传入往复运动转化为至少一个输出轴的旋转运动和扭矩时,不同类型的负载可连接到输出轴。这样的负载的示例是发电机和泵,例如用于生产淡水的泵。

当所述齿轮装置用于将传入旋转运动和扭矩转换为输出线性运动和力时,一个或若干输入轴可连接到许多不同类型的旋转驱动元件。这样的驱动元件的示例是电气马达、气动马达或液压马达。

本发明的其它目的和优点将根据实施方式的以下详细描述及所附权利要求书变得显而易见。

一般而言,权利要求书中使用的所有术语都应根据其在技术领域中的普通含义进行解读,除非本文中以其它方式明确定义。所有参考“一/一个/所述要素、设备、部件、元件、步骤,等等”都应被开放性地解读为参考所述要素、设备、部件、元件、步骤、等等的至少一个实例,除非以其它方式明确说明。在线性至旋转传递的应用中描述的齿轮装置的任何构造或特征也可应用于旋转至线性传递(反之亦然)。本文中公开的任何方法的步骤不必以公开的确切顺序执行,除非明确说明。

附图说明

本发明现在通过举例的方式参照附图进行描述,其中:

图1a是根据本发明的第一实施方式的齿轮装置的立体图。图1b和图1c分别是图1a中示出的齿轮装置的侧视图和俯视图。

图2a是根据本发明的第二实施方式的齿轮装置的立体示意图。图2b和图2d分别是图2a中示出的齿轮装置的侧视图,而图2c是俯视图。图3a和图3b是根据本发明的第三实施方式的齿轮装置的立体示意图。图3c和图3e分别是图3a和图3b中示出的齿轮装置的侧视图,而图3d是俯视图。

图4a和图4b至图10a和图10b是齿轮装置的不同例示构造的示意图。针对每对a图和b图,图a是俯视示意图,而图b是示意纵向截面。

图11a至图11c图示了根据一个实施方式的齿轮装置的齿条,其中图11a是俯视图,图11b是纵向截面,而图11c是横截面。

图12是图示可用在根据本发明的齿轮装置中的第一可弹性变形的固定装置的立体图。

图13a至图13c图示了第二可弹性变形的固定装置,其中图13a是侧视图,图13b是立体图,而图13c是纵向截面。

图14a是第三可弹性变形的固定装置的立体图,并且图14b是其横截面立体图。

图15a至图15f图示了第四可弹性变形的固定装置,其中图15a是侧视图,图15b是立体图,而图15c是其纵向截面。图15c是第四固定装置的细节的分解图,图15e是纵向截面,而图15f是其立体图。

图16a至图16c图示了第五可弹性变形的固定装置,其中图16a是侧视图,图16b是立体图,而图16c是其纵向截面。

图17是根据本发明的另一实施方式的齿轮装置的分解图。

图18是图17中示出的齿轮装置的细节的立体图。

图19是对应于图18中示出的细节的立体图并且图示了替代构造。

图20是对应于图18中示出的细节的立体图并且图示了另一替代构造。

图21是对应于图18中示出的细节的立体图并且图示了另一替代构造。

图22是图示可弹性变形的固定装置的细节的立体图。

图23是图示另一可弹性变形的固定装置的细节的立体图。

图24是图示波浪能量转换器的一部分的示意立体图,其包括根据本发明的齿轮装置。

图25是图示图24中示出的波浪能量转换器的放大细节的立体图。

图26a和图26b分别是图24中示出的波浪能量转换器的细节的纵向截面立体图和纵向截面。

图27a至图27c示意性地图示了齿轮装置的另一实施方式,其中图27a是俯视图,图27b是沿着线b-b截取的截面,而图27c是沿着图27a中的线c-c截取的截面。

图28a至图28d示意性地图示了齿轮装置的另一实施方式,其中图28a是俯视图,图28b是仰视图,图28c是对应于28a的视图,其中一些隐藏部件由虚线指示,而图28d是穿过图28a中示出的齿轮装置的中心纵向截面。

具体实施方式

现在,将在下文中参照附图更全面地描述本发明,其中示出了本发明的某些实施方式。然而,本发明可体现为许多不同的形式,并且不应该被解释为限于本文中阐述的实施方式;相反,这些实施方式通过举例的方式来提供,使得本公开将透彻而完整,并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。贯穿说明书,相同的附图标记表示相同的要素。

在该文件中,如果不以其它方式说明,则使用术语和表达的以下定义:小齿轮(pinion)意指与可往复运动齿条的齿侧啮合的嵌齿轮。一级齿轮(primary gear)是借助轴连接到小齿轮的嵌齿轮。二级齿轮(secondary gear)是与一级齿轮啮合的嵌齿轮。三级齿轮(tertiary gear)是借助轴连接到二级齿轮的嵌齿轮。四级齿轮(quaternary gear)是与三级齿轮啮合的嵌齿轮。五级齿轮(quinary gear)是借助轴连接到四级齿轮的嵌齿轮。六级齿轮(senary gear)是与五级齿轮啮合的嵌齿轮,等等。

图1a至图1c图示了根据本发明的第一实施方式的齿轮装置。该齿轮装置包括齿条10,该齿条10具备纵向轴线A并且能沿着其纵向轴线A往复移位。齿条具备第一齿侧11和第二齿侧12。齿侧11、12实质上与纵向轴线A平行地延伸并且相对于彼此地相互布置。在图示的示例中,所述齿是直齿,即垂直于纵向轴线A延伸。然而,齿条还可设置有一个或多个斜齿齿侧。

齿条10还具备与纵向轴线A平行延伸的第三侧13和第四侧14。第三侧13和第四侧垂直于第一齿侧11和第二齿侧12相互地相对于彼此相反布置。齿条10由此具备大致矩形横截面。

两个导板15、16与齿条10的第三侧13和第四侧14平行地布置,用于在垂直于第三侧13和第四侧14的方向上引导齿条的运动。

两个第一小齿轮20'布置在齿条的第一齿侧11处。第一小齿轮的旋转轴线垂直于齿条10的纵向轴线A。第一小齿轮20'与齿条10的第一齿侧11啮合。每个第一小齿轮20'均与第一一级齿轮30'连接,该第一一级齿轮30'布置在相应第一小齿轮20'的第一轴向侧。第一小齿轮20'借助固定装置40固定到相应的第一一级齿轮30',这允许相应的第一小齿轮20'与第一一级齿轮30'之间的有限的相对弹回旋转。固定装置40将在下面更详细地解释。

在第一小齿轮20'的第二轴向侧,每个第一小齿轮20'均连接到第二一级齿轮30”。另外,该连接借助固定装置40完成,这允许第一小齿轮20'与相应的第二一级齿轮30”之间的有限相对旋转。

两个第二小齿轮20”(在图1a至图1c中仅一个可见)布置在齿条10的第二齿侧12处。第二小齿轮20”的旋转轴线垂直于齿条10的纵向轴线A。第二小齿轮20”与齿条10的第二齿侧12啮合。每个第二小齿轮20”均连接到第一一级齿轮30',该第一一级齿轮30'布置在相应的第二小齿轮20”的第一轴向侧。另外,第二小齿轮20”借助固定装置40固定到相应的第一一级齿轮30',这允许相应的第二小齿轮20”与第一一级齿轮30'之间的有限相对弹回旋转。

在第二小齿轮20”的第二轴向侧,每个第二小齿轮20”均连接到第二一级齿轮30”。另外,该连接借助固定装置40完成,这允许第二小齿轮20”与相应的第二一级齿轮30”之间的有限相对旋转。

第一小齿轮20'和第二小齿轮20”成对地布置,使得一个第一小齿轮20'和对应的第二小齿轮20”在齿条10的第一齿侧11和第二齿侧12的正交方向上对准。第一小齿轮20'和第二小齿轮20”都具有相同的直径和模块。另外,第一一级齿轮30'和第二一级齿轮30”都具有相同的直径和模块。一级齿轮30'、30”的直径大于小齿轮20'、20”的直径。相对于齿条10的第一齿侧11和第二齿侧之间的宽度来选择小齿轮和齿轮的直径,使得针对每对第一小齿轮20'和第二小齿轮20”,第一一级齿轮30'在齿条10的第一齿侧11外侧彼此啮合。相应地,每对第一小齿轮20'和第二小齿轮20”的第二一级齿轮30”在齿条10的第二齿侧12外侧彼此啮合。

连接到相应第一小齿轮20'的两个第一一级齿轮30'进一步与同一个第一二级齿轮50'啮合。相应地,连接到相应第二小齿轮20”的两个第二一级齿轮30”与同一个第二二级齿轮50”啮合。第一二级齿轮50'固定到具有第一轴端61'的第一输出或输入轴60',该第一轴端61'远离齿条10布置在齿条10的第一齿侧11外侧。第二二级齿轮50”固定到具有第一轴端61”的第二输出或输入轴60”,该第一轴端61”远离齿条10布置在齿条10的第二齿侧12外侧。

齿轮装置还包括若干轴承70,通过该轴承70将小齿轮20'、20”、一级齿轮30'、30、二级齿轮50'、50”和输出或输入轴60'、60”轴颈连接到齿轮壳体(未示出)。

在根据该第一实施方式的齿轮装置里,第一小齿轮20'和第二小齿轮20”都经由第一一级齿轮30'和第一三级齿轮50'机械地连接到第一输出或输入轴60'。第一小齿轮20'和第二小齿轮20”也都经由第二一级齿轮30”和第二三级齿轮50”机械地连接到第二输出或输入轴60”。由此,所有第一一级齿轮30'也都机械地连接到第一输出或输入轴60',并且所有第二一级齿轮30”都机械地连接到第二输出或输入轴60”。

在齿轮装置用于将施加到齿条10的线性运动或力转化为旋转运动或扭矩的情况下,第一输出或输入轴60'和第二输出或输入轴60”均形成输出轴。当旋转运动或扭矩将被转化为线性运动或力时,第一输出或输入轴60'和第二输出或输入轴60”均形成输入轴。

因为第一小齿轮20'和第二小齿轮20”都机械地连接到相同的输出或输入轴60'、60”,所以齿轮装置总体构成超定系统。然而,上述涉及这样的超定系统的问题通过可弹性变形的固定装置40来消除或至少减少,这允许小齿轮20'、20”与一级齿轮30'、30”之间有限弹性的相对旋转。这些固定装置40允许每个小齿轮20'、20”各自调整其与齿条10的齿侧11、12的接合,使得齿轮装置所传递的载荷被均匀分布到小齿轮20'、20”和齿侧11、12的同时接合的所有齿面。通过这种手段,所有齿面的磨损将实质上相同,由此小齿轮20'、20”可将尺寸设计成具有减小的安全余量。这又导致小齿轮20'、20”由此还有一级齿轮30'、30”和三级齿轮50'、50可能给予比以其它方式所需尺寸更小的尺寸,使得所有载荷与体积和重量之比可显著减小。

由固定装置40实现的扭转弹性还有助于通过齿条10的抵消在其纵向往复运动期间将由齿轮产生在变速箱中的侧向力减少到最小值。由于齿条10的任何不规则形式,齿条10在垂直于相应齿侧11、12的大致方向上施加到小齿轮的力可能在纵向移动齿条期间改变得非常小。然而,所施加力的这种改变通过小齿轮20'、20”各自调整其与齿条10的接合的能力来吸收。通过这种手段,可以将第一小齿轮20'和第二小齿轮20”用作在垂直于第一齿侧11和第二齿侧12的横向方向上引导齿条10的唯一手段。

然而,如果齿条沿着其纵向延伸具备相当大的不规则形状,或者如果齿条严重弯曲,则存在的风险是,一些或所有小齿轮20'、20”偶然将相对于其相应一级齿轮30'、30”到达其最大旋转。然后,扭转柔性可被认为走出低谷。如果发生这种情况,则可弹性变形的固定装置40将不能补偿齿轮系统的超定,使得齿面的磨损可能增加。在这样的应用里,可适当为齿条布置附加引导元件(未示出),该元件限制齿条的弯曲以及齿条在垂直于齿条10的齿侧11、12的方向上的横向运动。

图2a至图2d图示了根据本发明的第二实施方式的齿轮装置。在该实施方式中,齿轮装置包括齿条10,该齿条10具有第一齿侧11和第二齿侧。齿条10具有大致矩形的横截面,并且进一步具备对置的第三侧13和第四侧14。

两个第一小齿轮20'与第一齿侧11啮合,并且两个第二小齿轮20”与第二齿侧12啮合。第一小齿轮20'和第二小齿轮20”均在第一轴向端处固定到第一一级齿轮30'。每个一级齿轮均借助可弹性变形的固定装置41固定到相应的小齿轮20'、20”,这允许一级齿轮30'与相应的小齿轮20'、20”之间的有限弹性的相对旋转。小齿轮20'、20”和一级齿轮30'成对地布置,使得每对均包括共同对准垂直于第一齿侧11和第二齿侧12的法线的第一小齿轮20'和第二小齿轮20”,及其相应一级齿轮30',并且使得每对一级齿轮30'彼此啮合。

二级齿轮50'以可旋转的方式布置在固定到相应第二小齿轮20'的两个一级齿轮30'之间并且与这两个一级齿轮30'啮合。二级齿轮50'固定到输出或输入轴60。输出或输入轴60具备:大体布置在齿条10的第三侧13外侧的第一轴端61;以及大体布置在齿条10的第四侧14外侧的第二轴端62。

通过该齿轮装置,由齿轮装置传递的总载荷被分布在所有第一小齿轮20'与第二小齿轮20”之间。可弹性变形的固定装置41将增强载荷在小齿轮20'、20”和齿条齿侧11、12的同时接合的所有齿面的分布。

在齿轮装置用于将齿条的传入的往复运动转化为输出或输入轴60的旋转运动的情况下,该轴60形成输出轴。诸如发电机(未示出)的负载可连接到每个轴端61、62。优选地,发电机借助布置在相应轴端61、62与发电机之间的相应自由轮(未示出)连接到相应轴端61、62。第一自由轮被布置成在轴60的第一旋转方向上传输轴60的旋转运动,并且在第二相反旋转方向上轴旋转期间自由旋转。第二自由轮被布置成使之在第二旋转方向上传递旋转运动并且在第一旋转方向上自由旋转。通过这种手段,小齿轮20'、20”和一级齿轮30'都在齿条10的两个往复运动期间均匀地参与从齿条10到发电机的载荷传递。

这造成如下优点:小齿轮20'、20”和一级齿轮30'都参与所有载荷传递,由此这些部件的尺寸可减小。另外,通过这样的装置,所有接合齿面都将被均匀磨损。

上述且在图1a至图1c和图2a至图2d中图示的齿轮装置的第一实施方式和第二实施方式分别可被认为构成单级齿轮装置。

图3a至图3e图示了根据本发明的第三实施方式的齿轮装置。该齿轮装置可被认为构成两级齿轮装置。

图3a至图3e中示出的两级齿轮装置包括具有大致矩形横截面的齿条10。齿条10具备对置的第一齿侧11和第二齿侧12以及对置的第三无齿侧13和第四无齿侧14。齿轮装置可基本上被认为包括图2a至图2d中图示类型的两个齿轮装置。齿轮装置包括与第一齿侧11啮合的四个第一小齿轮20',并且包括与第二齿侧12啮合的四个第二小齿轮20”。每个小齿轮20'、20”均在对应轴向端处借助可弹性变形的固定装置42连接到一级齿轮30',这允许一级齿轮30'与相应的小齿轮20'、20”之间有限弹性的相对旋转。小齿轮20'、20”成对地布置,使得每对均包括沿着垂直于齿条10的齿侧11、12的相应线对准的第一小齿轮20'和第二小齿轮20”。连接到每对的相应第一小齿轮20'或第二小齿轮20”的一级齿轮30'彼此啮合。齿轮装置由此包括四对小齿轮和一级齿轮组件,其中每对的一级齿轮30'均彼此啮合。

齿轮装置进一步包括两个二级齿轮50'。二级齿轮50'被布置成使得每个二级齿轮50'均与借助固定装置42连接到相应第二小齿轮20”的两个一级齿轮30'啮合。每个二级齿轮50'均借助二级齿轮轴71连接到三级齿轮75。齿轮轴71横跨齿条10延伸,使得二级齿轮50'大体布置在齿条的第三侧外侧,而三级齿轮75大体布置在齿条10的第四侧14外侧。通过这种手段可以实现齿轮装置关于齿条的纵向轴线的增加对称性。

四级齿轮85大体布置在两个三级齿轮75之间并且与两个三级齿轮75啮合。四级齿轮85固定到具备第一轴端61和第二轴端62的输出或输入轴60。轴端61、62大体布置在齿条10的对置无齿侧的外侧,并且可连接到相应负载或驱动元件(未示出)。

该齿轮装置由此构成两级齿轮装置,其中由装置传递的载荷被均匀分布在所有八个小齿轮20'、20”与所有八个一级齿轮30'之间。由此,该实施方式可在重载荷被传递并期望保持小齿轮20'、30”和一级齿轮30'的尺寸较小时使用。一级齿轮30'与二级齿轮50'之间的直径差构成第一齿轮级,并且三级齿轮75与四级齿轮85之间的直径差构成第二齿轮级。通过改变这些直径差,可以实现各种传动比。

在图3a至图3e中示出的实施方式中,所有八个一级齿轮都借助可弹性变形的固定装置连接到相应的第一或第二小齿轮。然而,六个一级齿轮相对于其小齿轮以扭转柔性的方式布置是足够的。在这样的情况下,向每个二级齿轮传递扭矩的四个一级齿轮中的三个应该借助可弹性变形的固定装置固定到其小齿轮。

图1a至图1c和图3a至图3e中示出的实施方式还可以组合。在图中未示出的实施方式中,齿轮装置包括八个小齿轮,这八个小齿轮被分成与齿条的第一齿侧啮合的四个第一小齿轮,以及与齿条的第二齿侧啮合的四个第二小齿轮。每个第一小齿轮和第二小齿轮均被固定到布置在第一小齿轮和第二小齿轮的第一轴向侧的第一一级齿轮。

每个第一小齿轮和第二小齿轮均还固定到布置在第一小齿轮和第二小齿轮的第二轴向侧的第二一级齿轮。正如图3a至图3e,小齿轮成对地布置,使得每对均包括沿着齿条齿侧的法线对准的第一小齿轮和第二小齿轮。该齿轮装置进一步包括两个第一二级齿轮,这两个第一二级齿轮均与固定到相应第一小齿轮的两个第一一级齿轮啮合。两个第二二级齿轮被布置成使得每个二级齿轮均与固定到相应第二小齿轮的两个第二一级齿轮啮合。每个第一二级齿轮均经由一轴连接到相应第一三级齿轮,并且每个第二二级齿轮均经由一轴连接到第二三级齿轮。两个第一三级齿轮与一第一四级齿轮啮合,并且两个第二三级齿轮与一第二四级齿轮啮合。以这种方式,齿轮装置形成包括八个小齿轮、十六个一级齿轮、四个二级齿轮、四个三级齿轮和两个四级齿轮的对称齿轮装置,其中载荷在八个小齿轮之间分布,其中四个小齿轮与齿条的一个齿侧啮合,并且四个小齿轮与齿条的另一齿侧啮合。

所有一级齿轮都可借助可弹性变形的固定装置固定到其相应的小齿轮。然而,即使仅十二个一级齿轮借助可弹性变形的固定装置连接到其相应的小齿轮,本发明的优点也可令人满意地实现。在这样的情况下,向每个二级齿轮传递扭矩的四个一级齿轮中的三个应该借助可弹性变形的固定装置固定到其小齿轮。

根据该齿轮装置的第一变型,两个四级齿轮连接到同一个输出或输入轴。输出或输入轴可包括连接到旋转负载或旋转驱动元件(诸如马达)的一个或两个轴端。根据第二变型,每个四级齿轮均可连接到相应旋转负载或旋转驱动元件。图4a至图4b到图10a至图10b是图示本发明的齿轮装置的一些其它实施方式的基本原理的示意图。对于每个图标,图a是对应于图1b的示意性侧视图,而图b是在相应图a的线b-b处截取的横截面。

图4a和图4b示意性地图示了一个非常简单的实施方式,并且包括相当少的部件。齿轮装置包括能沿着其纵向轴线往复移动的齿条110。齿条110具备第一齿侧(为齿侧111)和无齿的第二侧112。两个第一小齿轮120'被布置成使得它们与第一齿侧111啮合。每个第一小齿轮均借助可弹性变形的固定装置140连接到相应的一级齿轮130',这允许第一小齿轮120'与相应一级齿轮130'之间的有限相对旋转。每个第一小齿轮120'均旋转地固定到相应的第一轴121,并且每个一级齿轮130'均借助固定装置140固定到相应的第一轴121。

二级齿轮150布置在一级齿轮130'之间并且与两个一级齿轮130'啮合。如图4b中看到的,一级齿轮130'和二级齿轮150布置在齿条下方。二级齿轮150固定到输出或输入轴160。输出或输入轴160延伸经过齿条110并且具备第一轴端,如图4b中看到的,该第一轴端布置在齿条110上方。齿轮装置被容纳在齿轮壳体200中。第一轴121和输出或输入轴160用轴承170轴颈连接到齿轮壳体200。

与先前描述的实施方式相反,该实施方式不包括布置在齿条的第二侧处的任何第二小齿轮。相反在该实施方式中,一对侧支撑构件125布置在齿条110的无齿第二侧112处并且与齿条110的无齿第二侧112支撑接触。每个侧支撑构件125均沿着垂直于第一齿侧111和第二无齿侧112的线与对应的第一小齿轮120'对准。在齿条110的往复运动期间,侧支撑构件125在远离第二无齿侧112的正交方向上以支撑的方式引导齿条110。

如先前的实施方式中,第一小齿轮120'充当齿条在远离齿条110的第一齿侧111的正交方向上的引导元件。鉴于借助固定装置140实现的扭转柔性,齿条110朝向第一小齿轮120'的某一些移动以及形状不规则可被扭转柔性吸收,从而促进齿条110的平滑往复延伸。该实施方式的侧支撑构件125将暴露至比用在双面应用中的任何附加引导元件显著更高的力,其中与齿条的相反侧啮合的第一小齿轮和第二小齿轮吸收了横向力的重要部分。

在图5a至图5b图示的实施方式中,齿条110具备第一齿侧111和第二无齿侧112,该第二无齿侧112被布置成与第一齿侧111相反。三个第一小齿轮120'布置成与第一齿侧111啮合接触。两个最外第一小齿轮120'与相应的旋转侧支撑构件125协作,以上述参照图4a和图4b的对应方式在横向方向上引导并支撑齿条。

每个第一小齿轮120均借助相应的第一轴121和相应的可弹性变形的固定装置140连接到相应的一级齿轮130',这允许第一小齿轮120'与相应一级齿轮130'之间的有限相对旋转。二级齿轮150布置在每个一级齿轮130'之间,使得每个二级齿轮均与两个相邻的一级齿轮130'啮合。每个二级齿轮150均固定到输出或输入轴160。两个输出或输入轴160延伸经过齿条110并且具备相应的轴端161,如图5a中看到的,该轴端161布置在齿条110上方。该齿轮装置由此包括两个输出或输入轴160,该输出或输入轴160可连接到相应或共同的载荷或驱动元件(未示出)。

在图6a至图6b图示的实施方式中,齿条110具备第一齿侧111和第二无齿侧。正如上文参照图4a至图4b和图5a至图5b描述的,齿条110借助两个第一小齿轮120'和两个旋转的侧支撑构件125在横向方向上被引导并支撑。

齿轮装置包括与齿条110的齿侧111啮合的四个第一小齿轮120'。每个第一小齿轮120均借助相应的第一轴121和相应可弹性变形的固定装置140连接到相应的一级齿轮130',这允许第一小齿轮120'与相应的一级齿轮130'之间的有限相对旋转。如图6b中看到的,二级齿轮布置在齿条110下方。二级齿轮150布置在每个一级齿轮130'之间,使得每个二级齿轮均与两个相邻的一级齿轮130'啮合。两个最外二级齿轮150固定到相应的齿轮轴131,该齿轮轴131用轴承轴颈连接到壳体200。居中布置的第二齿轮旋转地固定到输出或输入轴160,该输出或输入轴160从中央二级齿轮130'延伸经过齿条,并且在齿条110上方具备可能连接到负载或驱动元件(未示出)的轴端。在该实施方式中,固定到齿轮轴131的二级齿轮130'充当驱动器,将扭矩和旋转运动从最外一级齿轮130'传递到相应一个最内一级齿轮130'(反之亦然)。最内一级齿轮130'又将扭矩和旋转运动传递到输出或输入轴160,或者从输出或输入轴160传递扭矩和旋转运动。由此在该实施方式中,载荷在与齿条的单个齿侧111啮合的四个小齿轮120'间分割,并且齿轮装置可用于将力或扭矩和运动在单个齿条110与单个输出或输入轴160之间传递。

在图7a至图7b图示的实施方式中,齿轮装置包括齿条210,该齿条210具备第一齿侧211和布置成与第一齿侧211相反的第二齿侧212。两个第一小齿轮220'与第一齿侧211啮合,并且两个第二小齿轮220”与第二齿侧212啮合。第一小齿轮220'和第二小齿轮220”被布置成如上文参照图2a至图2d中图示的实施方式描述地引导齿条。图7a至图7b中图示的实施方式的功能和工作原理还对应于图2a至图2d中示出的实施方式,除了图7a至图7b中图示的实施方式的输出或输入轴仅具有可连接到负载或驱动元件的一个轴端。因此,该实施方式在此未更具体地描述。

在图8a至图8b图示的实施方式中,齿条210具备第一齿侧211和第二齿侧212。四个第一小齿轮220'与第一齿侧211啮合,并且四个第二小齿轮220”与第二齿侧212啮合。第一小齿轮220'和第二小齿轮220”成对地布置,使得每对第一小齿轮和第二小齿轮均沿着第一齿侧和第二齿侧的法线对准。每个第一小齿轮220'和第二小齿轮220”均借助可弹性变形的固定装置240固定到相应的一级齿轮230'。所有一级齿轮230'布置在相应第一小齿轮和第二小齿轮的对应轴向侧,使得如图8b中看到的,所有一级齿轮都布置在齿条210下方。每对第一小齿轮220'和第二小齿轮220”的一级齿轮230'彼此啮合。二级齿轮250布置在借助固定装置240连接到第一小齿轮220'的每个一级齿轮230'之间。每个二级齿轮250均与将它布置在其间的两个相邻一级齿轮230'啮合。每个二级齿轮均旋转地固定到相应的输出或输入轴160。所有输出或输入轴160都延伸经过齿条210并且具备可连接到负载或驱动元件的相应自由轴端161。因此,在该实施方式中,待传递的载荷被所有八个小齿轮220'、220”分割,并且齿轮装置可用于在单个齿条与三个输出或输入轴160之间传递运动和扭矩或力。所有小齿轮220'、220”和所有一级齿轮230'都有助于将运动和力或扭矩传递到所有三个输出或输入轴160,或者从所有三个输出或输入轴160传递。

图9a至图9b中图示的实施方式在很大程度上对应于图8a至图8b中图示的实施方式。差异仅在于,最外二级齿轮351并非旋转地固定到输出或输入轴。相反,这两个最外二级齿轮351固定到相应的齿轮轴231并且与参照图6a至图6b描述的内容对应地充当驱动器。在图9a至图9b图示的实施方式中,所有的运动和扭矩或力都由此传递到单个输出或输入轴160或者从单个输出或输入轴160传递,并且处于该原因,该输出或输入轴图示以比图8a至图8b中图示的输出或输入轴更大的直径。

图10a至图10b中图示的实施方式又在很大程度上与图3a至图3e中图示的实施方式对应。在该实施方式中,齿轮装置包括齿条510,该齿条510具有第一齿侧511和第二齿侧512。所述装置进一步包括四个第一小齿轮520'、四个第二小齿轮520”、八个一级齿轮530'、两个二级齿轮550、两个三级齿轮570和一个四级齿轮580,该四级齿轮580旋转地固定到具备第一轴端561和第二轴端562的输出或输入轴560。主要布置和运作对应于参照图3a至图3e的描述内容,并且在此不进一步详细地描述。

然而,图10a至图10b中图示的实施方式不同之处在于,其包括用于限制齿条的横向运动的附加元件。这些元件进一步详细地图示在图11a至图11c中。齿条510具备两个纵向沟槽515,在齿条的每个上侧513和下侧514中布置一个。齿条的上侧513和下侧514指的是相互平行且正交于横向第一侧511和第二侧512(如图11c中示出)的侧。然而,取决于齿轮装置的取向,齿条可在使用中不同地取向,使得侧513和514不会事实上形成上端下侧。齿轮壳体500设置有三对线性引导元件,其采取突出轴凸501的形式。每个轴凸501均固定到齿轮壳体并且延伸到相应的沟槽515中。轴凸501中的三个由此接收在布置于上侧513中的沟槽515之中,并且三个轴凸501接收在布置于下侧514中的沟槽515之中。通过轴凸501的侧面与沟槽515的对应壁之间的接触,齿条在垂直于齿条的第一侧511和第二侧512的横向方向上被引导。在图10a和图11a至图11c示出的实施方式中,轴凸501以紧密配合被接收在沟槽515中,使得精确引导得以实现。然而,还可以为轴凸在沟槽中布置一定的游隙。通过这种手段,线性引导元件将形成一种终端止挡,这允许齿条的某些有限横向运动。在两个替代例中,通过上述小齿轮的扭转柔性实现的齿条的横向引导将大大减少由线性引导元件(即轴凸501和沟槽501的壁)吸收所需要的横向力。

图27a至图27c示意性地图示了齿轮装置的另一实施方式。在此,齿轮装置包括双面齿条610。两个第一小齿轮620'与齿条610的第一齿侧啮合,并且两个第二小齿轮620”与相反于第一齿侧的第二齿侧啮合。在该实施方式中,第一小齿轮620'未沿着法线与相应第二小齿轮620”对准。相反,第一小齿轮620'沿着齿条610的纵向方向相对于第二小齿轮620”稍微移位。每个第一小齿轮和第二小齿轮均固定到布置在小齿轮的第一轴向侧的第一一级齿轮630',并且固定到布置在小齿轮的第二轴向侧的第二一级齿轮630”。固定到第一小齿轮的每个第一一级齿轮630'均与固定到第二小齿轮的第一一级齿轮啮合,并且固定到第一小齿轮的每个第二一级齿轮均与固定到第二小齿轮的第二一级齿轮啮合。

第一二级齿轮650'被布置成使之与固定到第一小齿轮620'的第一一级齿轮630'啮合,并且与固定到第二小齿轮的第一一级齿轮630'啮合。第二二级齿轮650”相应地布置成使之与固定到第一小齿轮620'的第二一级齿轮630”啮合,并且与固定到第二小齿轮620”的第二一级齿轮630”啮合。每个二级齿轮650'、650”均固定到相应的输出或输入轴660'、660”,该输出或输入轴660'、660”可连接到相应的旋转负载或驱动元件690'、690”。

至少第一一级齿轮中的三个和第二一级齿轮中的三个借助可弹性变形的固定装置固定到相应的小齿轮。

如图27a中最佳看到的,该装置导致Z形啮合构造,其中如图27a中看到的,左上二级齿轮与右上二级齿轮啮合,右上二级齿轮又在齿条上与第二二级齿轮啮合。第二二级齿轮进一步与左下二级齿轮啮合,左下二级齿轮同样还与右下二级齿轮啮合。对应的Z形啮合构造还由第一一级齿轮和第一二级齿轮形成。

通过这种手段,每个输出或输入轴的载荷被均匀分布到所有四个小齿轮。另外,鉴于第一小齿轮与第二小齿轮之间的相对纵向位移,一级齿轮的直径可增加而不干扰相邻的一级齿轮。所述相对位移越大,越可以增加一级齿轮的直径。这反过来得到的优点是,齿轮装置的更大的总传动比可在有限的齿轮级数下实现。此外,一级齿轮的直径增加方便布置可靠弹性柔性的固定装置(或整合有相应的一级齿轮)。还增强了提供较大扭转柔性的可能性并且允许以高的准确性进行更大的相对旋转。

齿轮装置的另一实施方式示意性地图示在图28a至图28d中。在该实施方式中,齿条710设置有第一齿侧和第二齿侧。两个第一小齿轮720'与第一齿侧啮合,并且两个第二小齿轮720”与第二齿侧啮合。

如图28a和图28c中看到的,在齿条610上方,一个第一小齿轮固定到布置在所述小齿轮的第一轴向侧的第一一级齿轮。另一个第一小齿轮在小齿轮的轴向侧(对应于相对于设置有第一一级齿轮的小齿轮的第二轴向侧)固定到第二一级齿轮,使得第二一级齿轮布置在齿条610下方。以对应的方式,一个第二小齿轮720”固定到布置在齿条上方的第一一级齿轮730',并且一个第二小齿轮720”固定到布置在齿条710下方的第二一级齿轮730”。第一二级齿轮705'布置在齿条710上方,使之与两个第一一级齿轮730'啮合,并且第二二级齿轮750”布置在齿条下方,使之与两个第二一级齿轮730”啮合。

第一二级齿轮750'固定到第一输出或输入轴760',该第一输出或输入轴760'可连接到旋转负载或驱动元件790'。第二二级齿轮750”固定到第二输出或输入轴760”,该第二输出或输入轴760”可连接到第二旋转负载或驱动元件790”。

至少第一一级齿轮中的一个和第二一级齿轮中的一个借助上述可弹性变形的固定装置连接到其相应的小齿轮。

该实施方式由此提供了节省空间的齿轮装置,其包括数目相当少的构成部件。

图17至图21b图示了布置线性引导元件的替代方式。图17是齿轮装置大体对应于图3a至图3b中示出的齿轮装置时的分解图。然而,在图17中,还图示了齿轮壳体和线性引导元件。该齿轮装置由此包括齿轮壳体1200,该齿轮壳体1200包括由铸铁形成的整块主体12001。齿轮壳体还包括紧固到主体1201的上端下盖板(未示出)。纵向延伸的中央齿条通道1202布置在主体1201中。具备第一齿侧(隐藏)和第二齿侧1012的齿条1010线性往复地接收在齿条通道1202中。主体1201设置有若干凹部1203,用于接收小齿轮和轴(设置有二级齿轮和三级齿轮)。更具体地,齿轮装置包括与齿条1010的第一齿侧啮合的四个一级齿轮1020',并且包括与齿条1010的第二齿侧1012啮合的四个第二小齿轮1020”。每个小齿轮1020'、1020”均借助相应可弹性变形的固定装置1042固定到相应的一级齿轮1030'。一级齿轮1030'在齿条1010上成对地啮合。两个二级齿轮1050'啮合,每个均与固定到相应第二小齿轮1020”的两个不同的一级齿轮1030'啮合。每个二级齿轮1050'均借助相应的二级齿轮轴1071旋转地固定到相应的三级齿轮1070。两个三级齿轮1070与旋转地固定到输出或输入轴1060的四级齿轮1080啮合,该输出或输入轴1060具备第一轴端1061和第二轴端1062。如图17中看到的,根据该实施方式,四级齿轮1080借助花键固定到输出或输入轴1060。

参照图17和图18a至图18b,根据该实施方式的线性引导元件包括上导杆1021和下导杆1022。每个导杆均纵向地沿着齿条1010的整个活动长度延伸,并且通过被接收在沟槽1023、1034(分别布置在齿条1010的上侧面和下侧面中)中而固定到齿条。上杆1021在齿条通道1202上方被接收在三个上引导构件1221中,该上引导构件1221沿纵向对准并且被接收在布置在主体1201中的对应上凹部1222之中。相应地,下杆1022在齿条通道1202下方被接收在三个下引导构件1225中,该下引导构件1225沿纵向对准并且被接收在布置在主体1201中的对应下凹部1226之中。对于每对上凹部1222和下凹部1226,凹部的壁在单个加工操作中高精确地加工,使得上引导构件1221和下引导构件1225在被接收于相应凹部中时准确地对准。上引导构件1221借助相应的阻挡构件1227进一步维持在上凹部1222中,该阻挡构件1227借助螺栓1228紧固到主体1201。

上引导构件1221设置有纵向延伸的引导凹部1229。引导凹部1229的横截面准确对应于上导杆1021的横截面,并且上导杆可纵向滑动地被接收于上引导凹部1229中。相应地,下引导构件1225设置有纵向延伸的引导凹部1230。这些引导凹部1230的横截面准确对应于下导杆1022的横截面,并且下导杆1022可纵向滑动地被接收于下引导凹部1230中。

通过这种手段,齿条1010可在齿条通道1202中线性往复地移动。上导杆1021和下导杆1022与对应引导构件1221、1225的引导凹部的滑动接合确保齿条在正交于齿条1010的纵向轴线的所有方向上的准确引导。在该构造中,引导构件还确保旋转引导。另外,由上述扭转柔性的小齿轮实现的侧向引导确保作用在导杆和引导构件上的侧向力被限制,由此增加整个装置的使用寿命。通过在导杆1021、1022与引导构件1221、1225之间布置一定的游隙,即通过使导杆的横截面宽度稍微小于引导凹部1229、1230的横截面宽度,可以允许侧向方向有一定的游隙。通过这种手段,引导构件1221、1225将充当止挡件,仅允许齿条1010一些有限的侧向移动。

图19a至图19b图示了布置线性引导元件的替代方式。图19a至图19b中示出的截面对应于图18a至图18b中示出的截面。在该实施方式中,齿条2010设置有上引导凹部2021和下引导凹部2022。两个引导凹部2021、2022沿着齿条2010的整个活动长度延伸。齿条2010能在齿条通道2202中线性移动,该齿条通道2202布置在齿轮壳体2200的主体2201中。三个上引导构件2221(仅示出一个)布置在相应的上凹部2222中,该上凹部2222布置在主体2201中。相应地,三个下引导构件2225(仅示出一个)布置在相应的下凹部2226中,该下凹部2226布置在主体2201中。上引导构件2221和下引导构件2225设置有突出到齿条2010的相应凹部2021、2022中的纵向凸缘2229、2230。上引导构件2221借助固定螺栓和螺母装置2228固定在相应凹部2222中并且固定到主体2201。在该实施方式中,横向引导通过凸缘2229、2230与引导凹部2021、2022之间的滑动接合实现。如在参照图18a至图18b的上述实施方式中,引导凹部2021、2022和凸缘2229、2230的横截面可选择为实现刚性引导或允许一些横向游隙。

图20a至图20b图示了包括旋转引导元件的实施方式。在该实施方式中,将第一小齿轮3020'和第二小齿轮3020”与相应可弹性变形的固定装置3042和一级齿轮3030'相连的小齿轮轴3021设置有上引导滚子轴承3221和下引导滚子轴承3225。齿条3010设置有上纵向凸缘3021和下纵向凸缘3022。凸缘在齿条2010的整个活动长度上延伸。每个凸缘3021、3022均具备远离彼此面向侧向的两个对置的引导表面。每个引导滚子轴承3221、3225均布置成与凸缘3021、3025的相应引导表面滚动接触。在该实施方式中,齿条的横向引导由此通过引导滚子轴承3221、3225与齿条3010的相应引导表面之间的滚动接触来提供。该实施方式带来的优点是在齿条3010的往复运动期间减少引导摩擦。

图21a至图21b图示了替代旋转引导元件。在该实施方式中,齿条4010能在齿条通道4202中往复移动,该齿条通道4202布置在齿轮壳体的主体4201中。齿条4010具备纵向延伸的上凹部4023和下凹部4024。上纵向导杆4021布置在上凹部4023中,并且下导杆4022布置在下凹部4024中。每个导杆4021、4022均具备在远离齿条4010的方向上渐缩的横截面。通过这种手段,每个导杆4021、4022均具备两个倾斜引导表面。所述装置进一步包括三个上导轮4221和三个下导轮4225(每种图中仅示出一个)。导轮4221、4225旋转地布置在相应的螺栓和螺母装置4228上,该螺栓和螺母装置4228紧固到齿轮壳体的主体4201。轮在齿条通道4202上方和下方进一步被接收于布置在主体4201中的对应凹部之中。

每个导轮4221、4025的周向表面具备带倾斜侧壁的沟槽,使得轮4021、4025的横截面在沟槽的区域中具备对应于导杆4021、4022的横截面的形状。如图中看到的,上导杆4021和下导杆4022被接收于相应导轮4221、4225的周向沟槽中,使得杆和轮的倾斜表面被布置成彼此引导接触。通过这种手段,实现了齿条4010在正交于齿条4010的纵向轴线的所有方向上的精确而准确引导。如上文刚刚描述的实施方式中,该旋转引导减少了齿条4010的线性运动期间的摩擦。

如上所述,本发明的所有实施方式都包括可弹性变形的固定装置,通过该可弹性变形的固定装置将小齿轮固定到一级齿轮。可弹性变形的固定装置被布置成允许小齿轮与一级齿轮之间有限弹性的相对旋转。在下文中,将描述这样的固定装置的不同实施方式。

可弹性变形的固定装置包括可相对于小齿轮旋转地固定的第一部分或第一部,并且包括可相对于一级齿轮旋转地固定的第二部分或第二部。第一部分或第一部借助可弹性变形材料机械地连接到第二部分或第二部。

图12图示了根据第一实施方式的这样的固定装置。在该实施方式中,固定装置1400与一级齿轮1030一体地形成,该一级齿轮1030具备带齿的外周部1031。固定装置1400包括内环形部1410,该内环形部1410设置有中央轴向延伸的柱形通孔1411。通孔1411可接收轴(未示出),小齿轮(未示出)旋转地固定到该轴。形成固定装置的第一部的内环形部1410可由此通过将内环形部1410旋转地固定到轴而相对于小齿轮旋转地固定。这样的固定可通过例如收缩配合、压入配合、花键或任何其它的固定元件来完成。固定装置1400进一步包括中间部1430,该中间部1430同心地布置在内环形部1410的外侧。中间部1430被若干轴向延伸的通开口1431穿透,该通开口1431以大致固定的间距分布在中间部1430周围。外环形部1420同心地布置在中间部1430的外侧。外环形部1420与一级齿轮的带齿周向部1031一体地形成。外环形部1420由此相对于一级齿轮1030的带齿周向部旋转地固定并且形成固定装置的第二部。

通开口1431进一步限定对应数目的径向延伸的轮辐1432。在图12示出的示例中,固定装置包括均匀分布在中间部1430周围的15个大致十字形轮辐1432。整个一级齿轮1030以及由此的固定装置1400由具备合适拉伸模量的钢制成。如容易理解的,因通开口1431导致的材料减少使得中间部1430被配置成以比第一部1410和第二部1420小的扭矩弹性变形。施加在第一部1410与第二部1420之间的扭矩将由此导致轮辐436在周向方向上弹性弯曲,由此实现了第一部1410与第二部1420之间的相对旋转。

图13a至图13c图示了可弹性变形的固定装置2400,其主要以与图12中图示的装置1400相同的方式作用,但具有稍微不同的几何构造。图13a至图13c示出了小齿轮2020,其可以是第一小齿轮或第二小齿轮。即小齿轮2020可布置成与齿轮装置中的齿条的第一齿侧或第二齿侧啮合。小齿轮2020旋转地固定到小齿轮轴2090。这种固定可例如通过收缩配合、压配合或任何其它合适的元件来完成。小齿轮轴2090沿轴向延伸过小齿轮2020的两个轴向端。第一滚子轴承2071在小齿轮2020的第一轴向侧(如图中看到的,在小齿轮上方)附接至小齿轮轴2090。第二滚子轴承2072在小齿轮的第二轴向侧(如图中看到的,在小齿轮下方)固定到小齿轮轴2090。可弹性变形的固定装置2400在第一滚子轴承2071的与小齿轮2020相反的那一侧固定到小齿轮轴2090。由此,固定装置2400布置在小齿轮20的第一轴向侧。

固定装置2400包括内环形部2410,该内环形部2410构成固定装置的第一部。第一部2410具备沿轴向延伸的通孔2411,该通孔2411接收小齿轮轴2090。第一部2410通过收缩或压配合到小齿轮轴2090上而旋转地固定到小齿轮轴2090。正如图12示出的实施方式中,固定装置的中间部包括若干径向延伸的轮辐2433,该轮辐2433将第一部2410与外环形部2420相连,该外环形部2420同心地布置在第一部2410的外侧并且构成第二部2420。第二部2420与一级齿轮2030一体地制成并且在其外筒面处具备轴向延伸的齿(形成一级齿轮齿)。因为一级齿轮2030布置在图13a至图13c中示出的小齿轮2020、一级齿轮2030的第一轴向侧,并且因为没有一级齿轮布置在小齿轮的另一轴向侧,所以该一级齿轮构成第一一级齿轮。

图13a至图13c中示出的装置包括小齿轮2020、小齿轮轴2090、一级齿轮2030和固定装置2400,基本上与参照图12如上所述的部件对应地工作。然而,图13a至图13c中图示的轮辐2433稍微弱于图12中示出的,并且图12a至图12c中示出的固定装置从而具备更高的相对旋转与扭矩比。

图14a至图14b图示了可弹性变形的固定装置3400的另一变型。该固定装置3400包括内环形毂3401,该毂3401被布置成旋转地固定到小齿轮轴(未示出)。环形第一部分3410旋转地固定到毂3401。第一部分3410包括接收毂3401的中央柱形套筒部3412,并且包括径向向外延伸的盘部3413。若干轴向延伸的通开口3414布置在盘部3413中。

固定装置进一步包括第二部分3420,该第二部分3420包括环形盘3421,该盘3421设置有轴向延伸的外环形凸缘3422。盘3421的周向表面3423设置有轴向延伸的一级齿轮齿。固定装置的第二部分3420由此与一级齿轮一体地形成。第一部分3410的盘部3413由第二部分3420的环形凸缘3422同心地接收。第二部分3420的盘部3421设置有轴向延伸的柱形通开口3424。每个开口3424均与第一部分3410的相应开口3414沿轴向对准。

具备头部3431和杆部3432的固定构件3430插入穿过每个开口3414。头部3431抵靠盘部3414的下侧(如图中看到的),并且杆部3432延伸到环形盘3421的相应开口3424中并且大致全程穿过环形盘3421的相应开口3424。柱形中间套筒3433同心地布置在杆部3432的外侧。采取套筒形式的弹性构件3440同心地布置在每个中间套筒3433与第二部分3420的盘部3421的相应柱形开口3424的内壁之间。在例示的示出示例中,弹性构件3440由柱形橡胶套筒构成。每个弹性构件3440均以紧密配合布置在相应的开口3424中和相应的中间套筒3433上。

当扭矩施加到小齿轮与一级齿轮之间(即固定装置的第一部分3410与第二部分3420之间)时,作用在具有套筒3433的固定构件3430与第二部分3420的通开口3424的相应内壁之间的切向力将导致弹性构件3440被沿径向弹性压缩。从而,允许第一部分3410与第二部分3420之间的有限相对旋转。与上文所述对应,弹性构件470的数目和尺寸以及其弹性属性关于待传输的总载荷来选择,使得待施加到弹性固定装置的最大扭矩导致第一部分与第二部分之间(从而,小齿轮与旋转地固定到其上的一级齿轮之间)合适的相对旋转。固定装置的该实施方式造成某些优点:弹性构件将主要经受压缩力。从而,因剪切弹性材料导致的材料破裂的风险被保持为最小值。

图15a至图15f图示了可弹性变形的固定装置4400的另一变型。该变型基本上具备与图14a至图14b中示出的整合有可压缩弹性套筒的固定装置相同的工作原理。然而,在该变型中,固定装置未整合有一级齿轮并且与一级齿轮轴向分离地布置。

如图15a至图15c中示出的,小齿轮4020旋转地固定到小齿轮轴4090。在小齿轮4020的第一轴向侧,一级齿轮4030借助滚子轴承4091固定到小齿轮轴4090,使得一级齿轮4030可相对于小齿轮轴4090和小齿轮4020旋转。小齿轮轴还设置有滚子轴承4070,借助该滚子轴承4070将小齿轮轴4090轴颈固定到齿轮壳体(未示出)。同心地布置在一级齿轮4030内侧的小齿轮轴端设置有轴向延伸的凹部92,该凹部92设置有内部花键。可弹性变形的固定装置4400包括第一部分4410(形成为毂4411)和轴向延伸的轴4412。轴4412设置有外部花键。轴4412接收于凹部92中,使得借助协作的内部花键和外部花键将第一部分相对于小齿轮轴4090旋转地固定。毂4411具备三个轴向延伸的柱形通孔4413。三个轴向延伸的凹部4414布置在毂的周向表面中。

固定装置还包括形成第二部分4420的若干部件。这些部件包括三个距离构件4421、第一环形盘4422、第二环形盘4423、六个固定螺栓4424和若干垫圈。每个距离构件4421均接收于相应的凹部4414中并且设置有两个轴向延伸的通孔。距离构件4421接收于凹部4414中,在毂4411的周向方向上具有一定的游隙。盘4423、4424布置在毂4411的相应轴向端处。第二部分4420借助固定螺栓4424旋转地固定到一级齿轮30。每个螺栓4424均延伸穿过第一盘4422、距离构件4421和第二盘4423中的相应孔,并且螺纹接合于一级齿轮30的相应轴向延伸的孔(设置有内螺纹)中(图15a至图15c)。

固定装置4400进一步包括形成为柱形套筒4431的三个可弹性变形构件4430。每个可变形构件4430均压配合到相应的固定杆4432上。每个固定杆4432均包括两个接合端和直径大于接合端的中间部。每个可变形构件4430均压配合到毂的相应通孔4413中。每个固定杆4432的第一端接合于相应的固定孔4422a中,该固定孔4422a布置在第一盘4422中。每个固定杆4432的第二端接合于第二盘4423的相应固定孔4423a中。

与图14a至图14b中示出的实施方式对应,第二部分4420在可弹性变形构件4430的压缩下相对于第一部分4410限制性地旋转。在该实施方式中,相对旋转进一步被距离构件4421与相应凹部4414(布置在第一部分4410的毂4411中)之间周向方向的游隙限制。

图16a至图16c图示了可弹性变形的固定装置5400的另一变型。小齿轮5020旋转地固定到小齿轮轴5090。在小齿轮5020的第一轴向侧,一级齿轮5030借助滚子轴承5091固定到小齿轮轴5090,使得一级齿轮5030可相对于小齿轮轴5090和小齿轮5020旋转。小齿轮轴5090还设置有滚子轴承5070,借助该滚子轴承5070将小齿轮轴5090轴颈固定到齿轮壳体(未示出)。小齿轮轴的端部5090a在远离小齿轮的方向上从一级齿轮30延伸。端部5090a具备比小齿轮轴5090的其它轴向部小的直径。一级齿轮5030借助可弹性变形的固定装置5400连接到小齿轮轴5090的端部5090a。固定装置5400形成为同心地布置在小齿轮轴5090的突出端部5090a外侧的中空构件。固定装置5400包括第一部5410,该第一部5410包围端部5090a的自由端并且与之旋转地固定。固定装置的第二部分5420形成为借助轴向延伸的螺栓(未示出)旋转地固定到一级齿轮5030的环形凸缘。第二部分5420借助固定装置5400的可弹性变形部5430连接到第一部5410。可弹性变形部5430形成为柱形套筒,与第一部5410和第二部5420形成单件。可弹性变形部围绕端部5090a同心地延伸并且具备相当薄的材料(形成套筒壁)。在示出的实施方式中,当扭矩施加到固定装置5400的第一部5410和第二部5420之间时,整个固定装置5400是扭转地伸展的中间可弹性变形部5430。第二部5420以及从而的一级齿轮5030从而允许相对于第一部5410和小齿轮5020旋转。通过选择可弹性变形部5430的材料和尺寸,可以确定关于待施加的最大扭矩的最大相对旋转。在示出的例示实施方式中,整个固定装置5400由钢合金制成。然而,用于低扭矩应用的其它材料(诸如铝、复合材料和聚合物)也是可以的。

图16a至图16c中示出的固定装置可通过选择小齿轮轴5090的端部5090a的材料和尺寸而改变,使得当一定的扭矩施加到小齿轮5020与一级齿轮5030之间时,端部5090a也弹性变形。

对于所有可弹性变形的固定装置,关于施加到固定装置的最大扭矩以及由齿轮装置传递的额定总载荷来选择弹性材料的弹性和几何形状。

已被证明合适的是,弹性被选择为使得齿轮装置的暴露至最高载荷的小齿轮可经历最大载荷,该最大载荷比齿轮装置的所有小齿轮的平均载荷(即由若干小齿轮分割的齿轮装置的总最大载荷)高约20%。在一些应用中,可能优选的是,该数目减少到10%。齿轮装置的小齿轮之间的相对额定游隙取决于小齿轮和齿轮的数目、齿轮装置的制造公差和不准确性,还影响固定装置的期望弹性。

例如在图3a至图3e中图示的齿轮装置中,可弹性变形的固定装置的弹性选择为使得在空载状态下,与齿条进行齿面接触的第一小齿轮可在最后一个小齿轮与齿条进行齿面接触之前相对于其一级齿轮旋转大约0.5°。另外,弹性选择为使得当齿轮装置暴露至其额定最大载荷时,暴露至最高载荷的小齿轮相对于其一级齿轮旋转大约3.0°。

固定装置的合适弹性可通过选择具有合适弹性的弹性材料以及通过给予该材料合适的几何形式而实现。尤其是当利用弹性体作为可弹性变形材料时,固定装置的弹性还可能受以下因素的影响:约束及允许材料在某些方向上变形,使得封闭材料的一些部分。

对于所有可弹性变形的固定装置,可进一步重要的是能够准确而精确地调整第一部分与第二部分之间的额定相对旋转位置。额定相对旋转位置指的是当可弹性变形材料被解除时,即当没有扭矩施加到装置的第一部分与第二部分之间时,第一部分相对于第二部分的旋转位置。通过允许这样的调整,机械地连接到共同的输出或输入轴的所有小齿轮和一级齿轮都可同步,使得所有齿面接合同时发生并且对于在所有小齿轮和一级齿轮相等的载荷下发生。这样的同时和相等齿面接合大大有助于总载荷的均匀分布和齿面磨损的减少。

出于该原因,可能有利的是,可弹性变形的固定装置设置有允许在第一部分与第二部分之间调整额定相对旋转位置的元件。这样的元件可采取各种不同的方式实现。图22图示了可整合到图15a至图15f示出的可弹性变形的固定装置中的这样的调整元件,而图23图示了用在图16a至图16c示出的装置中的对应元件。

在图22示出的示例中,调整元件包括布置在第二部分4420的第一环形盘中的通孔4422b、布置在第二环形盘4423中的对应通孔4422b以及固定螺栓4424。如图22中看到的,通孔4422b、4423b在环形盘4422、4423的周向或切向方向上具有超过螺栓4424的直径的延伸量。通过这种手段,一级齿轮30可相对于环形盘4422、4423旋转,即使固定螺栓延伸穿过环形盘4422、4423并且与一级齿轮30中的轴向延伸孔进行螺纹接合亦如此。这样的相对旋转可完成的角度对应于螺栓4424的直径与通孔4422b、4423b的周向或切向延伸量之差。

通过这种手段,可以非常精确地将一级齿轮30相对于小齿轮旋转地定位,此后通过将固定螺栓4424紧固到一级齿轮30中而固定如此实现的额定相对旋转位置。

在图23示出的示例中,其用在图16a至图16c示出的固定装置中,对应的周向或切向延伸的通孔5420a布置在环形凸缘中,形成固定装置的第二部分5420。通孔5420a的周向或切向尺寸超过固定螺栓(未示出)的直径,借助该固定螺栓将第二部分5420固定到一级齿轮5030。通过这种手段,一级齿轮5030相对于第二部分5420(以及从而相对于小齿轮5020)的对应角度调整可在固定螺栓被紧固到一级齿轮5030之前实现。

发明人还认识到,用于调整齿轮装置的可弹性变形的固定装置的某种方法是特别有利的。该方法包括以下步骤。

-提供齿轮装置,该齿轮装置包括带齿的齿条并且包括与所述齿条啮合的至少两个小齿轮,每个小齿轮均固定到相应的一级齿轮,其中一级齿轮连接到共同的输出或输入轴,并且其中小齿轮借助可弹性变形的固定装置固定到相应的一级齿轮,每个固定装置均包括调整元件,该调整元件可设定为其中一级齿轮可相对于小齿轮自由旋转的第一模式,以及设定为其中一级齿轮被约束为相对于小齿轮仅有有限弹性旋转的第二模式。

-将所有调整装置设定为第一模式。

-使齿条和输出或输入轴中的一者固定不动。

-将力施加到齿条和输出或输入轴中的另一者。

-观察小齿轮的齿面何时与带齿的齿条的齿面接触。

-当每个小齿轮的齿面接触带齿的齿条的对应齿面时或紧接在这之后,将所有调整装置设定为第二模式。

该方法由此提供了调整可弹性变形的固定装置的非常简单而可靠的方式,使得在正常使用齿轮装置期间的均匀载荷分布得以实现。

图24图示了波浪能量转换器,其包括根据本发明的齿轮装置。波浪能量转换器的总体功能原理描述在WO 2012/008895A1中。波浪能量转换器6000包括缸6001,该缸6001接收齿轮装置的齿条(未示出)的上端。缸6001固定到齿轮装置的齿轮壳体6002的上端。气弹簧6003固定到齿轮壳体6002的下端。齿条(未示出)接收于缸6001、齿轮壳体6002和气弹簧6003中并且能相对于缸6001、齿轮壳体6002和气弹簧6003线性往复地移动。齿条的下端连接到锚固构件6004,该锚固构件6004能相对于气弹簧6003与齿条一起沿轴向移位。齿轮壳体进一步包括根据本发明且如上所述的齿轮装置(未示出)。齿轮装置包括两个输出轴(未示出)。每个轴均经由相应的自由轮和飞轮连接到相应的发电机6005、6006。

图25是图24中示出的波浪能量转换器的放大视图,并且更详细地示出了如何将发电机6005、6006连接到齿轮装置。图26a至图26b甚至更详细地图示了齿轮装置的输出轴(未示出)与发电机6006之间的例示连接装置。如图26a至图26b中看到的,该连接装置包括中央毂7001,该毂7001具有用于接收齿轮装置的输出轴(未示出)的中心孔。套筒构件7002绕毂7001同心地布置。套筒构件7002借助布置在其间的滚子轴承7003、7004相对于毂7001旋转。自由轮装置7005也布置在毂7002与套筒构件7003之间。自由轮装置7005被布置成使得毂7001在一个旋转方向上的旋转被传递到套筒构件7002,而毂7001在另一旋转方向上的旋转未被传递到套筒构件7002。在示出的示例中,自由轮装置7005为笼型并且包括布置在内环和外环之间的若干弹簧。然而,如技术人员容易理解的,还可以利用其它类型的自由轮装置。

套筒构件7002进一步固定到传动盘7006。传动盘7006借助阻尼装置7008a、7008b连接到飞轮7007。飞轮7007进而固定到发电机6006的输入轴6006a。阻尼装置7008a、7008b被布置成补偿齿轮装置的输出轴与发电机6006的输入轴6006b之间的任何径向和角错位。阻尼装置包括借助螺栓(未示出)互连的两个扭转刚性且稍微可弯曲的盘7008a、7008b。如容易理解的,阻尼装置可采取许多其它方式构建。在一些应用中,还可以省略阻尼装置。

齿轮装置的输出轴由此连接到发电机6005、6006,使得输出轴的旋转仅在第一旋转方向上传递到一个发电机6005,并且仅在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上传递到另一个发电机6006。

图24中示出的波浪能量转换器固定到并且至少部分地接收于漂浮在海面上或下方的浮标(未示出)中。锚固构件6004的下端锚固到海底。气弹簧6003被布置成在与水将漂浮的升力施加到浮标和齿轮壳体6002的方向相反的方向上相对于齿轮壳体6002来偏置齿条。通过这种手段,作用在齿轮壳体上的升力大体被平衡,使得由齿轮装置传递的载荷大大减少。

在海水波浪运动期间,浮标、缸6001、齿轮壳体6002和气弹簧被导致相对于锚固构件从而相对于齿条往复移动。齿轮装置将齿条的相对往复运动转化为每个输出轴的旋转运动。每个输出轴的旋转运动驱动相应发电机的转子旋转。因为发电机经由相应的自由轮连接到输出轴,所以第一发电机6005的转子被驱动而在齿条沿第一方向相对轴向移动期间旋转。第二发电机6006的转子被驱动而在齿条沿第二方向相对轴向移动期间旋转。每个转子均在齿条沿与驱动相应转子的方向相反的方向相对轴向移动期间自由旋转。从而,每个发电机均允许在齿条的整个往复周期期间沿同一个旋转方向继续旋转。这减少了系统的惯性,由此增强了整个波浪能量转换器的效率。飞轮进一步减少了转子的旋转速度的波动,由此发电机生成的电力的波动相应地减少。

在将浮标的往复线性运动转化为转子的旋转运动期间,根据本发明的齿轮装置有助于将载荷均匀分布到同时接合的齿条和小齿轮的所有齿面。从而,齿轮部件的磨损减少,并且使用寿命增加且更可预见。

在波浪能量应用中,发电机可替换为连接到旋转的输出轴的其它载荷。例如,旋转的输出轴可连接到用于淡水生产的旋转高压泵。

本发明的齿轮装置还可用在许多其它应用中。例如,齿轮装置的输入轴可连接到旋转驱动元件,诸如电气或其它马达。然后,齿轮装置将旋转输入运动转化为齿条的线性运动。这可利用在例如线性致动器和线性移动的提升装置中,尤其是针对重载荷。很高的载荷与体积和重量之比以及由本发明的齿轮装置提供的长久和可预见的使用寿命使得所述装置适合许多这样的应用,其中液压或气动位置-缸装置以前一直占主导,或者仅是切实可用的方案。通过利用由本发明的齿轮装置提供的高效而成本有效的机电装置,与以前液压和气动装置关联的许多问题可消除或大大减少。在这样的线性致动器应用中,齿条的第一端可连接到将被提升或以其它方式移动的负载。在载荷很大的应用中,齿条的另一端可连接到弹簧元件,诸如气弹簧。然后,弹簧元件被布置成在载荷将力施加到齿条的方向相反的方向上偏置齿条。例如在提升应用中,弹簧元件被布置成在齿条的提升方向上(即齿条在载荷重力将力施加到齿条的方向相反的方向上)偏置齿条。通过这种手段,可以使齿条平衡,使得由齿轮装置传递的总载荷大大减少。这又降低了驱动元件的功率要求以及齿轮装置的齿条、小齿轮、齿轮及其它部件的磨损。

本发明通过举例的方式描述。然而,本发明并不限于所描述的实施方式。与此相反,本发明可在所附权利要求书的范围内自由改变。例如齿条、小齿轮和/或齿轮可设置有直齿或斜齿齿面。针对斜齿齿面的情况,可使用单方向或双方向斜齿齿面。如上所述,齿条可在一个或两个相互相反的齿侧设置有齿面,进而齿轮装置包括与齿条的每个齿侧啮合的小齿轮。然而,齿条还可以设置有四个齿侧。然后,齿条优选具备矩形(诸如方形)横截面,其中齿侧成对地布置,每对均包括相对于彼此相互相反地布置的两个齿侧。然后,齿轮装置进一步包括四组小齿轮,每组均包括至少一个小齿轮,该至少一个小齿轮与相应齿侧啮合并且借助可弹性变形的固定装置连接到至少一个一级齿轮。在这样的齿轮装置中,每组小齿轮均优选包括两个或四个小齿轮。具有方形或矩形轮廓齿条的多个齿侧的这样的装置允许齿条的总载荷分布到齿条的多个侧,由此允许给定齿条尺寸有较大的载荷容量。还可以布置两个或若干齿轮装置,如所附权利要求书、上述内容和图示内容中限定的聚集型齿轮装置。在这样的情况下,两个或更多个这样的齿轮装置可一个接一个地线性布置,并且构造成使得每个齿轮装置的小齿轮与同一个齿条啮合。替代地,每个这样的齿轮装置的小齿轮可以布置成与相应的齿条啮合。这样的齿轮装置的不同齿条可进一步串联或并联地连接到彼此。

如上文描述理解的,齿轮装置可采取许多不同的方式构造。这样的构造的示例是齿轮装置,其包括:

-具有两个齿侧的齿条,两个小齿轮与第一齿侧啮合,两个小齿轮与第二齿侧啮合,每个小齿轮均固定到相应的第一一级齿轮。一个二级齿轮与两个一级齿轮啮合并且固定到共同的输出或输入轴,其中至少三个第一一级齿轮被布置成相对于相应的小齿轮以弹性而受限的方式旋转。

-具有两个齿侧的齿条,四个小齿轮与第一齿侧啮合,并且四个小齿轮与第二齿侧啮合。每个小齿轮均固定到相应的第一一级齿轮。两个第一二级齿轮中的每个二级齿轮均与两个一级齿轮啮合并且固定到第一三级齿轮。两个三级齿轮与固定到输出或输入轴的第一四级齿轮啮合。一级齿轮中的至少七个被布置成相对于相应的小齿轮弹性而限制性地旋转。

-具有两个齿侧的齿条,八个小齿轮与第一齿侧啮合,并且八个小齿轮与第二齿侧啮合。每个小齿轮均固定到相应的第一一级齿轮。四个第一二级齿轮均与两个一级齿轮啮合并且固定到相应的第一三级齿轮。两个第一四级齿轮均与两个三级齿轮啮合并且固定到第一五级齿轮。一个第一六级齿轮与两个五级齿轮啮合并且固定到输出或输入轴。一级齿轮中的至少十五个被布置成相对于相应的小齿轮以弹性而受限的方式旋转。

每个上列实施方式均可通过增添对应数目的第二一级齿轮、第二三级齿轮、第二四级齿轮、第二五级齿轮和第二六级齿轮而进一步改变,由此实现对应的对称齿轮装置。在这些情况下,第一最后齿轮和第二最后齿轮(即第一和第二二级、四级或六级齿轮,这是可能的情况)然后可固定到共同的输出或输入轴或相应的输出或输入轴。

另外,除了布置在小齿轮与一级齿轮之间的可弹性变形的固定装置,齿轮装置还可包括其它这样的可弹性变形的固定装置。这样的附加装置可例如布置在至少一对二级齿轮和三级齿轮和/或至少一对四级齿轮和五级齿轮之间。通过这样增添可弹性变形的固定装置,齿轮装置中的载荷分布可能甚至进一步增强。这样的装置还造成,布置在小齿轮与一级齿轮之间的每个固定装置的相对旋转和扭转柔性的要求可减少。

进一步,当齿轮装置在至少一个输入/输出轴上配备马达或发电机并且所述马达或发电机期望相对较高的旋转速率时,附加的常规齿轮单元(诸如行星齿轮单元)可连接到所述马达或发电机之间,以增加总齿轮装置的传动比。通常,本发明的齿轮装置的每个齿轮级均可以每级提供高达5倍传动比,并且对于期望比这更高传动比的齿轮装置,附加齿轮单元的使用可能是有利的。

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