扭矩放大器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年6月17日提交的美国临时申请号62/521,447以及2017年7月19日提交的美国临时申请号62/534,484的优先权，这两个申请均以引用方式全文并入本文。

齿轮箱。

背景技术：

齿轮箱通常用于增加系统中的扭矩，使之高于马达所能提供的扭矩。这些齿轮箱通常会将齿隙和显著惯性引入系统中。希望最小化添加的惯性并消除齿隙，同时仍提供高输出扭矩。

技术实现要素：

本发明提供了一种扭矩传递装置，该扭矩传递装置具有外壳和有锥形环形齿轮齿部的环形齿轮，环形齿轮被安装用于相对于外壳旋转。扭矩传递装置还具有多个第一行星齿轮和多个第二行星齿轮，多个第二行星齿轮具有被布置成与锥形环形齿轮齿部啮合的第二锥形齿部，多个第一行星齿轮具有被布置成与第二锥形齿部啮合的第一锥形齿部，多个第二行星齿轮被布置在环形齿轮内以与环形齿轮啮合，并且多个第一行星齿轮中的每一个被布置成与多个第二行星齿轮中的两个啮合。偏置元件偏置多个第一行星齿轮或多个第二行星齿轮，以紧固第一锥形齿部和第二锥形齿部之间的啮合。

在各种实施方案中，可包括以下特征中的任何一个或多个：偏置元件可用于偏置多个第二行星齿轮。多个第二行星齿轮可以是浮动齿轮。锥形环形齿轮齿部、第一锥形齿部和第二锥形齿部可以是镜像螺旋齿部。多个第一行星齿轮可以是复合齿轮，复合齿轮包括具有第一锥形齿部的第一简单齿轮和固定地连接到第一简单齿轮以与第一简单齿轮一起旋转的第二简单齿轮，并且可以有被布置成与第二简单齿轮啮合的太阳齿轮。第二简单齿轮可大于第一简单齿轮。多个第一行星齿轮可相对于外壳轴向移动，并且第二简单齿轮可具有第三锥形齿部，并且太阳齿轮可具有锥形太阳齿轮齿部，第三锥形齿部被布置成与锥形太阳齿轮齿部啮合。锥形太阳齿轮齿部和第三锥形齿部可为镜像螺旋齿部。偏置元件可包括永磁体。偏置元件可包括电磁体。偏置元件可包括永磁体和电磁体。偏置元件可包括弹簧。还可能存在用于在电力损失的情况下停止扭矩传递装置的制动器。制动器可被布置用于夹持连接到多个第一行星齿轮中的至少一个的圆柱形表面。制动器可以是如下所述的制动器或组合制动器。

还提供了一种包括带的制动器，该带具有第一端部和第二端部，带围绕旋转物体的表面周向延伸，带能够在接触旋转物体的表面的夹持位置和通电位置之间移动。第一永磁体附接到带的第一端部，并且第二永磁体附接到带的第二端部。第一永磁体和第二永磁体被布置成在夹持位置彼此吸引，以使带夹持圆柱形表面。第一永磁体和第二永磁体被偏置远离通电位置，以将带移动到夹持位置，但向一个或多个电磁体提供电流以吸引第一永磁体和第二永磁体，从而当电流被提供给电磁体时将带保持在通电位置以对抗偏置。

在各种实施方案中，可包括以下特征中的任何一个或多个：一个或多个电磁体可被构造用于利用第一电流通电以将带从夹持位置移动到通电位置，以及用于利用第二电流通电以将带保持在通电位置，第二电流低于第一电流。可通过第一永磁体和第二永磁体的磁引力将第一永磁体和第二永磁体偏置远离通电位置。

还提供了一种包括如上所述的多个制动器的组合制动器，多个制动器被布置成圆形排列，多个制动器中的每个制动器的带通过柔性桥连接到多个制动器的连续制动器。多个制动器中的每一个的一个或多个电磁体可包括两个电磁体，两个电磁体中的每一个由多个制动器中的相应的相邻制动器共享。

装置和方法的这些方面和其他方面在权利要求书中阐述。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式描述实施方案，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是示例性扭矩放大器的平面图。

图2是图1的扭矩放大器的透视图。

图3是示出图1和图2的扭矩放大器的浮动齿轮上的力和啮合点的特写视图。

图4是示出附接到轴承的弹簧作为将力施加到行星齿轮的另选的装置的示意图。

图5是示例性锥形齿部形状的特写透视图。

图6是图5的齿部在齿部窄端处的横截面。

图7是图5的齿部在齿部的中间部分的横截面。

图8是图5的齿部在齿部宽端处的横截面。

图9是包括具有锥角的齿部的齿轮的侧视图。

图10是具有锥形齿部的示例性齿轮的透视图。

图11是图10的齿轮的轴向视图。

图12是示出图10的齿轮的各种直径的示意图。

图13是示出图10的齿轮在齿部的第一端部的直径和齿部侧圆弧的示意图。

图14是示出图10的齿轮在齿部的中间部分的直径和齿部侧圆弧的示意图。

图15是示出图10的齿轮在齿部的第二端部的直径和齿部侧圆弧的示意图。

图16是具有电动马达和如图1-3所示的扭矩放大器的致动器的侧剖面图。

图17是图16的致动器的顶部剖面图，该致动器也包括制动器，其中制动器处于夹持位置。

图18是图17的致动器的透视图。

图19是图17的致动器的顶部剖面图，其中制动器处于通电位置。

图20是图19的致动器的透视图。

图21是在外行星齿轮中具有磁体的扭矩放大器的透视图。

图22是具有附接到行星齿轮的弹簧的扭矩放大器的剖面透视图。

具体实施方式

在不脱离权利要求书所涵盖的内容的情况下，可以对这里描述的实施方案进行非实质性修改。

扭矩放大器10的非限制性示例性实施方案在图1中以平面图示出并在图2中以透视图示出。该实施方案中的扭矩放大器10是具有太阳齿轮12、第一行星齿轮阵列、第二行星齿轮18阵列和环形齿轮20的齿轮传动系统，该第一行星齿轮在此为包括与太阳齿轮12啮合的较大齿轮14和较小齿轮16的复合齿轮，该第二行星齿轮18与较小齿轮16啮合，该环形齿轮与第二行星齿轮18阵列啮合。此处的较小齿轮16和较大齿轮14固定在一起以构成复合第一行星齿轮，但较小齿轮16可以其他方式连接到较大齿轮14以与第一较大齿轮14一起旋转。这里，太阳齿轮12是固定到马达转子上的输入，而环形齿轮20是输出。在该实施方案中，较大齿轮14及其相关的较小齿轮16旋转地固定到外壳22，在该示例性实施方案中，该外壳包括电动马达的定子的背面。如图1和图2所示的太阳齿轮12位于固定到外壳22的顶盖24下方。顶盖24可用作定子的背面与连接到外壳的另一部分的轴26之间的连接，在这种情况下是电动马达的附加定子，如图16所示。在该装置的该实施方案中，第二行星齿轮18也不相对于外壳环绕太阳齿轮轨道旋转。相反，它们的旋转轴相对于外壳处于固定位置。这消除了对行星载体的需要，具有降低的复杂度和潜在高刚度的优点。

本文件中的术语“行星”并不意味着行星绕轨道旋转；相反，它描述了定位，诸如定位在环形齿轮内、围绕太阳齿轮定位或接触其他行星齿轮对。

在所示的实施方案中，有四个第一行星齿轮，以及四个第二行星齿轮18，其中每个第一行星齿轮包括较大齿轮14和较小齿轮16，但实施方案中也可使用其他数量的齿轮。扭矩放大通过如下方式获得：太阳齿轮12小于环形齿轮20，并且较小齿轮16小于第一行星齿轮的较大齿轮14。较小直径的齿轮16被固定到较大齿轮14的顶部，这在较小齿轮16驱动第二行星齿轮18阵列时提供附加的齿轮减速。较小齿轮16也可例如在第一行星齿轮14的下方。然后，第二行星齿轮18阵列驱动外环形齿轮20(输出)。这组第二行星齿轮18的独特之处在于，每个齿轮在适当的位置浮动，并且利用所施加的向下磁力来吸收任何齿隙，如下所述。

图3示出了允许第二行星齿轮18浮动的机构。如图3所示，每个浮动齿轮18具有三个齿轮啮合触点以将其定位在xy方向上；由第一箭头28标记的两个第一齿轮啮合位置，其中浮动齿轮18在第一行星级中与两个较小直径齿轮16啮合；以及由第二箭头30标记的一个啮合位置，其中浮动齿轮18与环形齿轮20啮合。上述每个啮合位置中的齿轮啮合防止浮动齿轮围绕从齿轮啮合件延伸到浮动齿轮的旋转轴的轴而旋转。这三个相交轴中每一个上的旋转约束的组合提供了浮动齿轮相对于外壳的姿态的完全约束支撑。该示例性实施方案中的每个齿轮在允许浮动齿轮轴向加载以在太阳齿轮和环形齿轮之间的负载路径中预加载所有齿轮的方向上逐渐变细。来自浮动齿轮的向下(轴向)力通过第一行星齿轮(也可以轴向浮动)传递到太阳齿轮，以从太阳齿轮向环形齿轮的负载路径中的所有齿轮接合部移除齿隙。

通过使用第一行星组上的轴承，该轴承允许少量轴向位移，但确保齿轮不绕平面外的水平轴旋转，所施加的向下磁力可从浮动的第二行星18转移到第一行星，然后转移到太阳齿轮12。这样确保在浮动齿轮上具有适当的向下力的情况下，消除任何齿轮接合部中的齿隙。齿轮啮合区域与第一行星轴上的轴承/衬套一起，确保由偏移轴向力产生的任何力矩不会导致齿轮旋转出平面，并导致齿轮齿部啮合的其他问题。这可以在第一行星齿轮上通过一对滚柱轴承或另一种类型的轴承(诸如允许一些轴向运动的滚针轴承)来实现。

当向浮动齿轮施加轴向预加载时，形成第一行星的两个第一级齿轮14和16与形成第二行星18的浮动齿轮之间的锥形接合部，以及输出环20和浮动齿轮之间的锥形接合部提供xy定位。

浮动齿轮的轴向预加载可通过多种装置来提供，包括但不限于：在浮动齿轮中吸引钢浮动齿轮或永磁体的外壳中的永磁体；在浮动齿轮中吸引钢浮动齿轮或永磁体的外壳中的电磁体；或者弹簧预加载，该弹簧预加载优选地作用对抗浮动齿轮中的轴承，并且当浮动齿轮在xy方向上找到最佳拟合位置时，具有足够的柔顺性以允许浮动齿轮的轴向位移和xy位移。

在图3所示的实施方案中，磁体32(其可为永磁体或电磁体)吸引提供由大箭头34指示的轴向力的钢第二行星齿轮18。

外壳22和每个锥形浮动第二行星齿轮18之间的永磁体或电磁体32可向系统提供预加载，以便占据任何齿隙。或者，可将力机械地施加到齿轮18的顶部或底部以提供向下的力。

第二行星齿轮18也可具有如图21所示的磁体56。这样，第二行星齿轮18可由非磁性材料制成，并且仍然接收来自永磁体或电磁体32的轴向力。在图21中，示出了转子42和外壳22。根据实施方案，所示的外壳部件可以是定子，但是未示出用于使转子和定子充当电动马达的电磁元件。在一些实施方案中，也可添加未在该图中示出的下部定子。在所示的实施方案中，环形齿轮20的齿部具有径向延伸部58，并且较小齿轮16的齿部具有径向延伸部60。这些延伸部有助于在齿轮径向不对准的情况下保持齿部的啮合。此类延伸部也可包括在其他实施方案中。

图4示出了机械施加力的一个示例。在该示意性示例中，第二行星齿轮18位于轴36上而不是自由浮动。该图中的部件未必按比例绘制。弹簧38连接到外壳以及可滑动地支撑在轴上的轴承40的内部；轴承40的内部可旋转地支撑其上安装有第二行星齿轮的轴承40的外部。弹簧38推动或拉动轴承以向第二行星齿轮18施加轴向力。在该示意性示例中，示出了环形齿轮20，但省略了第一行星齿轮和较小齿轮。图22中示出了另一示例。在该示例中，弹簧38连接到外壳22的上部62，该上部62在该实施方案中通过顶盖24连接到外壳22的其余部分。可枢转连接64将弹簧38连接到浮动行星齿轮18。弹簧也可从下方直接从外壳连接到浮动行星齿轮，并且可推动或拉动。在任何实施方案中，施加的轴向力可在任一方向上，其中齿部锥形方向被相应地构造。

如图4的示意性示例所示，第二行星齿轮无需是浮动的；它们也可位于安装在外壳上的轴36上，只要它们在轴上可轴向位移即可。使齿轮浮动提供了允许它们在三个触点之间找到最佳配合位置以补偿元件的尺寸或位置变化的优点。在另一实施方案中，包括较大齿轮14和较小齿轮16的复合第一行星齿轮组可以是浮动的，而第二行星齿轮18是固定的。在其他实施方案中，第二行星齿轮18可以是复合齿轮，并且第一行星齿轮可以是简单齿轮或复合齿轮。在以太阳齿轮为输入，环形齿轮为输出的减速齿轮箱中，第二行星齿轮是复合齿轮，这导致第二行星齿轮的较大齿轮与环形齿轮重叠。第二行星齿轮或第一行星齿轮可以是浮动齿轮。

在一个实施方案中，复合齿轮的齿轮可以轴向运动，但相对于彼此旋转固定，并且例如通过弹簧连接。这可能有助于相对于传递到环形齿轮的轴向力来平衡从第二行星传递到第一行星的轴向力。这种平衡也可以通过向环形齿轮或太阳齿轮施加轴向力来实现。

在一个实施方案中，永磁体与可变功率电磁体组合，以在浮动齿轮上提供轴向预加载力以及作为对电磁体通电的结果的可调预加载。因此，可在低扭矩条件下实现低齿轮摩擦，以实现低回弹性摩擦和低磨损，同时可在增大的扭矩条件下增加轴向预加载，以在高扭矩水平下保持零齿隙特性，其中齿轮上的轴向反作用力将更高。

锥形齿部确保在任一旋转方向上吸收齿隙。齿部两侧的齿轮齿部之间的任何间隙将允许浮动齿轮轴向位移，直至齿部完全啮合，从而消除齿隙。浮动齿轮被第一级行星齿轮和环形齿轮约束在三个地方，使得不需要额外的支撑。由于所施加的向下磁力，齿轮自身居中于此位置。

齿轮齿部轮廓

任何齿轮齿部轮廓都可用于扭矩放大器。可以使用渐开线齿形，以允许中心距离有一些小偏差而不会不利地影响齿轮啮合。这确保当浮动行星齿轮轴向或径向移动时，齿部平滑地啮合。

尽管也可使用其他方法，但镜像螺旋齿形可以使用镜像螺旋齿轮形状来实现齿部锥度。该镜像螺旋设计允许每个齿部的一例通过一个螺旋操作来切割(诸如通过用齿轮齿部滚刀或成形切割器来切割)，而齿部的另一例以相反的螺旋操作进行切割，从而产生平滑啮合的齿部，同时允许锥度在任一旋转方向上占据任何间隙。图5至8示出镜像螺旋齿形的示例。

图5示出了浮动齿轮18上的单个示例性齿部50。将存在其他齿部，但未示出。可以在每个其他齿轮上使用相应的齿形。只有啮合的齿轮需要具有对应的齿形，因此也有可能使太阳齿轮12和第一行星齿轮14使用与较小齿轮16、第二行星齿轮18和环形齿轮20不同的非对应的齿形。部分6-6、7-7和8-8分别示出了对应于图6、图7和图8的视图的平面。图6示出了齿部50的前部的横截面。图7示出了齿部50的中部的横截面。图8示出了齿部50的背部的横截面。齿部和预加载一起工作以消除齿隙。无论由弹簧、磁体或电磁或其他偏置装置产生的预加载将拉动齿部，使得相对应的齿部的锥体被带入到接合触点中。预加载可以推动浮动齿轮背离定子和其他齿轮，或者朝向定子和其他齿轮拉动浮动齿轮，这取决于相对应的锥体的取向。优选的是，为了组装的目的，将行星齿轮朝向定子拉动。

在齿形的另一实施方案中，将太阳齿轮、行星齿轮和环状齿轮的齿顶和齿根调节成使得在不改变纵横比的情况下实现锥形的齿部效应。这方面的细节如下所述并且如图9至图15所示。在该实施方案中，如图9所示，齿轮的一例可以使齿轮的尖端延伸得更远，齿轮尖端在厚度上的延伸的变化为锥角。然而，齿轮节距在齿轮的厚度上可以保持恒定。可使用规定的锥角和齿轮主体厚度所需的直径方面的变化来确定太阳齿轮、行星齿轮和环状齿轮在锥体的顶部处和锥体的底部处的齿顶和齿根。

图10至15示出了具有此锥角的锥形齿轮齿部轮廓的设计的更多细节。所示的齿轮的设计可以与图1-3中所示的扭矩放大器一起使用或在其他应用中使用。

如图10和图11所示，存在具有多个齿部102的齿轮100。齿部是锥形的，使得每个齿部的后端106从齿轮的中心轴线径向向外延伸得比每个齿部的前端104更远。相似地，每个齿部之间的间隙108是锥形的。每个间隙的后端110从齿轮的中心轴线径向向外延伸得比每个间隙的前端112更远。由其侧面114和116限定的每个齿部的齿顶根据锥体移位，如图13至图15中更详细地所示。

图12示出正齿顶移位轮廓和标记的值得注意的直径(包括齿顶圆、节距圆、基准圆和齿根(根圆)直径)的示例性草绘。

图13至图15示出沿齿部的长度的三个点处的齿轮齿部轮廓。图13示出由线a和线b限定的穿过每个齿部的背部106的齿顶的形状。图14示出由线a和线b限定的穿过每个齿部的中部102的齿顶的形状。图15示出由线a和线b限定的穿过每个齿部的前部104的齿顶的形状。中平面用于在其标准构型中限定齿部轮廓。在齿轮的任一轴向端部上，完成了齿顶移位，将齿轮齿部向上或向下移位。在这三个平面之间，存在齿轮齿部的线性插值。

通常，在整个齿轮长度上完成齿顶移位。通过在齿部的整个长度上改变齿顶移位，并且组合齿轮齿部主体的圆锥形锥体，形成锥形齿轮。当与第二锥形齿轮结合时，使用相同的齿顶移位，当一个齿轮的正移位面接触另一齿轮的负移位面时，这两个齿轮啮合。

对于太阳齿轮、行星齿轮和环形齿轮中的每一个齿轮，由于齿轮主体的锥体而引起的齿顶和齿根方面的变化导致了齿部轮廓的改变，因为使用了数学渐开线的不同区段。

锥形齿轮允许通过向齿轮施加轴向载荷来预加载。这具有消除齿轮之间的齿隙的效果。另外，其允许齿轮更容易地注塑成型。

可以接合这样的材料来选择主体的锥角，由该材料制成的齿轮被包括成使得锥角确保最高可能的轴向载荷，但保持在被认为是自锁定的区域外部。

可通过相应地调节齿轮直径和齿数来定制设计，以提供所需的传动比和外径。

每个齿轮的节圆直径(在复合齿轮的情况下，构成复合齿轮的每个齿轮的节圆直径)可被选择为在齿轮主体的相应厚度上保持恒定。可以将纯数学渐开线用于每个齿轮上的齿部，以防止由于齿部轮廓而产生齿隙。

可调整齿部锥度以匹配浮动齿轮中所需的轴向挠曲。一般来讲，对于给定的齿轮间隙变化，较高的齿部锥角导致浮动齿轮的轴向挠曲较小。

材料

齿轮通用的任何材料都可用于该扭矩放大器的构造。示例包括塑料和/或钢和/或青铜。在替代齿轮上可使用旋节线青铜，以便在在一些应用中无需额外润滑即可操作。诸如钢或铁的磁性材料可用于浮动齿轮，以使其响应于磁场，从而产生预加载锥形齿轮和消除齿隙所需的向下磁力。

马达

扭矩传递装置可以由马达驱动。马达可以是例如包括双面转子42的轴向马达，该双面转子42具有在转子上方的上方定子44和在转子下方的下方定子46。定子44和46一起构成外壳22的部分。双定子设计使转子上的净磁力最小化。在两个定子之间的接触处，转子和定子之间的磁力作用于马达的内径和外径两者上。在所示的实施方案中，在转子42的外径附近的定子之间存在环形触点48，并且顶盖24充当另一触点。用于第一行星齿轮14的轴52可刚性地连接到外壳。由较大齿轮14和较小齿轮16形成的第一行星齿轮可使用例如附图标号54所指示的轴承或衬套在轴52上旋转。第二行星齿轮18在该图中未示出。

制动器

对于许多应用(诸如机器人)，在致动器上需要制动器以防止装置在系统失去电力时旋转。本文公开了一种具有冗余和低功耗的集成制动器，诸如与上述反射扭矩放大器一起使用。

图17是如上所述的致动器的顶视图，图18是如上所述的致动器的透视图，但包括示出为处于夹持位置的制动器。第一行星包括具有旋转摩擦表面202的部分200。带夹具204围绕部分200的圆柱形表面202，并且当致动器失去电力时充当制动器，如图17和18中的这种夹持位置所示。永磁体206被固定到带夹具的分裂端，并拉到一起以围绕圆柱形表面202夹持带夹具204。

图17和18中示出了具有线圈210和磁芯212的电磁体208，但将结合图19和20来描述。

带夹具可为单个部件，或者可如本文所示通过桥214附接到相邻的带夹具。将带夹具连接到一起可通过将所有带夹具(例如，三个或四个)转变为单个部件来简化组装和构造。

图17是如上所述的致动器的顶视图，图18是如上所述的致动器的透视图，但包括示出为处于通电位置的制动器，其中带夹具保持远离部分200。

当电磁体208通电时，它们拉动永磁体206以将带夹具204拉开，使得部分200和附接的复合齿轮可自由旋转。为了减小功率消耗，当带夹具204脱离并移动到图19和图20所示的位置时，永磁体206对电磁体208的钢磁芯212的吸引力几乎但不足以保持带夹具204打开。剩余的力必须由线圈210来提供。带夹具204被偏置在一起，使得当失去电磁体208的线圈210的电力时，偏置力将带夹具拉动远离电磁体，以使带夹具围绕部分200紧固，以防止齿轮和致动器的其余部分旋转。

偏置力可通过永磁体对电磁体的吸引或通过诸如带夹具的弹簧力的其他力来提供。

这样，当未通电时可获得非常强的夹持力，并且当制动器脱离时，需要使用非常小的来自电磁体的保持力。

优选地，在带夹具之间有诸如柔性桥214的可膨胀部分，以允许带夹具204在接合时自由向外移动并且在脱离接合时径向向内移动。在电磁体208的位置足够精确的情况下，带夹具可能不需要到外壳的刚性附接点以提供刚性制动效果。

当从电磁体208移除电力时，带夹具205从图19和图20所示的位置卡合到图17和图18所示的夹持位置。当电力被恢复时，在一个实施方案中，可向电磁体208提供电力瞬爆，以将磁体206拉开到图19和20所示的通电位置。在其他实施方案中，磁体206可通过诸如机械的其他方式被拉开，电磁体208的强度足以将磁体206保持在通电位置，但不能使磁体206与夹持位置分离。

虽然连接到带夹具的每个磁体可被如图所示的不同电磁体吸引，但马蹄形构型的单个电磁体也可用于吸引连接到单个带夹具的两个磁体。

在权利要求书中，词语“包括”以其包含性含义使用，并且不排除存在其他元素。权利要求特征之前的不定冠词“一”和“一个”不排除存在多于一个特征。这里描述的各个特征中的每一个可以在一个或多个实施方案中使用，并且由于仅在这里描述，将不被解释为对由权利要求书限定的所有实施方案是必不可少的。