滚动牵引的行星传动的制作方法

专利名称：滚动牵引的行星传动的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及机械动力管理系统，具体涉及滚动牵引的行星传动系统。
背景技术：
行星齿轮系统已经在许多应用领域中广泛地使用，这些应用领域包括车辆传动和工业设备以及许多其他设备。行星齿轮系统由围绕纵轴旋转且被一组或多组行星齿轮围绕的中心恒星齿轮构成。平面中的行星齿轮围绕恒星齿轮，每一行星齿轮的相应周边啮合恒星齿轮的外表面。环形齿轮围绕行星齿轮并在距离纵轴径向最远点的位置处啮合每一行星齿轮的周边。每一行星齿轮围绕形成其自身轴线的行星轴旋转。行星架使所有行星轴保持对齐和围绕恒星齿轮空间分布。行星架通常是围绕纵轴同轴安装且能够围绕纵轴旋转的盘状结构或一些其他结构。
行星齿轮组可提供多级转速降低或增加并且非常灵活。例如，转矩输入可以通过行星架、环形齿轮或恒星齿轮中的任何一个或其组合，而输出同样可以选自这些构件中的任何一个或其组合。例如，对于较大的速度增加，可以为行星架提供输入，固定环形齿轮使其不旋转，并从恒星齿轮中获得输出。速度或传动比的增加随环形齿轮的周长与行星齿轮的周长之比而变化；是用于该结构的行星齿轮(planetarygear)或“PG”比的函数。这意味着如果环形齿轮的周长是行星齿轮周长的四倍，那么恒星齿轮的转速将达到行星架的五倍。因此，可以在这种结构中实现五倍转速的升高，或者如果输入是通过恒星齿轮而输出是通过行星架，则产生五倍的降低。
然而，在许多现有的行星齿轮组中齿轮齿的啮合需要克服滑动摩擦，当一个齿轮的每个齿轮齿啮合另一齿轮的相应齿时会产生该滑动摩擦。这种啮合的摩擦会转变成热、噪声并引起齿轮的变形，因此不会传到齿轮组外部，从而导致齿轮组的效率降低。对于许多应用来说这种效率的降低不是令人满意的，因此一种可替换的降低或升高的传动将是有益的。尽管已有的标准齿轮齿的设计改进极大地提高了这种齿轮设计的效率，但是这种设计仍然不能以较低的成本提供较高的效率。此外，对行星齿轮组来说有益的是实现如下特性中的任何一种或全部大的速度变化，产生任何变速比的能力，极高转速的能力，低的制造成本，长的元件寿命，用于各种应用的灵活包装(packaging)，或者这些特性的任意组合。这里描述的一些或全部实施例可以实现这些或其他优点。

发明内容
这里描述的系统和方法具有几个特征，这些特征中不只一个特征可以单独地用于所有期望的属性。在不限制如后面的权利要求所表达的范围的条件下，现在将简要地描述本发明的某些实施例的一些显著特征。在考虑这些描述之后，特别是在阅读了标题为“具体实施方式
”部分之后，人们将理解这些系统和方法的特征如何提供比相关的传统系统和方法优越的几个优点。
在一个实施例中，描述了一种牵引传动系统，包括可围绕纵轴线旋转的惰轮，多个可旋转并且通常为盘形的行星辊，每一行星辊具有内接触表面、外壳接触表面和惰轮接触表面，所述内接触表面具有第一直径，所述外壳接触表面具有第二直径以及所述惰轮接触表面具有第三直径，行星辊围绕惰轮分布且每一行星辊与惰轮在其相应的惰轮接触表面接触。该实施例的牵引传动系统还包括内环和外壳环，内环可绕纵轴线旋转并适于接触每一行星辊的内接触表面外壳环适于接触每一行星辊的外壳接触表面。在一些实施例中，每一辊的内接触表面仅接触内环，每一辊的外壳接触表面仅接触外壳环，每一辊的惰轮接触表面仅接触惰轮。
在牵引传动系统的一些实施例中，每一行星辊适于围绕通常为圆柱形的轴旋转，该轴形成通常与纵轴线平行的行星轴，其中每一行星辊的内接触表面相对其相应的轴线成一角度。在一些实施例中，每一行星辊的外壳接触表面相对其相应的行星轴线成一角度。在其他实施例中，每一行星辊的惰轮接触表面通常与其行星轴线平行。
在牵引传动系统的一些实施例中，外壳环与通常为管状的外壳连接，该外壳至少部分包围牵引传动系统的其余部件，在一些实施例中，该外壳是静止的。
在一些实施例中，牵引传动系统还包括轴向力发生器。一些实施例的轴向力发生器包括在与行星辊相对的侧面上邻近内环定位的斜面圆盘(ramp disc)，该圆盘适于围绕纵轴线旋转，并具有面对行星辊的第一侧面和朝向远离行星辊的第二侧面、围绕斜面圆盘的第一侧面径向向外的边缘分布的一组斜面以及一组斜面轴承，每一斜面轴承设置在斜面圆盘和内环之间并适于沿这组斜面中相应的一个斜面滑动。在多个实施例中，一组斜面和斜面轴承配合成将输入到斜面圆盘的转矩转换成都将传递给内环的转矩和轴向力。在一些实施例中，轴向力发生器包括至少一个弹簧。一些实施例的弹簧包括贝氏弹簧(Bellevillespring)。
在另一个实施例中，描述了一种围绕纵轴线工作的行星牵引传动系统，包括通常为管状、围绕纵轴线同轴定位的惰轮；多个通常为盘形的、围绕惰轮配置并接触惰轮的行星辊，该行星辊分布在与纵轴线垂直的平面中，并且每一行星辊围绕各自的行星轴线旋转；围绕纵轴线同轴定位并接触每一行星辊的内环；围绕纵轴线同轴定位且至少部分封闭和包围惰轮、内环和行星辊的管状外壳，该外壳在其内表面上具有接触每一行星辊的外壳环。在这种实施例中，每一行星轴与纵轴线平行。
在这些实施例中的一些实施例中，内环在距离纵轴线第一半径的地方接触每一行星辊，外壳环在距离纵轴第二半径的地方接触每一行星辊，以及惰轮在距离纵轴第三半径的地方接触每一行星辊。
在一些这样的实施例中，第一半径、第二半径和第三半径彼此不同。在一些实施例中，第一半径小于第二半径。
行星牵引传动系统的一些实施例还包括适于至少保持行星轴的轴向对准和径向定位的笼套(cage)。
一些实施例还包括接合外壳以部分封闭笼套、惰轮、行星辊和内环的外壳盖。
另一个实施例包括牵引传动系统。该牵引传动系统包括通常为管状的、围绕纵轴线旋转的惰轮。牵引传动系统还包括多个可旋转且通常为盘形的行星辊，每一行星辊具有第一接触表面、第二接触表面和第三接触表面，第一接触表面具有第一直径，第二接触表面具有第二直径。牵引传动系统还包括围绕纵轴线旋转且适于在其相应的第一接触表面接触每一辊盘(roller disc)的输入环和适于接触每一行星辊的第二接触表面的外壳环。每一辊的第一接触表面仅接触输入环，每一辊的第二接触表面仅接触外壳环，每一辊的第三接触表面仅接触惰轮。
在另一方面，描述了一种传递转动能量的方法，包括沿一纵轴线向斜面圆盘提供输入转矩，该斜面圆盘适于将转矩转换成转矩分量和力分量；将输入转矩转换成旋转转矩分量和轴向接触力分量；将旋转转矩分量和接触力分量传递给内环；通过每一行星辊的第一接触表面从内环向多个行星辊分配旋转转矩分量；通过每一行星辊的第二接触表面从每一行星辊向周围的外壳分配旋转转矩，以及通过每一行星辊的第三接触表面从每一行星辊向中心惰轮分配旋转转矩。在这些实施例中，接触分置有助于旋转转矩的传递和分配。
在本方法的一些实施例中，行星辊在其相应的第二接触表面接触静止的外壳，并且能够绕纵轴线运转，使得每一行星辊的所有旋转转矩通过其第三接触表面进行传递。
通过阅读下面详细的描述和查看附图，本领域技术人员将明白这些和其他改进。


图1a是滚动牵引行星传动的一个实施例的示意性剖面图。
图1b是在图1a中示出的实施例的分解视图。
图2a是在图1a示出的实施例中外壳的剖面侧视图。
图2b是在图1a示出的实施例中外壳的立体图。
图3a是在图1a示出的实施例中动力辊的剖面侧视图。
图3b是在图1a示出的实施例中动力辊的立体图。
图4a是在图1示出的实施例中内环的剖面侧视图。
图4b是在图1示出的实施例中内环的立体图。
图5a是在图1a示出的实施例中笼套的剖面侧视图。
图5b是图1a的实施例中笼套的立体分解视图。
图6a是图1a的实施例中斜面圆盘组件的剖面侧视图。
图6b是图1b的实施例中斜面圆盘组件的立体分解视图。
图7是示出了图1a和1b的行星传动的旋转元件的运动关系的示意图。
具体实施例方式
现在将参考附图描述本发明的优选实施例，其中在整个文献中相似的数字表示相似的元件。在这里提供的描述中所使用的术语包括这里的特定用途和在该技术领域中的其他用途，应该以其最宽广合理的方式进行解释，尽管其结合某些特定的优选实施例的详细描述加以使用。下面就一些这里使用的特殊术语还作了进一步的强调。读者会以任何限制方式解释的不同于所接受的简单且普通的含义的任何术语在说明书中将清楚和具体地限定。此外，描述与某些实施例相关的目的或优点不是在所有实施例中都需要实现用于这些目的的结构。
图1a和1b示出了能够用来替代传统的行星齿轮组的滚动牵引行星传动系统100的一个实施例。该行星传动系统100在某些方面有些类似于传统的行星齿轮组。惰轮110替代了传统的行星齿轮组中的恒星齿轮，并围绕中心轴120同轴地定位。该实施例的惰轮110是具有内径和外表面的短管。该实施例的惰轮110安装在中心轴120周围，该中心轴形成行星传动系统100的纵轴。该实施例的惰轮110被多个行星辊300围绕并支撑该行星辊，该行星辊类似于传统的行星齿轮组中的行星齿轮。行星辊300围绕惰轮110运转并在相对于纵轴在其径向向内的周边处沿惰轮110的外表面滚动。
在该实施例中用周围的外壳200替代了传统的行星齿轮组中的环齿轮。外壳200围绕行星辊300和惰轮110，下面将进一步描述外壳200和所有部件。外壳盖150与外壳200接合以部分地包围和封闭行星传动系统100的内部部件。在示出的实施例中，外壳盖150是在其中心具有孔的扁平盘，该孔与中心轴120同轴，但是外壳盖150不必沿中心轴120定位。所示实施例的外壳200通过多个外壳紧固件115固定在外壳盖150上。外壳紧固件115可以是任何类型的可用于将外壳200固定在外壳盖150上的紧固件或紧固机构。在一些实施例中，没有使用外壳紧固件115，外壳与紧固互锁装置适配，该紧固互锁装置由外壳盖150上的相应结构容纳并与其接合。所示实施例的外壳盖150包括使行星传动系统100连接到使用行星传动系统100的装置或车辆上的紧固件孔117。任何标准的紧固装置或方法都可以用来安装行星传动系统100，该所示实施例建议的紧固件仅仅是示例。
所示实施例的行星辊300在其旋转时，相对纵轴在其相应的径向最外点处沿外壳环(在图2中以标记250表示)滚动。在示出的实施例中，行星辊300绕惰轮110运转，外壳200被固定并因此不会旋转。然而，在其他实施例中，外壳200旋转，同时行星辊300围绕惰轮110保持其角位置处，而在其他实施例中，外壳200旋转，同时行星辊300可以绕中心轴120运转。
仍然参考图1a和1b，每一行星辊300绕其各自的由辊轴520形成的轴线旋转。辊轴520通常是延伸穿过行星辊300并使行星辊相对纵轴对准的圆柱形轴。一些实施例的辊轴520平行于由中心轴120形成的纵轴，而在其他实施例中，辊轴520不与纵轴平行，下面将参考图5进一步详细地描述辊轴520。辊轴520通过一对定子圆盘510、515在中心轴120周围保持在其相应的位置和方位上。下面参考图5更加详细地描述定子圆盘510、515，其通常是垂直于中心轴120且与该中心轴同轴安装的扁平圆盘。在一些实施例中，定子圆盘510、515围绕中心轴120旋转，而在其他实施例中，定子圆盘510、515是静止的而不旋转。在一些实施例中，允许定子圆盘510、515和中心轴120之间有相对的旋转运动，并通过定子轴承130、135促进该旋转运动。所示实施例中的定子轴承130、135是径向轴承，但是在其他实施例中可以使用组合的径向推力轴承和多个轴承。正如下面所描述的，定子圆盘510、515也可以通过圆柱形的定子间隔件530彼此保持对准。定子间隔件530、定子圆盘510、515和辊轴520形成行星传动系统100的笼套500。在示出的实施例中，笼套500绕中心轴120旋转；然而，在其他实施例中笼套500是静止的，而不会绕中心轴120旋转。
仍然参考在图1a和1b中示出的实施例，中心轴120和外壳200通过外壳轴承(case bearing)125保持对准和相对彼此定位。所示实施例的外壳轴承125是径向轴承；然而，在其他实施例中，可以使用组合的径向推力轴承或多个轴承。在示出的实施例中，定子圆盘510、515通过定子轴承130、135围绕中心轴120保持在其相应的径向位置。然而，在其他实施例中，定子轴承130、135固定在中心轴120上。正如下面参考图5所描述的，管状的笼套驱动器(cage driver)540从其中一个定子圆盘510、515的径向内侧的部分延伸。在示出的实施例中，笼套驱动器540朝外壳盖150延伸，然而，在其他实施例中，可以不采用笼套驱动器540，在其他实施例中，笼套驱动器540朝外壳200延伸或者延伸到外壳200之外。驱动器轴承140为笼套驱动器540和中心轴120提供径向定位和对准。在示出的实施例中，驱动器轴承140是径向轴承，然而在其他实施例中，驱动器轴承140是组合式径向推力轴承或其他类型的轴承或多种轴承的组合。
在图1a和1b中示出的实施例中，行星辊300在每一相应的行星辊300上的第三点处接触内环400。所示实施例的内环400是围绕中心轴120同轴定位的环，它轴向地定位在行星辊300和外壳盖150之间。下面将进一步详细地描述内环400，其将输入到行星传动系统100中的转矩传递给行星辊300。转矩通过斜面圆盘组件(ramp discassembly)600传递给内环400。下面将详细地描述所示实施例的斜面圆盘组件600，其邻近内环400布置，并可驱动内环400和向内环400提供一定量的轴向力，从而增大行星传动系统100的滚动部件之间的牵引。正如下面进一步所描述的，斜面圆盘组件600包括斜面圆盘610和一组斜面轴承620，所述斜面圆盘通常是围绕中心轴120同轴定位的扁平圆盘，并轴向定位在内环400和外壳盖150之间。
仍然参考在图1a和1b中示出的实施例，所示实施例的斜面圆盘610具有在其中心形成的中心孔605和具有管状的斜面驱动器650，该斜面驱动器从中心孔605朝外壳盖150延伸并穿过该外壳盖。外传动器轴承145配合在斜面驱动器650中，并保持斜面圆盘610和笼套驱动器540的径向位置和对准。所示实施例的外传动器轴承145是径向轴承，然而，在其他实施例中可以使用组合式径向推力轴承或其他轴承和多种轴承的组合。所示实施例利用外壳盖的推力轴承155保持斜面圆盘610相对外壳盖150的轴向位置，以及吸收由斜面圆盘610形成的轴向推力。如图1b所示，外壳盖150具有在其面对斜面圆盘610的侧面上形成的推力轴承挡圈157，其适于容纳外壳盖的推力轴承155。在其他实施例中，推力轴承挡圈157安装在或者固定在外壳盖150上。所示实施例还可以利用外壳盖的径向轴承160，该径向轴承轴向地和径向地定位在外壳盖150和斜面驱动器650之间。外壳盖的径向轴承160可以是径向轴承、推力轴承、组合式径向推力轴承或多个轴承。
现在参考在图1b、2a和2b中示出的实施例，所示实施例的外壳200具有通常为管状的本体220，并在一侧具有开口端202和在其相对侧具有封闭端204。开口端202与外壳盖150配合以封闭行星传动系统100的内部部件。提供配合面210以将外壳200连接到外壳盖150上。在示出的实施例中，配合面210是从外壳200的开口端202径向向外延伸的法兰。如上所述，该实施例的配合面210具有允许紧固件115连接外壳200和外壳盖150的孔215。在其他实施例中，配合面210具有一组在其外缘形成的螺纹，该螺纹可配合和啮合在外壳盖150上形成的一组相应的螺纹，使得外壳200能够拧到外壳盖150上。许多这种实施例的外壳盖150具有其中可安装外壳200的凹槽。中心孔230形成在外壳200的封闭端204中以穿过中心轴120。如上所述，所示实施例的中心轴120可相对外壳200自由旋转。然而，在其他实施例中，外壳200可以固定在中心轴120上。
仍然参考在图1b、2a和2b中示出的实施例，外壳200具有在其内表面上形成的外壳环250。所示实施例的外壳环250是在封闭端204附近、安装在本体220内部上的倾斜表面。在该实施例中外壳环250具有倾斜角，行星辊300可利用外壳环250由滚动牵引中的轴向力保持。对外壳200的纵向平面来说，外壳环250的倾斜角是本体210的内表面和外壳环250的滚动表面之间的角度，在许多实施例中所述本体的内表面设想为与行星传动系统100的纵轴平行，该角度可以是介于0到90度之间的任何角度。在一些实施例中，外壳环250的倾斜角为0至45度，而在其他实施例中，该范围是1至30、20或15度。在一些实施例中，外壳环250的倾斜角范围为2至10度。在一些实施例中，外壳环250的倾斜角是2、3、4、5、6、7、8、9、10度中的任何一个，而在一些实施例中，该倾斜角介于5至6度之间。正如下面所描述的，接触外壳环250的行星辊300的外壳接触表面315的角度是外壳环250的角度的补角。
图3a和3b示出了图1a和1b的行星传动系统实施例中行星辊300的一个实施例。在该实施例中示出的行星辊300通常为圆盘形状，其具有面对外壳盖150的第一侧面、面对外壳200的第二侧面、外径OD、中心孔325和唇缘或内接触表面310，该内接触表面在中心孔325和外径OD之间从行星辊300的第一侧面从内径ID轴向地延伸。行星辊300绕中心孔325旋转，中心孔325可容纳下面进一步描述的行星轴520，该行星轴保持行星辊300的径向位置和轴向对准。内接触表面310与内环400配合并由内环400驱动。在许多实施例中，内环400向行星辊300的内接触表面310提供轴向接触力和旋转转矩。外壳接触表面315和惰轮接触表面320形成在所示实施例的行星辊300的外径上。在其他实施例中，外壳接触表面315在不同于OD的直径处形成，例如通过从OD径向向内的第二唇缘形成，该第二唇缘的安装类似于内接触表面310。在这种实施例中，外壳环250布置在外壳200上相应的位置以接合外壳接触表面315。所示实施例的外壳接触表面315是在内接触表面310的相对侧附近行星辊300的径向外缘的倾斜部分。行星辊300的外缘是包括外壳接触表面315和惰轮接触表面320的加宽表面。如上所述，外壳接触表面315相对中心轴120成一角度。惰轮接触表面320通常是行星辊300的外缘的其余部分，并且大体上与中心轴120平行。惰轮接触表面320可沿惰轮110的外表面滚动。
在许多实施例中，内接触表面310相对图1a的中心轴120形成的轴线以一定的倾斜角定位。内接触表面310在从其外缘开始并朝行星辊300的轴向中心线移动的方向上是倾斜的。内接触表面310的倾斜角可以是上面就外壳环250各自的定向列出的角度中的任何一个角度。外壳接触表面315与有斜角的外壳环250互补。在一些实施例中，外壳接触表面315与外壳环250平行，而在其他实施例中，该表面略微不对齐，以便当施加轴向力时使这些表面一致(conformation)。
在图3a和3b示出的实施例中，通过使用凹槽330、340、350来减轻重量。示出的凹槽330、340、350是从行星辊的径向侧面开始的圆弧状切除部。凹槽330、340、350减轻了行星辊300的重量，因此减小了当行星辊300旋转时形成的惯性。在其他实施例中，通过采用用于行星辊300的径向支撑的轮辐代替在所示实施例中使用的实心圆盘来减轻重量。
参考图1a和3a，通过使用惰轮110的平行表面和惰轮接触表面320减小行星传动系统100中的自旋。自旋可以看成是由两个滚动表面的接触部中的横向力引起的效率损失。作用在每一表面上的横向力是由于改变在不同旋转半径的不同位置处的接触部中发生的相对旋转速度引起的。当旋转速度在自旋部发生变化时，会在接触部中形成力矩或自旋。该力矩或自旋会导致输出驱动系统的能量损失，因此降低了效率。在示出的实施例中，由于在接触部中几乎所有点距纵轴的半径都相等，因此自旋如果不是全部的话也几乎被消除。即使在一些弹性变形的情况下，因为所有接触部的点的半径距旋转轴相等，所以可以获得高效率的动力传递。
在图1a和3a示出的实施例中，惰轮110的外表面沿其与惰轮接触表面320接触的长度基本上只具有一个直径。此外，惰轮接触表面320沿通常恒定的半径轴向地延伸，使得当惰轮接触表面320接触惰轮110，接触部大致为直线。接触部中的所有接触点大体上位于与该部件上所有其他接触点相同的旋转半径处，从而旋转速度很少会发生变化，因此不会产生自旋。
现在参考图1a、3a、4a和4b，所示实施例的内环400向行星辊300的内接触表面320传递转矩和轴向力。如前所述，内环400是围绕行星传动系统100的轴线同轴定位的环，所述轴线由中心轴120形成，该环具有接触行星辊300的第一侧面和由斜面圆盘800驱动的第二侧面。第一侧面具有环传动表面410，它在径向上面朝里并与行星辊300的内接触表面310互补。环传动表面410以一定的角度相对中心轴120的轴线也就是相对行星传动系统100定向，这可以称为输入角。该输入角可以是对外壳环250所描述的角度中的任何一个角度，它与行星辊300的内接触表面310的角度互补，从而最有效率地将转矩从内环400传递到行星辊300。
仍然参考图1a、4a和4b，内环400的第二侧面具有内环轴承座圈420，当斜面轴承(ramp bearing)810向内环400施加转矩和轴向力时，该内环轴承座圈可引导和容纳斜面轴承810。示出的内环轴承座圈420形成在内环400中或者与内环400一体化，然而在其他实施例中，内环轴承座圈420可以连接在内环400上。在其他实施例中，与斜面圆盘800的斜面(下面描述)互补的一组斜面形成在内环400上。这种斜面可产生随着提供给行星传动系统100的输入转矩量的变化而改变的轴向力。在许多实施例中，这些斜面可通过系统提供最佳大小的轴向力，从而使效率最大化和防止内环400和行星辊300滑动。在一些实施例中，轴向力的最佳大小是这样的轴向力，即它可以在斜面轴承810和内环400之间提供足以将所有转矩传递给内环400而不会在斜面轴承810和内环400之间产生任何滑动的摩擦力。在一些这样的实施例中，没有实施斜面轴承810，而是斜面圆盘800直接驱动内环400的斜面。
现在参考图1a、5a和5b，如上所述，行星传动系统100的笼套500相应地由第一定子圆盘510和第二定子圆盘515、多个行星轴520和多个定子间隔件530形成。第一和第二定子圆盘510、515是相对扁平的圆盘，该圆盘在其中心具有孔，并围绕中心轴120同轴定位。如上所述，定子圆盘510、515通过定子轴承130、135围绕与中心轴120对准的轴线保持在其相应的径向位置，在其他实施例中，定子圆盘510、515固定在中心轴120上。定子轴承130、135可以是本领域中已知的任何类型的轴承。所示实施例的定子圆盘510、515是简单的平板结构，它可以通过冲压合适厚度的材料形成，从而在标准的冲压过程中提供适于特定应用的刚度。这极大地减小了生产定子圆盘510、515和行星传动系统100的成本。
图1a、5a和5b中示出的实施例利用了局部开通槽的行星轴520。通槽525是形成在每一行星轴520的圆柱形外表面上的螺纹槽或螺旋槽，其设计成拉动行星辊300和行星轴520之间的润滑剂。在示出的实施例中，通槽525仅部分地沿行星轴520的轴向长度延伸，通过后面的润滑剂进入行星轴520和行星辊300之间的真空，使被吸入的润滑剂离开槽。这就在滚动表面之间形成了层流层，该层流层允许行星辊300实际上是在润滑剂上滑动，而不是在行星轴520的表面上滑动。在其他实施例中，通槽525在行星轴520的整个长度上延伸。在其他实施例中，行星辊300的内表面和行星轴520的外表面通过一些保持行星轴520和其相应的行星辊300的径向位置的径向轴承(未示出)分开，由此减小这些表面形成的任何摩擦。
如上所述的定子间隔件530使两个定子圆盘510、515相对彼此保持间隔和定向。所示实施例的定子间隔件530是圆柱形杆，该圆柱形杆可接合两个定子圆盘510、515并相对第二定子圆盘515轴向对齐第一定子圆盘510并使之固定，反之亦然。第二定子圆盘515的定向和径向定位还可以通过外笼套轴承550相对内环300保持。所示实施例的外笼套轴承550是径向轴承，但是在其他实施例中，可以是组合式径向推力轴承或任何其他类型的轴承或多种轴承的组合。
还如上所述，在图1a、5a和5b中示出的实施例示出了笼套驱动器540。所示实施例的笼套驱动器540是从第二定子圆盘515延伸的、通常为管状的延伸件，它允许将转矩提供给笼套500和从笼套500中输出转矩。在一些实施例中，笼套驱动器540和第二定子圆盘515形成为一个整体，而在其他实施例中，笼套驱动器540与第二定子圆盘515刚性地连接。
现在参考图1a、6a和6b，示出的斜面圆盘组件600被图1a中示出的行星传动系统实施例用作轴向力发生器，以便形成用于牵引分量的牵引接触力。斜面圆盘610围绕中心轴120形成的轴线同轴地安装，并且当行星传动系统100传递转矩时围绕该轴线旋转。斜面圆盘610通常为扁平圆盘，该圆盘具有在其中心的中心孔605和一组在其面对内环400的第一侧面分布的斜面620。斜面620在斜面圆盘610的外缘径向地分布。斜面轴承630沿斜面620的表面滚动，并从斜面圆盘610向内环400传递旋转力和轴向力。所示实施例的斜面轴承630为球轴承，然而在其它实施例中，斜面轴承630大体上为圆柱形或锥形，以便传递附加的力或获得更大的材料变形抗力。
仍然参考在图6a和6b中示出的实施例，该实施例中示出的斜面620在其宽度上是扁平的，但是在其他实施例中可以成形为至少部分地与斜面轴承630的形状一致或者有助于将斜面轴承630保持在其径向位置。斜面620与斜面圆盘610的表面之间的倾斜角范围是70度至1度。对于给定量的斜面圆盘610的转动能量来说，角度越大，所形成的轴向力越小。为了更多地将转动能量转变成轴向力，可以使用较小的角度。在一些实施例中，斜面620的倾斜角范围是30度至2度，而在其他实施例中，该角度范围是20度至2度，在其他实施例中其范围是4至6度。斜面的倾斜角可以是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、或15度中的任何一个或者其任何一部分。在某些实施例中，斜面620的倾斜角是大约4度，而在其他实施例中，该倾斜角是大约6度或大约5度。所示实施例的斜面620可以和斜面圆盘610形成为一个整体，然而在其他实施例中，斜面620与斜面圆盘610连接。
斜面轴承630通过斜面套(ramp cage)640相对斜面圆盘610被保持在其径向位置和角位置。该斜面套640通常为扁平的环，该环具有围绕其角位置分布并位于内径和外径之间的的轴承孔645。轴承孔645的形状和尺寸与斜面620和内环轴承座圈420(图4a)配合，从而保持斜面轴承630的位置。在示出的实施例中，轴承孔645是圆形的，以便和斜面轴承630的球形形状一致。所示实施例的扁平形状可以使许多较低成本的制造方法得以实施而用于生产。这种制造方法包括冲压。
现在参考图1a、4a、6a和6b，斜面圆盘610的第二侧面面对外壳盖150。如上所述，在示出的实施例中，斜面驱动器650与斜面圆盘610的第二侧面连接。该斜面驱动器650通常是从斜面圆盘610朝外壳盖150延伸并穿过外壳盖的管状延伸件。如上所述，外驱动器轴承145同轴地安装在斜面驱动器650内并保持斜面圆盘610和斜面驱动器650的径向位置和对准。在示出的实施例中，斜面驱动器650是行星传动系统100的主转矩的输入。斜面驱动器650将输入转矩连接到行星传动系统100，并因此使斜面圆盘610旋转。当斜面圆盘610旋转时，斜面轴承630由于斜面620的角度而被压靠在内环轴承座圈420上。斜面620的角度具有至少两种功能1)向斜面轴承630施加法向接触力，从而向内环轴承座圈420施加法向接触力，以及2)施加旋转力使内环400旋转。当旋转力增大时，法向力也必须增大，从而防止斜面轴承630沿内环轴承座圈420的表面滑动。一些实施例的斜面轴承630的圆柱形状增大了各个轴承的牵引部，从而增大了能够施加的轴向力的能力。
斜面圆盘610的第二侧面还具有在其径向外缘附近形成的盖轴承座圈660，该盖轴承座圈与外壳盖的推力轴承155和外壳盖150配合，以便保持斜面圆盘610的轴向位置，同时斜面轴承630和斜面620形成如上所述的轴向接触力。在示出的实施例中，外壳盖的推力轴承155是推力轴承，然而，在其他实施例中，它是组合式径向推力轴承。在一些实施例中，为了简单起见，外壳盖的推力轴承155和外壳盖的径向轴承160组合成一个组合式径向推力轴承。
参考图1a和6a，在一些实施例中，轴向力发生器没有利用斜面圆盘组件600，而是用弹簧(未示出)将进行替代。这些弹簧可保持作用在行星传动系统100的内环400上相对恒定的轴向力。该弹簧可以是任何类型的弹簧，它可用于在外壳盖150和内环400之间提供轴向力。这种实施例在一些被传递的转矩的数量较小或者是恒定的应用中是有用的。在一些这样的实施例中，许多部件由塑料构成，并且能够以非常低的成本进行生产，例如通过诸如注模的方法。这些低成本实施例在多种应用中是有利的，例如玩具和其他类似的应用，其中电机为了应用性能而必须产生随转速变化的旋转力。
图1a和1b中示出的行星传动系统100可以用作减速传动，以极大地减小输入转矩的旋转速度，或者可以反向成提供较大的旋转速度的增加。在需要较小减速的应用中，可以将输入通过笼套驱动器540施加到笼套500上。在几个这样的实施例中，其中斜面圆盘组件600用于产生轴向力，斜面620在偏离斜面圆盘610的倾斜方向上反向。
现在参考在图1a、1b、2a、3a、4a和7中示出的实施例，行星传动系统100的输入输出比取决于几个因素，这些因素包括惰轮110的外径、外壳环250的直径、内接触表面310的直径、外壳接触表面315的直径、惰轮接触表面320的直径和环传动表面410的直径。
下面给出各个变量的定义Sun惰轮110的半径PSun 惰轮接触表面320的半径Pin内接触表面310的半径Pout 外壳环接触表面315的半径Rir环传动表面410的半径Rcr外壳环250的半径Input rpm输入转速并假定通过内环400向行星辊300提供输入转矩和通过惰轮110输出，以及外壳环250是固定的，那么就存在下面的关系式Rin＝Sun+PSun+PinRout＝Sun+PSun+Pout以及R/P In＝Rin/PinR/P Out＝Rout/PoutCage Speed＝-R/P in/(R/P out-R/P in)PSun Speed＝(R/P in+1)*Cage SpeedRatio＝(Psun/Sun)*PSun SpeedOutput rpm＝Input rpm*Ratio本领域技术人员从这些关系式中可以改变定义的特征中的任何一个或者全部，并且容易地确定特定实施例中得到的输出rpm。例如，在未采用计量单位的条件下提供一些实例，但是也可以使用任何一种类型的计量单位。
实例1如果Sun＝1.1PSun＝0.4Pin＝0.2Pout＝1.0Input rpm＝1750那么Rin＝1.7Rout＝2.5R/PIn＝8.5R/P Out＝2.5以及Cage Speed＝1.42
PSun Speed＝13.46Ratio＝4.89Output rpm＝1750*4.89＝8565.45rpm实例2如果Sun＝1.0PSun＝1.0Pin＝0.2Pout＝1.0Input rpm＝1750那么Rin＝2.2Rout＝3.0R/P In＝11.0R/P Out＝3.0以及Cage Speed＝1.38PSun Speed＝16.50Ratio＝16.50Output rpm＝1750*16.5＝28875rpm实例3如果Sun＝0.4PSun＝1.1Pin＝0.9Pout＝1.0Input rpm＝1750那么Rin＝2.4
Rout＝2.5R/P In＝2.67R/P Out＝2.50以及Cage Speed＝16.00PSun Speed＝58.67Ratio＝161.33Output rpm＝1750*161.33＝282，327.5rpm因此，通过改变这里描述的各个部件的尺寸，本领域技术人员能够实际地获得他们期望的任何比率，无论是期望小的速度变化还是期望非常大的速度变化。从上面的关系式和实例可以看出，当RP In/RpOut的比率达到1时，最终的传动比将趋于无穷大。然而，必须考虑存在的一些设计限制。例如，当Pout接近PSun时，正如在外壳环250和外壳环接触表面315的接触点处所经历的，由于内环400和内接触表面310的接触而导致的行星辊300围绕其轴线的旋转转矩开始被同样因接触而导致的横向力克服，行星辊300开始沿外壳环250的表面滑动。
共同地被称之为滚动牵引表面的行星辊接触表面310、315、325，外壳环250和惰轮110的摩擦系数对传递给定大小转矩所需的轴向力的大小有着极大的影响，并因此而大大地影响行星传动系统100的效率和使用寿命。在滚动牵引装置中滚动元件的摩擦系数是一个非常重要的影响性能的变量。
可以将某些涂层施加到滚动牵引表面以改进行星传动系统100的性能。实际上，这种涂层可以有利地应用于任何滚动牵引传动或传输装置的滚动接触元件上，从而实现与这里描述的实施例所获得的相同的附加益处。一些涂层具有的有益效果是增大了这些滚动元件的表面摩擦系数。一些涂层具有高的摩擦系数，并显示出随着轴向力的增大而增大的可变的摩擦系数。对于给定的转矩来说，高的摩擦系数需要较小的轴向力，由此当在接触部件之间传递转矩时提高了效率和使用寿命。可变的摩擦系数随施加的法向接触力的大小而变化，并且能够通过减小传递最大转矩所需的轴向力来增大行星传动系统100的最大转矩等级。
一些涂层如陶瓷和金属陶瓷具有极佳的硬度和耐磨性，并且能够大大地延长滚动牵引行星传动系统100中高负荷滚动元件的使用寿命。陶瓷涂层如氮化硅具有随着轴向力的增大而增大的可变的高摩擦系数，并且当以非常薄的层将其施加到这些部件的表面时能够增大滚动牵引表面的使用寿命。当牵引传动系统经受高转矩时，这是非常有益的，它能够将所需的高轴向力推动到硬质钢滚动部件的屈服强度极限。氮化硅具有的可变摩擦系数减小了在这些高转矩条件下所需的轴向力。涂层的厚度取决于涂层所用的材料，并且在不同的应用会有所变化，陶瓷典型的范围是0.5微米至2微米，金属陶瓷为0.75微米至4微米。
当滚动牵引表面由硬质钢构成时，硬质钢是这里描述的许多实施例中所用的材料，考虑用来施加涂层的方法是重要的。用来施加陶瓷和金属陶瓷的一些方法需要高温，并且会降低它们被施加到其上的金属的硬度，从而损害性能和导致过早失效。低温的施加方法是期望的，有几种方法可用，这些方法包括低温真空等离子、DC脉冲反应的磁控管溅射、等离子体增强的化学气相沉积(PE-CVD)、非平衡磁控管物理气相沉积和电镀(plating)。由于其成本低，以及能够形成特制的浴槽来实现期望的涂层属性，因此电镀处理是有吸引力的。将滚动元件浸没在具有共沉积的非电解镍镀层的碳化硅或氮化硅的浴槽中或具有碳化硅或氮化硅的电镀镍的浴槽中是一种低温技术方案，该方案非常适于大批量生产。应该注意，除了上面提到的材料也可以使用其他材料。利用该施加处理，零部件容纳在笼套中并浸没在浴槽里，然后将其摇晃使得溶液接触所有表面。涂层的厚度通过部件被浸没在浴槽里的时间长度来控制。例如，一些实施例使用具有共沉积的非电解镍镀层的氮化硅浸泡部件4个小时获得合适的涂层厚度，但是这仅仅是一个实例，许多形成涂层并控制其厚度的方法都是已知的，可以考虑期望的属性、期望的厚度、基底或构成部件的母材来使用这些方法。
一种增大氮化硅的摩擦系数的方法是增大其粘附力。粘附力可通过化学活性表面产生，其通常以拉脱力(pull-off force)来测量。氮化硅由于其高的自由能而具有高的拉脱力。当涂覆滚动牵引元件时，通过使氧离子轰击或氧化最大化的方法可以增大该粘附力。由于氧倾向于化学键合在表面上，因此会增大摩擦系数。通过减小或消除涂层表面上的碳污染也可以用氮化硅涂层增大粘附力。
通过在涂覆处理的过程中使施加的大粒子最大，也可以增大摩擦系数。可以使用低温方法将氮化硅施加到这些部件的表面上，所述低温方法不会对用于制造滚珠、惰轮和圆盘的硬质钢进行回火。一种用于在某温度(低于该温度将对硬质钢部件进行回火)施加氮化硅涂层的方法是物理气相沉积(PVD)。有多种使用PVD涂覆滚动牵引元件的合适方法，包括阴极电弧法和真空等离子法。阴极电弧法是非常经济的，它可在涂层和传输部件之间提供极佳的键合，但是通常限制用于工具钢，因为这需要较高的温度。真空等离子法的温度非常低，并且实际上可以使用任何钢，但是其键合力不如阴极电弧法那样强，而且也不如阴极电弧经济。阴极电弧法还可以利用更多的大粒子来施加比真空等离子法更粗糙的涂层。氮化硅涂层非常薄，通常为0.5-3微米，从而当其在高负荷下变形时减小了破裂的危险。
这里描述的所示实施例仅仅是从描述的设计中可获得的各种传动系统中的一个实例，这种设计例如由如上所述的各种变化所表示出的。实际上，在所描述的实施例中，术语“内环”和其他相关术语的使用不应该解释为限制了符合以上描述的所有可能实施例中的转矩路径，其仅仅是为了便于理解描述的实施例而使用。附加地，作为如何分布这些功能的一个实例，这里描述的各个部件执行的功能分布在各个部件中，并且这些功能可通过其他部件实现，或者可以将这些部件组合起来合并多个部件的功能。例如，在一些实施例中，内环400与斜面圆盘610是一个整体，例如通过使推力轴承、弹簧或斜面以及在斜面圆盘610和外壳盖150之间的合适轴承浮动，轴向力可由外壳盖150和斜面圆盘610产生。这种变化对本领域技术人员来说是很容易理解的，并且当需要对该技术的任何特定应用进行限制或者由此受益时能够实现这些变化。
上面的描述详细说明了本发明的某些优选实施例和描述了设想的最佳模式。然而，应该理解，无论在上面的文字中描述得多么详细，本发明都可以通过许多方式实施。还如上所述地，应该理解，当描述本发明的某些特征或方面时，特定术语的使用仅仅是示例性的而不是要作限定。所用的术语仅当其清楚表述时才在这里重新定义，以涉及该术语所关联的本发明的特征或方面的任何特定特征，否则这种语言就是示例性的，应该考虑其他的含义。因此本发明的范围应该根据随附的权利要求和其任何等同物进行解释。
权利要求
1.一种牵引传动系统，包括通常为管状的、围绕纵轴线旋转的惰轮；多个可旋转并且通常为盘形的行星辊，每一行星辊具有第一接触表面、第二接触表面和第三接触表面，所述第一接触表面具有第一直径，所述第二接触表面具有第二直径以及所述第三接触表面具有第三直径，行星辊围绕惰轮分布且每一行星辊与惰轮在其相应的第三接触表面接触；可绕纵轴线旋转并适于接触每一行星辊的第一接触表面的内环；和适于接触每一行星辊的第二接触表面的外壳环。
2.根据权利要求1的牵引传动系统，其中每一辊的第一接触表面仅接触内环，每一辊的第二接触表面仅接触外壳环，每一辊的第三接触表面仅接触惰轮。
3.根据权利要求1的牵引传动系统，其中第一接触表面包括内接触表面。
4.根据权利要求1的牵引传动系统，其中第二接触表面包括外壳接触表面。
5.根据权利要求1的牵引传动系统，其中第三接触表面包括惰轮接触表面。
6.根据权利要求1的牵引传动系统，其中每一行星辊适于围绕通常为圆柱形的轴旋转，该轴形成通常与纵轴线平行的行星轴线，其中每一行星辊的第一接触表面相对其相应的轴线成一角度。
7.根据权利要求6的牵引传动系统，其中每一行星辊的第二接触表面相对其相应的行星轴线成一角度。
8.根据权利要求7的牵引传动系统，其中每一行星辊的第三接触表面通常与其行星轴线平行。
9.根据权利要求8的牵引传动系统，还包括轴向力发生器。
10.根据权利要求9的牵引传动系统，其中所述轴向力发生器包括在与行星辊相对的侧面上邻近内环定位的斜面圆盘，该圆盘适于围绕纵轴线旋转，并具有面对行星辊的第一侧面和朝向远离行星辊的第二侧面；围绕斜面圆盘的第一侧面径向向外的边缘分布的一组斜面；以及一组斜面轴承，每一斜面轴承设置在斜面圆盘和内环之间并适于沿这组斜面中相应的一个斜面滑动，其中所述一组斜面和斜面轴承配合成将输入到斜面圆盘的转矩转换成都将传递给内环的转矩和轴向力。
11.根据权利要求9的牵引传动系统，其中轴向力发生器包括至少一个弹簧。
12.根据权利要求11的牵引传动系统，其中所述至少一个弹簧还包括贝氏弹簧。
13.根据权利要求1的牵引传动系统，其中外壳环与通常为管状的外壳连接，该外壳至少部分包围牵引传动系统的其余部件。
14.根据权利要求13的牵引传动系统，其中外壳是静止的而且不旋转。
15.一种围绕纵轴线工作的行星牵引传动系统，包括通常为管状、围绕纵轴线同轴定位的惰轮；多个通常为盘形的、围绕惰轮配置并接触惰轮的行星辊，该行星辊分布在与纵轴线垂直的平面中，并且每一行星辊围绕各自的行星轴线旋转；围绕纵轴线同轴定位并接触每一行星辊的内环；围绕纵轴线同轴定位且至少部分封闭和包围惰轮、内环和行星辊的管状外壳，该外壳在其内表面上具有接触每一行星辊的外壳环，其中每一行星轴与纵轴线平行。
16.根据权利要求15的牵引传动系统，其中内环在距离纵轴线第一半径的地方接触每一行星辊，外壳环在距离纵轴线第二半径的地方接触每一行星辊，以及惰轮在距离纵轴线第三半径的地方接触每一行星辊。
17.根据权利要求16的牵引传动系统，其中第一半径、第二半径和第三半径彼此不同。
18.根据权利要求17的牵引传动系统，其中第一半径小于第二半径。
19.根据权利要求18的牵引传动系统，还包括适于至少保持行星轴的轴向对准和径向定位的笼套。
20.根据权利要求19的牵引传动系统，还包括接合管状外壳以部分封闭笼套、惰轮、行星辊和内环的外壳盖。
21.根据权利要求20的牵引传动系统，还包括轴向力发生器。
22.根据权利要求21的牵引传动系统，其中行星辊通常轴向地定位在内环和外壳环之间，轴向力发生器包括在与行星辊相对的侧面上邻近内环定位且位于内环和外壳盖之间的斜面圆盘，该外壳环适于围绕纵轴线旋转，并具有面对内环的第一侧面和面对外壳盖的第二侧面；围绕斜面圆盘的第一侧面径向向外的边缘分布的一组斜面；以及一组斜面轴承，其轴向定位在斜面圆盘和内环之间，每一斜面轴承适于沿相应的一个斜面滑动，其中所述一组斜面和斜面轴承配合成将输入到斜面圆盘的转矩转换成都将传递给内环的转矩和轴向力。
23.一种传递转动能量的方法，包括沿一纵轴线向斜面圆盘提供输入转矩，该斜面圆盘适于将转矩转换成转矩分量和力分量；将输入转矩转换成旋转转矩分量和轴向接触力分量；将旋转转矩分量和接触力分量传递给内环；通过每一行星辊的第一接触表面从内环向多个行星辊分配旋转转矩分量；以及通过每一行星辊的第二接触表面从每一行星辊向周围的外壳分配旋转转矩，以及通过每一行星辊的第三接触表面从每一行星辊向中心惰轮分配旋转转矩，其中接触力分量有助于旋转转矩的传递和分配。
24.根据权利要求23的方法，其中行星辊在其相应的第二接触表面接触静止的外壳，并且能够绕纵轴线运转，使得每一行星辊的所有旋转转矩通过其第三接触表面进行传递。
全文摘要
一种牵引传动系统，其在一个实施例中包括绕纵轴线旋转的惰轮(110)，多个可旋转的且通常为盘形的行星辊(300)，每一行星辊具有内接触表面(310)、外壳接触表面(315)和惰轮接触表面(320)，所述内接触表面具有第一直径，所述外壳接触表面具有第二直径以及所述惰轮接触表面具有第三直径，行星辊围绕惰轮分布且每一行星辊与惰轮在其相应的惰轮接触表面接触。该实施例的牵引传动系统还包括可绕纵轴线旋转并适于接触每一行星辊的外壳接触表面的内环(400)。在一些实施例中，每一辊的内接触表面仅接触内环，每一辊的外壳接触表面仅接触外壳环，每一辊的惰轮接触表面仅接触惰轮。
文档编号F16H13/14GK101076681SQ200580031624
公开日2007年11月21日 申请日期2005年7月19日 优先权日2004年7月21日
发明者D·C·米勒, R·A·史密森 申请人:瀑溪技术公司