滚子传输和传动机构的制作方法

专利名称：滚子传输和传动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种滚子(滚动体)传输(传递)和传动机构(roller transmission and gearing mechanism )， 其包括驱动体、具有相应的中心 或中心轴线的滚子装置以及从动体，其中驱动体通过滚子装置接合到从动 体，驱动体和从动体被引导成进行具有单自由度的运动，驱动体和从动体 上均限定有相应的滚子引导轨道，所述轨道接触滚子装置并确定滚子装置 相对于相关体的相对运动，滚子装置沿相应的滚动曲线接触滚子引导轨道， 滚子引导轨道在相应成对的限制表面处起始和终止于驱动体和从动体，滚 子装置沿它们相关的滚子引导轨道运动，其中驱动体和从动体的角色可互 换。
背景技术：
动力传输和传动系统对于机械工程行业而言十分重要，并且存在多种 可利用的动力传输和传动系统。它们中大多数的特征尤其在于其传动比、 最大可传输动力、其结构设计和尺寸，特别是驱动体和从动体的相对位置 和大小，从动体相对于驱动体的旋转方向的可变换性，及最后但并非不重 要的动力传输效率。
例如，蜗轮传动装置以其特别低的动力传输效率而众所周知。它们由 于其接触表面之间的大量滑动所导致的摩擦能量损失而消耗大量的能量。 过去已提出了各种提议，通过在蜗杆槽和蜗轮齿的接触表面之间引入滚珠 来降低滑动的程度。这样蜗杆和蜗轮不再直接接触，但它们之间的接合经 一组滚珠建立。滚珠在处于接合位置时沿蜗杆和蜗轮之间的路径运动。当 它们到达路径的端部时，它们离开路径并脱离接合。然后它们经由外部装
置被导回到路径的起点，在那里它们重新建立接合。
这类提议可见于例如美国专利3,365,974、 2,664,760、 4,656,884和 4，283，329。但是，这些设计并不能带来从应用滚珠而可预期的全部优点， 这是因为不满足滚珠的纯滚动运动的条件。在缺少这些条件的情况下，滚 珠被迫沿它们的轨道进行大量滑动，并由于严重的摩擦能量损失而导致非 最佳的传输效率。
对于用于线性运动的典型的滚珠丝杠，例如用于机床中的工作台运动 的滚珠丝杠，滚珠的纯滚动运动条件自动地得到满足。这是因为驱动体和 从动体具有共线的旋转轴线，并且滚子引导轨道是同心的。就滚子的纯滚
动运动而言，这是因其小的摩擦能量损失和纯滚动运动的其它优点而得以 广泛使用的滚子传输和传动系统的仅有的已知示例。但是，实际上，滚珠 丝杠仅能用于将旋转运动转化为沿平行于旋转轴线的路径的线性运动，使 得它们无法用于提供更多自由度的运动，例如沿二维或三维路径的运动； 并且由于这种限制，这种特殊的传动系统并未得到普遍而广泛的应用。
应用最广的传动机构一般是使用带有齿的轮的机构。其具有多种优点 及很少的缺点。缺点之一在于，啮合(接合)系数、即在任意给定时刻同 时接触的齿的数量较少且不能显著增加。这意味着机械载荷集中在少数相 啮合的齿上，且由此最大可传输动力相比于尺寸和所用的空间来说较小， 并且难于显著提高。除了对最大可传输动力的限制之外，也没有多少用于 操作的空间来改变驱动轴和从动轴之间的距离和角度。这种设计的另一个 约束在于，对于给定的连接轮的构型，所述轮的相对旋转方向是预先确定 的。为了改变相对旋转方向，必须在所述轮之间插入额外的轮。这一方面 增大了装置的尺寸，另一方面带来了额外的摩擦能量损失。齿轮的一个最 重要的缺陷在于，由于轮的连接齿在它们大部分的啮合时间内都在彼此上 滑动而导致的摩擦能量损失。这使得即使施加了适当的润滑也会显著降低 动力传输效率。

发明内容
本发明的主要目的是提供一种新型的传输和传动机构，其可解决现有 传输和传动系统的大部分上述缺点和限制，具有较高的动力传输效率，需 要较小的空间并且可传输更高的转矩。
为实现该目的，根据本发明，已认识到应当提供这样一种新型的滚动 传输和传动机构，其中在驱动体、滚动体和从动体之间实现纯滚动运动。
因此，提供了这样一种滚子传输和传动机构，其包括驱动体、具有 相应的中心或中心轴线的滚子装置、以及从动体，其中所述驱动体借助于 所述滚子装置接合到所迷从动体，所述驱动体和从动体被引导成进行具有 单自由度的运动，所述驱动体和从动体上均限定有相应的滚子引导轨道， 所述轨道接触所述滚子装置并确定所述滚子装置相对于相关体的相对运 动，所述滚子装置沿相应的滚动曲线接触所述滚子引导轨道，所述滚子引
滚子装置沿它们相关的滚子引导轨道运动，其中所述驱动体和从动体的角 色可互换，其中，根据本发明，在所述驱动体上的滚动曲线和所述从动体 上的滚动曲线的相应点之间限定的距离是不同的，所述滚子装置在进入所
所述轨道，并且对于所述滚动曲线上的在与所述滚子装置接触时的所有成 对的点而言，在这些成对的点处绘出的相应切面基本上相互平行，所述成 对的接触点的在所述滚子装置的坐标系中限定的速度基本上相同但具有相 反的符号，在所述接触点处，作用在所述滚子装置上的力的相应作用线通 过所述滚子装置的中心或中心轴线，或者与所述滚子装置的中心或中心轴 线相交，所述驱动体的滚动曲线的长度基本上等于所述从动体的滚动曲线 的长度，并且所述滚动曲线具有在所述接触点之前和之后的相互成角度地 倾斜的切面。
在该定义中，术语"单自由度"不限于沿直线的运动，而是大致沿一 条线进行的任意空间运动。
在多处使用的表述"基本上"是指，所限定的条件无需在数学上完全 精确地得到满足，而是允许在精确条件左右的小偏差，只要本设计的优点
能接受这些误差即可。
在数个优选实施例中，所述滚子装置是球形的滚珠，或者它们是旋转 对称体，例如圆柱形或桶状的滚子。
所述滚子传输和传动机构可优选地包括相应的滚子返回路径，用于引 导离开所述滚子引导轨道的滚子装置返回和在相应的进入开口重新进入所 述滚子引导轨道。
优选地，所述驱动体和从动体中的至少一者是旋转对称的，并且具有 相应的4t转轴线。
在上述情况下，更优选地，所述驱动体和从动体两者都是旋转对称的， 并且具有相应的非平行的旋转轴线。
对于某些应用来说，优选地，所述驱动体和从动体中的至少一者具有 旋转对称的前表面，所述滚子引导轨道限定在所述前表面上，并且所述限 制表面是环。
在进一步优选的实施例中，所述驱动体和从动体中的至少一者是齿条， 其被i殳定为沿给定的线(线路)运动，并且所述滚子引导轨道限定在所述 齿条的平坦表面上。
在进一步优选的实施例中，在所述驱动体或从动体中的至少一者上限
定有多个滚子引导轨道。
在这种情况下，优选地，位于同一个体上的滚子引导轨道在形状和曲 率上相同，并且绕相关体的旋转轴线相对于彼此成角度地移置相应的角间 距。
如果移置角为360°/n，其中n为所述体上的等间距的滚子引导轨道的 数量，则获得均勾的角度分布。
在进一步优选的实施例中，所述滚子引导轨道被限定在相关体的平表 面上，并且它们的形状和曲率相同，且沿预定的方向彼此间隔开。
在进一步优选的实施例中，所述驱动体和从动体中的任一者包括具有 相应侧表面的脊，并且另一个体限定有形状与所述脊顺应(conforming) 的槽，从而在所述脊的各个侧表面和所述槽的各个侧表面之间设有相应的
间隙，所述滚子装置设置在所述间隙的至少一个中，所述滚子引导轨道被 限定在所述脊和所述槽的相对的侧表面上，其中所述滚子装置设置在所述 滚子引导轨道中。
在该后一实施例的另 一种型式中，多个滚子引导轨il^皮限定在所述间 隙中，并且相应的滚子装置沿各个所述滚子引导轨道被引导。
对于双向负荷来说，优选地，所述间隙的两个中均设有相应的滚子装置。
还优选地，多对相顺应的脊和槽布置在所述体的每一个上。
在进一步优选的实施例中，所述滚子装置是基本上充满所述间隙的孩吏 小的球。在一优选的替换实施例中，所述微小的球悬浮在润滑流体中。
在特定的设计中，所述滚子可相对于它们各自的引导路径沿侧向偏离。 如果所述机构包括这样的挡板就可防止上述问题，所述挡板限制所述滚子 装置在除由所述滚子引导轨道限定的路径(的方向)以外的方向上的任何 位移。所述挡板布置在所述轨道的相应側。
还优选地，所述机构包括位于相邻的滚子装置之间的间隔件，以保持 所述相邻滚子装置之间的预定距离。
为了提供所述滚子装置的平稳和无噪声的循环，所述滚子装置在离开
成一角度，该角度的余弦等于所述滚子装置在所述返回路径中的速度与所 述滚子装置在离开所述滚子引导轨道时的速度之比，此外，所述返回路径 在其另一端处的方向与所述滚子装置在进入所述滚子引导轨道时的运动方 向之间也具有相同的角度。
提供工作良好的返回路径的可选方案为，在靠近所述滚子引导轨道的 终止限制表面处在相邻的滚子引导轨道之间设置逐渐减小的距离，并且在 靠近所述滚子引导轨道的起始限制表面处在相邻的滚子引导轨道之间设置 逐渐增大的距离。
提供进入和离开所述返回路径的平稳过渡的另一种方式为，在靠近所 述限制表面时，使所述滚子引导轨道在所述轨道的起始和终止部分逐渐扩大，从而减小作用在所述滚子装置上的力，并便于所述滚子装置的进入和 排出。
和传动任务提供新的解决方案，其中在驱动体和从动体的任意相对位置之 间的小空间内可提供直接传输，通过增大驱动体和从动体之间的啮合系数 可提高能被传递的力和转矩。滑动运动的消除降低了摩擦能量损失，并提 高了动力传输效率。所列出的优点远非穷举性的。


现在参照附图结合多个示例性实施例对根据本发明的滚子传输和传动
机构进行说明。在图中
图1是根据本发明的滚子传输和传动机构的基本设计之一的示意图； 图2是与图1中的设计相同的设计的示意图，但未示出第一轮IO,滚
的滚子和滚子再循环通道内的滚子在内的滚子完整循环充分可见；
图3是与图1中的设计相同的设计的示意图，但未示出滚子的再循环； 图4是图3给出的i殳计的俯一见图5是与图1中的设计相同的设计的示意图，但在每个体上只具有一 个滚子引导轨道，并且在接合位置只有一个滚子；
图6是与图1中的设计相同的设计的示意图，但未示出第一轮IO，只 在滚子接合通道内的接合位置示出了一个滚子；
图7是与图1中的设计类似的基本设计的另一个示例的示意图，其中 第一轮10为透明的，只示出了沿滚子接合路径处于接合位置的滚子，但未 示出滚子再循环；
图8是这样一种设计的示意图，其中所述体之一为在其内表面上形成 有滚子引导轨道的环；
图9是与图8中的设计类似的设计的示意图10是这样一种设计的示意图，其中所述体的旋转轴线是平行的并且
滚子引导轨道设置在所述体的前表面上；
图ll是与图10中的设计类似的设计的示意图12是这样一种设计的示意图，其中一个体是旋转对称体，另一个体 是齿条，未示出滚子再循环；
图13是这样一种设计的示意图，其中一个体是齿条，而另一个体为具 有垂直于所述齿条平面的旋转轴线的环，滚子引导轨道形成在彼此相对的 所述环的前表面和齿条的侧面上，未示出滚子再循环；
图14是与图13中的设计相同的设计的示意图，但未示出环IO，沿滚 子接合路径处于接合位置的滚子全部充分可见，未示出滚子再循环；
图15是这样一种设计的示意图，其中两个体为球形部段且^皮设置成绕 相交的旋转轴线旋转；
图16是与图15中的设计类似的设计的示意图17是这样一种设计的示意图，其中一对一的滚子引导轨道形成在驱 动体和从动体的相匹配的槽和脊的两侧上；
图18是与图17所示的设计对应的示意图，示出在其两侧上形成有一 对一的滚子引导轨道的槽和脊的截面廓形，也示出了滚子；
图19是这样一种设计的示意图，其中两对滚子引导轨道形成在驱动体 和从动体的相匹配的槽和脊的两侧上；
图20是与图19所示的设计对应的示意图，示出在其两侧上形成有二 对二的滚子引导轨道的槽和脊的截面廓形，也示出了滚子；
图21是这样一种设计的示意图，其中使用了大量的微小滚子，并且相
图22是与图21所示的设计对应的示意图，并且示出了二对二的槽和 脊的截面廓形，滚子太小而无法在图中示出，同时收缩成单线滚动曲线的
滚子引导轨道确定了所述槽和脊的全部廓形； 图23是使用圆柱形滚子的设计的示意图24是与图23所示的设计对应的示意图，示出了两个轮上的滚子引 导轨道的截面廓形，还示出了滚子引导轨道中的圆柱形滚子；
图25是描绘了根据本发明的滚子传输和传动机构中的转矩传递原理 的第一示意图，在该图所示的例子中使用了两个旋转对称体zl和z2，它 们的旋转轴线被设定为任意角度；
图26是描绘图25中的例子的第二示意图27是描绘图25中的例子的第三示意图28是描绘图25中的例子的第四示意图29是描绘图25中的例子的第五示意图，示出了三个主要方向的视
图30是根据本发明的滚子传输和传动机构的运动学示意图，示出了一 个滚子、其相应的滚子接合路径和两条滚动曲线，以及所述系统特有的各 种速度和角速度；
图31是示出滚子之间的间隔件的示意图32是一串滚子的示意图，描绘了滚子接合通道和滚子再循环通道之 间的角度设置；
图33是这样一种轮的设计，其中滚子引导轨道的形状和分离被调整以 便在滚子离开/进入滚子接合通道时消除/扩大滚子之间的间距并消除/建立 滚子与滚子引导轨道之间的力；
图34是这样一种设计的示意图，示出了所述体之一和滚子的完整循 环，该图的区域A在图33中被放大；
图35是一种特殊应用示例的示意图用于自行车的滚子传输和传动装
置；
图36是一种特殊应用示例的示意图用于差速齿轮的滚子传输和传动 装置；以及
图37是一种特殊应用示例的示意图用于带有双轴的车辆的、同时驱 动两个差速齿轮的滚子传输和传动装置。
具体实施例方式
为了示出本发明介绍的滚子传输和传动机构的主要部分和主要特征，
首先示出基本设计的一个例子，其中两个体是两个旋转对称的轮，它们的 旋转轴线相对于彼此形成斜线并且包括一角度。图1示出该设计的示意图，
包括第一轮10和第二轮20以及它们各自的旋转轴线11和21。在本说明
书中，"轮"指的是可绕其对称轴线旋转但沿其轴向固定的旋转对称体。 每个体具有以该体的旋转轴线为中心的旋转对称内或外表面，在所述表面
上形成滚子引导轨道。这些表面将被称为轨道表面。所述轨道表面由两个 分离的限制表面界定，所述限制表面为通常但不总与旋转轴线垂直的平面。 在图l所示的例子中，两个轮10和20具有形成有滚子引导轨道12和22 的旋转对称外轨i!4面，并且轮10的限制表面14和15以及轮20的限制 表面24和25都是垂直于旋转轴线的平面。第一轮10的旋转对称轨道表面 #^人为只存在于两个限制表面14和15之间。两个限制表面14和15形成 两个端部，即第一轮IO的两个前表面。类似地，第二轮20具有限制表面 24和25。
在图l所示的例子中，第一轮10和第二轮20的两个旋转对称轨i1^ 面之间的距离通常非常小，但这两个体从不相互直接接触。而是，第一轮 10和第二轮20经多个滚子30接合。在本示例中，实际上，所述滚子为圆 球。从图5的示意图中可很好地看到两个旋转对称体10和20的相对位置 以及滚子30的位置。对于两个旋转对称体而言，都存在由它们的轨5t^面 上的点构成的线，在这些点与所述轨道表面相切的平面之间的距离等于两 个体本身的轨it^面之间的最小距离。这两个特定的切面穿过滚子30。每 个滚子30的体部的一部分位于第一轮10的切面的朝向第一轮10的体部的 一側并且朝第一轮10的滚子引导轨道12延伸且装配在该引导轨道中。同 一个滚子30的体部的另 一部分位于第二轮20的切面的朝向第二轮20的体 部的 一侧并且朝第二轮20的滚子引导轨道22延伸且装配在该f j导轨道中。 在如上所述由非常小的距离隔开的两个切面之间，滚子30具有其体部的非 常窄的部段，该部段位于相应的轮10和20的两个滚子引导轨道12和22 之外。
在图1中可清楚看到，滚子引导轨道12和22是沿螺旋线形成在相应
轮10和20的旋转对称轨道表面上。滚子引导轨道12和22实际上类似于 传统的螺紋，其中第一轮10和第二轮20的轨il^面上的分离的螺紋数之 比对应于传动比。
如下文中详细所示，滚子的数目、形状和尺寸，以及相应的轮10和 20上的滚子引导轨道12和22的数目、形状和曲率及截面廓形都是详细的 定量设计和尺寸计算的结果。
滚子30通过装配在第 一轮10和第二轮20上的相应引导轨道中而在所 述两个轮之间建立刚性接合。这样，滚子不允许两个轮彼此独立地旋转。
在图l所示的基本设计中，两个轮10和20是旋转对称体，其中一对 挡板31、 32安置在两个体的轨道表面之间的自由空间内，位于滚子接合通 道的两侧并与之直接邻接。挡板M、 32用于保护滚子30，使之不会相对 于滚子接合通道沿侧向偏离。注意，挡板的应用对于根据本发明的滚子传 输和传动结构的各种设计来说并不总是必需的，这是因为滚子接合通道在 很多情况下可自然地将滚子保持在它们的通道中而无需外部装置的帮助。 例如，对于大多数具有两个平行的旋转轴线的设计，其中滚子引导轨道如 图10-11所示地形成在前表面上，以及对于例如如图17-22所示的在其轨 道表面上带有槽和脊的设计，就属于这种情况。
参见图1所示的例子，当我们以特定的角速度旋转(驱动)例如第一 轮10时，滚子30将沿滚子引导轨道12和22滚动并同时从第一驱动轮10 向第二从动轮20传递转矩。滚子引导轨道12和22的长度有限并且相等。 当滚子30在所述轮的限制表面处到达滚子引导轨道的端部时，它们离开滚 子接合通道并脱开轮10和20之间的接合。为了保持轮10和20之间的连 续接合并确保滚子接合通道在任意时刻都不会为空，新的滚子30需要从所 述轮的另一个限制表面进入滚子引导轨道12和22，并在新的接合循环中 滚动至所述轨道的端部。当一个轮上的滚子引导轨道和另一个轮上的相应 滚子引导轨道一起打开通向滚子接合通道的入口时，新滚子在轮的限制表 面处进入滚子引导轨道。为了向滚子引导轨道连续地进给滚子，已建立起 了 一封闭且连续的滚子回路，其使离开滚子接合通道的滚子再循环而回到
所述通道的起点。为了强调滚子30的再循环的连续特性，在图1中示出了 连续的滚子线。滚子线确定了滚动再循环通道33。滚子再循环通道33的 位置应当被设置成避开轮10和20。对于滚子再循环通道33来说，最简单 的方案是使用定位良好的管或篮状的管形引导件，滚子在其内部形成连续 的线，当它们沿再循环路径运动时彼此推动。
在图2中，第一轮10未示出，只示出了第二轮20。在第二轮20上可 看到滚子引导轨道22彼此并排设置并相对于轮的旋转轴线21成一角度。 在该图中我们可看到八个在相邻滚子引导轨道22中并排设置的滚子30, 它们的中心沿滚子接合路径对准。相邻的滚子引导轨道22 (以及12 )之间 的距离显然大于滚子的直径。在图2中还可看到，两个挡板31和32设置 在滚子接合路径的两側，以有助于将滚子保持在它们的滚子接合路径及它 们的滚子引导轨道12和22中。挡板31、 32安置成与滚子接合通道直接相 邻，并且它们的最靠近滚子接合通道的边缘被制成锐利的且沿循滚子接合 通道线的形状。在该图中可看到，由30a表示的一个滚子正好在两个轮10 和20的限制表面处进入滚子接合通道以及相应的两个滚子引导轨道12和 22。由30b表示的另一个滚子正好在两个轮10和20的另一限制表面处脱 离接合并离开滚子接合通道以及两个相应的滚子引导轨道12和22。在走 完滚子再循环通道33的整个路径后，滚子30b再次从滚子接合通道的当前 可看到滚子30a的入口点处进入通道，并在两个轮10和20之间重新建立 接合。
图3和4示出与图l相同的设计的前视图和俯视图。显然在图4的俯 视图中，该设计具有多个形成在第一轮10和第二轮20上的滚子引导轨道 12和22,即第一轮10上的6个轨道12和第二轮20上的12个轨道22。 两个轮的前表面示出了多个用于滚子引导轨道的开口 ，所述轨道沿周长均 匀地分布，使前部区域看起来像多边形。在前表面上的滚子引导轨道的开 口处，我们看到的是由所述轮的前表面所在的平面截取而得到的滚子引导 轨道廓形的截面，以及在所述开口之间的仍由相同平面截取而得到的滚子 引导轨道壁的截面。在图4中，我们可看到两个挡板31和32，而在图3
中我们只能看到挡板31，这是因为第一轮10盖住了另一个挡板32。滚子 30不对挡板31和32施加任何大的力或压力，这是因为所述板仅用于将滚 子保持在它们的滚子引导轨道中。由于滚子和挡板之间的相互作用不显著， 因此它们之间产生的摩擦能量损失小到可忽略。
在图5中示出由单个滚子30接合的第一轮10和第二轮20的简化示意 图，描绘了形成在两个相应的轮10和20上的滚子引导轨道12和22的形 状和特征。这是与图1所示相同的设计。在接合位置，滚子引导轨道12 和22转动而彼此面对并一起形成如图5所示包含单个滚子30的滚子接合 通道。由滚子(在示例性的情况下为滚子30)的中心点的行进路径所限定 的滚子接合通道的中心线被称为滚子接合路径并由附图标记34表示。两条 曲线 一条位于第一轮10上，另一条位于第二轮20上，滚子30沿这两条 曲线与两个相应的滚子引导轨道12和22接触，所述曲线被称为滚动曲线 并且在图5中分别用13和23表示。显然，滚动曲线13和23是相应的滚 子引导轨道12和22的一部分。在各个轮上，滚子引导轨道起始和终止于 相关轮的两个相对的端表面，并且通过这种方式，这些端表面限制了包含 所述轨道的表面。滚子从滚子引导轨道起始的第一限制表面处进入轨道， 然后沿滚子引导轨道上的滚动曲线滚动，并最终在滚子？ 1导轨道终止的另 一个限制表面处离开轨道。可定义所谓的啮合系数，即在滚子接合路径34 上和沿该路径的同时处于接合位置的滚子30的数目。对于图2的情况，啮 合系数为8，而对于图7所示的类似设计的情况为18，但原则上，该数目 可更大并且在特定的应用中会大得多。
图6与图l和2类似，但为了更好地描绘，只示出了第二轮20和单个 滚子30。在该图中可看到滚子接合路径34，滚子30的中心沿该路径行进 同时保持其在所述轮之间的接合位置。
基于图1至6，根据本发明的滚子传输和传动机构的操作和操作条件 将说明如下。在驱动操作中，所述两个轮之一为提供输入转矩的驱动轮， 而另一个为接收所传输的转矩的从动轮。或者第一轮10为驱动轮而第二轮 20为从动轮，反之亦可。当驱动轮绕其自身的旋转轴线转动时，由于输入
转矩，驱动轮上的滚子引导轨道在滚子30上施加力。滚子将所述力传递到 从动轮上的滚子引导轨道，并由此产生使从动轮绕其自身旋转轴线转动的 转矩。随着驱动轮和从动轮旋转，滚子30保持它们的接合位置并沿相应轮 10和20上的两个相应滚子引导轨道12和22滚动。滚子30与两个滚子引 导轨道在单个点接触并由此限定两条滚动曲线13和23。随着滚子30沿滚 动曲线13和23滚动，滚子30的中心沿滚子接合路径34行进。滚子30 滚动至滚子引导轨道的端部，并且在它们的行进过程中将来自驱动轮的力 传递至从动轮。当它们在限制表面处到达滚子引导轨道的端部时，它们脱 离接合并离开轨道。此后，在大多数情况下，它们经滚子再循环路径33 在所述轮的另一个限制表面处返回到滚子接合通道的起点。此处，滚子30 再次进入滚子引导轨道并重新建立驱动轮和从动轮之间的接合。它们开始 新的接合循环，其中它们将来自驱动轮的力传递到从动轮。所述循环不断 地重复。
此处基于图1至6应当注意，对于根据本发明的滚子传输和传动机构，
道的特定形状和曲率来确定。也就是说，假定驱动轮和从动轮的同样的两 条旋转轴线，当在所述轮的表面上施用一组不同的滚子引导轨道时形状 和曲率不同，我们可改变从动轮的旋转相对于驱动轮旋转的方向。这种随
意改变旋转方向的自由性在传统的齿轮传动装置中无法实现，这是因为驱 动轮和从动轮的相对旋转方向对于给定的轮结构设置来说是固定的。其只 能通过在驱动轮和从动轮之间引入新的惰轮加以改变，这会引起潜在的问 题，例如系统尺寸扩大及摩擦能量损失增大。
在描述根据本发明的滚子传输和传动机构的非滑动无摩擦工作的条件 之前，将通过示出一些例子描述一下大量可能的结构设计。
在图7中示出了根据本发明的滚子传输和传动机构的实施例，其中两 个轮的轴线形成斜线。笫一轮10使用滚子引导轨道12的轮廓加以描绘， 但显示为透明的。可看到位于透明的第一轮10和所有处于接合位置的滚子 30后方的第二轮20。滚子30的中心绘出滚子接合路径34。滚子接合路径
34仅限定在限制表面24和25，以及14和15之间。滚子30的滚子再循环 通道33未示出。从图7可看到，第一轮10和第二轮20之间的接合是通过 大量的滚子30即18个滚子建立的。滚子30的数目和尺寸并不是由两个轮 10和20的直径或直径比率直接确定的(关于传统齿轮传动装置中的齿数 就是这种情况)，而是能以较灵活的方式设定。换句话说，对于相同的两 个轮10和20，滚子30的各种数目和尺寸可在较宽的数值范围内选取，并 且可计算出相应的滚子接合路径和一组滚子引导轨道。注意，滚子30的数 目越大，即啮合系数越大，可传输的转矩也将越大。轮直径的比率并不直 接决定传动比。换句话说，具有不同的轮直径比率的两种设计仍可产生相 同的传动比。实际上，轮的形状和尺寸，滚子的形状、尺寸和数目，以及 滚子引导轨道的形状、曲率和数目共同地规定了所述系统。这些参数作为 变量可在较宽的数值范围内灵活变化，以形成满足所需系统规格的最优的 结构设置。
图8和9示出根据本发明的滚子传输和传动机构的另外两个示例，其 中第二轮20上的滚子引导轨道22形成在轮20的旋转对称内表面上，并且 在该情况下轮20实际上为环。第一轮10具有与上述实施例类似的形成于 其外表面上的滚子引导轨道12，并且其定位在第二环形轮20的内侧。在 这两个图中，第二轮20使用其滚子引导轨道22的轮廓及其外轮廓来描绘， 但其它方面示出为透明的。在图8和9中也示出处于接合位置的滚子30 以及滚子接合路径34。在图8和9所示的两个例子中，所使用的滚子30 具有不同的数目，并且滚子接合路径的长度也不同。结果，对于这两种设 置来说，可传输的转矩以及传动比不同。
图10和11示出根据本发明的滚子传输和传动机构的两个例子，其中 两个轮10和20的旋转轴线是平行的。第二轮20使用其滚子引导轨道22 的轮廓及其外轮廓加以描绘但其它方面看起来是透明的。这样可透过第二 轮20看到滚子30和滚子接合路径34。在这两个例子中，滚子引导轨道形 成在轮10和20的相应前表面上。这些彼此相对的表面是垂直于所述轮的 相应旋转轴线的平面并且由限制表面14和15以及24和25界定。所述限
制表面是同心的旋转对称表面，并且具有与所述旋转轴线共线的轴线。由
于它们特定的曲率，两个轮10和20上的相应滚子引导轨道将滚子30安全 地保持在相关的滚子接合通道内。这意味着滚子30没有相对于它们相关的 滚子接合通道沿侧向偏移的风险，且由此无需应用挡板或其它外部装置将 滚子保持在它们的滚子接合通道中。图10和11所示的两个例子之间的主 要区别在于，在这两个实施例中，与驱动轮10的旋转方向相比，从动轮 20沿不同的相对方向旋转。换句话说，在其中一个例子中，从动轮20的 旋转方向与驱动轮10的旋转方向相同，而在另一个例子中则是相反的。这 是通过应用不同的滚子引导轨道系统而实现的具有不同的形状和曲率。
在图12至14中示出另外两个实施例，其中一个在图12中，另一个在 图13和14中，其中给定的旋转运动被转化为沿给定线的运动，或反之。 在图12中，与上文所示的大部分情况类似，第一轮10具有形成在其旋转 对称外表面(并非前表面)上的滚子引导轨道12。轮10绕其旋转对称轴 线11旋转但其纵向位置沿所述旋转轴线的轴向固定。与轮10的切面方向 对准的是定位在距轮IO小距离处的齿条40。齿条40设置成能够沿平行于 轮10切面的给定线运动。较靠近轮10的齿条40的表面上形成有滚子引导 轨道42。在图12中可看到，在滚子30同时接触轮10的滚子引导轨道12 和齿条40的滚子引导轨道42时，轮10和齿条40由滚子30接合。考虑到 轮IO的表面弯曲远离齿条40的表面且由此在所述两个表面之间形成张开 有自由空间，因此可应用挡板以将滚子30保持在它们的滚子引导轨道和滚 子接合路径上。所述挡板未在图12中示出，但它们与上文讨论的十分类似。 引导滚子30从滚子接合路径的端部返回到其起点的滚子再循环轨道在图 12中未示出。转动所述轮10，该轮上的滚子引导轨道12在滚子30上施力， 随后滚子30将力施加在齿条40的滚子引导轨道42上。这最终使齿条40 沿由齿条的配置所指定的给定线运动。被驱动的齿条40的运动方向一方面 显然取决于驱动轮10的旋转方向，另一方面也取决于轮10上的滚子引导 轨道12和齿条40上的滚子引导轨道42的特定形状和曲率。当然，轮IO 和齿条40的作为驱动体和从动体的角色可互换。
图13和14示出根据本发明的滚子传输和传动机构的另一个例子，其 中给定的旋转运动被转化为沿给定线的运动。但是，此处，轮10的旋转轴 线垂直于齿条40的平表面，并且轮上的滚子引导轨道位于轮的前表面上。 除了轮10被移开以直接示出滚子30沿滚子接合路径34排列之外，图14 与图13相同。该结构中的驱动轮10与图lO和ll中的类似它是具有同 心的旋转对称限制表面14和15的环，并且与图10和11中类似，滚子引 导轨道(不可见)形成在其前表面上。与上述情形类似，环10上的滚子引 导轨道和齿条40上的滚子引导轨道由一组滚子30接合。滚子30直接显示 在图14中。通过使环IO绕其竖直轴线转动，滚子30使齿条40沿由齿条 40的特定配置所指定的给定线运动。被驱动的齿条40的运动方向一方面 显然取决于驱动轮10的旋转方向，另一方面也取决于轮10上和齿条40 上的滚子引导轨道的特定形状和曲率。
在图15和16中示出另一种结构"i殳计，其中驱动轮10和从动轮20的 旋转轴线彼此交叉。所形成的驱动轮10和从动轮20的轨道表面的形状都 是球部段，其中对于两个轮来说，所述球的球心均位于驱动轮10和从动轮 20的旋转轴线的交点处。在图15和16所示的两个实施例中，两个传动装 置具有相同的工作特征，例如传动比、最大可传输动力和相对旋转方向， 尽管它们的结构设计在驱动轮10和从动轮20的相对位置方面不同。该示 例突出了根据本发明的传动机构的灵活性，因为能使用各种结构设计来实 现相同的工作特征。
在图17和18中示出才艮据本发明的滚子传输和传动机构的一种新型结 构设计的例子，其中驱动体10和从动体20两者在它们的轨it^面上包括 与传统的螺紋类似的螺旋槽和脊，并且一个体上的脊自由地延伸到另一个 体上的槽凹部中，反之亦可。如图18的剖视图所示，滚子引导轨道形成在 两个轮的槽和脊的两侧上。在图17和18中，两个轮分别用附图标记10 和20表示，其中槽16被限定在第一轮10上，两个滚子引导轨道17和18 开在槽16的两侧上。类似地，脊26从第二轮20延伸而出，具有与槽16 互补的廓形。相应地，滚子引导轨道27和28被限定在第二轮20的脊26
的两侧上。 一对滚子30a和30b设置成沿槽16和脊26的两个相对设置侧 上的两个滚子引导轨道17、 18行进。第一轮10的槽16上的滚子引导轨道 17和第二轮20的相应的互补脊26上的滚子引导轨道27用于所述槽和脊 一侧的滚子30a,类似地，槽16上的滚子引导轨道18和脊26上的滚子引 导轨道28用于所述槽和脊另一侧的滚子30b。注意，对于工作负荷的任意 给定的方向，只有槽和脊的一侧上的滚子如由30a而非30b表示的滚子是 工作的，以将来自驱动轮10的力传递到从动轮20,而所述槽和脊的另一 侧上的滚子即该示例中的30b是不工作的，没有力作用在它们上。另一方 面，当工作负荷的方向改变时，滚子的角色也将改变并且上述不工作的滚 子即滚子30b将变为工作的，以将来自驱动轮IO的力传递到从动轮20， 而上述工作的滚子30a将变为不工作的而没有力作用在它们上。这样，如 果工作负荷的方向始终与例如升降机或起重机的情形相同，则只使用处于 接合状态而工作的一组滚子如滚子30a即足以，而不工作的其它滚子即滚 子30b原则上可省略。在轮10和20的角色互换时，即上述驱动轮10变为 从动轮而从动轮变为驱动轮时，滚子也将发生相同的互换。
对于具有槽和脊的该设计来说，在驱动体和从动体的表面上即沿所述 槽和脊的表面较易于形成多个准平行(quasi-parallel)布置的滚子引导轨 道。在该情形下，滚子引导轨道引导滚子沿多个不同的滚子接合路径和滚 子接合通道行进。这种情形的一个示例如图19和20所示，其中分别成对 的滚子引导轨道17a和17c以及18b和18d沿驱动体10上的槽16的各侧 形成，相应的滚子引导轨道27a和27c以及28b和28d沿从动体20上的脊 26的各侧形成。如图20的剖视图所示，这些滚子引导轨道驱动四组滚子。 滚子引导轨道17a和27a驱动滚子30a，轨道17c和27c驱动滚子30c，轨 道18b和28b驱动滚子30b，轨道18d和28d驱动滚子30d。从图19和20 中也可看到，每个槽和脊上的滚子引导轨道在这种情形下并不是彼此的精 确旋转或平行移动的复制品，它们是根据其各自的运动学方程的独立的方
这种设计与本发明的其它设计相比具有一些特殊的特征和优点。例如，垂 直于所述轮的轴线起作用并力求将它们推开的力在该情形下较小。另外，
此滚子没有沿侧向偏移的风险，且由此不需要挡板和其它外部装置将滚子 保持在它们相应的滚子接合通道中。在这种设计中，较易于减小其中一个 体上的滚子引导轨道的宽度，直到它窄成单线而构成相应的滚动曲线。这 在轨道表面上不具有槽和脊的其它设计的大多数情形中都是非常困难或不 可能的。此处还较易于使用小尺寸的滚子，例如直径为单个毫米或更小的 滚子，并且较易于在所述槽和脊的表面上形成数量较多的滚子引导轨道，
例如5-10个乃至更多。将这种小尺寸滚子的情形推广到极限情况，则这种 设计与其它设计不同，如下文详细所述，其也可配置成使用微观上很小的
滚子和微观上很窄的滚子引导轨道。另外，这种设计的特征在于具有较高
的啮合系数。
具有槽和脊的上述设计的一种特殊情形示出在图21和22中，其中使 用了非常大量的微小滚子，每个滚子仅具有数微米的直径。实际上，使用 了具有宏观上的大容积如1升滚子的滚子"容器(reservoir)"，这意味 着该容器内的滚子的数目将为数万亿个的量级甚至更多。单个的滚子在图 中显然是不可见的，因为它们太小而无法看到，但是所述大量滚子可被想 象成是特定种类的"润滑液体"，其中轮的接合区域即所述大量的滚子接 合通道被浸没。对应于所述滚子的滚子引导轨道在微观上是很窄的并且实 际上收缩成单线的滚动曲线。它们的数量也非常大，紧密地间隔并密密麻 麻地覆盖所述槽和脊的两侧的整个表面。换言之，图22的剖视图中给出的 整个廓形以及图21中所示的驱动体10和从动体20上的槽和脊的形状和曲 率是由微观上很窄的滚子51导轨道的全体确定的。可使用例如在美国专利 5,549,743中所述的悬浮在润滑液体中的球形物体的复杂混合物。在图22 中，特别地，驱动轮10上的槽16的表面17和18以及从动轮20上的脊 26的表面27和28限定了非常大量的紧密间隔且孩"见上很窄的滚子引导轨 道，并且这些轨道的截面廓形极其窄，以致于实际上它们几乎收缩成滚动
曲线上的单个点。由图22的剖视图中的滚动曲线的单个点所构成的线确定 的曲线合起来并由此构成所述槽和脊的廓形。注意，与从图22看上去所描 绘的不同，所述槽和脊绝不彼此直接接触，而是由非常薄的滚子膜分开， 同样，滚子由于其非常小的尺寸而在图22中无法看到。另外要注意的是， 根据本发明的滚子传输和传动机构的条件特征(将在本说明书后面的部分 详细地加以描述和限定，其中不会在相对的表面之间产生滑动)仍然存在， 并且确保滚子在驱动体10和从动体20之间处于接合位置时进行纯滚动运 动，从而产生极小的摩擦能量损失。在这种特殊的情况下，无需先前所述 的滚子再循环装置，这是因为驱动体和从动体只有在浸没于滚子容器中时 才彼此接触。所需要做的是确保有足够量的滚子"液体"可持续地用于"润 滑"所述系统。
再回到具有正常尺寸的滚子，应当注意，在根据本发明的滚子传输和 传动机构的上述实施例中，所述滚子为球形滚珠。但是实际上，也可使用 其它的旋转对称体如圆柱形滚子和桶形滚子作为滚子。圆柱形和桶形滚子 通常在特别大的工作负荷的情况下有用。这种实施例如图23和24所示， 其中与滚子引导轨道12和22接合的滚子30是具有球形前端的圆柱形滚 子。图24示出，滚子30可被分为两组，即分别具有轴线31a和31b的滚 子30a和30b。它们的圆柱形表面32a和32b由球形盖33a和33b界定。 第一驱动轮10和第二从动轮20具有如图23所示的平行的旋转轴线。图 24示出，两个轮10和20上的两个滚子引导轨道12和22的截面廓形均包 括用于滚子引导轨道12的两条直线12a和12b以及用于滚子引导轨道22 的直线22a和22b。滚子的一半例如滚子30a在它们的圆柱形表面32a处 与轮10上的滚子引导轨道12的直边12a以及轮20上的滚子引导轨道22 的直边22a中的一者接触。滚子30a的轴线31a与轮的旋转轴线之间的角 度对于所有这些滚子30a来说都是相同的。另一半滚子30b在它们的圆柱 形表面32b处与轮10上的滚子引导轨道12的另一直边12b以及轮20上 的滚子引导轨道22的另一直边22b接触。这些滚子30b的轴线31b与轮 的旋转轴线之间的角度对于所有这些滚子30b来说都是相同的，但与第一
半滚子30a不同。对于工作负荷的给定方向，只有一半滚子例如30a是工 作的而在两个轮之间接合并传递作用力，而其另一半30b是不工作的，没 有力作用在它们上。对于相反方向的工作负荷，第二半滚子30b是工作的， 而第一半滚子30a是不工作的。对于工作负荷的方向从不改变的设计，仅 使用一组工作而接合的滚子如滚子30a就足够了 ，并且只有轮10上的滚子 引导轨道的廓形中的一条相应直线如2a和轮20上的22a会接触滚子30a。 在这种情况下，所有的滚子在所述廓形的单个指定的直边接触所述轮，并 且全都始终以相同的方式进行接合。滚子的前表面例如滚子30a的33a以 及滚子30b的33b通常绝不会与所述轮直接接触，并且即使它们偶然和临 时地在滚子的轴向顶点处接触，所传递的力和这种接合的强度也会小到可 忽略。滚子引导轨道廓形的主要与滚子接触的线12a和22a或12b和22b 无需在每个实施例中都是直的，并且在一些特殊的应用中，它们可具有小 的曲率，这取决于所施加的工作负荷和所述设计的实际强度需求。对于桶 形滚子的情况，所述机构的配置类似。
对于图25至29，将通过示出随着转矩从驱动体传递到从动体而作用 在滚子引导轨道和滚子之间的特征力的示意性廓形而对本发明的特定的基 本特征加以解释。在图25中，驱动体zl示出为以角速度col旋转。驱动 体zl的一部分是与滚子G接触的滚子引导轨道。所述滚子由球形滚珠表 示。滚子引导轨道和滚子G在形成滚动曲线一部分的单点处彼此接触，其 中所述滚动曲线被限定在驱动体zl上。在该点与滚子引导轨道的表面相切 的平面和与滚子g的表面相切的平面重合。该切面由附图标记E1标识并 且在图中由小四边形表示。
类似地，在图25中，从动体z2以角速度co2旋转。在最普通的情况 下，从动体z2的旋转轴线相对于驱动体zl的旋转轴线为斜线。从动体z2 上的滚子引导轨道在一个单点处与滚子G接触。这是从动体z2上的滚动 曲线上的一个点，并且在该点与滚子引导轨道的表面相切的平面和与滚子 G的表面相切的平面重合。所述滚子和滚子引导轨道的共同切面在图25 中由小四边形表示并且由附图标记E2标识。图26与图25对应，但为了更便于显示，切面El和E2从所述接触点被平行移开。在没有滑动和摩擦 能量损失的纯滚动运动的情况下，作用在滚子G上的力应当精确地指向滚 子G的中心。在这种情况下，如图27所示，驱动体zl可用单个力向量F 表示，该力向量F在滚子G与滚子引导轨道的接触点处作用在滚子G上， 并且指向滚子G的中心。由此可见，力向量F垂直于切面E1。根据无滑 动和无摩擦能量损失的相同理由，显然，作用在从动体z2上的力也应当是 相同的力向量F，如图28所示。力向量F在滚子G与从动体z2上的滚子 引导轨道的接触点处作用在从动体z2上。由此可知，力向量F也必须垂直 于+刀面E2。
图29基于图28示出从动体z2的正视图、俯视图和侧视图，以描绘由 于作用在从动体z2上的力向量F而在从动体z2上产生的转矩。在最普通 的情况下，力向量F沿一条线起作用，该线相对于从动体z2的旋转轴线为 斜线。力向量F的处在垂直于从动体z2的旋转轴线的平面内的向量分量乘 以力向量F的该向量分量与从动体z2的旋转轴线之间的距离，可获得在从 动体z2上生成的转矩。在最普通的情况下，力向量F还可具有平行于从动 体z2的旋转轴线起作用的向量分量。但是，力向量的该向量分量对于根据 本发明的滚子传输和传动机构的基本操作来说没有意义，因为它不产生转 矩。力向量的该分量只产生作用在从动体z2上的额外的负荷和应力，这由 作用在从动体z2的轴承上的力抵消。
上面我们已考虑沿滚子接合路径处于给定接合位置的单个滚子G示出 了作用在从动体z2上的力和转矩。在图30中考虑处于同一位置的同一滚 子G示出了所述^^构的运动学。驱动体zl具有角速度向量^1。滚子G和 驱动体zl上的滚子引导轨道的接触点Pl具有速度向量xl。接触点Pl是 驱动体zl的滚子引导轨道上的滚动曲线的一部分，且由此其速度向量xl 与滚动曲线相切。类似地，从动体z2具有角速度向量Q2。滚子G和从动 体z2上的滚子引导轨道的接触点P2具有速度向量x2。接触点P2是从动 体z2的滚子引导轨道上的滚动曲线的一部分，且由此其速度向量x2与滚 动曲线相切。滚子G的中心具有速度向量x，该速度向量iL在无摩擦能量
损失的纯滚动运动的情况下等于速度向量Yl和的算术平均值，即n = 乂^(X1 +12)。我们还可从设在滚子G中心的坐标系的角度来考虑所述运动 学。在这种情况下，速度向量nl是接触点Pl的速度向量，速度向量 是接触点P2的速度向量。由于滚子G在其自身的坐标系中进行简单的绕 环运动，所以速度向量ijl和ii2的大小相等并且垂直于分别指向接触点Pl 和P2的半径向量。同样，由于接触点Pl和P2对角地彼此相对设置在滚 子G的表面上，因此速度向量al和丛2是平行的并且指向相反的方向，即 =-旦2。
图30还示出由滚子G和驱动体zl的一个滚子引导轨道之间的接触点 Pl的连续集合形成的滚动曲线gl。滚动曲线gl显然沿循驱动体zl上的相 应的滚子引导轨道，并且滚子G在与驱动体zl接触的同时沿该滚动曲线 滚动。类似地，图30还示出由滚子G和从动体z2的一个滚子引导轨道之 间的接触点P2的连续集合形成的滚动曲线g2。滚动曲线g2显然沿循从动 体z2上的相应的滚子引导轨道，并且滚子G在与从动体z2接触的同时沿 该曲线滚动。注意，滚子G同时沿分别位于驱动体zl和从动体z2上的两 条滚动曲线gl和g2滚动。在接触点Pl和P2沿相应的滚动曲线gl和g2 移动的同时，滚子G的中心沿一不同的曲线行进，该曲线被称为滚子接合 路径，在图30中由gp表示。滚动接合路径gp以及位于驱动体zl和从动 体z2的相应滚子引导轨道上的滚动曲线gl和g2具有有限的长度。曲线和 轨道的起点和终点位于驱动体和从动体的两个限制表面处，并且这些点确 定了滚子G进入驱动体zl和从动体z2的滚子引导轨道的入口和出口位置。 这些是滚子G的起点和终点，其中它们分别建立和终止驱动体zl和从动 体z2之间的接合。应当注意，接触点Pl和P2沿相应的滚动曲线gl和g2 同步移动，并且特别地，它们无任何滑动地移动。
在图30中明显地示出两条滚动曲线gl和g2在形状和位置方面如何不 同。同时，依照上文中的分析，相同的非滑动无摩擦运动的运动学条件适 用于这两条曲线，因此，与两条曲线在同步接触点P1和P2相切的切面(即， El和E2)始终平4亍。速度向量nl和u2指向两个切面El和E2的方向，
且由此它们平行；此外，它们具有相同的大小和相反的方向。另外，由于
离开它们，因此滚子G在两条滚动曲线gl和g2上耗费完全相同的时间。 基于滚子g的两个接触点沿滚动曲线行进的速度Hi和h2的相同的大小， 并且还基于滚子G在滚动曲线上耗费的相同的时间，可知即使两条滚动 曲线gl和g2显然具有非常不同的形状和位置，它们也必须具有完全相同 的长度。
利用无摩擦运动的运动学条件并且基于结构设计的特定需求，尤其包 括驱动体zl和从动体z2的旋转轴线的方向，以及滚子G的数量和尺寸， 驱动体zl和从动体z2的形状和尺寸，可计算出滚子接合路径gp和滚动曲 线gl和g2以及驱动体zl和从动体z2上的相应的滚子引导轨道。这意p未
现在将讨论图31和32，以及滚子在脱离接合后返回的方式。如在图1、 2和6中可见，在滚子30已到达滚子接合通道中滚子接合路径34的端点 并离开所述通道而脱离接合后，它们通过滚子再循环通道33被导回到滚子 接合通道的起点。滚子接合通道中的滚子30由滚子引导轨道12和22驱动， 并且以有限的非零的距离彼此跟随。滚子30之间存在非零间隙的主要原因 是，滚子引导轨道12和22的方向与滚子接合路径34的方向在滚子所处的 点处具有非直角的角度。滚子接合通道中各个滚子30的速度由分别与轮 10和20—起旋转的滚子引导轨道12和22确定。显然，随着两个轮10和 20的角速度改变，滚子30的速度也发生改变。另一方面，对于轮的给定 的恒定角速度，在滚子接合通道中处于接合位置的滚子30的速度在整个滚 子接合通道中接近恒定，并且彼此之间也非常接近。但是，在滚子再循环 通道33中，如图1和2所示，滚子30的运动并不是由任何外部装置控制 的，滚子的运动是由于它们沿滚子再循环通道33彼此推动。结果，滚子 30之间的距离消失并且滚子在滚子再循环通道33中形成连续的线。另夕卜， 一旦所述连续的线形成，由于滚子30彼此直接接触，因此它们被限制成以 完全相同的速度在滚子再循环通道33中运动。但是，由于滚子的运动是不
由外界控制的，因此在滚子之间可能发生暂时的间隙开口和碰撞，这可能 导致滚子的杂乱的不受控的运动并且在系统中产生噪声。在滚子从滚子接 合通道过渡到滚子再循环通道(或反之，从滚子再循环通道过渡到滚子接 合通道)的区域、其中外界控制和滚子间的间隙突然消失(或出现)，将 尤其是这样。在下面的例子中，我们提供了该问题的一些解决方案，其中
能确保滚子的运动在滚子接合通道和滚子再循环通道中都保持平稳和受 控，且由此滚子连续地进给到滚子接合通道中。
一个想法是，如图31所示，在相邻的滚子30c和30d之间引入间隔件 35，以在两者之间保持恒定的距离。间隔件35的长度等于当滚子处在滚子 接合通道中的接合位置时所测得的滚子之间的距离。间隔件35设置在滚子 30c和30d之间，并且在所述系统中沿它们的整个行程始终跟随它们。
一种可选的想法如图32所示。此处，只要滚子彼此接触，滚子再循环 通道中的连续滚子30c和30d的中心之间的距离就等于滚子30c和30d的 直径，并且在滚子接合通道中，滚子之间的距离h等于滚子的直径D加上 在滚子接合通道中时滚子之间的间隙。这样，滚子接合通道内的滚子的速 度应当高于滚子再循环通道中的滚子的速度。为了将所述较高的速度降低 至所述较低速度的水平，我们在滚子再循环通道的起始部段和滚子接合通 道的终止部段之间引入一角度，如图32所示，该角度的余弦等于在所述通 道的相应部段中的滚子的速度之比。这样，可确保滚子从滚子接合通道向 滚子再循环通道的平稳过渡。类似地，应当在滚子再循环通道的终止部段 和滚子接合通道的起始部段之间设置一角度，其中该角度的余弦等于在所 述通道的相应部段中的滚子的速度之比。
图33和34示出了优化滚子从滚子接合通道向滚子再循环通道的过渡 的另一种方式，其中，在滚子接合通道的终止部段中，我们通过逐渐减小 相邻滚子引导轨道之间的距离来逐渐消除滚子之间的间隙。轮10的这样一 个端部部段A如图34所示，并且在图33中放大示出。从图33可看到， 在滚子到达滚子接合通道的端部时，滚子之间的间隙消失，并且滚子进入 滚子再循环通道而形成连续的线。这样，滚子彼此碰撞和以不受控的方式 移动的几率显著降低。以类似的方式，在轮10的另一端部在滚子接合通道
的起始部段、其中滚子从滚子再循环通道进入滚子接合通道，通过逐渐增
大滚子引导轨道12之间的距离在滚子之间引入间隙。当滚子形成连续的线 且在它们之间无间隙地离开滚子再循环通道时，它们在滚子接合通道的起 始部段中被逐渐分离，且它们的分离达到机构的工作条件所需的理想间隙 水平。在图33和34中只示出了一个轮，但显然对另一个轮上的滚子引导 轨道也作出类似的调整，且该调整直接对应于在该图中的轮上所作出的调 整。通过改变轮的旋转方向，除了滚子的运动改变方向以及轮的起始和终 止部段互换之外，机构以与上文所述完全相同的方式工作。调整滚子引导 轨道之间的距离可能导致系统与理想工作条件如纯滚动运动的工作条件产 生轻微的偏差。所述偏差通常很小，并且应不会显著改变机构的特征。此 外，也可使用以下构思以完全消除所述偏差的影响。
图33和34示出，在该示例中，我们不仅在滚子接合通道的起始和终 止部段调整了滚子引导轨道12之间的距离，还同时调整了滚子引导轨道的 截面廓形。特别地，在滚子接合通道的终止部段中，滚子引导轨道的截面 廓形以如下方式逐渐扩大，即，滚子同时与两个轮接触的两个滚子引导轨 道上的两条滚动曲线上的相应点逐渐移动分开，并最终变为由比滚子直径 大的距离隔开。结果，滚子逐渐失去与所述轮的接触并且作用在滚子和所 述轮之间的力逐渐消失。这样，滚子逐渐脱离接合，同时仍然位于滚子接 合通道的终止部段内。这具有至少两个主要优点。 一方面，滚子在所述过 程中平稳地脱离接合而不会产生大的震动。另一方面，该过程减小并最终 消除了由前文给出的调整滚子引导轨道之间的间距所带来的负面影响。间 距的调整和滚子引导轨道的截面廓形的调整应当同时地(并且逐渐地)进 行，以实现最佳的效果 一方面，我们通过逐渐缩短滚子引导轨道之间的 距离而逐渐使滚子彼此更加靠近并最终消除了它们之间的距离，与此同时， 我们通过逐渐扩大滚子引导轨道的截面廓形而逐渐使滚子脱离接合并且最 终使它们与轮分离。这样，滚子以平稳而有序的方式由滚子引导通道向滚 子再循环通道过渡，从而大大降低了它们之间发生碰撞的频率，并由此大
大减少了系统噪声。同时，保持了机构的理想工作条件，例如纯滚动运动 的工作条件。该过程在滚子离开滚子再循环通道并进入滚子接合通道的所 述轮的另一端以完全相同的方式工作，但次序相反。我们通过逐渐增大滚 子引导轨道之间的距离而在滚子接合通道的起始部段内的滚子之间引入间 隙，与此同时，我们通过逐渐收紧环绕滚子的滚子引导轨道的截面廓形并 在滚子和轮之间产生接触和力而在滚子和轮之间逐渐建立接合。这样，滚 子在滚子接合通道内以平稳而有序的方式逐渐重新进入接合，从而大大减 少滚子之间的碰撞并大大减小系统中的噪声。同样的调整被应用于所述机 构的两个轮的两个端部。若改变轮的旋转方向，除了滚子的运动改变方向 以及轮的起始和终止部段互换之外，机构以完全相同的方式工作。
如在上面的示例中所述，根据本发明的滚子传输和传动机构可向大多 数传输和传动任务及问题提供一种或多种可选的解决方案，这些方案明显 优于现有方案并具有很多比较优势和益处。所述机构的特征在于，通过滚 子建立接合的驱动体和从动体之一或两者被设置成绕给定的旋转轴线旋转 或沿给定的路线移动，或进行上述两者的组合。所述特征轴线即所述旋转 轴线和/或运动的给定路线在实际中可按照任意角度设置，包括垂直、平行
和其它角度。所述特征轴线可在平面内彼此交叉或也可相互避让(evasive )。 在实际应用的通常情况下，驱动体和从动体是旋转对称体或轮，并且滚子 是滚珠。但是，在某些情况下，所述体中的一者或两者可以是齿条并且滚 子有时也可是非球形的滚子，例如圆柱形滚子或桶形滚子。如果啮合系数 增大即同时接合的滚子数目增加，则可传输的转矩可提高。根据本发明的 滚子传输和传动机构的典型特征为，驱动体和从动体之间的相对旋转方向 可通过简单地应用 一对不同的具有不同滚子引导轨道的驱动体和从动体而 任意地改变。不需要像齿轮传动装置一样在系统中引入附加的(第三惰) 轮。根据本发明的滚子传输和传动机构的一个主要优点为，通过由接合驱 动体和从动体的滚子进行的纯滚动运动，它具有极小的摩擦能量损失和高 的动力传输效率。即使在可传输高转矩的系统以及高传动比的情况下也是 这样。在纯滚动运动的情况下，由摩擦能量损失造成的能量消耗极其少，实际上，它比在绝大部分当前已有的传输和传动系统中运动体沿彼此的接 触表面滑动的典型情形要少得多。
动任务及问题提供了解决方案。为了描述本发明的可能的应用，分别对应
典型应用的三个示例将在图35至37中示出。图35示出了一种自行车，其 中根据本发明的新型滚子传输和传动机构应用于两个点Hl和H2。 Hl的 传动比为2.625:1， H2的传动比为l:l。两个传动的啮合系数约为9。新枳^ 构在Hl和H2处的应用使得自行车的驱动装置简单、紧凑和强固。无链轮， 无链条，与当前实用的整个自行车驱动装置不同。结果，工作平稳而可靠。 每个传动装置H1和H2的尺寸小于传统链轮的尺寸，这是因为，由于高的 啮合系数，转矩同时施加在9个滚珠上，而不是像链轮那样一次只施加在 一个链轮齿上。由于没有链条，整个系统的尺寸也更小，并且可方便^A 盖，以使其更加紧凑、受保护和可靠。为了使其更加紧凑，连接传动装置 Hl和H2之间的轴43可安置在自行车的框架内。该新型的驱动机构对于 具有可折叠框架的自行车来说也是有利的，这是因为，由于系统的简单和 紧凑，自行车可在任意必要的时候简便和快速地折叠。对于传统的设计来 说这是不可能的，因为链条的存在使得这一过程复杂和繁乱。
图36示出才艮据本发明的新型滚子传输和传动机构是如何应用于差速 齿轮的。图中的半轴ktl和kt2是车辆的轮轴。驱动轴ht绕其轴线旋转， 并将来自发动机的转矩传输到驱动轮hk。驱动轮hk根据本发明的滚子传 输和传动机构的适当实施例驱动从动轮tk。驱动轮hk对应于上述数个实 施例中的轮IO,而从动轮tk对应于轮20。轮hk的直径较小，并且滚子引 导轨道形成在其外表面上，而轮tk的直径较大，并且滚子引导轨道形成在 其前表面上。从动轮tk的轴线垂直于驱动轮hk的轴线，并且两条轴线相 对于彼此形成斜线。减速差速齿轮的这种新型方案与当前通常用于差速齿 轮的带有齿轮的传统锥齿轮相当。在传统的设计中，即便是使用弧形齿轮， 锥齿轮中的轮的连接齿也处于高应力作用下。此外，弧形齿锥齿轮的问题 在于它们比具有直齿的正常齿轮的动力传输效率更低。这是因为它们的齿
除了沿齿的轮廓"正常地，，径向滑动外，还沿齿的弧线滑动，这就带来了 显著的额外摩擦能量损失。通过使用根据本发明的新型滚子传输和传动机 构，这些问题都可自然地解决。 一方面，通过增大系统中的啮合系数可大 大提高可传输的转矩，而不会在结构、轮或各个滚子本身上施加很多额外 的应力。另一方面，动力传输效率保持得极高，这是因为纯滚动运动的条 件以与低转矩应用完全相同的方式保持有效。
差速齿轮的设计对于具有两个从动后轴的车辆来说尤其困难。为了同 时驱动两个轴，必须^使用具有形成斜线的轴线的齿轮。若^f吏用传统的齿轮 传动，这些设计具有很低的动力传输效率。根据本发明的新型滚子传输和
传动机构提供了一种非常有利的方案，如图37的示意图所示。由两个半轴 ktl和kt2构成的第一轴被差速齿轮dml驱动，由两个半轴kt3和kt4构 成的第二轴被差速齿轮dm2驱动。两个差速齿轮dml和dm2被同一驱动 轴ht同时驱动。两个差速齿轮的旋转轴线，即两个半轴ktl和kt2以及kt3 和kt4的旋转轴线相对于驱动轴ht的旋转轴线都是斜线。驱动轴ht首先 连接到第一驱动轮hkl，然后连接到第二驱动轮hk2。在两个驱动轮hkl 和hk2之间，驱动轴ht穿过万向接头kcs。根据本发明的滚子传输和传动 机构，两个驱动轮hkl和hk2是分成两个齿轮的笫一驱动轮，它们分别驱 动所述轮tkl和tk2。第一驱动轮hkl和hk2与上述示例的第一轮10对应， 第二从动轮tkl和tk2与第二从动轮20对应。驱动轮hkl和从动轮tkl以
个加以接合。包括hkl和hk2以及tk2和tk2的所有轮在它们的表面上都 具有滚子引导轨道。从动轮tkl和tk2直接连接到相应的差速齿轮dml和 dm2。通过应用该设计，两个差速齿轮和相连的半轴可由单个连续的驱动 轴ht同时驱动，同时所述系统可从根据本发明的滚子传输和传动机构中获 益，包括由接合滚子的纯滚动运动带来的极高的动力传输效率和可能的非 常高的传动比。实际上，这种设计可扩展到任意数目的顺序安置的差速齿 轮，其中单个驱动轴驱动一系列具有彼此形成斜线的轴线的齿轮。即使在
与此类似的极端情况下，仍然可保持根据本发明的滚子传输和传动机构所
提供的极高的动力传输效率和其它优点。
除了上面所示的三个例子之外，实际上根据本发明的滚子传输和传动 机构在机械工业的整个领域都具有许多其它潜在的应用，尤其是车辆和运 输及装卸机械、机床和精密机械，以及机械工程行业的其它各种领域。潜 在的应用包括多种结构设计和装置，其显示了在驱动体和从动体的各种不 同位置和角度、构成、形状和尺寸以及各种不同的滚子、多种传动比、旋 转方向、可传输动力等方面的极大灵活性。我们相信，这种新型的机构可 为几乎所有当前存在的传输和传动任务及难题提供优良的解决方案，并且
与当前存在的机构和设计相比显示出巨大的益处和优点。益处和优点包括 高的动力传输效率和传动比，紧凑的尺寸和可靠性，精确的运动和可改变 的旋转方向。此外，我们还相信，这是一种基本上很新的机构，它还可为 当前存在的系统所不能实际应用的领域提供解决方案。由于其具有显而易 见的巨大益处和优点，我们相信，根据本发明的新型滚子传输和传动机构 具有很大的潜力而广泛应用于不同行业的各个领域中。
由于实际生产中不可避免的误差，确定根据本发明的滚子传输和传动 机构的条件(特别包括接合滚子的纯滚动运动的条件)只能以一定精度得 以满足而无法完全满足。除了这些不希望但不可避免的"自然的"误差， 我们可想象出根据本发明的滚子传输和传动机构的可能的应用，其中出于 各种原因故意使工作条件偏离理想值，即"希望"产生误差。但是，在所 迷希望和不希望的两种情况下，在较宽的误差范围内，根据本发明的滚子 传输和传动机构的工作特征都可保持，即便是部分地和适度地。因此，本 发明不限于在数学上完美地满足工作条件的滚子传输和传动机构，还包括 具有一定不完美程度的那些机构。我们可通过如下方式测量根据本发明的 滚子传输和传动机构的不完美程度，例如，观察与两条滚动曲线在两个点 相切的两个平面，其中滚子在所述点同时与驱动体和从动体上的滚子引导 轨道接触，并测量这两个平面之间的角度与平行有多接近。完美的条件是 它们应当完全平行。不完美程度的另 一种等同度量是两条滚动曲线的长度 差量。完美的条件是它们应当完全相等而没有差值。适当的不完美程度，
例如上述切面的5°-10°的平行度偏差或上述滚动曲线之间的5%-10%的长 度偏差不会显著影响根据本发明的滚子传输和传动机构的主要特征。特别 地，接合滚子的纯滚动运动的条件不会显著恶化，并且可保留系统的主要 益处和优点。这样，本发明不限于在完美工作条件下工作的具有数学上严 格的精度的滚子传输和传动机构，还包括那些尽管工作条件与由数学方程 确定的完美工作条件存在一定程度的偏差但至少部分和适度地保留了完美
系统的主要袪釭^白.接山尨厶，;姿孑M劲 条件和情形
权利要求
1.滚子传输和传动机构，包括驱动体、具有相应的中心或中心轴线的滚子装置、以及从动体，其中所述驱动体借助于所述滚子装置接合到所述从动体，所述驱动体和从动体被引导成进行具有单自由度的运动，所述驱动体和从动体上均限定有相应的滚子引导轨道，所述轨道接触所述滚子装置并确定所述滚子装置相对于相关体的相对运动，所述滚子装置沿相应的滚动曲线接触所述滚子引导轨道，所述滚子引导轨道在相应成对的限制表面处起始和终止于所述驱动体和从动体，所述滚子装置沿它们相关的滚子引导轨道运动，其中所述驱动体和从动体的角色可互换，其特征在于，在所述驱动体(10，z1)上的所述滚动曲线(g1)和所述从动体(20，z2)上的所述滚动曲线(g2)的相应点之间限定的距离是不同的，所述滚子装置(G)在进入所述滚子引导轨道(12，22)之后基本上以纯滚动运动的方式沿所述轨道运动直到离开所述轨道，并且对于所述滚动曲线(g1，g2)上的在与所述滚子装置(G)接触时的所有成对的点来说，在这些成对的点处绘出的相应切面(E1，E2)基本上相互平行，所述成对的接触点的在所述滚子装置(G)的坐标系中限定的速度(u1，u2)基本上相同但具有相反的符号，在所述接触点处，作用在所述滚子装置(G)上的力(F)的相应作用线与所述滚子装置(G)的中心或中心轴线相交，所述驱动体(10，z1)的所述滚动曲线(g1)的长度基本上等于所述从动体(20，z2)的所述滚动曲线(g2)的长度，并且所述滚动曲线(g1，g2)具有在所述接触点之前和之后的相互成角度地倾斜的切面。
2. 根据权利要求l所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所述 滚子装置是球形滚珠(30, 30a和30d)。
3. 根据权利要求l所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所述 滚子装置是旋转对称体。
4. 4艮据权利要求1所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，包括 相应的滚子返回路径，以用于引导离开所述滚子引导轨道后的所述滚子装 置返回所述滚子引导轨道。
5. 根据权利要求l所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所述 驱动体(10， zl)和从动体(20， z2)中的至少一者是旋转对称的，并限 定有相应的旋转轴线。
6. 根据权利要求5所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所述 驱动体(10， zl)和从动体(20, z2)两者都是旋转对称的，并且具有相 应的非平行的旋转轴线(11和21)。
7. 根据权利要求5所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所述 驱动体(10， zl)和从动体(20， z2)中的至少一者具有旋转对称的前表 面，所述滚子引导轨道(12或22)限定在所述前表面上，并且所述限制表 面是环(14, 15)。
8. 根据权利要求l所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所述 驱动体(10, zl)和从动体(20， z2)中的至少一者是齿条，所述齿条被 设定为沿给定的线运动并具有平坦表面，并且所述滚子？ 1导轨道限定在所 迷齿条的所述平坦表面上。
9. 根据权利要求l所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，在所 述驱动体和从动体(IO， zl; 20， z2)中的至少一者上限定有多个滚子引 导轨道。
10. 根据权利要求9所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，位于 同 一个体上的所述多个滚子引导轨道在形状和曲率上相同，并且绕相关体 的旋转轴线相对于彼此成角度地移置相应的角间距。
11. 根据权利要求10所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所 述移置角为3607n,其中n为所述体上的等间距的滚子引导轨道的数量。
12. 根据权利要求9所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所述 滚子引导轨道限定在相关体(10， zl; 20， z2)的平表面上，并且形状和 曲率相同，且彼此间隔开。
13. 根据权利要求l所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所述 驱动体(10， zl)和从动体(20， z2)中的任一者包括具有相应側表面的 脊(26),并且另一个体限定有形状与所述脊(26)顺应的槽(16),从 而在所述脊(26)的各个所述侧表面和所述槽(16)的各个所述侧表面之 间设有相应的间隙，所述滚子装置(30a， 30b)设置在所述间隙的至少一 个中，所述滚子引导轨道(17, 27, 18, 28 )限定在所述脊和所述槽的所 述相对的侧表面上，其中所述滚子装置设置在所述滚子引导轨道中。
14. 根据权利要求13所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，多 个滚子引导轨道(17a， 27a; 18b， 28b; 17c， 27c; 18d， 28d)被限定在 所述间隙中，并且相应的滚子装置(30a， 30b, 30c， 30d)沿各个所述滚 子引导轨道被引导。
15. 根据权利要求13所迷的滚子传输和传动机构，其特征在于，对 于双向负荷来说，所述间隙的两个中均设有相应的滚子装置(30a， 30b)。
16. 根据权利要求13所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，多 对相顺应的脊和槽布置在所述体的每一个上。
17. 根据权利要求13所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所 述滚子装置是基本上充满所迷间隙的微小的球。
18. 根据权利要求17所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所 述微小的球悬浮在润滑流体中。
19. 根据权利要求l所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，包括 挡板(31和32)，所述挡板限制所述滚子装置的在除由所述滚子引导轨道 限定的路径以外的方向上的位移，所述挡板(31, 32)布置在所述轨道的 相应側。
20. 根据权利要求l所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，包括 位于相邻的滚子装置之间的间隔件(35)，以保持所述相邻滚子装置之间 的预定距离。
21. 根据权利要求4所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，所述 滚子装置在离开所述滚子引导轨道时的运动方向与它们进入所述返回路径 时的运动方向形成一角度，该角度的余弦等于所述滚子装置在所述返回路 径中的速度与所迷滚子装置在离开所述滚子引导轨道时的速度之比，此外所述返回路径在其另 一端处的方向与所述滚子装置在进入所述滚子引导轨 道时的运动方向之间也具有相同的角度。
22. 根据权利要求4所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，在靠渐减小的距离，并且在靠近所述滚子引导轨道的起始限制表面处在相邻的 滚子引导轨道之间设有逐渐增大的距离，以提供所述滚子装置沿其相关的 滚子引导轨道和返回路径的平稳运动。
23. 根据权利要求l所述的滚子传输和传动机构，其特征在于，在靠 近所述限制表面时，所述滚子引导轨道在所述轨道的所述起始和终止部分 逐渐扩大，以减小作用在所述滚子装置上的所述力并^更于所述滚子装置的 进入和排出。
全文摘要
一种带有驱动体、滚子装置和从动体的滚子传输和传动机构；所述驱动体通过所述滚子装置接合到所述从动体，所述体以单自由度被引导，并且在它们上面限定有相应的滚子引导轨道，所述轨道接触所述滚子装置并确定所述滚子的运动，所述滚子装置沿滚动曲线接触所述滚子引导轨道，所述滚子引导轨道起始和终止于相应成对的限制表面，并且所述驱动体和从动体的角色可互换，此外，所述驱动体和所述从动体上的滚动曲线的点之间的距离是不同的，所述滚子装置以纯滚动运动的方式运动，并且对于所述滚动曲线上的所有成对的点来说，相应的切面彼此平行，所述成对的接触点的速度相同但具有相反的符号，在所述接触点处，力的作用线与所述滚子装置的中心轴线相交，并且所述驱动体和从动体的滚动曲线的长度相等，且在所述接触点之前和之后所述滚动曲线具有成角度地倾斜的切面。
文档编号F16H25/22GK101351659SQ200680049580
公开日2009年1月21日 申请日期2006年12月29日 优先权日2005年12月30日
发明者伊什特万·博加尔 申请人:伊什特万·博加尔