无轨道齿轮箱的制作方法

本申请要求2014年5月12日提交的美国临时申请No.US61/991,700、2014年6月13日提交的美国临时申请No.US62/012,224以及2014年9月10日提交的美国临时申请No.US62/048,776的优先权。这些专利申请通过引用完全并入本文。

技术领域

本文的发明涉及包括多个齿轮或其它接合部件(engaging members)的齿轮箱。更具体地，涉及这样装置：提供以与从动部件不同的速率旋转的传动部件(驱动部件/drive member)。

背景技术：

典型的行星齿轮箱包括中心小齿轮(太阳齿轮)、中心齿圈(轨道)以及倚靠在支架上的一组偏置小齿轮(行星齿轮)。行星齿轮箱优于偏置齿轮箱的优点包括同轴的传动轴线、高负载能力和低俯仰(pitch)速度(噪声)。这些优点是以轨道齿圈导致的制造成本、摩擦和反向弯曲为代价的。此外，几何约束理论上将最小减速比限制为2:1，并且在实践中限制为约为5:2。

行星齿轮箱有多种变化，包括应变波、摆线和章动齿轮箱。这些构造更加复杂，效率更低，并且通常用于满足诸如消齿侧间隙或高减速比等特殊要求。

本文披露的示例性实施例类似于用第二支架替代轨道齿圈的周转齿轮箱(epicyclic gearbox)，这种周转齿轮箱生产成本较低，产生较小的摩擦并且不引入反向弯曲。减小的俯仰速度产生较少的振动和噪声从而改进高速运行，并且1:1的最小理论减速比能够使实践际中的减速比为5:4或更低。

技术实现要素：

某些示例性实施例包括：基准部件、前支架、后支架以及一个或更多个偏置部件。基准部件包括：中心轴线、前支架轴线和后支架轴线。所述前支架包括一个前中心轴线和与所述偏置部件的数量相等的前偏置轴线。所述后支架包括一个后中心轴线和与所述偏置部件的数量相等的后偏置轴线。每个偏置部件包括前部件轴线和后部件轴线。所有轴线平行。所述前支架轴线和所述后支架轴线间隔开支架距离。每个前偏置轴线和所述前中心轴线间隔开偏置距离。每个后偏置轴线和所述后中心轴线间隔开所述偏置距离。所有前偏置轴线围绕所述前中心轴线周向地布置。所有后偏置轴线围绕所述后中心轴线周向地布置。所有相关联的前部件轴线和后部件轴线间隔开支架距离。所述前中心轴线同轴地并能旋转地联接至所述前支架轴线。所述后中心轴线同轴地并能旋转地联接至所述后支架轴线。每个前部件轴线同轴地并能旋转地联接至不同的前偏置轴线，并且每个后部件轴线同轴地并能旋转地联接至不同的后偏置轴线。

某些示例性实施例还包括中心部件，所述中心部件同轴地并能旋转地联接至所述中心轴线，并且所述中心部件及所有偏置部件均为接合部件。

在某些示例性实施例中，所述中心部件同时地与所有偏置部件接合。

某些示例性实施例还包括一个或更多个柔性联接件，所述一个或更多个柔性联接件使所述中心部件与所有偏置部件接合。

在某些示例性实施例中，所述中心轴线在所述前支架轴线与所述后支架轴线之间。

在某些示例性实施例中，所述中心轴线和所述前支架轴线同轴。

在某些示例性实施例中，所述中心轴线和所述后支架轴线同轴。

某些示例性实施例包括三个偏置部件，并且所有前偏置轴线和后偏置轴线均围绕相关联的前中心轴线和后中心轴线在周向上等距地间隔开。

某些示例性实施例包括：基准部件、前支架、后支架、一个或更多个偏置部件以及中心部件。所述基准部件包括全部平行的中心中央轴线、前支架轴线和后支架轴线，并且其中，所述前支架轴线和所述后支架轴线间隔开支架距离。所述前支架包括全部平行的一个前中心轴线和和分别对应于所述一个或更多个偏置部件中的相应一个偏置部件的前偏置轴线。所有前偏置轴线围绕所述前中心轴线周向地布置，并且与所述前中心轴线间隔开偏置距离。所述后支架包括全部平行的一个后中心轴线和分别对应于所述一个或更多个偏置部件中的相应一个偏置部件的后偏置轴线。所有后偏置轴线围绕所述后中心轴线周向地布置，并且与所述后中心轴线间隔开偏置距离。每个偏置部件包括平行且间隔开所述支架距离的前部件轴线和后部件轴线。所述前中心轴线同轴地并能旋转地联接至所述前支架轴线。所述后中心轴线同轴地并能旋转地联接至所述后支架轴线。每个前部件轴线同轴地并能旋转地联接至不同的前偏置轴线。每个后部件轴线同轴地并能旋转地联接至不同的后偏置轴线。所述中心部件同轴地并能旋转地联接至所述中心轴线。所述中心部件和所有偏置部件均为接合部件，并且所述中心部件同时地与所有偏置部件接合。

在某些示例性实施例中，所述中心轴线在所述前支架轴线与所述后支架轴线之间。

在某些示例性实施例中，所述中心轴线与所述前支架轴线同轴。

在某些示例性实施例中，所述中心轴线与所述后支架轴线同轴。

在某些示例性实施例中，设置基准部件、前支架、后支架以及一个或更多个偏置部件。为所述基准部件设置中心轴线、前支架轴线和后支架轴线。为所述前支架设置一个前中心轴线和与所述偏置部件的数量相等的前偏置轴线。为所述后支架设置一个后中心轴线和与所述偏置部件的数量相等的后偏置轴线。为每个偏置部件设置前部件轴线和后部件轴线。将所有轴线定位成全部平行。所述前支架轴线和所述后支架轴线间隔开支架距离。每个前偏置轴线和所述前中心轴线间隔开偏置距离。每个后偏置轴线和所述后中心轴线间隔开所述偏置距离。所有前偏置轴线围绕所述前中心轴线周向地布置。所有后偏置轴线围绕所述后中心轴线周向地布置。所有相关联的前部件轴线和后部件轴线间隔开支架距离。前中心轴线和前支架轴线位于同轴的位置并能旋转地联接。后中心轴线和后支架轴线位于同轴的位置并能旋转地联接。每个前部件轴线和不同的前偏置轴线位于同轴的位置并能旋转地联接。每个后部件轴线和不同的后偏置轴线位于同轴的位置并能旋转地联接。

在某些示例性实施例中，设置与所述中心轴线位于同轴的位置并与所述中心轴线能旋转地联接的中心部件，并且所述中心部件和所有偏置部件均设置有接合结构。

在某些示例性实施例中，将所述中心部件同时地与所有偏置部件接合。

在某些示例性实施例中，设置一个或更多个柔性联接件，并且使所述一个或更多个柔性联接件同时地与所述中心部件和一个或更多个偏置部件接合。

在某些示例性实施例中，使所述中心轴线位于所述前支架轴线与所述后支架轴线之间。

在某些示例性实施例中，使所述中心轴线位于与所述前支架轴线同轴的位置。

在某些示例性实施例中，使所述中心轴线位于与所述后支架轴线同轴的位置。

在某些示例性实施例中，设置总共三个偏置部件，并且使所有前偏置轴线和后偏置轴线分别围绕相关联的前中心轴线和后中心轴线在周向上等距地间隔开。

附图说明

图1A至图1G分别是根据描绘出本发明的第一示例性实施例的示意性侧视图、前视图、截面侧视图、两个分解透视图、内部前视图和内部后视图。

图2是基准部件及其相关联的轴线的透视图。

图3是后支架及其相关联的轴线的透视图。

图4是偏置部件及其相关联的轴线的侧视图和透视图。

图5A至图5D是根据描绘出运转至四个递增角度的本发明的第一示例性实施例的四个局部轮廓图。

图6是根据描绘出包括同轴的中心轴线和前支架轴线的本发明的第二示例性实施例的示意性侧视图。

图7是根据描绘出包括同轴的中心轴线和后支架轴线的本发明的第三示例性实施例的示意性侧视图。

图8是根据描绘出包括浮动中心部件的本发明的第四示例性实施例的示意性侧视图。

图9是根据描绘出包括浮动齿轮支架的本发明的第五示例性实施例的示意性侧视图。

图10是根据描绘出包括具有曲轴的偏置部件的本发明的第六示例性实施例的示意性侧视图。

图11是根据描绘出包括齿圈中心部件的本发明的第七示例性实施例的示意性侧视图。

图12是根据描绘出包括具有曲轴的偏置部件和齿圈中心部件的本发明的第八示例性实施例的示意性侧视图。

图13是根据描绘出包括多个柔性联接件的本发明的第九示例性实施例的局部概要图。

图14是根据描绘出包括蛇形联接件的本发明的第十示例性实施例的局部概要图。

图15A至图15D分别是根据描绘出包括单个偏置部件和绞盘绳缆联接件的本发明的第十一示例性实施例的示意性侧视图、透视图和两个后视图。

附图标记

1–中心轴线

2-前支架轴线

3-后支架轴线

4-前中心轴线

5-后中心轴线

6-前偏置轴线

7-后偏置轴线

8-前部件轴线

9-后部件轴线

10-基准部件

11-第一传动轴

12-第二传动轴

13-前轴

14-后轴

20-前支架

21-后支架

30-中心部件

31-偏置部件

32-柔性联接件

33-蛇形联接件

34-绞盘绳缆联接件

40-支架距离

41-偏置距离

50-前部

51-后部

定义

将与配合件接合并使动力传递到配合件的齿轮、链轮、滑轮、摩擦联接件或磁性联接件或者任何其它类型的部件定义为接合部件。

将以外表面进行接合的接合部件定义为小齿轮。

将以内表面进行接合的接合部件定义为齿圈。

将包括固定地附接到两个滑轮的两个反作用、预加载绳缆的绳缆传动件定义为绞盘绳缆联接件。

将在两个或更多个接合部件之间传递动力的同时改变形状的链条、带、绳缆或任何其它结构定义为柔性联接件。

将同时联接三个或更多个接合部件的柔性联接件定义为蛇形联接件。

将被约束为通过三个或更多个相切的接合部件围绕轴线旋转而没有其它机械结构的部件定义为浮动部件。

将通过连接部件而成一体的两个平行的偏置轴定义为曲轴。

将缩放传动部件和从动部件的相对速度和扭矩的装置定义为齿轮箱，而不论该装置是否包括任何齿轮。

将减小速度并增大扭矩的齿轮箱定义为减速齿轮箱。

将增大速度并减小扭矩的齿轮箱定义为增速齿轮箱。

将可用作减速或增速齿轮箱的齿轮箱定义为能反向传动(back-drivable)的齿箱。

实施例说明

尽可能地，在所有附图和描述中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。为了简单起见，忽略了对理解本发明没有实质贡献的诸如轴承、保持器和紧固件等部件。

尽管在附图中描绘出了直齿轮、滑轮、带和绳缆，但应理解的是，诸如圆锥状的、放射状的、偏置的、螺旋状的、双螺旋状的、鱼骨状的或辊齿状的齿轮，摩擦联接件或磁性联接件，以及链传动件等许多其它接合结构也可以满足。还应理解的是，相关联的齿轮可以包括任何面宽度、齿廓、压力角或模数，并且可以由金属、塑料或任何其它合适的材料制成。

尽管在附图中使用凸出式轴和凹入式座圈来描绘能旋转的联接件，但是应理解的是，诸如耐摩擦轴承、衬套或者低摩擦涂层、材料、表面处理或润滑剂等任何其它结构都也可以满足。还应理解的是，能旋转的联接件的凸出式和凹入式部件通常可以互换。

尽管在附图中使用轴来描绘传动部件或从动部件，但应理解的是，诸如接合部件，带键的、带花键的或带螺纹孔的联接件，或者磁的或静电的联接件等任何其它结构也可以满足。

尽管在某些附图中描绘出了三个偏置部件31，但应理解的是，可以包括任何数量的偏置部件31，只要偏置部件31不发生机械干涉即可。

尽管在附图中描绘出了单级齿轮箱，但应理解的是，多个齿轮箱可以串联或并联连接，并且本发明可以与任何其它类型的齿轮箱组合以获得期望的速度比或其它特性。

应理解的是，能反向传动的齿轮箱可以通过互换其传动部件和从动部件所起的作用来提供减速或增速齿轮传动。事实上，基准件、传动部件和从动部件所起的作用可以全部互换以获得期望的减速比或增速比，或者使传动部件和从动部件以相同或相反的方向旋转。类似地，如果将任何一个用作传动部件，而将其余两个用作从动部件，则可获得差动机构。减速齿轮箱、增速齿轮箱、差速齿轮箱和反向齿轮箱都可以预见到。

应理解的是，可以将基准部件10、中心部件30、偏置部件31以及前支架20和后支架21中的任一个用作基准件，并且将任何其它部件用作传动部件(驱动部件)或从动部件。

仅出于示例性目的，在附图中包括实施例的代表性示例。还能预见到大量附加的轮齿几何形状、齿圈和小齿轮组合以及运动学布置。本发明的范围不限于所包括的实施例，而是涵盖由说明书和权利要求所预期的所有可能的组合。

图1A至图1G示出了提供第一传动轴11与第二传动轴12之间的减速比的本发明的第一示例性实施例。

第一示例性实施例包括：基准部件10、前支架20、后支架21、中心部件30和三个等同的偏置部件31。

基准部件10用作齿轮箱的壳体，并且包括全部平行的中心轴线1、前支架轴线2和后支架轴线3。前支架轴线2与后支架轴线3间隔开支架距离40，并且中心轴线1位于前支架轴线2和后支架轴线3之间的中间处。

前支架20包括前中心轴线4和三个前偏置轴线6，三个前偏置轴线6在周向上等距地间隔开，并且与前中心轴线4间隔开偏置距离41。前支架20和第二传动轴12同心并且成一体。

第二支架21包括后中心轴线5和三个后偏置轴线7，三个后偏置轴线7在周向上等距地间隔开，并且与后中心轴线5间隔开偏置距离41。

前中心轴线4能旋转地联接到前支架轴线2，并且后中心轴线5能旋转地联接到后支架轴线3。

每个偏置部件31包括限定前部件轴线8的前轴13以及限定后部件轴线9的后轴14。前部件轴线8和后部件轴线9是平行的并且间隔开支架距离40。每个偏置部件31的中心位于相关联的前部件轴线8与后部件轴线9之间的中间处。

每个前部件轴线8能旋转地联接到不同的前偏置轴线6，并且每个后部件轴线9能旋转地联接到不同的后偏置轴线7。

中心部件30和第一传动轴11同心并且成一体。第一传动轴11能旋转地联接到中心轴线1。

中心部件30和所有偏置部件31都是实质等同的小齿轮。中心部件30同时与所有偏置部件31接合(啮合)，从而在第一传动轴11与第二传动轴12之间提供固定的、非滑动的减速比。

图2示出了基准部件10，中心轴线1、前支架轴线2和后支架轴线3的位置，以及前支架轴线2和后支架轴线3所间隔开的支架距离40。基准部件10被描绘为分为两半，但实际上，基准部件10可以成一体或者紧固在一起。

图3示出了后支架21，后中心轴线5和后偏置轴线7的位置，以及后中心轴线5和后偏置轴线7所间隔开的偏置距离41。

图4示出了偏置部件31，前部件轴线8和后部件轴线9的位置，以及前部件轴线8和后部件轴线9所间隔开的支架距离40。

图5A至图5D示出了将第一传动轴11旋转到四个递增角度的效果。旋转一体的中心部件30使得所接合的偏置部件31以固定取向围绕中心轴线1环行。偏置部件31的环行使得前支架20、与前支架20成一体的第二传动轴12、以及后支架21以下述方式一致地旋转：与第一传动轴11的旋转方向相同，但旋转速率为第一传动轴11的旋转速率的一半。作为减速齿轮，第一传动轴11是传动轴，第二传动轴12是从动轴，并且减速比是2:1。

当中心部件30分别旋转30°、60°和90°时，前支架20和后支架21分别转动15°、30°和45°，同时所有偏置部件31保持固定取向。在相关联的附图中对中心部件30和偏置部件31上的选定的齿进行标记，以便示出取向。

图6示出除了下述方面之外与第一示例性实施例类似的本发明的第二示例性实施例。中心轴线1与前支架轴线2同轴，并且每个前部件轴线6贯穿相关联的偏置部件31的中心。该构造提供了同轴的第一传动轴11和第二传动轴12。

图7示出除了下述方面之外与第一示例性实施例类似的本发明的第三示例性实施例。中心轴线1与后支架轴线3同轴，并且每个后偏置轴线7贯穿相关联的偏置部件31的中心。该构造提供了同轴的第一传动轴11和后支架21。

图8示出除了下述方面之外与第三示例性实施例类似的本发明的第四示例性实施例。中心部件30是浮动的。该构造允许中心部件30的自对准。

图9示出除了下述方面之外与第三示例性实施例类似的本发明的第五示例性实施例。后支架21是浮动的。该构造允许偏置部件31的自对准。

图10示出除了下述方面之外与第一示例性实施例类似的本发明的第六示例性实施例。中心部件30和偏置部件31位于前支架20和后支架21的一侧。使每对前轴13和后轴14一体地形成曲轴，该曲轴穿透浮动的前支架20到达后支架21。该构造提供了悬臂式的中心部件30和偏置部件31。

图11示出除了下述方面之外与第五示例性实施例类似的本发明的第七示例性实施例。中心部件30是齿圈而不是小齿轮。该构造提供了增速比。

图12示出除了下述方面之外与第六示例性实施例类似的本发明的第八示例性实施例。中心部件30是齿圈而不是小齿轮，并且中空的第一传动轴11离开基准部件10的前部50。该构造提供了增速比以及重合的第一传动轴11和第二传动轴12。

图13示出除了下述方面之外与第一示例性实施例类似的本发明的第九示例性实施例。中心部件30和每个偏置部件31通过柔性联接件32而接合。

图14示出除了下述方面之外与第一示例性实施例类似的本发明的第十示例性实施例。中心部件30和所有偏置部件31通过蛇形联接件33而接合。

图15A至图15D示出除了下述方面之外与第一示例性实施例类似的本发明的第十一示例性实施例。单个偏置部件31用作固定基准，并且单个偏置部件31通过绞盘绳缆联接件34与中心部件30接合。

图15C至图15D示出了使第一传动轴11相对于基准部件10旋转的效果。中心部件30在旋转的同时围绕偏置部件31环行，同时基准部件10以固定的取向环行。第二传动轴12也环行，并且第二传动轴12可以附接到负载件以平衡中心部件30的质量，并且可能是与基准部件10成一体的致动器。

实例

在以下每一个实例中，减速比为RR＝T1:T2＝T1/T2:1，并且增速比为RR'＝1/RR，其中T1是第一传动轴11相对于基准部件10而转动的圈数，并且T2是第二传动轴12相对于基准部件10而转动的相应圈数。RR由P_c和P_o计算得到，其中，P_c和P_o分别是中心部件30和偏置部件31的节径。当接合部件是齿轮时，P_c和P_o是齿模数的整数倍。

当所有接合部件是小齿轮时，RR和RR'如下。

当中心部件30是齿圈时，或者当中心部件30是与柔性联接件接合的小齿轮时，RR和RR'如下。

当中心部件30和偏置部件31是直齿轮时，用于正常接合的偏置距离(OD)41如下。

当使用具有小的齿模数的摩擦联接件、磁联接件或齿轮时，以下约束避免了相邻偏置部件31之间的机械干涉。对于大的齿模数，必须相应地调整这些约束。

P₀<6P_c 小齿轮中心接合部件

13P₀<6P_c 齿圈中心接合部件

以下比率满足上述约束，并且在单级传动中理论上是可能的，尽管在任一情况下值为一的RR都需要无限大的P_c。

1:1<RR<7:1 小齿轮中心接合部件

53:100<RR<1:1 齿圈中心接合部件

第一示例考虑了图1至图10以及图15所示的第一至第六示例性实施例，其中中心部件30是小齿轮。

P_c＝P_o＝12并且RR＝2:1。

第二、第三和第四实例表明仅通过改变接合部件就可以获得不同的比率。在所有三个实例中，OD保持恒定不变，因此可以使用相同的基准部件10和支架20、21。

P_c＝P_o＝30、OD＝30并且RR＝2:1。

P_c＝33、P_o＝27、OD＝30并且RR＝19:10。

P_c＝27、P_o＝33、OD＝30并且RR＝222:100。

第五实例考虑了图11和图12所示的第七和第八示例性实施例，其中中心部件30是齿圈。

P_c＝30、P_o＝12、RR＝6:10并且RR’＝167:100。

第六实例考虑了图13和图14所示的第九和第十示例性实施例。柔性联接件32或蛇形联接件33与小齿轮接合，因此节径不必须是特定齿模数的整数倍。

P_c＝10、P_o＝9.9并且RR’＝100:1。

尽管某些示例性实施例将第二传动轴12和前支架20描绘为成成一体，但由于支架20、支架21一致地旋转，因此作为替代，第二传动轴12可以与后支架21成一体。

尽管某些示例性实施例将所有偏置部件31描绘为实质上等同，但应理解的是，偏置部件31并不必须等同。例如，如果齿轮中心部件30上的齿的数量不是偏置部件31的数量的整数倍，并且所有偏置部件31围绕中心轴线1在周向上等距地间隔开，则所有偏置部件31上的前部件轴线8和后部件轴线9的位置将不均匀。它们必须相对于齿轮齿异相以使齿轮箱能够组装。

应理解的是，偏置部件31可以具有非均匀的前部件轴线8和后部件轴线9，只要相关联的前偏置轴线6和后偏置轴线7也类似地不均匀即可，尽管相关联的不平衡可能引起振动。

尽管某些示例性实施例将所有偏置部件31描绘为围绕中心轴线1在周向上等距地间隔开，但应理解的是，偏置部件31并不必须围绕中心轴线1在周向上等距地间隔开，尽管相关联的不平衡可能引起振动。

尽管某些示例性实施例描绘了在其中心附近浮动或能旋转地联接在一起的前支架20、后支架21，但应理解的是，通常可在壳体10的内部与相关联的前支架20、后支架21的外部之间提供旋转联接，或通过其它结构提供旋转联接。

某些示例性实施例描绘了占据同一平面的前支架20、后支架21。当存在少量偏置部件31时这是可能的，但机械干涉可能限制装置的相关联的运动范围。

优点

本文披露的示例性实施例具有多个优越性能。

某些示例性实施例仅包括制造经济并且可接合柔性联接件的小齿轮。

某些示例性实施例以低俯仰速度运行，低俯仰速度运行导致高速下的高效率、低振动和安静运行。

某些示例性实施例提供以1为理论下限的减速比，这使得任何期望的减速比成为可能。

某些示例性实施例不经历反向弯曲，这提供了高负载能力和耐久性。

某些示例性实施例可以构造为用于偏置传动轴线或同轴传动轴线。

某些示例性实施例具有容易适应的组装标准，并且可以构造为包括用于低振动、安静运行和均匀磨合的相继的啮合齿和追逐齿。

根据本文的公开内容，其它优点显而易见。