齿轮箱和具有其的电动工具的制作方法

1.本实用新型涉及一种齿轮箱，特别地涉及一种可变速的齿轮箱。本实用新型还涉及一种具有齿轮箱的电动工具。


背景技术：

2.当前市场上一些齿轮箱使用行星齿轮传动系来实现减速传动。常见的行星齿轮传动系，通常是内齿圈固定、行星架从动于太阳轮，行星架作为对外输出的部件。这样的传动系的转速传递比通常较大，即行星齿轮的减速效果非常明显。而对于一些需要微调、精准调速的电动工具，会更希望能够以较小的转速传递比实现传动，常见的行星齿轮传动系无法满足这样的需求。
3.另一方面，现有的一些齿轮箱具有单一的速度传动比，无法实现变速。而另一些具有微调速(小传动比)功能的齿轮箱(如外啮合齿轮箱)结构又过于冗杂、尺寸偏大、可适用的场景有限。
4.因而，需要提供一种齿轮箱和具有其的电动工具，以至少部分地解决上述问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于，提供一种齿轮箱和具有其的电动工具。本实用新型的齿轮箱包括可变速的行星齿轮系，该行星齿轮系以内齿圈作为输出部件，并通过控制行星架来实现换挡。齿轮箱的输入、输出部件均为同轴设置，结构较为紧凑；并且，低速和高速传递模式下，齿轮箱的速度传递比差别较小，能够实现所需的精准调速和微调速。进一步地，齿轮箱的总体传动比可以通过叠加传动系层数增大。进一步地，本实用新型的换挡结构易于操作、便于使用者快捷地完成换挡。
6.根据本实用新型的一个方面，提供了一种齿轮箱，所述齿轮箱包括外壳以及位于所述外壳内的可变速传动系，所述可变速传动系包括：
7.作为所述可变速传动系的输入部件的太阳轮；
8.围绕所述太阳轮排布并和所述太阳轮啮合的多个行星轮以及承载所述多个行星轮的行星架；
9.作为所述可变速传动系的输出部件的内齿圈部件，所述多个行星轮与所述内齿圈部件的内齿啮合；
10.其中，所述行星架被构造为能够在相对于所述外壳固定的第一状态和相对于所述内齿圈部件固定的第二状态之间切换。
11.在一种实施方式中，所述行星架为位于所述内齿圈部件的上游的环形结构。
12.在一种实施方式中，所述太阳轮的上游部段容纳在所述行星架的径向内侧，所述太阳轮的下游部段伸出至所述行星架之外并和所述多个行星轮啮合。
13.在一种实施方式中，所述齿轮箱还包括换挡辅助件，所述换挡辅助件能够被操作以在第一位置和第二位置之间移位，其中当所述换挡辅助件位于所述第一位置时所述换挡
辅助件将所述行星架和所述外壳直接或间接地固定在一起，当所述换挡辅助件位于所述第二位置时所述换挡辅助件将所述行星架和所述内齿圈部件固定在一起。
14.在一种实施方式中，所述换挡辅助件为设置在所述行星架、所述内齿圈部件的外周的卡箍结构，并且所述换挡辅助件能够在沿轴向在所述第一位置和所述第二位置之间平移。
15.在一种实施方式中，所述行星架的相邻的上游部件为和所述行星架的外径相等的环形构件，所述上游部件相对于所述外壳固定，并且，当所述换挡辅助件位于所述第一位置时所述换挡辅助件将所述行星架和所述上游部件固定在一起。
16.在一种实施方式中，所述行星架、所述上游部件和所述内齿圈部件的外周上均设置有外齿部，所述换挡辅助件的内周上对应地设置有内齿部。
17.在一种实施方式中，所述齿轮箱还包括和所述换挡辅助件相连的换挡操作件，所述换挡操作件具有延伸至所述外壳的外部的操作部分，其中，所述换挡辅助件相对于所述换挡操作件在轴向上固定、周向上能够转动。
18.在一种实施方式中，所述换挡辅助件的外周设置有沿周向延伸的凹槽，所述换挡操作件的末端大致沿径向延伸并置于所述凹槽内。
19.在一种实施方式中，所述齿轮箱还包括位于所述外壳内的至少一个减速传动系。
20.在一种实施方式中，所述内齿圈部件包括形成为一体的内齿圈和形成在所述内齿圈的下游端的端壁，所述端壁和所述齿轮箱的输出轴固定相连。
21.在一种实施方式中，每一个减速传动系包括：
22.用作所述减速传动系的输入部件的太阳轮；
23.围绕所述太阳轮并和所述太阳轮啮合的多个行星轮；
24.行星架，所述行星架位于所述多个行星轮下游并承载所述多个行星轮，所述行星架用作所述减速传动系的输出部件；以及
25.内齿圈，所述内齿圈相对于所述外壳固定，所述多个行星轮与所述内齿圈的内齿啮合，
26.可选地，所述减速传动系的太阳轮和所述减速传动系上游的传动系的输出部件固定为一体，
27.可选地，所述减速传动系的行星架和所述减速传动系下游的传动系的输入部件固定为一体。
28.在一种实施方式中，所述可变速传动系的太阳轮的直径大于所述减速传动系的太阳轮的直径，并且/或者所述可变速传动系的内齿圈部件的内径小于所述减速传动系的内齿圈的内径。
29.在一种实施方式中，所述上游部件为位于所述可变速传动系的上游的减速传动系的内齿圈。
30.在一种实施方式中，所述行星架的外径和所述内齿圈部件的外径相等。
31.在一种实施方式中，所述换挡辅助件为完整的环形结构。
32.在一种实施方式中，所述可变速传动系位于所述至少一个减速传动系的下游。
33.本实用新型另一方面提供了一种电动工具，所述电动工具包括马达和根据上述方案中任意一项所述的齿轮箱，所述齿轮箱的输入端和所述马达的输出轴相连。
附图说明
34.为了更好地理解本实用新型的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本实用新型的优选实施方式，对本实用新型的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。
35.图1为根据本实用新型的一个优选实施方式的齿轮箱的立体示意图；
36.图2为省略了图1中的外壳之后的立体示意图，在图2中齿轮箱处于低速传递模式；
37.图3和图2具有相同的结构和视角，图3中齿轮箱处于高速传递模式；
38.图4和图5分别是图2中的各部件的分解示意图，其中省略了换挡辅助件、换挡操作件和输出轴，图4和图5具有不同的呈现视角；
39.图6为图4中的可变速传动系的各个部件的侧视图；
40.图7为图4中的可变速传动系的各个部件的组合示意图；
41.图8为图4中的可变速传动系的太阳轮、行星轮和行星架的组合示意图。
具体实施方式
42.现在参考附图，详细描述本实用新型的具体实施方式。这里所描述的仅仅是根据本实用新型的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本实用新型的其他方式，其他方式同样落入本实用新型的范围。
43.图1-图8示出了根据本实用新型的齿轮箱的优选实施方式。首先需要说明的是，本实用新型中的方向术语、位置术语，应当被理解为是相对性的方向、位置，而非绝对性的方向、位置。本实用新型中的方向术语、位置术语可以参照图1-图8所示的示例性结构做出解释。例如，“轴向”可以理解为是齿轮箱的各个太阳轮、齿圈的轴线所在的方向或平行于该轴线的方向，该轴线在图1-图3中由x示出；“上游”、“下游”指的是在齿轮箱的整体扭矩传递方向上的上游、下游，其可以参考轴线x理解，例如在图2、图3、图7、图8的组合示意图中，沿轴向相邻的两个部件中的上游部件位于下游部件的左侧；部件的“径向”、“周向”应当参考该部件的轴线方向来理解。
44.首先参考图1，齿轮箱100包括外壳10，外壳10包括在轴向上对接紧固在一起的第一壳体11和位于第一壳体11上游的第二壳体12。第一壳体11上具有通孔以供齿轮箱100的输出轴60朝向齿轮箱100的下游伸出。齿轮箱100还包括用于供操作者执行换挡作业的换挡操作件52，换挡操作件52例如可以为弯折的杆或金属丝。第二壳体12上设置有沿轴向延伸的开口121，换挡操作件52从外壳10的外部经由开口121延伸进入外壳10的内部并和内部的部件相连。换挡操作件52能够被致动，以轴向地沿开口121滑动，从而实现高低速换挡。
45.图2为移除了图1中的外壳10之后的内部结构示意图，图2中示出了和换挡操作件52的端部相连的换挡辅助件51。在图1和图2中，换挡操作件52处于最上游位置，此时齿轮箱100为低速传递模式；如果换挡操作件52移动至最下游位置，那么齿轮箱100将切换为高速传递模式，高速传递模式在图3中示出。齿轮箱100的高速传递模式和低速传递模式的具体实现方式和扭矩传递过程将在后文详细讨论。
46.齿轮箱100的外壳10内的结构的分解状态在图4和图5中示出，图4和图5中省略了换挡操作件52、换挡辅助件51以及输出轴60。参考图4和图5，在一些实施方式中，齿轮箱100
可以具有多个传动系，例如图中所示的三个传动系。每一个传动系各自包括一组行星齿轮系。其中，位于上游的两个传动系为不可变速的减速传动系，最下游的传动系为可变速传动系。
47.将三个传动系中的最上游的传动系称为第一传动系。第一传动系包括太阳轮22、多个行星轮23、行星架24以及内齿圈21。多个行星轮23围绕太阳轮22并和太阳轮22啮合。行星架24位于多个行星轮23下游并承载多个行星轮23，例如，行星架24上可以具有至少朝向上游开口的通孔或盲孔，各个行星轮23的轮轴231的上游段插入至对应的行星轮23的中心，各个行星轮23的轮轴231的下游段插入至行星架24上的通孔或盲孔。内齿圈21围绕在多个行星轮23的外周并和多个行星轮23啮合，内齿圈21的外周上设置有凸起部211(见图2)，凸起部211能够容纳在外壳10的内壁的相应凹槽内，以使得内齿圈21相对于外壳10固定。
48.太阳轮22为第一传动系的输入部件，行星架24为第一传动系的输出部件。其中，太阳轮22也为整个齿轮箱100的输入部件。行星架24可以和位于第一传动系下游的传动系的输入部件固定相连。
49.根据行星齿轮系运动特性方程可以得到第一传动系的传动比。对于任意行星齿轮传动系，其均满足运动特性方程：n1+αn2＝(1+α)n3，α＝zr/zs，其中n1为太阳轮的转速、n2为内齿圈的转速、n3为行星架的转速，zr为内齿圈的齿数，zs为太阳轮的齿数。带入第一传动系的参数，可知第一传动系的减速传动比n
22
/n
24
＝1+zr
21
/zs
22
，其中，n
22
为太阳轮22的转速，n
24
为行星架24的转速，zr
21
为内齿圈21的齿数，zs
22
为太阳轮22的齿数。
50.继续参考图4和图5，将三个传动系中的位于中游的传动系称为第二传动系。第二传动系包括太阳轮32、多个行星轮33、行星架34以及内齿圈31。其中，太阳轮32和第一传动系的行星架24固定为一体。多个行星轮33围绕太阳轮32并和太阳轮32啮合。行星架34位于多个行星轮33下游并承载多个行星轮33，例如，行星架34上可以具有至少朝向上游开口的通孔或盲孔，各个行星轮33的轮轴331的上游段插入至对应的行星轮33的中心，各个行星轮33的轮轴331的下游段插入至行星架34上的通孔或盲孔。内齿圈31围绕在多个行星轮33的外周并和多个行星轮33啮合。内齿圈31包括两部分——固定部分311和连接在固定部分311下游的带齿部分312。固定部分311的外周上设置有凸起部311a(见图2)，凸起部311a能够容纳在外壳10的内壁的相应凹槽内，以使得内齿圈31相对于外壳10固定。带齿部分312的外周上设置有外齿部3121，这是为了和换挡辅助件51配合以帮助可变速传动系实现换挡，对此将在后文详细描述。
51.太阳轮32为第二传动系的输入部件，行星架34为第二传动系的输出部件。太阳轮32和第一传动系的输出部件——行星架24固定为一体。行星架34可以和可变速传动系的输入部件固定为一体。
52.根据行星齿轮系运动特性方程可以得到第二传动系的传动比。对于任意行星齿轮传动系，其均满足如下运动特性方程：n1+αn2＝(1+α)n3，α＝zr/zs，其中n1为太阳轮的转速、n2为内齿圈的转速、n3为行星架的转速，zr为内齿圈的齿数，zs为太阳轮的齿数。带入第二传动系的参数，可知第二传动系的减速传动比n
32
/n
34
＝1+zr
31
/zs
32
，其中，n
32
为太阳轮32的转速，n
34
为行星架34的转速，zr
31
为内齿圈31的齿数，zs
32
为太阳轮32的齿数。
53.继续参考图4和图5，三个传动系中的最下游的可变速传动系也包括太阳轮42、多个行星轮43、行星架44以及内齿圈部件41。其中，太阳轮42和第二传动系的行星架34固定为
一体。多个行星轮43围绕太阳轮42并和太阳轮42啮合。内齿圈部件41围绕在多个行星轮43的外周并和多个行星轮43啮合。内齿圈部件41包括一体的内齿圈411和位于内齿圈411的下游端的端壁412，端壁412的中心设置有非圆形孔4121，以用于容纳齿轮箱100的输出轴60以带动输出轴60转动。在可变速传动系中，太阳轮42为输入部件，内齿圈部件41为输出部件。
54.在本实用新型中，可以通过改变行星架44的状态来实现高低速挡位切换。具体地，可以令行星架44相对于外壳10固定(此时行星架44处于第一状态)或相对于内齿圈部件41固定(此时行星架44处于第二状态)。需要说明的是，行星架处于第一状态和第二状态并不一定意味着行星架相对于外壳位于不同位置，例如，在一些实施方式中，行星架的位置可以始终相对于外壳固定，但在同一位置处其可以具有两种运行状态。
55.当行星架44相对于外壳10固定时，由于行星轮43的轮轴431插入在行星架44的通孔443内，各个行星轮43的轮轴431也相对于外壳10固定，因而当太阳轮42旋转时，行星轮43只能自转而无法公转，行星轮43的自转带动内齿圈部件41转动。内齿圈部件41的内齿部、太阳轮42均和各个行星轮43啮合，因而内齿圈部件41、太阳轮42具有相同的旋转线速度，而由于太阳轮42的直径小于内齿圈部件41的直径，因而内齿圈部件41的角速度小于太阳轮42的角速度。此时，可变速传动系实现了减速。此时齿轮箱100为低速传递模式。
56.当行星架44相对于内齿圈部件41固定时，其二者会一同旋转。考虑每一个行星轮43，该行星轮43的外缘(和内齿圈部件41啮合)和该行星轮43的轮轴431(固定于行星架44)一同旋转，旋转速度完全相同，此时行星轮43没有自转发生，仅围绕太阳轮42公转。在该状态下，内齿圈部件41、多个行星轮43、行星架44实际上构成了一个整体部件，该整体部件被太阳轮42同轴地驱动，从而和太阳轮42具有相同的角速度。可见，在该状态下，可变速传动系不具有减速功能。此时齿轮箱100为高速传递模式。
57.为了实现行星架44在第一状态和第二状态之间切换，各个部件可以具有一些如下的优选设置方式。
58.在一些实施方式中，换挡辅助件51能够被操作以在第一位置和第二位置之间移位，其中当换挡辅助件51位于第一位置时换挡辅助件51将行星架44和外壳10直接固定在一起、或将行星架44和第二传动系的内齿圈31固定在一起(见图2)，当换挡辅助件51位于第二位置时换挡辅助件51将行星架44和内齿圈部件41固定在一起(见图3)。
59.在一些实施方式中，行星架44为位于内齿圈部件41、多个行星轮43的上游的环形结构，行星架44的、内齿圈部件41以及第二传动系的内齿圈31的外径大致相等。换挡辅助件51为设置在行星架44、内齿圈部件41、内齿圈31的外周的卡箍结构。换挡辅助件51能够在沿轴向在第一位置和第二位置之间平移。更优选地换挡辅助件51也构造为完整的环形。进一步地，第二传动系的内齿圈31的带齿部分312上设置有外齿部3121、行星架44的外周上设置有外齿部441、内齿圈部件41上设置有外齿部4111，换挡辅助件51的内周上设置有内齿部。
60.转回图2和图3，换挡辅助件51的外周设置有沿周向延伸的凹槽511，换挡操作件52的末端521大致沿径向延伸并置于凹槽511内。这样的设置使得换挡辅助件51在轴向上相对于换挡操作件52固定、在旋转方向上相对于换挡操作件52自由。换挡操作件52能够带动换挡辅助件51轴向移位，且当换挡辅助件51位于第二位置时，换挡操作件52也不会影响其随内齿圈部件41、行星架44一同旋转。
61.从上述实施方式可以看出，行星架44的位置和结构不同于第一、第二传动系的行
星架。第一传动系的行星架24为板状结构并位于对应的行星轮23的下游；第二传动系的行星架34为板状结构并位于对应的行星轮33的下游；而可变速传动系的行星架44为环形结构并位于对应的行星轮43的上游。行星架44上可以具有至少朝向下游开口的通孔443或盲孔，各个行星轮43的轮轴431的下游段插入至对应的行星轮43的中心，各个行星轮43的轮轴431的上游段插入至行星架44上的通孔443或盲孔。
62.在一些实施方式中，行星架44的径向内侧具有台肩部442(见图4)，和太阳轮42固定相连的第二传动系的行星架34可以配合地位于台肩部442处，这使得太阳轮42的部分结构也会置于行星架44的径向内侧。参考图6和图8，可变速传动系的太阳轮42包括上游部段s1和下游部段s2，上游部段s1容纳在行星架44的径向内侧，下游部段s2伸出至行星架44之外并和多个行星轮43啮合。参考图7，在组装状态下，第二传动系的行星架34(其上具有用于容纳第二传动系的行星轮33的轮轴331的通孔341)的上游端面和可变速传动系的行星架44的上游端面大致平齐，这样的设置使得齿轮箱100的结构紧凑、尺寸小巧合理。
63.可变速传动系不仅能够提供两种速度传递模式，其在低速传递模式下能够具有比第一、第二传动系更小的传动比。具体地，当行星架44处于第一状态时，根据运动特性方程：n1+αn2＝(1+α)n3，α＝zr/zs，可知可变速传动系的减速传动比n
42
/n
41
＝-zr
41
/zs
42
，其中，n
42
为太阳轮42的转速，n
41
为内齿圈部件41的转速，zr
41
为内齿圈部件41的内齿部的齿数，zs
42
为太阳轮42的齿数。该传动比的绝对值明显小于第一、第二传动比，因而可变速传动系在低速传递模式下，其传动比也会比第一、第二传动比小。为了进一步减小可变速传动系的传动比的绝对值，可以将太阳轮42做大、和/或将内齿圈部件41的内径减小。例如，从图4和图5中能够明显看到，第一传动系的太阳轮22、第二传动系的太阳轮32的直径小于可变速传动系的太阳轮42的直径，第一传动系的内齿圈21、第二传动系的内齿圈31的内径大于可变速传动系的内齿圈部件41的内径。上述对于各个部件尺寸的限定仅为示例性的而非限制性的。可以理解，无论是对于可变速传动系还是减速传动系，其太阳轮的尺寸以及内齿圈的尺寸，应当取决于所需的传动比、以及该传动系的结构的应力水平。在设计制造时需要综合考虑各方面因素来决定太阳轮、内齿圈等部件的尺寸。
64.在如图2-8所示的结构中，第一、第二传动系的各项参数可以大致相等。在一种实施方式中，太阳轮22、太阳轮32的齿数可以为12；内齿圈21、内齿圈31的齿数可以为56，第一、第二传动系的传动比大致等于5.667。可变速传动系的太阳轮42的齿数可以为30，内齿圈部件41的齿数可以为48，在低速状态下可变速传动系的传动比的绝对值大致等于1.6。
65.相比于普通的三级减速的齿轮箱，上述实施方式中的齿轮箱能够实现较为精准的调节或微调。
66.上述实施方式中的三级传动系，数量和相对位置可以调整。例如，可变速传动系可以位于最上游；三级传动系中的减速传动系也可以选择性地取消，例如可以仅设置一级可变速传动系而不设置减速传动系，或设置一级可变速传动系和一级减速传动系；在一些实施方式中，还可以设置两个或两个以上的可变速传动系，从而使得减速箱能够具有更多可选的速度传递挡位；在一些实施方式中，还可以具有三个或三个以上的不可变速的减速传动系。
67.上述实施方式可以具有多种变形方式。例如，对于可变速传动系，换挡辅助件可以为部分的环形结构而不一定是完整的环形；换挡辅助件的内周不一定设置有齿，可以具有
凸起或凹槽以和行星架、内齿圈等结构配合固定；换挡辅助件可以为销，销可以轴向移位，以选择性地将行星架和内齿圈固定在一起或和上游部件固定在一起；换挡辅助件还可以具有其他运动模式，例如以旋转、枢转的方式在第一位置、第二位置之间移位；换挡操作件和换挡辅助件也可以具有其他的构造和连接关系，例如当换挡辅助件需要旋转时换挡操作件可以短暂地和换挡辅助件脱离；也可以取消换挡辅助件，换挡操作件可以直接地作用于行星架；也可以取消换挡操作件，换挡操作依靠电控实现；行星架可以被移位从而实现状态切换，以使得其处于第一状态和第二状态时分别位于相对于外壳的不同位置处。
68.本实用新型还提供一种电动工具，上述优选实施方式的齿轮箱可以用于该电动工具，例如该齿轮箱的第一传动系的太阳轮22可以连接马达轴，该齿轮箱的输出轴60可以用作整个电动工具的输出轴。
69.在本实用新型中，齿轮箱的输入、输出部件均为同轴设置，结构较为紧凑；并且，在低速传递模式下，齿轮箱的速度传递比较小，能够实现所需的精准调速和微调速。进一步地，本实用新型的换挡结构易于操作、便于使用者快捷地完成换挡。
70.本实用新型的多种实施方式的以上描述出于描述的目的提供给相关领域的一个普通技术人员。不意图将本实用新型排他或局限于单个公开的实施方式。如上，以上教导的领域中的普通技术人员将明白本实用新型的多种替代和变型。因此，虽然具体描述了一些替代实施方式，本领域普通技术人员将明白或相对容易地开发其他实施方式。本实用新型旨在包括这里描述的本实用新型的所有替代、改型和变型，以及落入以上描述的本实用新型的精神和范围内的其他实施方式。
71.附图标记：
72.100齿轮箱
73.10外壳
74.11第一壳体
75.12第二壳体
76.121开口
77.21、31、411内齿圈
78.22、32、42太阳轮
79.23、33、43行星轮
80.231、331、431行星轮的轮轴
81.24、34、44行星架
82.211、311a凸起部
83.311固定部分
84.312带齿部分
85.3121、441、4111外齿部
86.341枢轴孔
87.41内齿圈部件
88.412端壁
89.4121非圆形孔
90.442台肩部
91.443通孔
92.51换挡辅助件
93.511凹槽
94.52换挡操作件
95.521换挡操作件的末端
96.60输出轴
97.s1太阳轮42的上游部段
98.s2太阳轮42的下游部段