ES2828637T3 - Accionamiento elíptico virtual mecánico - Google Patents

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Abstract

Un accionamiento de placa motriz (10), que comprende: un motor de entrada (12), teniendo el motor de entrada (12) un eje de rotacion (20) alrededor del cual el motor de entrada (12) esta configurado para girar, una superficie sustancialmente plana (36) perpendicular al eje de rotacion, y al menos un saliente redondeado (38, 40) que se extiende desde la superficie sustancialmente plana; una placa motriz (14) que tiene un eje motriz (22) dispuesto en un angulo distinto de cero con respecto al eje de rotacion del motor de entrada, una primera cara sustancialmente plana (24) perpendicular al eje motriz y orientada generalmente hacia el motor de entrada, una segunda cara (26) que define un plano paralelo a la primera cara y que mira generalmente en direccion opuesta al motor de entrada, una pluralidad de dientes de cara (28) dispuestos en la segunda cara, y una pluralidad de dientes motrices (30) dispuestos alrededor de un perimetro de la placa motriz entre la primera y segunda caras en un plano perpendicular al eje motriz; un engranaje de estator (16) que tiene una pluralidad de dientes de estator (32) configurados para acoplarse con la pluralidad de dientes motrices; y una placa de salida (18) que tiene un eje de salida sustancialmente alineado con el eje de rotacion y una pluralidad de dientes de salida (34); en donde el al menos un saliente redondeado esta configurado para acoplarse con la primera cara de la placa motriz, y la pluralidad de dientes de cara esta configurada para acoplarse con la pluralidad de dientes de salida cuando la placa motriz nuta alrededor del engranaje de estator; y en donde la pluralidad de dientes de cara (28) estan dispuestos sobre una superficie troncoconica (64) de la segunda cara (26) de la placa motriz (14), la superficie troncoconica (64) configurada de manera que un centro de masa de la placa motriz (14) coincide con un vertice de la superficie troncoconica (64).

Description

DESCRIPCIÓN
Accionamiento elíptico virtual mecánico
Campo
Esta divulgación se refiere a accionamientos de placa motriz. Más específicamente, las realizaciones divulgadas se refieren a sistemas y métodos para aumentar el par con un sistema de engranajes de interfaz elíptica.
Introducción
Se pueden usar dos o más engranajes para crear una ventaja mecánica a través de una relación de engranajes. Hay muchas formas de disponer los engranajes de modo que una sola rotación de un primer engranaje resulte en más o menos de una rotación de un segundo engranaje en la misma cantidad de tiempo. En ciertas aplicaciones, es deseable tener un motor con una relación de engranaje muy alta, donde la reducción de engranajes tiene lugar en el menor volumen posible.
Tradicionalmente, los mecanismos de accionamiento de placa motriz parecen una ruta prometedora hacia un accionamiento con una relación de transmisión alta en un volumen pequeño. Sin embargo, en la práctica, los sistemas de accionamiento de placa motriz eficientes y efectivos han demostrado ser imprecisos, debido a que las fuerzas involucradas a menudo conducen a la desconexión del mecanismo, niveles inaceptables de vibración o ineficacia debido a la fricción.
En el documento US 3385135 se describe un sistema de engranajes de reducción mecánica para acoplar un eje impulsor y un eje impulsado, y particularmente un sistema de engranajes reductores montado dentro de una carcasa de engranajes combinada estructuralmente con un motor impulsor, tal como un motor eléctrico, un motor diésel o un motor Otto.
El documento EP 0719959, de acuerdo con su resumen, establece un reductor de velocidad que tiene un primer miembro fijo, un segundo miembro opuesto al primer miembro, un miembro de presión para inclinar el segundo miembro y hacer que se apoye contra el primer miembro, y presionar el segundo miembro de modo que la parte de apoyo del mismo pueda describir un lugar circular, un eje de salida, y un miembro de conexión que conecta el segundo miembro y el eje de salida juntos.
El documento WO 2014/076772, de acuerdo con su resumen en inglés, establece que un mecanismo de desaceleración de corona está provisto de un estator obtenido de una corona, un rotor obtenido de otra corona que se coloca inclinado con respecto a la corona del estator, y un eje de salida conectado al rotor. El estator tiene una fila de dientes del estator en la que (NS) dientes del estator están dispuestos en un círculo. El rotor tiene una fila de dientes del rotor en la que (N) dientes del rotor están dispuestos en círculo. La diferencia entre (NS) y (N) es 1. El rotor realiza un movimiento de precesión mientras engrana varios dientes del estator con varios dientes del rotor tanto en la posición izquierda como en la posición derecha en cada extremo de una línea de inclinación central del rotor.
El documento JPS6246045, de acuerdo con su resumen en inglés, declara PROPÓSITO: Obtener una gran ración de reducción de velocidad en un engranaje de pequeño tamaño alimentando y girando el segundo engranaje para una diferencia en el número de dientes entre el primer engranaje y el segundo engranaje, y transmitir la rotación al segundo eje. CONSTITUCIÓN: Si una diferencia en el número de dientes entre el primer engranaje y el segundo engranaje es uno, un giro de la parte de acoplamiento hace que el segundo engranaje gire por un diente, que es la diferencia en el número de dientes. Como el segundo engranaje sirve como otro portador giratorio, se provoca el movimiento de otro saliente de giro. Por consiguiente, el movimiento del saliente de giro se realiza a una velocidad que se reduce según la diferencia en el número de dientes entre el primer engranaje y el segundo engranaje, de modo que se pueda obtener un efecto reductor de velocidad en una gran proporción.
Sumario
En el presente documento se describe un accionamiento de placa motriz, que comprende: un motor de entrada, teniendo el motor de entrada un eje de rotación alrededor del cual el motor de entrada está configurado para girar, una superficie sustancialmente plana perpendicular al eje de rotación, y al menos un saliente redondeado que se extiende desde la superficie sustancialmente plana; una placa motriz que tiene un eje motriz dispuesto en un ángulo distinto de cero con respecto al eje de rotación del motor de entrada, una primera cara sustancialmente plana perpendicular al eje motriz y orientada generalmente hacia el motor de entrada, una segunda cara que define un plano paralelo a la primera cara y que mira generalmente en dirección opuesta al motor de entrada, una pluralidad de dientes de cara dispuestos en la segunda cara, y una pluralidad de dientes motrices dispuestos alrededor de un perímetro de la placa motriz entre la primera y segunda caras en un plano perpendicular al eje motriz; un engranaje de estator que tiene una pluralidad de dientes de estator configurados para acoplarse con la pluralidad de dientes motrices; y una placa de salida que tiene un eje de salida sustancialmente alineado con el eje de rotación y una pluralidad de dientes de salida; en donde el al menos un saliente redondeado está configurado para acoplarse con la primera cara de la placa motriz, y la pluralidad de dientes de cara está configurada para acoplarse con la pluralidad de dientes de salida cuando la placa motriz nuta alrededor del engranaje de estator; y en donde la pluralidad de dientes de cara están dispuestos sobre una superficie troncocónica de la segunda cara de la placa motriz, la superficie troncocónica configurada de modo que un centro de masa de la placa motriz coincida con un vértice de la superficie troncocónica.
También se describe en este documento un método para hacer funcionar un accionamiento de placa motriz, que comprende: activar un motor del accionamiento de placa motriz para que gire alrededor de un eje de rotación, en donde el motor tiene una superficie sustancialmente plana y al menos un saliente redondeado que se extiende desde la superficie sustancialmente plana; enganchar el al menos un saliente redondeado con una superficie sustancialmente plana de una placa motriz del accionamiento de placa motriz, haciendo que la placa motriz nute, teniendo la placa motriz un eje motriz dispuesto en un ángulo distinto de cero con respecto al eje de rotación del motor, una primera cara sustancialmente plana perpendicular al eje motriz y orientada generalmente hacia el motor y una segunda cara que define un plano paralelo a la primera cara y orientada generalmente en dirección opuesta al motor; enganchar una pluralidad de dientes motrices de la placa motriz con una pluralidad de dientes de estator de un engranaje de estator del accionamiento de placa motriz cuando la placa motriz nuta, provocando que la placa motriz gire, en donde la pluralidad de dientes de la placa motriz están dispuestos alrededor de un perímetro de la placa motriz entre la primera y la segunda caras en un plano perpendicular al eje motriz; y acoplar una pluralidad de dientes de cara dispuestos en la segunda cara de la placa motriz con una pluralidad de dientes de salida de una placa de salida del accionamiento de placa motriz cuando la placa motriz nuta y gira, haciendo que la placa de salida gire, teniendo la placa de salida un eje de salida sustancialmente alineado con el eje de rotación; en donde la pluralidad de dientes de cara están dispuestos en una superficie troncocónica de la segunda cara de la placa motriz, la superficie troncocónica configurada de modo que un centro de masa de la placa motriz coincida con un vértice de la superficie troncocónica.
Las características, funciones y ventajas se pueden lograr de forma independiente en diversas realizaciones de la presente divulgación, o se pueden combinar en otras realizaciones más, detalles adicionales de los cuales se pueden ver con referencia a la descripción y dibujos siguientes.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista frontal isométrica despiezada de un ejemplo de accionamiento de placa motriz, según aspectos de la presente divulgación.
La figura 2 es una vista posterior isométrica despiezada del accionamiento de placa motriz de la figura 1.
La figura 3 es una vista isométrica de una placa motriz del accionamiento de placa motriz de la figura 1.
La figura 4 es una vista en sección transversal del accionamiento de placa motriz de la figura 1, tomada a lo largo de un plano paralelo a un eje de rotación del accionamiento.
La figura 5 es otra vista en sección transversal del accionamiento de placa motriz de la figura 1, tomada a lo largo de un plano girado 45 grados desde el plano de la figura 4.
La figura 6 es un diagrama de flujo que muestra métodos ejemplares de uso de un accionamiento de placa motriz, según aspectos de la presente divulgación.
Descripción
Visión de conjunto
Varias realizaciones de un accionamiento elíptico virtual mecánico que tiene un motor, placa motriz, engranaje de estator y placa de salida se describen a continuación y se ilustran en los dibujos asociados. A no ser que se especifique lo contrario, el accionamiento elíptico virtual mecánico y/o sus diversos componentes pueden, pero no están obligados a, contener al menos una de las estructuras, componentes, funcionalidad, y/o variaciones descritas, ilustradas y/o incorporadas en el presente documento. Además, las estructuras, componentes, funcionalidades y/o variaciones descritas, ilustradas y/o incorporadas en el presente documento en relación con las presentes enseñanzas pueden, pero no están obligados a, incluirse en otros accionamientos elípticos. La siguiente descripción de varias realizaciones es de naturaleza meramente ejemplar y de ninguna manera pretende limitar la divulgación, su aplicación o usos. De manera adicional, las ventajas aportadas por las realizaciones, como se describe más adelante, son de naturaleza ilustrativa y no todas las realizaciones proporcionan las mismas ventajas o el mismo grado de ventajas.
Un accionamiento elíptico virtual puede incluir un mecanismo de placa motriz. En un mecanismo de placa motriz, uno de los engranajes, por ejemplo, una placa motriz, nuta alrededor de otro engranaje, por ejemplo, un engranaje de estator. Tal y como se usa en el presente documento, los términos "nutar" o "nutación" significan un bamboleo, oscilación o un movimiento circular de balanceo. Si el número de dientes del engranaje en la placa motriz y el engranaje de estator son diferentes en uno, entonces dicho sistema tiene una relación de engranaje igual al número de dientes del engranaje de estator. Un mecanismo de placa motriz que solo utiliza dos engranajes puede lograr una relación de engranajes relativamente alta, en un pequeño volumen.
Una realización de un accionamiento elíptico virtual mecánico se puede ver desde diferentes ángulos en las figuras 1 y 2, y generalmente se indica en 10. El accionamiento 10 incluye un motor de entrada 12, una placa motriz 14, un engranaje de estator 16 y una placa de salida 18. El motor 12 define un eje de rotación 20, alrededor del cual el engranaje de estator 16 y la placa de salida 18 pueden estar centrados. La placa motriz 14 está dispuesta en un ángulo distinto de cero con respecto al eje de rotación.
La placa motriz 14 tiene una cara trasera, sustancialmente plana 24 y una cara frontal 26 con una pluralidad de dientes de cara 28 y una pluralidad de dientes motrices 30. Los dientes de cara 28 están dispuestos en la cara frontal 26, y los dientes motrices 30 están dispuestos alrededor de un perímetro de la placa motriz entre las caras 24 y 26, en un plano perpendicular al eje motriz.
Cuando se ensambla el accionamiento 10, el motor 12 se acopla con la cara trasera 24 de la placa motriz 14 para inducir a la placa motriz a nutar alrededor del estator 16. El estator, que también puede denominarse engranaje de estator, incluye una pluralidad de dientes del estator 32 configurados para acoplarse con los dientes motrices 30, y de ese modo inducir la rotación de la placa motriz. La placa de salida 18 incluye una pluralidad de dientes de salida 34 configurados para acoplarse con los dientes de cara 28, y la placa motriz induce así a la placa de salida a girar también. De esta manera, el motor 12 puede girar la placa de salida 18 con un par determinado por una primera relación de engranaje entre la placa motriz 14 y el estator 16, y una segunda relación de engranaje entre la placa motriz 14 y la placa de salida 18.
En la realización ilustrada en las figuras 1 y 2, el motor de entrada 12 es un motor eléctrico con una superficie sustancialmente plana 36 perpendicular al eje de rotación 20 y que incluye un primer cojinete de cartucho 38 y un segundo cojinete de cartucho 40 acoplado a la superficie plana. Los cojinetes 38, 40 se pueden ver mejor en la figura 1. El primer cojinete puede tener una separación angular del segundo cojinete en 89 grados, medido con respecto al eje de rotación 20. Los cojinetes pueden acoplarse a la superficie plana 36 próxima a un borde radial de la superficie.
Los cojinetes 38, 40 pueden extenderse desde la superficie plana 36 de manera que cuando se ensambla el accionamiento 10, el cojinete 38 o el cojinete 40 están en contacto con la cara trasera 24 de la placa motriz. Este contacto puede estar en un punto espaciado angularmente por 45 grados, medido con respecto al eje de rotación, desde un punto de máxima aproximación entre el motor y la placa motriz. Los cojinetes pueden configurarse para hacer contacto de rodadura con la cara trasera 24 de la placa motriz 14 y, por tanto, se acoplan con la placa motriz para inducir la nutación.
En otra realización, no representada, se puede formar un único saliente redondeado (en lugar de dos salientes) en la superficie plana 36 del motor 12. El saliente redondeado puede hacer contacto con la placa motriz 14 en un punto espaciado angularmente del punto 44 por 45 grados, medido con respecto al eje de rotación. Otras realizaciones pueden incluir dos salientes separados por un ángulo de entre 80 y 100 grados, pero no necesariamente exactamente 89 grados. Otras realizaciones más pueden incluir tres o más resaltes que se extienden desde la superficie plana 36.
Independientemente del número de salientes redondeados, puede disponerse un lubricante entre el motor 12 y la placa motriz 14, para reducir la fricción entre los salientes redondeados y la cara trasera 24 de la placa motriz. Además, los salientes pueden tomar cualquier forma, o incluir cualquier mecanismo que tienda a proporcionar un acoplamiento rodante de baja fricción del(os) saliente(s) con la placa motriz 14.
Tal y como se muestra en la figura 3, la placa motriz 14 puede tener una forma similar a un disco, con una cara trasera 24, una cara frontal 26 y un eje central, o eje motriz 22. La placa motriz 14 puede alinearse de manera que el eje motriz 22 forme un ángulo distinto de cero con el eje de rotación 20. La cara trasera 24 puede ser perpendicular al eje motriz, mientras que la cara frontal 26 define un plano paralelo a la cara trasera. Tal y como se muestra en las figuras 1-2, la cara trasera 24 está orientada generalmente hacia el motor de entrada 12 y la cara frontal 26 está generalmente alejada del motor.
Volviendo a la figura 3, la pluralidad de dientes motrices 30 están dispuestos alrededor de un perímetro de la placa motriz 14 entre la cara trasera 24 y la cara frontal 26 y en un plano perpendicular al eje motriz 22. Los dientes motrices pueden extenderse desde una superficie cilíndrica exterior 58 de la placa motriz en una dirección radial alejándose del eje motriz. Los dientes motrices también pueden extenderse desde una base de diente motriz 60 en una dirección axial a lo largo del eje motriz. La base de diente motriz puede ser un miembro aproximadamente anular acoplado o integral con la placa motriz. La pluralidad de dientes motrices puede extenderse tanto desde la superficie cilíndrica 58 como desde la base de diente motriz 60. La conexión de los dientes motrices con una o ambas de la superficie cilíndrica o la base de diente motriz puede proporcionar soporte físico o cierto grado de rigidez a la pluralidad de dientes motrices. Puede elegirse cualquier número adecuado de dientes motrices 30.
Cada diente motriz 30 puede incluir una primera superficie de acoplamiento y en el lado opuesto del diente puede haber una segunda superficie de acoplamiento. Cada superficie puede ser plana, compuesta por más de un plano, o compuesta por una o más superficies con curvatura. Una o ambas superficies de acoplamiento de un diente motriz 30 pueden estar definidas por una involuta compuesta de un círculo y una elipse, tal y como se comentará con mayor detalle más adelante. Como alternativa, la curva puede ser la proyección de una elipse virtual en la ubicación del diente para todos los ángulos entre 0 y 2n radianes.
De manera adicional, cada diente motriz 30 puede incluir una parte de acoplamiento y una base de soporte. La parte de acoplamiento puede incluir la primera superficie de acoplamiento y la segunda superficie de acoplamiento. La base de soporte puede conectar la parte de acoplamiento a la base de diente motriz 60.
Para cada diente de la pluralidad de dientes motrices 30, una o ambas de la primera superficie de acoplamiento y la segunda superficie de acoplamiento pueden estar definidas por una involuta compuesta de un círculo y una elipse. Es decir, la curva de la segunda superficie de acoplamiento puede definirse mediante una primera ecuación:
y = C(tan(^) - <p)D
donde C es una constante que puede ser proporcional al radio de la placa motriz, y puede tomar valores de 0 a | radianes, y D puede tener una constante positiva menor que 1. D puede tener un valor de aproximadamente 0,65, aunque también son posibles otros valores. La primera ecuación se puede normalizar a la unidad.
Como alternativa, la curva de la segunda superficie de acoplamiento puede definirse mediante una segunda ecuación:
y = C(sen(ip)- ycos (y ) )D
donde C es una constante que puede ser proporcional al radio de la placa motriz, y puede tomar valores de 0 a | radianes, y D puede tener una constante positiva menor que 1. D puede tener un valor de aproximadamente 0,65, aunque también son posibles otros valores.
La segunda ecuación se puede normalizar a un radio de la placa motriz. La curva de la segunda superficie de acoplamiento puede ser la proyección de una elipse virtual sobre la ubicación del diente para todos los ángulos entre 0 y 2n radianes. La curva de la primera superficie de acoplamiento puede ser una imagen especular de la curva de la segunda superficie de acoplamiento, reflejada por un plano a través del vértice del diente y que contiene el eje de rotación. Es más, la primera superficie de acoplamiento y la segunda
superficie de acoplamiento puede unirse suavemente en el vértice de cada diente. Por lo tanto, la forma en sección transversal del diente puede estar definida por una involuta compuesta de un círculo y una elipse.
Como se ha ilustrado en la figura 3, la cara frontal 26 de la placa motriz 14 incluye una superficie motriz anular 64, que es una superficie troncocónica. Es decir, la superficie motriz anular 64 está en ángulo con respecto a un plano perpendicular al eje motriz 22, de modo que cada punto de la superficie motriz anular incluye una línea troncocónica que puede extenderse hasta un vértice troncocónico situado en el eje motriz. El vértice troncocónico de la superficie motriz anular 64 coincide con un centro de masa de la placa motriz 14.
Se dispone una pluralidad o un conjunto de dientes de cara 28 sobre la superficie motriz anular 64. Se puede elegir cualquier número adecuado de dientes de cara 28 y el número de dientes de cara puede ser mayor, menor o igual que el número de dientes de salida 34. En la realización ilustrada, hay el mismo número de dientes de cara 28 y dientes de salida 34. Cada diente de cara puede incluir dos caras de accionamiento, que pueden ser planas, compuestas por más de un plano, o pueden estar compuestas por una o más superficies con curvatura.
Con referencia de nuevo a las figuras 1-2, el engranaje de estator 16 puede tener una base 48 y la base puede incluir una superficie cilíndrica interior 50 y una base de diente de estator 52. La base 48 puede incluir puntos de fijación configurados para acoplar operativamente el estator 16 al resto de cualquier dispositivo que esté utilizando el accionamiento 10. El estator 16 puede estar estacionario dentro del contexto de ese dispositivo. El engranaje de estator puede definir un eje de estator 54 que está sustancialmente alineado con el eje de rotación 20 y, por lo tanto, también con el eje de salida.
El estator 16 puede tener un volumen interior 56 que puede estar parcialmente definido por la superficie cilíndrica interior 50. El volumen interior 56 puede estar configurado para acomodar parte o la totalidad de la placa motriz 14 como se describe con más detalle a continuación.
Los dientes de estator 32 pueden estar dispuestos en una o ambas de la superficie cilíndrica interior 50 y la base de diente de estator 52. Los dientes de estator pueden extenderse desde la superficie cilíndrica interior hacia el volumen interior 56 en una dirección radial hacia el eje de rotación. Los dientes de estator pueden extenderse desde la base de diente de estator 52 en una dirección axial a lo largo del eje de rotación. Se puede elegir cualquier número adecuado de dientes de estator, dependiendo de la aplicación y la relación de engranaje deseada. El número de dientes de estator puede ser mayor, menor o igual que el número de dientes motrices 30.
Cada diente de la pluralidad de dientes de estator puede tener un extremo proximal y un extremo distal, con respecto al eje de rotación 20. El extremo distal de un diente de estator puede acoplarse a la superficie cilindrica interior 50. Cada diente también puede incluir una primera superficie de acoplamiento y en el lado opuesto del diente puede haber una segunda superficie de acoplamiento. Cada superficie de acoplamiento puede ser plana, compuesta por más de un plano, o compuesta por una o más superficies con curvatura.
Una o ambas superficies de acoplamiento de un diente de estator 32 pueden estar definidas por una involuta compuesta de un círculo y una elipse, como se ha descrito previamente. Como alternativa, la curva puede ser la proyección de una elipse virtual en la ubicación del diente para todos los ángulos entre 0 y 2n radianes.
Cada diente de la pluralidad de dientes de estator 32 puede incluir una parte de acoplamiento y una base de soporte. La parte de acoplamiento puede incluir la primera superficie de acoplamiento y la segunda superficie de acoplamiento. La base de soporte puede acoplar la parte de acoplamiento a la base de diente de estator 52.
Como se ha representado en las figuras 1-2, la placa de salida 18 puede comprender una pluralidad de dientes de salida 34 dispuestos en una superficie de salida anular 62. La placa de salida 18 también tiene un eje de salida sustancialmente alineado con el eje de rotación 20.
Tal y como se observa mejor en la figura 2, la superficie de salida 62 es troncocónica. Es decir, la superficie de salida anular 62 forma un ángulo con respecto a un plano perpendicular al eje de rotación 20, de modo que cada punto de la superficie de salida anular incluye una línea troncocónica que puede extenderse hasta un vértice troncocónico ubicado en el eje de rotación y adelante de la placa de salida 18. Cuando los elementos mencionados anteriormente se ensamblan en el accionamiento 10, el vértice troncocónico de la superficie de salida anular 62 coincide con un centro de masa de la placa motriz 14. Se puede elegir cualquier número adecuado de dientes de salida 34, y el número de dientes de salida puede ser mayor, menor, o igual que el número de dientes de cara 28. En la realización ilustrada, hay el mismo número de dientes de salida 34 y dientes de cara 28. Cada diente de salida puede incluir dos caras accionadas y cada cara accionada puede ser plana, compuestas por más de un plano, o pueden estar compuestas por una o más superficies con curvatura.
Las figuras 4-5 son vistas en sección transversal del accionamiento 10, mostrando el motor 12, placa motriz 14, engranaje de estator 16 y la placa de salida 18 en una configuración ensamblada. El motor y la placa de salida pueden estar alineados a lo largo del eje del estator 54. Es decir, el eje de rotación, el eje de salida y el eje del estator pueden estar sustancialmente alineados. La placa motriz y el eje motriz 22 pueden disponerse en cualquier ángulo distinto de cero deseado y adecuado con respecto al eje del estator. A medida que la placa motriz 14 gira alrededor del estator 16 y la placa de salida 18, el centro de masa de la placa motriz puede estar sustancialmente estacionario.
La figura 5 es una sección transversal en un plano girado 45 grados desde el plano de la sección transversal de la figura 4, alrededor del eje del estator 54, y el ángulo en cada uno se ha exagerado para mostrar más claramente las relaciones entre los componentes.
La placa motriz 14 está configurada para acoplarse con el engranaje de estator 16. Más específicamente, los dientes motrices 30 están configurados para acoplarse con los dientes del estator 32. En el caso de que el motor 12 gire en una primera dirección de rotación, la primera superficie de acoplamiento de un diente motriz puede acoplarse con la primera superficie de acoplamiento de un diente de estator. Es decir, puede haber una fuerza de contacto ejercida sobre la placa motriz por el engranaje de estator a través de una interacción entre las primeras superficies de acoplamiento de la pluralidad de dientes de estator y las primeras superficies de acoplamiento de la primera pluralidad de dientes motrices. Estas fuerzas de contacto pueden hacer que la placa motriz gire en la primera dirección de rotación y nute en una primera dirección de nutación.
En general, el engranaje de estator tiene n dientes de estator y la placa motriz tiene m dientes motrices, donde n y m son números enteros que difieren en uno o más, pero típicamente en uno. A medida que la placa motriz nuta alrededor del engranaje de estator, cada diente de la pluralidad de dientes motrices puede acoplarse con un diente de la pluralidad de dientes de estator durante una única nutación. Como puede haber un diente de estator más que dientes motrices, la placa motriz puede girar ligeramente durante una sola nutación.
Específicamente, la placa motriz puede girar 1/m de una rotación completa durante una única nutación de la placa motriz. Dicho de otro modo, si la placa motriz gira 1/m de una rotación completa, quizás debido a una interacción con el motor, la placa motriz puede completar una nutación completa. Por lo tanto, la placa motriz y el engranaje de estator pueden interactuar según una relación de engranaje de m: 1. Por cada m nutaciones de la placa motriz, la placa motriz puede girar exactamente una vez. Por lo tanto, la relación de engranaje de los sistemas divulgados se puede determinar por el número de dientes m y n de la placa motriz y el engranaje de estator, respectivamente.
La placa motriz y el engranaje de estator pueden configurarse de modo que cualquier fuerza de contacto ejercida entre ellos apunte en direcciones que sean tangentes a círculos que se encuentran en planos perpendiculares al eje de rotación. Las fuerzas de contacto pueden apuntar en una dirección que es sustancialmente perpendicular al eje motriz 22 y a una línea radial que se extiende desde un punto de contacto entre un diente motriz 30 y un diente de estator 32 hasta el eje motriz 22.
La placa motriz 14 y el engranaje de estator 16 pueden tener una forma sustancialmente circular, con una proyección de la placa motriz sobre el estator de forma elíptica debido a sus diferentes orientaciones. La pluralidad de dientes motrices 30 y dientes de estator 32 se pueden moldear proyectando esta elipse virtual sobre la ubicación del diente. Por tanto, la proyección elíptica de la placa motriz 14 sobre el estator 16 puede limitarse a una rotación no excéntrica. El movimiento excéntrico, si se permite, puede generar grandes fuerzas de desequilibrio que crean un rendimiento inaceptable del sistema.
La placa motriz 14 también está configurada para acoplarse con la placa de salida 18, mediante el acoplamiento de los dientes de cara 28 y los dientes de salida 34. Cuando la placa motriz gira en una primera dirección de rotación, la primera cara de accionamiento de un diente motriz puede acoplarse con la primera cara accionada de un diente de salida. Es decir, puede haber una fuerza de contacto ejercida sobre la placa de salida por la placa motriz a través de una interacción entre las primeras caras de accionamiento de la pluralidad de dientes de cara y las primeras caras accionadas de la pluralidad de dientes de salida. Estas fuerzas de contacto pueden hacer que la placa de salida gire en la primera dirección de rotación. Cuando la placa motriz gira en una segunda dirección de rotación, las fuerzas de contacto entre las segundas caras accionamiento de los dientes motrices y las segundas caras accionadas de los dientes de salida pueden hacer que la placa de salida gire en la segunda dirección de rotación.
En la realización ejemplar del accionamiento 10, la placa de salida y la placa motriz tienen el mismo número de dientes, es decir, el número de dientes de salida es igual al número de dientes de cara. Por consiguiente, en la realización ilustrada, la placa de salida y la placa motriz interactúan y giran según una relación de engranaje de 1:1. Es decir, por cada rotación completa de la placa motriz, la placa de salida también completa exactamente una rotación completa. Son posibles otras opciones para el número de dientes de salida y de cara y darían lugar a otros valores para la relación de engranaje de salida.
La placa motriz 14 y la placa de salida 18 pueden configurarse de modo que cualquier fuerza de contacto ejercida entre ellas apunte en direcciones que sean tangentes a círculos que se encuentran en planos perpendiculares al eje de rotación. Por ejemplo, una fuerza de contacto puede apuntar en una dirección que es sustancialmente perpendicular al eje motriz 22 y a la línea radial que se extiende desde un punto de contacto entre un diente de cara 28 y un diente de salida 34 hasta el eje motriz 22.
Configurando la placa motriz y la placa de salida de modo que las fuerzas de contacto entre ellas apunten en tales direcciones, se pueden evitar las fuerzas excéntricas. Las fuerzas excéntricas pueden hacer que la pluralidad de dientes de cara se desacoplen de la pluralidad de dientes de salida o pueden hacer que el centro de masa de la placa motriz oscile, introduciendo así vibraciones indeseables en el sistema de accionamiento.
La placa motriz 14 puede tener una posición de 0 grados o punto 42 que puede ser la posición o el punto de la placa motriz que está más alejado de la placa de salida 18, medido en una dirección paralela al eje de rotación 20. En la posición de 0 grados, mostrada en la figura 4, la placa motriz 14 puede estar más cerca del motor 12. La placa motriz 14 puede tener una posición o punto de 90 grados que puede ser un cuarto del camino alrededor de la placa motriz desde la posición de 0 grados en una primera dirección de nutación. Por ejemplo, visto desde un punto de vista sobre la placa motriz cerca de la placa de salida, la posición de 90 grados puede ser de noventa grados alrededor de un perímetro de la placa motriz en sentido contrario a las agujas del reloj. Continuando alrededor del perímetro de la placa motriz, una posición de 180 grados o punto 44 puede estar ubicado en el lado opuesto de la placa motriz como la posición 42 de 0 grados. La posición de 180 grados puede marcar el acercamiento más cercano de la placa motriz a la placa de salida y el engranaje de estator y el punto de mayor distancia del motor. Una posición o punto de 270 grados puede ubicarse en el lado opuesto de la placa motriz como la posición de 90 grados.
El motor 12 puede estar dispuesto de manera que el punto 42 de 0 grados esté en contacto con la superficie plana 36 del motor entre los cojinetes 38, 40 en un instante de tiempo dado, como se representa en la figura 4. En ese mismo instante de tiempo, solo uno de los cojinetes 38, 40 puede estar en contacto con la cara trasera 24 de la placa motriz 14 en un punto 46, como se representa en la figura 5. El motor puede configurarse para girar los cojinetes alrededor del eje de estator 54 y, por tanto, hacer que la placa motriz 14 nute alrededor del engranaje de estator 16, con el eje motriz 22 en precesión alrededor del eje de estator. Por tanto, el punto de contacto 46 entre el cojinete y la placa motriz 14 puede adelantarse al punto 44 de 180 grados.
En un caso donde el motor gira en una primera dirección, el cojinete 38 puede estar en contacto con la cara trasera 24 de la placa motriz en un punto entre la posición 42 de 0 grados y la posición de 270 grados y puede acoplarse con la placa motriz para hacer que la placa motriz nute en una primera dirección. La figura 5 muestra el cojinete 38 en tal caso. En el caso en que el motor gire en una segunda dirección, el cojinete 40 puede estar en contacto con la cara trasera 24 de la placa motriz en un punto entre la posición 42 de 0 grados y la posición de 90 grados y puede acoplarse con la placa motriz para hacer que la placa motriz se mueva en una segunda dirección.
Cuando el accionamiento 10 está en uso, la placa motriz 14 generalmente nutará y también girará. La placa motriz puede describirse como configurada para nutar alrededor del engranaje de estator 16, alrededor del motor 12 y/o alrededor de la placa de salida 18. En el caso en que la placa motriz esté nutando en la primera dirección de nutación, la posición de 0 grados de la placa motriz puede moverse hacia una ubicación actual de la posición de 90 grados de modo que, después de un cuarto de nutación completa, la posición de 90 grados se ha convertido en la posición de 0 grados, la posición de 180 grados se ha convertido en la posición de 90 grados, etc. Además, es posible que la placa motriz no gire a la misma velocidad a la que nuta. Es decir, cuando la placa motriz completa una única nutación completa, la posición de 0 grados puede recorrer todo el perímetro de la placa motriz. Durante este mismo tiempo, la placa motriz puede girar menos de una rotación completa. La velocidad de rotación puede ser determinada por la velocidad de nutación y por la relación de engranaje entre los dientes motrices 30 y el engranaje de estator 16.
Los dientes motrices 30 pueden acoplarse con los dientes de estator 32 a lo largo de un cuarto del engranaje de estator en cualquier momento cuando la placa motriz nuta. Este acoplamiento puede ser en forma de contacto rodante, donde las primeras superficies de acoplamiento ruedan unas sobre otras. Este contacto rodante puede estar en contraste con muchas interfaces de engranajes estándar donde las caras opuestas de los dientes de engranaje interactúan a través de un contacto deslizante. En general, asumiendo que las mismas dos superficies están involucradas, el contacto rodante tiene mucha menos fricción que el contacto deslizante entre las dos superficies.
Los dientes motrices 30 solo pueden hacer contacto con los dientes de estator 32 entre la posición de 0 grados y la posición de 270 grados cuando nutan en la primera dirección de nutación, y este contacto puede limitarse al contacto de rodadura entre subconjuntos de las pluralidades de dientes motrices y de estator. Por lo tanto, la placa motriz puede nutar alrededor del estator con menos fricción que en el caso de un contacto deslizante. Tal configuración puede conducir a una transferencia eficiente de movimiento o energía nutacional a movimiento o energía rotacional.
De manera similar, los dientes de cara 28 solo pueden engancharse con los dientes de salida 34 a lo largo de un cuarto de la placa de salida en cualquier momento cuando la placa motriz nuta. Cuando la placa motriz nuta en la primera dirección, los dientes de cara y los dientes de salida pueden encajar entre la posición 44 de 180 grados y la posición de 90 grados. Por este acoplamiento, la placa motriz 14 puede hacer que la placa de salida 18 gire en la misma dirección que la placa motriz. En la realización ilustrada, donde la relación de engranaje entre los dientes de cara 28 y los dientes de salida 34 es 1, la placa de salida 18 también puede girar a la misma velocidad que la placa motriz 14. Por tanto, la rotación del motor 12 puede transferirse a la placa de salida 18 a un par más alto.
Modo de funcionamiento y uso
La figura 6 muestra un método, que se indica generalmente con 100, para hacer funcionar un accionamiento elíptico virtual mecánico. En la etapa 102, el método 100 puede incluir proporcionar un motor con al menos un saliente redondeado en una superficie sustancialmente plana, que define un eje de rotación, proporcionar una placa motriz con dientes motrices y dientes de cara, proporcionar un engranaje de estator con dientes de estator y proporcionar una placa de salida con dientes de salida. El motor, placa motriz, engranaje de estator y placa de salida se pueden construir y ensamblar como se muestra, por ejemplo, en las figuras 1 a 5 y se describe anteriormente, o de cualquier otra forma y configuración adecuadas de acuerdo con las presentes enseñanzas.
En la etapa 104, el método 100 puede incluir activar el motor para que gire alrededor del eje de rotación. En la etapa 106, el método 100 puede incluir acoplar uno o más de los salientes redondeados del motor con una superficie sustancialmente plana de la placa motriz, provocando así que la placa motriz nute. En la etapa 108, el método 100 puede incluir acoplar los dientes motrices con los dientes de estator, provocando así que la placa motriz gire. En la etapa 110, el método 100 puede incluir acoplar los dientes de cara de la placa motriz con los dientes de salida de la placa de salida, provocando así que la placa de salida gire.
Los métodos de uso de acuerdo con las presentes enseñanzas pueden emplearse junto con cualquiera de las realizaciones de accionamiento elíptico virtual mecánico descritas anteriormente. En algunas realizaciones, el método puede incluir además detener la rotación del motor y permitir que la placa de salida se detenga. El método puede incluir además activar el motor para que gire en una segunda dirección de rotación alrededor del eje de rotación, girando así la placa de salida en una segunda dirección.
Ventajas, características, beneficios
Las diferentes realizaciones del accionamiento elíptico virtual mecánico descritas en el presente documento proporcionan varias ventajas sobre las soluciones conocidas para accionamientos con una alta relación de engranaje que también ocupan un pequeño volumen. De acuerdo con la presente divulgación, las relaciones de engranaje de cientos e incluso miles son posibles usando solo un estator, una placa motriz y una placa de salida. Por ejemplo, las realizaciones ilustrativas descritas en el presente documento permiten un movimiento no excéntrico de alta eficacia de una placa motriz de nutación. Ningún sistema o dispositivo conocido puede realizar estas funciones, particularmente en un volumen tan pequeño. Por lo tanto, las realizaciones ilustrativas descritas en el presente documento son particularmente útiles para aumentar el par de un motor en un volumen pequeño con un número reducido de partes móviles. Sin embargo, no todas las realizaciones descritas en el presente documento proporcionan las mismas ventajas o el mismo grado de ventaja.
Conclusión
La divulgación establecida anteriormente puede abarcar múltiples invenciones distintas con utilidad independiente. Aunque cada una de estas invenciones se ha divulgado en sus formas preferidas, las realizaciones específicas de la misma como se divulga e ilustra en este documento no deben considerarse en un sentido limitante, por que son posibles numerosas variaciones. En la medida en que los títulos de las secciones se utilicen en esta divulgación, dichos títulos tienen únicamente fines organizativos y no constituyen una caracterización de ninguna invención reivindicada. La presente invención no se limita a las realizaciones descritas. Las alteraciones y/o modificaciones de las realizaciones ilustradas y/o descritas se contemplan como formas alternativas de la invención en la medida en que no se aparten del alcance de la presente invención, que está definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un accionamiento de placa motriz (10), que comprende:
un motor de entrada (12), teniendo el motor de entrada (12) un eje de rotación (20) alrededor del cual el motor de entrada (12) está configurado para girar, una superficie sustancialmente plana (36) perpendicular al eje de rotación, y al menos un saliente redondeado (38, 40) que se extiende desde la superficie sustancialmente plana; una placa motriz (14) que tiene un eje motriz (22) dispuesto en un ángulo distinto de cero con respecto al eje de rotación del motor de entrada, una primera cara sustancialmente plana (24) perpendicular al eje motriz y orientada generalmente hacia el motor de entrada, una segunda cara (26) que define un plano paralelo a la primera cara y que mira generalmente en dirección opuesta al motor de entrada, una pluralidad de dientes de cara (28) dispuestos en la segunda cara, y una pluralidad de dientes motrices (30) dispuestos alrededor de un perímetro de la placa motriz entre la primera y segunda caras en un plano perpendicular al eje motriz;
un engranaje de estator (16) que tiene una pluralidad de dientes de estator (32) configurados para acoplarse con la pluralidad de dientes motrices; y
una placa de salida (18) que tiene un eje de salida sustancialmente alineado con el eje de rotación y una pluralidad de dientes de salida (34);
en donde el al menos un saliente redondeado está configurado para acoplarse con la primera cara de la placa motriz, y la pluralidad de dientes de cara está configurada para acoplarse con la pluralidad de dientes de salida cuando la placa motriz nuta alrededor del engranaje de estator; y
en donde la pluralidad de dientes de cara (28) están dispuestos sobre una superficie troncocónica (64) de la segunda cara (26) de la placa motriz (14), la superficie troncocónica (64) configurada de manera que un centro de masa de la placa motriz (14) coincide con un vértice de la superficie troncocónica (64).
2. El accionamiento de placa motriz de la reivindicación 1, en donde el al menos un saliente redondeado incluye dos salientes redondeados (38, 40), separados por un ángulo entre 80 y 100 grados medidos alrededor del eje de rotación.
3. El accionamiento de placa motriz de la reivindicación 2, en donde el ángulo es de 89 grados.
4. El accionamiento de placa motriz de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el al menos un saliente redondeado es un cojinete de cartucho (38, 40).
5. El accionamiento de placa motriz de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la pluralidad de dientes motrices, la pluralidad de dientes de estator, o ambos, están definidos por una involuta compuesta de un círculo y una elipse.
6. Un método (100) para hacer funcionar un accionamiento de placa motriz (10), que comprende:
activar (104) un motor (12) del accionamiento de placa motriz (10) para que gire alrededor de un eje de rotación (20), en donde el motor tiene una superficie sustancialmente plana (36) y al menos un saliente redondeado (38, 40) que se extiende desde la superficie sustancialmente plana;
engranar (106) el al menos un saliente redondeado con una superficie sustancialmente plana (24) de una placa motriz (14) del accionamiento de placa motriz (10), haciendo que la placa motriz nute, teniendo la placa motriz (14) un eje motriz (22) dispuesto en un ángulo distinto de cero con respecto al eje de rotación (20) del motor, una primera cara sustancialmente plana (24) perpendicular al eje motriz y orientada generalmente hacia el motor y una segunda cara (26) que define un plano paralelo a la primera cara y orientada generalmente en dirección opuesta al motor;
engranar (108) una pluralidad de dientes motrices (30) de la placa motriz con una pluralidad de dientes de estator (32) de un engranaje de estator (16) del accionamiento de placa motriz (10) cuando la placa motriz nuta, provocando que la placa motriz gire, en donde la pluralidad de dientes de placa motriz (30) están dispuestos alrededor de un perímetro de la placa motriz entre la primera y la segunda caras en un plano perpendicular al eje motriz; y
engranar (110) una pluralidad de dientes de cara (28) dispuestos en la segunda cara (26) de la placa motriz con una pluralidad de dientes de salida (34) de una placa de salida (18) del accionamiento de placa motriz (10) cuando la placa motriz nuta y gira, haciendo que la placa de salida gire, teniendo la placa de salida (18) un eje de salida sustancialmente alineado con el eje de rotación;
en donde la pluralidad de dientes de cara (28) están dispuestos sobre una superficie troncocónica (64) de la segunda cara (26) de la placa motriz (14), la superficie troncocónica (64) configurada de manera que un centro de masa de la placa motriz (14) coincide con un vértice de la superficie troncocónica (64).
7. El método de la reivindicación 6, en donde el motor incluye dos salientes redondeados (38, 40) que se extienden desde la superficie sustancialmente plana del motor, separados por un ángulo de 89° medido alrededor del eje de rotación, y en donde exactamente uno de los salientes está configurado para hacer contacto con la placa motriz en cada instante de tiempo.
8. El método de la reivindicación 6 o 7, en donde el al menos un saliente redondeado es un cojinete de cartucho (38, 40).
9. El método de cualquiera de las reivindicaciones 6-8, en donde la pluralidad de dientes motrices y la pluralidad de dientes de estator están cada uno al menos parcialmente definidos por una involuta compuesta de un círculo y una elipse.
10. El método de cualquiera de las reivindicaciones 6-9, en donde la placa motriz está configurada de modo que las fuerzas de contacto ejercidas sobre la placa motriz por uno cualquiera del motor, el engranaje de estator o la placa de salida apuntan en direcciones que son tangentes a círculos que se encuentran en planos perpendiculares al eje de rotación.
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