NO170357B - Tannhjulsveksel. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en tannhjulsveksel bestående av to doble harmoniske veksler i henhold til innledningen av krav 1. Det er dessuten mulig å koble en motor til tannhjulsvekselen i henhold til oppfinnelsen på en måte som er omtalt nedenfor, slik at det fås en kompakt tannhjulsmotor. En fordelaktig anvendelse av denne motoren er i mekanismer med høyt dreiemoment, lav rotasjonshastighet, et lavt volumbehov og lav vekt og eventuelt en god parkeringsnøyaktighet som krevet av en kraftinnretning, f.eks. i drivanordningen for bevegelsesledd i industriroboter.

I en rekke motortyper fås den største effekt fra motoren når rotasjonshastigheten er høyere enn den som er nødvendig for å bevege lasten. Derfor anordnes en reduksjonsveksel mellom motoren og lasten slik at større effekt som fås fra motoren kan benyttes med et høyt dreiemoment ved lav rotasjonshastighet. Som kjent sikrer en harmonisk veksel et høyt reduksjonsforhold, mens vekselen opptar liten plass og dens ytelse er god.

Prinsippet for en harmonisk veksel er vist i

US-PS nr. 2 906 143 (29. september 1959, Musser) og den for en dobbel harmonisk veksel i US-PS nr. 2 943 513, (5. juli 1960, Musser).

I henhold til oppfinnelsen kan to doble harmoniske tannhjul forbindes i parallell på en slik måte at hovedmomentet kan leveres til tannhjulsvekselen f.eks. via en utvendig ringformet primæraksel anordnet mellom tannhjulene, slik at vekselens sekundæraksel kan ha form av en hylse. Rotoren i en motor som kan gjøres ringformet, kan benyttes direkte som primæraksel. Slike motorer omfatter forskjellige typer elektriske motorer såsom børsteløse likestrømsmotorer og skrittmotorer eller motorer av en annen type, såsom trykkluftmotorer. Moment-overføringsevnen til tannhjulsvekselen er meget høy. Hva angår dens volumbehov og dens utvekslingsområde (fra ca. 25-100:1) er den godt egnet til bruk som reduksjonsveksel i en ringformet motor uten dermed i betydelig grad å øke dens volumbehov. Tannhjulsvekselen kan også konstrueres hovedsakelig uten klaringer og dens diameter og følgelig dens momentoverførings-evne kan varieres innenfor vide grenser med bibeholdelse av den kompakte utførelse. Om ønsket kan primærmomentet leveres til tannhjulsvekselen på andre måter, også f.eks. via en separat drivaksel til en utvendig ring eller via et lager anordnet innvendig i kransen. For å tilveiebringe disse virkninger er oppfinnelsen hovedsakelig karakterisert ved trekkene i henhold til krav 1.

I det følgende skal oppfinnelsen og dens foretrukne utførelser beskrives mer detaljert med henvisning til eksempler i samband med den vedføyde tegning hvor

fig. 1 viser den samlede konstruksjon av en tannhjulsveksel i henhold til oppfinnelsen i et delvis lengdetverrsnitt,

fig. 2 viser en endeprojeksjon av den foregående figur,

fig. 3 viser et delvis lengdetverrsnitt av en tannhjulsveksel hvortil en børsteløs likestrømsmotor er festet som motor,

fig. 4 viser et tverrsnitt av motoren på fig. 3 tatt langs linjen A-A,

fig. 5 viser de magnetiske kretser for å gjøre kransen elliptisk i tannhjulsvekselen på fig. 3,

fig. 6 viser en illustrasjon av virkemåten til tannhjulsvekselen i henhold til oppfinnelsen, som en endeprojeksjon når vekselen er i bevegelse,

fig. 7 viser fordelingen av tangensialspenninger i tannhjulsvekselens krans innenfor de doble harmoniske tannhjul, som en endeprojeksjon når tannhjulsvekselen er under belastning.

Fig. 1 og 2 viser den samlede konstruksjon av en tannhjulsveksel. Tannhjulsvekselen kan antas å omfatte doble harmoniske veksler eller tannhjul la og lb med en felles elastisk krans 2.

Kransen er forsynt med utvendige tenner 3a tilhørende tannhjulet la og som kan komme i inngrep med omkretstennene 4a, og innvendige tenner 5a og akseltenner 6a som kan komme i inngrep med disse. Tilsvarende omfatter tannhjulet lb tenner 3b som er dannet utvendig på kransen og omkretstenner 4b som kan komme i inngrep med disse, og innvendige tenner 5b og akseltenner 6b som kan komme til inngrep med disse. Kransen 2 er gjort elliptisk ved hjelp av en primærring 7 anordnet mellom tannhjul la og lb fra hvilken ring primærmomentet overføres til kransen via et lager 8. Kransen kan gjøres elliptisk ved hjelp av et lager 8 eller magneter anordnet i primærringen 7. Omkretstennene 4a og 4b på tannhjulene la og lb på den ene side og akseltennene 6a og 6b på den annen side er begge separat sammenbundet. Hvert av disse parene kan tjene som en sekundæraksel, mens det andre fortsatt mottar forskjellen mellom sekundær- og primærmomentet. I denne forbindelse vil imidlertid akselen som forbinder de innvendige tenner 6a og 6b konsistent bli betegnet som "sekundærakselen". I prinsippet blir moment-overf øringsevnen til tannhjulsvekselen fordoblet som følge av sammenkoblingen av tennene.

Fig. 3 og 4 viser en tannhjulsveksel hvortil en børsteløs

likestrømsmotor er festet som motor. Akseltennene 6a og 6b er i den forbindelse i ett stykke med en vanlig ikke-ferromagnetisk sekundæraksel 9 og omkretstennene 4a og 4b er i ett stykke med stasjonære endeflenser 10a og 10b. I tillegg til grunnkomponen-tene beskrevet ovenfor, omfatter konstruksjonen en hoveddel 11 av motorstatoren, en stator 12, en statorvikling 13 og en primærring 7 for tannhjulsvekselen som tjener som motorens rotor. Permanentmagneter 14 for motoren, permanentmagneter 15 for å gjøre kransen elliptisk og støtteringer 16 for disse er anordnet i primærringen. Det ikke-ferromagnetiske lager og luftspaltene 17 tillater bevegelse av rotoren i relasjon til kransen. Rotoren er montert i endeflensene ved hjelp av lågere 18a og 18b.

Fig. 5 viser magnetkretser i rotoren 7 og kransen 2 for å gi kransen en elliptisk form i tannhjulsvekselen på fig. 3.

Retningen av polene til permanentmagnetene 15 festet til rotoren 7 velges slik at den magnetiske fluks dreier seg aksialt og radialt via kransen, permanentmagnetene og rotoren. På denne måte fås en sterk magnetisk tiltrekning mot lageret 8 over den ønskede lengde av lagerets omkrets.. Ved hjelp av støtteringene 16 kan det sikres at magnetene 15 holdes fast og at spalten 17 opprettholdes uansett den magnetiske tiltrekning. Da den magnetiske fluks ikke trenger inn i kransen, induseres ingen større virvelstrømmer i kransen til tross for rota-sjonsbevegelsen mellom motoren og kransen. Virvelstrømmene kan reduseres ved å fremstille kransen i dette området av den magnetiske krets av et materiale med høy permeabilitet, en god metningsverdi og en høy spesifikk motstand. En måte til ytterligere å redusere induksjonsstrømmer er å fremstille kransen i området for magnetkretsen ved å vikle den av et tynt bånd på en slik måte at det dannes et tynt isolasjonsmateriallag mellom båndoverflåtene for å forhindre overføring av radiale in-duks j onsstrømmer. Hysteresetapet kan reduseres betydelig når bevegelsesretningene for de magnetiske flukser i kransen er de samme. På fig. 5 har topp- og bunnfluksene i den forbindelse motsatte rotasjonsretninger. Den elliptiske form kan også fås ved å justere retningen av fluksen i kransen slik at den er parallell med kransens omkrets. Ulemper forårsaket på grunn av dette, omfatter større hysteresetap.

Fig. 6 viser en redusert illustrasjon av en situasjon når tannhjulsvekselen er i bevegelse. Når rotoren 7 roterer over en vinkel a, ruller kransen 2 langs den ytre omkrets med radius R en avstand = a R. Den samme avstand a R av kransen ruller i den forbindelse over det krumme parti s. Et kortere stykke S2 = ci r ruller da bort fra det krumme parti s. Da lengden av det krumme parti s er konstant, må sekundærakselen med radius r dreie et stykke S3 = P r i en retning motsatt retningen av rotorens rotasjon. Tilfellet er vist ved ligningen:

s + S]_ - S2~S3 = s

som kan forenkles og løses som følger:

a(R-r) =~3r (positiv rotasjonsretning med urviseren)

Minustegnet i formelen for overføringsforholdet angir at sekundærakselen roterer i en retning motsatt rotasjonsretningen til primærakselen. I praksis har kransen en bestemt tykkelse og dens innvendige og utvendige overflate har forskjellig tanntall, mens tannstørrelsen er den samme. Overføringsforhol-det kan derfor beregnes ved hjelp av formeler som er vist i patentskriftet vedrørende det doble harmoniske veksel.

Fig. 7 viser de tangensielle strekk- og kompresjonsspenninger som frembringes i kransen 2 på grunn av lastmomentet som virker på sekundærakselen. Når sekundærakselen roterer i en retning motsatt rotasjonsretningen for primærakselen, hersker en kompresjonsspenning innenfor kurvelengden P]_ og P2 og en strekkspenning innenfor kurvelengden v^ og V2. Da tennene i et harmonisk tannhjul ikke er i kontakt med kransens toppunkter (selv om de er i inngrep), men med begynnelse fra et bestemt punkt etter tangensialpunktet, befinner nullspenningspunktene seg ved en avstand med gitte vinkler *Y]_ og T2 ^ra tangensial-punktene mellom kransen og sirkelomkretsene (toppunktene). Tangensielle strekk- og kompresjonsspenningstilstander frembragt i kransen på grunn av lasten er slik at de er tilbøyelig til å gjøre kransen enda mer elliptisk i området for de doble harmoniske tannhjul la og lb og å dreie kransellipsen mot dreiemomentet av primærakselen (til rotoren). Hvis kransellipsen på en side av denne grunn ble vridd i en bestemt vinkel, ville dette forårsake en bevegelse mellom de ytre og indre omkretser innenfor dette område på grunn av tannhjulsmekanismen. Da de ytre og indre omkretser er forbundet på begge sider av tannhjulsvekselen, ville den tilsvarende bevegelse mellom den ytre og den indre omkrets også finne sted på den annen side av tannhjulet. Dette ville ytterligere få kransellipsen til å vris på tilsvarende måte også på denne side av tannhjulsvekselen. På grunn av tannhjulsmekanismen, er vridningen av tannhjulsvekselen således symmetrisk på begge sider av vekselen. En slik deformasjon av kransellipsen i relasjon til den elliptiske form innenfor arealet for primærringen krever f.eks. skjær i materialet og ikke bare bøying av kransplaten, hvis knekking ikke kan finne sted. Vridningen krever torsjonsspenninger i kransen. Imidlertid kan disse forårsakes bare av primærmomentet, ikke av sekundærmomentet, slik at vridningene blir små. Kransen blir ikke frigjort fra den utvendige elliptiske form av primærringen, noe som skyldes det faktum at den ikke kan presses ut av form innenfor kompresjonsspenningsområdene p^ og P2 når kransen hviler tett mot bærelageret på grunn av permanentmagnetenes tiltreknings-kraft, og den kan heller ikke komme ut av form innad mot strekkspenningsområdene V]_ og V2- Videre kommer kransen ikke ut av inngrep med tennene på sekundærakselen, da kransen presses mot sekundærakselen på grunn av strekkspenningene som virker inn på områdene V]_ og V2- For å oppsummere det ovenstående kan det nevnes at tannhjulsvekselen er i stand til å operere stabilt med hensyn på belastninger og stivt med hensyn på fjæringer. For å skaffe en optimal momentoverføringsevne, bør kransens stivhet dimensjoneres under hensyntagen til alle spenningskomponenter som utøves på den. Dette angår optimering med kjente metoder og vil ikke behandles mer detaljert i denne forbindelse.

Tannhjulsvekselens krans kan også gis en elliptisk form ved hjelp av et ytre bærelager, slik at det ikke er nødvendig med noen separate trekkmagneter. Da bærelaget presser kransen mot tennene på sekundærakselen, blir kransen samtidig presset mot de utvendige omkretstenner i normalplanet. På grunn av de nødvendige lagerklaringer, er denne type tannhjulsveksel mer tilbøyelige til torsjonsklaringer enn når den elliptiske form fås ved magnetisme. Det er en fordel at ingen virvelstrømmer av den grunn induseres i kransen og de ferromagnetiske egenskaper behøves ikke å tas hensyn til ved valg av materialer for delene.

Kransen kan gjøres elliptisk og tilførselen av primærmoment i kransen kan også skaffes innvendig fra senteret av kransen på tilsvarende måte.

Om ønsket kan torsjonsklaringene i tannhjulsvekselen reduseres ved å dele tennene i den ytre omkrets og sekundærakselen i to deler i lengderetningen. Ved å dreie mottannpartiene i hver fortanning i kransen med hensyn til hverandre og ved å låse partiene sammen, fås en kontakt uten noen klaring mellom fortanningene.

Tannhjulsvekselen er ovenfor blitt beskrevet med kransen til de doble harmoniske tannhjul dannet av to neser. Tannhjulsvekselen kan også arbeide selv om antallet neser skulle være forskjellig fra det ovenstående, som doble harmoniske veksler generelt gjør det.

Tannhjulsmontasjon kan lett forsegles slik at den er smørings-sikker og inntrenging av utvendige forurensninger i tennene kan forhindres, selv om dette ikke er blitt vist i eksempelets figurer for å gjøre disse tydeligere.

Sekundærakselen til tannhjulsvekselen får en viss radiell støtte via kransen. Den radielle og aksiale belastningskapasi-tet for sekundærakselen kan videre forbedres ved utvendige lagre, videre kan kransen opplagres aksialt. Dette er heller ikke vist i eksempelets figurer for å gjøre disse tydeligere.

Tannhjulsvekselen kan også benyttes som en forskyvningsveksel, hvorved sekundærakselen virker som drivaksel.

Om ønsket kan en kulemutter eller kuleskrue eller lignende bevegelig element anordnes i forbindelse med sekundærakselen, hvorved det fås en sterk, nøyaktig og kompakt aksial kraftinnretning.

Tannhjulsveksler kan kobles i parallell, f.eks. på en drevet aksel, hvorved deres momentoverføringsevne med hensyn til akselen er summen av momentoverføringsevnen for de enkelte

veksler.

Tannhjulsveksler kan kobles i sekvens ved å koble hver av dem slik at sekundærakselen til en foregående veksel er koblet til primærkransen på den første. Overføringsforholdet for kombina-sjonene er i den forbindelse produkt av de enkelte over-føringsforhold.

Claims (4)

1. Tannhjulsveksel bestående av to doble, harmoniske veksler (la,lb) som hver henholdsvis har innadvendte omkretstenner (4a,4b) på et første tannhjul og utadvendte tenner (6a,6b) på et annet tannhjul samt en fjærkrans (2) mellom tennene, hvor fjærkransen (2) på sin ytre overflate er forsynt med tenner (3a,3b) i inngrep med de innadvendte omkretstenner (4a,4b) og på sin indre overflate tenner (5a,5b) i inngrep med de utadvendte omkretstenner (6a,6b), karakterisert ved at fjærkransen (2) er felles for de to harmoniske veksler (la,lb) og forbinder dem i parallell med hverandre slik at hver ende av fjærkransen (2) er forsynt med en av de harmoniske veksler (la,lb), og at en ring (7) er anordnet mellom tennene til de respektive harmoniske veksler og er forsynt med anordninger (8,15) for å gjøre fjærkransen (2) elliptisk og for å overføre et dreiemoment mellom ringen og fjærkransen.

2. Tannhjulsveksel i henhold til krav 1, karakterisert ved at anordningen (15) utgjøres av magneter hvorved den felles fjærkrans (2) er gjort elliptisk, idet magnetene (15) er anordnet i ringen (7) og retningen av deres poler er valgt på en slik måte at den magnetiske fluks dreier seg aksialt og radialt over et stykke av ringen via fjærkransen (2), magnetene (15) og ringen (7), og at et bærelager (8) er anordnet i ringen, idet bærelageret opprettholder en luftspalte mellom ringen og fjærkransen, slik at luftspalten tillater en relativ bevegelse mellom disse.

3. Tannhjulsveksel i henhold til krav 1, karakterisert ved at fjærkransen (2) er gjort elliptisk ved hjelp av et lager (8)..

4. Tannhjulsveksel i henhold til krav 1,2 eller 3, karakterisert ved at ringen (7) utgjør ett stykke med rotoren til en motor festet til tannhjulsvekselen.