具有单侧定位的指状辅助件的无齿轮变速器单元的制作方法

具有单侧定位的指状辅助件的无齿轮变速器单元
1.相关申请的交叉引证
2.本技术要求于2019年4月1日提交的美国临时申请序列第62/827,458号的权益，其全部内容通过引证结合于此。
3.本公开通过引证并入以下专利的全部内容，这些专利是标题均为“无齿轮减速器或增速器(gearless speed reducer or increaser)”的第8,033,953b2号美国专利(于2011年10月11日授权给j.pawloski)和第10,018,255b2号美国专利(于2018年7月10日授权给j.pawloski)。


背景技术：

4.在传统的用于降低或增加速度的设备中，输入轴与输出轴之间的连接是通过使用齿轮来实现的。一个轴上的内齿轮与另一个轴上的外齿轮协作以将动力从一个轴传递到另一个轴。如果这两个轴具有不同的半径，则一个轴的速度将不同于另一个轴的速度。
5.然而，这种装置的问题是很难通过精确机加工来生产在齿轮之间没有游隙的齿轮。该游隙导致设置有轴的机器的不准确性。在需要非常精确定位的操作的情况下，诸如在制作珠宝或操作电路板的情况下，传统的基于齿轮的减速器不是最佳的。


技术实现要素：

6.本公开描述了具有单侧定位的指状辅助件的无齿轮变速器单元，该指状辅助件在多个滚珠轴承的同一侧上建立接触点，这些滚珠轴承位于内滚道与外滚道之间的凹部中。首先，一个滚珠将接合指状辅助件，然后由于在轴、壳体和作为整体的变速器装置内的轻微的弯曲，两个滚珠都与指状辅助件接合，从而允许两个滚珠都适当地旋转。由于壳体区段是刚性安装的，并且即使在指状辅助件(或臂状构件)未就位的情况下滚珠也保持在凹部中，由于指状辅助件自本身不显著地移动，因而响应于滚珠由于其旋转方向而用力推挤臂状构件，指状辅助件“推压”滚珠。通过两个指状辅助件都在滚珠的同一侧上建立接触点，指状辅助件单侧地推压，例如，从多个滚珠的同一侧推压，就制造而言这允许存在较不严格的公差。即，多个滚道的接触直径的尺寸、它们的形状和轮廓以及输出轴的旋转中心线相对于输入轴的旋转中心线之间的角度的准确度都不需要像在现有设计中一样精确，这是因为尽管在凹部的有效构造中存在不太严格的尺寸公差，但是指状辅助件将滚珠推压到位于凹部内的适当位置中。与现有的双侧变速器装置相比，能够根据电机轴的旋转方向而在顺时针(cw)或逆时针(ccw)方向上操作的变速器装置显著地扩展了将变速器装置应用到更多用途的适用性，使得能够在更多的用途中提高能效。
7.根据本发明的一个方面，本公开涉及一种变速器装置。该变速器装置包括：输入轴；输出轴；外滚道，安装在输入轴和输出轴中的一个轴的一端上；内滚道，安装在输入轴和输出轴中的另一个轴的一端上；多个滚珠轴承；以及第一指状辅助件和第二指状辅助件。内滚道和外滚道布置成形成保持架。滚珠轴承设置在保持架内并且彼此间隔开。第一指状辅助件安装成至少将多个滚珠轴承中的第一滚珠轴承按压到位于保持架内的位置中。第二指
状辅助件安装成至少将多个滚珠轴承中的第二滚珠轴承按压到位于保持架内的位置中。第二指状辅助件设置成与第一指状辅助件对准(in registration)。
8.在一些方面中，第一指状辅助件和第二指状辅助件中的一者或两者可以包含金属材料。
9.在一些方面中，滚珠轴承可以被防止在内滚道和外滚道内滑动。
10.在一些方面中，输入轴可以以第一速度旋转，并且输出轴可以以第二速度旋转。输入轴的旋转可以使输出轴旋转。第一速度可以与第二速度不同。
11.在一些方面中，输入轴和输出轴可以能旋转地安装在壳体中。第一指状辅助件和第二指状辅助件可以固定地安装到壳体。
12.在一些方面中，输入轴可以限定第一侧部和第二侧部。第一指状辅助件和第二指状辅助件可以设置在输入轴的第一侧部上。第一指状辅助件可以包括第一突出臂状构件，该第一突出臂状构件在输入轴的第一侧部上与第一滚珠接触，并且第二指状辅助件可以包括第二突出臂状构件，该第二突出臂状构件在输入轴的第一侧部上与第二滚珠接触。
13.在一些方面中，内滚道可以设置在输入轴上，并且外滚道可以设置在输出轴上。
14.在一些方面中，外滚道可以设置在输入轴上，并且内滚道可以设置在输出轴上。
15.在一些方面中，变速器装置还可以包括电机，该电机连接到输入轴，并且该电机设置成使输入轴相对于输出轴旋转。
16.在一些方面中，第一指状辅助件和第二指状辅助件可以设置成彼此竖直地对准(in vertical registration)。
17.在一些方面中，内滚道和外滚道可以相对于彼此成角度地设置。
具体实施方式
18.美国专利第8,033,953号的全部公开内容通过引证结合于本文中，该专利提供了一种解决这些问题的无齿轮减速器或增速器。
19.美国专利第10,018,255号的全部公开内容通过引证结合于本文中，该专利提供了一种无齿轮减速器或增速器，该无齿轮减速器或增速器能够实现非常精确的公差并且可以用很少的部件来容易地制造。此外，美国专利第10,018,255号还公开了支撑在壳体中的轴以及安装在壳体中的指状辅助件，以便将多个滚珠按压到位于相对的侧部上的滚道内的位置中。指状辅助件是延伸到滚道中的刚性突出部并且将滚珠按压到适当的位置中。这允许该单元正常运作，即便如此，其不能达到精确的制造公差。
20.输入轴和输出轴被双向定位并且因此能够根据指状辅助件的安装位置在一个方向上(顺时针(cw)或逆时针(ccw))操作。
21.图1至图3示出了根据本公开的变速器装置或单元1，相对于本领域的无齿轮减速器或增速器，该变速器装置或单元进一步地提供了非显而易见却显著的优点。
22.变速器单元1包括输入轴10和输出轴11，该输入轴和输出轴可旋转地安装在壳体301中。壳体301形成有第一区段301a和第二区段301b，它们相对于彼此成角度设置以使输出轴11的旋转中心线“b”定位成相对于输入轴10的旋转中心线“a”成角α1，其中，输出轴11安装在第二区段310b中并且由第二区段支撑，输入轴安装在第一区段301a中并且由第一区段支撑。
23.因此，第一区段301a的内表面3031与第二区段301b的内表面3032以角α2接合，其中α1＝α2。内滚道15连接到位于第一区段301a的一侧上的输入轴10，该内滚道从内表面3031延伸。外滚道16从第二区段301b的内表面3032延伸。相对于内滚道15，外滚道16包围内部体积部以使得内滚道15接收在该内部体积部中，其中第一滚珠14’定位在内滚道15的上部区域上并且第二滚珠14”定位在内滚道15的下部区域上。第一滚珠14’定位在外滚道16的内部表面的上部区域和内滚道15的上部区域之间，而第二滚珠14”定位在外滚道16的内部表面的下部区域和内滚道15的下部区域之间，使得第一滚珠14’和第二滚珠14”起滚珠轴承的作用。
24.内滚道15和外滚道16同心地布置并且相对于彼此成角α2以形成分别用于第一滚珠14’和第二滚珠14”的保持架，其中至少两个滚珠14’和14”设置在保持架的凹部17’和17”内并且这些滚珠在直径上相对(例如，彼此间隔开180度)，使得滚珠14’和14”被捕获在位于内滚道15和外滚道16之间的相应的凹部17’和17”中，并且这些滚珠不能在内滚道15和外滚道16内滑动。滚珠14’和14”保持在凹部17’和17”中并且位于在直径上相对的位置中。
25.输入轴10通过电机20(见图4)的旋转使得内滚道15旋转。内滚道15的旋转使得滚珠14’和14”在不发生任何滑移的情况下旋转，这是因为这些滚珠被保持在形成在内滚道15和外滚道16之间的相应的凹部17’和17”内。进而，滚珠14’和14”的旋转然后使得外滚道16旋转，该外滚道联接到外轴11，并且因此使外轴11旋转。由于两个滚道的直径不同，外滚道16的旋转程度小于内滚道15的旋转程度。参考图4a，内滚道15的外接触直径d和外滚道16的内接触直径d之间的差距越大，减速程度或加速程度就越大。内接触直径d的尺寸和外接触直径d的尺寸分别基于内滚道15和外滚道16与滚珠14’和14”接触的位置。
26.第一指状辅助件321’具有基座构件323’和突出臂状构件325’，该基座构件和突出臂状构件彼此横置(例如，彼此正交)。基座构件323’位于壳体301的第一区段301a的内表面3031上，使得突出臂状构件325’从内表面3031突出并且接触第一滚珠14’。突出臂状构件325’定位在外滚道16的内部表面的上部区域与内滚道15的上部区域之间。
27.类似地，与第一指状辅助件321’竖直对准的第二指状辅助件321”具有基座构件323”和突出臂状构件325”，该基座构件和突出臂状构件彼此横置(例如，彼此正交)。基座构件323”定位在壳体301的第一区段301a的内表面3031上，使得突出臂状构件325”从内表面3031突出并且接触第二滚珠14”。突出臂状构件325”定位在外滚道16的内部表面的下部区域与内滚道15的下部区域之间。
28.突出臂状构件325’和325”定位成在彼此间隔开的位置处从壳体301的第一区段301a的内表面3031突出。电机输入轴10由轴承式支撑件(shaft bearing support)101支撑，该轴承式支撑件邻近壳体301的第一区段301a的内表面3031。轴承式支撑件101可操作地连接到内滚道15。轴承式支撑件101限定第一侧部1011和第二侧部1012。第一侧部1011定位成大体上面对与壳体301的第一区段301a的第一侧部301a1的方向相同的方向，如由箭头c1和d1示出的。第二侧部1012定位成大体上面对与壳体301的第一区段301a的第一侧部301a2的方向相同的方向，如由箭头c2和d2示出的。
29.根据本公开，指状辅助件321’的突出臂状构件325’和指状辅助件321”的突出臂状构件325”是单侧定位的，例如，分别位于滚珠14’和14”的同一侧上。滚珠14’和14”的所述同一侧为那些大体上与轴承式支撑件101的第一侧部1011以及与壳体301的第一区段301a的
第一侧部301a1一致的侧。
30.图4示出了变速器装置1的俯视图，但是为了简化省略了包括第一区段301a和第二区段301b的壳体301。变速器装置1包括：输入轴10，连接到内滚道15；以及输出轴11，连接到外滚道16。在这两个滚道15、16之间具有第一滚珠14’和第二滚珠14”(在图4中以虚线示出)。电机20连接到输入轴10。参考图1关于角α1和α2的描述，内滚道15设置成与外滚道16成角度地偏置，使得滚珠14’和14”无游隙地保持在位于滚道圈15与16之间的凹部17’和17”中。如沿图2中的截面线4a
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4a截取的截面图4a所示，通过用于第一滚珠14’的第一指状辅助件321’的突出臂状构件325’并且通过第二指状辅助件321”的突出臂状构件325”来提供额外的保持力。
31.因此，单侧定位的指状辅助件321’的突出臂状构件325’和指状辅助件321”的突出臂状构件325”允许变速器装置1根据电机轴10的旋转方向在顺时针cw或逆时针ccw方向上操作。在cw方向和ccw方向二者上，输出轴11相对于输入轴10的减速都是相同的。
32.图5是类似于图2的侧视图或正视图，并且该图示出了滚珠14’和14”分别在接触点140’和140”处与突出臂状构件325’和325”相接触。滚珠14’与内滚道15和外滚道16接触地旋转，使得滚珠14’的旋转轴线x1相对于电机轴10的中心轴线a
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a成锐角β1。线x10是平行于也是假想线的旋转轴线x1的假想线，并且这两条线都旨在示出在滚道15和16的初始操作期间的锐角β1。
33.反之，在滚道15和16的初始操作期间，滚珠14”与内滚道15和外滚道16接触地旋转，使得该滚珠的旋转轴线x2相对于电机轴10的中心轴线a
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a成钝角β2。类似地，线x20是平行于也是假想线的旋转轴线x2的假想线，并且这两条线都旨在示出在滚道15和16的初始操作期间的钝角β2。
34.图6是类似于图5的另一个侧视图或正视图，该图还示出了在图5中所示的初始操作之后，滚珠14’和14”分别在接触点140’和140”处与突出臂状构件325’和325”接触。滚珠14’示出为与内滚道15和外滚道16接触地旋转，使得该滚珠的旋转轴线x1相对于电机轴10的中心轴线a
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a成锐角β1。线x10还是平行于也是假想线的旋转轴线x1的假想线，并且这两条线都旨在示出在滚道15和16的初始操作期间的锐角β1。
35.然而，与图5相反，滚珠14’和14”两者都继续操作和旋转，滚珠14”与内滚道15和外滚道16接触地旋转，使得滚珠14”的旋转轴线x2相对于电机轴10的中心轴线a
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a成锐角β2，其中锐角β1等于锐角β2。此外，线x20是平行于也是假想线的旋转轴线x2的假想线，并且这两条线都旨在示出在滚道15和16的继续操作期间的锐角β2。
36.当突出臂状构件325’和325”从相同的方向推压滚珠14’和14”时，滚珠14’和14”两者都分别被推压到凹部17’和17”中，如上所述，该凹部是内滚道15的外表面与外滚道16的内表面之间的空间。
37.首先，一个滚珠将接合指状辅助件，然后由于轻微的弯曲(flexing)(轴10、11内；壳体301内；作为整体的变速器装置1内)，滚珠14’和14”两者都分别与指状辅助件321’和321”接合，从而允许滚珠14’和14”两者都适当地旋转。由于壳体区段301a和301b是刚性安装的，并且即使在指状辅助件321’和321”(臂状构件325’和325”)未就位的情况下滚珠14’和14”也是保持在凹部17’和17”中的，所以，由于指状辅助件321’和321’自身不显著地移动，因而响应于滚珠14’和14”由于其旋转方向而用力推挤臂状构件325’和325”，指状辅助
件321’和321”推压滚珠14’和14”。通过指状辅助件321’和321”两者都在滚珠14’和14”的同一侧上建立接触点140’和140”，指状辅助件321’和321”单侧地推压，例如，从滚珠14’和14”的同一侧推压，这允许存在较不严格的制造公差。即，滚道15和16的接触直径d和d的尺寸、它们的形状和轮廓以及输出轴11的旋转中心线相对于输入轴10的旋转中心线之间的角α1的准确度都不需要像在现有设计中一样精确，这是因为尽管凹部17’和17”的有效构造中存在不太严格的尺寸公差，但是指状辅助件321’和321”将滚珠14’和14”推压到位于凹部17’和17”内的适当位置中。
38.与现有的双侧变速器装置相比，能够根据电机轴10的旋转方向而在cw或ccw方向上操作的变速器装置1显著地扩展了将变速器装置1应用到更多用途的适用性，能够在更多的用途中提高能量效率。
39.虽然已经在附图中示出了本公开的若干实施例或方面，但本公开并不旨在将公开内容局限于此，本公开旨在使公开内容在范围方面与本领域将允许的一样宽，并且同样地旨在与阅读说明书所得到的范围一样宽。以上实施例或方面的任何组合也是可预见的并且在所附权利要求书的范围内。因此，以上描述不应被解释为是限制性的，而仅被解释为特定实施例或方面的示例。本领域技术人员将预见到在所附权利要求的范围内的其他修改。