МЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД С ВИРТУАЛЬНЫМ ЭЛЛИПСОМ
MECHANICAL DRIVE WITH VIRTUAL ELLIPSE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение относится к приводам с качающейся шайбой. В частности, раскрытые варианты реализации относятся к системам и способам увеличения крутящего момента с помощью системы зубчатых колес с эллиптическим сопряжением.
Введение
[002] Два или более зубчатых колес могут быть использованы для создания механического преимущества, выражаемого через передаточное отношение. Существует много способов размещения зубчатых колес таким образом, что один оборот первого зубчатого колеса приведет к тому, что второе зубчатое колесо выполнит больше или меньше, чем один оборот за то же время. В некоторых случаях применения желательно иметь двигатель с очень высоким передаточным отношением, понижающая передача которого реализована в минимально возможном объеме.
[003] С момента своего возникновения механизмы привода с качающейся шайбой представлялись многообещающим решением на пути создания привода, имеющего высокое передаточное отношение в небольшом объеме. Однако на практике получить эффективные и действенные системы привода с качающейся шайбой оказалось весьма затруднительным, поскольку задействованные при этом силы часто приводят к выходу механизма из зацепления, неприемлемым уровням вибрации или низкому коэффициенту полезного действия вследствие трения.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[004] Раскрыт механический привод с виртуальным эллипсом, включающий в себя входной двигатель, качающуюся шайбу, статорное зубчатое колесо и выходную шайбу. Входной двигатель может иметь ось вращения, по существу с плоскую поверхность, перпендикулярную оси вращения, и закругленный выступ, проходящий от плоской поверхности.
[005] Качающаяся шайба может иметь ось качания и первую по существу плоскую поверхность, перпендикулярную оси качания и обращенную в целом к входному двигателю. Вторая поверхность в плоскости, параллельной первой поверхности качающейся шайбы, может быть обращена в целом от двигателя и включать в себя множество лицевых зубьев и множество зубьев качания. Качающаяся шайба может быть расположена таким образом, что ось качания расположена под ненулевым углом относительно оси вращения двигателя.
[006] Статорное зубчатое колесо может иметь ось статора и множество статорных зубьев, выполненных с возможностью зацепления с зубьями качания. Выходная шайба может иметь выходную ось и множество выходных зубьев, выполненных с возможностью зацепления с лицевыми зубьями. Статорное зубчатое колесо может быть расположено таким образом, что ось статора выровнена с осью вращения, и аналогично выходная шайба может быть расположена таким образом, что выходная ось выровнена с осью вращения.
[007] Закругленный выступ входного двигателя может контактировать с указанной по существу плоской поверхностью качающейся шайбы в точке контакта и взаимодействовать с качающейся шайбой. Входной двигатель может вращать выступ вокруг оси статора с вызовом нутации качающейся шайбы вокруг статора, при этом ось качания прецессирует вокруг оси статора. Также может быть вызвано перемещение точки контакта вперед относительно точки наибольшего сближения между качающейся шайбой и статорным зубчатым колесом по мере того, как точка наибольшего сближения перемещается вокруг оси статора.
[008] Указанное множество зубьев качания может быть выполнено с возможностью зацепления с указанным множеством статорных зубьев, а указанное множество лицевых зубьев может быть выполнено с возможностью зацепления с указанным множеством выходных зубьев, когда качающаяся шайба совершает нутацию вокруг статорного зубчатого колеса.
[009] Способ работы механического привода с виртуальным эллипсом может включать подачу энергии на двигатель для вращения вокруг оси вращения и ввод закругленного выступа во взаимодействие с указанной по существу плоской поверхностью качающейся шайбы с вызовом нутации качающейся шайбы. Способ также может включать зацепление указанного множества зубьев качания с указанным множеством статорных зубьев, когда качающаяся шайба совершает нутацию, с вызовом вращения качающейся шайбы. Способ может включать зацепление указанного множества лицевых зубьев с указанным множеством выходных зубьев, когда качающаяся шайба вращается и совершает нутацию, с вызовом вращения выходной шайбы.
[0010] Настоящее изобретение обеспечивает различные устройства и способы их использования. В некоторых вариантах реализации механический привод с виртуальным эллипсом может включать в себя двигатель, качающуюся шайбу, статорное зубчатое колесо и выходную шайбу. В некоторых вариантах реализации двигатель может включать в себя два закрытых подшипника, разнесенных с углом менее 90 градусов. В некоторых вариантах реализации качающаяся шайба, статорное зубчатое колесо и выходная шайба может включать в себя группу зубьев, имеющих форму, рассчитанную на ограничение внецентренных сил.
[0011] Особенности, функции и преимущества могут быть реализованы независимо в различных вариантах реализации раскрытия настоящего изобретения, или могут быть объединены в других вариантах реализации, подробные сведения о которых можно получить со ссылкой на последующее описание и чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] На ФИГ. 1 представлен покомпонентный вид спереди в изометрии приведенного в качестве примера привода с качающейся шайбой согласно аспектам раскрытия настоящего изобретения.
[0013] На ФИГ. 2 представлен покомпонентный вид сзади в изометрии привода с качающейся шайбой по ФИГ. 1.
[0014] На ФИГ. 3 представлен вид в изометрии качающейся шайбы привода с качающейся шайбой по ФИГ. 1.
[0015] На ФИГ. 4 представлено сечение привода с качающейся шайбой по ФИГ. 1, выполненное в плоскости, параллельной оси вращения привода.
[0016] На ФИГ. 5 представлено еще одно сечение привода с качающейся шайбой по ФИГ. 1, выполненное в плоскости, повернутой на 45 градусов относительно плоскости по ФИГ. 4.
[0017] На ФИГ. 6 представлена структурная схема, изображающая приведенные в качестве примера способы использования привода с качающейся шайбой, согласно аспектам раскрытия настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обзор
[0018] Ниже описаны и проиллюстрированы на сопроводительных фигурах чертежей различные варианты реализации механического привода с виртуальным эллипсом, имеющего двигатель, качающуюся шайбу, статорное зубчатое колесо и выходную шайбу. Если не оговорено иное, механический привод с виртуальным эллипсом и/или его различные компоненты могут, но не обязательно, содержать по меньшей мере одно из конструкции, компонентов, функциональности и/или их описанные варианты, проиллюстрированные и/или включенные в настоящий документ. Кроме того, указанные конструкции, компоненты, функциональности и/или их описанные варианты, проиллюстрированные и/или включенные в настоящий документ в связи с идеями настоящего изобретения, могут, но не обязательно, быть включены в другие эллиптические приводы. Последующее описание различных вариантов реализации является лишь примерным и ни в коей мере не ограничивает раскрытие изобретения, его применение или варианты использования. Кроме того, преимущества, обеспечиваемые вариантами реализации, как описано ниже, являются иллюстративными по своей сути, и не все варианты реализации обеспечивают одинаковые преимущества или одинаковый уровень преимуществ.
[0019] Привод с виртуальным эллипсом может включать в себя механизм качающейся шайбы. В механизме качающейся шайбы одно из зубчатых колес, например качающаяся шайба, совершает нутацию вокруг другого зубчатого колеса, например статорного зубчатого колеса. При использовании в настоящем документе термины "выполнять нутацию" или "нутация" означают качание, кручение или круговое качательное движение. Если число зубьев зацепления на качающейся шайбе и статорном зубчатом колесе отличается на один, такая система будет иметь передаточное отношение, равное числу зубьев на статорном зубчатом колесе. Механизм качающейся шайбы, использующий только два зубчатых колеса, может обеспечивать получение относительно высокого передаточного отношения в небольшом объеме.
[0020] На ФИГ. 1 и 2 под различными углами показан вариант реализации механического привода с виртуальным эллипсом, в целом обозначенного 10. Привод 10 может включать в себя входной двигатель 12, качающуюся шайбу 14, статорное зубчатое колесо 16 и выходную шайбу 18. Двигатель 12 может задавать ось 20 вращения, вокруг которой могут быть центрированы статорное зубчатое колесо 16 и выходная шайба 18. Качающаяся шайба 14 может быть расположена под ненулевым углом относительно оси вращения.
[0021] Качающаяся шайба 14 может иметь заднюю по существу плоскую поверхность 24 и переднюю поверхность 26 с множеством лицевых зубьев 28 и множеством зубьев 30 качания. Лицевые зубья 28 могут быть расположены на передней поверхности 26, а зубья 30 качания могут быть расположены по периметру качающейся шайбы между поверхностями 24 и 26 в плоскости, перпендикулярной оси качания.
[0022] Когда привод 10 находится в собранном состоянии, двигатель 12 может взаимодействовать с задней поверхностью 24 качающейся шайбы 14 с вызовом нутации качающейся шайбы вокруг статора 16. Статор, который также может быть назван статорным зубчатым колесом, может включать в себя множество зубьев 32 статора, выполненных с возможностью зацепления с зубьями 30 качания и вызова вращения качающейся шайбы. Выходная шайба 18 может включать в себя множество выходных зубьев 34, выполненных с возможностью зацепления с лицевыми зубьями 28, и качающаяся шайба может, таким образом, также вызывать вращение выходной шайбы. Таким образом двигатель 12 может вращать выходную шайбу 18 с крутящим моментом, определенным первым передаточным отношением между качающейся шайбой 14 и статором 16 и вторым передаточным отношением между качающейся шайбой 14 и выходной шайбой 18.
[0023] В варианте реализации, изображенном на ФИГ. 1 и 2, входной двигатель 12 является электродвигателем по существу с плоской поверхностью 36, перпендикулярной оси 20 вращения, и включающим в себя первый закрытый подшипник 38 и второй закрытый подшипник 40, соединенные с указанной плоской поверхностью. Подшипники 38, 40 лучше всего показаны на ФИГ. 1. Первый подшипник может быть расположен на расстоянии от второго подшипника под углом 89 градусов, измеряемым относительно оси вращения 20. Подшипники могут быть соединены с плоской поверхностью 36 вблизи радиальной кромки указанной поверхности.
[0024] Подшипники 38, 40 могут проходить от плоской поверхности 36 таким образом, что когда привод 10 находится в собранном состоянии подшипник 38 или подшипник 40 находится в контакте с задней поверхностью 24 качающейся шайбы. Этот контакт может происходить в точке, расположенной под углом 45 градусов, измеряемым относительно оси вращения, относительно точки наибольшего сближения между двигателем и качающейся шайбой. Подшипники могут быть выполнены с возможностью вступления в контакт качения с задней поверхностью 24 качающейся шайбы 14 и, таким образом, с качающейся шайбой для вызова нутации.
[0025] Еще в одном варианте реализации, не изображенном на чертеже, на плоской поверхности 36 двигателя 12 может быть выполнен один закругленный выступ (а не два выступа). Закругленный выступ может вступать в контакт с качающейся шайбой 14 в точке, расположенной на расстоянии от точки 44 под углом 45 градусов, измеряемым относительно оси вращения. Другие варианты реализации могут включать в себя два выступа, проходящие друг от друга под углом от 80 до 100 градусов, но не обязательно точно 89 градусов. Еще одни варианты реализации могут включать в себя три или более выступов, проходящих от плоской поверхности 36.
[0026] Независимо от количества закругленных выступов смазка может быть расположена между двигателем 12 и качающейся шайбой 14 для уменьшения трения между закругленными выступами и задней поверхностью 24 качающейся шайбы. Кроме того, закругленные выступы могут иметь любую форму или включать в себя любой механизм, обеспечивающий в целом низкое зацепление трения качения выступа (выступов) с качающейся шайбой 14.
[0027] Как показано на ФИГ. 3, качающаяся шайба 14 может иметь форму, схожую с диском, с задней поверхностью 24, передней поверхностью 26 и центральной осью или осью 22 качания. Качающаяся шайба 14 может быть выровнена таким образом, что ось 22 качания образует ненулевой угол с осью вращения 20. Задняя поверхность 24 может быть перпендикулярна оси качания, в то время как передняя поверхность 26 задает плоскость, параллельную задней поверхности. Как показано на ФИГ. 1-2, задняя поверхность 24 обращена в целом к входному двигателю 12, а передняя поверхность 26 обращена в целом от двигателя.
[0028] Как показано на ФИГ. 3, указанное множество зубьев 30 качания могут быть расположены по периметру качающейся шайбы 14 между задней поверхностью 24 и передней поверхностью 26 и в плоскости, перпендикулярной оси 22 качания. Зубья качания могут проходить от внешней цилиндрической поверхности 58 качающейся шайбы в радиальном направлении от оси качания. Зубья качания также могут проходить от основания 60 зуба качания в осевом направлении вдоль оси качания. Основание зуба качания может представлять собой приблизительно кольцевой элемент, соединенный или выполненный за одно целое с качающейся шайбой. Указанное множество зубьев качания могут проходить как от цилиндрической поверхности 58, так и основания 60 зуба качания. Соединение зубьев качания с одним или тем и другим из цилиндрической поверхности или основанием зуба качания может обеспечивать физическую поддержку или определенную степень жесткости для указанного множества зубьев качания. Может быть выбрано любое подходящее количество зубьев 30 качания.
[0029] Каждый зуб 30 качания может включать в себя первую поверхность зацепления, а на противоположной стороне зуба может быть вторая поверхность зацепления. Каждая поверхность может быть плоской, образована более чем одной плоскостью или образована одной или более поверхностями, имеющими кривизну. Одна или обе поверхности зацепления зуба 30 качания может быть задана или могут быть заданы составной эвольвентой окружности и эллипса, как будет раскрыто более подробно ниже. В альтернативном варианте реализации кривая может представлять собой проекцию виртуального эллипса на участок зуба для всех углов между 0 и 2π радиан.
[0030] Кроме того, каждый зуб 30 качания может включать в себя часть зацепления и опорное основание. Часть зацепления может включать в себя первую поверхность зацепления и вторую поверхность зацепления. Опорное основание может соединять часть зацепления с основанием 60 зуба качания.
[0031] Для каждого зуба указанного множества зубьев 30 качания одна или обе из первой поверхности зацепления и второй поверхности зацепления может быть задана или могут быть заданы составной эвольвентой окружности и эллипса. Иными словами, кривая второй поверхности зацепления может быть задана первым уравнением:
D
y=C(tan(ϕ)-ϕ)
где
С является постоянной, которая может быть пропорциональна радиусу качающейся шайбы,
ϕ может принимать значения от 0 до  радиан, и
D может быть положительной постоянной меньше 1. D может иметь значение приблизительно 0,65, хотя также возможны другие значения. Первое уравнение может быть нормировано на единицу.
[0032] В альтернативном варианте реализации кривая второй поверхности зацепления может быть задана вторым уравнением:
D
y=C(sin(ϕ)-ϕcos(ϕ))
где
С является постоянной, которая может быть пропорциональна радиусу качающейся шайбы,
ϕ может принимать значения от 0 до  радиан, и
D может быть положительной постоянной меньше 1. D может иметь значение приблизительно 0,65, хотя также возможны другие значения.
[0033] Второе уравнение может быть нормировано относительно радиуса качающейся шайбы. Кривая второй поверхности зацепления может представлять собой проекцию виртуального эллипса на участок зуба для всех углов между 0 и 2π радиан. Кривая первой поверхности зацепления может быть зеркальным отображением кривой второй поверхности зацепления, отраженной в плоскости через вершину зуба и содержащей ось вращения. Также первая поверхность зацепления и вторая поверхность зацепления могут быть выполнены плавно встречающимися в вершине каждого зуба. Таким образом, форма поперечного сечения зуба может быть задана составной эвольвентой окружности и эллипса.
[0034] Как показано на ФИГ. 3, передняя поверхность 26 качающейся шайбы 14 может включать в себя кольцевую поверхность 64 качания, которая в изображенном варианте реализации представляет собой поверхность усеченного конуса. Иными словами, кольцевая поверхность 64 качания может быть выполнена под углом относительно плоскости, перпендикулярной оси 22 качания, так что каждая точка на кольцевой поверхности качания включает в себя линию усеченного конуса, которая может быть продолжена до вершины усеченного конуса, расположенной на оси качания. Вершина усеченного конуса кольцевой поверхности 64 качания может совпадать с центром масс качающейся шайбы 14. В других вариантах реализации поверхность качания может иметь другую форму.
[0035] Множество или группа лицевых зубьев 28 расположена на кольцевой поверхности 64 качания. Любое подходящее количество лицевых зубьев 28 может быть выбрано, и количество лицевых зубьев может быть больше, меньше или равно количеству выходных зубьев 34. В изображенном варианте реализации используется равное количество лицевых зубьев 28 и выходных зубьев 34. Каждый лицевой зуб может включать в себя две приводные поверхности, которые могут быть плоскими, могут быть образованы более чем одной плоскостью или могут быть образованы одной или более поверхностями, имеющими кривизну.
[0036] Как показано на ФИГ. 1-2, статорное зубчатое колесо 16 может иметь основание 48, и указанное основание может включать в себя внутреннюю цилиндрическую поверхность 50 и основание 52 статорного зуба. Основание 48 может включать в себя точки крепления, выполненные с возможностью оперативного присоединения статора 16 к остальной части какого-либо устройства, используемого в приводе 10. Статор 16 может быть неподвижным в рамках этого устройства. Статорное зубчатое колесо может задавать ось 54 статора, которая по существу выровнена с осью 20 вращения и, таким образом, также с выходной осью.
[0037] Статор 16 может иметь внутренний объем 56, который может быть частично задан внутренней цилиндрической поверхностью 50. Внутренний объем 56 может обеспечивать возможность размещения в нем части или всей качающейся шайбы 14, как более подробно описано ниже.
[0038] Статорные зубья 32 могут быть расположены на одном или том и другом из внутренней цилиндрической поверхности 50 и основания 52 статорного зуба. Статорные зубья могут проходить от внутренней цилиндрической поверхности во внутренний объем 56 в радиальном направлении к оси вращения. Статорные зубья могут проходить от основания 52 статорного зуба в осевом направлении вдоль оси вращения. Любое подходящее количество статорных зубьев может быть выбрано в зависимости от применения и необходимого передаточного отношения. Количество статорных зубьев может быть больше, меньше или равно количеству зубьев 30 качания.
[0039] Каждый зуб указанного множества статорных зубьев может иметь ближний конец и дальний конец относительно оси 20 вращения. Дальний конец статорного зуба может быть соединен с внутренней цилиндрической поверхностью 50. Каждый зуб может также включать в себя первую поверхность зацепления, а на противоположной стороне зуба может быть вторая поверхность зацепления. Каждая поверхность зацепления может быть плоской, образована более чем одной плоскостью или образована одной или более поверхностями, имеющими кривизну.
[0040] Одна или обе поверхности зацепления статорного зуба 32 может быть задана или могут быть заданы составной эвольвентой окружности и эллипса, как описано ранее. В альтернативном варианте реализации кривая может представлять собой проекцию виртуального эллипса на участок зуба для всех углов между 0 и 2π радиан.
[0041] Каждый зуб указанного множества статорных зубьев 32 может включать в себя часть зацепления и опорное основание. Часть зацепления может включать в себя первую поверхность зацепления и вторую поверхность зацепления. Опорное основание может соединять часть зацепления с основанием 52 статорного зуба.
[0042] Как показано на ФИГ. 1-2, выходная шайба 18 может содержать множество выходных зубьев 34, расположенных на выходной кольцевой поверхности 62. Выходная шайба 18 также имеет выходную ось, по существу выровненную с осью 20 вращения.
[0043] Как лучше всего показано на ФИГ. 2, выходная поверхность 62 представляет собой усеченный конус. Иными словами, выходная кольцевая поверхность 62 выполнена под углом относительно плоскости, перпендикулярной оси 20 вращения, так что каждая точка на выходной кольцевой поверхности включает в себя линию усеченного конуса, которая может быть продолжена до вершины усеченного конуса, расположенной на оси вращения и спереди выходной шайбы 18. Когда вышеперечисленные элементы собраны в приводе 10, вершина усеченного конуса выходной кольцевой поверхности 62 может совпадать с центром масс качающейся шайбы 14. В других вариантах реализации выходная поверхность может иметь отличающиеся формы, такие как цилиндрическая форма или форма усеченного конуса с отличающейся вершиной.
[0044] Может быть выбрано любое подходящее количество выходных зубьев 34, и количество выходных зубьев может быть больше, меньше или равно количеству лицевых зубьев 28. В изображенном варианте реализации используется равное количество выходных зубьев 34 и лицевых зубьев 28. Каждый выходной зуб может включать в себя две ведомые поверхности, и каждая ведомая поверхность может быть плоской, образована более чем одной плоскостью или может быть образована одной или более поверхностями, имеющими кривизну.
[0045] На ФИГ. 4-5 приведены сечения привода 10, показывающие двигатель 12, качающуюся шайбу 14, статорное зубчатое колесо 16 и выходную шайбу 18 в собранной конфигурации. Двигатель и выходная шайба могут быть выровнены вдоль оси 54 статора. Иными словами, ось вращения, выходная ось и ось статора могут быть по существу выровнены друг с другом. Качающаяся шайба и ось 22 качания могут быть расположены под любым необходимым и подходящим ненулевым углом относительно оси статора. Когда качающаяся шайба 14 совершает нутацию вокруг статора 16 и выходной шайбы 18, центр масс качающейся шайбы может быть по существу неподвижным.
[0046] На ФИГ. 5 представлено сечение в плоскости, повернутой на 45 градусов от плоскости сечения по ФИГ. 4, вокруг оси 54 статора, при этом угол на каждом чертеже показан больше настоящего, чтобы яснее передать взаимосвязи между компонентами.
[0047] Качающаяся шайба 14 выполнена с возможностью зацепления со статорным зубчатым колесом 16. В частности, зубья 30 качания выполнены с возможностью зацепления со статорными зубьями 32. В случае, когда двигатель 12 вращается в первом направлении вращения, первая поверхность зацепления зуба качания может быть зацеплена с первой поверхностью зацепления статорного зуба. Иными словами, может существовать контактное усилие, оказываемое на качающуюся шайбу статорным зубчатым колесом вследствие взаимодействия между первыми поверхностями зацепления указанного множества статорных зубьев и первыми поверхностями зацепления первого множества зубьев качания. Эти контактные усилия могут вызывать вращение качающейся шайбы в первом направлении вращения и нутацию в первом направлении нутации.
[0048] В целом, статорное зубчатое колесо имеет и статорных зубьев, а качающаяся шайба имеет m зубьев качания, где n и m являются целыми числами, которые отличаются на один или более, но обычно на один. Когда качающаяся шайба совершает нутацию вокруг статорного зубчатого колеса, каждый зуб в указанном множестве зубьев качания может быть зацеплен с одним зубом в указанном множестве статорных зубьев во время единичной нутации. Поскольку статорных зубьев может быть на один больше, чем зубьев качания, качающаяся шайба может совершить небольшой поворот во время единичной нутации.
[0049] В частности, качающаяся шайба может совершить поворот на 1/m от полного оборота во время единичной нутации качающейся шайбы. Иными словами, если качающаяся шайба повернута на 1/m от полного оборота, возможно вследствие взаимодействия с двигателем, качающаяся шайба может совершить одну полную нутацию. Таким образом, качающаяся шайба и статорное зубчатое колесо могут взаимодействовать согласно передаточному отношению m:1. Для каждых m нутаций качающейся шайбы, качающаяся шайба может совершить точно один поворот. Таким образом, передаточное отношение раскрытых систем может быть определено количеством зубьев m и n качающейся шайбы и статорного зубчатого колеса, соответственно.
[0050] Качающаяся шайба и статорное зубчатое колесо могут быть выполнены таким образом, что любые контактные усилия, развиваемые между ними, будут проходить в направлениях, касательных к окружностям, которые лежат в плоскостях, перпендикулярных оси вращения. Контактные усилия, могут проходить в направлении, которое по существу перпендикулярно оси 22 качания и радиальной линии, проходящей от точки контакта между зубом 30 качания и статорным зубом 32 к оси 22 качания.
[0051] Качающаяся шайба 14 и статорное зубчатое колесо 16 могут иметь по существу круглую форму, при этом проекция качающейся шайбы на статор имеет эллиптическую форму вследствие их отличающихся ориентации. Контур множества зубьев 30 качания и статорных зубьев 32 может быть получен проецированием этого виртуального эллипса на участок зуба. Эллиптическое проецирование качающейся шайбы 14 на статор 16 таким образом может быть ограничено неэксцентричным вращением. Эксцентричное перемещение при его допущении может вызывать большие неуравновешенные силы, приводящие к недопустимым рабочим характеристикам системы.
[0052] Качающаяся шайба 14 также выполнена с возможностью зацепления с выходной шайбой 18 посредством зацепления лицевых зубьев 28 и выходных зубьев 34. Когда качающаяся шайба вращается в первом направлении вращения, первая приводная поверхность зуба качания может быть зацеплена с первой ведомой поверхностью выходного зуба. Иными словами, может существовать контактное усилие, оказываемое на выходную шайбу качающейся шайбой вследствие взаимодействия между первыми приводными поверхностями указанного множества лицевых зубьев и первыми ведомыми поверхностями указанного множества выходных зубьев. Эти контактные усилия могут вызывать вращение выходной шайбы в первом направлении вращения. Когда качающаяся шайба вращается во втором направлении вращения, контактные усилия между вторыми приводными поверхностями зубьев качания и вторыми ведомыми поверхностями выходных зубьев могут вызывать вращение выходной шайбы во втором направлении вращения.
[0053] В приведенном в качестве примера варианте реализации привода 10, выходная шайба и качающаяся шайба имеют одно и то же количество зубьев, т.е. количество выходных зубьев равно количеству лицевых зубьев. Соответственно, в изображенном варианте реализации выходная шайба и качающаяся шайба взаимодействуют и вращаются согласно передаточному отношению 1:1. Иными словами, на каждый один полный оборот качающейся шайбы, выходная шайба также совершает точно один полный оборот. Может быть выбрано другое количество выходных и лицевых зубьев, которое приведет к другим значениям выходного передаточного отношения.
[0054] Качающаяся шайба 14 и выходная шайба 18 могут быть выполнены таким образом, что любые контактные усилия, развиваемые между ними, будут проходить в направлениях, касательных к окружностям, которые лежат в плоскостях, перпендикулярных оси вращения. Например, контактное усилие может проходить в направлении, которое по существу перпендикулярно оси 22 качания и радиальной линии, проходящей от точки контакта между лицевым зубом 28 и выходным зубом 34 к оси 22 качания.
[0055] Посредством выполнения качающейся шайбы и выходной шайбы так, что контактные усилия между ними проходят в таких направлениях, можно избежать появления внецентренно приложенных сил. Внецентренно приложенные силы могут вызывать отцепление указанного множества лицевых зубьев от указанного множества выходных зубьев или могут вызывать колебание центра масс качающейся шайбы, вводя в результате этого нежелательные вибрации в приводную систему.
[0056] Качающаяся шайба 14 может иметь положение 42 или точку 0-градусов, которое или которая может быть положением или точкой на качающейся шайбе, находящимся или находящейся дальше всего от выходной шайбы 18, при измерении в направлении, параллельном оси 20 вращения. В положении 0-градусов, показанном на ФИГ. 4, качающаяся шайба 14 может находиться ближе всего к двигателю 12. Качающаяся шайба 14 может иметь положение или точку 90-градусов, которое или которая может находиться на четверти пути перемещения вокруг качающейся шайбы из положения 0-градусов в первом направлении нутации. Например, как лучше всего видно от точки выше качающейся шайбы возле выходной шайбы, положение 90-градусов может находиться на девяносто градусов вокруг периметра качающейся шайбы в направлении против часовой стрелки. Далее вокруг периметра качающейся шайбы положение 44 или точка 180-градусов может находиться на противоположной стороне качающейся шайбы относительно положения 42 0-градусов. Положение 180-градусов может обозначать максимальное приближение качающейся шайбы к выходной шайбе и статорному зубчатому колесу и точку максимального расстояния от двигателя. Положение или точка 270-градусов может находиться на противоположной стороне качающейся шайбы относительно положения 90-градусов.
[0057] Двигатель 12 может быть расположен таким образом, что точка 42 0-градусов находится в контакте с плоской поверхностью 36 двигателя между подшипниками 38, 40 в данный момент времени, как показано на ФИГ. 4. В один и тот же момент времени только один из подшипников 38, 40 может находиться в контакте с задней поверхностью 24 качающейся шайбы 14 в точке 46, как показано на ФИГ. 5. Двигатель может быть выполнен с возможностью вращения подшипников вокруг оси 54 статора и вызова, таким образом, нутации качающейся шайбы 14 вокруг статорного зубчатого колеса 16, при этом ось 22 качания прецессирует вокруг оси статора. В результате этого точка контакта 46 между подшипником и качающейся шайбой 14 может перемещаться вперед за точку 180-градусов 44.
[0058] В случае, когда двигатель вращается в первом направлении, подшипник 38 может находиться в контакте с задней поверхностью 24 качающейся шайбы в точке между положением 42 0-градусов и положением 270-градусов и может взаимодействовать с качающейся шайбой с вызовом нутации качающейся шайбы в первом направлении. На ФИГ. 5 показан подшипник 38 в такой ситуации. В случае, когда двигатель вращается во втором направлении, подшипник 40 может находиться в контакте с задней поверхностью 24 качающейся шайбы в точке между положением 42 0-градусов и положением 90-градусов и может взаимодействовать с качающейся шайбой с вызовом нутации качающейся шайбы во втором направлении.
[0059] При использовании привода 10 качающаяся шайба 14 в целом будет осуществлять нутацию, а также вращаться. Качающаяся шайба может быть описана как выполненная с возможностью осуществления нутации вокруг статорного зубчатого колеса 16, вокруг двигателя 12 и/или вокруг выходной шайбы 18. В случае, когда качающаяся шайба совершает нутацию в первом направлении нутации, положение 0-градусов качающейся шайбы может перемещаться в направлении текущего положения 90-градусов, так что после одной четверти полной нутации положение 90-градусов становится положением 0-градусов, положение 180-градусов становится положением 90-градусов и т.д. Кроме того, качающаяся шайба может выполнять поворот не с такой же скоростью, с которой она совершает нутацию. Иными словами, когда качающаяся шайба совершает одну полную нутацию, положение 0-градусов может пройти полный периметр качающейся шайбы. В это время качающаяся шайба может совершать меньше, чем один полный оборот. Скорость вращения может быть определена скоростью нутации и передаточным отношением между зубьями 30 качания и статорным зубчатым колесом 16.
[0060] Зубья 30 качания могут быть зацеплены со статорными зубьями 32 вдоль одной четверти статорного зубчатого колеса в любой момент, когда качающаяся шайба совершает нутацию. Это зацепление может происходить в форме контакта качения, при котором первые поверхности зацепления прокатываются по другим. Этот контакт качения может отличаться от сопряжений во многих известных зубчатых передачах, в которых противоположные поверхности зубьев шестерни взаимодействуют посредством контакта скольжения. В общем случае, для двух одних и тех же поверхностей контакт качения приводит к гораздо меньшему трению, чем контакт скольжения между этими двумя поверхностями.
[0061] Зубья 30 качания могут только входить в контакт со статорными зубьями 32 между положением 0-градусов и положением 270-градусов при выполнении нутации в первом направлении нутации, и этот контакт может быть ограничен контактом качения между подгруппами указанных множеств зубьев качания и статорных зубьев. Таким образом, качающаяся шайба может совершать нутацию вокруг статора с меньшим трением, чем в случае контакта скольжения. Такая конфигурация может обеспечить эффективное преобразование нутационного движения или энергии нутации в поворотное движение или энергию поворота.
[0062] Аналогично, лицевые зубья 28 могут иметь зацепление с выходными зубьями 34 только вдоль одной четверти выходной шайбы в любой момент, когда качающаяся шайба совершает нутацию. Когда качающаяся шайба совершает нутацию в первом направлении, лицевые зубья и выходные зубья могут быть зацеплены между положением 180-градусов 44 и положением 90-градусов. Посредством такого зацепления качающаяся шайба 14 может вызывать поворот выходной шайбы 18 в том же самом направлении, что и качающаяся шайба. В изображенном варианте реализации, в котором передаточное отношение между лицевыми зубьями 28 и выходными зубьями 34 составляет 1, выходная шайба 18 также может совершать поворот с той же скоростью, что и качающаяся шайба 14. Вращение двигателя 12 таким образом может быть передано на выходную шайбу 18 с более высоким крутящим моментом.
Порядок работы / использования
[0063] На ФИГ. 6 изображен способ, в целом обозначенный 100, работы механического привода с виртуальным эллипсом. На этапе 102 способ 100 может включать обеспечение двигателя по меньшей мере одним закругленным выступом на по существу на плоской поверхности, которая задает ось вращения, обеспечение качающейся шайбы зубьями качания и лицевыми зубьями, обеспечение статорного зубчатого колеса статорными зубьями и обеспечение выходной шайбы выходными зубьями. Двигатель, качающаяся шайба, статорное зубчатое колесо и выходная шайба могут быть выполнены и собраны, как показано, например, на ФИГ. 1-5 и описано выше, или любым другим подходящим образом и в любой другой подходящей конфигурации в соответствии идеями настоящего изобретения.
[0064] На этапе 104 способ 100 может включать подачу энергии на двигатель для вращения вокруг оси вращения. На этапе 106 способ 100 может включать ввод одного или более закругленных выступов двигателя во взаимодействие по существу с плоской поверхностью качающейся шайбы с вызовом нутации качающейся шайбы. На этапе 108 способ 100 может включать зацепление зубьев качания со статорными зубьями с вызовом вращения качающейся шайбы. На этапе 110 способ 100 может включать зацепление лицевых зубьев качающейся шайбы с выходными зубьями выходной шайбы с вызовом вращения выходной шайбы.
[0065] Способы использования согласно идеям настоящего изобретения могут быть применены вместе с любым вариантом реализации механического привода с виртуальным эллипсом, описанным ранее. В некоторых вариантах реализации способ также может включать остановку вращения двигателя с обеспечением возможности остановки выходной шайбы. Способ также может включать подачу энергии на двигатель для вращения во втором направлении вращения вокруг оси вращения с вращением выходной шайбы во втором направлении.
Кроме того, настоящее раскрытие содержит варианты реализации согласно следующим пунктам:
Пункт 1: Привод с качающейся шайбой, содержащий:
входной двигатель, имеющий ось вращения, по существу с плоскую поверхность, перпендикулярную оси вращения, и по меньшей мере один закругленный выступ, проходящий от указанной по существу плоской поверхности;
качающуюся шайбу, имеющую ось качания, расположенную под ненулевым углом относительно оси вращения входного двигателя, первую по существу плоскую поверхность, перпендикулярную оси качания и обращенную в целом к входному двигателю, вторую поверхность, задающую плоскость, параллельную первой поверхности и обращенную в целом от входного двигателя, множество лицевых зубьев, расположенных на второй поверхности, и множество зубьев качания, расположенных по периметру качающейся шайбы между первой и второй поверхностями в плоскости, перпендикулярной оси качания;
статорное зубчатое колесо, имеющее множество статорных зубьев, выполненных с возможностью зацепления с указанным множеством зубьев качания; и
выходную шайбу, имеющую выходную ось, по существу выровненную с осью вращения, и множество выходных зубьев;
причем указанный по меньшей мере один закругленный выступ выполнен с возможностью взаимодействия с первой поверхностью качающейся шайбы, а
указанное множество лицевых зубьев выполнено с возможностью зацепления с указанным множеством выходных зубьев, когда качающаяся шайба совершает нутацию вокруг статорного зубчатого колеса.
Пункт 2: Привод с качающейся шайбой по пункту 1, в котором указанный по меньшей мере один закругленный выступ включает в себя два закругленных выступа, проходящих друг от друга под углом от 80 до 100 градусов, измеряемым вокруг оси вращения.
Пункт 3: Привод с качающейся шайбой по пункту 2, в котором угол составляет 89 градусов.
Пункт 4: Привод с качающейся шайбой по пункту 1, в котором указанный по меньшей мере один закругленный выступ представляет собой закрытый подшипник.
Пункт 5: Привод с качающейся шайбой по пункту 1, в котором указанное множество зубьев качания, указанное множество статорных зубьев или и то, и другое заданы составной эвольвентой окружности и эллипса.
Пункт 6: Привод с качающейся шайбой по пункту 1, в котором указанное множество лицевых зубьев расположены на представляющей собой усеченный конус поверхности качающейся шайбы, причем поверхность усеченного конуса выполнена таким образом, что центр масс качающейся шайбы совпадает с вершиной поверхности усеченного конуса.
Пункт 7: Привод с качающейся шайбой, содержащий:
входной двигатель, включающий в себя закругленный выступ, проходящий от по существу плоской поверхности;
статорное зубчатое колесо, имеющее ось статора;
качающуюся шайбу, имеющую ось качания, расположенную под ненулевым углом относительно оси статора, и по существу плоскую поверхность, ориентированную в целом к входному двигателю и контактирующую с выступом в точке контакта; и
выходную шайбу, имеющую выходную ось, по существу выровненную с осью статора;
причем входной двигатель выполнен с возможностью вращения выступа вокруг оси статора с вызовом нутации качающейся шайбы вокруг статорного зубчатого колеса и прецессированием оси качания вокруг оси статора, а также с вызовом, таким образом, перемещения точки контакта вперед относительно точки наибольшего сближения качающейся шайбы со статорным зубчатым колесом по мере того, как точка наибольшего сближения качающейся шайбы со статорным зубчатым колесом перемещается вокруг оси статора.
Пункт 8: Привод с качающейся шайбой по пункту 7, в котором качающаяся шайба имеет вторую поверхность, ориентированную в целом от входного двигателя, множество лицевых зубьев, расположенных на второй поверхности и выполненных с возможностью зацепления с выходной шайбой, и множество зубьев качания, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси качания и выполненных с возможностью зацепления со статорным зубчатым колесом.
Пункт 9: Привод с качающейся шайбой по пункту 8, в котором статорное зубчатое колесо имеет множество статорных зубьев, выходная шайба имеет множество выходных зубьев,
указанное множество зубьев качания выполнено с возможностью зацепления с указанным множеством статорных зубьев, и
указанное множество лицевых зубьев выполнено с возможностью зацепления с указанным множеством выходных зубьев, когда качающаяся шайба совершает нутацию вокруг статорного зубчатого колеса.
Пункт 10: Привод с качающейся шайбой по пункту 9, в котором каждое из указанных множеств зубьев качания и статорных зубьев по меньшей мере частично задано составной эвольвентой окружности и эллипса.
Пункт 11: Привод с качающейся шайбой по пункту 9, в котором указанное множество лицевых зубьев расположены на представляющей собой усеченный конус поверхности качающейся шайбы, причем поверхность усеченного конуса выполнена таким образом, что центр масс качающейся шайбы совпадает с вершиной поверхности усеченного конуса.
Пункт 12: Привод с качающейся шайбой по пункту 7, в котором входной двигатель включает в себя два закругленных выступа, проходящих от указанной по существу плоской поверхности входного двигателя и друг от друга под углом 89 градусов, измеряемым вокруг оси вращения входного двигателя.
Пункт 13: Привод с качающейся шайбой по пункту 7, в котором закругленный выступ представляет собой закрытый подшипник.
Пункт 14: Привод с качающейся шайбой по пункту 7, в котором качающаяся шайба выполнена таким образом, что контактные усилия, воздействующие на качающуюся шайбу любым из входного двигателя, статорного зубчатого колеса или выходной шайбы, проходят в направлениях, касательных к окружностям, которые лежат в плоскостях, перпендикулярных оси вращения входного двигателя.
Пункт 15: Способ работы привода с качающейся шайбой, включающий:
подачу энергии на двигатель для вращения вокруг оси вращения, причем двигатель имеет по существу с плоскую поверхность и по меньшей мере один закругленный выступ, проходящий от указанной по существу плоской поверхности;
ввод указанного по меньшей мере одного закругленного выступа во взаимодействие по существу с плоской поверхностью качающейся шайбы с вызовом нутации качающейся шайбы;
зацепление множества зубьев качания качающейся шайбы с множеством статорных зубьев статорного зубчатого колеса, когда качающаяся шайба совершает нутацию, с вызовом вращения качающейся шайбы; и
зацепление множества лицевых зубьев качающейся шайбы с множеством выходных зубьев выходной шайбы, когда качающаяся шайба совершает нутацию и вращается, с вызовом вращения выходной шайбы.
Пункт 16: Способ по пункту 15, согласно которому двигатель включает в себя два закругленных выступа, проходящих от указанной по существу плоской поверхности двигателя и друг от друга под углом 89°, измеряемым вокруг оси вращения,
причем обеспечена возможность контакта только одного из выступов с качающейся шайбой в каждый момент времени.
Пункт 17: Способ по пункту 15, согласно которому указанный по меньшей мере один закругленный выступ представляет собой закрытый подшипник.
Пункт 18: Способ по пункту 15, согласно которому каждое из указанных множеств зубьев качания и статорных зубьев по меньшей мере частично задано составной эвольвентой окружности и эллипса.
Пункт 19: Способ по пункту 15, согласно которому указанное множество лицевых зубьев расположены на представляющей собой усеченный конус поверхности качающейся шайбы, причем поверхность усеченного конуса выполнена таким образом, что центр масс качающейся шайбы совпадает с вершиной поверхности усеченного конуса.
Пункт 20: Способ по пункту 15, согласно которому качающаяся шайба выполнена таким образом, что контактные усилия, воздействующие на качающуюся шайбу любым из двигателя, статорного зубчатого колеса или выходной шайбы, проходят в направлениях, касательных к окружностям, которые лежат в плоскостях, перпендикулярных оси вращения.
Преимущества, особенности, достигаемые технические результаты
Различные варианты реализации механического привода с виртуальным эллипсом, описанные в настоящем документе, обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с известными решениями для приводов с высоким передаточным отношением, которые также занимают небольшой объем. Согласно настоящему изобретению можно получить передаточные отношения до нескольких сотен и даже тысяч с использованием только статора, качающейся шайбы и выходной шайбы. Например, иллюстративные варианты реализации, описанные в настоящем документе, обеспечивают перемещение выполняющей нутацию качающейся шайбы без эксцентриситета и с высоким кпд. Ни одна из известных систем или ни одно из известных устройств не может реализовать эти функции, в частности, в таком небольшом объеме. Таким образом, иллюстративные варианты реализации, описанные в настоящем документе, особенно полезны для увеличения крутящего момента двигателя в небольшом объеме с небольшим количеством движущихся частей. Тем не менее, не все варианты реализации, описанные в настоящем документе, обеспечивают одинаковые преимущества или одинаковую степень преимущества.
Вывод
Раскрытие, изложенное выше, может включать в себя множество различных изобретений с независимой степенью использования. Хотя каждое из этих изобретений было описано в отношении предпочтительной формы (предпочтительных форм) реализации, конкретные варианты его реализации, представленные и проиллюстрированные в настоящем документе, не должны рассматриваться в ограничивающем смысле, поскольку возможны различные многочисленные его варианты. В той степени, в которой заголовки разделов используются в данном описании, они служат в целях систематизации материала и не представляют собой характеристику каких-либо пунктов раскрытия. Объект изобретения (изобретений) включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных указанных элементов, признаков, функциональностей и/или характеристик, раскрытых в настоящем документе. Следующая далее формула изобретения в частности указывает на определенные комбинации и подкомбинации, рассматриваемые как новые и неочевидные. Изобретение (изобретения), реализованное (реализованные) в других комбинациях и подкомбинациях признаков, функций, элементов и/или свойств, может (могут) быть заявлено (заявлены) в заявках, претендующих на приоритет по этой или родственной заявке. Такая формула изобретения, будь то рассматриваемая с другим изобретением или с этим же изобретением, и являющаяся более широкой, более узкой, равной по объему первоначальной формуле изобретения, также считается включенной в объект изобретения (изобретений) согласно настоящему раскрытию.