[001] Настоящее изобретение относится к приводам с качающейся шайбой. В частности, раскрытые варианты реализации относятся к системам и способам изменения 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. В приводе с качающейся шайбой одно из зубчатых колес, например роторное зубчатое колесо, 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. Роторное зубчатое колесо, как правило, поддерживается валом или опорой, который или которая сохраняет выравнивание зубьев зацепления. Если число зубьев зацепления на роторном зубчатом колесе и статорном зубчатом колесе отличается на один, такая система будет иметь передаточное отношение, равное числу зубьев на статорном зубчатом колесе.
[004] Получить на практике эффективные и действенные системы привода с качающейся шайбой оказалось весьма затруднительным, поскольку задействованные при этом силы часто приводят, помимо прочего, к выходу механизма из зацепления, связыванию, чрезмерному ограничению опорой или неэффективности вследствие трения.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] Самовыравнивающийся привод с качающейся шайбой включает в себя статорное зубчатое колесо, качающуюся шайбу и выходную шайбу. Статорное зубчатое колесо имеет центральную ось статора и множество зубьев статора, расположенных на внутренней цилиндрической поверхности. Качающаяся шайба имеет ось качания, поверхность зацепления, перпендикулярную оси качания, множество лицевых зубьев, расположенных на поверхности зацепления, и множество зубьев качания, расположенных по периметру качающейся шайбы и выполненных с возможностью зацепления со статорными зубьями. Выходная шайба включает в себя множество выходных зубьев, выполненных с возможностью зацепления с лицевыми зубьями.
[006] Качающаяся шайба расположена таким образом, что ось качания расположена под ненулевым углом качания относительно оси статора, и выходная шайба по существу выровнена с осью статора. По меньшей мере два из указанных множеств зубьев выполнены с возможностью зацепления друг с другом с самовыравниванием таким образом, что когда качающаяся шайба совершает нутацию вокруг статорного зубчатого колеса, угол качания остается постоянным.
[007] Способ работы самовыравнивающегося привода с качающейся шайбой включает обеспечение статорного зубчатого колеса, качающейся шайбы и выходной шайбы. Способ также включает зацепление с самовыравниванием множества зубьев статора статорного зубчатого колеса с множеством зубьев качания качающейся шайбы. Затем способ включает зацепление с самовыравниванием множества лицевых зубьев качающейся шайбы с множеством выходных зубьев выходной шайбы. В завершении, способ включает вызов нутации качающейся шайбы вокруг статорного зубчатого колеса.
[008] Настоящее изобретение обеспечивает различные устройства и способы их применения. В некоторых вариантах реализации привод с качающейся шайбой может включать в себя входную шайбу, качающуюся шайбу и статор. В некоторых вариантах реализации привод может включать в себя двигатель, качающуюся шайбу, статор и выходную шайбу. В некоторых вариантах реализации качающаяся шайба, статорное зубчатое колесо и входная шайба или выходная шайба может включать в себя группу зубьев, выполненных с возможностью зацепления друг с другом с самовыравниванием.
[009] 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
[0010] На ФИГ. 1 представлен покомпонентный вид в изометрии приведенного в качестве примера привода с качающейся шайбой согласно аспектам раскрытия настоящего изобретения.
[0011] На ФИГ. 2 представлен увеличенный вид снизу части входной шайбы привода с качающейся шайбой по ФИГ. 1.
[0012] На ФИГ. 3 представлен увеличенный вид сверху части статорного зубчатого колеса привода с качающейся шайбой по ФИГ. 1.
[0013] На ФИГ. 4 представлен покомпонентный вид спереди в изометрии еще одного приведенного в качестве примера привода с качающейся шайбой согласно аспектам раскрытия настоящего изобретения.
[0014] На ФИГ. 5 представлен покомпонентный вид сзади в изометрии привода с качающейся шайбой по ФИГ. 4.
[0015] На ФИГ. 6 представлен вид в изометрии привода с качающейся шайбой по ФИГ. 4.
[0016] На ФИГ. 7 представлено сечение привода с качающейся шайбой по ФИГ. 4, выполненное в плоскости, параллельной оси вращения привода.
[0017] На ФИГ. 8 представлено еще одно сечение привода с качающейся шайбой по ФИГ. 4, выполненное в плоскости, повернутой на 45 градусов относительно плоскости по ФИГ. 7.
[0018] На ФИГ. 9 схематически показан изометрический вид качающейся шайбы и двигателя, согласно аспектам раскрытия настоящего изобретения.
[0019] На ФИГ. 10 схематически показан покомпонентный изометрический вид двигателя по ФИГ. 9.
[0020] На ФИГ. 11 представлена структурная схема, изображающая приведенный в качестве примера способ использования привода с качающейся шайбой, согласно аспектам раскрытия настоящего изобретения.
[0021] На ФИГ. 12 представлена структурная схема, изображающая еще один приведенный в качестве примера способ использования привода с качающейся шайбой, согласно аспектам раскрытия настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обзор
[0022] Ниже описаны и проиллюстрированы на сопроводительных фигурах чертежей различные варианты реализации самовыравнивающегося привода с качающейся шайбой, имеющего качающуюся шайбу и статор. Если не оговорено иное, привод с качающейся шайбой 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 приводы с качающейся шайбой. 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.
Примеры, компоненты и альтернативы
[0023] Последующие разделы описывают избранные аспекты примеров приводов с качающейся шайбой, а также соответствующих систем и/или способов. Примеры в указанных разделах предназначены для иллюстрации и не должны рассматриваться в качестве ограничения объема охраны настоящего изобретения. Каждый раздел может включать одно или более отличающихся изобретений и/или приведенную в данном контексте или соответствующую информацию, функцию и/или конструкцию.
Пример 1
[0024] На ФИГ. 1 показан вариант реализации самовыравнивающегося привода с виртуальным эллипсом или привода с качающейся шайбой, в целом обозначенного 10. Привод 10 включает в себя входную шайбу 12, качающуюся шайбу 14 и статорное зубчатое колесо 16. Входная шайба 12, которая также может быть названа выходной шайбой в зависимости от предполагаемого использования привода с качающейся шайбой, задает ось 20 вращения, вокруг которой центрировано статорное зубчатое колесо 16. Качающаяся шайба 14 имеет ось 22 качания, расположенную под ненулевым углом относительно оси вращения, который может быть назван углом качания.
[0025] Качающаяся шайба 14 имеет нижнюю по существу плоскую поверхность 24 и верхнюю поверхность 26 зацепления с множеством лицевых зубьев 28. Лицевые зубья 28 расположены на передней поверхности 26, и множество зубьев 30 качания расположены по периметру качающейся шайбы между поверхностями 24 и 26 в плоскости, перпендикулярной оси качания. Зубья качания проходят параллельно оси качания и от поверхности 26 в направлении поверхности 24.
[0026] Качающаяся шайба 14 расположена между входной шайбой 12 и статором 16. Нижняя поверхность 24 перпендикулярна оси качания и обращена в целом к статору 16, а поверхность 26 зацепления задает плоскость, параллельную нижней поверхности, но обращенную в целом к входной шайбе 12. Зубья 30 качания и лицевые зубья 28 проходят в противоположных направлениях параллельно оси 22 качания.
[0027] Входная шайба 12 включает в себя кольцевую входную поверхность 36 на внешней части входной шайбы, как лучше всего показано на ФИГ. 2. Входная поверхность 36 может иметь форму усеченного конуса. Иными словами, кольцевая входная поверхность 36 выполнена под углом относительно плоскости, перпендикулярной оси 20 вращения, так что каждая точка на указанной кольцевой входной поверхности включает в себя линию 38 усеченного конуса, которая может быть продолжена до вершины, расположенной на оси вращения и ниже входной шайбы 12. Когда вышеперечисленные элементы собраны в привод с качающейся шайбой, вершина усеченного конуса кольцевой входной поверхности 36 находится вблизи центра масс качающейся шайбы 14.
[0028] Множество или группа входных зубьев 34 расположена на кольцевой входной поверхности 36. Может быть использовано любое подходящее количество входных зубьев 34. Каждый входной зуб 34 включает в себя две приводные поверхности 40, 42, каждая из которых может быть плоской, может быть образована более чем одной плоскостью или может быть образована одной или более поверхностями, имеющими кривизну.
[0029] Как показано на ФИГ. 1, передняя поверхность 26 качающейся шайбы 14 включает в себя кольцевую поверхность 64 качания на внешней части передней поверхности, аналогичной кольцевой входной поверхностью 36, показанной на ФИГ. 2. Иными словами, кольцевая поверхность 64 качания 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 совпадает с центром масс качающейся шайбы 14. В других вариантах реализации поверхность качания может иметь другую форму.
[0030] 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 входных зубьев 34. В изображенном варианте реализации используется равное количество лицевых зубьев 28 и входных зубьев 34. Каждый лицевой зуб включает в себя две ведомые поверхности, которые могут быть плоскими, могут быть образованы более чем одной плоскостью или могут быть образованы одной или более поверхностями, имеющими кривизну.
[0031] Качающаяся шайба 14 выполнена с возможностью зацепления с входной шайбой 12. В частности, лицевые зубья 28 выполнены с возможностью зацепления с входными зубьями 34. Когда входная шайба вращается в данном направлении вращения, приводная поверхность входного зуба может быть зацеплена с ведомой поверхностью лицевого зуба. Иными словами, может существовать контактное усилие, оказываемое на качающуюся шайбу входной шайбой вследствие взаимодействия между приводными поверхностями указанного множества входных зубьев и ведомыми поверхностями указанного множества лицевых зубьев. Эти контактные усилия могут вызывать вращение качающейся шайбы в одном заданном направлении вращения.
[0032] В примере привода 10 входная шайба 12 и качающаяся шайба 14 взаимодействуют и вращаются согласно передаточному отношению 1:1. Иными словами, на каждый один полный оборот входной шайбы, качающаяся шайба также совершает точно один полный оборот. Может быть выбрано другое передаточное отношение, которое приведет к другим скоростям вращения.
[0033] Качающаяся шайба 14 и входная шайба 12 могут быть выполнены таким образом, что любые контактные усилия, развиваемые между качающейся шайбой и входной шайбой, будут проходить в направлениях, касательных к окружностям, которые лежат в плоскостях, перпендикулярных оси вращения. Посредством выполнения качающейся шайбы и входной шайбы так, что контактные усилия между качающейся шайбой и входной шайбой проходят в таких направлениях, можно избежать появления внецентренно приложенных сил. Внецентренно приложенные силы могут вызывать отцепление указанного множества лицевых зубьев 28 от указанного множества входных зубьев 34 или могут вызывать колебание центра масс качающейся шайбы с вводом в результате этого нежелательных вибраций в привод.
[0034] Дополняющие формы представляющей собой усеченный конус входной поверхности 36 и поверхности 64 качания обусловливают зацепление входных зубьев 34 и лицевых зубьев 28 под углом таким образом, что если привод 10 испытывает вибрации или смещение, контактные усилия между зубьями побуждают входную шайбу 12 и качающуюся шайбу 14 восстановить выравнивание. В результате, входные зубья 34 и лицевые зубья 28 зацепляются с самовыравниванием таким образом, что угол качания остается постоянным при вращении входной шайбы и качающейся шайбы.
[0035] Как показано на ФИГ. 1, статорное зубчатое колесо 16 имеет основание 48, и указанное основание включает 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 устройства, использующего привод 10 (например, устройства, в которое привод 10 встроен). Статор 16 может быть неподвижным относительно этого устройства. Статорное зубчатое колесо задает ось 54 статора, которая по существу выровнена с осью 20 вращения.
[0036] Статор 16 имеет внутренний объем 56, частично заданный внутренней цилиндрической поверхностью 50. Внутренний объем 56 может обеспечивать возможность размещения в нем части или всей качающейся шайбы 14, как более подробно описано ниже.
[0037] Статорные зубья 32 могут быть расположены на одном или том и другом из внутренней цилиндрической поверхности 50 и основания 52 статорного зуба. В варианте реализации по ФИГ. 1 статорные зубья проходят от внутренней цилиндрической поверхности во внутренний объем 56 в радиальном направлении к оси вращения. Статорные зубья также проходят от основания 52 статорного зуба в осевом направлении параллельно оси вращения. Любое подходящее количество статорных зубьев может быть выбрано в зависимости от применения и необходимого передаточного отношения.
[0038] На ФИГ. 3 приведен вид сверху статорного зубчатого колеса 16 с показом подгруппы множества статорных зубьев 32. Каждый зуб указанного множества статорных зубьев имеет ближний конец и дальний конец относительно оси 20 вращения. Дальний конец статорного зуба может быть соединен с внутренней цилиндрической поверхностью 50. Каждый зуб также включает в себя первую поверхность 66 зацепления и вторую поверхность 68 зацепления на противоположной стороне зуба. Каждая поверхность зацепления может быть плоской, образована более чем одной плоскостью или образована одной или более поверхностями, имеющими кривизну. Одна или обе поверхности 66, 68 зацепления статорного зуба 32 может быть задана или могут быть заданы составной эвольвентой окружности и эллипса. В альтернативном варианте реализации кривая может представлять собой проекцию виртуального эллипса на участок зуба для всех углов между 0 и 2π радиан.
[0039] Каждый из указанного множества статорных зубьев 32 имеет форму клина. Иными словами, первая поверхность 66 зацепления задает линию 70, которую можно продолжить через ось вращения. Линия 70 проходит через центр масс качающейся шайбы, когда качающаяся шайба и статорное зубчатое колесо соединены друг с другом внутри привода. Вторая поверхность 68 зацепления задает линию 72, которую также можно продолжить через ось качания. Линия 72 также проходит через центр масс качающейся шайбы, когда качающаяся шайба и статорное зубчатое колесо соединены друг с другом внутри редукторной системы.
[0040] Каждый зуб указанного множества статорных зубьев 32 включает в себя часть зацепления и опорное основание. Часть зацепления включает в себя первую поверхность зацепления и вторую поверхность зацепления. Опорное основание соединяет часть зацепления с основанием 52 статорного зуба. Статорные зубья также могут опираться на другие конструкции или быть соединены с основанием статорного зуба любым подходящим способом.
[0041] Как показано на ФИГ. 1, указанное множество зубьев 30 качания расположены по периметру качающейся шайбы 14 между нижней поверхностью 24 и поверхностью 26 зацепления и в плоскости, перпендикулярной оси 22 качания. Зубья качания проходят от внешней цилиндрической поверхности 58 качающейся шайбы в радиальном направлении от оси качания. Зубья качания также проходят 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. 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. Любое подходящее количество зубьев 30 качания может быть выбрано, и количество зубьев качания может быть больше, меньше или равно количеству статорных зубьев 32.
[0042] Аналогично статорными зубьями 32, показанным на ФИГ. 3, каждый зуб 30 качания включает в себя первую поверхность зацепления и вторую поверхностью зацепления на противоположной стороне зуба. 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. В альтернативном варианте реализации кривая может представлять собой проекцию виртуального эллипса на участок зуба для всех углов между 0 и 2π радиан.
[0043] Каждый из указанного множества зубьев качания имеет форму клина. Иными словами, первая поверхность зацепления образует первую линию, которую можно продолжить через ось качания. Вторая поверхность зацепления образует вторую линию, которую можно продолжить через ось качания. Первая и вторая линии проходят через центр масс качающейся шайбы.
[0044] Кроме того, каждый зуб 30 качания включает в себя часть зацепления и опорное основание. Часть зацепления включает в себя первую поверхность зацепления и вторую поверхность зацепления. Опорное основание соединяет часть зацепления с основанием 60 зуба качания. Зубья качания также могут опираться на другие конструкции или быть соединены с основанием зуба качания любым другим подходящим образом.
[0045] 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 входная шайба 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.
[0046] В целом, статорное зубчатое колесо имеет n статорных зубьев, а качающаяся шайба имеет т зубьев качания, где пит 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.
[0047] 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 входной шайбой, качающаяся шайба может совершить одну полную нутацию. Таким образом, качающаяся шайба и статорное зубчатое колесо могут взаимодействовать согласно передаточному отношению m:1. Для каждых т 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.
[0048] 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.
[0049] Клинообразные зубья статорных зубьев 32 и зубьев 30 качания образуют дополняющие конические поверхности и обусловливают зацепление зубьев под углом таким образом, что если привод 10 испытывает вибрацию или смещение, контактные усилия, возникающие в результате зацепления, побуждают качающуюся шайбу 14 восстановить выравнивание со статорным зубчатым колесом 16. Зубья, таким образом, зацепляются с самовыравниванием так, что угол качания остается постоянным, когда качающаяся шайба совершает нутацию относительно статора.
[0050] Качающаяся шайба 14 и статорное зубчатое колесо 16 имеют по существу круглую форму, при этом проекция качающейся шайбы на статор имеет эллиптическую форму вследствие их отличающихся ориентаций. 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.
[0051] Привод с качающейся шайбой можно рассматривать как механически ограниченную систему, управляемую уравнениями Эйлера для качающейся шайбы, которые создают вращающуюся инерциальную систему координат. Рассмотрим уравнение Эйлера относительно оси z,
где
Т - крутящий момент,
I - момент инерции и
ω - угловая скорость.
Это уравнение показывает, что в зависимости от направления крутящего момента ось будет испытывать противоположное вращение. Крутящий момент, или кинетическая энергия, может поступать в систему и восприниматься как противоположные вращения. Входная энергия может быть использована для изменения вектора количества движения качающейся шайбы 14.
[0052] Зубья 30 качания и статорные зубья 32 могут быть выполнены с возможностью обеспечения механического ограничения на движение качающейся шайбы 14, например поверхности зацепления зубьев могут быть заданы составной эвольвентой окружности и эллипса. В такой конфигурации максимально возможная скорость вращения качающейся шайбы меньше или равна скорости, необходимой для удовлетворения решению уравнений Эйлера. Когда качающаяся шайба подвергается ускорению, это приводит к возникновению силы, действующей с увеличением угла качания. Эта сила уравновешивается контактом с входной шайбой 12 с сохранением угла качания постоянным.
[0053] Иными словами, когда совершающая нутации качающаяся шайба подвергается воздействию крутящего момента за счет взаимодействия с входной шайбой, угол качания будет стремиться к увеличению. Входная шайба размещена на заданном расстоянии от статора таким образом, что она ограничивает качающуюся шайбу относительно статорного зубчатого колеса. В результате этого, угол качания остается постоянным, и ни одна часть качающейся шайбы не находится дальше заданного расстояния от статорного зубчатого колеса, когда качающаяся шайба совершает нутацию вокруг статора.
[0054] Приведенные в качестве примера приводы с качающейся шайбой, описанные в настоящем изобретении, могут либо хранить и поглощать входной крутящий момент, либо могут выдавать ограниченное количество сохраненного крутящего момента. В первом случае входные зубья 34 входной шайбы 12 зацепляются с лицевыми зубьями 28 качающейся шайбы 14, с тем чтобы вызвать вращение указанной шайбы. Зубья 30 качания качающейся шайбы зацепляются со статорными зубьями 32 статорного зубчатого колеса 16 для вызова нутации качающейся шайбы. Качающаяся шайба хранит и поглощает входной крутящий момент во время нутации.
[0055] Привод с качающейся шайбой может рассматриваться в терминах виртуального эллипса, образованного проецированием качающейся шайбы на статор. Качающаяся шайба 14 и статор 16, как правило, могут иметь одну точку контакта. Край виртуального эллипса может в трех измерениях определять непрерывную линию контакта эллиптически сопрягаемых качающейся шайбы и статора. Форма виртуального эллипса может оставаться неизменной при нутации качающейся шайбы, которая охватывает четырехкратный угол между осью 22 качания и осью 20 вращения. Только вращательная система координат для линии контакта, задаваемой уравнениями Эйлера, может продвигаться по мере того, как происходит нутация. Каждая точка на линии контакта может приходиться на сложную геометрически искаженную эвольвентную функцию, которая может быть симметричной как при вращении, так и при нутации, что обеспечивает возможность непрерывного переноса энергии в виртуальный эллипс и из него.
[0056] Виртуальный эллипс может быть неподвижным при вращении инерциальной системы координат, причем все точки на линии контакта вращаются в своей горизонтальной плоскости с постоянной угловой скоростью. Точка на радиальной кромке качающейся шайбы 14, видимая во время нутации, может двигаться вертикально с постоянно изменяющейся скоростью. Это изменение скорости может потребовать постоянного ускорения инерции качающейся шайбы, поглощающего кинетическую энергию, поступающую в систему.
[0057] Во втором случае, в котором привод с качающейся шайбой выдает сохраненный крутящий момент, вращение качающейся шайбы может вызывать вращение входной шайбы. В этом случае качающаяся шайба 14 вращается и совершает нутации, однако входная шайба 12 не испытывает воздействие внешнего крутящего момента.
[0058] Когда качающаяся шайба вращается в первом направлении, первая ведомая поверхность зуба качания может быть зацеплена с первой приводной поверхностью входного зуба. Иными словами, может существовать контактное усилие, оказываемое на входную шайбу качающейся шайбой вследствие взаимодействия между первыми ведомыми поверхностями указанного множества лицевых зубьев и первыми приводными поверхностями указанного множества входных зубьев. Эти контактные усилия могут вызывать вращение входной шайбы в первом направлении. Иными словами, входная шайба может считаться выходной шайбой.
Пример 2
[0059] На ФИГ. 4 и 5 под различным углами показан еще один вариант реализации самовыравнивающегося привода с виртуальным эллипсом, в целом обозначенного 110. Привод 110 включает в себя входной двигатель 112, качающуюся шайбу 114, статорное зубчатое колесо 116 и выходную шайбу 118. Двигатель 112 задает ось 120 вращения, вокруг которой центрированы статорное зубчатое колесо 116 и выходная шайба 118. Качающаяся шайба 114 расположена под ненулевым углом относительно оси вращения.
[0060] Качающаяся шайба 114 имеет заднюю по существу плоскую поверхность 124 и переднюю поверхность 126 с множеством лицевых зубьев 128 и множеством зубьев 130 качания. Лицевые зубья 128 расположены на передней поверхности 126, а зубья 130 качания расположены по периметру качающейся шайбы между поверхностями 124 и 126 в плоскости, перпендикулярной оси качания. Зубья 130 качания и лицевые зубья 128 проходят в одном и том же направлении параллельно оси 122 качания (показано на ФИГ. 6).
[0061] Когда привод 110 находится в собранном состоянии, двигатель 112 взаимодействует с задней поверхностью 124 качающейся шайбы 114 с вызовом нутации качающейся шайбы вокруг статора 116. Статор, который также может быть назван статорным зубчатым колесом, включает в себя множество зубьев 132 статора, выполненных с возможностью зацепления с зубьями 130 качания и вызова вращения качающейся шайбы. Выходная шайба 118 включает в себя множество выходных зубьев 134, выполненных с возможностью зацепления с лицевыми зубьями 128, и качающаяся шайба, таким образом, также вызывает вращение выходной шайбы. Таким образом двигатель 112 может вращать выходную шайбу 118 с крутящим моментом, определенным первым передаточным отношением между качающейся шайбой 114 и статором 116 и вторым передаточным отношением между качающейся шайбой 114 и выходной шайбой 118.
[0062] В варианте реализации, изображенном на ФИГ. 4 и 5, входной двигатель 112 является электродвигателем по существу с плоской поверхностью 136, перпендикулярной оси 120 вращения, и содержит первый закрытый подшипник 138 и второй закрытый подшипник 140, соединенные с указанной плоской поверхностью. Подшипники 138, 140 лучше всего показаны на ФИГ. 4. Первый подшипник может быть расположен относительно второго подшипника под углом 89 градусов, измеряемым относительно оси вращения 120. Подшипники могут быть соединены с плоской поверхностью 136 вблизи радиальной кромки указанной поверхности.
[0063] Подшипники 138, 140 проходят от поверхности 136 таким образом, что либо подшипник 138, либо подшипник 140 находится в контакте с задней поверхностью 124 качающейся шайбы. Этот контакт происходит в точке, расположенной под углом 45 градусов, измеряемым относительно оси вращения, относительно точки наибольшего сближения между двигателем и качающейся шайбой. Подшипники выполнены с возможностью вступления в контакт качения с задней поверхностью 124 качающейся шайбы 114 и, таким образом, взаимодействия с качающейся шайбой для вызова нутации.
[0064] В других вариантах реализации, не изображенных на чертеже, на плоской поверхности 136 двигателя 112 может быть выполнен один закругленный выступ (а не два выступа). Закругленный выступ может вступать в контакт с качающейся шайбой 114 в точке, расположенной под углом 45 градусов, измеряемым относительно оси вращения, относительно точки наибольшего сближения. 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 136.
[0065] Независимо от количества закругленных выступов смазка может быть расположена между двигателем 112 и качающейся шайбой 114 для уменьшения трения между закругленными выступами и задней поверхностью 124 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 114.
[0066] Как показано на ФИГ. 6, качающаяся шайба 114 имеет форму, схожую с диском, с задней поверхностью 124, передней поверхностью 126 и центральной осью или осью 122 качания. Качающаяся шайба 114 выровнена таким образом, что ось 122 качания образует ненулевой угол с осью вращения 120. Задняя поверхность 124 перпендикулярна оси вращения, в то время как передняя поверхность 126 задает плоскость, параллельную задней поверхности. Как показано на ФИГ. 4-5, задняя поверхность 124 обращена в целом к входному двигателю 112, а передняя поверхность 126 обращена в целом от двигателя.
[0067] Как показано на ФИГ. 4-5, указанное множество зубьев 130 качания расположены по периметру качающейся шайбы 114 между задней поверхностью 124 и передней поверхностью 126 и в плоскости, перпендикулярной оси 122 качания. Зубья качания проходят от внешней цилиндрической поверхности 158 качающейся шайбы в радиальном направлении от оси качания. Зубья качания также проходят от основания 160 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 158, так и от основания 160 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 130 качания.
[0068] Каждый зуб 130 качания включает в себя первую поверхность зацепления и вторую поверхностью зацепления на противоположной стороне зуба. Каждая поверхность может быть плоской, образована более чем одной плоскостью или образована одной или более поверхностями, имеющими кривизну. Одна или обе поверхности зацепления зуба 130 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.
[0069] Кроме того, каждый зуб 130 качания включает в себя часть зацепления и опорное основание. Часть зацепления включает в себя первую поверхность зацепления и вторую поверхность зацепления. Опорное основание соединяет часть зацепления с основанием 160 зуба качания.
[0070] Для каждого зуба указанного множества зубьев 130 качания и статорных зубьев 132, 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:
где
С является постоянной, которая может быть пропорциональна радиусу качающейся шайбы,
ϕ может принимать значения от 0 до π/2 радиан, и
D может быть положительной постоянной меньше 1. D может иметь значение приблизительно 0,65, хотя также возможны другие значения.
Приведенное выше уравнение (1) может быть нормировано на единицу.
[0071] В альтернативном варианте реализации кривая второй поверхности зацепления может быть задана вторым уравнением:
где
С является постоянной, которая может быть пропорциональна радиусу качающейся шайбы,
ϕ может принимать значения от 0 до π/2 радиан, и
D может быть положительной постоянной меньше 1.
D может иметь значение приблизительно 0,65, хотя также возможны другие значения.
[0072] Вышеприведенное уравнение (2) 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 2% 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.
[0073] Как показано на ФИГ. 6, передняя поверхность 126 качающейся шайбы 114 включает в себя кольцевую поверхность 164 качания, которая в изображенном варианте реализации представляет собой поверхность усеченного конуса. Иными словами, кольцевая поверхность 164 качания выполнена под углом относительно плоскости, перпендикулярной оси 122 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 164 качания совпадает с центром масс качающейся шайбы 114. В других вариантах реализации поверхность качания может иметь другую форму.
[0074] Множество или группа лицевых зубьев 128 расположена на кольцевой поверхности 164 качания. Любое подходящее количество лицевых зубьев 128 может быть выбрано, и количество лицевых зубьев может быть больше, меньше или равно количеству выходных зубьев 134. В изображенном варианте реализации используется равное количество лицевых зубьев 128 и выходных зубьев 134. Каждый лицевой зуб включает 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.
[0075] Как показано на ФИГ. 4-5, статорное зубчатое колесо 116 имеет основание 148, и указанное основание включает в себя внутреннюю цилиндрическую поверхность 150 и основание 152 статорного зуба. Основание 148 может включать в себя точки крепления, выполненные с возможностью оперативного присоединения статора 116 к остальной части какого-либо устройства, используемого в приводе 110. Статор 116 может быть неподвижным в рамках этого устройства. Статорное зубчатое колесо задает ось 154 статора, которая по существу выровнена с осью 20 вращения и, таким образом, также с выходной осью. Статор расположен между качающейся шайбой 114 и выходной шайбой 118.
[0076] Статор 116 имеет внутренний объем 156, который частично задан внутренней цилиндрической поверхностью 150. Внутренний объем 156 может обеспечивать возможность размещения в нем части или всей качающейся шайбы 114, как более подробно описано ниже.
[0077] Статорные зубья 132 могут быть расположены на одном или том и другом из внутренней цилиндрической поверхности 150 и основания 152 статорного зуба. Статорные зубья проходят от внутренней цилиндрической поверхности во внутренний объем 156 в радиальном направлении к оси вращения. Статорные зубья также проходят от основания 152 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 130 качания.
[0078] Каждый зуб указанного множества статорных зубьев может иметь ближний конец и дальний конец относительно оси 120 вращения. Дальний конец статорного зуба может быть соединен с внутренней цилиндрической поверхностью 150. Каждый зуб включает в себя первую поверхность зацепления и на противоположной стороне зуба вторую поверхностью зацепления. Каждая поверхность зацепления может быть плоской, образована более чем одной плоскостью или образована одной или более поверхностями, имеющими кривизну.
[0079] Одна или обе поверхности зацепления статорного зуба 132 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.
[0080] Каждый зуб указанного множества статорных зубьев 132 включает в себя часть зацепления и опорное основание. Часть зацепления включает в себя первую поверхность зацепления и вторую поверхность зацепления. Опорное основание соединяет часть зацепления с основанием 152 статорного зуба.
[0081] Как показано на ФИГ. 4-5, выходная шайба 118 включает в себя множество выходных зубьев 134, расположенных на выходной кольцевой поверхности 162. Выходная шайба 118 также имеет выходную ось, по существу выровненную с осью 20 вращения.
[0082] Как лучше всего показано на ФИГ. 5, выходная поверхность 162 представляет собой усеченный конус. Иными словами, выходная кольцевая поверхность 162 выполнена под углом относительно плоскости, перпендикулярной оси 120 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 118. Когда вышеперечисленные элементы собраны в приводе 110, вершина усеченного конуса выходной кольцевой поверхности 162 совпадает с центром масс качающейся шайбы 114. В других вариантах реализации выходная поверхность может иметь отличающиеся формы, такие как цилиндрическая форма или форма усеченного конуса с отличающейся вершиной.
[0083] Любое подходящее количество выходных зубьев 134 может быть выбрано, и количество выходных зубьев может быть больше, меньше или равно количеству лицевых зубьев 128. 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.
[0084] На ФИГ. 7-8 приведены сечения привода 110, показывающие двигатель 112, качающуюся шайбу 114, статорное зубчатое колесо 116 и выходную шайбу 118 в собранной конфигурации. Двигатель и выходная шайба выровнены вдоль оси 154 статора. Иными словами, ось вращения, выходная ось и ось статора по существу выровнены друг с другом. Качающаяся шайба и ось 122 качания могут быть расположены под любым необходимым и подходящим ненулевым углом относительно оси статора. Когда качающаяся шайба 114 совершает нутацию вокруг статора 116 и выходной шайбы 118, центр масс качающейся шайбы является по существу неподвижным.
[0085] На ФИГ. 8 представлено сечение в плоскости, повернутой на 45 градусов от плоскости сечения по ФИГ. 7, вокруг оси 154 статора, при этом угол на каждом чертеже показан больше настоящего, чтобы яснее передать взаимосвязи между компонентами.
[0086] Качающаяся шайба 114 выполнена с возможностью зацепления со статорным зубчатым колесом 116. В частности, зубья 130 качания выполнены с возможностью зацепления со статорными зубьями 132. В случае, когда двигатель 112 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.
[0087] В целом, статорное зубчатое колесо имеет n статорных зубьев, а качающаяся шайба имеет т зубьев качания, где пит 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.
[0088] 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 т нутаций качающейся шайбы, качающаяся шайба может совершить точно один поворот. Таким образом, передаточное отношение раскрытых систем может быть определено количеством зубьев тип качающейся шайбы и статорного зубчатого колеса, соответственно.
[0089] 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 122 качания и радиальной линии, проходящей от точки контакта между зубом 130 качания и статорным зубом 132 к оси 122 качания.
[0090] Качающаяся шайба 114 и статорное зубчатое колесо 116 имеют по существу круглую форму, при этом проекция качающейся шайбы на статор имеет эллиптическую форму вследствие их отличающихся ориентации. Контур множества зубьев 130 качания и статорных зубьев 132 может быть получен проецированием этого виртуального эллипса на участок зуба. Эллиптическое проецирование качающейся шайбы 114 на статор 116 таким образом, может быть ограничено неэксцентричным вращением. Эксцентричное перемещение при его допущении может вызывать большие неуравновешенные силы, приводящие к недопустимым рабочим характеристикам системы.
[0091] Качающаяся шайба 114 также выполнена с возможностью зацепления с выходной шайбой 118 посредством зацепления лицевых зубьев 128 и выходных зубьев 134.
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.
[0092] В приведенном в качестве примера приводе 110 с качающейся шайбой, выходная шайба и качающаяся шайба имеют одно и то же количество зубьев, т.е. количество выходных зубьев равно числу зубьев 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.
[0093] Качающаяся шайба 114 и выходная шайба 118 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 122 качания и радиальной линии, проходящей от точки контакта между лицевым зубом 128 и выходным зубом 134 к оси 122 качания.
[0094] 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.
[0095] Качающаяся шайба 114 может иметь положение 142 или точку 0-градусов, которое или которая может быть положением или точкой на качающейся шайбе, находящимся или находящейся дальше всего от выходной шайбы 118, при измерении в направлении, параллельном оси 120 вращения. В положении 0-градусов, показанном на ФИГ. 7, качающаяся шайба 114 может находиться ближе всего к двигателю 112. Качающаяся шайба 114 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 144 или точка 180-градусов может находиться на противоположной стороне качающейся шайбы относительно положения 142 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.
[0096] Двигатель 112 может быть расположен таким образом, что точка 142 0-градусов находится в контакте с плоской поверхностью 136 двигателя между подшипниками 138, 140 (не показано) в данный момент времени, как показано на ФИГ. 7. В один и тот же момент времени только один из подшипников 138, 140 может находиться в контакте с задней поверхностью 124 качающейся шайбы 114 в точке 146, как показано на ФИГ. 8. Двигатель может быть выполнен с возможностью вращения подшипников вокруг оси 154 статора и вызова, таким образом, нутации качающейся шайбы 114 вокруг статорного зубчатого колеса 116, при этом ось качания 122 прецессирует вокруг оси статора. В результате этого точка контакта 146 между подшипником и качающейся шайбой 114 может перемещаться вперед за точку 180-градусов 144.
[0097] В случае, когда двигатель вращается в первом направлении, подшипник 138 может находиться в контакте с задней поверхностью 124 качающейся шайбы в точке между положением 142 0-градусов и положением 270-градусов и может взаимодействовать с качающейся шайбой с вызовом нутации качающейся шайбы в первом направлении. На ФИГ. 8 показан подшипник 138 в такой ситуации. В случае, когда двигатель вращается во втором направлении, подшипник 140 может находиться в контакте с задней поверхностью 124 качающейся шайбы в точке между положением 142 0-градусов и положением 90-градусов и может взаимодействовать с качающейся шайбой с вызовом нутации качающейся шайбы во втором направлении.
[0098] При использовании привода 110 качающаяся шайба 114 в целом будет осуществлять нутацию, а также вращаться. Качающаяся шайба может быть описана как выполненная с возможностью осуществления нутации вокруг статорного зубчатого колеса 116, вокруг двигателя 112 и/или вокруг выходной шайбы 118. 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 130 качания и статорным зубчатым колесом 116.
[0099] Зубья 130 качания могут быть зацеплены со статорными зубьями 132 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 зацепления 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.
[00100] Зубья 130 качания могут только входить в контакт со статорными зубьями 132 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.
[00101] Аналогично, лицевые зубья 128 могут иметь зацепление с выходными зубьями 134 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 144 и положением 90-градусов. Посредством такого зацепления качающаяся шайба 114 может вызывать поворот выходной шайбы 118 в том же самом направлении, что и качающаяся шайба. В изображенном варианте реализации, в котором передаточное отношение между лицевыми зубьями 128 и выходными зубьями 134 составляет 1, выходная шайба 118 также может совершать поворот с той же скоростью, что и качающаяся шайба 114. Вращение двигателя 112 таким образом может быть передано на выходную шайбу 118 с более высоким крутящим моментом.
Пример 3
[00102] На ФИГ. 9 схематически показаны двигатель 212 и качающаяся шайба 214 по еще одному варианту реализации самовыравнивающегося привода с виртуальным эллипсом, в целом обозначенного 210. Вариант реализации по ФИГ. 9 может быть схож с приводом 110 с качающейся шайбой, описанном в примере 2, и обсуждение различных особенностей и преимуществ привода 110 не будет повторяться во всей своей полноте в отношении привода 210. Аналогичные компоненты могут быть пронумерованы аналогично, но с увеличением до 200.
[00103] Качающаяся шайба 214 имеет ось 222 качания, по существу плоскую заднюю поверхность, переднюю поверхность с множеством лицевых зубьев и множеством зубьев качания, расположенных по периметру качающейся шайбы между плоской поверхностью и передней поверхностью. Лицевые зубья и зубья качания не обозначены на ФИГ. 9, но могут быть выполнены, как показано на ФИГ. 6, например. Привод с качающейся шайбой также включает в себя выходную шайбу с выходными зубьями и статор со статорными зубьями, которые не показаны, но которые могут быть выполнены, как описано ранее в примере 2 (см. ФИГ. 4-5).
[00104] Двигатель 212 имеет ось 220 двигателя. Качающаяся шайба выполнена с возможностью нутации вокруг двигателя, при этом ось качания прецессирует вокруг оси двигателя. Иными словами, качающаяся шайба 214 имеет подвижную точку 242 наибольшего сближения относительно двигателя. Подвижная точка 242 наибольшего сближения может перемещаться в направлении нутации, обозначенном стрелкой 243, вокруг оси 220 двигателя.
[00105] В приведенном в качестве примера приводе 210 нутация качающейся шайбы 214 вокруг двигателя 212 вызывается электромагнитными силами, прикладываемыми к качающейся шайбе. Эти силы создаются двигателем и прикладываются к качающейся шайбе в месте, расположенном перед подвижной точкой 242 наибольшего сближения в направлении нутации 243.
[00106] Сила, обозначенная стрелкой 245 на ФИГ. 9, приложена к качающейся шайбе 214 в ведущей точке 246, расположенной на 90 градусов относительно подвижной точки 242 наибольшего сближения. Сила 245 является силой притяжения и может проходить к двигателю 212 или по направлению, параллельному оси 220 двигателя. Когда качающаяся шайба совершает нутацию и положение 0-градусов 242 и ведущая точка 246 перемещаются вокруг качающейся шайбы, сила 245 также перемещается вокруг качающейся шайбы, так что сила 245 всегда приложена к качающейся шайбе вблизи ведущей точки 246. Иными словами, можно сказать, что сила 245 приложена перед подвижной точкой наибольшего сближения в направлении нутации 243. Сила, приложенная перед подвижной точкой наибольшего сближения качающейся шайбы, вызывает нутацию качающейся шайбы.
[00107] Сила 245 является результатом реакции материала качающейся шайбы 214 на электромагнитные поля, создаваемые двигателем 212. Двигатель включает в себя постоянный магнит и набор электромагнитных катушек. Постоянный магнит и набор электромагнитных катушек выполнены с возможностью совместного создания магнитного поля между двигателем и качающейся шайбой. Иными словами, магнитное поле создается в промежутке 266 между двигателем 212 и качающейся шайбой 214. Качающаяся шайба выполнена из магнитовосприимчивого материала, выполненного с возможностью реагирования на магнитное поле. Магнитовосприимчивые материалы могут становиться намагниченными в присутствии магнитного поля. Качающаяся шайба реагирует, испытывая воздействие силы, такой как сила 245.
[00108] Силы, прикладываемые к качающейся шайбе, могут быть пропорциональны плотности потока магнитного поля между качающейся шайбой и двигателем. Для оказания влияния на силу, прикладываемую в подвижном местоположении перед подвижной точкой 242 наибольшего сближения, постоянный магнит и набор электромагнитных катушек могут быть выполнены с возможностью создания магнитного поля с наибольшей плотностью потока в подвижном местоположении перед подвижной точкой наибольшего сближения в направлении 243 нутации. Электромагнитные катушки могут быть выполнены таким образом, что наибольшая плотность потока магнитного поля остается перед подвижной точкой наибольшего сближения, когда качающаяся шайба совершает нутацию.
[00109] На ФИГ. 10 схематически показан покомпонентный изометрический вид двигателя 212. Двигатель включает в себя постоянный магнит 268, сердечник 270 двигателя, набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников 272 и набор электромагнитных катушек 274. Относительные положения и ориентации компонентов двигателя 212 могут быть описаны относительно оси двигателя. Термин "в осевом направлении" относится к линейным направлениям, параллельным оси 220 двигателя. Термин "в радиальном направлении" относится к линейным направлениям, перпендикулярным оси 220 двигателя. Термин "в круговом направлении" относится к угловым направлениям вокруг оси двигателя, а не вдоль оси двигателя или от нее.
[00110] Постоянный магнит 268 может иметь любую подходящую форму и может быть выполнен с возможностью получения любого подходящего магнитного поля. В изображенном примере постоянный магнит является цилиндрическим с осью 220 двигателя в качестве оси симметрии и включает в себя проход 276 через постоянный магнит вдоль оси двигателя. Постоянный магнит 268 может быть выполнен из любого подходящего ферромагнитного материала. Постоянный магнит 268 имеет северный и южный магнитные полюса, по существу выровненные по оси 220 двигателя. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, может быть упомянуто как первичное магнитное поле.
[00111] Сердечник 270 двигателя расположен ниже постоянного магнита 268. Сердечник 270 двигателя может быть выполнен из магнитовосприимчивого материала, способного приобретать магнитный момент при помещении в магнитное поле. Например, сердечник 270 двигателя может быть выполнен из электротехнической стали или железа. Сердечник 270 двигателя может иметь любую подходящую форму. В изображенном примере сердечник двигателя является цилиндрическим с осью 220 двигателя в качестве оси симметрии и радиусом, соответствующим радиусу постоянного магнита 268. Сердечник двигателя включает в себя проход 278, выровненный с проходом 276 через постоянный магнит.
[00112] Двигатель 212 включает в себя горизонтальную проставку 280, расположенную между постоянным магнитом 268 и сердечником 270 двигателя. Горизонтальная проставка 280 может ограничивать магнитное поле, передаваемое от постоянного магнита к сердечнику двигателя, и может способствовать регулированию величины магнитного поля, создаваемого двигателем 212.
[00113] Набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников 272 расположен в круговом направлении вокруг сердечника 270 двигателя. Полюсные наконечники 272 могут направлять магнитные поля внутри двигателя 212 от одного компонента двигателя к другому. Полюсные наконечники могут быть выполнены из любого магнитовосприимчивого материала, такого как электротехническая сталь. Может быть использовано любое подходящее количество полюсных наконечников. Вариант реализации, показанный на ФИГ. 10, включает в себя двенадцать полюсных наконечников. Полюсные наконечники могут иметь любую подходящую форму. Двенадцать полюсных наконечников, показанных на ФИГ. 10, имеют клиновидную форму и альтернативно могут быть описаны как клиновидные детали. Полюсные наконечники 272 могут быть отделены набором вертикальных проставок 282, которые способствуют изолированию магнитных полей в полюсных наконечниках между вертикальными проставками.
[00114] Набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников 272 имеет общую площадь 284 верхней поверхности. Полюсные наконечники могут иметь размер и быть выполнены таким образом, что величина площади их верхней поверхности представляет собой заданное число, кратное площади верхней поверхности постоянного магнита 268. В некоторых вариантах реализации площадь 284 верхней поверхности полюсных наконечников может быть в три раза больше площади верхней поверхности постоянного магнита.
[00115] Набор электромагнитных катушек 274 расположен в круговом направлении вокруг сердечника 270 двигателя и между сердечником двигателя и магнитовосприимчивыми полюсными наконечниками 272. Набор электромагнитных катушек включает в себя первый набор электромагнитных катушек и второй набор электромагнитных катушек. В изображенном примере первый набор электромагнитных катушек включает в себя три внутренние электромагнитные катушки 286, а второй набор электромагнитных катушек включает в себя три внешние электромагнитные катушки 288. Три внешние электромагнитные катушки 288 расположены между внутренними электромагнитными катушками 286 и набором магнитовосприимчивых полюсных наконечников 272. Первый и второй наборы электромагнитных катушек могут включать в себя любое подходящее количество катушек, включая две, три и более чем три катушки. Количество катушек в первом и втором наборах электромагнитных катушек не обязательно должно быть одним и тем же.
[00116] Каждая из первого набора электромагнитных катушек 286 размещена с перекрытием в круговом направлении с каждой катушкой смежной пары электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек 288. Каждая из второго набора электромагнитных катушек 288 размещена с перекрытием в круговом направлении с каждой катушкой смежной пары электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек 286. Каждая из набора электромагнитных катушек 274 имеет ось 290 катушки, ориентированную перпендикулярно оси 220 двигателя. Каждая электромагнитная катушка включает в себя один или более проводников, образующих множество замкнутых контуров вокруг оси 290 катушки. Когда каждая из указанного набора электромагнитных катушек проводит электрический ток, каждая катушка создает внутри себя магнитное поле, ориентированное по существу параллельно оси катушки.
[00117] Если внутренние и внешние электромагнитные катушки 286 и 288 размещены с перекрытием в круговом направлении, как описано выше, линии магнитного поля, создаваемого одной из электромагнитных катушек, могут проходить через один или более замкнутых контуров, образованных другой из электромагнитных катушек. Части магнитного поля, создаваемого одной из внутренних электромагнитных катушек 286, могут проходить через каждую катушку смежной пары внешних электромагнитных катушек 288. При наличии углового промежутка 292 между смежной парой внешних электромагнитных катушек, часть магнитного поля, создаваемого внутренней электромагнитной катушкой, может не проходить через какую-либо катушку смежной пары внешних электромагнитных катушек.
[00118] Аналогично, части магнитного поля, создаваемого одной из внешних электромагнитных катушек 288, могут проходить через каждую катушку смежной пары внутренних электромагнитных катушек 286. При наличии углового промежутка 294 между смежной парой внутренних электромагнитных катушек часть магнитного поля, создаваемого внешней электромагнитной катушкой, может не проходить через какую-либо катушку смежной пары внутренних электромагнитных катушек.
[00119] Двигатель 212 включает в себя верхний элемент 296, расположенный поверх постоянного магнита и набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников 272. Верхний элемент может покрывать площадь верхней поверхности полюсных наконечников и площадь верхней поверхности постоянного магнита. Верхний элемент имеет проход 298, по существу выровненный с проходом 276 через постоянный магнит. Верхний элемент 296 может быть выполнен из любого подходящего материала, такого как магнитовосприимчивый материал, например электротехническая сталь.
[00120] Магнитное поле, создаваемое двигателем, входит в верхний элемент и выходит из него в осевом направлении. Качающаяся шайба 214 расположена по существу плоской задней поверхностью возле верхнего элемента 296 с промежутком между двигателем и качающейся шайбой. Линии магнитного поля выходят из двигателя через верхний элемент по существу в осевом направлении, пересекают промежуток между двигателем и качающейся шайбой, перемещаются через качающуюся шайбу, снова пересекают промежуток между качающейся шайбой и двигателем и входят в двигатель через верхний элемент по существу в осевом направлении.
[00121] Когда двигатель 212 вызывает нутацию качающейся шайбы, зубья качания качающейся шайбы 214 и статорные зубья статора могут быть зацеплены с вызовом вращения качающейся шайбы. Лицевые зубья качающейся шайбы 214 и выходные зубья выходной шайбы могут быть зацеплены с вызовом вращения выходной шайбы в том же самом направлении, что и качающаяся шайба. Таким образом электромагнитная энергия двигателя 212 может быть преобразована во вращение выходной шайбы.
Порядок работы / использования
[00122] На ФИГ. 11 изображен способ, в целом обозначенный 300, работы самовыравнивающегося привода с виртуальным эллипсом. На этапе 302 способ 300 включает обеспечение входной шайбы входными зубьями, обеспечение качающейся шайбы зубьями качания и лицевыми зубьями и обеспечение статорного зубчатого колеса статорными зубьями. Входная шайба, качающаяся шайба и статорное зубчатое колесо могут быть выполнены и собраны, как показано, например, на ФИГ. 1 и описано выше в примере 1, или любым другим подходящим образом и в любой другой подходящей конфигурации в соответствии идеями настоящего изобретения.
[00123] На этапе 304 способ 300 включает вращение входной шайбы вокруг оси вращения. На этапе 306 способ 300 включает зацепление входных зубьев с лицевыми зубьями с вызовом вращения качающейся шайбы. Входные зубья и лицевые зубья могут быть расположены на поверхностях усеченного конуса с образованием двух дополняющих конусов таким образом, что зацепление зубьев вынуждает дополняющие конусы восстановить выравнивание. На этапе 308 способ 300 включает зацепление зубьев качания со статорными зубьями с вызовом нутации качающейся шайбы. Зубья качания и статорные зубья могут иметь форму клина и образовывать два дополняющих конуса таким образом, что зацепление зубьев вынуждает дополняющие конусы восстановить выравнивание.
[00124] Входная шайба может быть размещена на заданном расстоянии от статора для ограничения качающейся шайбы относительно статорного зубчатого колеса таким образом, что угол качания остается постоянным, и ни одна часть качающейся не может находиться дальше заданного расстояния от статорного зубчатого колеса.
[00125] В некоторых вариантах реализации способ может включать рассеяние энергии вращения за счет нутации качающейся шайбы. В других вариантах реализации способ также может включать остановку вращения входной шайбы и затем обеспечение возможности вращения входной шайбы за счет энергии инерции качающейся шайбы, совершающей нутации и вращающейся.
[00126] На ФИГ. 12 изображен еще один способ, в целом обозначенный 400, работы самовыравнивающегося привода с виртуальным эллипсом. На этапе 402 способ 400 включает обеспечение двигателя, который может включать в себя по меньшей мере один закругленный выступ на по существу плоской поверхности и может задавать 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. 4-8 и описано выше в примере 2, или любым другим подходящим образом и в любой другой подходящей конфигурации в соответствии с идеями настоящего изобретения.
[00127] На этапе 404 способ 400 включает подачу энергии на двигатель, который может вращаться вокруг оси вращения. На этапе 406 способ 400 включает ввод двигателя во взаимодействие с качающейся шайбой. Взаимодействие может состоять из ввода одного или более закругленных выступов двигателя во взаимодействие по существу с плоской поверхностью качающейся шайбы с вызовом нутации качающейся шайбы. На этапе 408 способ 400 включает в себя зацепление зубьев качания со статорными зубьями с вызовом вращения качающейся шайбы. На этапе 410 способ 400 включает в себя зацепление лицевых зубьев качающейся шайбы с выходными зубьями выходной шайбы с вызовом вращения выходной шайбы.
[00128] Входные зубья и лицевые зубья могут быть расположены на поверхностях усеченного конуса с образованием двух дополняющих конусов таким образом, что зацепление зубьев вынуждает дополняющие конусы восстановить выравнивание. Зубья качания и статорные зубья могут иметь форму клина и образовывать два дополняющих конуса таким образом, что зацепление зубьев вынуждает дополняющие конусы восстановить выравнивание.
[00129] 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.
[00130] Способ 400 также может быть использован для работы самовыравнивающегося привода с виртуальным эллипсом, совместимого с конфигурацией, описанной в примере 3. На этапе 402, например, способ 400 может включать обеспечение двигателя, имеющего постоянный магнит и набор электромагнитных катушек, задающих центральную ось, обеспечение качающейся шайбы из магнитовосприимчивого материала 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 описано выше в примере 3, или любым другим подходящим образом и в любой другой подходящей конфигурации в соответствии идеями настоящего изобретения.
[00131] При использовании в сочетании с магнитными силами на этапе 404 способ 400 может включать подачу энергии на двигатель, которая создает магнитное поле между двигателем и качающейся шайбой с наибольшей плотностью потока в подвижном местоположении. На этапе 406 способ 400 в этом случае включает в себя ввод двигателя во взаимодействие с качающейся шайбой путем намагничивания магнитовосприимчивого материала качающейся шайбы магнитным полем двигателя и с приложением, таким образом, силы к качающейся шайбе. Указанная сила может быть приложена в подвижном местоположении с наибольшей плотностью потока, что приводит к получению точки наибольшего сближения между качающейся шайбой и двигателем и вызову нутации качающейся шайбы.
[00132] На этапе 408 способ 400 включает зацепление зубьев качания со статорными зубьями с вызовом вращения качающейся шайбы. На этапе 410 способ 400 включает зацепление лицевых зубьев качающейся шайбы с выходными зубьями выходной шайбы с вызовом вращения выходной шайбы. В некоторых вариантах реализации способ также может включать остановку вращения двигателя с обеспечением возможности остановки выходной шайбы. При использовании в сочетании с магнитными силами способ также может включать подачу энергии на двигатель для перемещения подвижного местоположения с наибольшей плотностью потока в противоположном направлении с вращением выходной шайбы во втором направлении.
[00133] Способы использования согласно идеям настоящего изобретения могут быть применены вместе с любым вариантом реализации механического привода с виртуальным эллипсом, описанным ранее. Хотя различные этапы способов 300 и 400 описаны и проиллюстрированы на ФИГ. 11-12, не все указанные этапы обязательны для выполнения, в некоторых случаях они могут быть выполнены в порядке, отличающемся от показанного, а в некоторых случаях могут быть выполнены одновременно.
Кроме того, настоящее раскрытие содержит варианты реализации согласно следующим пунктам:
Пункт 1: Привод с качающейся шайбой, содержащий:
статорное зубчатое колесо, имеющее центральную ось статора и множество зубьев статора, расположенных на внутренней цилиндрической поверхности;
качающуюся шайбу, имеющую ось качания, расположенную под ненулевым углом качания относительно оси статора, поверхность зацепления, перпендикулярную оси качания, множество лицевых зубьев, расположенных на поверхности зацепления, и множество зубьев качания, расположенных по периметру качающейся шайбы и выполненных с возможностью зацепления со статорными зубьями; и
выходную шайбу, по существу выровненную с осью статора и имеющую множество выходных зубьев, выполненных с возможностью зацепления с лицевыми зубьями; причем по меньшей мере два из указанных множеств зубьев выполнены с возможностью зацепления друг с другом с самовыравниванием таким образом, что когда качающаяся шайба совершает нутацию вокруг статорного зубчатого колеса, угол качания остается постоянным.
Пункт 2: Привод с качающейся шайбой по пункту 1, в котором:
по меньшей мере один из зубьев качания имеет форму клина, причем поверхность указанного по меньшей мере одного зуба качания образует первую линию, выполненную с возможностью продолжения через центр масс качающейся шайбы; и
по меньшей мере один из статорных зубьев имеет форму клина, причем поверхность указанного по меньшей мере одного статорного зуба образует вторую линию, выполненную с возможностью продолжения через центр масс качающейся шайбы.
Пункт 3: Привод с качающейся шайбой по пункту 1, в котором:
лицевые зубья расположены на представляющей собой усеченный конус поверхности качающейся шайбы таким образом, что центр масс качающейся шайбы совпадает с вершиной поверхности усеченного конуса качающейся шайбы; и
выходные зубья расположены на представляющей собой усеченный конус поверхности выходной шайбы таким образом, что центр масс качающейся шайбы совпадает с вершиной поверхности усеченного конуса выходной шайбы.
Пункт 4: Привод с качающейся шайбой по пункту 1, в котором качающаяся шайба ограничена таким образом, что во время нутации ни одна часть качающейся шайбы не находится дальше заданного расстояния от статорного зубчатого колеса.
Пункт 5: Привод с качающейся шайбой по пункту 1, в котором зубья качания и лицевые зубья проходят в противоположных направлениях параллельно оси качания, а качающаяся шайба расположена между статорным зубчатым колесом и выходной шайбой.
Пункт 6: Привод с качающейся шайбой по пункту 1, в котором зубья качания и лицевые зубья проходят в одном и том же направлении параллельно оси качания, и статорное зубчатое колесо расположено между качающейся шайбой и выходной шайбой.
Пункт 7: Привод с качающейся шайбой по пункту 6, также содержащий двигатель, выполненный с возможностью вызова нутации качающейся шайбы вокруг статорного зубчатого колеса, причем
нутация качающейся шайбы вокруг статорного зубчатого колеса вызывает вращение качающейся шайбы, а вращение качающейся шайбы вызывает вращение выходной шайбы.
Пункт 8: Привод с качающейся шайбой по пункту 7, в котором:
двигатель является электродвигателем, имеющим по существу плоскую поверхность и по меньшей мере один круглый выступ, проходящий от указанной по существу плоской поверхности;
качающаяся шайба имеет по существу плоскую поверхность напротив поверхности зацепления; и
указанный по меньшей мере один круглый выступ выполнен с возможностью ввода во взаимодействие по существу с плоской поверхностью качающейся шайбы.
Пункт 9: Привод с качающейся шайбой по пункту 7, в котором:
двигатель включает в себя постоянный магнит и набор электромагнитных катушек;
качающаяся шайба выполнена из магнитовосприимчивого материала; и
постоянный магнит и набор электромагнитных катушек выполнены с возможностью совместного создания магнитного поля между двигателем и качающейся шайбой с наибольшей плотностью потока в подвижном местоположении.
Пункт 10: Привод с качающейся шайбой, содержащий:
статорное зубчатое колесо, имеющее центральную ось статора и множество зубьев статора, расположенных на внутренней цилиндрической поверхности;
качающуюся шайбу, имеющую ось качания, расположенную под ненулевым углом качания относительно оси статора, поверхность зацепления, перпендикулярную оси качания, множество лицевых зубьев, расположенных на поверхности зацепления, и множество зубьев качания, расположенных по периметру качающейся шайбы в плоскости, перпендикулярной как поверхности зацепления, так и оси качания;
выходную шайбу, по существу выровненную с осью статора и имеющую множество выходных зубьев, выполненных с возможностью зацепления с лицевыми зубьями; и средства для самовыравнивающего зацепления статорных зубьев с зубьями качания таким образом, что угол качания остается постоянным, когда качающаяся шайба совершает нутацию вокруг статорного зубчатого колеса.
Пункт 11: Привод с качающейся шайбой по пункту 10, в котором:
по меньшей мере один из зубьев качания имеет форму клина, причем поверхность указанного по меньшей мере одного зуба качания образует первую линию, выполненную с возможностью продолжения через центр масс качающейся шайбы; и
по меньшей мере один из статорных зубьев имеет форму клина, причем поверхность указанного по меньшей мере одного статорного зуба образует вторую линию, выполненную с возможностью продолжения через центр масс качающейся шайбы.
Пункт 12: Привод с качающейся шайбой по пункту 10, в котором:
лицевые зубья расположены на представляющей собой усеченный конус поверхности качающейся шайбы таким образом, что центр масс качающейся шайбы совпадает с вершиной поверхности усеченного конуса качающейся шайбы; и
выходные зубья расположены на представляющей собой усеченный конус поверхности выходной шайбы таким образом, что центр масс качающейся шайбы совпадает с вершиной поверхности усеченного конуса выходной шайбы.
Пункт 13: Привод с качающейся шайбой по пункту 10, в котором качающаяся шайба ограничена таким образом, что во время нутации ни одна часть качающейся шайбы не находится дальше заданного расстояния от статорного зубчатого колеса.
Пункт 14: Привод с качающейся шайбой по пункту 10, в котором зубья качания и лицевые зубья проходят в противоположных направлениях параллельно оси качания, и качающаяся шайба расположена между статорным зубчатым колесом и выходной шайбой.
Пункт 15: Привод с качающейся шайбой по пункту 10, в котором зубья качания и лицевые зубья проходят в одном и том же направлении параллельно оси качания, и статорное зубчатое колесо расположено между качающейся шайбой и выходной шайбой.
Пункт 16: Способ работы привода с качающейся шайбой, включающий:
обеспечение статорного зубчатого колеса, качающейся шайбы и выходной шайбы;
зацепление с самовыравниванием множества зубьев статора статорного зубчатого колеса с множеством зубьев качания качающейся шайбы;
зацепление с самовыравниванием множества лицевых зубьев качающейся шайбы с множеством выходных зубьев выходной шайбы и
вызов нутации качающейся шайбы вокруг статорного зубчатого колеса.
Пункт 17: Способ по пункту 16, согласно которому вызов нутации качающейся шайбы включает в себя:
подачу энергии на двигатель для вращения вокруг оси вращения, причем двигатель имеет по существу плоскую поверхность и по меньшей мере один закругленный выступ, проходящий от указанной по существу плоской поверхности; и
ввод указанного по меньшей мере одного закругленного выступа во взаимодействие по существу с плоской поверхностью качающейся шайбы с вызовом нутации качающейся шайбы.
Пункт 18: Способ по пункту 16, согласно которому вызов нутации качающейся шайбы включает в себя:
подачу энергии на двигатель, включающий в себя постоянный магнит и набор электромагнитных катушек, для создания магнитного поля между двигателем и качающейся шайбой с наибольшей плотностью потока в подвижном местоположении с вызовом нутации качающейся шайбы.
Пункт 19: Способ по пункту 16, согласно которому:
вызов нутации качающейся шайбы включает в себя вращение выходной шайбы;
вращение выходной шайбы, когда лицевые зубья зацеплены с выходными зубьями вызывает вращение качающейся шайбы; и
вращение качающейся шайбы, когда статорные зубья зацеплены с зубьями качания вызывает нутацию качающейся шайбы.
Пункт 20: Способ по пункту 16, также включающий ограничение качающейся шайбы таким образом, что во время нутации ни одна часть качающейся шайбы не находится более, чем на заданное расстояние от статорного зубчатого колеса.
Преимущества, особенности, достигаемые технические результаты
Различные варианты реализации самовыравнивающегося привода с качающейся шайбой, описанные в настоящем документе, обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с известными решениями для разработки компактных и экономичных приводов с качающейся шайбой. Например, иллюстративные варианты реализации самовыравнивающегося привода с качающейся шайбой, описанные в настоящем документе, обеспечивают привод без опорного вала или опоры. Кроме того и помимо прочих преимуществ, иллюстративные варианты реализации самовыравнивающейся качающейся шайбы, описанные в настоящем документе, уменьшают вибрацию, вырабатываемую за счет трения, а также связывание зубьев зацепления. Ни одна из известных систем или ни одно из известных устройств не может реализовать эти функции, в частности, в таком небольшом объеме. 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.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| МЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД С ВИРТУАЛЬНЫМ ЭЛЛИПСОМ | 2018 |
|
RU2753013C2 |
| РЕДУКТОР С ЭЛЛИПТИЧЕСКИМ СОПРЯЖЕНИЕМ | 2016 |
|
RU2720568C2 |
| СПОСОБ И СИСТЕМА ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ НА ОСНОВЕ КАЧАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ И ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО СОПРЯЖЕНИЯ | 2016 |
|
RU2713421C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНОГО ЭЛЛИПСА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ | 2017 |
|
RU2732365C2 |
| УРАВНОВЕШЕННАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЭКСЦЕНТРИЧЕСКОГО ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА И СПОСОБ | 2016 |
|
RU2721326C2 |
| СИСТЕМА ТОРМОЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО СОПРЯЖЕНИЯ | 2017 |
|
RU2752703C2 |
| МОТОР-РЕДУКТОР С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ПРЕЦЕССИРУЮЩИМ ЗУБЧАТЫМ КОЛЕСОМ (ВАРИАНТЫ) | 2013 |
|
RU2538478C1 |
| ПРИВОД ДЛЯ ВРАЩЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА В СПОСОБЕ И УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ | 2000 |
|
RU2255641C2 |
| ТОРЦЕВОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С КАЧАЮЩИМСЯ РОТОРОМ | 2019 |
|
RU2720887C1 |
| ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ | 2003 |
|
RU2266236C2 |
Группа изобретений относится к области машиностроения. Привод с качающейся шайбой содержит статорное зубчатое колесо, имеющее центральную ось статора и множество зубьев статора, расположенных на внутренней цилиндрической поверхности, качающуюся шайбу, имеющую ось качания, расположенную под ненулевым углом качания относительно оси статора, поверхность зацепления, перпендикулярную оси качания, множество лицевых зубьев, расположенных на поверхности зацепления, и множество зубьев качания, расположенных по периметру качающейся шайбы и выполненных с возможностью зацепления со статорными зубьями, и выходную шайбу, по существу выровненную с осью статора и имеющую множество выходных зубьев, выполненных с возможностью зацепления с лицевыми зубьями. По меньшей мере два из указанных множеств зубьев выполнены с возможностью зацепления друг с другом с самовыравниванием таким образом, что когда качающаяся шайба совершает нутацию вокруг статорного зубчатого колеса, угол качания остается постоянным. Также заявлен способ работы привода с качающейся шайбой. Обеспечивается повышение эксплуатационных характеристик привода. 2 н. и 12 з.п. ф-лы. 12 ил.
1. Привод (10, 110, 210) с качающейся шайбой, содержащий:
статорное зубчатое колесо (16, 116), имеющее центральную ось (54, 154) статора и множество зубьев (32, 132) статора, расположенных на внутренней цилиндрической поверхности (50, 150);
качающуюся шайбу (14, 114, 214), имеющую ось (22, 122, 222) качания, расположенную под ненулевым углом качания относительно оси статора, поверхность (26, 126) зацепления, перпендикулярную оси качания, множество лицевых зубьев (28, 128), расположенных на поверхности зацепления, и множество зубьев качания (30, 130), расположенных по периметру качающейся шайбы и выполненных с возможностью зацепления со статорными зубьями; и
выходную шайбу (118), по существу выровненную с осью статора и имеющую множество выходных зубьев (134), выполненных с возможностью зацепления с лицевыми зубьями;
причем по меньшей мере два из указанных множеств зубьев выполнены с возможностью зацепления друг с другом с самовыравниванием таким образом, что, когда качающаяся шайба совершает нутацию вокруг статорного зубчатого колеса, угол качания остается постоянным.
2. Привод с качающейся шайбой по п. 1, в котором:
по меньшей мере один из зубьев качания (30, 130) имеет форму клина, причем поверхность (64) указанного по меньшей мере одного зуба качания образует первую линию (70), выполненную с возможностью продолжения через центр масс качающейся шайбы; и
по меньшей мере один из статорных зубьев (32, 132) имеет форму клина, причем поверхность (66, 68) указанного по меньшей мере одного статорного зуба образует вторую линию (72), выполненную с возможностью продолжения через центр масс качающейся шайбы.
3. Привод с качающейся шайбой по п. 1, в котором:
лицевые зубья расположены на представляющей собой усеченный конус поверхности (164) качающейся шайбы таким образом, что центр масс качающейся шайбы совпадает с вершиной поверхности усеченного конуса качающейся шайбы; и
выходные зубья расположены на представляющей собой усеченный конус поверхности (162) выходной шайбы таким образом, что центр масс качающейся шайбы совпадает с вершиной поверхности усеченного конуса выходной шайбы.
4. Привод с качающейся шайбой по п. 1, в котором качающаяся шайба ограничена таким образом, что во время нутации ни одна часть качающейся шайбы не находится дальше заданного расстояния от статорного зубчатого колеса.
5. Привод с качающейся шайбой по п. 1, в котором зубья качания и лицевые зубья проходят в противоположных направлениях параллельно оси качания, а качающаяся шайба расположена между статорным зубчатым колесом и выходной шайбой.
6. Привод с качающейся шайбой по п. 1, в котором зубья качания и лицевые зубья проходят в одном и том же направлении параллельно оси качания, а статорное зубчатое колесо расположено между качающейся шайбой и выходной шайбой.
7. Привод с качающейся шайбой по п. 6, также содержащий двигатель (112, 212), выполненный с возможностью вызова нутации качающейся шайбы вокруг статорного зубчатого колеса, причем
нутация качающейся шайбы вокруг статорного зубчатого колеса вызывает вращение качающейся шайбы, а вращение качающейся шайбы вызывает вращение выходной шайбы.
8. Привод с качающейся шайбой по п. 7, в котором:
двигатель является электродвигателем, имеющим по существу плоскую поверхность (136) и по меньшей мере один круглый выступ, проходящий от указанной по существу плоской поверхности;
качающаяся шайба имеет по существу плоскую поверхность (24, 124) напротив поверхности зацепления; и
указанный по меньшей мере один круглый выступ выполнен с возможностью ввода во взаимодействие по существу с плоской поверхностью качающейся шайбы.
9. Привод с качающейся шайбой по п. 7, в котором:
двигатель включает в себя постоянный магнит (268) и набор электромагнитных катушек (274, 286, 290); причем
качающаяся шайба выполнена из магнитовосприимчивого материала; и
постоянный магнит и набор электромагнитных катушек выполнены с возможностью совместного создания магнитного поля между двигателем и качающейся шайбой с наибольшей плотностью потока в подвижном местоположении.
10. Способ (400) работы привода (10, 110, 210) с качающейся шайбой, включающий:
обеспечение (402) статорного зубчатого колеса (16, 116), качающейся шайбы (14, 114, 214) и выходной шайбы (118);
зацепление (408) с самовыравниванием множества зубьев (32, 132) статора статорного зубчатого колеса с множеством зубьев качания (30, 130) качающейся шайбы;
зацепление (410) с самовыравниванием множества лицевых зубьев качающейся шайбы с множеством выходных зубьев (134) выходной шайбы и
вызов нутации качающейся шайбы вокруг статорного зубчатого колеса.
11. Способ по п. 10, согласно которому вызов нутации качающейся шайбы включает в себя:
подачу энергии (404) на двигатель (112, 212) для вращения вокруг оси вращения (20, 120, 220), причем двигатель имеет по существу плоскую поверхность (136) и по меньшей мере один закругленный выступ, проходящий от указанной по существу плоской поверхности; и
ввод (406) указанного по меньшей мере одного закругленного выступа во взаимодействие по существу с плоской поверхностью качающейся шайбы с вызовом нутации качающейся шайбы.
12. Способ по п. 10, согласно которому вызов нутации качающейся шайбы включает в себя:
подачу энергии (404) на двигатель (112, 212), включающий в себя постоянный магнит (268) и набор электромагнитных катушек (274, 286, 290), для создания магнитного поля между двигателем и качающейся шайбой с наибольшей плотностью потока в подвижном местоположении с вызовом нутации качающейся шайбы.
13. Способ по п. 10, согласно которому:
вызов нутации качающейся шайбы включает в себя вращение выходной шайбы;
вращение выходной шайбы, когда лицевые зубья зацеплены с выходными зубьями, вызывает вращение качающейся шайбы; и
вращение качающейся шайбы, когда статорные зубья зацеплены с зубьями качания, вызывает нутацию качающейся шайбы.
14. Способ по п. 10, также включающий ограничение качающейся шайбы таким образом, что во время нутации ни одна часть качающейся шайбы не находится дальше заданного расстояния от статорного зубчатого колеса.
| US 20110162471 A1, 07.07.2011 | |||
| EP 2838186 A2, 18.02.2015 | |||
| Приспособление для захвата штабеля шпал | 1960 |
|
SU133578A1 |
