[发明专利]弗雷摩擦齿轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有较高效率的无声防滑摩擦齿轮(silent runningslipfree friction gear)。

背景技术

本发明的原因是对于使用这样一种机构的需求，该机构能无声并轻易地产生能够移动物质(mass)短冲程和长冲程地前进和后退的线性力。外部负载可以是摩擦力、重力或弹力。该机构，还被称为促动器，最好具有尽可能小的体积。

促动器应用的实例是可垂直移动的办公台和组装工作台、病床、窗户和汽车座椅的远程控制、阀的零间隙(backlash free)控制等等。对于低噪音和低制造成本的要求往往也是十分重要的。

在这种类型的应用中，带有减速齿轮箱的马达被安装到带螺母的螺杆。该螺母被安装到要被移动的物体上。往往非常难以建立笔直地线性移动。该螺母还被迫使沿着垂直于主移动方向的平面移动。对准误差也产生了。

通常促动器包括带减速齿轮箱的马达，该齿轮箱被安装到带螺旋螺纹的螺杆(helical threaded screw)，该螺杆被安装到固定的止推轴承。在螺杆的旋转之下，螺母(通常由塑料制成)被向前和向后运送。

该马达通常是具有换向电刷(commutating brush)的DC(直流)马达，还被称为换向器马达(brush motor)，但是很清楚的倾向是带电子换向的无电刷马达的价格不断降低且更加普遍。替代的(alternative)马达类型是步进马达、异步和同步马达。

齿轮箱的常规减速比在8:1到20:1范围。该比率通常取决于螺旋螺杆必须是自锁的，即如果马达电源断开，外部轴向负载不能将促动器向回旋转。自锁的极限在8度左右的螺旋角(pitch angle)。螺距增大，螺杆的效率将会增加。由此，所得到的最佳螺旋角在非常接近8度处。下螺距极限取决于实际制造因素。在轴向螺距小于3mm的情况下，必须放弃使用六角螺纹而替代地使用常规螺纹牙形(normal thread profile)，其仍然具有较低的效率。

齿轮箱通常是涡轮型的，使得可以无声的运行。缺点是效率较低，在比率在8:1-20:1中时最大为60％。还有一个严重的缺点是马达/齿轮彼此成角度，这导致了体积过大的设计。

为了具有“笔直的”设计，即，马达，齿轮和螺杆成一直线(in line)。

行星齿轮给出了笔直的设计，但是噪声是个问题。除此之外，在实践中不能在一个齿轮级(gear step)中获得大于约8:1的减速比。将不得不使用两级，其将使得齿轮箱更加复杂(昂贵)。替代地是使用具有较高转矩的较大马达，其给出了一个笨拙的设计。

在这方面，工业上公知的奥登齿轮(oden gear)给出了紧凑和简单的设计以及相对无声的运行。当减速比在20:1和更高的范围中时这是个优秀的选择。然而，在这些上述应用中，所使用的范围是8:1到20:1。

存在这样的行星齿轮，其不使用嵌齿齿轮(cog-gears)而是摩擦齿轮。它们十分安静，但是缺点是可能会产生滑动。为了避免滑动，弹簧预加载被使用，其大小被确定以满足发生的最大负载(highest occurring load)。

存在这样的设计，除了少量的基本预加载之外，其具有转矩联接器(torque coupling)其给出与加载的转矩成比例的预加载。该联接器通常包括一些硬化钢球，放置在沿输出轴的径向设置的V形凹槽中。当转矩负载增大时，这些球沿着凹槽的侧面移动并给出较高的轴向预加载。

该齿轮转动螺杆，该螺杆被安装到齿轮箱中的止推轴承上。

一些公知的摩擦齿轮原理(principle)。

迄今为止，摩擦齿轮的应用相对较少的原因是避免滑动和低效的问题。

滑动显著地降低使用寿命并增大声级(sound level)。

总效率往往大大低于理论计算。

沿着硬化且经润滑的滚道滚动的球的动力损失理论上非常低。

在摩擦齿轮中使用了许多球。要得到该理论高效率，齿轮的几何构造(geometry)必须相应地接近理论模型。

在齿轮部件之间相对较小的公差以及外部负载将会改变该几何构造，其使得球例如沿各自不同的半径运行。这将会在球之间产生较大的摩擦力且产生“微观滑动(micro-slip)”，即这些球还在滚道上局部地滑移。该滑移将很快地损坏球和滚道。

在所有球上的均匀负载分布对于传送最佳高转矩和提高齿轮的疲劳寿命也是非常重要的。

即使微观的小表面缺陷也会发出较高的声级并影响使用寿命。