一种行星齿轮组及扁平舵机

技术领域

本发明涉及舵机技术领域，具体涉及一种行星齿轮组及扁平舵机。

背景技术

舵机是机器人等自动化设备的关键部件，舵机性能的好坏直接影响到机器人的整体性能。目前的机器人大部分比较笨重，整体尺寸比较大，难以应用于一些体型较小但对输出力矩、转矩波动要求较高的高性能机器人(如足式机器人、外骨骼机器人、仿生机器人等)的应用场合中。而舵机的自重和轴向尺寸是影响机器人整体尺寸的关键因素，如何在等功率的情况下，尽可能地减小舵机的自重和轴向长度，实现舵机扁平化、轻量化设计是目前面临的技术难题。

现有技术中的舵机包括电机和齿轮减速箱，电机包括电机壳体、电机定子和电机转子，齿轮减速箱悬置在电机转子的内部空腔中，以减小齿轮减速箱在舵机轴向上空间占用，达到缩短舵机轴向尺寸的目的。另外，由于行星齿轮结构具有高精度、高传动效率、高的扭矩/传动比、终身免维护等特点，舵机的齿轮减速箱内一般设置行星齿轮结构来降低转速、提升扭矩；又由于行星齿轮结构的限制，单级行星齿轮结构的减速比最小为3，最大不超过10，为了获得更高的减速比，一般需要在齿轮减速箱内设计多级的行星齿轮结构。

目前，多级行星齿轮结构中各级行星齿轮单元的厚度都是一致的，导致齿轮减速箱整体轴向上的尺寸还是比较大，相应的电机转子、电机外壳的轴向尺寸也比较大，不利于实现舵机的扁平化设计。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的多级行星齿轮单元整体的轴向尺寸大，不利于实现舵机扁平化设计的缺陷，从而提供一种行星齿轮组及扁平舵机。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种行星齿轮组，至少包括两级行星齿轮单元，相邻两级行星齿轮单元中位于前一级的行星齿轮单元的厚度为位于后一级的行星齿轮单元的厚度1.6/n～3/n倍，其中，n为后一级行星齿轮单元的减速比。

进一步地，所述行星齿轮单元包括太阳轮、行星轮和齿圈；相邻两级行星齿轮单元中位于前一级的太阳轮的厚度为位于后一级的太阳轮的厚度的1.6/n～3/n倍；相邻两级行星齿轮单元中位于前一级的行星轮的厚度为位于后一级的行星轮的厚度的1.6/n～3/n倍；相邻两级行星齿轮单元中位于前一级的齿圈的厚度为位于后一级的齿圈的厚度的1.6/n～3/n倍。

进一步地，所述减速比n的取值为4、5、8。

另一方面，本发明还提供了一种扁平舵机，包括舵机外壳、固定在所述舵机外壳内的电机定子、同轴套设在所述电机定子内的电机转子、与所述电机转子保持同步转动的轴体，以及一端通过舵机机座保持与所述舵机外壳的相对位置固定的齿轮箱，所述齿轮箱悬置于所述电机转子的安装腔室中，所述齿轮箱的输入端与所述轴体相装配，所述齿轮箱内设有如上所述的行星齿轮组。

进一步地，所述舵机外壳的内壁连接有向所述舵机外壳内部空腔中延伸的轴承座，所述轴承座内设有轴承室，所述轴承室内安装有一对单列角接触球轴承，所述轴体通过一对单列角接触球轴承转动连接于所述轴承座。

进一步地，一对所述单列角接触球轴承沿所述轴体的轴向依次布置，所述单列角接触球轴承包括轴承外圈、轴承内圈和位于所述轴承外圈和所述轴承内圈之间的轴承球体；所述轴承内圈与所述轴体外壁相贴合，所述轴承外圈与所述轴承室内壁相贴合；两个所述轴承内圈之间垫设有垫片；所述轴承座上安装有沿所述轴体的轴向方向压紧位于下端的所述单列角接触球轴承的轴承外圈、以使所述轴承外圈和所述轴承内圈发生轴向错位而消除轴间游隙的预紧机构。

进一步地，所述轴承座上设有仅挡在位于上端的所述单列角接触球轴承的轴承外圈的上方，用于配合所述预紧机构消除位于上端的所述单列角接触球轴承的轴间游隙的限位端。

进一步地，所述预紧机构包括螺纹连接于所述轴承座的安装孔内的螺丝，以及弹性垫设在所述螺丝的螺帽和所述轴承座之间的弹簧垫片；所述弹簧垫片伸向位于下端的所述单列角接触球轴承的轴承外圈的下端面；锁紧所述螺丝，可使所述弹簧垫片压紧所述位于下端的所述单列角接触球轴承的轴承外圈。

进一步地，所述弹簧垫片的内圈具有用于和所述轴承外圈定位配合的齿状结构。

进一步地，所述弹簧垫片采用材料65Mn经调质热处理。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的行星齿轮组，将前一级的行星齿轮单元的厚度设计为后一级的行星齿轮单元的厚度1.6/n～3/n倍，其中，n为后一级行星齿轮单元的减速比；可以在满足齿轮设计约束条件的前提下，达到缩短行星齿轮组整体轴向尺寸的目的。

2.本发明提供的扁平舵机，将齿轮箱设置在电机转子的内部空腔中，可以充分利用电机转子的内部空间，使舵机的结构更加紧凑，缩短舵机整体的轴向尺寸，而且，齿轮箱内采用上述所述的行星齿轮组，在满足舵机减速比要求和齿轮设计约束条件的前提下，可以缩短齿轮箱的轴向尺寸，相应地可以缩短为齿轮箱提供安装空间的电机转子以及容纳电机转子的舵机外壳的轴向尺寸，进一步有利于实现舵机的扁平化设计。而且，舵机轴向尺寸的缩短，也意味着舵机整体自重的减小，不仅减少了生产材料成本，在等功率的情况下，还可以减小舵机因自重造成的输出力矩损耗，提高舵机的输出扭矩。此外，舵机轴向尺寸的减小，可以减小舵机高速运转时产生的振动，从而减小振动造成的部件损耗和噪声，提高舵机的使用寿命。

3.本发明提供的扁平舵机，与电机转子固定连接的轴体通过一对单列角接触球轴承实现轴向位置固定的方式，可以保持轴体及电机转子运行时的平衡。

4.本发明提供的扁平舵机，在一对单列角接触球轴承的两个轴承内圈之间设置垫片，并在轴承座上安装可以轴向方向压紧位于下端的单列角接触球轴承的轴承外圈的预紧机构；预紧机构为一对单列角接触球轴承提供的轴向锁紧力，将一对单列角接触球轴承预紧在轴承室内，预紧机构在锁紧力作用于位于下端的单列角接触球轴承的轴承外圈，可以使位于下端的单列角接触球轴承的轴承外圈和轴承内圈发生轴向错位，从而消除单列角接触球轴承的轴间游隙，增强单列角接触球轴承的刚度和抗倾覆力，轴体能够很好地抵抗由不均匀磁拉力引起的摆动，抑制轴体的径向跳动，提高轴体轴向和径向的安装精度；而且与轴体保持固定的电机转子的运动稳定性得以提高，更有效地保证电机转子和电机定子之间气隙磁阻的均匀性。

5.本发明提供的扁平舵机，弹簧垫片通过螺丝传递的轴向锁紧力将位于下端的单列角接触球轴承的轴承外圈预紧，当螺丝锁紧之后，弹簧垫片与轴承座之间变为零间隙或接近零间隙，位于下端的单列角接触球轴承的轴承内圈和轴承外圈在轴向上发生相对位移；此时，位于下端的单列角接触球轴承将受到由弹簧垫片施加的轴向作用力F1和两单列角接触球轴承间的垫片施加的轴向力F3＇；根据牛顿第三定律，上方的单列角接触球轴承的轴承同样会受到来自垫片的轴向力F3＂。显而易见，轴承座上方的限位端也对上方单列角接触球轴承的轴承外圈产生向下的作用力F2；从而使一对单列角接触球轴承的轴承内圈和轴承外圈均发生轴向位移，消除一对单列角接触球轴承的轴间游隙，增强一对单列角接触球轴承的刚度和抗倾覆力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的多级行星齿轮单元的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的扁平舵机的结构示意图。

附图标记说明：1、齿轮箱；10、行星齿轮单元；2、舵机外壳；3、电机定子；4、电机转子；5、轴体；6、舵机机座；7、轴承座；8、单列角接触球轴承；81、轴承外圈；82、轴承内圈；83、轴承球体；9、垫片；11、螺丝；12、弹簧垫片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

在齿轮设计中，齿轮的模数是设计尺寸的基准，在一定直径的分度圆上只能布置有限的齿数，这个约束条件用齿轮模数m表示：

m＝分度圆直径d/齿数z＝齿距p/圆周率π；

因此，齿轮直径一定，模数m越大，齿数z可以越多，且为了满足齿轮承载能力，齿轮厚度h应该越大，自然会有以下关于齿轮厚度h的约束条件：

齿轮厚度h＝πm/2；

以上公式都是公知的齿轮设计约束条件。

在由多级行星齿轮单元组成的行星齿轮减速机构中，由于减速比n的存在，后一级行星齿轮单元的输出扭矩为前一级行星齿轮单元的输出扭矩的n倍，为保证齿轮的承载力满足要求，齿轮的设计厚度也需要随之增大。

在满足上述齿轮设计约束条件的要求下，本发明提供了一种行星齿轮组，如图1所示，包括三级行星齿轮单元10，相邻两级行星齿轮单元10中位于前一级的行星齿轮单元10的厚度为位于后一级的行星齿轮单元10的厚度1.6/n～3/n倍，其中，前一级的行星齿轮单元10指的是相对于后一级行星齿轮单元10更靠近电机输出端的一级行星齿轮单元10；也就是说，三级行星齿轮单元10中单元厚度最小的一级行星齿轮单元10用于同电机的输出端相连；n为后一级行星齿轮单元10的减速比。优选的，减速比n的取值为4、5、8。在其他可替换的实施方式中，行星齿轮组还可以包括二级或三级以上数量的行星齿轮单元10。

例如，相邻两级行星齿轮单元10中，后一级行星齿轮单元10的减速比n＝4，后一级行星齿轮单元10的厚度h

具体的，每级行星齿轮单元10均包括依次啮合的太阳轮、行星轮和齿圈。相邻两级行星齿轮单元10中位于前一级的太阳轮的厚度为位于后一级的太阳轮的厚度的1.6/n～3/n倍；相邻两级行星齿轮单元10中位于前一级的行星轮的厚度为位于后一级的行星轮的厚度的1.6/n～3/n倍；相邻两级行星齿轮单元10中位于前一级的齿圈的厚度为位于后一级的齿圈的厚度的1.6/n～3/n倍。

这种行星齿轮组，在确保行星齿轮单元10中各个带齿构件的承载力满足齿轮设计约束条件要求的前提下，可以缩短行星齿轮组整体的轴向尺寸。

实施例二

如图2所示的一种扁平舵机，包括内部具有空腔的舵机外壳2、固定在舵机外壳2内壁上的电机定子3、与电机定子3同轴设置且位于电机定子3内的电机转子4、与电机转子4保持同步转动的轴体5、固定在舵机外壳2顶部的舵机机座6、以及一端通过舵机机座6保持与舵机外壳2相对位置固定的齿轮箱1。电机转子4为内部具有安装腔室的凹形筒体结构，齿轮箱1悬置于电机转子4的安装腔室中，齿轮箱1的输入端与轴体5相装配。齿轮箱1内设有如上实施例一所述的行星齿轮组。

这种扁平舵机，将齿轮箱1设置在电机转子4内部的安装腔室中，可以充分利用电机转子4的内部空间，使舵机的结构更加紧凑，缩短舵机整体的轴向尺寸，而且，齿轮箱1内采用上述所述的行星齿轮组，在满足舵机减速比要求和齿轮设计约束条件的前提下，可以缩短齿轮箱1的轴向尺寸，相应地可以缩短为齿轮箱1提供安装空间的电机转子4以及容纳电机转子4的舵机外壳2的轴向尺寸，有利于实现舵机的扁平化设计。而且，舵机轴向尺寸的缩短，也意味着舵机整体自重的减小，不仅减少了生产材料成本，在等功率的情况下，还可以减小舵机因自重造成的输出力矩损耗，提高舵机的输出扭矩。此外，舵机轴向尺寸的减小，可以减小舵机高速运转时产生的振动，从而减小振动造成的部件损耗和噪声，提高舵机的使用寿命。

在本实施例中，舵机外壳2的内壁还一体成型有向其内部空腔延伸的轴承座7，轴承座7内设有轴承室，轴承室内安装有一对单列角接触球轴承8。电机转子4底壁的中间开设有沿舵机外壳2中心轴线方向设置的通孔，轴体5穿过电机转子4底壁上的通孔转动连接于一对单列角接触球轴承8。轴体5通过一对单列角接触球轴承8实现轴向位置固定的方式，可以保持轴体5及电机转子4运行时的平衡。

在本实施例中，一对单列角接触球轴承8沿轴体5的轴向依次布置，单列角接触球轴承8包括轴承外圈81、轴承内圈82和位于轴承外圈81和轴承内圈82之间的轴承球体83，轴承内圈82与轴体5外壁相贴合，轴承外圈81与轴承室内壁相贴合。正常情况下，轴承外圈81和轴承内圈82在单列角接触球轴承8轴向上不可避免的存在有轴间游隙。轴承座7上设有仅挡在位于上端的单列角接触球轴承8的轴承外圈81的上方，用于配合预紧机构消除位于上端的单列角接触球轴承8的轴间游隙的限位端71。在一对单列角接触球轴承8的两个轴承内圈82之间的间隙处还垫设有垫片9；轴承座7上安装有沿轴体5的轴向方向压紧位于下端的单列角接触球轴承8的轴承外圈81、以使轴承外圈81和轴承内圈82发生轴向错位而消除轴间游隙的预紧机构。

在一对单列角接触球轴承8的两个轴承内圈82之间设置垫片9，并在轴承座7上安装可以轴向方向压紧位于下端的单列角接触球轴承8的轴承外圈81的预紧机构11；预紧机构11为一对单列角接触球轴承8提供的轴向锁紧力，将一对单列角接触球轴承8预紧在轴承室内，预紧机构11在锁紧力作用于位于下端的单列角接触球轴承8的轴承外圈81，可以使位于下端的单列角接触球轴承8的轴承外圈81和轴承内圈82发生轴向错位，从而消除单列角接触球轴承8的轴间游隙，增强单列角接触球轴承8的刚度和抗倾覆力，轴体5能够很好地抵抗由不均匀磁拉力引起的摆动，抑制轴体5的径向跳动，提高轴体5轴向和径向的安装精度；而且与轴体5保持固定的电机转子4的运动稳定性得以提高，可以更有效地保证电机转子4和电机定子3之间气隙磁阻的均匀性。

在本实施例中，预紧机构11包括螺纹连接于轴承座7的安装孔内的螺丝12，以及弹性垫设在螺丝12的螺帽和轴承座7之间的弹簧垫片13；弹簧垫片13伸向位于下端的单列角接触球轴承8的轴承外圈81的下端面。弹簧垫片13通过螺丝12传递的轴向锁紧力将位于下端的单列角接触球轴承8的轴承外圈81预紧，当螺丝12锁紧之后，弹簧垫片13与轴承座7之间变为零间隙或接近零间隙，位于下端的单列角接触球轴承8的轴承内圈82和轴承外圈81在轴向上发生相对位移；此时，位于下端的单列角接触球轴承8将受到由弹簧垫片13施加的轴向作用力F1和两单列角接触球轴承8间的垫片9施加的轴向力F3＇；根据牛顿第三定律，上方的单列角接触球轴承8的轴承同样会受到来自垫片9的轴向力F3＂。显而易见，轴承座7上方的限位端也对上方单列角接触球轴承8的轴承外圈81产生向下的作用力F2；从而使一对单列角接触球轴承8的轴承内圈82和轴承外圈81均发生轴向位移，消除一对单列角接触球轴承8的轴间游隙，增强一对单列角接触球轴承8的刚度和抗倾覆力。

在本实施例中，弹簧垫片13采用65Mn材料经调质热处理制成。弹簧垫片13的内圈设有多个用于和轴承外圈81定位配合的齿状结构。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。