CN101324265A - 一种空间曲线啮合传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空间曲线啮合传动机构，本机构则是基于空间曲线啮合原理的新型传动机构。该传动机构包括主动轮、从动轮、若干个主动轮钩杆和若干个从动轮钩杆，所述主动轮钩杆均匀安装在主动轮的端面上，从动轮钩杆单排均匀布置在从动轮的圆周上，主动轮钩杆与从动轮钩杆呈共轭的空间啮合曲线形状，轴线相互垂直的主动轮和从动轮组成一传动副；主动轮转动时，主动轮钩杆与从动轮钩杆之间产生连续稳定的啮合传动。该机构具有以下优点：机构只有一个传动副，使得传动系零件数减至最少，传动系结构十分简单；可以实现类似蜗轮蜗杆的大传动比传动；由于两个轮轴位于同一个平面，使得其空间尺寸较小，且易于加工。

Description

一种空间曲线啮合传动机构

技术领域

本发明涉及微机电系统传动技术，具体涉及一种空间曲线啮合传动机构。

背景技术

随着科学技术水平和社会生活水平的提高，机电产品微小型化成为趋势之一。微机电系统(MEMS)已成为当前机械领域研究的热点。而微小/微传动机构或减速器又是微机电系统产品的关键部件，因此微小机械传动技术的研究开发又成为目前机械学科的研究热点之一。由于微小型/微型机电产品的最重要特征是小体积(要求传动机构和传动系统占用空间小)、轻重量，大多以小动力的运动传递或者分度运动为主，而不是以大功率的动力传递为主，使得常规工业广泛应用的传动机构(如齿轮、链、带、连杆等)往往不适用于这类产品。所以实现微小机械传动方法和机构成为微机电系统领域的关键技术。

目前各国研究开发的微小机械传动的方法和机构主要包括：

(1)传统机械传动机构的直接微小型化机械传动技术。例如，微泵机构、微弹簧机构、微流量阀机构、微轮系机构、微并联机构、微棘轮机构，微液压驱动机构，等微小机械传动机构。传统机械传动机构直接微小型化存在着一些明显的缺点。例如，微小圆柱齿轮制造和安装精度要求高，且成本较高，而且无法实现垂直相交轴间的传动；微小锥齿轮传动无法实现大传动比传动，同时微小锥齿轮制造和安装更困难；微小摩擦轮传动需要附加正压力施加装置，结构复杂，而且造成轴系的变形和摩擦、磨损加剧；微小蜗杆传动则因蜗轮蜗杆的轴线不在同一平面所占的空间过大；微螺旋传动效率低，易磨损，低速时有爬行，等等。

(2)非传统机械微驱动技术。例如，电-热驱动，巨磁弹性驱动、电镀微驱动、形状记忆合金(SMA)驱动，热机械式驱动，磁流体驱动，压电驱动，基于无预应变非传导性弹性体人工肌肉驱动器，利用光激发激光器的微冲击驱动机构，等等。这些非机械微驱动技术缺点是结构复杂、价格昂贵，性能不稳定。且非传统机械微驱动技术的最重要特征是，只适用于实现微小位移或微小力的瞬时触发或者间歇传动，不能够保证实现连续稳定的传动。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种空间曲线啮合传动机构，本发明是对传统机械传动机构形式(齿轮传动形式)进行了根本性原理创新(本发明基于空间曲线啮合原理，而传统齿轮啮合传动是基于空间曲面啮合原理)，该微小机械传动机构是一种能够为微小机械装置提供连续稳定啮合传动的机构。极大地简化了微机械传动装置的结构，缩小几何尺寸，减小质量，提高操作的灵活性，造价低廉，便于在微机电领域的应用。本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种空间曲线啮合传动机构，包括主动轮、从动轮、若干个主动轮钩杆和若干个从动轮钩杆，所述主动轮钩杆均匀安装在主动轮的端面上，从动轮钩杆单排均匀布置在从动轮的圆周上，主动轮钩杆与从动轮钩杆呈共扼的空间啮合曲线形状，轴线相互垂直的主动轮和从动轮组成一传动副；主动轮转动时，主动轮钩杆与从动轮钩杆之间产生连续稳定的啮合传动。当主动轮钩杆开始与从动轮钩杆接触时，从动轮钩杆阻碍主动轮钩杆运动，其问的相互作用产生阻力，这个阻力即为传动力，从而实现传动。

上述机构中，所述主动轮与微电机主轴相联，从动轮与被驱动装置的转动轴相联，在微电机的带动下，主动轮钩杆与从动轮钩杆之间实现连续稳定的啮合传动。所述主动轮钩杆为螺旋线形状，从动轮钩杆的空间曲线与主动轮钩杆的空间曲线共扼。主动轮钩杆和从动轮钩杆是基于空间共扼曲线设计制作出来的。具体的来说主动轮钩杆形状为螺旋线形状，而从动轮钩杆的空间曲线与主动轮钩杆的空间曲线共扼。

本发明与现有技术相比具有如下的优点：

1、空间曲线啮合传动机构只有一个传动副，可以实现类似蜗轮蜗杆的大传动比传动，由于两个轮轴位于同一个平面，使得其空间尺寸较小，传动系零件数也减至最少，与传统微小型变速机构(如微小行星齿轮机构)相比，该传动系结构十分简单；与其它传动技术(如SMA传动、热膨胀传动、压电传动和电磁传动)相比，它能实现在较高转速(1000转/分)下的连续传动。

2、空间曲线啮合传动机构的工艺性和经济性好，一旦研究形成成熟的设计理论体系，可以生产制造成为通用的微小型或微型传动机构或减速器，便于简化微小型或微型机电产品的结构，节省空间，减轻质量，并且造价低廉。

3、空间曲线啮合传动机构可以实现类似蜗轮蜗杆的大传动比传动，传动比可以达到10∶1，同时，由于两个轮轴位于同一个平面，使得其空间尺寸比蜗杆传动副小得多，且易于加工。

4、空间曲线啮合传动机构能够实现连续稳定的啮合传动，较之现有的非传统机械微驱动技术有显著的改进和更为广泛的应用。

附图说明

图1为本发明实施方式中空间曲线啮合传动机构示意图。

图2为本发明实施方式中从动轮及其钩杆布置示意图。

图3a为本发明实施方式中主动轮及其钩杆布置示意图。

图3b为图3b中主动轮及其钩杆的俯视图。

图4为本发明实施方式中空间曲线啮合传动机构空间啮合示意图。

具体实施方式

本发明方法及机构适用于为微机械装置提供驱动器。如图1所示，空间曲线啮合传动机构由从动轮1，从动轮钩杆2，主动轮钩杆3，主动轮4，微电机5组成。主动轮4与微电机5主轴相联，从动轮1与被驱动装置的转动轴相联。主动轮4与从动轮1之间通过主动轮钩杆3和从动轮钩杆2形成传动副。

空间曲线啮合传动机构的传动原理为：主动轮在微电机的带动下进行转动，其中一对主动轮钩杆与从动轮钩杆接触，开始进入啮合，此时从动轮钩杆阻碍主动轮钩杆运动，其间的相互作用产生阻力，这个阻力即为传动力，主动轮就可以推动从动轮转动，由于从动轮与被驱动装置的转动轴相联，从而使得从动轮带动驱动装置转动。由于在主动轮钩杆和从动轮钩杆啮合过程中，前一对钩杆即将脱离啮合，但还没有完全脱离啮合时，下一对钩杆又接着参与了啮合，因此能够实现连续稳定的啮合传动。

如图2所示，从动轮1采用铝来制作，圆周面上通过强力胶粘上从动轮钩杆2，且从动轮钩杆2采用镍铬金属丝制作，直径为0.4mm。如图3所示，主动轮4采用铝来制作，端面通过强力胶粘上主动轮钩杆3，且主动轮钩杆3采用镍铬金属丝制作，直径为0.4mm。主动轮钩杆和从动轮钩杆的制作方法采用专为本实例发明的靠模法。即在制作钩杆时，为了保证钩杆的实际几何形状和理论的几何形状一致，先用数控车床与数控铣床制作出主动轮钩杆和从动轮钩杆的靠模，即先制作出与钩杆形状一致的凹槽，然后再将金属丝压入凹槽中，就可制作出钩杆。

本发明中的主动轮钩杆和从动轮钩杆的空间曲线方程是以所建立的空间曲线啮合理论为基础推导出来的。图4描绘了空间曲线啮合传动机构空间啮合示意图。其中S(o-x，y，z)及S_p(o_p-x_p，y_p，z_p)是两个空间坐标系，z轴与主动轮的回转轴线重合，z_p轴与从动轮的回转轴线重合，两轴之间的夹角为90°。x轴与z_p的间距为b，z轴与x_p轴的间距为a。坐标系S₁(o₁-x₁，y₁，z₁)与主动轮固联，坐标系S₂(o₂-x₂，y₂，z₂)与从动轮固联，在起始位置它们分别与S及S_p重合。主动轮以匀角速度ω₁绕z轴旋转，从动轮以匀角速度ω₂绕z_p轴旋转。从起始位置经一段时间后，S₁及S₂运动到图4中的位置，主动轮绕z轴转过φ₁角，从动轮绕z_p轴转过φ₂角。

则主动轮钩杆和从动轮钩杆空间曲线方程可表示为公式(1)：

$\left\{\begin{array}{c}(-\sin {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\cos {\mathrm{\φ}}_1{y}_1){\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\β}}_{x_1}+[-(\cos {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\sin {\mathrm{\φ}}_1{y}_1){\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2(z_1-b)]{\mathrm{\β}}_{y_1}-{\mathrm{\ω}}_2(-\sin {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\cos {\mathrm{\φ}}_1{y}_1){\mathrm{\β}}_{z_1}=0\\ x_1=x_1\left(t\right)\\ y_1=y_1\left(t\right)\\ z_1=z_1\left(t\right)\\ x_2=-\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1{y}_1-\cos {\mathrm{\φ}}_2{z}_1+b\cos {\mathrm{\φ}}_2\\ y_2=-\cos {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\cos {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1{y}_1+\sin {\mathrm{\φ}}_2{z}_1-b\sin {\mathrm{\φ}}_2\\ z_2=\cos {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\sin {\mathrm{\φ}}_1{y}_1+a\\ {\mathrm{\ω}}_2=i_{21}{\mathrm{\ω}}_1\\ {\mathrm{\φ}}_2=i_{21}{\mathrm{\φ}}_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中式：

$(-\sin {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\cos {\mathrm{\φ}}_1{y}_1){\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\β}}_{x_1}+[-(\cos {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\sin {\mathrm{\φ}}_1{y}_1){\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2(z_1-b)]{\mathrm{\β}}_{y_1}-{\mathrm{\ω}}_2(-{\sin \mathrm{\φ}}_1{x}_1+\cos {\mathrm{\φ}}_1{y}_1){\mathrm{\β}}_{z_1}=0$

是空间共轭曲线的啮合方程。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x_1\left(t\right)\\ y_1=y_1\left(t\right)\\ z_1=z_1\left(t\right)\end{array}\right.$ 为主动轮钩杆的空间曲线方程；

β₁为啮合点M的主法失，即， ${\mathrm{\β}}_1={\mathrm{\β}}_{x_1}i+{\mathrm{\β}}_{y_1}j+{\mathrm{\β}}_{z_1}k,$

且 ${\mathrm{\β}}_{x_1}=\frac{x_1^{\′\′}\left(t\right)[x_1^{\′}{\left(t\right)}^2+y_1^{\′}{\left(t\right)}^2+z_1^{\′}{\left(t\right)}^2]-x_1^{\′}\left(t\right){[x_1^{\′}\left(t\right)x}_1^{\′\′}\left(t\right)+y_1^{\′}\left(t\right)y_1^{\′\′}\left(t\right)+z_1^{\′}\left(t\right)z_1^{\′\′}\left(t\right)]}{{[x_1^{\′}{\left(t\right)}^2+y_1^{\′}{\left(t\right)}^2+z_1^{\′}{\left(t\right)}^2]}^2}---\left(2\right)$

${\mathrm{\β}}_{y_1}=\frac{y_1^{\′\′}\left(t\right)[x_1^{\′}{\left(t\right)}^2+y_1^{\′}{\left(t\right)}^2+z_1^{\′}{\left(t\right)}^2]-y_1^{\′}\left(t\right){[x_1^{\′}\left(t\right)x}_1^{\′\′}\left(t\right)+y_1^{\′}\left(t\right)y_1^{\′\′}\left(t\right)+z_1^{\′}\left(t\right)z_1^{\′\′}\left(t\right)]}{{[x_1^{\′}{\left(t\right)}^2+y_1^{\′}{\left(t\right)}^2+z_1^{\′}{\left(t\right)}^2]}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\β}}_{z_1}=\frac{z_1^{\′\′}\left(t\right)[x_1^{\′}{\left(t\right)}^2+y_1^{\′}{\left(t\right)}^2+z_1^{\′}{\left(t\right)}^2]-z_1^{\′}\left(t\right){[x_1^{\′}\left(t\right)x}_1^{\′\′}\left(t\right)+y_1^{\′}\left(t\right)y_1^{\′\′}\left(t\right)+z_1^{\′}\left(t\right)z_1^{\′\′}\left(t\right)]}{{[x_1^{\′}{\left(t\right)}^2+y_1^{\′}{\left(t\right)}^2+z_1^{\′}{\left(t\right)}^2]}^2}---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=-\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1{y}_1-\cos {\mathrm{\φ}}_2{z}_1+b\cos {\mathrm{\φ}}_2\\ y_2=-\cos {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\cos {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1{y}_1+\sin {\mathrm{\φ}}_2{z}_1-b{\sin \mathrm{\φ}}_2\\ z_2=\cos {\mathrm{\φ}}_1{x}_1+\sin {\mathrm{\φ}}_1{y}_1+a\end{array}\right.$ 为与主动轮钩杆空间曲线共轭的从

动轮钩杆的空间曲线方程；

式中：a，b-空间坐标系O₁，O₂之间的间距(如图4)；

ω₁，ω₂-主动轮与从动轮转动的角速度；

i₂₁-主动轮与从动轮的传动比。

本发明为微小机械装置提供了一种能够连续稳定啮合传动的方法与机构。该机构能够极大地简化了微机械传动装置的结构，缩小几何尺寸，减小质量，提高操作的灵活性，且制作简单，造价低廉，便于在微机电领域的应用。

Claims (3)

1、一种空间曲线啮合传动机构，其特征在于包括主动轮、从动轮、若干个主动轮钩杆和若干个从动轮钩杆，所述主动轮钩杆均匀安装在主动轮的端面上，所述从动轮钩杆单排均匀布置在从动轮的圆周上，主动轮钩杆与从动轮钩杆呈共扼的空间啮合曲线形状，轴线相互垂直的主动轮和从动轮组成一传动副；主动轮转动时，主动轮钩杆与从动轮钩杆之间产生连续稳定的啮合传动。

2、根据权利要求1所述的空间曲线啮合传动机构，其特征在于所述主动轮与微电机主轴相联，从动轮与被驱动装置的转动轴相联，在微电机的带动下，主动轮钩杆与从动轮钩杆之间实现连续稳定的啮合传动。

3、根据权利要求1或2所述的空间曲线啮合传动机构，其特征在于主动轮钩杆为螺旋线形状，从动轮钩杆的空间曲线与主动轮钩杆的空间曲线共扼。

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