CN101598212A - 自动消除齿侧间隙机构 - Google Patents

Abstract

一种自动消除齿侧间隙机构，包括滑块、摆块、弹簧、弹簧座及分别设置在同轴线错位安装的固定齿轮和活动齿轮轮辐上的承载面I和承载面II；滑块底面与设置在固定齿轮轮辐上的承载面I形成移动副；摆块的基座底面与滑块顶面(斜面)形成移动副；摆块的摆头部分位于活动齿轮轮辐上的圆弧形凹槽中，与承载面II形成转动副；弹簧座安装在固定齿轮的轮辐上，其中心线平行于设置在固定齿轮轮辐上的承载面I，弹簧的一端安装在弹簧座上，其另一端与滑块的侧面接触。此种自动消除齿侧间隙机构不仅承载能力大、可靠性高，而且结构简单、便于加工制造。

Description

自动消除齿侧间隙机构

技术领域

本发明属于机械传动领域，涉及一种齿轮、蜗轮自动消除齿侧间隙机构。

背景技术

精密机电系统，如工业机器人、数控机床、印刷设备、自动火炮、雷达等系统，齿轮传动中的齿侧间隙，会带来冲击、振动、噪声、降低系统跟踪精度和稳定性。特别是频繁正反转的齿轮传动中，齿侧间隙引起的累积误差，严重影响系统的传动精度、位置精度和动态响应特性。另外，轮齿磨损导致的齿侧间隙增大，将降低传动系统的精度寿命。

现有自动消除齿侧间隙机构主要有拉簧错齿自动消除齿侧间隙机构和滑销滑动错齿自动消除齿侧间隙机构。拉簧错齿自动消除齿侧间隙机构是一种传统的机构，其主要缺点：承载能力由拉簧的拉力决定，拉簧的拉力所产生的扭矩必须大于驱动系统的最大转矩。因此不论是空载还是满载，该对齿轮啮合面的接触应力总是处于最大值状态，降低了齿轮的接触疲劳寿命。滑销滑动错齿自动消除齿侧间隙机构的结构见ZL02284069.9实用新型专利，主要由滑销、弹簧及位于双齿轮上的两个滑槽构成，滑销的销头端位于活动齿的滑槽中，滑销的销柱端位于固定齿的滑槽中，弹簧安装在活动齿的滑槽中，其一端与滑槽槽壁接触，其另一端与滑销的销头侧面接触。此种结构的自动消除齿侧间隙机构与上述传统机构相比，虽然齿轮的承载能力与弹簧的弹力无关，但也存在以下缺点：1、滑销与滑槽之间为线接触，接触应力大，限制了承载能力；2、承受重载或冲击载荷时，接触表面会出现压溃或塑性变形，导致滑销在滑槽中不能正常运动，自动消除齿侧间隙的功能将受到影响。3、两齿轮上滑槽之间的夹角α的角度可用范围小，若α的角度过大，滑销在滑槽内不能自锁，若α的角度过小，滑销离心力引起的负作用过大，另外，α的角度的大小还随着滑销位置的变化而变化，由于这些因素，α的角度大小通常处于磨擦自锁角的临界状态，当有冲击、振动、摩擦系数变化等因素影响时，滑销不能自锁，机构失效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的自动消除齿侧间隙机构，此种自动消除齿侧间隙机构不仅承载能力大、可靠性高，而且结构简单、便于加工制造。

本发明所述自动消除齿侧间隙机构，包括滑块、摆块、弹簧、弹簧座及分别设置在同轴线错位安装的固定齿轮和活动齿轮轮辐上的承载面I和承载面II；所述滑块为斜截长方体，其顶面为斜面，所述摆块由基座和摆头构成，基座为长方体，摆头为半圆柱块体，摆头位于基座的顶面，其与基座固连或为一体化结构；设置在固定齿轮轮辐上的承载面I为平面，该承载面过固定齿轮轮毂的中心线，设置在活动齿轮轮辐上的承载面II为与摆块的摆头相匹配的圆弧形凹槽的内表面，所述圆弧形凹槽的槽口面向固定齿轮轮辐上设置的承载面I。上述构件的组装方式：滑块底面与设置在固定齿轮轮辐上的承载面I接触，并与承载面I形成移动副；摆块的基座底面与滑块顶面(斜面)接触，并与滑块顶面形成移动副；摆块摆头的圆柱面部分位于活动齿轮轮辐上的圆弧形凹槽中，与承载面II形成转动副；弹簧座安装在固定齿轮的轮辐上，其中心线平行于设置在固定齿轮轮辐上的承载面I，弹簧的一端安装在弹簧座上，其另一端与滑块的侧面接触。上述固定齿轮、活动齿轮、滑块和摆块组成一自由度为1的平面机构，其中活动构件数为3、低副数为4。

本发明所述的自动消除齿侧间隙机构，设置在由固定齿轮与活动齿轮同轴线错位安装构成的错位齿轮上，在与该错位齿轮配对的齿轮啮合传动时，所述错位齿轮中的固定齿轮与配对齿轮的左齿面啮合、所述错位齿轮中的活动齿轮与配对齿轮的右齿面啮合，或所述错位齿轮中的固定齿轮与配对齿轮的右齿面啮合、所述错位齿轮中的活动齿轮与配对齿轮的左齿面啮合。当啮合的齿对间存在齿侧间隙时，由弹簧变形所产生的恢复力驱动滑块沿固定齿轮上的承载面I向固定齿轮轮毂的中心线方向移动，致使摆块的摆头作用活动齿轮上的承载面II，迫使活动齿轮相对固定齿轮顺时针转动，从而实现齿侧间隙的自动消除。在上述过程中，摆块的摆头相对承载面II转动，以保证滑块与摆块基座的底面始终为面接触。

一个错位齿轮上通常只设置一套本发明所述自动消除齿侧间隙机构，但当用于高速(速度大于1000转/分钟)传动时，可在一个错位齿轮上对称设置两或两套以上本发明所述自动消除齿侧间隙机构，这样既可解决平衡问题，还能提高承载能力。

本发明具有以下有益效果：

1、由于设置在固定齿轮上的承载面I与滑块、滑块与摆块的基座、摆块的摆头与设置在活动齿轮上的承载面II间均为面接触，因而本发明所述自动消除齿侧间隙机构承载能力大幅度提高，即使承受重载或冲击载荷，也能正常运行。

2、本发明所述自动消除齿侧间隙机构中，滑块自锁可靠性高，滑块的斜面倾角可用范围大，且不随滑块的位置变化。

3、本发明所述自动消除齿侧间隙机构结构简单、紧凑，所有运动副均为低副，因此加工制造方便、成本低。

4、本发明所述自动消除齿侧间隙机构能够自动消除齿轮传动及双滚子包络环面蜗杆传动的齿侧间隙，可作为精密分度、精密传动中的自动消除齿侧间隙机构。

附图说明

图1是本发明所述自动消除齿侧间隙机构的结构示意图；图2是图1的A-A剖面图；图3是图1中所示自动消除齿侧间隙机构的立体图；图中，1-承载面I、2-弹簧座、3-弹簧、4-滑块、5-摆块、6-承载面II、7-固定齿轮、8-活动齿轮。

图4是滑块的主视图；图5是滑块的左视图；图中，A-滑块长度、H-滑块高度、B-滑块底部宽度；ρ-滑块斜面倾角。

图6是摆块的主视图；图7是摆块的左视图；图中，9-基座、10-摆头、a-摆块基座高度；b-摆块基座宽度；c-摆块基座长度。

图8是本发明所述自动消除齿侧间隙机构中滑块位移量的分析图；图中，ΔL-滑块向固定齿轮轮毂的中心线方向的位移量、β-承载面I与两坐标系原点连线O₁O₀之间的夹角、R-固定齿轮轮毂中心至摆块转动中心的距离；Δθ-固定齿轮与活动齿轮之间的错位角。

图9是本发明所述自动消除齿侧间隙机构中摆块极限位置受力分析图；图中，l-摆块所受滑块正压力F_N ¹与活动齿轮X方向正压力F_X ²的偏距、F-弹簧力、F_X ²-活动齿轮对摆块的X方向正压力、F_Y ²-活动齿轮对摆块的Y方向正压力、F_f ¹-滑块对摆块的摩擦力、F_N ¹-滑块对摆块的正压力、b-摆块基座宽度、e-摆块基座的顶面与活动齿轮轮辐上的圆弧形凹槽顶面之间的间距。

图10是本发明所述自动消除齿侧间隙机构中滑块的受力分析图；图中，F_f ⁰-固定齿轮对滑块的摩擦力；F_N ⁰-固定齿轮对滑块的正压力；F_f ¹-滑块对摆块的摩擦力；F_N ¹-滑块对摆块的正压力；ρ-滑块斜面倾角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述自动消除齿侧间隙机构的结构作进一步说明。

本实施例中，错位齿轮与错位齿轮上设置的自动消除齿侧间隙机构如图1、图2、图3所示。错位齿轮包括固定齿轮7和活动齿轮8，所述活动齿轮8空套在固定齿轮7的轮毂上与固定齿轮7同轴线错位安装，可相对于固定齿轮7顺时针转动。自动消除齿侧间隙机构包括滑块4、摆块5、弹簧3、弹簧座2及分别设置在固定齿轮7和活动齿轮8轮辐上的承载面I1和承载面II6；固定齿轮7的轮辐上开有一窗口，所述窗口的两侧面为平面且过固定齿轮轮毂的中心线，其中一侧面作为承载面I1；活动齿轮8的轮辐上设置有一扇形凸台，所述扇形凸台与固定齿轮7轮辐上的窗口相对应且组合后位于固定齿轮7轮辐上开的窗口内，在该扇形凸台面向承载面I1的侧面上设置有一圆弧形凹槽，所述圆弧形凹槽的内表面为承载面II6；滑块4的形状和构造如图4、图5所示，为斜截长方体，其顶面为斜面；所述摆块5的形状和构造如图6、图7所示，由基座9和摆头10构成，基座为长方体，摆头为半圆柱块体，摆头位于基座的顶面，其与基座通过螺钉固连；弹簧3为圆柱螺旋弹簧，弹簧座2设置有与弹簧3匹配的圆柱形插头。各构件的组装方式：滑块4底面与设置在固定齿轮轮辐上的承载面I1形成移动副，摆块5的基座底面与滑块4顶面形成移动副，摆块的摆头10与设置在活动齿轮轮辐上的承载面II6形成转动副，弹簧座2安装在固定齿轮轮辐上所开的窗口的顶面，其圆柱形插头的中心线平行于承载面I1，弹簧3的一端套装在弹簧座的圆柱形插头上，其另一端与滑块4的侧面接触，通过改变弹簧3的刚度，可调节错位齿轮的错位扭矩。

自动消除齿侧间隙机构中，滑块4向固定齿轮轮毂的中心线方向的位移量ΔL与固定齿轮7和活动齿轮8之间的错位角Δθ的关系决定自动消除齿侧间隙机构的自动补偿量的大小，因此进行结构设计时应建立二者之间的关系。为了建立二者之间的关系，建立了与固定齿轮固联的坐标系

和与摆块固联的坐标系

如附图8所示，经推导整理得到Δθ与ΔL的关系式为

ΔL＝R(sin(β+Δθ)/tanρ-sinθ)+R(cosβ-cos(β+Δθ))    (1)

上式中，ΔL-滑块向固定齿轮轮毂的中心线方向的位移量、β-承载面I与两坐标系原点连线O₁O₀之间的夹角、R-固定齿轮轮毂中心至摆块转动中心的距离；Δθ-固定齿轮与活动齿轮之间的错位角；ρ-滑块顶面(斜面)倾角。

滑块能够自锁是自动消除齿侧间隙机构正常工作的重要条件。当活动齿轮承受载荷时，滑块有向上运动的趋势，其受力如图10所示。假设滑块处于平衡状态，得出力平衡方程：

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{F}_x=F_N^1\cos \left(\mathrm{\ρ}\right)+F_f^1\sin \left(\mathrm{\ρ}\right)-F_N^0=0;\\ F_f^0=F_N^0{\mathrm{\μ}}_1;\\ F_f^1=F_N^1{\mathrm{\μ}}_2;\end{array}\right\}---\left(2\right)$

要使滑块自锁，须满足如下条件：

$\mathrm{\Σ}{F}_y=F_N^1\sin \left(\mathrm{\ρ}\right)-F_f^1\cos \left(\mathrm{\ρ}\right)-F_f^0\≤0---\left(3\right)$

将式(2)代入式(3)合并整理得出滑块自锁条件：

$\mathrm{tg}\left(\mathrm{\ρ}\right)\≤\frac{{\mathrm{\μ}}_1+{\mathrm{\μ}}_2}{1-{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\μ}}_2}---\left(4\right)$

因此，在进行滑块结构设计时，滑块顶面的倾角ρ由下式确定：

$0<\mathrm{tg}\left(\mathrm{\&rho;}\right)\&le;\frac{{\mathrm{\&mu;}}_1+{\mathrm{\&mu;}}_2}{1-{\mathrm{\&mu;}}_1{\mathrm{\&mu;}}_2}$

式中，μ₁为滑块与承载面I之间的摩擦系数；μ₂为滑块与摆块基座之间的摩擦系数。

摆块在工作过程中，应保证其不发生翻转。摆块不翻转受摆块结构尺寸和滑块位移的约束。当滑块推动摆块实现活动齿轮顺时针转动消除齿侧间隙时，在弹簧力F作用下滑块向下移动，滑块与摆块基座接触面间的摩擦力所产生的转矩，使摆块有逆时针翻转的趋势，摆块处于翻转的极限位置的受力分析如图9所示，根据图9列方程，经推导、整理得到摆块不发生翻转的条件须满足摆块结构尺寸条件和滑块位移条件。即

$\frac{a}{b}\&GreaterEqual;{2\mathrm{\&mu;}}_2(1+\frac{e}{b})---\left(5\right)$

$\mathrm{\&Delta;L}\&le;\frac{H}{2}-{\mathrm{\&mu;}}_2(b+e)---\left(6\right)$

因此，在进行滑块结构设计时，滑块的高度H由下式确定：

H≥2ΔL+2μ₂(b+e)

式中，ΔL为滑块向固定齿轮轮毂的中心线方向的位移量，μ₂为滑块与摆块基座之间的摩擦系数，b为摆块基座的宽度，e为摆块基座的顶面与活动齿轮轮辐上的圆弧形凹槽顶面之间的间距。

在进行摆块的结构设计时，摆块基座的高度a和宽度b由下式确定：

$\frac{a}{b}\&GreaterEqual;{2\mathrm{\&mu;}}_2(1+\frac{e}{b})$

式中，μ₂为滑块与摆块基座之间的摩擦系数，e为摆块基座的顶面与活动齿轮轮辐上的圆弧形凹槽顶面之间的间距。

Claims (7)

1、一种自动消除齿侧间隙机构，其特征在于包括滑块(4)、摆块(5)、弹簧(3)、弹簧座(2)及分别设置在同轴线错位安装的固定齿轮(7)和活动齿轮(8)轮辐上的承载面I(1)和承载面II(6)，

所述滑块(4)为斜截长方体，其顶面为斜面，所述摆块(5)由基座(9)和摆头(10)构成，基座为长方体，摆头为半圆柱块体，摆头位于基座的顶面，其与基座固连或为一体化结构，

设置在固定齿轮轮辐上的承载面I(1)为平面，该承载面过固定齿轮轮毂的中心线，设置在活动齿轮轮辐上的承载面II(6)为与摆块的摆头(10)相匹配的圆弧形凹槽的内表面，所述圆弧形凹槽的槽口面向固定齿轮轮辐上设置的承载面I(1)，

滑块(4)底面与设置在固定齿轮轮辐上的承载面I(1)形成移动副，摆块(5)的基座底面与滑块(4)顶面形成移动副，摆块的摆头(10)与设置在活动齿轮轮辐上的承载面II(6)形成转动副，

弹簧座(2)安装在固定齿轮的轮辐上，其中心线平行于设置在固定齿轮轮辐上的承载面I(1)，弹簧(3)的一端安装在弹簧座上，其另一端与滑块(4)的侧面接触。

2、根据权利要求1所述的自动消除齿侧间隙机构，其特征在于滑块(4)顶面的倾角ρ由下式确定：

$0<\mathrm{tg}\left(\mathrm{\&rho;}\right)\&le;\frac{{\mathrm{\&mu;}}_1+{\mathrm{\&mu;}}_2}{1-{\mathrm{\&mu;}}_1{\mathrm{\&mu;}}_2}$

式中，μ₁为滑块与承载面I之间的摩擦系数；μ₂为滑块与摆块基座之间的摩擦系数。

3、根据权利要求2所述的自动消除齿侧间隙机构，其特征在于滑块(4)的高度H由下式确定：

H≥2ΔL+2μ₂(b+e)

式中，ΔL为滑块向固定齿轮轮毂的中心线方向的位移量，μ₂为滑块与摆块基座之间的摩擦系数，b为摆块基座的宽度，e为摆块基座的顶面与活动齿轮轮辐上的圆弧形凹槽顶面之间的间距。

4、根据权利要求3所述的自动消除齿侧间隙机构，其特征在于摆块基座(9)的高度a和宽度b由下式确定：

$\frac{a}{b}\&GreaterEqual;2{\mathrm{\&mu;}}_2(1+\frac{e}{b})$

式中，μ₂为滑块与摆块基座之间的摩擦系数，e为摆块基座的顶面与活动齿轮轮辐上的圆弧形凹槽顶面之间的间距。

5、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的自动消除齿侧间隙机构，其特征在于固定齿轮(7)的轮辐上开有一窗口，所述窗口的两侧面为平面且过固定齿轮轮毂的中心线，其中一侧面作为承载面I(1)；活动齿轮(8)的轮辐上设置有一扇形凸台，所述扇形凸台与固定齿轮(7)轮辐上的窗口相对应且组合后位于该窗口内，在该扇形凸台面向承载面I(1)的侧面上设置一圆弧形凹槽，圆弧形凹槽的内表面为承载面II(6)。

6、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的自动消除齿侧间隙机构，其特征在于弹簧(3)为圆柱螺旋弹簧，弹簧座(2)设置有与弹簧(3)匹配的圆柱形插头。

7、根据权利要求5所述的自动消除齿侧间隙机构，其特征在于弹簧(3)为圆柱螺旋弹簧，弹簧座(2)设置有与弹簧(3)匹配的圆柱形插头。

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