CN101963206A - 一种基于正多边形轴分布微小减速器 - Google Patents

一种基于正多边形轴分布微小减速器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于正多边形轴分布微小减速器，具有一个输入轴和N-1个输出轴，输入轴和所有输出轴各自分布在这个正N边形的边长及其延长线上；所述箱体为空心圆柱体且内部均匀分布N个长方体支座，在空心圆柱体轮缘上均匀分布N个外安装孔，在每个长方体支座上分布一个内安装孔，每一对安装孔包括位于空心圆柱体轮缘上的一个外安装孔和位于长方体支座上的一个内安装孔；输入轴上只安装一个主动轮，与输入轴相邻的两输出轴，其中一根输出轴上只安装一个从动轮，另一根输出轴上安装一个主动轮和一个从动轮，其余输出轴各安装一个主动轮和一个从动轮；本发明结构紧凑，传动副结构简单，质量小，具有多输出、传动比大等特点，可广泛应用于微小机械传动中。

Description

一种基于正多边形轴分布微小减速器
技术领域
本发明涉及微小机械系统和轻工业中的微小减速器，具体涉及一种基于正多边形轴分布微小减速器。
背景技术
科学技术的迅猛发展及社会生活水平的不断提高，促使微小机械得到越来越多的需求。而微小减速器是微小机械中的关键组成部分。此外，针对轻工业应用中需求减速器速比大、体积小的特点，微小减速器也是一个值得研究的热点。在重工业中，减速器要求大功率、大负载，主要以传递动力为主。而在微小型机械和轻工业产品中，要求减速器具备体积小、重量轻、速比大等重要特征，主要以传递运动为主。
目前，微小型减速器有：行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、谐波齿轮减速器、三环减速器、圆柱三正弦活齿减速器等微小减速器。这些微小减速器仍存在各种不足之处。如行星齿轮减速器和摆线针轮减速器结构复杂，制造精度较高，价格昂贵。此外，常规微小减速器的传动机构也存在一定的应用限制，如微小圆柱齿轮传动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的传动，微小蜗杆传动由于轴线不在同一平面占用空间大，且由常规齿轮机构直接微小型化，安装、制造精度较高和成本较高。常规微小齿轮传动只局限于垂直轴和平行轴之间的传动，且大都只有一个输出轴，不易获得多个传动比，应用的范围得到了一定的限制。而非常规机械微驱动技术在于不能保证连续稳定的传动。
发明内容
针对现有微小减速器存在的上述不足，本发明提供了一种基于正多边形轴分布微小减速器，其以正多边形结构安装轴位置的基于正多边形轴分布微小减速器，其传动机构为基于两相邻交叉轴夹角在                                                
Figure 350381DEST_PATH_IMAGE001
间的空间曲线啮合原理的微小齿轮传动。本发明创造的目的是提供一种传动平稳，大速比，结构和制造简单，成本低，且有多个传动比和多输出的微小减速器。
本发明创造的目的可通过下述技术方案实现：
一种基于正多边形轴分布微小减速器，包括箱体，一根输入轴，多根输出轴，多个主动轮，多个从动轮；输入轴和所有输出轴总共有
Figure 786042DEST_PATH_IMAGE002
根，其中输出轴为
Figure 479060DEST_PATH_IMAGE003
根，输入轴和所有输出轴的中心线以均匀的间隔切于同一个圆，相应的N个切点均匀间隔分布在该圆上，通过这个圆上的所述
Figure 632961DEST_PATH_IMAGE002
个切点构成圆的一个外切正
Figure 203882DEST_PATH_IMAGE002
边形，输入轴和所有输出轴各自分布在这个正
Figure 680999DEST_PATH_IMAGE002
边形的边长及其延长线上；所述箱体为空心圆柱体且内部均匀分布
Figure 561231DEST_PATH_IMAGE002
个长方体支座，在空心圆柱体轮缘上均匀分布
Figure 999165DEST_PATH_IMAGE002
个外安装孔，在每个长方体支座上分布一个内安装孔，输入轴和所有输出轴两端由一对安装孔安装在箱体上，每一对安装孔包括位于空心圆柱体轮缘上的一个外安装孔和位于长方体支座上的一个内安装孔；输入轴上只安装一个主动轮，与输入轴相邻的两输出轴，其中一根输出轴上只安装一个从动轮，另一根输出轴上安装一个主动轮和一个从动轮，其余输出轴各安装一个主动轮和一个从动轮；与输入轴相邻的安装有主动轮和从动轮的输出轴为第一级输出轴，与第一级输出轴相邻的输出轴为第二级输出轴，与第
Figure 105268DEST_PATH_IMAGE004
级输出轴相邻的两输出轴为第
Figure 515521DEST_PATH_IMAGE005
级输出轴和第
Figure 363391DEST_PATH_IMAGE003
级输出轴，输入轴上的主动轮与第一级输出轴上的从动轮构成一个传动副，第一级输出轴上的主动轮与第二级输出轴上的从动轮构成一个传动副，上一级输出轴上的主动轮与下一级输出轴上的从动轮构成一个传动副。 
上述的微小减速器，所述正多边形边数
Figure 475573DEST_PATH_IMAGE006
。
上述的微小减速器，一个传动副中的主动轮和从动轮是一对基于空间曲线啮合的斜交齿轮机构；主动轮由一个主动轮体和多个主动钩杆组成，从动轮由一个从动轮体和多个从动钩杆组成，主动轮体和从动轮体都为圆柱体，圆柱体的轴线和与其安装的轴的轴线重合，主动钩杆中心线为螺旋线，从动钩杆中心线与主动钩杆中心线为共轭的空间曲线。
上述的微小减速器，一个传动副中，主动轮体和从动轮体横截面间的夹角为
Figure 637564DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 964640DEST_PATH_IMAGE008
或。
基于正
Figure 349933DEST_PATH_IMAGE010
边形轴分布微小减速器工作过程：与微电机联接的输入轴上过盈配合一个主动轮，与第一级输出轴上的从动轮啮合，驱动第一级输出轴转动。第一级输出轴上主动轮与第二级输出轴上从动轮啮合，驱动第二级输出轴3转动，依次类推，主动轮驱动从动轮转动，传递动力和运动。正
Figure 50036DEST_PATH_IMAGE002
边形有
Figure 418569DEST_PATH_IMAGE002
根轴，第一级输出轴至第
Figure 873821DEST_PATH_IMAGE011
级输出轴上各轴都安装一个主动轮和一个从动轮，输入轴上只有一个主动轮，第
Figure 711327DEST_PATH_IMAGE012
级输出轴上只有一个从动轮。基于空间曲线啮合原理的微小齿轮传动的特点，第一级传动就可以获得较大的传动比，且减速器结构和布局简单。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点:
1、基于正多边形轴分布微小减速器采用的是空间曲线啮合原理的斜交齿轮传动机构，由于此传动机构可实现同平面内
Figure 293002DEST_PATH_IMAGE013
任意角的相邻交叉轴之间的啮合，因此可以根据需要，在保留绝大部分机构及零部件的条件下进行简单的改装，这样，不仅有利于资源最优化利用，还拓宽了一个减速器在不同场合下的应用。
2、基于正多边形轴分布微小减速器以正多边形为基体安装各轴，较大程度上节省了空间，更加符合微小化的特点。
3、正多边形是规则的平面图形，其各轴上零部件种类和数量基本相同，因此，结构清晰，零件安装简单，有一定的美观性（更加适用于一些轻工业产品）。
4、传动比大，单级传动比目前可达到12:1，正
Figure 329091DEST_PATH_IMAGE010
边形齿轮轴微小减速器有
Figure 892927DEST_PATH_IMAGE012
级减速，可见，
Figure 280046DEST_PATH_IMAGE012
级传动比可以非常之大。基于单级就能达到较大的传动比，可直接获得系列传动比，实现
Figure 571219DEST_PATH_IMAGE014
个输出，且输出方向各异。 
5、基于正多边形轴分布微小减速器结构非常简单，重量轻、体积小（现已研制成功直径小于5mm的齿轮）、零件少。空间曲线啮合齿轮制造和安装简单，成本低廉。
6、传动连续稳定，振动和噪声小。
附图说明
图1 本发明实施方式基于正六边形轴分布微小减速器结构示意图（箱体外圆直径为98mm,总传动比为720：1）。
图2 本发明实施方式三个正六边形示意图。
图3 本发明实施方式中空间曲线啮合原理的斜交齿轮机构空间啮合示意图。
图4 本发明实施方式中空间曲线啮合原理的斜交齿轮机构平面啮合示意图。
图5 本发明实施方式主动轮示意图。
图6 本发明实施方式从动轮示意图。
图7本发明实施方式主动轮、从动轮啮合示意图（以第三级减速传动
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE015
=4为例）。
图8 本发明实施方式基于正六边形轴分布微小减速器各轴装配示意图（各级传动比分别为： 2：1，3：1，4：1，5：1，6：1）。
具体实施方式
本发明可广泛应用于微小机械系统和轻工业产品中，也可为微胶囊等微机电产品提供一种传递运动的有效途径。下面以基于正六边形轴分布微小减速器为例，结合附图叙述本发明的实施方式，但本发明的实施和保护范围不限于此。
如图1所示，本微小减速器包括输入轴1，第一级主动轮2，第一级输出轴3，第一级从动轮4，第二级主动轮5，第二级输出轴6，第二级从动轮7，第三级主动轮8，第三级输出轴9，第三级从动轮10，第四级主动轮11，第四级输出轴12，第四级从动轮13，第五级主动轮14，第五级输出轴15，第五级从动轮16，箱体17。 微电机与输入轴1联接，带动第一级主动轮2运动；第一级主动轮2与第一级从动轮4通过钩杆啮合，传递动力与运动，进而实现传动，依次传递到第五级从动轮16。输入轴和五根输出轴的中心线以均匀的间隔切于同一个圆，并生成在这个圆上六个均匀间隔的切点，通过这个圆上的六个切点构成圆的一个外切正六边形，这个正六边形的每条边经过且只经过唯一的一个切点，输入轴和五根输出轴的位置分布以这个正六边形（如图2中正六边形A）为基体。在图1中，箱体为空心圆柱体且内部均匀伸出六个长方体支座，六个外安装孔均匀分布在空心圆柱体轮缘上，六个内安装孔均匀分布在长方体支座上。箱体在外安装孔处各对应一个凸台，其端面垂直于对应轴的中心线，便于孔的定位。输入轴和五根输出轴的中心线在正六边形各边及其延长线上，均匀的分布于空心圆柱体箱体中，各轴夹角均为120°。确定输入轴和五根输出轴分布的正六边形基体尺寸，箱体及其内、外安装孔的位置可随之确定。内安装孔中心点和外安装孔中心点都位于对应轴的中心线上（如图2）。且内安装孔相邻中心点相连，构成位于轴分布的正六边形基体内部的一个小正六边形（如图2中正六边形B）；外安装孔相邻中心点相连，构成位于轴分布的正六边形基体外部的一个大正六边形（如图2中正六边形C）。
 图3为空间曲线啮合原理的空间啮合示意图，显示了
Figure 353493DEST_PATH_IMAGE017
及
Figure 150547DEST_PATH_IMAGE019
两空间直角坐标系的关系，即主动轮和从动轮正确啮合后的空间位置关系。其中
Figure 697066DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 870559DEST_PATH_IMAGE023
分别为两个坐标系的原点，
Figure 68191DEST_PATH_IMAGE025
轴与主动轮的回转轴线重合，
Figure 973830DEST_PATH_IMAGE027
轴与从动轮的回转轴线重合, 
Figure 69962DEST_PATH_IMAGE029
轴与轴之间的夹角
Figure 332240DEST_PATH_IMAGE033
在之间，本例中为
Figure 179159DEST_PATH_IMAGE037
，空间直角坐标系
Figure 428874DEST_PATH_IMAGE039
与主动轮固联，空间直角坐标系
Figure 351831DEST_PATH_IMAGE041
与从动轮固联，
Figure 350005DEST_PATH_IMAGE039
与
Figure 420729DEST_PATH_IMAGE017
两空间直角坐标系原点重合，
Figure 411819DEST_PATH_IMAGE041
与
Figure 438550DEST_PATH_IMAGE019
两空间直角坐标系的原点重合。主动轮以匀角速度绕
Figure 149334DEST_PATH_IMAGE045
轴旋转，从动轮以匀角速度
Figure 697777DEST_PATH_IMAGE047
绕
Figure 392063DEST_PATH_IMAGE027
轴旋转。如图3所示，
Figure 981308DEST_PATH_IMAGE039
与
Figure 213575DEST_PATH_IMAGE041
两空间直角坐标系运动，主动轮绕
Figure 608784DEST_PATH_IMAGE045
轴旋转，从动轮绕
Figure 95260DEST_PATH_IMAGE027
轴旋转。图4中，
Figure 183302DEST_PATH_IMAGE049
在
Figure 138751DEST_PATH_IMAGE029
轴上的投影距离为，在
Figure 134388DEST_PATH_IMAGE045
轴上的投影距离为
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE053
，根据给定，的值，则确定主动轮与从动轮啮合的位置关系。
如图5所示，主动钩杆的中心线为空间螺旋线，设定第三级主动轮钩杆的空间螺旋线的参数=3，
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE057
=2，钩杆直径
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE059
=0.6mm，主动钩杆数为
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE061
，螺旋线伸出第三级主动轮轮体高度=4.2mm，可得其主动钩杆参数方程如下：
   
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE067
           （
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE069
）                  （1）
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE071
                   （2）
（2）式中：
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE073
—
Figure 791439DEST_PATH_IMAGE073
为参变量，
Figure 482445DEST_PATH_IMAGE073
的终点值由空间共轭曲线的啮合方程式确定；
Figure 5831DEST_PATH_IMAGE033
 — 两相邻交叉轴间的夹角，范围为°；
Figure 349404DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 77058DEST_PATH_IMAGE053
— 
Figure 392633DEST_PATH_IMAGE049
在轴上的投影距离为
Figure 142206DEST_PATH_IMAGE051
（
Figure 424283DEST_PATH_IMAGE051
＞0）；
Figure 109211DEST_PATH_IMAGE049
在
Figure 552962DEST_PATH_IMAGE045
轴上的投影距离为 (
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE075
＞0)；                                       
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE077
—为主动轮和从动轮的传动比，等于主动轮角速度和从动轮角速度的比值，也等于从动钩杆数目与主动钩杆数目的比值；
D — 主动钩杆和从动钩杆直径。
公式（2）为主动轮与从动轮的关系，从动轮钩杆与主动轮钩杆中心线为共扼的空间曲线形状，当确定主动钩杆中心线方程和
Figure 464735DEST_PATH_IMAGE051
，，D，
Figure 431871DEST_PATH_IMAGE077
，的值时，与之共轭的从动钩杆的中心线方程就随之确定了，可求解从动轮钩杆中心线的曲线方程，从而确定从动钩杆的形状。同时，确定主动轮在轴上的位置后，可根据
Figure 247347DEST_PATH_IMAGE049
在
Figure 392020DEST_PATH_IMAGE029
轴上和
Figure 505470DEST_PATH_IMAGE045
轴上的投影距离，
Figure 555334DEST_PATH_IMAGE075
的值确定与之啮合的从动轮在轴上的位置。如图6所示，为传动比设置
Figure 779642DEST_PATH_IMAGE077
=4的第三级从动轮，本减速器中两交叉轴夹角，
Figure 17168DEST_PATH_IMAGE051
=15mm，=16.5mm，其从动轮方程如下：
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE081
     （
Figure 379065DEST_PATH_IMAGE069
）               （3）
图7为传动比为1:4的第三级主、从动轮三维啮合示意图，合理确定第三级主动轮8在第二级输出轴6上的位置，根据投影距离
Figure 498331DEST_PATH_IMAGE079
，
Figure 639068DEST_PATH_IMAGE053
的值，确定第三级从动轮10在第三级输出轴9上的位置。第三级主动轮钩杆和第三级从动轮钩杆啮合于一点，两相邻交叉轴夹角为120°，在此对钩杆即将脱离啮合,但还未完全脱离啮合时，下一对钩杆开始啮合，够实现连续稳定的传动。本例中各主从动钩杆直径相同，可根据传递动力的大小选择钩杆直径。
目前，主、从动轮可加工出的直径小到5mm。主动轮钩杆数至少为4个，钩杆伸出轮体高度不小于主动钩杆数倒数的螺距，保证重合度不小于1；从动钩杆数与主动钩杆数的比值为传动比，且从动轮钩杆数至少为4个；主、从动轮钩杆横截面直径为
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE083
mm，材料为钢。本减速器的主从动轮都在可加工的范围内。主从动轮的材料为钢丝，现有加工方法有靠模法、选区激光快速成型法、注塑法，其中较成熟且精度较高的加工方法为选区激光快速成型法。
本例中其他主动轮螺旋线和从动轮中心曲线参数方程同理可求得，且主、从动轮在轴上的相对位置也同理可确定，其传动比依次为
Figure 476574DEST_PATH_IMAGE077
=2，3，4，5，6（如图8）。在从动轮直径不变的条件下，传动比越大，从动轮钩杆有效啮合的曲线段越短。为了保证传动的平稳性，传动比越大，从动轮直径应越大。但还需考虑整体机构的紧凑性和总尺寸微小化，因此，在主动轮相同的条件下，传动比达到一定值后，从动轮直径增量应较小。
Figure 229636DEST_PATH_IMAGE051
，的值直接影响从动轮的半径，综合考虑，合理选择不同的
Figure 829561DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 639517DEST_PATH_IMAGE075
值，所得的五级减速传动机构如图8所示。图中六根轴以外切于
Figure 2010105115963100002DEST_PATH_IMAGE085
mm圆的正六边形为基体，其中心线位于正六边形六条边及其延长线上。此基于正六边形轴分布微小减速器的外圆直径为98mm。随着斜交齿轮机构制造技术的不断改进，斜交齿轮机构尺寸可以大大减小，进而基于正多边形轴分布减速器尺寸也可大大减小。
本微小减速器在于以正多边形为基体布局，两交叉轴夹角度相同，结构简单明晰，规则简单的布局具有一定的美观性。本发明还具有多个输出，扩大了减速器的应用范围，此外，零件简单，重量轻，尺寸可达到很小，极好的满足了微小机械的尺寸要求。其传动机构制造简单，成本低廉，操作简易，具有应用的普遍性。

Claims (4)

1.一种基于正多边形轴分布微小减速器，包括箱体，一根输入轴，多根输出轴，多个主动轮，多个从动轮；其特征为：输入轴和所有输出轴总共有                                               
Figure 2010105115963100001DEST_PATH_IMAGE002
根，其中输出轴为
Figure 2010105115963100001DEST_PATH_IMAGE004
根，输入轴和所有输出轴的中心线以均匀的间隔切于同一个圆，相应的N个切点均匀间隔分布在该圆上，通过这个圆上的所述个切点构成圆的一个外切正边形，输入轴和所有输出轴各自分布在这个正
Figure 12227DEST_PATH_IMAGE002
边形的边长及其延长线上；所述箱体为空心圆柱体且内部均匀分布个长方体支座，在空心圆柱体轮缘上均匀分布
Figure 782661DEST_PATH_IMAGE002
个外安装孔，在每个长方体支座上分布一个内安装孔，输入轴和所有输出轴两端由一对安装孔安装在箱体上，每一对安装孔包括位于空心圆柱体轮缘上的一个外安装孔和位于长方体支座上的一个内安装孔；输入轴上只安装一个主动轮，与输入轴相邻的两输出轴，其中一根输出轴上只安装一个从动轮，另一根输出轴上安装一个主动轮和一个从动轮，其余输出轴各安装一个主动轮和一个从动轮；与输入轴相邻的安装有主动轮和从动轮的输出轴为第一级输出轴，与第一级输出轴相邻的输出轴为第二级输出轴，与第
Figure 2010105115963100001DEST_PATH_IMAGE006
级输出轴相邻的两输出轴为第
Figure 2010105115963100001DEST_PATH_IMAGE008
级输出轴和第级输出轴，输入轴上的主动轮与第一级输出轴上的从动轮构成一个传动副，第一级输出轴上的主动轮与第二级输出轴上的从动轮构成一个传动副，上一级输出轴上的主动轮与下一级输出轴上的从动轮构成一个传动副。
2.根据权利要求1所述的微小减速器，其特征在于所述正多边形边数
Figure 2010105115963100001DEST_PATH_IMAGE010
。
3.根据权利要求1所述的微小减速器，其特征在于一个传动副中的主动轮和从动轮是一对基于空间曲线啮合的斜交齿轮机构；主动轮由一个主动轮体和多个主动钩杆组成，从动轮由一个从动轮体和多个从动钩杆组成，主动轮体和从动轮体都为圆柱体，圆柱体的轴线和与其安装的轴的轴线重合，主动钩杆中心线为螺旋线，从动钩杆中心线与主动钩杆中心线为共轭的空间曲线。
4.根据权利要求3所述的微小减速器的传动副，其特征在于一个传动副中，主动轮体和从动轮体横截面间的夹角为
Figure 2010105115963100001DEST_PATH_IMAGE012
，或
Figure 2010105115963100001DEST_PATH_IMAGE016
。
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