CN101963207B

CN101963207B - 多轴输出的多面体空间曲线啮合变速器

Info

Publication number: CN101963207B
Application number: CN2010105116256A
Authority: CN
Inventors: 陈扬枝; 丁江
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: CN101963207A

Abstract

本发明公开多轴输出的多面体空间曲线啮合变速器，具有N级传动级数，该变速器的每一级传动包括一个以上的传动组，每个传动组只包括一个输入轴，各传动组的输入轴各自独立地与上一级传动中的传动组的输出轴同轴相连；每根输入轴接一个主动轮，主动轮的中心线与输入轴的中心线重合；每根输出轴接一个从动轮，从动轮的中心线与输出轴的中心线重合；同一个传动组中，输入轴上的主动轮与输出轴上的从动轮相互啮合，一根输入轴和所有输出轴的中心线按正多棱锥布局；本发明结构紧凑，设计灵活，在较小的空间内实现运动的单输入-多输出，并且具有良好的工艺性和经济性，可以满足多种减速需求，尤其适用于微传动系统。

Description

多轴输出的多面体空间曲线啮合变速器

技术领域

本方法涉及技术领域为齿轮变速机构和微小传动技术，具体涉及多轴输出的多面体空间曲线啮合变速器。

背景技术

变速器的种类有很多，目前已制定为行（国）标的变速器有40余种。变速器一般可以分为以下几大类：普通的齿轮变速器、蜗轮蜗杆变速器、行星齿轮变速器、谐波齿轮变速器、摆线针轮变速器和三环变速器等。

普通的齿轮变速器是最常见的变速箱，主要包括圆柱齿轮变速器、圆锥齿轮变速器和圆锥-圆柱齿轮变速器等。齿轮变速器造价低廉，运转平稳，噪音低，传动力矩大，但传动比小。

蜗轮蜗杆变速器主要有圆柱蜗杆变速器、环面蜗杆变速器和蜗杆-齿轮变速器。蜗杆变速器的主要特点是具有反向自锁功能，减速比较大，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但一般体积较大，传动效率低，精度不高。

行星齿轮变速器的特点是结构紧凑，运转平稳，精度较高，承载能力强，使用寿命长。但传动力矩较小，价格较高。

谐波齿轮变速器体积小，传动精度高，承载能力强，但缺点是柔轮制造工艺复杂，且抗耐冲能力差，刚性与金属件相比较差，主要应用于小功率系统中。

摆线针轮变速器减速比大，体积小，重量轻，传动效率高，通用于中小功率的情况中，故障少，但结构复杂，制造精度和维修技术的要求较高，摆线齿的磨削需要专用的机床，价格较高。

三环变速器属平行轴一动轴齿轮传动变速器，兼有行星齿轮变速器和普通圆柱齿轮变速器的优点，但在传动轴上存在不平衡力偶矩，目前主要使用于低速重载的工况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有变速器存在的不足，提供多轴输出的多面体空间曲线啮合变速器。多轴输出的多面体空间曲线啮合变速器使用了非传统的传动方式，极大改变了箱体的结构布局，具有尺寸小，质量轻，灵活性高等特点，在较小的空间内实现单轴输入-多轴输出的功能，特别适合作为微小机械装置的变速机构。同时，本发明造价低廉，尤其在微机电系统领域，具有很好的应用前景。本发明通过如下技术方案实现。

多轴输出的多面体空间曲线啮合变速器，包括上箱体、下箱体和安装在上箱体和下箱体上的输入轴和输出轴，该变速器为N级多面体空间曲线啮合变速器，N为大于或等于1的整数，且等于该变速箱的传动级数；该变速器的第一级传动包括一个传动组，即包括一个主动轮、一个输入轴、多个从动轮和多个输出轴；该变速器的每一级传动包括一个以上的传动组，每个传动组只包括一个输入轴，各传动组的输入轴各自独立地与上一级传动中的传动组的输出轴同轴相连，以相同的角速度运动；每根输入轴接一个主动轮，主动轮的中心线与输入轴的中心线重合；每根输出轴接一个从动轮，从动轮的中心线与输出轴的中心线重合；同一个传动组中，输入轴上的主动轮与输出轴上的从动轮相互啮合，一根输入轴和所有输出轴的中心线按正多棱锥布局，即所有输出轴的中心线在空间中共点，相邻两输出轴的中心线之间分别成相同的角度，且绕着输入轴的中心线成轴对称分布；第K-1级传动的每个传动组具有多个输出轴，该多个输出轴分别与第K级传动中每个传动组的输入轴同轴紧固相连，以相同的角速度运动，K为任意大于或等于2且小于或等于N的整数；第K级传动中每个传动组的输入轴按轴向延长，兼作第K级传动的一个输出轴；第K级传动中的输入轴的数目等于第K-1级传动中的输出轴的数目，第K级传动中的输出轴的数目等于第K级传动中所有所述多棱锥的棱数总和加上第K级传动中输入轴的数目。

上述的多面体空间曲线啮合变速器中，上箱体和下箱体形成一个密闭的壳体；上箱体和下箱体上开有用于安装所述输入轴和输出轴的孔。

上述的多面体空间曲线啮合变速器中，每一个主动轮包括一个主动轮轮体和多个主动钩杆，所有主动钩杆分别均布在主动轮轮体外沿；每一个从动轮包括一个从动轮轮体和多个从动钩杆，所有从动钩杆分别均布在从动轮轮体外沿；主动轮和从动轮通过主动钩杆和从动钩杆的依次啮合来实现传动，通过主动钩杆和从动钩杆的数目不同而实现变速。

上述的多面体空间曲线啮合变速器中，所述主动钩杆的中心线为螺旋线；主动钩杆的中心线与从动钩杆的中心线为共轭的空间曲线。

传动级数的定义可参照传统的变速器，对于任意一个特定的转速，从变速前的输入到变速后的输出这一个变速过程中，参与了这个变速过程的空间曲线啮合轮传动副的个数被定义为传动级数。按传动级数的不同，多轴输出的多面体空间曲线啮合变速器可以分为一级多面体空间曲线啮合变速器和多级多面体空间曲线啮合变速器。

总的来说，本发明与现有技术相比具有如下的优点:

1、布局紧凑。经过合理的布局，可以在比较小的空间内实现数十种传动比的输出，特别适合应用于要求单输入-多输出的微小机械。

2、设计灵活。只需要通过改变主、从动轮的参数方程，就可以得到多种的传动比需要，而不需要对其他结构进行改动。

3、良好的工艺性和经济性。空间曲线齿轮质量较轻，制造简单，造价低廉，可以满足多种减速需求。

附图说明

图1为实施方式中空间啮合坐标系示意图。

图2为实施方式中主动轮示意图。

图3为实施方式中从动轮示意图。

图4 为一级多面体空间曲线啮合变速器的传动系统示意图。

图5 为图4所示一级多面体空间曲线啮合变速器的外观示意图。

图6为二级多面体空间曲线啮合变速器的传动系统示意图。

图7 为图6所示二级多面体空间曲线啮合变速器的结构透视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

参照传统的变速器，对于任意一个特定的转速，从变速前的输入到变速后的输出这一个变速过程中，参与了这个变速过程的空间曲线啮合轮传动副的个数被定义为传动级数。按传动级数的不同，多轴输出的多面体空间曲线啮合变速器可以分为一级多面体空间曲线啮合变速器和多级多面体空间曲线啮合变速器。下面统一以N级多面体空间曲线啮合变速器表示，其中N为大于等于1的整数，且等于该变速箱的传动级数。当N=1时，表示该变速器为一级多面体空间曲线啮合变速器；当N≥2时，表示该变速器为多级多面体空间曲线啮合变速器。

N级多面体空间曲线啮合变速器的第一级传动包括一个传动组，即一个主动轮、一个输入轴、多个从动轮和多个输出轴（从动轮和输入轴的数目与下文所述多棱锥布局的棱边数有关，可根据实际需要而进行确定，具体参见下面例子）。输入轴接一个主动轮，主动轮的中心线与输入轴的中心线重合；每根输出轴接一个从动轮，从动轮的中心线与输出轴的中心线重合。输入轴上的主动轮与所有输出轴上的从动轮相互啮合，输入轴和所有输出轴的中心线按正多棱锥布局，即所有输出轴的中心线在空间中共点，相邻两输出轴的中心线之间分别成相同的角度，且绕着该输入轴的中心线成轴对称分布。

N级多面体空间曲线啮合变速器的每一级传动包括一个以上的传动组。每个传动组只包括一个输入轴，各传动组的输入轴各自独立与上一级传动中的传动组的输出轴紧固相连。同一个传动组中，输入轴上的主动轮与输出轴上的从动轮相互啮合，一根输入轴和所有输出轴的中心线按正多棱锥布局，即所有输出轴的中心线在空间中共点，相邻两输出轴的中心线之间分别成相同的角度，且绕着输入轴的中心线成轴对称分布。

设K为任意大于等于2且小于等于N的整数。第K-1级传动具有多个输出轴，该多个输出轴分别与第K级传动中的输入轴同轴紧固相连，以相同的角速度运动。第K级传动中的输入轴按轴向延长，兼作第K级传动的输出轴。第K级传动中输入轴的数目等于第K-1级传动中的输出轴的数目，第K级传动的输出轴的数目等于第K级传动中所有所述多棱锥的棱数总和加上第K级传动的输入轴的数目。

当N=1时，N级多面体空间曲线啮合变速器的上箱体和下箱体形成一个密闭的壳体，对所有输入轴和输出轴起支承、固定的作用。可以根据输入轴和输出轴的位置和外径对上箱体和下箱体进行打孔。

当N≥2时，N级多面体空间曲线啮合变速器的上箱体对应分内外N层。最内层类似于一级多面体空间曲线啮合变速器上箱体的四面空间壳体。其余层均为多面空间壳体，根据输入轴和输出轴的位置和外径对上箱体和下箱体进行打孔。上下箱体形成一个密闭的壳体空间。

区别于传统齿轮的空间曲面啮合原理，本实施方式采用空间曲线啮合原理，即实现啮合传动的是一对空间曲线。运动从输入端输入，经空间曲线啮合轮传动机构实现减速后，然后由指定一个或多个的输出端输出。其中，空间曲线啮合轮传动副是变速器的核心，一个空间曲线啮合轮传动副包括一个主动轮和一个从动轮。主动轮和从动轮上面分别均布有主动钩杆和从动钩杆。

下面以正三棱锥布局作为例子，具体说明一级多面体空间曲线啮合变速器和二级多面体空间曲线啮合变速器的设计方法。

如图1所示，首先建立空间曲线啮合坐标系。其中，与

是两个笛卡尔直角坐标系，

与

在同一平面内。

轴与主动轮的中心线重合，

轴与从动轮的中心线重合。

轴和

轴分别由

轴和

轴在

平面（

平面）内逆时针旋转90°得到。

轴和

轴垂直于

平面（

平面）,方向根据右手直角坐标系确定。空间笛卡尔坐标系

与主动轮固联，空间笛卡尔坐标系与从动轮固联，在起始位置它们分别与坐标系

及

重合，主动轮以匀角速度绕z轴旋转，从动轮以匀角速度绕

轴旋转。

记平面与

平面之间的夹角为θ(0°≤θ＜180°)。

点到

轴的距离为a(a＞0)，到在

轴的距离为b(b＞0)。

主动钩杆的中心线为螺旋线，在

坐标系中满足：

（）

其中，

为螺旋半径；

为螺距系数；为参变量，表征坐标值的取值范围。

表示1/4圆周。

以接输入轴的主动轮为例，取

，

，得到其中一根主动钩杆的形状：

（

）

设D为钩杆半径。取主动钩杆数为6，

。以主动轮轮体中心线为对称轴，将6根形状相同的主动钩杆均布于轮体外沿，得到主动轮，如图2所示。

根据空间啮合方程，从动钩杆对应的曲线应该满足：

（）

其中，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。

为钩杆半径。例如，取

，

，θ = 145°，a =b = 12mm，得到所求从动轮的其中一根钩杆的曲线为

（

）

则从动钩杆数为12。同理，取钩杆半径，将从动轮钩杆均布在从动轮的轮体外沿，得到从动轮，如图3所示。

同理，选取不同的参数，可以得到其他的主、从动钩杆的形状。其中，每个从动轮与同一主动轮之间可以采用相同或不同的传动比。

如图4所示，为一级多面体空间曲线啮合变速器的传动系统。根据传动比个数的要求，图示的一级多面体空间曲线啮合变速器包含一个传动组，即一个主动轮、一个输入轴、三个从动轮和三个输出轴。该输入轴接一个主动轮，主动轮的中心线与输入轴的中心线重合；每根输出轴接一个从动轮，从动轮的中心线与输出轴的中心线重合。该输入轴上的主动轮与三根输出轴上的从动轮相互啮合。该输入轴和三根输出轴的中心线按正三棱锥结构：三个输出轴的中心线在空间中共点，相邻两根输出轴之间分别成相同的角度（60°），且绕着输入轴的中心线成轴对称分布。

如图5所示，为图4所示的一级多面体空间曲线啮合变速器的外观。上箱体为空间多面壳体，包括一个三角形顶面和三个相同的梯形侧面。三角形顶面与输入轴相垂直，三个相同的梯形侧面都分别与一根输出轴中相垂直，各个面根据传动轴（输入轴和输出轴）的大小和位置在相应的面进行打孔。下箱体为空间多面壳体，包括一个三角形底面和三个相同的竖直方向的矩形侧面。

如图6所示，为二级多面体空间曲线啮合变速器的传动系统。二级多面体空间曲线啮合变速器的第一级传动包含了一个与一级多面体空间曲线啮合变速器相似的传动组；第二级传动包含了三个与一级多面体空间曲线啮合变速器相似的传动组。具体而言，在第一级多面体空间曲线啮合变速器的传动中，第一级传动的三根输出轴（1、2、4）分别与第二级传动的三根输入轴（8、11、14）同轴紧固相连，以相同的角速度运动。上述三根第二级传动的输入轴中，每根输入轴带动一个传动组（图6示中，轴8、5、6和7为一个传动组，轴11、9、10和12为一个传动组，轴14、13、15和16为一个传动组）。每个传动组中，输入轴上的主动轮与每根输出轴上的从动轮都相互啮合。属于同一传动组的输入轴和输出轴，其中心线均采用三棱锥布局。出于外观对称和制造工艺考虑，任取其中一个第二级输出轴，令其中心线竖直。每个传动组有三个第二级输出轴，共计得到九个第二级输出轴。此外，第二级传动的三个输入轴分别按轴向延长，兼作第二级传动的输出轴。第二级传动的输入轴的数目（3根）等于第一级传动的输出轴的数目（3根）；第二级传动的输出轴的数目（12根）等于第二级传动的输入轴所在的多棱锥布局的总棱数（9根）之和加上第二级传动的输入轴的数目（3根）。

由此可见，图示设计的二级多面体空间曲线啮合变速器的两级传动都只是采用了三棱锥布局，就能够在单轴输入的情况下实现十二种的变速输出。而多面体空间曲线啮合变速器的多棱锥布局不限于三棱锥布局，可以设计出更多的单输入-多输出结构。

如图7所示，为图6的二级多面体空间曲线啮合变速器的透视图。上箱体和下箱体形成一个密闭的壳体，对所有输入轴和输出轴起支承、固定的作用。与变速器的级数相对应，二级多面体空间曲线啮合变速器的上箱体分为两层。根据所有输入轴和输出轴的位置和外径对上箱体和下箱体进行打孔。在制造加工出各部件（主动轮、从动轮、轮轴、箱体等）后，辅以合适的轴承、密封件、润滑油等，按规定的精度进行装配调试，即得到二级多面体空间曲线啮合变速器。

Claims

1.多轴输出的多面体空间曲线啮合变速器，包括上箱体、下箱体和安装在上箱体和下箱体上的输入轴和输出轴，其特征在于该变速器为N级多面体空间曲线啮合变速器，N为大于或等于1的整数，且等于该变速器的传动级数；该变速器的第一级传动包括一个传动组，即包括一个主动轮、一个输入轴、多个从动轮和多个输出轴；该变速器除第一级传动以外的每一级传动包括一个以上的传动组，每个传动组只包括一个输入轴，各传动组的输入轴各自独立地与上一级传动中的传动组的输出轴同轴相连，以相同的角速度运动；每根输入轴接一个主动轮，主动轮的中心线与输入轴的中心线重合；每根输出轴接一个从动轮，从动轮的中心线与输出轴的中心线重合；同一个传动组中，输入轴上的主动轮与输出轴上的从动轮相互啮合，所有输出轴的中心线按正多棱锥布局，即所有输出轴的中心线在空间中共点，相邻两输出轴的中心线之间分别成相同的角度，且绕着输入轴的中心线成轴对称分布；第K-1级传动的每个传动组具有多个输出轴，该多个输出轴分别与第K级传动中每个传动组的输入轴同轴紧固相连，以相同的角速度运动，K为任意大于或等于2且小于或等于N的整数；第K级传动中每个传动组的输入轴按轴向延长，兼作第K级传动的一个输出轴；第K级传动中的输入轴的数目等于第K-1级传动中的输出轴的数目，第K级传动中的输出轴的数目等于第K级传动中所有所述正多棱锥的棱数总和加上第K级传动中输入轴的数目；每一个主动轮包括一个主动轮轮体和多个主动钩杆，所有主动钩杆分别均布在主动轮轮体外沿；每一个从动轮包括一个从动轮轮体和多个从动钩杆，所有从动钩杆分别均布在从动轮轮体外沿；主动轮和从动轮通过主动钩杆和从动钩杆的依次啮合来实现传动，通过主动钩杆和从动钩杆的数目不同而实现变速；所述主动钩杆的中心线为螺旋线；主动钩杆的中心线与从动钩杆的中心线为共轭的空间曲线。

2.根据权利要求1所述的多面体空间曲线啮合变速器，其特征在于上箱体和下箱体形成一个密闭的壳体；上箱体和下箱体上开有用于安装所述输入轴和输出轴的孔。