CN103089919B - 一种面接触齿轮传动机构 - Google Patents

Abstract

一种面接触齿轮传动机构，包括：主动齿轮、从动齿轮、滑块、支撑部件、弹性部件；通过设置的滑块实现主动齿轮与从动齿轮之间在啮合过程中的面接触，避免了由于齿面与齿面的高副接触，而产生的齿面变形、滑移以及承载能力低等问题，同时也避免了在重载时产生的胶合问题，进而提高了的承载能力。

Description

一种面接触齿轮传动机构

技术领域

本发明涉及机械工程中的机械传动领域，特别涉及一种面接触齿轮传动机构。

背景技术

机械传动在机械工程中应用非常广泛，主要是指利用机械方式传递动力和运动的传动。分为两类:一是靠构件间的摩擦力传递动力叫做摩擦传动，二是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力。

其中，齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机构。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。目前，现有的齿轮传动形式按空间轴线布置情况，可分为平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动、交错轴齿轮传动。

平行轴直齿轮传动和平行轴斜齿轮传动可以实现线接触。在大多数的空间齿轮传动形式中，例如锥齿轮、涡轮蜗杆传动等，齿面间主要以点接触为主。线接触、点接触是多数齿轮传动的特点，但从运动副的角度来看，齿面与齿面之间为高副接触。高副接触的最大缺点在于单位面积内承受应力大，齿面容易发生变形、滑移等现象，从而降低了齿轮传动精度，使得齿轮的承载能力下降。

一般平行轴定传动比齿轮传动机构，在垂直于轴线方向的平面上，齿廓曲面变成两条相切的曲线Σ₁,Σ₂(如图1所示)，其中切点M为瞬时啮合点。根据齿廓啮合基本定理，在啮合点的相对速度方向应当与齿顶齿廓曲率中心N₁、N₂的连线垂直。

啮合点处的运动副类型为高副接触，根据平面四杆机构中的“高副低代”原理，为了把高副转变为低副，在瞬时啮合点M处，可用杆件N₁N₂连接两齿廓曲线的曲率中心，曲率中心分别与各自的回转中心O₁、O₂连接，这样组成了铰链四杆机构O₁N₁N₂O₂(如图2所示)。接触点M处的高副由中间杆件的两端低副N₁、N₂代替，中间杆N₁N₂作为新添加的第三个活动构件，瞬时替代的铰链四杆机构的自由度、瞬时速度、瞬时加速度均与替代前的齿轮传动机构保持不变。

虽然，瞬时替代的铰链四杆机构实现了高副低代，但并不能实现连续的啮合传动，不能够应用于齿轮传动中。

另外，齿轮传动机构在高速重载的环境下工作时，由于齿面有较高的相对滑动速度，产生大量的热，同时在重载的作用，以及润滑不足的情况下，使得齿面近似于熔融状态，即，两个齿轮齿面上的材料会出现相互粘连的现象，也就是，两齿面易产生胶合问题。

以点、线接触为特点的齿轮传动，从工作原理上限制了齿轮传动机构齿面的接触应力和承载能力，进而影响了齿轮传动机构的精度。

如何提供一种面接触齿轮传动机构及方法，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种面接触的齿轮传动机构，避免齿轮传动过程中，由于齿面与齿面的高副接触，而产生的齿面变形、滑移承载能力低等问题。

为解决上述问题，本发明提供一种面接触的齿轮传动机构，包括：主动齿轮、从动齿轮、滑块、支撑部件、弹性部件；具体地：所述滑块两侧面为凹圆弧曲面，且所述凹圆弧曲面的半径分别等于所述主动齿轮和从动齿轮齿顶的齿面曲率半径；所述支撑部件的一端与所述滑块固定，且使所述滑块的凹圆弧曲面与所述主动齿轮或从动齿轮齿顶齿廓贴合；另一端连接在所述主动齿轮或所述从动齿轮齿顶齿廓的中心孔上，所述支撑部件带动所述滑块贴合齿顶齿廓滑动；所述弹性部件的一端固定在所述支撑部件上，随所述支撑部件的滑动而伸缩；另一端固定于安装有所述支撑部件的所述主动齿轮或从动齿轮上，将所述滑块定位于所述主动齿轮或所述从动齿轮的每个齿顶预设的初始位置上，使所述滑块凹圆弧曲面在啮合过程中与所述主或从动齿轮的齿面啮合，且所述滑块在啮合完毕后复位到所述初始位置。

优选地，所述支撑部件上还设置有与所述中心孔相对应的槽型开口，且该槽形开口的方向与所述支撑部件长度方向一致，通过定位销将所述槽型开口与所述中心孔连接，所述支撑部件通过所述弹性部件作用，在所述支撑部件长度方向上保证所述滑块与所述齿顶齿廓的贴合。

优选地，所述支撑部件包括第一支撑板和第二支撑板，分别固定于所述主动齿轮或从动齿轮的两侧。

优选地，所述支撑部件与所述滑块之间通过采用螺栓、螺钉或焊接的方式固定。

优选地，所述弹性部件分别位于所述第一支撑板和所述第二支撑板上，并与所述主从齿轮或从动齿轮连接。

优选地，所述弹性部件为弹簧，通过吊环螺钉固定。

本发明所述滑块安装于主动齿轮或从动齿轮上每个齿顶齿廓的初始位置处，通过与滑块连接的并且能够以齿顶齿廓中心孔为中心转动的支撑部件，实现滑块的连接，并通过安装在主动齿轮或从动齿轮与支撑板上的弹性部件，能够实现弹性部件随支撑板摆动而伸缩与复位，进而使滑块能够贴合齿顶齿廓，进行齿轮的面接触啮合，并在啮合完成后将滑块复位到原来的初始位置，以便下次的啮合。通过设置的滑块实现主动齿轮与从动齿轮之间在啮合过程中的面接触，避免了由于齿面与齿面的高副接触，而产生的齿面变形、滑移以及承载能力低等问题，同时也避免了在重载时产生的胶合问题，进而提高了齿轮传动的承载能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例和现有技术中的技术方案，下面将对实施例和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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是现有技术中一般齿轮传动的瞬时啮合示意图；

图2是现有技术中解决高副运动的齿轮传动瞬时等效铰链四杆机构示意图；

图3是基于图2的一种面接触齿轮传动机构的原理示意图；

图4是基于图3齿轮转过小角度后的面接触齿轮机构的状态图；

图5是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的外啮合原理图；

图6是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的内啮合原理图；

图7是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的外啮合具体实施方式的示意图；

图8是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的外啮合具体实施方式的侧视图；

图9是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的滑块的局部放大图；

图10是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的工作原理示意图；

图11是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的齿根采用圆弧过渡的结构示意图；

图12是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的内啮合形式示意图；

图13是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的行星齿轮传动形式示意图；

图14是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的外啮合传动比曲线图形。

具体实施方式

下面将接合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。

基于图1和图2存在的问题，本发明提供了一种面接触齿轮传动机构，请参考图3，图3是基于图2的一种面接触齿轮传动机构的原理示意图；因为瞬时替代的铰链四杆机构不能实现面接触的目的，为了改变齿轮副之间的接触形式，本发明考虑把齿廓之间的点、线接触转变为曲面与曲面接触。同样基于“高副低代”原理，将中间杆件N₁N₂替换为两侧呈凹圆弧曲面的滑动块，相应的两齿廓取凸圆弧齿廓Σ₁'、Σ₂'，其圆心在原齿廓曲率中心处，滑块两侧凹圆弧曲面与齿顶齿廓(凸圆弧齿廓)的曲率半径相等，并且保证滑块的凹圆弧曲面与齿顶齿廓处始终贴合。

结合图3参考图4所示，图4是基于图3齿轮转过小角度后的面接触齿轮机构的状态图。

忽略与原齿轮传动的瞬时速度、加速度对比，保持机构的自由度数目，使凸圆弧齿廓Σ₁'作为主动轮，顺时针转动一个微小角度，齿廓Σ₁'推动滑动块运动，滑动块挤压从动齿廓Σ₂'逆时针转动，滑动块作为一个传递压力的活动构件，始终与两侧齿廓曲面贴合并且相对滑动，得到下一时刻的运动状态图。

请参考图5所示，图5是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的外啮合原理图。

为了使本发明提供的这种以面接触为特点的齿轮传动机构能够连续不间断的传递运动，将圆形齿廓分别绕其回转中心圆周布置若干齿数，滑块和主动齿轮或从动齿轮的齿数相同，并与之滑动连接，通过安装的滑块，在主动齿轮连续推动从动齿轮上的齿运动时，形成了面接触齿轮传动。

参考图6所示，图6是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的内啮合原理图。

该内啮合原理图的工作原理与图5的外啮合原理一样，因此不再赘述。

请参考图7并结合图8所示，图7是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的外啮合具体实施方式的示意图；图8是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的外啮合具体实施方式的侧视图。

本发明基于现有技术中，没有面接触齿轮传动机构而存在齿面容易发生变形、滑移、胶合等现象，进而造成精度降低、齿轮承载能力下降等问题，提出了一种面接触齿轮传动机构，包括：主动齿轮1、从动齿轮2、滑块3、支撑部件4、弹性部件5；具体地：

请参考图9所示，图9是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的滑块的局部放大图。

所述滑块3两侧面为凹圆弧曲面，且所述凹圆弧曲面的半径等于所述主动齿轮1和从动齿轮2的齿面曲率半径；

所述支撑部件4的一端与所述滑块3固定，且使所述滑块3的凹圆弧曲面与所述主动齿轮1或从动齿轮2齿顶齿廓贴合；另一端连接在所述主动齿轮1或所述从动齿轮2齿顶齿廓的中心孔6处，所述支撑部件4带动所述滑块3贴合齿顶齿廓滑动；

所述弹性部件5的一端固定在所述支撑部件4上，随所述支撑部件4的摆动而伸缩；另一端固定于安装有所述支撑部件4的所述主动齿轮1或从动齿轮2上，用于将所述滑块3定位于所述主动齿轮1或所述从动齿轮2的每个齿顶预设的初始位置上，使所述滑块3凹圆弧曲面在啮合过程中与所述主或从动齿轮2的齿面啮合，并在啮合完毕后，使所述滑块3复位到所述初始位置。

本发明提供的面接触齿轮传动机构，包括了在所述主动齿轮1或从动齿轮2上安装的滑块3作为啮合时的接触面，实现啮合。

具体地，本发明所述滑块3安装于主动齿轮1或从动齿轮2上每个齿顶齿廓的初始位置处，通过与滑块3连接的并且能够以齿顶齿廓中心孔6为中心转动的支撑部件4，实现滑块3的连接，并通过安装在主动齿轮1或从动齿轮2与支撑板上的弹性部件5，能够实现弹性部件5随支撑板移动而伸缩与复位，进而使滑块3能够贴合齿顶齿廓，进行齿轮的面接触啮合，并在啮合完成后将滑块3复位到原来的初始位置，以便下次的啮合。

本发明中所述的滑块3作为一个传递压力的活动构件，始终使得滑块3凹圆弧曲面能够贴合在主动齿轮1与从动齿轮2的齿面上，并且能够相对滑动，实现主动齿轮1与从动齿轮2啮合面的面接触。

本发明提供的一种面接触齿轮传动机构，通过设置的滑块3实现主动齿轮1与从动齿轮2之间在啮合过程中的面接触，提高了齿轮传动的承载能力；并且避免了在重载时产生的胶合问题。

请参考图10所示，图10是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的工作原理图。

本发明面接触齿轮传动机构的工作原理是，滑块3可以连接在主动齿轮1或者从动齿轮2的每一个齿顶齿廓的初始位置上，所述初始位置是在面接触齿轮传动的基本参数给定后(例如：分度圆半径、齿廓曲率半径、齿数、滑块最薄处厚度)，通过理论计算或实际安装可以确定滑块3的初始位置。当主动齿轮1与从动齿轮2的相对应齿轮实现面接触时，按齿轮的旋转方向可以确定“进入啮合”位置，该进入啮合的位置是对应齿轮的齿顶齿廓曲率中心N₁₁、N₂₁处；“脱离啮合”位置为对应齿轮齿顶齿廓曲率中心N₂₁、N₂₂处。在“进入啮合”的位置处，相对齿顶齿廓的曲率中心连线与齿顶齿廓径向之间的夹角θ₁、θ₂成为滑块3的初始角度。每一个滑块3与齿顶齿廓贴合，并且通过所述初始角度来确定滑块3的初始位置，通过支撑板与弹性部件5，将滑块3定位在初始位置。

啮合过程分为三个阶段(以从动齿轮上安装有滑块来举例说明)：

首先，进入啮合；主动齿轮1绕某一个方向转动，待到某一位置时，主动齿轮1的齿顶齿廓与连接在从动齿轮2上的滑块3接触。若滑块3的初始角度有偏差，可通过齿顶齿廓(齿轮凸圆弧齿廓)拨动滑块3凹圆弧两尖端，使之形成面接触。

接着，啮合期间；啮合期间只有一对齿在工作，主动齿轮1齿廓会挤压滑块3，滑块3进一步挤压从动齿轮2齿廓，从而推动从动齿轮2转动。滑块3作为传递中介始终与两齿轮的齿廓接触并相对滑动，齿顶齿廓拨动滑块3两侧尖端，使其姿态不断改变适应面接触特点，输出传动比不断变化。

最后，脱离啮合；待上述一对齿转动到某一位置时，后面一对齿即将进入啮合，由于新进入啮合的齿轮，啮合瞬间的转速比原来一对齿高，加之碰撞使得原来一对齿脱离啮合。脱离啮合后的滑块3，在弹性部件5的作用下，又恢复到初始位置，这样面接触齿轮在传动过程实现了传动交替，从而保证了面接触齿轮传递的连续性。

本发明提供的面接触齿轮传动机构，所述支撑部件上还设置有与所述中心孔相对应的槽型开口11，且该槽型开口11的方向与所述支撑部件4长度方向一致，通过定位销将所述槽型开口11与所述中心孔6连接，使所述支撑部件4通过所述弹性部件5作用，在所述支撑部件4长度方向上保证所述滑块3与所述齿顶齿廓的贴合。也就是，所述滑块3与安装滑块的所述主动齿轮之间没有空隙，或所述滑块与安装滑块的所述从动齿轮之间没有空隙，即“紧密贴合”；进而保证没有滑块3的主动齿轮或从动齿轮，能够将动力传递给安装有滑块3的主动齿轮或从动齿轮上，而不是滑块3上，延长滑块的使用寿命并提高齿轮的承载能力。

再参考图8、9所示，本发明提供的一种面接触齿轮传动机构，所述支撑部件包括第一支撑板41和第二支撑板42，分别相对固定于所述主动齿轮或从动齿轮的两侧。

所述支撑部件4与所述滑块3之间通过采用螺栓10或螺钉或焊接等方式固定，固定方式并不限于上述。

所述弹性部件分别位于第一支撑板41和第二支撑板42上，并与所述主从齿轮或从动齿轮连接。

所述弹性部件5为弹簧，可以直接分别固定在所述支撑部件4和齿轮上，也可以通过吊环螺钉9固定或采用其他中间连接件进行固定。

需要说明的是，本发明提供的滑块3形状大小不受上述内容限制，任何可通过上述原理实现的面接触都应属于本发明的保护范围之内。

另外，所述滑块3的固定还可以有多种形式，例如通过连接杆或夹具等其他任何形式，只要能将滑块3固定与所述齿廓上，并能够实现齿轮的啮合即可，因为本发明的连接固定方式并不限于上述内容。

本发明的弹性部件5可以为弹簧，通过吊环螺钉固定于支撑部件与齿轮上，实现初始位置的定位，实现面接触。该固定方式可以通过其他方式实现，并不限于上述内容。

请参考图11所示，图11是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的齿根采用圆弧过渡的结构示意图；

本发明提供的一种面接触齿轮传动机构，主动齿轮1和从动齿轮2的齿根可采用大圆弧过渡，齿顶齿廓7与齿根齿廓8平滑连接，应力集中减小，齿根弯曲疲劳强度更大，齿根更不容易发生断裂的失效形式。面接触齿轮齿数最少可以做到4、5个齿，面接触齿轮传动模数选择更大，故此种传动可以适用在低速、重载等场合。

以上仅为举例，本发明提供的面接触齿轮传动机构并不限于上述，可以根据具体需求设计。

另外，本发明提供的面接触齿轮传动机构，可以应用在不同形式的传动机构中，面接触的齿轮传动原理不仅仅应用于基于上述如图7所示的外啮合齿轮传动，同时也适用于如图12所示的内啮合传动；如图13所示的行星齿轮传动。本发明提供的面接触齿轮传动原理具有一定的通用性。

参考图14所示，图14是本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的外啮合传动比曲线图形。

图14展示了是本发明提供的一种面接触传动机构，在给定一组参数后通过计算得到的外啮合传动比曲线图形。

由此可见，本发明提供的一种面接触齿轮传动机构，通过设置的在齿轮上设置的滑块3，实现通过以面接触的形式进行齿轮传动；从而避免了齿面的变形、滑移等问题，进而提高了齿轮传动的承载能力。

以上所述仅为本发明提供的一种面接触齿轮传动机构的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。该实施例中的部件数量并不局限于实施例中所采用的方式，任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面接触齿轮传动机构，包括：主动齿轮、从动齿轮，其特征在于，还包括：滑块、支撑部件、弹性部件；具体地：

所述滑块两侧面为凹圆弧曲面，且所述凹圆弧曲面的半径分别等于所述主动齿轮和从动齿轮齿顶的齿面曲率半径；

所述支撑部件的一端与所述滑块固定，且使所述滑块的凹圆弧曲面与所述主动齿轮或从动齿轮齿顶齿廓贴合；另一端连接在所述主动齿轮或所述从动齿轮齿顶齿廓的中心孔上，所述支撑部件带动所述滑块贴合齿顶齿廓滑动；

所述弹性部件的一端固定在所述支撑部件上，随所述支撑部件的摆动而伸缩；另一端固定于安装有所述支撑部件的所述主动齿轮或从动齿轮上，将所述滑块定位于所述主动齿轮或所述从动齿轮的每个齿顶预设的初始位置上，使所述滑块凹圆弧曲面在啮合过程中与所述主动齿轮或从动齿轮的齿面啮合，且所述滑块在啮合完毕后复位到所述初始位置。

2.根据权利要求1所述的面接触齿轮传动机构，其特征在于，所述支撑部件上还设置有与所述中心孔相对应的槽型开口，且该槽型开口的方向与所述支撑部件长度方向一致，通过定位销将所述槽型开口与所述中心孔连接，所述支撑部件通过所述弹性部件作用，在所述支撑部件长度方向上保证所述滑块与所述齿顶齿廓的贴合。

3.根据权利要求2所述的面接触齿轮传动机构，其特征在于，所述支撑部件包括第一支撑板和第二支撑板，分别相对固定于所述主动齿轮或从动齿轮的两侧。

4.根据权利要求3所述的面接触齿轮传动机构，其特征在于，所述支撑部件与所述滑块之间通过采用螺栓、螺钉或焊接的方式固定。

5.根据权利要求4所述的面接触齿轮传动机构，其特征在于，所述弹性部件分别位于所述第一支撑板和所述第二支撑板上，并与所述主动齿轮或从动齿轮连接。

6.根据权利要求5所述的面接触齿轮传动机构，其特征在于，所述弹性部件为弹簧，通过吊环螺钉固定。