CN103542059A

CN103542059A - 万向轴间距可变减速传动机构

Info

Publication number: CN103542059A
Application number: CN201310480739.2A
Authority: CN
Inventors: 陈辛波; 王威; 王弦弦; 唐峰; 张擎宇
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2014-01-29

Abstract

本发明公开一种万向轴间距可变减速传动机构，采用三级减速，第一级减速采用一对锥齿轮，第二级减速采用蜗轮蜗杆传动，第三级减速采用一对锥齿轮；该传动机构还设有起中间支持作用的三根连杆，使三对啮合副准确传动，输入轴与输出轴的轴间距和空间交角可实现连续变化，同时保持传动比不变。本发明的优点是实现轴间距和空间交角可变的空间万向减速传动；同时不改变机构的传动比，适用于有轴间距和空间交角变化需求的增、减速传动场合。

Description

万向轴间距可变减速传动机构

技术领域

本发明涉及一种传动机构，具体涉及一种利用锥齿轮传动特性、蜗轮蜗杆传动原理的万向轴间距可变减速传动机构。

背景技术

减速器是常用的机械传动装置，具有很多种不同的形式与种类。但目前已有的减速器只能实现在相对位置固定的两轴之间进行变速传动。例如常用的圆柱齿轮减速器一般用于两平行轴间的减速传动；普通的圆锥齿轮则多用于具有一定空间交角的两相交轴间减速速传动。现有的变速器产品中，同一变速器一般只适用于某一特定轴交角和特定的轴间距的变速传动，机构往往不具备自适应性。若两轴轴交角和间距不断变化，还需要专门串联万向联轴器以实现万向传动，同时，万向联轴器的平行轴之间的间距在使用过程中往往不能够发生变化，自适应性存在一定的局限性，而过大的万向节交角往往会使得传动效率低下，转矩波动大，容易出现死点等问题，同时万向联轴器的存在也使机械系统的轴间联接关系复杂，集成度不高，并且包括万向节在内的每个独立传动部件均需要独立的密封与润滑系统，增加了机械系统重量和成本。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是要提供一种万向轴间距可变减速传动机构，实现空间轴间距和交角皆可变，同时不改变传动比。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种万向轴间距可变减速传动机构，包括输出轴锥齿轮、输出轴、中间轴、二级主动锥齿轮，蜗轮，一级从动锥齿轮，蜗轮轴，输入轴锥齿轮，输入轴，蜗杆和连杆。该传动机构采用三级减速，第一级减速采用一对锥齿轮，第二级减速采用蜗轮蜗杆传动，第三级减速采用一对锥齿轮；该传动机构还设有起中间支持作用的三根连杆，使三对啮合副准确传动，输入轴与输出轴的轴间距和空间交角可实现连续变化，同时保持传动比不变。

输出轴齿轮固接于输出轴上，仅以和输出轴以相同角速度绕输出轴轴线转动，二级主动锥轴齿轮固接于中间轴上，仅以和中间轴以相同角速度绕中间轴轴线转动，输出轴与中间轴垂直，二级主动锥齿轮与输出轴锥齿轮啮合，形成第三级减速，传动比不发生变化。

蜗轮固接于中间轴上，故蜗轮、二级主动锥齿轮、中间轴三者仅以相同的角速度绕中间轴轴线转动，蜗杆固接于蜗杆轴上，仅以和蜗杆以相同的角速度绕蜗杆轴轴线转动，蜗杆轴与中间轴垂直，蜗杆与蜗轮相啮合，形成第二级减速，传动比不发生变化。

同时，一级从动锥齿轮固接于蜗杆轴上，故一级从动锥齿轮、蜗杆以及蜗杆轴三者仅以相同的角速度绕蜗杆轴轴线转动，输入齿轮固接于输入轴上，输入齿轮与输入轴仅可以相同的角速度绕输入轴的轴线转动，输入轴锥齿轮和一级从动锥齿轮相啮合，形成第一级减速，传动比不发生变化。三级减速的传动比都不发生变化，系统传动比固定

整个系统中，为保证机构有一定的自适应性和啮合副之间的准确啮合，故有三根连杆起到中间支持的作用，机构连接副的关系如下：第一连杆连接输入轴和蜗杆轴，与输入轴和蜗杆轴都通过转动副连接，保证第一级锥齿轮正确传动。第二连杆连接蜗杆轴与中间轴，与中间轴通过转动副连接，与蜗杆轴通过圆柱副连接。第三连杆连接输出值与中间轴，输出轴与第三连杆通过转动副连接，中间轴与第三连杆通过转动副连接，

计算整个系统的自由度：

输出轴齿轮固接于输出轴上，仅以和输出轴以相同角速度绕输出轴轴线转动，可以视为一个构件，蜗轮、二级主动锥齿轮、中间轴三者仅可以相同的角速度绕中间轴轴线转动，三者也可以视为一个构件，一级从动锥齿轮、蜗杆以及蜗杆轴三者仅以相同的角速度绕蜗杆轴轴线转动，三者也可视为一个构件，输入齿轮与输入轴仅以相同的角速度绕输入轴的轴线转动，可视为一个构件，三根连杆可以视为三个构件，构件数N=7。

第一连杆连接输入轴和蜗杆轴，与输入轴和蜗杆轴都通过转动副（约束5）连接，保证第一级锥齿轮正确传动，输出轴与第三连杆通过转动副连接，中间轴与第三连杆通过转动副连接，第二连杆连接蜗杆轴与中间轴，与中间轴通过转动副连接，与蜗杆轴通过圆柱副（约束4）连接，另外还有三对啮合副（约束1），三号连杆与机架移动副（约束5）连接，那么，机构自由度：

Figure 2013104807392100002DEST_PATH_IMAGE001

当输入轴和输出轴位置和方位确定时，通过外部约束约束机构的另外四个自由度，剩下转动的自由度使得此机构可以正确传动。

机构的自适应性：考虑输入轴，输出轴之间的位置关系，不妨假定输出轴位置固定而拆除输入轴的限位铰链，可以发现输入轴和出轴之间有自由度。

不妨假定输入轴为空间x轴方向，中间轴为空间z方向，坐标0点任意且固定，根据笛卡尔坐标系确定y轴方向。坐标系方向如图所示，z轴方向为垂直纸面向外（图中未标出）。此时定义第一连杆与蜗杆轴的铰接点的坐标为

，从中不难发现M点的y坐标对应自由度s1，M点的x坐标对应自由度s2。

再考虑自由度β，假设输入轴的初始位置与图示位置相同，那么输入轴与x轴平行，不妨设方向向量为

Figure 2013104807392100002DEST_PATH_IMAGE003

，由于锥齿轮传动的特性和连杆的存在，输入轴可以绕蜗杆轴旋转，由于此时蜗杆轴与y轴平行，以图示的方向转过β角度后，方向向量为

。

再考虑自由度α，此时，输入轴可以绕中间轴逆时针转过一个α角度，由于中间轴既是y轴，此时的输入轴的方向向量为。

不难看出α、β的变化范围使得方向向量的终点组成了一个球面，说明此机构可以实现一定轴间距下，真正意义上的万向传动。

下面继续讨论自由度s对输入输出轴间距的影响：大多数情况下，输入输出轴线为异面直线。采用异面直线距离公式：

其中，其中为

点绕Z轴逆时针转过一个α角度，则

Figure 2013104807392100002DEST_PATH_IMAGE009

且

，，代入公式，不难算出

由于机构位置关系，

Figure 2013104807392100002DEST_PATH_IMAGE013

无法发生变化，而由于蜗杆可以偏置，

可以发生变化，对应附图中的自由度s1，由于机架的自由度

Figure 2013104807392100002DEST_PATH_IMAGE015

可以发生变化，对应图中的自由度s2，理论上可以满足任意间距的要求。

此外，当两直线平行时，α=β=0此时轴间距

由于机构关系有一个最小值

Figure 2013104807392100002DEST_PATH_IMAGE017

。

空间直线自由度为4（除去轴线方向的位移与转动），最少可以用四个独立变量来唯一表示，综上所述，不平行传动时，当输出轴固定时，输入轴空间位置都可以用一个数列

来唯一确，前两个为转动自由度，后两个为移动自由度，和机构可调参数一一对应，另外由于输入轴与实际的输入端通过移动副连接，故传动可以精确到点，此机构有完全的自适应性。

本发明的优越功效在于：

1）利用锥齿轮的传动特性和蜗轮蜗杆的可偏置的特点，结合连杆机构原理，实现轴间距和空间交角可变的空间万向减速传动；

2）同时不改变机构的传动比，适用于有轴间距和空间交角变化需求的增、减速传动场合。

附图说明

图1为本发明的自适应性原理图；

图2为本发明的结构原理图；

图中标号说明：

1---输出轴锥齿轮； 2---输出轴；

3---中间轴； 4---二级主动锥齿轮；

5---蜗轮； 6---一级从动锥齿轮；

7---蜗杆轴； 8---输入轴锥齿轮；

9---输入轴； 10---第一连杆；

11---蜗杆； 12---第二连杆；

13---第三连杆。

具体实施方式

请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明提供了一种万向轴间距可变减速传动机构，包括输出轴锥齿轮1、输出轴2、中间轴3、二级主动锥齿轮4、蜗轮5、一级从动锥齿轮6、蜗杆轴7、输入轴锥齿轮8、输入轴9，第一连杆10、蜗杆11和第二连杆12。

输出轴锥齿轮1固接于输出轴2上，仅和输出轴2以相同角速度绕输出轴2轴线转动，二级主动锥齿轮4固接于中间轴3上，仅和中间轴3以相同角速度绕中间轴3轴线转动，二级主动锥齿轮4与输出轴锥齿轮1啮合，形成第三级减速，传动比保持不变。

蜗轮5固接于中间轴3，故蜗轮5、二级主动锥齿轮4、中间轴3三者仅以相同的角速度绕中间轴3轴线转动。蜗杆11固接于蜗杆轴7上，仅以和蜗杆轴7以相同的角速度绕蜗杆轴7轴线转动，蜗杆轴7与中间轴3垂直，蜗杆11与与蜗轮5相啮合，形成第二级减速，传动比保持不变。

一级从动锥齿轮6固接于蜗杆轴7上，故一级从动锥齿轮6、蜗杆11以及蜗杆轴7三者仅以相同的角速度绕蜗杆轴7轴线转动，输入轴锥齿轮8固接于输入轴9上，输入轴锥齿轮8与输入轴9仅以相同的角速度绕输入轴9的轴线转动，输入轴锥齿轮8和一级从动锥齿轮6相啮合，形成第一级减速，传动比保持不变为。

整个系统各级传动比为：

Figure 2013104807392100002DEST_PATH_IMAGE019

Figure 2013104807392100002DEST_PATH_IMAGE021

总传动比：

该减速比仅取决于输出轴锥齿轮1、二级主动锥齿轮4、蜗轮5、一级从动锥齿轮6、输入轴锥齿轮8和蜗杆11的齿数，与输入轴和输出轴之间的间距与夹角无关。即该机构输入轴和输出轴之间的间距与夹角连续变化时，传动比保持不变。

特别的，以输出轴2作为动力输入端，输入轴9作为动力输出端，该机构可实现输入轴、输出轴轴间距和空间夹角连续可变的定传动比增速传动功能。

整个系统中，为保证机构有一定的自适应性和啮合副之间能准确啮合，故有三根连杆起到中间支持的作用。第一连杆10连接输入轴9和蜗杆轴7，与输入轴9和蜗杆轴7都通过转动副连接，保证第一级锥齿轮啮合副准确传动，输出轴2与第三连杆通过转动副连接，中间轴3与第三连杆通过转动副连接。第二连杆12连接蜗杆轴7与中间轴3，与中间轴3通过转动副连接，与蜗杆轴7通过圆柱副连接，第三连杆13与机架通过移动副连接。输入轴与实际的输入端为移动副连接，输出轴与实际的输出端为移动副连接。通过上文的阐述，当输出轴位置与方向固定时，输入端的位置与方向均可以连续变化并实现传动。

上述机构是示例性的，而不应理解为限制性的。上述示例性实施例仅为解释本发明的某些原理和它们的实际应用，在符合本发明的主要特征和精神的范围内可能存在很多变形例（例如各种约束副的设置、齿轮和轴之间的各种连接关系、或者是一体化的齿轮轴）。

Claims

1.一种万向轴间距可变减速传动机构，其特征在于：该传动机构采用三级减速，第一级减速采用一对锥齿轮，第二级减速采用蜗轮蜗杆传动，第三级减速采用一对锥齿轮；该传动机构还设有起中间支持作用的三根连杆，使三对啮合副准确传动，输入轴与输出轴的轴间距和空间交角可实现连续变化，同时保持传动比不变。

2.根据权利要求1所述的万向轴间距可变减速传动机构，其特征在于：所述三根连杆是第一连杆连接输入轴和蜗杆轴，与输入轴和蜗杆轴都通过转动副连接，使第一级锥齿轮正确传动；第二连杆连接蜗杆轴与中间轴，与中间轴通过转动副连接，与蜗杆轴通过圆柱副连接；输出轴与第三连杆通过转动副连接，中间轴与第三连杆通过转动副连接，三号连杆与机架移动副连接，输入轴与实际的输入端为移动副连接，输出轴与实际的输出端为移动副连接。