CN103573921A - 一种渐开线球齿轮传动副 - Google Patents

Abstract

一种渐开线球齿轮传动副，包括两个球齿轮，球冠上有渐开线齿轮齿沿着球冠节球面的纬线方向的圆周上均匀分布，齿厚方向沿着球冠的纬线方向，不同高度的纬线上的齿数是变化的，低纬度部分齿数较多，高纬度部分齿数较少，形成从高纬到低纬的多个齿环。过轴线剖切球齿轮，齿环剖面的外轮廓构成齿厚方向沿经线的渐开线齿轮齿的外轮廓，将齿环剖面构成的齿轮齿外轮廓分为两组，则奇数组和偶数组分别与两个齿轮齿交错放置的直齿轮端面齿形相同。

Description

一种渐开线球齿轮传动副

技术领域

本发明涉及一种可用于机器人柔性腕关节和各种仿生机械复合运动的关节以及其它领域的渐开线球齿轮传动副。

背景技术

球齿轮传动副最早20世纪80年代由挪威工程师Ole.Monlang发明，它是在一个球冠体上制作出若干按一定规律分布的凹坑，而在另一个球冠体上镶嵌同样数目的指状凸齿，凹坑与指状凸齿的啮合可实现两球体做近似的球面纯滚运动，可传递俯仰、侧摆和自转运动。但这种球齿轮传动副存在传动原理误差。

中国专利申请96118183.4公开了一种渐开线球齿轮传动机构，包括中凸齿轮和中凹齿轮，齿轮齿分别分布在两个球冠上且成环状连续排列，其母线为渐开线，两个齿轮中有一个齿轮的齿环插入另一个齿轮的齿间的沟槽中实现轮齿的啮合，实现无传动原理误差，但该球齿轮传动机构只能传递俯仰、侧摆两种运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种不存在传动原理误差，能传递俯仰、侧摆和自转三种运动的渐开线球齿轮传动副。

本发明的目的是这样实现的：提供一种渐开线球齿轮传动副，包括两个球齿轮，球齿轮有球冠和轴线，两个球齿轮的球心位置相对固定，两个球齿轮节球面相切，且两球心间距离等于通过两球齿轮节球面的切点半径之和，球冠上有渐开线齿轮齿沿着球冠节球面的纬线方向的圆周上均匀分布，齿轮齿的齿厚方向是沿着球冠的纬线方向，两个球齿轮中的一个球齿轮上的齿轮齿可以插入另一个球齿轮上的齿轮齿间的凹槽中，实现两个球齿轮的啮合。

齿轮齿在球冠的不同高度的纬线上的齿数是变化的，在低纬度部分齿数较多，高纬度部分齿数较少，使球齿轮上的齿轮齿的大小基本相同，形成从高纬度部分到低纬度部分的多个齿环。

两个球齿轮中的一个球齿轮具有一个齿形回转体的中心凸齿，而另外一个球齿轮具有一个齿间回转体的中心凹槽，紧邻中心凸齿或中心凹槽的齿环的最小齿数为3, 紧邻所述的中心凸齿或所述的中心凹槽的齿环上的齿轮齿在靠近中心凸齿或中心凹槽一侧要采用较小的压力角，以减少在两球齿轮的轴线处于同一条直线的啮合位置时齿轮齿间的啮合间隙，过轴线剖切所述的球齿轮，齿环剖面的外轮廓构形成齿厚方向沿经线的渐开线齿轮齿的外轮廓，将齿环剖面构形成的齿轮齿外轮廓分为两组，并且将齿间回转体的中心凹槽也计算为一个齿，则奇数组和偶数组分别与两个齿轮齿交错放置的直齿轮端面齿形相同。

齿环中可以是两个相邻齿环共同构成一个渐开线齿轮齿的外轮廓，两个相邻齿环的外侧是渐开线齿轮齿的啮合面，所述的相邻齿环具有不同的齿数，两相邻齿环上背对背的相邻齿间在两球齿轮相啮合时不受干涉的部分可以有齿芯将相邻齿连结在一起，将相邻齿连结在一起的齿芯能增加齿轮齿的强度，但没有齿芯并不影响球齿轮传动副的传动运动，有或没有齿芯主要由球齿轮的加工方式决定。

齿环中啮合面相邻的齿环具有相同的齿数且齿轮齿相互交错放置。

可分别制成各个齿环及中心凸齿，去掉相干涉的部分后固装在一起可形成球齿轮。

齿环，中心凸齿及球齿轮也可以做为制造球齿轮时的剃齿、整形、电火花加工等的工具。

球齿轮上的渐开线齿轮齿可以是齿长方向与所在经线方向相同的直齿，也可以是齿长方向与所在经线方向不同，与螺旋锥齿轮上的齿轮齿类似的螺旋形或圆弧形齿轮齿。

加工制作与螺旋锥齿轮上的齿轮齿类似的螺旋形或圆弧形的齿轮齿可以采用与加工螺旋锥齿轮类似的工艺和设备，能更容易保证球齿轮的齿轮齿的加工精度和加工制作的工作效率。

渐开线齿轮齿采用较小的齿顶高系数能使齿轮齿具有较高的强度，采用较小的齿形和较多的齿数能使传动更加平顺。

球齿轮传动副可以是圆球的球齿轮传动副，也可以是非圆球的球齿轮传动副，即两个球齿轮的球冠和节球面可以是圆球的球冠，也可以是非圆球球冠，如椭圆球的球冠或不规则的土豆型球冠，两球齿轮的相对应的齿环的齿数比可以是1:1，也可以是M:N，这里的M和N都是正整数。当两球齿轮的相对应的齿环的齿数比不是1:1时，两球齿轮只能实现除两球齿轮轴线处于同一直线位置以外位置的相互啮合。与许多二维非圆齿轮传动副类似，非圆球的球齿轮传动副可以根据球齿轮传动副输入、输出关系的需要而采用各种不同的非圆球方案，而只要满足齿轮齿啮合的条件以及球齿轮副啮合时通过两节球面的切点的两节球半径之和恒等于两球齿轮的中心距。与二维的非圆齿轮传动副可以实现输入和输出间复杂的二维传动关系类似，非圆球的球齿轮传动副可以实现输入和输出间复杂的三维传动关系。

本发明的渐开线球齿轮传动副中的两个相互啮合的球齿轮可以沿任意方向做两个节球面上的相对纯滚动。传递俯仰、侧摆运动和绕轴线的自转运动，以及这三种运动的任意组合。可用于各类机器人的腕部结构及各类空间指向机构及机器人玩具，特别适用于外科手术机器人的腕部结构，适用于空间运动信息的输入和输出。非圆球的球齿轮传动副可以实现输入和输出间复杂的三维空间的传动关系，特别适用于两足仿真机器人的髋关节和肩关节结构及四足、多足机器人的大腿关节结构。

参考以下详细说明和附图，更完整地理解本发明的性质和优点。

图1球齿轮传动副的轴测图。

图2有中心凸齿的球齿轮的轴测图。

图3有中心凹槽的球齿轮的轴测图。

图4有中心凸齿的球齿轮的剖面图。

图5有中心凹槽的球齿轮的剖面图。

图6有中心凸齿的球齿轮的齿轮齿分布示意图。

图7有中心凹槽的球齿轮的齿轮齿分布示意图。

图8无齿芯的有中心凸齿的球齿轮的轴测图。

图9无齿芯的有中心凹槽的球齿轮的轴测图。

图10分别制成的中心凸齿的轴测图。

图11分别制成的第一齿环的轴测图。

图12分别制成的第二齿环的轴测图。

图13分别制成的第三齿环的轴测图。

图14分别制成的第四齿环的轴测图。

图15分别制成的第五齿环的轴测图。

图16螺旋齿球齿轮传动副的轴测图。

图17有中心凸齿的螺旋齿球齿轮的轴测图。

图18有中心凹槽的螺旋齿球齿轮的轴测图。

图19无齿芯的有中心凸齿的螺旋齿球齿轮的轴测图。

图20无齿芯的有中心凹槽的螺旋齿球齿轮的轴测图。

图21分别制成的螺旋齿球齿轮中心凸齿的轴测图。

图22分别制成的螺旋齿球齿轮第一齿环的轴测图。

图23分别制成的螺旋齿球齿轮第二齿环的轴测图。

图24分别制成的螺旋齿球齿轮第三齿环的轴测图。

图25分别制成的螺旋齿球齿轮第四齿环的轴测图。

图26分别制成的螺旋齿球齿轮第五齿环的轴测图。

图27分别制成的螺旋齿球齿轮左旋第一齿环的轴测图。

图28分别制成的螺旋齿球齿轮左旋第二齿环的轴测图。

图29分别制成的螺旋齿球齿轮左旋第三齿环的轴测图。

图30分别制成的螺旋齿球齿轮左旋第四齿环的轴测图。

图31分别制成的螺旋齿球齿轮左旋第五齿环的轴测图。

图32有中心凸齿的螺旋齿球齿轮的齿轮齿分布示意图。

图33有中心凹槽的螺旋齿球齿轮的齿轮齿分布示意图。

图34非圆球的球齿轮传动副的轴测图。

图35非圆球的有中心凸齿的球齿轮的轴测图。

图36非圆球的有中心凹槽的球齿轮的轴测图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1, 图2，图3，图4，图5，图6和图7详细说明本实施方式，本实施方式的球齿轮传动副1包括有中心凸齿7的球齿轮2和有中心凹槽8的球齿轮3，球齿轮2和球齿轮3具有球冠4和轴线5，球冠4上有渐开线齿轮齿6，球齿轮2球心和球齿轮3的球心位置相对固定，球齿轮2节球面和球齿轮3的节球面相切，球齿轮2的球心和球齿轮3的球心间的距离等于通过球齿轮2的节球面和球齿轮3的节球面切点的球齿轮2节球半径与球齿轮3节球半径之和，渐开线齿轮齿6的齿厚方向是沿着球冠4的纬线方向9的，齿轮齿6沿球冠3的节球面的纬线圆周上均匀分布，球齿轮2上的齿轮齿6可以插入球齿轮3上的齿轮齿6中间的凹槽中，球齿轮3上的齿轮齿6也可以插入球齿轮2上的齿轮齿6中间的凹槽中，实现所述的两个球齿轮的啮合。

中心凸齿7是一个齿形回转体，中心凹槽8是一个齿间回转体，齿轮齿6在球冠4的不同高度的纬线上的齿数是变化的，在低纬度部分齿数较多，而高纬度部分齿数较少，形成从高纬度部分到低纬度部分的多个齿环。在本实施例中除去中心凸齿7和中心凹槽8，球齿轮2和球齿轮3分别有5个齿环，从高纬到低纬，第一齿环10有4个齿，第二齿环11有6个齿，第三齿环12有6个齿，第4齿环13有10个齿，第五齿环14有10个齿。第一齿环10的齿轮齿6在靠近中心凸齿7或中心凹槽8的一侧采用8度的压力角，第一齿环10的齿轮齿6在远离中心凸齿7或中心凹槽8的另一侧采用20度的压力角，整个齿形的外轮廓面从靠近中心凸齿7或中心凹槽8的一侧向远离中心凸齿7或中心凹槽8的另一侧平滑过渡。第二齿环11，第三齿环12，第4齿环13和第五齿环14上的齿轮齿则全部采用20度的压力角。过球齿轮2的轴线5剖切球齿轮2得到有中心凸齿7的球齿轮2 的剖面图图4，过球齿轮3的轴线5剖切球齿轮3得到有中心凹槽8的球齿轮3 的剖面图图5。齿环剖面的外轮廓构成齿厚方向沿经线方向15的渐开线齿轮齿的外轮廓，其中第一齿环10的剖面和第二齿环11的剖面共同形成一个渐开线齿轮齿的外轮廓，第三齿环12的剖面和第4齿环13的剖面共同形成一个渐开线齿轮齿的外轮廓，中心凸齿7的剖面和第5齿环14的剖面分别各形成一个渐开线齿轮齿的外轮廓，将齿环剖面的外轮廓分为两组，并且将中心凹槽8也计算为一个齿，则奇数组和偶数组分别与两个齿轮齿交错放置的直齿轮端面齿形相同。

第一齿环10与第二齿环11背对背的相邻齿间,第三齿环12与第4齿环13背对背的相邻齿间，在球齿轮1与球齿轮2相啮合时不受干涉的部分可以有齿芯16将所述的背对背的相邻齿连结在一起，将所诉背对背的相邻齿连结在一起的齿芯16能增加齿轮齿的强度，但没有齿芯16并不影响球齿轮传动副的传动运动，有或没有齿芯主要由制作球齿轮的加工方式决定。

第二齿环11的齿轮齿和第三齿环12的齿轮齿是交错放置的。第四齿环13的齿轮齿和第五齿环14的齿轮齿是交错放置的。

具体实施方式二：结合图2, 图3，图4，图5，图8, 图9，图10，图11，图12，图13图14和图15详细说明本实施方式，本实施方式的球齿轮传动副的球齿轮17是由分别制成的中心凸齿19，第一齿环20，第二齿环21，第三齿环22，第四齿环23和第五齿环24去掉相干涉的部分固装在一起而成。球齿轮18是由分别制成的第一齿环20，第二齿环21，第三齿环22，第四齿环23和第五齿环24去掉相干涉的部分固装在一起而成。

用此方法制成的球齿轮17、球齿轮18中没有像球齿轮7、球齿轮8中的齿芯16。

分别制成的中心凸齿19，第一齿环20，第二齿环21，第三齿环22，第四齿环23,第五齿环24,球齿轮17和球齿轮18也可以做为制造球齿轮的剃齿、整形、电火花加工等的加工工具。 

具体实施方式三：结合图16, 图17，图18，图32，和图33详细说明本实施方式，本实施方式的球齿轮传动副是螺旋齿球齿轮传动副25，包括具有中心凸齿的球齿轮26和具有中心凹槽的球齿轮27。球齿轮26和球齿轮27上的齿轮齿28的齿长方向与所在的经线方向不同，而是与经线方向成一定夹角的螺线，也可以是一段圆弧或其它的与螺旋圆锥齿轮齿曲线类似的曲线。球齿轮26上的齿轮齿28的齿长方向上的曲线与球齿轮27上的齿轮齿28的齿长方向上的曲线的旋转方向是相反的。

具体实施方式四：结合图17，图18，图19，图21，图22，图23，图24，图25，图26，图27，图28，图29，图30和图31详细说明本实施方式，本实施方式的球齿轮传动副的球齿轮30是由分别制成的中心凸齿32，第一齿环33，第二齿环34，第三齿环35，第四齿环36和第五齿环37去掉相干涉的部分固装在一起而成，球齿轮31是由分别制成的左旋第一齿环38，左旋第二齿环39，左旋第三齿环40，左旋第四齿环41和左旋第五齿环42去掉相干涉的部分固装在一起而成。所有这些齿环上的齿轮齿的齿长方向与所在的经线方向不同，而是与经线方向成一定夹角的螺线，也可以是一段圆弧或其它的与螺旋圆锥齿轮齿曲线类似的曲线。

球齿轮30上的齿轮齿28的齿长方向上的曲线与球齿轮31上的齿轮齿28的齿长方向上的曲线的旋转方向是相反的。

用此方法制成的球齿轮30、球齿轮31中没有像球齿轮26、球齿轮27中的齿芯29。

加工制作上诉的这些齿环可以采用与加工螺旋锥齿轮类似的工艺和设备，更容易保证所诉球齿轮的齿轮齿的加工精度和加工制作的工作效率。

中心凸齿32，第一齿环33，第二齿环34，第三齿环35，第四齿环36和第五齿环37，左旋第一齿环38，左旋第二齿环39，左旋第三齿环40，左旋第四齿环41和左旋第五齿环42，球齿轮30和球齿轮31也可以做为制造球齿轮的剃齿、整形、电火花加工等的加工工具。

具体实施方式五：结合图34, 图35和图36详细说明本实施方式，本实施方式的球齿轮传动副是非圆球的球齿轮传动副43，包括具有中心凸齿的椭球齿轮44和具有中心凹槽的椭球齿轮45，球齿轮44与球齿轮45啮合时通过两节球面的切点的两节球半径之和恒等于两球齿轮的中心距。与许多二维非圆齿轮传动副类似，非圆球的球齿轮传动副可以根据球齿轮传动副输入、输出关系的需要而采用各种不同的非圆球方案，而只要满足齿轮齿啮合的条件以及球齿轮副啮合时通过两节球面的切点的两节球半径之和恒等于两球齿轮的中心距。

应理解，在此描述的例子和实施例仅用于示例性目的，并且本领域技术人员应能基于此做出各种更改或改变，并且将其包括在本申请的精神和权力要求的保护范围之内。可能有许多不同的组合，并且应将该组合视为本发明的部分。  

Claims (9)

1.一种渐开线球齿轮传动副，包括两个球齿轮，所述的球齿轮有球冠和轴线，两个所述的球齿轮的球心位置相对固定，两个所述的球齿轮节球面相切，且两所述球心间距离等于通过两所述球齿轮节球面的切点半径之和，所述的球冠上有渐开线齿轮齿沿着所述的球冠的节球面的纬线方向的圆周上均匀分布，所述的齿轮齿的齿厚方向是沿着所述的球冠的纬线方向，所述的两个球齿轮中的一个球齿轮上的齿轮齿可以插入另一个球齿轮上的齿轮齿中间的凹槽中，实现所述的两个球齿轮的啮合，其特征为：所述的齿轮齿在所述的球冠的不同高度的纬线上的齿数是变化的，在低纬度部分齿数较多，高纬度部分齿数较少，使所诉的球齿轮上的所诉齿轮齿的大小基本相同，形成从高纬度部分到低纬度部分的多个齿环。

2.根据权利要求1所述的球齿轮传动副，其特征为：所述的两个球齿轮中的一个球齿轮具有一个齿形回转体的中心凸齿，另外一个球齿轮具有一个齿间回转体的中心凹槽，紧邻所述的中心凸齿或所述的中心凹槽的齿环的最小齿数为3, 紧邻所述的中心凸齿或所述的中心凹槽的齿环上的所诉齿轮齿在靠近所述的中心凸齿或所述的中心凹槽一侧采用较小的压力角，以减少在两所诉球齿轮的轴线处于同一条直线的啮合位置时所诉的齿轮齿间的啮合间隙。

3.根据权利要求2所述的球齿轮传动副，其特征为：过所述的轴线剖切所述的球齿轮，所述的齿环剖面的外轮廓构成齿厚方向沿经线的渐开线齿轮齿的外轮廓，将所述的齿环剖面构成所诉的齿轮齿的外轮廓分为两组，并且将所述的齿间回转体的中心凹槽也计算为一个齿，则奇数组和偶数组分别与两个齿轮齿交错放置的直齿轮端面齿形相同。

4.根据权利要求3所述的球齿轮传动副，其特征为：所述的齿环中可以是两个相邻齿环共同构成一个所述的渐开线齿轮齿的外轮廓，两个所述的相邻齿环的外侧是所述渐开线齿轮齿的啮合面，所述两相邻齿环具有不同的齿数，所述两相邻齿环上背对背的相邻齿间在两所述球齿轮相啮合时不受干涉的部分可以有齿芯将所述的相邻齿连结在一起。

5.根据权利要求4所述的球齿轮传动副，其特征为：所述齿环中啮合面相邻齿环具有相同的齿数且齿轮齿相互交错放置。

6.根据权利要求5所述的球齿轮传动副，其特征为：可分别制成所述的各个齿环及所述的中心凸齿，去掉相干涉的部分后固装在一起可形成所述的球齿轮。

7.根据权利要求6所述的球齿轮传动副，其特征为：所述的齿环，所述的中心凸齿及所述的球齿轮也可以做为制造所述的球齿轮时的剃齿、整形、电火花加工等的工具。

8.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5、权利要求6、和权利要求7所述的球齿轮传动副，其特征为：所述的球齿轮上的所述的渐开线齿轮齿可以是齿长方向与所在经线方向相同的直齿，也可以是齿长方向与所在经线方向不同，与螺旋锥齿轮上的齿轮齿类似的螺旋形或圆弧形齿轮齿。

9.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5、权利要求6、权利要求7和权利要求8所述的球齿轮传动副，其特征为：所述的球齿轮传动副可以是圆球的球齿轮传动副，也可以是非圆球的球齿轮传动副，即所诉的两个球齿轮的球冠和节球面可以是圆球的球冠，也可以是非圆球球冠，所述的两球齿轮相对应的齿环的齿数比可以是1:1，也可以是M:N,这里的M和N都是正整数，当两所述的两球齿轮啮合时通过两节球面的切点的两节球半径之和恒等于两球齿轮的中心距。

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