CN103878785A

CN103878785A - 一种等速的并联式动力传动装置

Info

Publication number: CN103878785A
Application number: CN201410108624.5A
Authority: CN
Inventors: 于靖军; 余家柱; 吴钪; 孔宪文
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-21
Also published as: CN103878785B

Abstract

本发明公开一种等速的并联式动力传动装置，包括等径球面纯滚动并联机构、输入轴、输出轴与两个十字圆环框架。所述等径球面纯滚动并联机构仅具有转动副，包括输入平台、输出平台以及运动支链。运动支链具有两个转动副，两端分别与输入平台和输出平台相连，形成转动副。输入平台与输出平台分别同轴安装输入输入轴；且在输入平台与输出平台上还同轴安装十字圆环框架；由此通过摆动输入轴与输出轴可实现两个十字圆环框架做等传动比转动，可替代实现与球齿轮运动相同的动力传递；且去掉两个十字圆环框架后，还可替代实现与等速万向联轴节相同的动力传递。本发明的优点为：相对传统的球齿轮与万向联轴节的动力传递，运动精度高，质量轻，动态性能优越。

Description

一种等速的并联式动力传动装置

技术领域

发明所涉及的无齿球齿轮及等速万向联轴器传动机构为一种并联式动力传动装置，可用于各类机器人柔性手腕关节，其他的一些仿生机械关节以及精密机械的传动当中。

背景技术

等速并联式动力传动机构可以减少动力在传动过程中的损耗，且能减少传动过程中所产生的附加动载荷；同时，并联式的传动机构其结构刚度大，传动精度高；因此，等速并联式动力传动机构可以用作等速联轴节，也可用于机器人手腕中。目前等速并联动力传动机构主要表现形式有等径球齿轮机构和等速并联式联轴节。

对于球齿轮机构来说，19世纪80年代，挪威工程师Ole.Monlang发明了第一代球齿轮，这种球齿轮机构的传动特点是：在一个球冠体上制作出若干个离散分部的凹坑，而在另一个球冠体上镶嵌相同数目的凸齿，通过凸齿与凹坑的啮合实现传动；但这种球齿轮具有加工困难，传动不精确的缺点。而专利号为CN1166396A的发明专利中公开的渐开线球齿轮机构，以渐开线平面齿轮为基础旋转而形成，其在每个方向上的运动都可以看成是平面渐开线齿轮传动，理论上有精确的传动比。但是单对渐开线球齿轮的传动范围比较小，同时传动过程中由于是点接触，就会容易造成滑动，磨损，更换起来费用高，不方便。

对于等速万向节来说，其在现代的机械传动当中有着广泛的运用，如汽车底盘，还有一些大型机械传动和一些精密机械的传动，主要是传递运动和扭矩。普通的等速万向节在输入与输出轴夹角不能太大，同时在传递力矩时候，输出力矩会产生较大波动。

发明内容

在机械运动中，有低副机构替代高副机构实现齿轮传动的例子，如椭圆齿轮高副机构可以用反平行四杆低副机构来代替，行星齿轮机构(大齿轮半径为小齿轮2倍)可以用双滑块四杆低副机构来代替。这些机构都是平面机构，在空间机构中，可以通过并联机构(全部由转动副构成)来代替空间球齿轮机构，因此，为解决现有技术不足，本发明提出一种等速的完全由转动副构成的并联式动力传动装置。

本发明一种等速的并联式动力传动装置，包括一个等径球面纯滚动并联机构、输入轴、输出轴与两个十字圆环框架。

所述等径球面纯滚动并联机构包括输入平台、输出平台以及运动支链。输入平台与输出平台相互平行对称设置；输入平台与输出平台间通过n条运动支链相连，n≥3。n条运动支链结构相同，均包括连杆A、连杆B与连杆C；其中，连杆A与连杆B均为曲率半径相等的弧形杆，连杆C为V型杆；连杆A与连杆B的一端分别与连杆C的两端相连形成转动副；连杆A与连杆B的另一端分别通过推力轴承与深沟球轴承与输入平台和输出平台侧壁相连，形成转动副；n条支链中连杆A与输入平台间的连接处，在输入平台周向上均布；n条支链中连杆B与输出平台间的连接处，在输出平台周向上均布。

上述n条支链均满足，连杆A与输入平台间的转动副轴线和连杆A与连杆C间的转动副轴线相交于输入平台的中心；连杆B与输出平台间的转动副轴线和连杆B与连杆C间的转动副轴线交于输出平台的中心；且连杆A与连杆C，以及连杆B与连杆C间的转动副轴线相交于点N，且点N位于垂直于输入平台与输出平台中心点连线的垂直平分线上；所述输入轴与输出轴分别垂直固定安装在输入平台与输出平台上。

所述两个十字圆环框架结构相同，均包括圆环与摆杆；安装方式相同，具体为：摆杆轴线位于圆环的直径上，两端均通过推力轴承和深沟球轴承与圆环相连，形成转动副。两个圆环框架相互对称设置；两个圆环框架中的摆杆分别固定在输入平台与输出平台上，且使两摆杆的中心点分别位于输入平台与输出平台的轴线上；在两个十字圆环框架中的圆环上，垂直于摆杆轴线的直径两段位置均与外部基架通过推力轴承和深沟球轴承相连，形成转动副。通过上述结构可替代实现与球齿轮运动相同的动力传递；且当去掉两个十字圆环框架后，还可替代实现与等速万向联轴节相同的动力传递。

本发明的优点在于：

1、本发明等速的并联式动力传动装置中，通过能实现等径球面纯滚动且全部由低副组成的并联机构，结合两个十字圆环框架，可替代实现与球齿轮运动相同的动力传递，而且在传动过程中不是点接触，不易打滑；

2、本发明等速的并联式动力传动装置中，通过能实现等径球面纯滚动且全部由低副组成的并联机构，结合输入轴与输出轴，可实现与等速万向联轴节相同的动力传递，输入输出轴夹角变化大，能在输入输出轴夹角为0°到100°，角度补偿大，且无论输入输出轴夹角怎么变化，它都能实现精确的等速传动；在扭矩传动方面，其输入输出轴夹角为0°时候其输入输出扭矩可呈线性相关关系，同时扭矩传递在输出输入轴夹角越小时性能越好；

3、本发明等速的并联式动力传动装置，相对传统的球齿轮与万向联轴节的动力传递，运动精度高，质量轻，动态性能优越；

4、本发明等速的并联式动力传动装置中，通过找到等径半球纯滚动的等效并联机构实现等径半球运动，且此并联机构所有的运动副都为转动，使得制造更方便，同时减小动力传递过程中的压力，增大机构的承载能力，便于维护维修。

附图说明

图1为本发明等速的并联式动力传动装置整体结构示意图；

图2为本发明等速的并联式动力传动装置整体结构俯视图；

图3为本发明等速的并联式动力传动装置中单运动支链结构示意图；

图4为本发明等速的并联式动力传动装置作为等速万向联轴节时，输入输出轴平行时位形图；

图5为本发明等速的并联式动力传动装置作为等速万向联轴节时，输入输出轴夹角在0°-90°间的位形图；

图6为本发明等速的并联式动力传动装置作为等速万向联轴节时，输入输出轴为90°时的位形图。

图中：

1-等径球面纯滚动并联 2-输入轴 3-输出轴

机构

4-十字圆环框架 5-基架5 101-输入平台

102-输出平台 103-运动支链 103a-连杆A

103b-连杆B 103c-连杆C 201-圆环

202-摆杆

具体实时方式

本发明一种等速的并联式动力传动装置，包括一个等径球面纯滚动并联机构1、输入轴2、输出轴3与两个十字圆环框架4，如图1所示；

所述等径球面纯滚动并联机构1包括输入平台101、输出平台102以及运动支链103。输入平台101与输出平台102相互平行对称设置；输入平台101与输出平台102间通过n条运动支链103相连，n≥3本实施例中以三条运动支链103为例进行说明。3条运动支链103结构相同，均包括连杆A103a、连杆B103b与连杆C103c，如图2所示。其中，连杆A103a与连杆B103b均为曲率半径相等的弧形杆，连杆C103c为V型杆。连杆A103a与连杆B103b的一端分别通过推力轴承与深沟球轴承与连杆C103c的两端相连，分别形成转动副A与转动副B，推力轴承的作用主要是减小转动副中深沟球轴承的间隙，同时承受部分轴向力。连杆A103a与连杆B103b的另一端分别通过推力轴承与深沟球轴承与输入平台101和输出平台102侧壁相连通过，分别形成转动副C与转动副D。n条运动支链103中连杆A103a与输入平台101间的连接处，在输入平台101周向上均布；n条运动支链103支链中连杆B103b与输出平台102间的连接处，在输出平台102周向上均布。

上述n条支链均满足，连杆A103a与输入平台101间的转动副轴线和连杆A103a与连杆C103c间的转动副轴线相交于输入平台101的中心o₁；连杆B103b与输出平台102间的转动副轴线和连杆B103b与连杆C103c间的转动副轴线交于输出平台102的中心o₂；且连杆A103a与连杆C103c，以及连杆B103b与连杆C103c间的转动副轴线相交于点N，且点N位于垂直于输入平台101与输出平台102中心点连线的垂直平分线上，由此形成等径球面纯滚动并联机构1，最终，可使各个支链中连杆C103c的尖端朝向内，连杆A103a与连杆B103b的弧形突起方向朝向外。

所述输入轴2与输出轴3分别垂直固定安装在输入平台101与输出平台102上，输入轴2与输出轴3的轴线分别过输入平台101和输出平台102的中心点。

所述两个十字圆环框架4结构相同，均包括圆环401与摆杆402；安装方式相同，具体为：摆杆402轴线位于圆环401的直径上，两端均通过推力轴承和深沟球轴承与圆环401相连，形成转动副。两个十字圆环框架相互对称设置；两个十字圆环框架中的摆杆402分别固定在输入平台101与输出平台102上，且使两摆杆402的中心点分别位于输入平台101与输出平台102的轴线上。在两个十字圆环框架4中的圆环401上，垂直于摆杆402轴线的直径两段位置均与基架5通过推力轴承和深沟球轴承相连，形成转动副。由此，形成等速的并联式动力传动装置，实现与球齿轮运动相同的动力传递。

令两个十字圆环401框架4分别为十字圆环框架A与十字圆环框架B；十字圆环框架A包括输入摆杆与圆环A；十字圆环框架B包括输出摆杆与圆环B。由此，通过输入轴2带动输入摆杆摆动，进而带动输入平台101摆动，由此使圆环A与等径球面纯滚动并联机构1中各支链转动，从而使输出轴3与输出摆杆做着与输入轴2和输入摆杆速度大小相等的运动，实现两个十字圆环框架4做传动比为1：1的转动，也就相当于一对等径半球做着传动比为1：1的转动。

上述结构等速的并联式动力传动装置，当去掉两个十字圆环框架4后，即可实现等速万向联轴节相同的动力传递；通过转动输入轴2，给输入轴2一个沿着其轴线方向的角速度，通过输入轴2的转动带动与输入轴2固连的平台及3条支链的运动，进而使输出轴3做一个绕着自身轴线且与输入轴2转动速度大小相等的角速度运动，实现了等速动力传递，且角度补偿大，可用于两输入输出轴3角度变化大的运动传递上；同时，当输入输出轴3平行时候，在转动过程中，支链上的转动副无相对转动，可以实现输入输出扭矩有线性关系。

Claims

1.一种等速的并联式动力传动装置，其特征在于：包括一个等径球面纯滚动并联机构、输入轴、输出轴与两个十字圆环框架；

所述等径球面纯滚动并联机构包括输入平台、输出平台以及运动支链；输入平台与输出平台相互对称设置；输入平台与输出平台间通过n条运动支链相连，n≥3；n条运动支链结构相同，均包括连杆A、连杆B与连杆C；其中，连杆A与连杆B均为曲率半径相等的弧形杆，连杆C为V型杆；连杆A与连杆B的一端分别与连杆C的两端相连形成转动副；连杆A与连杆B的另一端分别通过推力轴承与深沟球轴承与输入平台和输出平台侧壁相连，形成转动副；n条支链中连杆A与输入平台间的连接处，在输入平台周向上均布；n条支链中连杆B与输出平台间的连接处，在输出平台周向上均布；

上述n条支链均满足，连杆A与输入平台间的转动副轴线和连杆A与连杆C间的转动副轴线相交于输入平台的中心；连杆B与输出平台间的转动副轴线和连杆B与连杆C间的转动副轴线交于输出平台的中心；且连杆A与连杆C，以及连杆B与连杆C间的转动副轴线相交于点N，且点N位于垂直于输入平台与输出平台中心点连线的垂直平分线上；所述输入轴与输出轴分别垂直固定安装在输入平台与输出平台上；

所述两个十字圆环框架结构相同，均包括圆环与摆杆；安装方式相同，具体为：摆杆轴线位于圆环的直径上，两端均通过推力轴承和深沟球轴承与圆环相连，形成转动副；两个圆环框架相互对称设置；两个圆环框架中的摆杆分别固定在输入平台与输出平台上，且使两摆杆的中心点分别位于输入平台与输出平台的轴线上；在两个十字圆环框架中的圆环上，垂直于摆杆轴线的直径两端位置均与外部基架通过推力轴承和深沟球轴承相连，形成转动副。

2.如权利要求1所述一种等速的并联式动力传动装置，其特征在于：所述，输入轴与输出轴的轴线分别过输入平台和输出平台的中心点。

3.如权利要求1所述一种等速的并联式动力传动装置，其特征在于：所述连杆A与连杆B的一端分别通过推力轴承与深沟球轴承与连杆C的两端相连。

4.如权利要求1所述一种等速的并联式动力传动装置，其特征在于：所述摆杆轴线两端均通过推力轴承和深沟球轴承与圆环相连。

5.如权利要求1所述一种等速的并联式动力传动装置，其特征在于：所述圆环与外部基架通过推力轴承和深沟球轴承相连。

6.如权利要求1所述一种等速的并联式动力传动装置，其特征在于：去掉两个十字圆环框架后，还实现与等速万向联轴节相同的动力传递。