CN104782291B - 斜齿交错‑异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜齿交错‑异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构。现有宽窄行分插机构取秧时直取秧要求仍有很大改进空间，还存在取秧不够准确、易倒秧的问题。本发明的中心斜齿圆柱齿轮的两侧分别与上中间斜齿圆柱齿轮和下中间斜齿圆柱齿轮啮合，上行星异形非圆锥齿轮与上中间异形非圆锥齿轮啮合；下行星异形非圆锥齿轮与下中间异形非圆锥齿轮啮合；上中间异形非圆锥齿轮和下中间异形非圆锥齿轮的节曲线均包括长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段；上行星异形非圆锥齿轮和下行星异形非圆锥齿轮的节曲线均包括共轭长凸性球面曲线段和共轭短凸性球面曲线段。本发明的异形非圆锥齿轮齿廓完整、强度大，取秧横向偏移量更小，秧苗直立性更好。

Description

斜齿交错-异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构

技术领域

本发明属于农业机械领域，尤其是涉及适合于高速插秧机宽窄行插秧要求的一种斜齿交错-异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构。

背景技术

我国水稻种植具有精耕细作的传统，由于人多地少的资源条件，决定了我国水稻种植需结合我国经济技术条件，走标准化、低成本的发展之路。机械化种植将成为我国水稻种植未来发展的另一个主导性技术。

水稻插秧机所插秧苗的行间距实行一宽一窄的种植方式，这种植方式利用作物边际优势的增产原理，通过调整插秧的行间距，增加水稻通风和光照，从而增加叶面积指数，可以减轻病害，延长叶片寿命，加速干物质积累，达到优质高产、节本增效的目的。但现有宽窄行分插机构取秧时直取秧要求仍有很大改进空间，还存在取秧不够准确、插秧穴口大、易倒秧的问题。

宽窄行分插机构是在不改变现有插秧机秧箱结构的基础上实现秧苗宽窄行不等行距种植的部件。公开号为CN102640604A的专利申请公开了一种高速插秧机非圆锥齿轮宽窄行分插机构，虽然该专利申请中第二级传动采用中间非圆锥齿轮与行星非圆锥齿轮传动，其运动规律在一定程度上满足了分插机构秧针的取秧、插秧轨迹和姿态，由于非圆锥齿轮为节曲线摆脱了椭圆特征的一般性锥齿轮，因此能够进一步增大在取秧阶段的传动比值，其横向偏移量最小值可改善为1.87mm左右。但由于该专利申请中的非圆锥齿轮与行星非圆锥齿轮都是一般意义上的非圆锥齿轮，除节曲线为非圆外，齿轮轮齿都为一般常规齿形，同时由于连续传动齿轮节曲线的封闭性和凸性要求以及轮齿的压力角限制，无法继续提高行星轮系的传动比，因此，对于秧针的取秧、插秧轨迹和姿态的适应还存在一定缺陷，依然无法达到近乎直取秧的效果。取秧时不能做到直取秧，易造成取秧不准确、插秧穴口大、易倒秧的问题。

申请号为201310318310.3的专利公开了一种高速插秧机异形齿轮宽窄行分插机构，但该分插机构并没有充分公开非圆锥异形齿轮的设计过程以及保证直取秧时需要满足的参数要求，公众无法从专利文献中知晓其如何满足分插机构秧针的取秧、插秧轨迹和姿态要求。而本领域技术人员从该专利的附图中能知晓，实际上该分插机构中的非圆锥异形齿轮齿廓不完整，异形齿部分齿廓由节曲线直接代替，这样的异形齿轮需优化的参数繁多，而且齿轮的异形齿强度很低，在工作时容易失效，使得分插机构的可靠性不高。

综上所述，有必要将非圆锥异形齿轮的设计过程以及如何保证直取秧时需要满足的参数要求充分公开，使得公众知晓非圆锥异形齿轮用于分插机构中能切实实现直取秧，同时使得插秧穴口更小，秧苗直立性更好。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于高速插秧机的斜齿交错-异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括传动箱、主动链轮、链条、中心链轮、中心轴、行星轮系、上栽植臂和下栽植臂；所述的中心轴和主动链轮轴均通过轴承支承在传动箱上，固定在主动链轮轴上的主动链轮与固定在中心轴上的中心链轮通过链条连接；两个行星轮系对称设置在中心轴两端。

所述的行星轮系包括齿轮箱、中心斜齿圆柱齿轮、上中间斜齿圆柱齿轮、上中间异形非圆锥齿轮、上行星异形非圆锥齿轮、下中间斜齿圆柱齿轮、下中间异形非圆锥齿轮和下行星异形非圆锥齿轮，以及通过轴承支承在齿轮箱内的中心轴、上中间轴、上行星轴、下中间轴和下行星轴；所述的齿轮箱与中心轴的端部固定；所述的中心斜齿圆柱齿轮空套在中心轴上，并通过牙嵌式法兰与传动箱固定；上中间异形非圆锥齿轮和上中间斜齿圆柱齿轮均与上中间轴固定；下中间异形非圆锥齿轮和下中间斜齿圆柱齿轮均与下中间轴固定；所述中心斜齿圆柱齿轮的两侧分别与上中间斜齿圆柱齿轮和下中间斜齿圆柱齿轮啮合；所述的上行星异形非圆锥齿轮与上行星轴固定，并与上中间异形非圆锥齿轮啮合；所述的下行星异形非圆锥齿轮与下行星轴固定，并与下中间异形非圆锥齿轮啮合。

所述上行星轴伸出齿轮箱外的一端与上栽植臂的栽植臂壳体固定，下行星轴伸出齿轮箱外的一端与下栽植臂的栽植臂壳体固定；上栽植臂和下栽植臂的结构完全一致。

所述的上中间异形非圆锥齿轮和下中间异形非圆锥齿轮的节曲线均包括光滑的长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段，长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段的首、尾端分别通过径向曲线段连接，且短凸性球面曲线段上的点相对球心的向径小于长凸性球面曲线段上的点相对球心的向径。运用三阶非均匀B样条曲线，选取m+n+2个平面型值点V_i(i＝0,1,…,m+n+1)定义长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段在平面内的二维曲线段，其中，m、n均为大于4的整数；长凸性球面曲线段的起点为V₀，终点为V_m，θ₀为起点V₀的初始相位角，且长凸性球面曲线段对应的圆心角为2π-θ_Z；短凸性球面曲线段的起点为V_m+1，终点为V_m+n+1，短凸性球面曲线段对应的圆心角为θ_Z。令长凸性球面曲线段上相邻型值点间的圆心角相等，短凸性球面曲线段上相邻型值点间的圆心角相等，可得长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段上相邻型值点的圆心角分别为(2π-θ_Z)/m和θ_Z/n。型值点V_i的位置由柱面坐标定义，其解析表达式为：

或

式中，V_i(x)、V_i(y)、V_i(z)分别为各型值点的x、y、z轴坐标，r_i为各型值点在xoy平面的向径，R为长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段所在球面的球面半径。由给定型值点分别反算曲线控制顶点，再由控制顶点以及三次B样条基函数即可定义上中间异形非圆锥齿轮或下中间异形非圆锥齿轮的节曲线。

所述的上行星异形非圆锥齿轮和下行星异形非圆锥齿轮的节曲线均包括光滑的共轭长凸性球面曲线段和共轭短凸性球面曲线段，共轭长凸性球面曲线段和共轭短凸性球面曲线段的首、尾端分别通过径向曲线段连接，且共轭短凸性球面曲线段上的点相对球心的向径大于共轭长凸性球面曲线段上的点相对球心的向径。长凸性球面曲线段、短凸性球面曲线段、共轭长凸性球面曲线段和共轭短凸性球面曲线段满足如下关系：(1)啮合点所在的球面圆弧线与长凸性球面曲线段、共轭长凸性球面曲线段的交点相对各自轴心的向径曲线段之和为定值，啮合点所在的球面圆弧线与短凸性球面曲线段、共轭短凸性球面曲线段的交点相对各自轴心的向径曲线段之和为定值，即L₁₁+L₂₁＝L₁₂+L₂₂＝L，其中，L₁₁为啮合点所在的球面圆弧线与长凸性球面曲线段的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L₂₁为啮合点所在的球面圆弧线与共轭长凸性球面曲线段的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L₁₂为啮合点所在的球面圆弧线与短凸性球面曲线段的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L₂₂为啮合点所在的球面圆弧线与共轭短凸性球面曲线段的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L为啮合点所在的球面圆弧线在上行星异形非圆锥齿轮与上中间异形非圆锥齿轮的轴心或下行星异形非圆锥齿轮与下中间异形非圆锥齿轮的轴心之间的弧线段弧长；(2)长凸性球面曲线段的弧长C₁₁等于共轭长凸性球面曲线段的弧长C₂₁，短凸性球面曲线段的弧长C₁₂等于共轭短凸性球面曲线段的弧长C₂₂；(3)上行星异形非圆锥齿轮与上中间异形非圆锥齿轮或下行星异形非圆锥齿轮与下中间异形非圆锥齿轮的转动周期比值为1，保证两者的节曲线均为封闭曲线。通过搜索迭代求解得到中心距弧长L的最优值，使其满足上述三个关系，即可得到上行星异形非圆锥齿轮和下行星异形非圆锥齿轮的节曲线。

所述的上中间轴和下中间轴对称设置在中心轴两侧，且与中心轴的轴交角均为θ；中心斜齿圆柱齿轮、上中间斜齿圆柱齿轮及下中间斜齿圆柱齿轮的螺旋角均为β，β＝0.5θ；所述的上行星轴和下行星轴对称设置在中心轴两侧，上行星轴与上中间轴、下行星轴与下中间轴之间的轴交角均为θ和均不等于0°或90°。

所述的上中间斜齿圆柱齿轮与下中间斜齿圆柱齿轮的几何参数完全相同，上中间异形非圆锥齿轮与下中间异形非圆锥齿轮的几何参数完全相同，上行星异形非圆锥齿轮与下行星异形非圆锥齿轮的几何参数完全相同。

所述上中间异形非圆锥齿轮和下中间异形非圆锥齿轮的节曲线的短凸性球面曲线段及其两侧相邻轮齿所在节曲线段的齿轮重合度均为1。

所述的中心斜齿圆柱齿轮与上中间斜齿圆柱齿轮及下中间斜齿圆柱齿轮的传动比均为1；分插机构秧针尖点所形成的轨迹取秧段偏移量△S1≤1mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明交错安装的斜齿圆柱齿轮与异形非圆锥齿轮组合，使得分插机构的行星轮系在具有非匀速比的同时具备空间传动特性，而且能在取秧阶段获得较大的传动比；通过优化行星轮系中间轴与中心轴、中间轴与行星轴的轴交角大小，可以得到理想的宽窄行插秧轨迹。

2、本发明解决了交错齿轮-椭圆锥齿轮行星轮系和交错齿轮-非圆锥齿轮行星轮系分插机构中秧针在取秧时横向偏移量大，造成伤秧、漏取秧的问题，实现了直取秧；同时相比之前出现的异形齿轮宽窄行分插机构，本发明的异形非圆锥齿轮不仅齿廓完整、结构更加简单，而且强度更大，提高了分插机构的可靠性，而且各项参数更加优化，取秧横向偏移量更小，降低了伤苗程度，同时使得插秧穴口更小，秧苗直立性更好，进一步减少了插秧时秧苗倒伏和漂秧的现象，从而提高了分插机构的工作效率和性能。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明的行星轮系装配示意图。

图3是本发明的行星轮系啮合状态示意图。

图4是本发明的上栽植臂的结构剖视图。

图5是本发明的下中间异形非圆锥齿轮与下行星异形非圆锥齿轮的啮合示意图。

图6是本发明的下中间轴与下行星轴的轴交角示意图。

图7是本发明的下中间轴及上中间轴与中心轴的轴交角示意图。

图8是本发明的上中间异形非圆锥齿轮或下中间异形非圆锥齿轮的节曲线示意图。

图9是本发明的异形非圆锥齿轮副的节曲线啮合示意图。

图10是本发明的异形非圆锥齿轮副的部分齿廓啮合示意图。

图11是本发明与斜齿-椭圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构的总传动比对比图。

图12是本发明作业时形成宽窄行移栽的移栽效果示意图。

图13是本发明实现的插秧轨迹的正向视图、侧向视图以及取秧段轨迹的局部放大图。

图14是本发明取苗时刻的示意图。

图15是图14的侧向视图。

图中：1、中心链轮，2、中心轴，3、牙嵌式法兰，4、下中间斜齿圆柱齿轮，5、下行星轴，6、下行星异形非圆锥齿轮，7、下栽植臂，8、下中间异形非圆锥齿轮，9、下中间轴，10、上中间轴，11、上中间斜齿圆柱齿轮，12、上中间异形非圆锥齿轮，13、上行星轴，14、上行星异形非圆锥齿轮，15、上栽植臂，16、齿轮箱，17、中心斜齿圆柱齿轮，18、链条，19、主动链轮，20、主动链轮轴，21、传动箱，22、凸轮，23、拨叉，24、推秧杆，25、推秧弹簧，26、秧门，27、插秧轨迹，28、地面，29、秧苗，30、栽植臂壳体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，斜齿交错-异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构，包括传动箱21、主动链轮19、链条18、中心链轮1、中心轴2、行星轮系、上栽植臂15和下栽植臂7；中心轴2和主动链轮轴20均通过轴承支承在传动箱21上，固定在主动链轮轴20上的主动链轮19与固定在中心轴2上的中心链轮1通过链条18连接；两个行星轮系对称设置在中心轴2两端。

如图2和图3所示，行星轮系包括齿轮箱16、中心斜齿圆柱齿轮17、上中间斜齿圆柱齿轮11、上中间异形非圆锥齿轮12、上行星异形非圆锥齿轮14、下中间斜齿圆柱齿轮4、下中间异形非圆锥齿轮8和下行星异形非圆锥齿轮6，以及通过轴承支承在齿轮箱16内的中心轴2、上中间轴10、上行星轴13、下中间轴9和下行星轴5；齿轮箱16与中心轴2的端部固定；中心斜齿圆柱齿轮17空套在中心轴2上，并通过牙嵌式法兰3与传动箱21固定；上中间异形非圆锥齿轮12和上中间斜齿圆柱齿轮11均与上中间轴10固定；下中间异形非圆锥齿轮8和下中间斜齿圆柱齿轮4均与下中间轴9固定；中心斜齿圆柱齿轮17的两侧分别与上中间斜齿圆柱齿轮11和下中间斜齿圆柱齿轮4啮合；上行星异形非圆锥齿轮14与上行星轴13固定，并与上中间异形非圆锥齿轮12啮合；下行星异形非圆锥齿轮6与下行星轴5固定，并与下中间异形非圆锥齿轮8啮合。

如图1和图4所示，上行星轴13伸出齿轮箱16外的一端与上栽植臂15的栽植臂壳体30固定，下行星轴5伸出齿轮箱16外的一端与下栽植臂7的栽植臂壳体30固定；上栽植臂15和下栽植臂7的结构完全一致，均采用成熟的现有技术，如申请号为201110164729.9的专利。

如图1、图2、图3、图6和图7所示，上中间轴10和下中间轴9对称设置在中心轴2两侧，且与中心轴2的轴交角均为θ；中心斜齿圆柱齿轮17、上中间斜齿圆柱齿轮11及下中间斜齿圆柱齿轮4的螺旋角均为β，β＝0.5θ，从而保证斜齿轮的正确啮合；上行星轴13和下行星轴5对称设置在中心轴2两侧，上行星轴13与上中间轴10、下行星轴5与下中间轴9之间的轴交角均为θ和的取值根据相应的宽窄行行距农艺要求设计，但均不等于90°。异形非圆锥齿轮的锥距Rd和斜齿圆柱齿轮的螺旋角β同时是影响轨迹总偏移量的主要参数；当宽窄行插秧宽行行距为400mm且窄行行距为200mm时，取θ＝10°、和Rd＝220mm时能最好地满足分插机构的传动比以及秧针的取秧、插秧轨迹和姿态的要求。

如图2和3所示，上中间斜齿圆柱齿轮11与下中间斜齿圆柱齿轮4的几何参数完全相同，上中间异形非圆锥齿轮12与下中间异形非圆锥齿轮8的几何参数完全相同，上行星异形非圆锥齿轮14与下行星异形非圆锥齿轮6的几何参数完全相同。

如图5、图8、图9和图10所示，上中间异形非圆锥齿轮12、上行星异形非圆锥齿轮14、下中间异形非圆锥齿轮8和下行星异形非圆锥齿轮6的异形非圆锥齿轮节曲线，是在非圆锥齿轮的分段球面节曲线的基础上提出的：运用自由样条拟合的方法获得两条角度连续、向径不连续的球面曲线段，两条球面曲线段的首、尾端分别通过径向曲线段连接，形成空间的异形非圆锥齿轮节曲线。异形非圆锥齿轮副具有高传动比值，与交错齿轮形成一种新型的空间行星轮机构。

如图8和图9所示，上中间异形非圆锥齿轮12和下中间异形非圆锥齿轮8的节曲线均包括光滑的长凸性球面曲线段a1和短凸性球面曲线段a2，长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段的首、尾端分别通过径向曲线段连接，且短凸性球面曲线段上的点相对球心O的向径小于长凸性球面曲线段上的点相对球心O的向径。由于锥齿轮齿廓计算时需要球面曲线的二阶可导性，因此运用三阶非均匀B样条曲线定义异形非圆锥齿轮节曲线所需的球面曲线段。图8为由m+n+2个平面型值点V_i(i＝0,1,…,m+n+1)定义的长凸性球面曲线段a1和短凸性球面曲线段a2在xoy平面内的二维曲线段示意图，其中，m、n均为大于4的整数；长凸性球面曲线段a1的起点为V₀，终点为V_m，θ₀为起点V₀的初始相位角，且长凸性球面曲线段a1对应的圆心角为2π-θ_Z；短凸性球面曲线段a2的起点为V_m+1，终点为V_m+n+1，短凸性球面曲线段a2对应的圆心角为θ_Z。定义长凸性球面曲线段a1上相邻型值点间的圆心角相等，短凸性球面曲线段a2上相邻型值点间的圆心角相等，可得长凸性球面曲线段a1和短凸性球面曲线段a2上相邻型值点的圆心角分别为(2π-θ_Z)/m和θ_Z/n。型值点V_i的位置由柱面坐标定义，其解析表达式为：

或

式中，V_i(x)、V_i(y)、V_i(z)分别为各型值点的x、y、z轴坐标，r_i为各型值点在xoy平面的向径，R为长凸性球面曲线段a1和短凸性球面曲线段a2所在球面的球面半径。由给定型值点分别反算曲线控制顶点，再由控制顶点以及三次B样条基函数即可定义上中间异形非圆锥齿轮12或下中间异形非圆锥齿轮8的节曲线。

如图9所示，上行星异形非圆锥齿轮14和下行星异形非圆锥齿轮6的节曲线均包括光滑的共轭长凸性球面曲线段和共轭短凸性球面曲线段，共轭长凸性球面曲线段和共轭短凸性球面曲线段的首、尾端分别通过径向曲线段连接，且共轭短凸性球面曲线段上的点相对球心O的向径大于共轭长凸性球面曲线段上的点相对球心O的向径。长凸性球面曲线段a1、短凸性球面曲线段a2、共轭长凸性球面曲线段和共轭短凸性球面曲线段满足如下关系：(1)啮合点所在的球面圆弧线与长凸性球面曲线段a1、共轭长凸性球面曲线段的交点相对各自轴心的向径曲线段之和为定值，啮合点所在的球面圆弧线与短凸性球面曲线段a2、共轭短凸性球面曲线段的交点相对各自轴心的向径曲线段之和为定值，即L₁₁+L₂₁＝L₁₂+L₂₂＝L，其中，L₁₁为啮合点所在的球面圆弧线与长凸性球面曲线段a1的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L₂₁为啮合点所在的球面圆弧线与共轭长凸性球面曲线段的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L₁₂为啮合点所在的球面圆弧线与短凸性球面曲线段a2的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L₂₂为啮合点所在的球面圆弧线与共轭短凸性球面曲线段的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L为啮合点所在的球面圆弧线在上行星异形非圆锥齿轮14与上中间异形非圆锥齿轮12的轴心或下行星异形非圆锥齿轮6与下中间异形非圆锥齿轮8的轴心之间的弧线段弧长；(2)长凸性球面曲线段a1的弧长C₁₁等于共轭长凸性球面曲线段的弧长C₂₁，短凸性球面曲线段a2的弧长C₁₂等于共轭短凸性球面曲线段的弧长C₂₂；(3)上行星异形非圆锥齿轮14与上中间异形非圆锥齿轮12或下行星异形非圆锥齿轮6与下中间异形非圆锥齿轮8的转动周期比值为1，保证两者的节曲线均为封闭曲线。通过搜索迭代求解得到中心距弧长L的最优值，使其满足上述三个关系，即可得到上行星异形非圆锥齿轮14和下行星异形非圆锥齿轮6的节曲线。

如图10所示，异形非圆锥齿轮利用非圆锥齿轮的齿廓数值计算方法可生成得到每段球面曲线的齿廓模型，但由于形成封闭异形非圆锥齿轮节曲线的两段球面曲线弧长不相等，且由每段曲线生成的齿轮齿数不同，因此无法保证两段曲线生成的齿轮模数相等。对于普通齿轮，包括标准齿轮和非标准齿轮，能够实现正确啮合并连续传动的条件为二者的模数和压力角都必须相等，同时齿轮的重合度ε_a≥1，为此，为保证异形非圆锥齿轮在节曲线过渡段能够实现连续平稳传动，必须对两段球面曲线各自端点处的齿廓进行一定的修正。

异形非圆锥齿轮的齿廓Ⅰ和齿廓Ⅳ处于啮合状态时，节曲线与节曲线相切。由于齿廓Ⅰ、Ⅳ的模数与其他轮齿不同，因此齿距和轮齿高度也不相同。为了实现异形非圆锥齿轮的连续传动，需要保证上中间异形非圆锥齿轮12和下中间异形非圆锥齿轮8的节曲线分别传动至段、段、段时的齿轮重合度ε_a均为1，即当节曲线末端点t_n与点t′_n重合时，齿廓Ⅲ与齿廓Ⅵ刚好分离，同时齿廓Ⅰ和齿廓Ⅳ刚好进入啮合状态；当节曲线与节曲线相切时，齿廓Ⅰ和齿廓Ⅳ、齿廓Ⅲ和齿廓Ⅵ均处于分离状态；当节曲线起始点t₁与点t′₁重合时，齿廓Ⅰ与齿廓Ⅳ刚好分离，同时齿廓II和齿廓Ⅴ刚好进入啮合状态。

根据非圆锥齿轮的齿廓数值计算方法可知，每段齿廓的齿顶高度和齿根高度由相应的节曲线弧长控制。为保证上述节曲线段的重合度ε_a为1，则必须改变齿廓II、Ⅲ、Ⅳ的齿顶高高度，以及齿廓Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ的齿根高高度，即调整生成上述齿廓的节曲线的相应弧长。其中，齿廓II、Ⅲ的节曲线外侧齿廓分别只由节曲线段内的数据点生成，齿廓Ⅰ的节曲线内侧齿廓和齿根过度线由节曲线段内的数据点生成，齿廓Ⅳ的节曲线外侧齿廓只由节曲线段内的数据点生成，齿廓Ⅴ、Ⅵ的节曲线内侧齿廓分别只由节曲线段内的数据点生成。

如图1、图2和图3所示，行星轮系的第一级齿轮为斜齿轮副传动，设定传动比为恒定值1，第二级齿轮为异形非圆锥齿轮副传动。如图11、图12、图13、图14和图15所示，为实现宽窄行插秧的宽行400mm、窄行200mm的行距要求，分插机构秧针尖点的插秧轨迹27要满足插秧过程总偏移量△S＝50mm,同时，为了提高插秧质量，又要保证轨迹取秧段的偏移量△S1要尽量小，保证直取秧。第一级齿轮传动比恒为1，所以总传动比取决于第二级齿轮的传动比，因此分插机构在前进方向轨迹取秧段的偏移量△S1主要取决于第二级齿轮在该段的传动比值，且传动比值越高，偏移量越小。如图11所示，异形非圆锥齿轮副相比于斜齿-椭圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构的椭圆锥齿轮副，两种齿轮副传动比的整体趋势相同，保证了插秧轨迹的整体形状相近，插秧轨迹的轨迹推秧段和回程段传动比值基本相同，使秧针在这两段的运动轨迹基本相同；在取秧段和送秧段的传动比值异形非圆锥齿轮副大于椭圆锥齿轮副，使异形非圆锥齿轮副传动的轨迹横向偏移量小于椭圆锥齿轮副传动。如图11所示的异形非圆锥齿轮副的传动比曲线下，分插机构秧针尖点所形成的轨迹取秧段偏移量△S1＝0.86mm,在实现宽窄行插秧的同时保证了取秧动作为“直取秧”。

该斜齿交错-异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构的工作原理是：

动力由传动箱21内的主动链轮19经链条18传递到中心链轮1上，带动中心轴2转动，中心轴2带动齿轮箱16转动，齿轮箱16内，空套在中心轴2上与传动箱21固定的中心斜齿圆柱齿轮17分别与上中间斜齿圆柱齿轮11、下中间斜齿圆柱齿轮4啮合；上中间异形非圆锥齿轮12与上行星异形非圆锥齿轮14啮合，下中间异形非圆锥齿轮8与下行星异形非圆锥齿轮6啮合。当上行星异形非圆锥齿轮14随上行星轴13相对齿轮箱16转动时，带动上栽植臂15转动；当下行星异形非圆锥齿轮6随下行星轴5相对齿轮箱16转动时，带动下栽植臂7转动；栽植臂的转动使拨叉23围绕固定在齿轮箱16上的凸轮22摆动，在取秧前拨叉23经过凸轮22的上升段而抬起，将推秧杆24提高至最高点，同时压缩推秧弹簧25，完成取秧动作；在取秧到插秧前，拨叉23处于凸轮22的最高位置保持段；当秧针到达插秧位置，拨叉23转至凸轮22缺口，推秧弹簧25回位推动推秧杆24向下快速运动，将秧苗推入土中，完成推秧动作。由于上行星异形非圆锥齿轮14与上中间异形非圆锥齿轮12之间及下行星异形非圆锥齿轮6与下中间异形非圆锥齿轮8之间的轴交角中心斜齿圆柱齿轮17与上中间斜齿圆柱齿轮11之间及中心斜齿圆柱齿轮17与下中间斜齿圆柱齿轮4之间的轴交角θ均不为零，因此上栽植臂15、下栽植臂7的转动平面与齿轮箱16的转动平面不是平行平面，引起栽植臂上的秧针在秧门26上取秧苗29后，其位于地面28的插秧点相对于取秧点偏移相应距离，由此实现水稻秧苗的机械化宽窄行移栽。

Claims (5)

1.斜齿交错-异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构，包括传动箱、主动链轮、链条、中心链轮、中心轴、行星轮系、上栽植臂和下栽植臂；所述的中心轴和主动链轮轴均通过轴承支承在传动箱上，固定在主动链轮轴上的主动链轮与固定在中心轴上的中心链轮通过链条连接；两个行星轮系对称设置在中心轴两端，其特征在于：

所述的行星轮系包括齿轮箱、中心斜齿圆柱齿轮、上中间斜齿圆柱齿轮、上中间异形非圆锥齿轮、上行星异形非圆锥齿轮、下中间斜齿圆柱齿轮、下中间异形非圆锥齿轮和下行星异形非圆锥齿轮，以及通过轴承支承在齿轮箱内的中心轴、上中间轴、上行星轴、下中间轴和下行星轴；所述的齿轮箱与中心轴的端部固定；所述的中心斜齿圆柱齿轮空套在中心轴上，并通过牙嵌式法兰与传动箱固定；上中间异形非圆锥齿轮和上中间斜齿圆柱齿轮均与上中间轴固定；下中间异形非圆锥齿轮和下中间斜齿圆柱齿轮均与下中间轴固定；所述中心斜齿圆柱齿轮的两侧分别与上中间斜齿圆柱齿轮和下中间斜齿圆柱齿轮啮合；所述的上行星异形非圆锥齿轮与上行星轴固定，并与上中间异形非圆锥齿轮啮合；所述的下行星异形非圆锥齿轮与下行星轴固定，并与下中间异形非圆锥齿轮啮合；

所述上行星轴伸出齿轮箱外的一端与上栽植臂的栽植臂壳体固定，下行星轴伸出齿轮箱外的一端与下栽植臂的栽植臂壳体固定；上栽植臂和下栽植臂的结构完全一致；

所述的上中间异形非圆锥齿轮和下中间异形非圆锥齿轮的节曲线均包括光滑的长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段，长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段的首、尾端分别通过径向曲线段连接，且短凸性球面曲线段上的点相对球心的向径小于长凸性球面曲线段上的点相对球心的向径；运用三阶非均匀B样条曲线，选取m+n+2个平面型值点V_i(i＝0,1,…,m+n+1)定义长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段在平面内的二维曲线段，其中，m、n均为大于4的整数；长凸性球面曲线段的起点为V₀，终点为V_m，θ₀为起点V₀的初始相位角，且长凸性球面曲线段对应的圆心角为2π-θ_Z；短凸性球面曲线段的起点为V_m+1，终点为V_m+n+1，短凸性球面曲线段对应的圆心角为θ_Z；令长凸性球面曲线段上相邻型值点间的圆心角相等，短凸性球面曲线段上相邻型值点间的圆心角相等，可得长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段上相邻型值点的圆心角分别为(2π-θ_Z)/m和θ_Z/n；型值点V_i的位置由柱面坐标定义，其解析表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_i\left(x\right)=r_{i}cos({\mathrm{\θ}}_0+(2\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_Z)i/m)\\ V_i\left(y\right)=r_{i}sin({\mathrm{\θ}}_0+(2\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_Z)i/m)\\ V_i\left(z\right)=\sqrt{R^2-V_i{\left(x\right)}^2-V_i{\left(y\right)}^2}\end{array}\right.,i=0,1,...,m$

或

$\left\{\begin{array}{c}{V}_i\left(x\right)=r_{i}cos({\mathrm{\θ}}_0+(2\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_Z)+{\mathrm{\θ}}_Z(i-m-1)/n)\\ V_i\left(y\right)=r_{i}sin({\mathrm{\θ}}_0+(2\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_Z)+{\mathrm{\θ}}_Z(i-m-1)/n)\\ V_i\left(z\right)=\sqrt{R^2-V_i{\left(x\right)}^2-V_i{\left(y\right)}^2}\end{array}\right.,i=m+1,...,m+n+1$

式中，V_i(x)、V_i(y)、V_i(z)分别为各型值点的x、y、z轴坐标，r_i为各型值点在xoy平面的向径，R为长凸性球面曲线段和短凸性球面曲线段所在球面的球面半径；由给定型值点分别反算曲线控制顶点，再由控制顶点以及三次B样条基函数即可定义上中间异形非圆锥齿轮或下中间异形非圆锥齿轮的节曲线；

所述的上行星异形非圆锥齿轮和下行星异形非圆锥齿轮的节曲线均包括光滑的共轭长凸性球面曲线段和共轭短凸性球面曲线段，共轭长凸性球面曲线段和共轭短凸性球面曲线段的首、尾端分别通过径向曲线段连接，且共轭短凸性球面曲线段上的点相对球心的向径大于共轭长凸性球面曲线段上的点相对球心的向径；长凸性球面曲线段、短凸性球面曲线段、共轭长凸性球面曲线段和共轭短凸性球面曲线段满足如下关系：(1)啮合点所在的球面圆弧线与长凸性球面曲线段、共轭长凸性球面曲线段的交点相对各自轴心的向径曲线段之和为定值，啮合点所在的球面圆弧线与短凸性球面曲线段、共轭短凸性球面曲线段的交点相对各自轴心的向径曲线段之和为定值，即L₁₁+L₂₁＝L₁₂+L₂₂＝L，其中，L₁₁为啮合点所在的球面圆弧线与长凸性球面曲线段的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L₂₁为啮合点所在的球面圆弧线与共轭长凸性球面曲线段的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L₁₂为啮合点所在的球面圆弧线与短凸性球面曲线段的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L₂₂为啮合点所在的球面圆弧线与共轭短凸性球面曲线段的交点相对其轴心的向径曲线段弧长，L为啮合点所在的球面圆弧线在上行星异形非圆锥齿轮与上中间异形非圆锥齿轮的轴心或下行星异形非圆锥齿轮与下中间异形非圆锥齿轮的轴心之间的弧线段弧长；(2)长凸性球面曲线段的弧长C₁₁等于共轭长凸性球面曲线段的弧长C₂₁，短凸性球面曲线段的弧长C₁₂等于共轭短凸性球面曲线段的弧长C₂₂；(3)上行星异形非圆锥齿轮与上中间异形非圆锥齿轮或下行星异形非圆锥齿轮与下中间异形非圆锥齿轮的转动周期比值为1，保证两者的节曲线均为封闭曲线；通过搜索迭代求解得到中心距弧长L的最优值，使其满足上述三个关系，即可得到上行星异形非圆锥齿轮和下行星异形非圆锥齿轮的节曲线。

2.根据权利要求1所述的斜齿交错-异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构，其特征在于：所述的上中间轴和下中间轴对称设置在中心轴两侧，且与中心轴的轴交角均为θ；中心斜齿圆柱齿轮、上中间斜齿圆柱齿轮及下中间斜齿圆柱齿轮的螺旋角均为β，β＝0.5θ；所述的上行星轴和下行星轴对称设置在中心轴两侧，上行星轴与上中间轴、下行星轴与下中间轴之间的轴交角均为θ和均不等于0°或90°。

3.根据权利要求1所述的斜齿交错-异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构，其特征在于：所述的上中间斜齿圆柱齿轮与下中间斜齿圆柱齿轮的几何参数完全相同，上中间异形非圆锥齿轮与下中间异形非圆锥齿轮的几何参数完全相同，上行星异形非圆锥齿轮与下行星异形非圆锥齿轮的几何参数完全相同。

4.根据权利要求1所述的斜齿交错-异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构，其特征在于：所述上中间异形非圆锥齿轮和下中间异形非圆锥齿轮的节曲线的短凸性球面曲线段及其两侧相邻轮齿所在节曲线段的齿轮重合度均为1。

5.根据权利要求1所述的斜齿交错-异形非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构，其特征在于：所述的中心斜齿圆柱齿轮与上中间斜齿圆柱齿轮及下中间斜齿圆柱齿轮的传动比均为1；分插机构秧针尖点所形成的轨迹取秧段偏移量△S1≤1mm。