CN105041984B - 单列减变速一体化滚动活齿机构 - Google Patents

Abstract

单列减变速一体化滚动活齿机构，输入轴的一端延伸到机座一端的外部，输入轴另一端插接在激波器的中部，滚子活齿通过柱销置于活齿架的导向槽内，活齿架固定连接在机座内部，内齿圈的内圈为滚子活齿啮合的轮廓，内齿圈中部插接输出轴的一端，输出轴另一端延伸到机座另一端的外部，激波器、内齿圈与活齿架的几何轴线重合，所有滚子活齿的形心在同一个平面内，该活齿机构为单列激波。本发明实现减速和变速一体化传动，从而最大限度地缩短传动链，提高传动效率和可靠性。减变速一体化活齿机构制造方便，滚子和激波器都是标准圆形构件，内齿圈可通过数控铣或线切割获得，其齿形相对非圆齿轮简单许多，参与啮合的齿数多，刚度大，承载能力大，传动平稳。

Description

单列减变速一体化滚动活齿机构

技术领域 本发明属于变速比传动领域，具体涉及一种变速比滚动活齿传动机构。

背景技术 随着生产的发展和科技的进步，常规的匀速传动在很多场合已经无法满足新工艺和新设备的要求，而根据实际工况反求出的变速比运动，往往是设备运行的理想状态，因此变速比传动在机械领域占据愈来愈重要的地位。

在众多变速比传动机构中，非圆齿轮结合了凸轮与齿轮的特点，能够实现两轴间精确的变速比规律。与连杆机构相比，非圆齿轮结构紧凑，传动平稳，易于实现动平衡；与凸轮机构相比，非圆齿轮结构简单，能实现单向连续旋转的非匀速传动，故非圆齿轮在各个领域得到广泛应用。但是非圆齿轮加工过程复杂，成本高，而且非圆齿轮在使用时，由于原动机的转速较高，非圆齿轮要与一级甚至两级圆齿轮副配合使用，造成机构冗长，传动系统效率下降。

活齿机构是在行星齿轮基础上演化而成的一种高效高强度的传动机构，一般用作匀速传动。鉴于活齿机构具有多齿啮合，承载力大，传动平稳，传动比大，制造工艺简单等优点，人们将活齿机构拓展的变速比传动领域。陈志同等人在1999年《机械工程学报》，35(1)：30-33文中将变速比传动简化成线性运动和正弦运动的叠加，提出了非匀速活齿机构的设计方法，该活齿机构的组成与普通活齿机构相同，都是由激波器，活齿架，内齿圈和活齿组成，通过控制激波器和外齿圈的齿廓形状实现变速比传动，但是简化的传动函数不能完全满足实际生产中复杂多变的非匀速运动要求。刘大伟等人在2014年《机械工程学报》，50(1)：47-54文中借鉴非圆齿轮理论，提出了非匀速推杆活齿机构，其中激波器的齿廓采用了蜗线函数，内齿圈的齿廓曲线由传动比确定，可实现多周期非圆齿轮的传动效果。它不不足之处：使用时需要与减速机构串联使用，无法发挥出活齿机构大减速比的特性。

发明内容 本发明的目的是提供一种不需要与减速机构组合，能够实现减变速一体化传动的单列减变速一体化滚动活齿机构。

本发明主要包括：激波器、内齿圈、滚子活齿、活齿架、机座、输入轴和输出轴。其中，输入轴的一端延伸到机座一端的外部，输入轴的另一端插接在激波器的中部，滚子活齿通过柱销置于活齿架的导向槽内，活齿架固定连接在机座的内部。内齿圈的内圈为滚子活齿啮合的轮廓，内齿圈的中部插接输出轴的一端，该输出轴的另一端延伸到机座另一端的外部。激波器、内齿圈与活齿架的几何轴线重合。所有滚子活齿的形心在同一个平面内，即该活齿机构为单列激波。

滚子活齿的最大个数等于激波器旋转一圈时机构传动比i₁₂变化的周期数m₁，m₁为大于1的正整数，且满足等式z₂＝m₁+1，其中z₂为内齿圈的齿数；活齿架在圆周上均匀分布与滚子活齿个数相同的导向槽，机构旋转时，滚子活齿在导向槽中做直线往复运动；在以回转中心为原点的极坐标系中，所述激波器的齿廓曲线方程为

式中，R——激波器齿廓的半径；

e——激波器齿廓的偏心距；

d——滚子活齿的直径；

r_z1、——激波器齿廓在极坐标中的向径与极角。

相应内齿圈的齿廓曲线方程为

式中，x₂，y₂——内齿圈齿廓曲线在直角坐标系中的坐标；

——内齿圈齿廓在极坐标中的极角，计算公式为其中i₁₂为激波器旋转一圈时机构传动比,——激波器齿廓在极坐标中的极角；

r₂——内齿圈的基本齿廓向径，计算公式为

式中，R——激波器齿廓的半径；

e——激波器齿廓的偏心距；

——激波器齿廓在极坐标中的极角。

d——滚子活齿的直径；

μ₂——内齿圈基本齿廓上某一点的切线与向径的夹角，计算公式为其中，i₁₂为激波器旋转一圈时机构传动比；r₂——内齿圈的基本齿廓向径。

为了令内齿圈的齿廓曲线光滑且封闭，减变速一体化滚动活齿机构的传动比i₁₂满足公式其中，为激波器齿廓在极坐标中的极角；i₁₂为激波器旋转一圈时机构传动比；z₂为内齿圈的齿数。

为了减小激波器和滚子活齿之间的磨损，激波器上可以安装轴承，轴承外圆的直径与公式(1)中激波器齿廓曲线的直径相同。

本发明在使用时，激波器作为输入构件与原动机相连，激波器匀速旋转，其偏心圆轮廓(齿廓)推动部分滚子活齿沿活齿架的导向槽向内齿圈运动，这部分活齿称为主动活齿。主动活齿将动力传递到内齿圈的齿廓上，推动内齿圈旋转，由于内齿圈的齿廓曲线方程是根据激波器齿廓和传动比推导出来的，所以内齿圈会按照给定的具有减变速特征的传动比进行旋转。随着内齿圈旋转，内齿圈会推动另一部分活齿沿导向槽向激波器运动，这部分活齿称为从动活齿。主动活齿和从动活齿分别运动到激波器最大和最小向径处时，二者的角色互相转变，从而实现动力随激波器的转动连续传递。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)与常速活齿机构相比，在不增加任何构件的前提下，实现减速和变速一体化传动，从而最大限度地缩短传动链，提高传动效率和可靠性。

(2)与非圆齿轮相比，减变速一体化活齿机构制造方便，滚子和激波器都是标准圆形构件，内齿圈可通过数控铣或线切割获得，其齿形相对非圆齿轮简单许多，而且同时参与啮合的齿数多，刚度大，承载能力大，传动平稳。

附图说明

图1是本发明的结构简图；

图2是本发明的装配图；

图3是激波器的齿廓曲线；

图4是减变速传动比曲线；

图5是内齿圈的齿廓曲线。

在上述附图中，输入轴1、机座2、激波器3、滚子活齿4、活齿架5、内齿圈6、输出轴7。

具体实施方式 图1至图5为本发明的示意简图，输入轴1的一端延伸到机座2一端的外部，输入轴的另一端插接在激波器3的中部，滚子活齿4通过柱销置于活齿架5的导向槽内，活齿架固定连接在机座的内部。内齿圈6的内圈为滚子活齿啮合的轮廓，内齿圈的中部插接输出轴7的一端，该输出轴的另一端延伸到机座另一端的外部。激波器、内齿圈与活齿架的几何轴线重合。所有滚子活齿的形心在同一个平面内，即该活齿机构为单列激波。

以实现高阶椭圆齿轮的传动比为例，说明减变速一体化滚动活齿机构的具体方案。

首先，在以回转中心为原点的极坐标系中，根据激波器的齿廓曲线方程，公式可以得到激波器的齿廓曲线，公式中的参数分别取：激波器齿廓半径R＝80mm，激波器齿廓偏心距e＝8mm，滚子活齿直径d＝40mm，其中活齿选用圆柱体，其高度h＝20mm，激波器齿廓在极坐标中的极角根据公式可以得到激波齿廓曲线上一些点的极坐标数据和r_z1，如表1中前两行所示，这些极坐标数据可转化直角坐标数据x_z1和y_z1，如表1中后两行所示，根据齿廓曲线的直角坐标数据就可以得到图3中的激波器齿廓曲线。

表1 激波器齿廓曲线数据

通过公式推导，要实现的传动比：其中i_j为减速比，i_b为变速比，二者的乘积为总传动比i₁₂。本例中取激波器旋转一圈时机构传动比变化的周期数m₁＝4，椭圆齿轮的偏心率ε＝0.1，由于激波器的齿廓曲线选用偏心圆，其周期数为1，故其齿数z₁＝1，若内齿圈的齿数为z₂，则整个机构的减速比i_j＝z₂/z₁＝z₂＝m₁+1＝5，经计算可得i₁₂的数据如表2所示，根据表2中的数据得到传动比i₁₂的变化曲线如图4所示。

表2 传动比i₂的数据

将上述参数代入到相应内齿圈的齿廓曲线方程

其中，x₂，y₂——内齿圈齿廓曲线在直角坐标系中的坐标；

——内齿圈齿廓在极坐标中的极角，根据公式计算，其中 ε＝0.1，i_j＝5；

r₂——内齿圈的基本齿廓向径，根据计算，R＝80mm，e＝8mm，

μ₂——内齿圈基本齿廓上某一点的切线与向径的夹角，计算公式为

计算过程中r₂，μ₂，x₂，y₂的数据如表3所示，根据表3中x₂，y₂的数据可以得到内齿圈的齿廓曲线，如图5所示。利用公式，计算出来的齿廓曲线进行编程，通过数控铣床或线切割可以加工出内齿圈的齿廓。

表3 内齿圈齿廓曲线数据

活齿架的截面形状为圆环，机构运转时，活齿架的内表面不能与激波器干涉，外表面不能与内齿圈干涉，因此本例中选取内径为140mm，外径为180mm。

将激波器与输入轴相连，内齿圈与输出轴做成一体，活齿架与机座固接，激波器，内齿圈的回转轴线与活齿架的中心轴线重合，四个滚动活齿安装在活齿架的导向槽中，导向槽在活齿架圆周上均匀分布，装配图如图2所示。

假设激波器与原动机连接后，逆时针旋转，在图1中，此时上方的滚子活齿在激波器齿廓的作用下，沿导向槽远离回转中心，推动内齿圈逆时针旋转，该活齿为主动活齿。由于内齿圈的齿廓是根据传动比反求出来的，所以此时内齿圈的转速为激波器的转速与传动比i₁₂的比值，其中i₁₂是关于激波器转角的函数，随激波器转动而变化。图1中处于下方的活齿在内齿圈的作用下，沿导向槽向回转中心移动，该活齿为从动活齿，而在左右两侧的滚子活齿此时处于临界状态，对内齿圈转动无作用，当内齿圈转过图1中的位置后，左侧活齿变为主动活齿，右侧活齿变为从动活齿。所以每一个活齿的角色随激波器的转动由主动活齿→临界状态→从动活齿→临界状态→主动活齿循环变化，从而实现运动的连续传递。

Claims (1)

1.单列减变速一体化滚动活齿机构，主要包括激波器、内齿圈、滚子活齿、活齿架、机座、输入轴和输出轴，其特征在于：输入轴的一端延伸到机座一端的外部，输入轴的另一端插接在激波器的中部，滚子活齿通过柱销置于活齿架的导向槽内，活齿架固定连接在机座的内部，内齿圈的内圈为滚子活齿啮合的轮廓，内齿圈的中部插接输出轴的一端，该输出轴的另一端延伸到机座另一端的外部，激波器、内齿圈与活齿架的几何轴线重合，所有滚子活齿的形心在同一个平面内，即该活齿机构为单列激波，滚子活齿的最大个数等于激波器旋转一圈时机构传动比i₁₂变化的周期数m₁，m₁为大于1的正整数，且满足等式z₂＝m₁+1，其中z₂为内齿圈的齿数；活齿架在圆周上均匀分布与滚子活齿个数相同的导向槽，机构旋转时，滚子活齿在导向槽中做直线往复运动；在以回转中心为原点的极坐标系中，所述激波器的齿廓曲线方程为

式中，R——激波器齿廓的半径；

e——激波器齿廓的偏心距；

d——滚子活齿的直径；

r_z1、——激波器齿廓在极坐标中的向径与极角，

相应内齿圈的齿廓曲线方程为

式中，x₂，y₂——内齿圈齿廓曲线在直角坐标系中的坐标；

——内齿圈齿廓在极坐标中的极角，计算公式为其中i₁₂为激波器旋转一圈时机构传动比,——激波器齿廓在极坐标中的极角；

r₂——内齿圈的基本齿廓向径，计算公式为

式中，R——激波器齿廓的半径；

e——激波器齿廓的偏心距；

——激波器齿廓在极坐标中的极角，

d——滚子活齿的直径；

μ₂——内齿圈基本齿廓上某一点的切线与向径的夹角，计算公式为其中，i₁₂为激波器旋转一圈时机构传动比；

r₂——内齿圈的基本齿廓向径；

减变速一体化滚动活齿机构的传动比i₁₂满足公式其中，为激波器齿廓在极坐标中的极角；i₁₂为激波器旋转一圈时机构传动比；z₂为内齿圈的齿数，激波器上安装轴承，轴承外圆的直径与公式(1)中激波器齿廓曲线的直径相同。