CN105042002A - 一种变传动比线齿轮机构 - Google Patents

Abstract

本发明为一种变传动比线齿轮机构，该机构由任意角度相交轴的主动轮和从动轮组成传动副，传动由主动轮线齿和从动轮线齿之间的点接触啮合运动产生，线齿的接触线根据空间共轭曲线啮合理论设计，设计方程分为等传动比和变传动比两部分，等传动比部分提供匀速传动，变传动比部分使传动比平稳过渡。该线齿轮机构能够提供周期性变传动比传动，能够在从动轮的运动周期内提供多个传动比，并且各个传动比之间能进行符合运动规律的平稳过渡。

Description

一种变传动比线齿轮机构

技术领域

本发明涉及机械传动领域，尤其涉及一种基于空间共轭曲线啮合的，能提供周期性变传动比的线齿轮机构。

背景技术

在两个轴之间的增速或减速传动中，能实现传动速比可变的齿轮称为变传动比齿轮。变传动比齿轮主要运用于有特殊要求的传动场合，如汽车的无极调速、椭圆齿轮流量计、变传动比操控器等方面。

常常用于变传动比传动的齿轮主要有非圆齿轮，因为非圆齿轮机构可实现特殊的运动和函数运算,如摆动、分度、变速等，同时也可以根据传动比函数来设计非圆齿轮。目前用于变速比传动的非圆齿轮有非圆柱齿轮，非圆锥齿轮。椭圆锥齿轮是一种典型的非圆锥齿轮，因其大端节曲线为球面椭圆而得名。正交非圆面齿轮副是一种新型的变传动比齿轮传动,它具有非圆齿轮、非圆锥齿轮和面齿轮的优点，其设计和加工比变传动比非圆齿轮更为简单。另外,变传动比也可通过行星齿轮组实现。连续变量磁齿轮包含三相绕组的定子和三个同心转子。通过控制中心转子的速度，输出转子和输入转子之间的传动比可以改变。

线齿轮是一种运用空间曲线啮合理论代替传统空间曲面啮合理论的新型齿轮，主要运用于微小传动领域，具有尺寸小，传动比大，制造方便等优点。线齿轮目前可以运用于垂直轴、相交轴和交错轴上的传动，并且其设计方程、重合度、强度准则、微小变速器和制造领域等研究已经趋于完善。

在尺度受限的微小机械装置中，有时有复杂的周期性变传动比的传动要求，这难以用控制的方式实现，而传统非圆齿轮又不适用于微小尺度。

发明内容

本发明在线齿轮理论基础之上，给出具有周期性变传动比的线齿轮副的设计方案，用该方法设计的线齿轮副机构可以提供周期性变传动比的传动。

本发明所采用的技术方案如下。

一种变传动比线齿轮机构，该机构由任意角度相交轴的主动轮和从动轮组成传动副，主动轮由轮体和线齿组成，从动轮由轮体和线齿组成，主动轮线齿和从动轮线齿的接触线按照一对空间共轭曲线啮合，主动轮与驱动器联接以提供输入，主动轮上的线齿有一条或多条；主动轮的线齿和从动轮的线齿通过点接触啮合；从动轮与输出端联接以提供运动或力的输出，从动轮上的线齿为具有变传动比性质的线齿：在一个运动周期内，存在多个传动比，不同传动比之间可进行平稳过渡，从而产生周期性变传动比的传动。

上述的变传动比线齿轮机构中，主动轮的线齿上用于啮合的接触线为圆柱螺旋线；从动轮的线齿分为等传动比部分和变传动比部分，线齿上的用于啮合的接触线的方程有两种，一种为实现等传动比的等传动比方程，另一种为实现变传动比的变传动比方程。

上述的变传动比线齿轮机构，在传动过程中，变传动比方程能使线齿轮的传动比从一个值平稳变到另一个值，即传动比函数的导数值由0开始增大或减小到某一个值，再平稳回到0。

上述的变传动比线齿轮机构中，所述变传动比方程确定如下：O-xyz为空间上任意固定笛卡尔坐标系，O为O-xyz坐标系原点，x、y、z是O-xyz坐标系的三个坐标轴，笛卡尔坐标系O_p-x_py_pz_p根据坐标系O-xyz位置进行确定，x_pO_pz_p平面与xOz平面在同一平面内，坐标原点O_p到z轴的距离为a，O_p到x轴的距离为b，z轴与z_p轴之间的夹角为(π-θ)，θ为主、从动轮角速度矢量的夹角，0°≤θ≤180°，坐标系O₁-x₁y₁z₁和O₂-x₂y₂z₂分别为固定在主动轮和从动轮上的坐标系，传动时主动轮和从动轮各自绕着z轴和z_p轴转动，且主动轮与从动轮起始啮合处为起始位置，在起始位置，坐标系O₁-x₁y₁z₁和O₂-x₂y₂z₂分别与坐标系O-xyz及O_p-x_py_pz_p重合，在任意时刻，原点O₁与O重合，z₁轴与z轴重合，原点O₂与O_p重合，z₂轴与z_p轴重合，主动轮以匀角速度ω₁绕z轴旋转，主动轮角速度方向为z轴负方向，主动轮绕z轴转过的角度为从动轮以匀角速度ω₂绕z_p轴旋转，从动轮角速度方向为z_p轴负方向，从动轮绕z_p轴转过的角度为则若主动接触线在坐标系O₁-x₁y₁z₁上的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_M^{\left(1\right)}=m\cos t\\ y_M^{\left(1\right)}=m\sin t\\ z_M^{\left(1\right)}=n\mathrm{\π}+nt\end{array}\right.,\left(-\mathrm{\π}\≤t\≤-\frac{\mathrm{\π}}{2}\right),$

则，变传动比接触线的方程为：

其中，A和C由方程和确定，m为主动轮接触线的螺旋半径，n为主动轮接触线与螺距相关的参数，若螺距为p，则定义：t为参变量，表示主动轮一条线齿的接触线为圆周的螺旋线，当t＝-π时，主动轮和从动轮线齿开始啮合，当时，主动轮转过圆周，主动轮和从动轮线齿啮合到末端，开始脱离；i_a和i_b为其中某段变化过程前后的两个传动比；和为变传动比过程中，主动轮某线齿在传动时的起始和终止角度，比如当 $-\mathrm{\&pi;}<t<-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}$ 时，

本机构得到主动轮上的线齿是以圆柱螺旋线为基础设计的，可有一条或多条线齿；主动轮的线齿和从动轮的线齿通过点接触啮合；从动轮与输出端联接以提供运动或力的输出，从动轮上的线齿包含多种设计，根据线齿轮上接触线的不同方程，可设计成具有变传动比性质的线齿：在一个运动周期内，可存在多个传动比，不同传动比之间可进行平稳过渡。

本发明的原理为：根据线齿轮空间共轭曲线啮合理论，可以设计出等传动比传动所需的从动轮线齿接触线方程；改进从动轮线齿接触线方程，使其开始进入啮合时，传动比为某一个值，脱离啮合时，传动比为另一个值，期间的传动比平稳变化，即传动比函数的导数值由0开始增大或减小到某一个值，再平稳回到0。

本发明与现有技术相比具有如下的优点:

1.能够在从动轮的运动周期内提供多个传动比，并且各个传动比之间能进行符合运动规律的平稳过渡。

2.传动只依赖于主动轮线齿与从动轮线齿之间的点接触，所以只要保证接触线的精度即可，设计简单，加工方便，且质量体积相比传统变传动比齿轮更小，适用于微小型机电产品。

3.主动轮最少齿数为1，能够提供较大传动比的传动，且能在任意角度相交轴的条件下设计线齿轮副。

附图说明

图1为本发明的机构的坐标体系。

图2为本发明的两种实施例，包括主动轮和从动轮。

图3为本发明的从动轮实施例。

图4为线齿实体的建立方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

1.本发明所述变传动比线齿轮副包含了主动轮和从动轮，主动轮和从动轮的坐标体系如图1所示，用于建立线齿轮的线齿的接触线方程。

如图1所示，O-xyz与O_p-x_py_pz_p为固定笛卡尔坐标系，O_p-x_py_pz_p根据O-xyz位置进行确定：x_pO_pz_p平面与xOz平面在同一平面内，O_p到z轴的距离为a，O_p到x轴的距离为b，z轴与z_p轴之间的夹角为(π-θ)。θ为主、从动轮角速度矢量的夹角。

O₁-x₁y₁z₁和O₂-x₂y₂z₂分别为固定在主动轮和从动轮上的坐标系，传动时主动轮和从动轮各自绕着z轴和z_p轴转动。

2.变传动比线齿轮副如图2a和图2b所示，左边为主动轮1，主动轮上有主动轮线齿2，右边为从动轮3。

如图3所示，从动轮上有等传动比的线齿4和5，变传动比的线齿6和7，当主动轮和从动轮啮合到等传动比的线齿4和5时，传动比为i_a和i_b，当啮合到变传动比的线齿6和7时，传动比分别从i_a平稳过渡到i_b，从i_b平稳过渡到i_a。但本发明实施方式不限于此。

设计上述等传动比和变传动比线齿的方程由以下方程确定。

主动轮线齿通过其接触线方程确定，该接触线在O₁-x₁y₁z₁中的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_M^{\left(1\right)}=m\cos t\\ y_M^{\left(1\right)}=m\sin t\\ z_M^{\left(1\right)}=n\mathrm{\&pi;}+nt\end{array}\right.,\left(-\mathrm{\&pi;}\&le;t\&le;-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\right)---\left(1\right)$

从动轮线齿通过其接触线方程确定，该接触线通过主动轮线齿的接触线和空间曲线啮合理论计算得来，其在O₂-x₂y₂z₂中的方程为：

当传动比为i时，等传动比线齿上的接触线方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_M^{\left(2\right)}=\&lsqb;\left(m-a\right)\cos \mathrm{\&theta;}-\left(n\mathrm{\&pi;}+nt-b\right)\sin \mathrm{\&theta;}\&rsqb;\cos \left(\frac{t+\mathrm{\&pi;}}{i}\right)\\ y_M^{\left(2\right)}=-\&lsqb;\left(m-a\right)\cos \mathrm{\&theta;}-\left(n\mathrm{\&pi;}+nt-b\right)\sin \mathrm{\&theta;}\&rsqb;\sin \left(\frac{t+\mathrm{\&pi;}}{i}\right)\\ z_M^{\left(2\right)}=-\left(m-a\right)\sin \mathrm{\&theta;}-\left(n\mathrm{\&pi;}+nt-b\right)\cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.---\left(2\right)$

当传动比为i_a到i_b时，变传动比线齿上的接触线方程为：

其中，A和C由下确定

式中各参数的物理意义如下：

m为主动轮接触线的螺旋半径；

n为主动轮接触线与螺距相关的参数，若螺距为p，则定义：

t为参变量，表示主动轮一条线齿的接触线为圆周的螺旋线。当t＝-π时，主动轮和从动轮线齿开始啮合；当时，主动轮转过圆周，主动轮和从动轮线齿啮合到末端，开始脱离；

a和b为主动轮和从动轮的位置参数，如图1所示；

θ为主动轮和从动轮的角度参数，如图1所示；

i_a和i_b为所需的两个传动比；

为主动轮的转角；

为从动轮的转角；

和为变传动比过程中，主动轮某线齿在传动时的起始和终止角度，比如当时，

3.根据式(1)到式(3)，可以建立线齿实体，线齿实体只需要能够满足强度要求，线齿实体本身并没有特别具体的形状要求。如图4所示，在每一个啮合点处，分别在主、从动线齿接触方向的两侧(图4中的-γ₁和γ₁)反向伸展出一定的体积，即可以生成所需的线齿。轮体用于将线齿固联起来。

Claims (4)

1.一种变传动比线齿轮机构，其特征在于：该机构由任意角度相交轴的主动轮和从动轮组成传动副，主动轮由轮体和线齿组成，从动轮由轮体和线齿组成，主动轮线齿和从动轮线齿的接触线按照一对空间共轭曲线啮合，主动轮与驱动器联接以提供输入，主动轮上的线齿有一条或多条；主动轮的线齿和从动轮的线齿通过点接触啮合；从动轮与输出端联接以提供运动或力的输出，从动轮上的线齿为具有变传动比性质的线齿：在一个运动周期内，存在多个传动比，不同传动比之间可进行平稳过渡，从而产生周期性变传动比的传动。

2.根据权利要求1所述的变传动比线齿轮机构，其特征在于：主动轮的线齿上用于啮合的接触线为圆柱螺旋线；从动轮的线齿分为等传动比部分和变传动比部分，线齿上的用于啮合的接触线的方程有两种，一种为实现等传动比的等传动比方程，另一种为实现变传动比的变传动比方程。

3.根据权利要求2所述的变传动比线齿轮机构，其特征在于：所述机构在传动过程中，变传动比方程能使线齿轮的传动比从一个值平稳变到另一个值，即传动比函数的导数值由0开始增大或减小到某一个值，再平稳回到0。

4.根据权利要求3所述的变传动比线齿轮机构，其特征在于：所述变传动比方程确定如下：O-xyz为空间上任意固定笛卡尔坐标系，O为O-xyz坐标系原点，x、y、z是O-xyz坐标系的三个坐标轴，笛卡尔坐标系O_p-x_py_pz_p根据坐标系O-xyz位置进行确定，x_pO_pz_p平面与xOz平面在同一平面内，坐标原点O_p到_z轴的距离为a，O_p到x轴的距离为b，_z轴与z_p轴之间的夹角为(π-θ)，θ为主、从动轮角速度矢量的夹角，0°≤θ≤180°，坐标系O₁-x₁y₁z₁和O₂-x₂y₂z₂分别为固定在主动轮和从动轮上的坐标系，传动时主动轮和从动轮各自绕着_z轴和z_p轴转动，且主动轮与从动轮起始啮合处为起始位置，在起始位置，坐标系O₁-x₁y₁z₁和O₂-x₂y₂z₂分别与坐标系O-xyz及O_p-x_py_pz_p重合，在任意时刻，原点O₁与O重合，z₁轴与_z轴重合，原点O₂与O_p重合，z₂轴与z_p轴重合，主动轮以匀角速度ω₁绕_z轴旋转，主动轮角速度方向为_z轴负方向，主动轮绕_z轴转过的角度为从动轮以匀角速度ω₂绕z_p轴旋转，从动轮角速度方向为z_p轴负方向，从动轮绕z_p轴转过的角度为则若主动接触线在坐标系O₁-x₁y₁z₁上的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_M^{\left(1\right)}=m\cos t\\ y_M^{\left(1\right)}=m\sin t\\ z_M^{\left(1\right)}=n\mathrm{\&pi;}+nt\end{array}\right.,\left(-\mathrm{\&pi;}\&le;t\&le;-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\right),$

则，变传动比接触线的方程为：

其中，A和C由方程和确定，m为主动轮接触线的螺旋半径，n为主动轮接触线与螺距相关的参数，若螺距为p，则定义：t为参变量，表示主动轮一条线齿的接触线为圆周的螺旋线，当t＝-π时，主动轮和从动轮线齿开始啮合，当时，主动轮转过圆周，主动轮和从动轮线齿啮合到末端，开始脱离；i_a和i_b为其中某段变化过程前后的两个传动比；和为变传动比过程中，主动轮某线齿在传动时的起始和终止角度，比如当 $-\mathrm{\&pi;}<t<-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}$ 时，