CN105587830B - 一种智能自适应少齿差行星传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及少齿差行星传动领域，特别是涉及一种对工作负载实现智能自适应的少齿差行星传动装置。包括左行星轮、右行星轮、左端盘、右端盘、壳体和连接构件所述连接构件的一端沿轴向穿过所述左行星轮和右行星轮，且连接构件两端的端部分别与所述左端盘和所述右端盘固连，所述左行星轮同时与左端盘和壳体上的齿廓啮合，所述右行星轮同时与右端盘和壳体上的齿廓啮合，所述左行星轮、右行星轮、左端盘、右端盘和壳体形成力封闭机构。本发明通过左行星轮、右行星轮、左端盘、右端盘和壳体形成的力封闭机构使得该传动装置可以根据负载的变化自动无级调整传动比和输出转速，无需依赖测控系统，结构简单、成本低。

Description

一种智能自适应少齿差行星传动装置

技术领域

本发明涉及少齿差行星传动领域，特别是涉及一种对工作负载实现智能自适应的少齿差行星传动装置。

背景技术

少齿差行星传动由于具有传动比大、体积小、传动效率高和承载能力大等优点，已经在冶金、矿山、机器人、航空航天和武器装备等领域得到广泛应用。现有的少齿差行星传动的传动比均为定值，当工作负载发生变化需要调整输出转速以保证设备的最佳运行状态时，一般是通过电气控制方式调节驱动装置的转速以适应变化，该方式主要依靠测量和控制，导致系统结构复杂、成本高。而自适应机构是一种无需通过测控，仅依靠自身的结构特性实现对外部变化工作条件的自动适应调整，并可靠地完成预期的工作要求。目前的自适应机构主要有一些由连杆结构和普通齿轮组成的加压装置、夹持器和机械手爪等，缺乏一种可以实现自适应的少齿差行星传动装置。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种智能自适应少齿差行星传动装置，用于解决现有技术中的传动装置需要通过测控系统进行适应调节、传动装置本身无法根据负载变化自动调整输出转速、结构复杂、成本高等缺陷。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种智能自适应少齿差行星传动装置，包括左行星轮、右行星轮、左端盘、右端盘、壳体和连接构件，所述连接构件的一端沿轴向穿过所述左行星轮和右行星轮，且连接构件两端的端部分别与所述左端盘和所述右端盘固连，所述左行星轮同时与左端盘和壳体上的齿廓啮合，所述右行星轮同时与右端盘和壳体上的齿廓啮合，所述左行星轮、右行星轮、左端盘、右端盘和壳体形成力封闭机构。

本发明通过左行星轮、右行星轮、左端盘、右端盘和壳体形成的力封闭机构使得该传动装置可以根据负载的变化自动无级调整传动比和输出转速，无需依赖测控系统，结构简单、传动效率高、成本低。

进一步，还包括输入轴和输出轴，所述输入轴通过第一端面轴承支撑在右端盘上，且所述输入轴通过转臂轴承与右行星轮传动连接，所述输出轴通过第一端面轴承支撑在左端盘上，且所述输出轴通过转臂轴承与左行星轮传动连接。

进一步，所述转臂轴承和所述第一端面轴承之间设有隔离套筒。

进一步，所述壳体、所述左行星轮和所述右行星轮均为双联齿轮。

进一步，所述左行星轮和所述右行星轮上的双联齿轮的偏心方向均相差180°。

进一步，所述左端盘和所述右端盘的齿轮齿廓设置在端面上。

进一步，所述左行星轮和所述右行星轮的双联齿轮均为外齿轮，设置在所述左端盘和所述右端盘端面上的齿轮均为内齿轮；或所述左行星轮与左端盘啮合的齿轮、所述右行星轮与右端盘啮合的齿轮均为内齿轮，设置在所述左端盘和所述右端盘端面上的齿轮均为外齿轮。

进一步，所述连接构件为联结柱销，所述联结柱销的一端沿轴向穿过左行星轮和右行星轮，且所述联结柱销的两端分别与左端盘和右端盘固连。

进一步，所述左端盘和所述右端盘分别通过第二端面轴承支撑在所述壳体的内齿轮上。

进一步，所述力封闭机构上的各齿轮的齿数关系为：

(z₁z₂₃-z₂₁z₃₂)(z₄-z₅₄)(z₅₄+z₅₃)＝(z₄z₅₃-z₅₄z₃₅)(z₁-z₂₁)(z₂₁+z₂₃)；

z₃₂＝z₁-z₂₁+z₂₃；

z₃₅＝z₄-z₅₄+z₅₃；

其中，z₁为右端盘上的齿轮的齿数，z₂₁为右行星轮上与右端盘啮合的齿轮的齿数，z₂₃为右行星轮上与壳体啮合的齿轮的齿数，z₃₂为壳体上与右行星轮啮合的齿轮的齿数，z₃₅为壳体上与左行星轮啮合的齿轮的齿数，z₄为左端盘上的齿轮的齿数，z₅₃为左行星轮上与壳体啮合的齿轮的齿数，z₅₄为左行星轮上与左端盘啮合的齿轮的齿数。

如上所述，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)该传动装置在驱动装置转速和扭矩保持变化的情况下，可以根据工作负载的变化自动调整传动比和输出转速；

(2)该传动装置的自适应仅依靠自身的机构特性实现，不依赖于测控系统，结构简单、成本低、可靠性高；

(3)该传动装置的传动比是连续变化的，转速调整方式为无级变速，可以实现平稳传动；

(4)该传动装置具有过载自保护功能，当工作负载超过最大输出负载时，输出轴将停止旋转停机，同时驱动装置的转速和扭矩均保持不变，实自动保护；

(5)该传动装置具有自恢复功能，装置由于过载自动停机后，当工作负载又小于最大输出负载时，可自动恢复运行实现正常传动。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的转速——扭矩图；

图3为本发明实施例的传动比——扭矩图；

图4为本发明实施例的功率封闭验证图。

零件标号说明

H1 输入轴

H2 输出轴

1 右端盘

2 右行星轮

3 壳体

4 左端盘

5 左行星轮

6 转臂轴承

7 第一端面轴承

8 连接构件

9 螺钉

10 垫片

11 第二端面轴承

12 密封件

13 隔离套筒

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明的智能自适应少齿差行星传动装置包括左行星轮5、右行星轮2、左端盘4、右端盘1、壳体3和连接构件8，其中，左行星轮5、右行星轮2、左端盘4、右端盘1和壳体3形成力封闭机构。还包括输入轴H1和输出轴H2，输入轴H1和输出轴H2上均安装有第一端面轴承7和转臂轴承6，输入轴H1上的转臂轴承6和第一端面轴承7之间设有隔离套筒13，输出轴H2上的转臂轴承6和第一端面轴承7之间设有隔离套筒13，转臂轴承6和第一端面轴承7之间通过隔离套筒13隔开，使得互不干扰有利于正常运行。输入轴H1通过第一端面轴承7支撑在右端盘1上，且输入轴H1通过转臂轴承6与右行星轮2传动连接，输入轴H1通过转臂轴承6驱动右行星轮2。输出轴H2通过第一端面轴承7支撑在左端盘4上，且输出轴H2通过转臂轴承6与左行星轮5传动连接，左行星轮5通过转臂轴承6驱动输出轴H2。其中，本发明中的各齿轮的齿廓曲线无特别限制，可以采用常见的渐开线、摆线针轮等。

连接构件8可以采用联结柱销，如图1所示，连接构件8的一端沿轴向穿过左行星轮5和右行星轮2，且连接构件8一端的端部通过螺钉9和垫片10与左端盘4固定连接，连接构件8另一端的端部也通过螺钉9和垫片10与右端盘1固定连接，通过连接构件8使得左端盘4和右端盘1同步运行。左端盘4上的齿轮齿廓加工在右端面，右端盘1上的齿轮齿廓加工在左端面，左行星轮5和右行星轮2均为双联齿轮，其中，左行星轮5上的两个双联齿轮的偏心方向相差180°，右行星轮2上的两个双联齿轮的偏心方向相差180°。

壳体3的内表面加工有双联内齿轮，壳体3内表面的双联内齿轮分别位于壳体3内表面的左端和右端。左行星轮5同时与壳体3左端的齿廓以及左端盘4上的齿廓啮合，右行星轮2同时与壳体3右端的齿廓以及右端盘1上的齿廓啮合。其中，左行星轮5和右行星轮2的双联齿轮均为外齿轮，设置在左端盘4和右端盘1端面上的齿轮均为内齿轮；或左行星轮5上的双联齿轮中与左端盘4啮合的齿轮为内齿轮，左行星轮5上的双联齿轮中与壳体3内表面啮合的齿轮为外齿轮，右行星轮2上的双联齿轮中与右端盘1啮合的齿轮为内齿轮，右行星轮2上的双联齿轮中与壳体3内表面啮合的齿轮为外齿轮，设置在左端盘4和右端盘1端面上的齿轮均为外齿轮。在本实施例中优选左行星轮5和右行星轮2的双联齿轮均为外齿轮，设置在左端盘4和右端盘1端面上的齿轮均为内齿轮。左端盘4通过第二端面轴承11支撑在壳体3内齿轮的左端上，右端盘1通过第二端面轴承11支撑在壳体3内齿轮的右端上。

其工作过程为：输入轴H1通过转臂轴承6驱动右行星轮2运行，右行星轮2驱动壳体3和右端盘1运行，右端盘1通过连接构件8驱动左端盘4运行，壳体3和左端盘4同时驱动调整左行星轮5的运行情况，左行星轮5通过转臂轴承6驱动输出轴H2运行。通过左端盘4、右端盘1、左行星轮5、右行星轮2和壳体3形成了力封闭机构，使得该传动装置可以根据输入轴H1的负载进行自动调节传动比和输出转速，结构简单、传动效率高，降低了成本。

在本发明中，力封闭机构上的各齿轮的齿数关系为：

(z₁z₂₃-z₂₁z₃₂)(z₄-z₅₄)(z₅₄+z₅₃)＝(z₄z₅₃-z₅₄z₃₅)(z₁-z₂₁)(z₂₁+z₂₃) (1)

z₃₂＝z₁-z₂₁+z₂₃ (2)

z₃₅＝z₄-z₅₄+z₅₃ (3)

其中，z₁为右端盘上的齿轮的齿数，z₂₁为右行星轮上与右端盘啮合的齿轮的齿数，z₂₃为右行星轮上与壳体啮合的齿轮的齿数，z₃₂为壳体上与右行星轮啮合的齿轮的齿数，z₃₅为壳体上与左行星轮啮合的齿轮的齿数，z₄为左端盘上的齿轮的齿数，z₅₃为左行星轮上与壳体啮合的齿轮的齿数，z₅₄为左行星轮上与左端盘啮合的齿轮的齿数。

下面对力封闭机构上的各齿轮齿数满足式(1)、式(2)和式(3)的齿数关系时的工作原理进行详细描述，同时左行星轮5和右行星轮2的双联齿轮均为外齿轮，设置在左端盘4和右端盘1端面上的齿轮均为内齿轮，以便充分理解该技术方案。设M_H1为输入扭矩，M_H2为工作负载扭矩，M_H2max为最大许用工作负载扭矩，ω_H1为输入轴H1的转速，ω_H2为输出轴H2的转速，ω₁、ω₂、ω₃、ω₄和ω₅分别为右端盘1、右行星轮2、壳体3、左端盘4和左行星轮5的转速，r_H1和r_H2分别为输入轴H1的转臂和输出轴H2的转臂的偏心距，r₁为右端盘1上齿轮的节圆半径，r₃₂为壳体3上与右行星轮2啮合的齿轮的节圆半径，r₃₅为壳体3上与左行星轮5啮合的齿轮的节圆半径，r₄为左端盘4上齿轮的节圆半径。

当左端盘4和右端盘1转速为0，即ω₁＝0时，对应的传动比和工作负载为

当壳体转速为0，即ω₃＝0时，对应的传动比和工作负载为

则最大的许用工作负载M_H2max为不足以克服内部零部件之间的摩擦力导致输出转速为0的负载，与和有如下关系

当M_H1≤M_H2≤M_H2max时，传动装置将根据工作负载M_H2自动调整传动比和输出转速，输出轴H2的转速和传动比为

左端盘4和右端盘1的转速为

壳体3的转速为

其中为右端盘1和壳体3的内齿轮之间相对于输入轴H1的传动比，为左端盘4和壳体3内齿轮之间相对于输出轴H2的传动比，分别为

当时，左端盘4和右端盘1的旋转方向将发生变化；当时，壳体3的旋转方向将发生变化；当M_H2＞M_H2max时，为过载区域，理想的输出转速将很小，将不足以克服零部件之间的相互摩擦，实际输出转速将为0，实现自动保护停机。

验证功率是否封闭标准为施加在左右端盘1和壳体3上的虚功率时刻相等，计算式如下

M₁ω₁＝M₃ω₃ (15)

其中M₁为施加在左端盘4和右端盘1上的扭矩

其中M₃为施加在壳体3上扭矩

本发明中右端盘1和左端盘4端面上的齿轮也可以为外齿轮，相应的右行星轮2和左行星轮5的双联齿轮中与其啮合的部分为内齿轮，其原理相同，在此不再赘述。为清楚表明本发明的原理，上述计算式针对的是理想传动装置，未考虑传动损失，考虑传动损失的实际传动装置，只需利用传动效率对上述计算式进行系数修正，其原理相同，在此不再赘述。

以下采用具体的数值进行对本发明的实施方式进行举例说明，但并非局限于以下实施方式。

实施例一：

右端盘1和左端盘4的端面上加工的齿轮为内齿轮，右行星轮2和左行星轮5的双联齿轮均为外齿轮，右端盘1、左端盘3、右行星轮2和左行星轮5上的齿轮的齿廓曲线采用渐开线。

偏心距为

r_H1＝0.5mm，r_H2＝2.5mm

齿数为

z₁＝66，z₂₁＝65，z₂₃＝130，z₃₂＝131，z₃₅＝27，z₄＝14，z₅₃＝26，z₅₄＝13

模数为

m₁＝m₂₁＝m₂₃＝m₃₂＝1mm，m₃₅＝m₅₃＝m₅₄＝m₄＝5mm

输入转速和扭矩为

ω_H1＝100rad/s，M_H1＝50N.m，M_H2max＝1000N.m

则各齿轮的齿数关系如下

(z₁z₂₃-z₂₁z₃₂)(z₄-z₅₄)(z₅₄+z₅₃)＝(66×130-65×131)×(14-13)×(13+26)＝2535

(z₄z₅₃-z₅₄z₃₅)(z₁-z₂₁)(z₂₁+z₂₃)＝(14×26-13×27)×(66-65)×(65+130)＝2535

则有

(z₁z₂₃-z₂₁z₃₂)(z₄-z₅₄)(z₅₄+z₅₃)＝(z₄z₅₃-z₅₄z₃₅)(z₁-z₂₁)(z₂₁+z₂₃)

z₁-z₂₁+z₂₃＝66-65+130＝131＝z₃₂

z₄-z₅₄+z₅₃＝14-13+26＝27＝z₃₅

由上述计算可知，各齿轮的齿数之间的关系满足力封闭条件。

当左端盘和右端盘转速为0，即ω₁＝0时传动比和输出扭矩为

当壳体转速为0，即ω₃＝0时传动比和输出扭矩为

如图2所示的实施例的转速——扭矩图可以看出，当工作负载50N.m≤M_H2≤1000N.m时，为正常工作区域，输出转速根据工作负载的变化自动调整；当M_H2＝235.71N.m时，左端盘4和右端盘1的旋转方向将发生变化；当M_H2＝242.59N.m时，壳体3的旋转方向将发生变化；当M_H2＞1000N.m时，为过载区域，理想的输出转速将很小，考虑到零部件之间的相互摩擦，实际输出转速将为0，实现自动保护停机。如图3所示的实施例的传动比——扭矩图，传动比为连续变化，为无级调速方式传动平稳。如图4所示的实施例的功率封闭验证图，施加在左右端盘和壳体上的虚功率时刻相等，验证为功率封闭结构。

本发明在正常工作区域无需依赖测控系统，仅依靠自身的机构特性，使得输出转速可以根据工作负载的变化自动调整，且调整方式为无级调速，传动平稳；在过载区域，输出转速将为0，自动停机，实现自动保护；由于自动保护时，输入轴的转速和扭矩均保持不变，当工作负载又小于最大输出负载时，传动装置可自动恢复运行实现正常传动。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种智能自适应少齿差行星传动装置，其特征在于，包括左行星轮、右行星轮、左端盘、右端盘、壳体和连接构件，所述连接构件的一端沿轴向穿过所述左行星轮和右行星轮，且连接构件两端的端部分别与所述左端盘和所述右端盘固连，所述左行星轮同时与左端盘和壳体上的齿廓啮合，所述右行星轮同时与右端盘和壳体上的齿廓啮合，所述左行星轮、右行星轮、左端盘、右端盘和壳体形成力封闭机构；

还包括输入轴和输出轴，所述输入轴通过第一端面轴承支撑在右端盘上，且所述输入轴通过转臂轴承与右行星轮传动连接，所述输出轴通过第一端面轴承支撑在左端盘上，且所述输出轴通过转臂轴承与左行星轮传动连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能自适应少齿差行星传动装置，其特征在于，所述转臂轴承和所述第一端面轴承之间设有隔离套筒。

3.根据权利要求1所述的一种智能自适应少齿差行星传动装置，其特征在于，所述壳体、所述左行星轮和所述右行星轮均为双联齿轮。

4.根据权利要求3所述的一种智能自适应少齿差行星传动装置，其特征在于，所述左行星轮和所述右行星轮上的双联齿轮的偏心方向均相差180°。

5.根据权利要求4所述的一种智能自适应少齿差行星传动装置，其特征在于，所述左端盘和所述右端盘的齿轮齿廓设置在端面上。

6.根据权利要求5所述的一种智能自适应少齿差行星传动装置，其特征在于，所述左行星轮和所述右行星轮的双联齿轮均为外齿轮，设置在所述左端盘和所述右端盘端面上的齿轮均为内齿轮；或所述左行星轮与左端盘啮合的齿轮、所述右行星轮与右端盘啮合的齿轮均为内齿轮，设置在所述左端盘和所述右端盘端面上的齿轮均为外齿轮。

7.根据权利要求1所述的一种智能自适应少齿差行星传动装置，其特征在于，所述连接构件为联结柱销，所述联结柱销的一端沿轴向穿过左行星轮和右行星轮，且所述联结柱销的两端分别与左端盘和右端盘固连。

8.根据权利要求1所述的一种智能自适应少齿差行星传动装置，其特征在于，所述左端盘和所述右端盘分别通过第二端面轴承支撑在所述壳体的内齿轮上。

9.根据权利要求1所述的一种智能自适应少齿差行星传动装置，其特征在于，所述力封闭机构上的各齿轮的齿数关系为：

(z₁z₂₃-z₂₁z₃₂)(z₄-z₅₄)(z₅₄+z₅₃)＝(z₄z₅₃-z₅₄z₃₅)(z₁-z₂₁)(z₂₁+z₂₃)；

z₃₂＝z₁-z₂₁+z₂₃；

z₃₅＝z₄-z₅₄+z₅₃；

其中，z₁为右端盘上的齿轮的齿数，z₂₁为右行星轮上与右端盘啮合的齿轮的齿数，z₂₃为右行星轮上与壳体啮合的齿轮的齿数，z₃₂为壳体上与右行星轮啮合的齿轮的齿数，z₃₅为壳体上与左行星轮啮合的齿轮的齿数，z₄为左端盘上的齿轮的齿数，z₅₃为左行星轮上与壳体啮合的齿轮的齿数，z₅₄为左行星轮上与左端盘啮合的齿轮的齿数。