CN106337924B - 柔性关节机构 - Google Patents

Abstract

一种轴向弹性的碟齿及其柔性动力输入关节机构，其机构主要由动力、机架、齿轮轴、专用齿轮、过度套盘、圆顶内齿、碟齿托架等构成；关节主要由碟齿、套盘、蜗轮式刚齿组成，关节中的碟齿是轴向弹性的齿轮，主其要由安装肋、内外缓冲肋板、辐条、内齿构成；由碟齿构成的柔性关节能将动力轴的动力变向传递给从动轴。

Description

柔性关节机构

技术类型

本发明涉及一种机械机构，是由轴向弹性的齿轮构建的柔性关节。

技术背景

目前，常见的机械或机构的齿轮传动方式，多为刚性对接式的啮合输入，要求两轴平行，否则两轴间会产生除正常啮合推挤之外的线性推力，使从动轴及相关的机构扭转位移，影响机械的正常运行，同时也制约力从动轴的灵活性。

发明内容

本柔性关节机构，是在刚性齿轮啮合的基础上，改变其中一个齿轮的齿根圆与轴孔之间辐板的刚度，增强其局部的径向弹性而实现的。本机构能有效消除上述啮合机构的不足。

本柔性关节机构主要由动力机架、陀螺架、副架、专用齿轮组等构成(图2、图3)。柔性传动是本机构的核心，是主要由轴向弹性的碟齿构成，具变轴向动力传递能力。

旋转动力经固定的主机架(简称定架)、陀螺架、具旋摆自由度的副机架(简称动架)的传递过度，形成从动轴的旋摆能力。

外部的横向旋转架(18)和内部的纵向旋转架(19)构成的陀螺架(图3)；陀螺架的横轴安装在固定筒(17)上，固定筒安装在主机架(10)上。

齿轮轴分定齿轮轴(简称定轴)和旋摆齿轮轴(简称动轴)，定轴安装在柔性连接机构之前的定架上，动轴安装在柔性连接机构之后前的旋摆式机架上。

专用齿轮组，是指由轴向弹性的齿轮(简称碟齿)、蜗轮式刚性齿轮(简称刚齿)啮合组成的，主要用于动力传递的柔性过度，允许从动轴灵活变向和微量位移。

定轴下端设过度套盘(简称套盘)，套盘内安装碟齿，碟齿的内套接齿数和径向尺寸与之相等的刚齿，刚齿是带动设于动架动轴上的蜗轮式齿轮。

碟齿由内外缓冲板、辐条、内齿和安装肋组成(图1)，安装肋用以与套盘链接，内齿用以与刚齿啮合，辐条连接内外缓冲肋板并起轴向弹性变形作用，缓冲肋板作为弹性区和刚性区的过度，避免辐条根部的应力集中。

碟齿的轴向弹性变形，可允许两个不同轴线的动力与轴从动轴对接传力。碟齿的内齿处于蜗轮式刚齿中心平面上(径向尺寸最小)，在刚齿随轴旋摆时，碟齿能产生相对刚齿平面的上下滑动并同时产生轴向弹性变形，以削减碟齿对刚齿产生的垂直于刚齿平面的倾翻力矩。同时，蜗轮式刚齿圆弧形的内凹齿面能将碟齿限制在其中心平面与弧形齿面的交点处(即圆弧轮齿的中心)，避免碟齿因自重下垂变形而脱离中心平面而形成倾翻力矩。碟齿的内齿端面可由刚性且圆顶内齿替代，形成相对动轴轴向位置固定的连接，由辐条缓解从动轴旋摆对蝶齿的影响。

因碟齿辐条的长度越大，其轴向弹性变形能力越强，为此可将辐条切割成由外及里盘旋的弧形辐条，以增加其长度；采用盘旋辐条的碟齿应由两片(以上)正反盘旋的碟片组合而成，以相互补偿辐条由直变弯造成的齿轮平面的稳定性。

将上述的两片碟片组成及弧形辐条的碟齿的含义稍加延伸，即可形成双片连体构成的碟簧轴向弹性连接件(图4)，即将两片锥状的碟片的外缓冲板固连，同时将上片的内齿部分替换成连接套筒并与定轴固连，将下片的内齿部分也替换成连接套筒并与动轴固连，由此也可形成轴向弹性变形的机构。同样的，在采用盘旋辐条增加辐条长度时，也需采用正反盘旋的碟片组合。

在辐条长度或自重较大时，容易造成水平碟齿中心部位的下垂，在辐条中间部位设置环形托架，可有效解决下垂问题(图3)。

附图说明

统一代号：1代表安装肋；2代表缓冲边；3代表弹性辐条；3.1代表圆顶内齿；4代表啮合线；5代表刚齿；6代表缓冲芯边；7代表切割缝或间隙；8代表动力套盘；9代表动力源；10代表主机架；11代表动力轴；12代表刚齿组装线；13代表轴承安装架；14代表付架；15代表轴承；16代表其他机构齿轮；17代表安装陀螺架的固定筒；

18代表外部的横向旋转架；19代表内部的纵向旋转架；20代表其他动力轴；21代表固定从动轴。

图1：是表示碟簧齿作为轴向柔性(即轴向弹性力微弱)的关节(连接件)将动力套盘上的动力传递到刚齿上的示意图。关键在于辐条

1代表安装肋，是设在碟簧片外缘上的刚性环状连接件，将碟片与由动力源的动力套筒8固定连接；2是缓冲板，它是碟片由轴向弹性的辐条3过度到刚性的安装肋1的缓冲带；4代表啮合线；5的刚齿；6代表缓冲芯边，7代表将切割缝或间隙，形成碟片的轴向弹性变形能力；采用弧线形割缝(或辐条间隙)，目的在于增加辐条长度，争强轴向弹性变形能力。

碟齿的性能关键在于辐条，越长越细其轴向弹性变形能力越强，但将平板切割成弧线状的辐条后削弱了碟片的平面稳定性，故需将至少两片盘旋方向相反的碟片叠合在一起(相邻碟片之间仍保留一定间隙)才能有效补偿其平面稳定性的损失。

图2：是由碟齿为主要传力构件构成的柔性关节的示意图。

表示动力轴11安装在主机架10上，齿轮9将动力源的动力源的动力传递到轴11上，再经与动力轴11固定连接的动力套盘8将动力传递到碟齿(由图1中的1、2、3组成)上，碟齿通过内齿(本图在碟片中心以圆形齿顶的内齿环)与刚齿相咬合，将动力传递到从动轴22上。14代表安装从动轴22的机架(即付架)，13代表连接付架14和从动轴22的安装架，15代表轴承，是由方框和交叉线组合的(其他各图均同此)。

将从动轴的双轴承替换成一个球形座轴承后，从动轴21会产生微量的旋摆，但经柔性关节的传递连接后仍能正常工作。

图3：是柔性关节的应用实例。

表示即便是从动轴22处于摆动的不稳定状态(摆心需在刚齿中心，即图中两条虚线的交点处)，碟齿(本图以辐条3代表碟齿构件)也能作为柔性关节将11的动力同步传递到22上。

本图中左右两边的源动力轴20，是与动力齿轮9啮合传力的示意，至少必须得轴20与轴11平行才能有效运转；轴22通过碟齿与动力轴11连接，设在外部的横向旋转架18(横轴)和内部的纵向旋转架19(纵轴)构成的陀螺架；陀螺架的中心，属于以构件14和轴22共同的复摆摆心，虽轴22的轴线方向不定，但通过柔性关节即可解决传力问题。23代表托架。

图4：是碟齿柔性关节的延伸变形，是将两锥状碟片的外缓冲板相连成，形成枣核状的立体构造，同时将内缓冲板变成连接件上接动力轴、下接从动轴，从而省略了动力套盘和托架等构件，简化了机构。

具体实施方式

选择图2中所示的机构，按图1所示的碟齿的碟片。

一、制作碟齿

1、制作碟片：

a.选一块弹簧钢板割成2片圆环；

b.采用激光切割等方式将圆环的中部切割成图1所示的渐开线或其他弧线类型，将中间分割成若干盘旋状的辐条；

c.将2片圆环的内孔切割成内齿(本例不选用圆头芯齿)。

2、碟齿制作：

a.先制作一内径与碟片外径等大的刚性圆环，作为碟齿的安装肋；

b.将2碟片按渐开线的盘旋方向一反一正叠置并固定，两片中间留有一定间隙，以使两碟片的轴向弹性变形能力互不影响；

c.将已叠置固定的碟片固定安装在a中所说的刚性圆环的中部高度位置。

至此，碟齿制作完竣。

二、制作关节及构件

1、制作动力轴、从动轴；

2、制作与动力轴、从动轴相适应的两机架；

3、制作动力套盘。用圆钢车制一圆盘状筒体，内高同碟齿安装肋的高度；内孔同动力轴尺寸。

4、制作从动轴上的组合刚齿，制作两个等高的厚壁圆环，内径同从动轴，外径大于或等于碟齿的齿顶圆，高度略小于安装肋的高度；

分别以两环的高度中心为蜗轮的中心平面，铣制中心平面齿根圆等于碟齿齿根圆的蜗轮毛坯；在蜗轮的中心平面位置，将其中一个蜗轮毛坯车成下半部套筒(参图2)，将一个蜗轮毛坯车成与之套接的带凸出轴筒的蜗轮的上半部；使两则合成后又能成为一个完整的蜗轮，试装后拆开备用；

5、将动力轴装到主机架上，再将动力齿轮、动力碟盘装到动力轴上，形成动力输出机构；

将从动轴安装到安装架上，再将安装架安装到付架上；先将下半蜗轮安装在从动轴上，再将碟齿套在下半蜗轮的心平面位置上，最后将蜗轮的上半部安装在从动轴上，并固定上下半蜗轮之间、蜗轮与从动轴之间；

6、制作一块共用机架(平板)，将2中所述的两机架分别按上，并使两轴孔略有偏移，造成不同轴；测试后，先撤下从动机构，等碟齿安装肋与动力托盘连接后再固定；

7、将组装好的从动机构就位，将碟齿安装肋置入动力托盘并固定；然后固定从动机构；

8、将电机与动力齿轮结合使动力轴转动，观察从动轴的输出及响应时间。

Claims (2)

1.一种柔性关节机构，其特征在于：关节主要由主机架、陀螺机架、副机架、专用齿轮副构成；主机架上设有引入动力的传动机构，中间的动力轴设有套盘，碟齿通过安装肋与套盘固定连接而获得动力；专用齿轮副中的蝶齿是轴向弹性的齿轮，由安装肋、内外缓冲肋板、辐条、内齿构成，是通过改变齿根圆与轴孔之间辐板的刚度形成的；陀螺机架主要由外部的横轴旋转架和内部的纵向旋转架构成，两旋转架的旋转轴线垂直相交，横轴旋转架安装在固定筒上，固定筒安装在主架上；纵向旋转架下方设副架和轴承安装架安装从动轴；从动轴上固定安装刚齿，刚齿中心位于陀螺机架中心；碟齿、刚齿构成关节的柔性传动，能将动力轴的动力变向传递给从动轴；刚齿的齿顶呈圆弧状；蝶齿驱动刚齿旋转，刚齿带动从动轴以陀螺机架中心为摆心运动。

2.如权利要求1所述的柔性关节机构，其特征在于：关节是将组成碟齿的两片碟片做成锥形体，再将两片锥状的碟片的外缘冲板固连，同时用上片的内齿部分与定轴固连，用下片的内齿部分与动轴固连，由此形成的具轴向弹性变形能力的关节。

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