CN106438972A - 一种可调节齿轮间隙的关节 - Google Patents

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Abstract

一种可调节齿轮间隙的关节，它涉及一种关节，具体涉及一种可调节齿轮间隙的关节。本发明为了解决现有齿轮间隙调节机构结构复杂，体积庞大，调整操作麻烦的问题。本发明的盖板通过固定螺钉与关节外壳上的滑槽连接，所述主动齿轮输入组件和所述从动齿轮输出组件并排设置在关节外壳内，所述主动齿轮输入组件的上端穿过盖板与主动齿轮连接，从动齿轮与所述从动齿轮输出组件连接，主动齿轮与从动齿轮啮合，螺旋测微仪通过螺旋测微仪上支撑和螺旋测微仪下支撑与关节外壳连接，且螺旋测微仪与所述主动齿轮输入组件紧贴。本发明属于航空航天领域。

Description

一种可调节齿轮间隙的关节
技术领域
本发明涉及一种关节，具体涉及一种可调节齿轮间隙的关节，属于航空航天领域。
背景技术
随着航天工程的不断发展，航天机构以及其它各种机械机构不断向轻质、高速、精密方向发展，对于运动精度、运行稳定性、可靠性和使用寿命的要求越来越高。尤其对于我国载人航天、深空探测等国家重大专项任务而言，高可靠性、长寿命的航天机构是必不可少的。
间隙在实际机构中是不可避免的，也是非常必要的。间隙的存在对于机构的运动精度和运行稳定性都有显著影响。同时，由于间隙的存在，还会导致间隙处构件之间的接触碰撞，进而引发振动和噪声，成为影响机构系统可靠性和使用寿命的隐患。对于航天机构而言，由于在空间微重力环境中，缺少了重力约束，间隙对系统运动精度和运行稳定性的影响更为显著。因此，机构间隙已经成为机构动力学研究与分析时所必须考虑的因素。
空间机械臂系统中驱动关节为最重要的部分，目前在航天器中所用的驱动机构绝大部分是由齿轮系统组成的。大型空间机械臂关节主要由多级新型齿轮减速器组成，其基本的传动由齿轮啮合完成，所以研究含间隙双齿轮啮合的基本规律，是研究大型空间机械臂间隙影响的基础。为研究标准渐开线直齿圆柱齿轮的间隙对机构动力学相应的影响，设计出了可连续调节齿轮间隙的齿轮中心调节机构。
相对于含间隙机构的理论研究，国内外学者对于含间隙机构的试验研究较少。主要原因是齿轮间隙较小，几乎不可能在不改变原有结构的基础上安装位移或力传感器，以至于含间隙机构的动态响应比较难以直接测量。目前已有的齿轮间隙调节有些结构复杂，过于庞大，有些调整操作麻烦，尤其是一些复杂的齿轮啮合传动机构，此问题更为突出。
发明内容
本发明为解决现有齿轮间隙调节机构结构复杂，体积庞大，调整操作麻烦的问题，进而提出一种可调节齿轮间隙的关节。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括盖板、至少一个固定螺钉、螺旋测微仪、螺旋测微仪上支撑、螺旋测微仪下支撑、主动齿轮、从动齿轮、主动齿轮输入组件、从动齿轮输出组件和关节外壳，盖板通过固定螺钉与关节外壳上的滑槽连接，所述主动齿轮输入组件和所述从动齿轮输出组件并排设置在关节外壳内，所述主动齿轮输入组件的上端穿过盖板与主动齿轮连接，从动齿轮与所述从动齿轮输出组件连接，主动齿轮与从动齿轮啮合，螺旋测微仪通过螺旋测微仪上支撑和螺旋测微仪下支撑与关节外壳连接，且螺旋测微仪与所述主动齿轮输入组件紧贴。
本发明的有益效果是：1、本发明通过调节两齿轮中心距的方式间接调整齿轮间隙，且可用螺旋测微仪直接测量得到中心距变化量，然后计算得出齿侧间隙。齿侧间隙与中心距变化量的关系由理论推导得出，验证了该方法的正确性以及可行性；2、本发明采用独特的设计，在从动齿轮与臂杆连接件上装置力矩传感器，通过连接件的扭矩变化来反映含间隙机构的末端动态响应；3、本发明在关节外壳处设计的一个与齿轮中心线平行的滑道，主动轮输入组件可以沿该滑道连续平移并固定于关节外壳。以滑道的形式连续调节两齿轮中心距，进而实现齿轮间隙的连续调节。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明盖板处结构的局部放大图，图3是本发明螺旋测微仪处结构的局部放大图，图4是主动齿轮输入组件的结构示意图，图5是从动齿轮输出组件的结构示意图，图6是实施例一转速为15°/s、间隙为1.013mm时从动齿轮输出力矩数据图表示意图，图7是实施例一转速为15°/s、间隙为1.013mm时负载x方向加速度数据图表示意图，图8是实施例一转速为15°/s、间隙为1.013mm时负载y方向加速度数据图表示意图，图9是实施例一转速为15°/s、间隙为1.013mm时负载z方向加速度数据图表示意图，图10是实施例一转速为15°/s、间隙为2.008mm时从动齿轮输出力矩数据图表示意图，图11是实施例一转速为15°/s、间隙为2.008mm时负载x方向加速度数据图表示意图，图12是实施例一转速为15°/s、间隙为2.008mm时负载y方向加速度数据图表示意图，图13是实施例一转速为15°/s、间隙为2.008mm时负载z方向加速度数据图表示意图，图14是标准渐开线直齿圆柱齿轮中心距改变齿侧间隙的规律示意图，图15是标准渐开线直齿圆柱齿轮啮合部分示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种可调节齿轮间隙的关节包括盖板1、至少一个固定螺钉2、螺旋测微仪3、螺旋测微仪上支撑4、螺旋测微仪下支撑5、主动齿轮6、从动齿轮7、主动齿轮输入组件、从动齿轮输出组件和关节外壳8，盖板1通过固定螺钉2与关节外壳8上的滑槽8-1连接，所述主动齿轮输入组件和所述从动齿轮输出组件并排设置在关节外壳8内，所述主动齿轮输入组件的上端穿过盖板1与主动齿轮6连接，从动齿轮7与所述从动齿轮输出组件连接，主动齿轮6与从动齿轮7啮合，螺旋测微仪3通过螺旋测微仪上支撑4和螺旋测微仪下支撑5与关节外壳8连接，且螺旋测微仪3与所述主动齿轮输入组件紧贴。关节外壳8主要包括保证关节构型的支撑部件、关节与外部连接的连接件和气足。
具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种可调节齿轮间隙的关节的主动齿轮输入组件包括减速器9、伺服电机10和主动齿轮输入组件11，主动齿轮输入组件11通过减速器9与伺服电机10的转动轴连接，主动齿轮6套装在主动齿轮输入组件11上，螺旋测微仪3紧贴减速器9。伺服电机10、减速器9、主动齿轮6与关节外壳8固定组成了本发明的中心距调节机构。并能通过螺旋测微仪3测量主动齿轮6中心距的变化量，主动齿轮输入组件11可以沿滑道8-1连续平移并固定于关节外壳8上，主动齿轮6中心距的变化量可由螺旋测微仪3进行测量得到。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种可调节齿轮间隙的关节的从动齿轮输出组件包括力矩传感器12和臂杆连接件13，从动齿轮7套装在力矩传感器12的输入轴上，臂杆连接件13与力矩传感器12的输出轴连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
工作原理
当需要调节中心距时，将固定螺钉2拧松，移动减速器，然后将固定螺钉2拧紧。螺旋测微仪3通过测微仪上支撑4和测微仪下支撑5固定于关节外壳8上，并与减速器9紧贴，用于测量齿轮传动中心距的变动量。
实施例一：
选择8模20齿的标准渐开线直齿圆柱齿轮，其齿厚为20mm，通过上述齿侧间隙公式可知，这种关节条件下的间隙可调范围可达到0～2mm，而工程实际的间隙远小于这个范围，同时对于理论研究来说这个可调范围足够满足要求。机械臂的单段长度为1000mm，即从一个从动轮转动中心到相邻的下一个臂杆转动中心的距离，其中包括关节外壳的长度为200mm，臂杆长度为800mm。
将基座部分固定在长方形铁架台的中间部分，使得臂杆在尽可能大的范围内运动，机械臂部分完全在气浮平台上运动。适当调整气足的位置，使气足在通气的状态下完全承受关节的重力。主动轮在控制系统下做往复摆动运动，摆动的幅角为45°，控制谐波齿轮减速器的输出转速分别为15°/s、25°/s，并调整齿轮的中心距分别为1mm、2mm，因此共4种工况。测试系统测量单关节系统中的从动轮输出力矩、负载端三个方向的加速度，每种工况共4组数据。
试验数据如下：
1、转速为15°/s，间隙为1.013mm
2、转速为15°/s，间隙为2.008mm
从单关节机械臂气浮试验系统的初步测试结果可以看出，试验机构可根据需要对关节中的间隙进行调整，控制系统可根据需要控制关节中主动轮的转速，测量系统可以实时反馈试验机构中的相关加速度参数和力矩参数，供气辅助系统能够提供持续的高压气体保证试验机构处于微重力状态。该齿轮间隙调节机构能调节齿轮间隙最大到2mm，且能实现齿轮间隙的连续调节，满足含间隙单关节机构动力学的研究要求。该机构不仅能应用于研究含间隙双齿轮啮合的基本规律，该机构形式还可以用于更复杂机构的动力学特性的研究。
为研究不同关节间隙情况下机械臂动力学响应的变化规律，首先要确定的是关节间隙如何可调，而且间隙的调整尽量不影响试验机构的动力学属性，同时还要具有间隙的连续可调和实验的可重复性；标准渐开线直齿圆柱齿轮中心距改变齿侧间隙的规律如图14所示:；接下来证明改变相互啮合两齿轮的中心距，即可得到连续变化的齿侧间隙；如图15所示，为单对标准渐开线直齿圆柱齿轮啮合部分的数学模型，选取两齿轮轮齿在工作面发生接触且啮合点恰好位于齿轮中心连线时的特殊状态，以便分析齿侧间隙。
数学模型中各个点的定义为：P点为两齿轮轮齿的啮合点，N为主动轮轮齿齿廓与非工作面啮合线的交点，M为从动轮轮齿齿廓与非工作面啮合线的交点，J点为主动轮轮齿齿廓与主动轮节圆的交点，K点为从动轮轮齿齿廓与从动轮节圆的交点。Nd′为非工作面啮合线与主动轮基圆的切点，Np′为非工作面啮合线与从动轮基圆的切点。将各个点与其相应的齿轮圆心相连，以便后续对各个角度的定义。
则齿轮的法向齿侧间隙可表示为
齿轮的周向齿侧间隙可表示为
数学模型中各个角度的定义为：α′为P点在主动轮和从动轮中的压力角，即齿轮节圆上的压力角，两齿轮在该位置的压力角相等；αN为N点在主动轮中的压力角，αM为M点在从动轮中的压力角；ΦJ-P为主动轮齿槽宽度角，ΦK-P为从动轮的齿厚宽度角；ΦJ-N为主动轮齿廓上J点与N点展成角的差，ΦK-M为从动轮齿廓上K点与M点展成角的差。
推导可得齿轮轮齿法向齿侧间隙和周向齿侧间隙的表达式如下：
由这两个公式可以看出，法向齿侧间隙Cn和周向齿侧间隙Cc只与两个齿轮的标准中心距A0、标准压力角α0和实际中心距A有关。而且，当单对标准渐开线齿轮传动的传动形式固定的时候，标准中心距和标准压力角为常数。所以，当标准渐开线直齿圆柱齿轮主动轮齿数zd、从动轮齿数zp和齿轮模数m确定的时候，齿轮传动的法向齿侧间隙Cn和周向齿侧间隙Cc只与两齿轮的实际中心距A有关，且为一一对应的关系。由于在推导过程中没有用到齿轮参数的具体数值，所以最后推导得到的齿侧间隙关系式可以用于各种标准啮合的齿轮传动。
采用8M20齿的标准渐开线直齿圆柱齿轮时，带人上述公式可得出齿侧间隙Y随着中心距变化量X变化的曲线关系。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可调节齿轮间隙的关节，其特征在于：所述一种可调节齿轮间隙的关节包括盖板(1)、至少一个固定螺钉(2)、螺旋测微仪(3)、螺旋测微仪上支撑(4)、螺旋测微仪下支撑(5)、主动齿轮(6)、从动齿轮(7)、主动齿轮输入组件、从动齿轮输出组件和关节外壳(8)，盖板(1)通过固定螺钉(2)与关节外壳(8)上的滑槽(8-1)连接，所述主动齿轮输入组件和所述从动齿轮输出组件并排设置在关节外壳(8)内，所述主动齿轮输入组件的上端穿过盖板(1)与主动齿轮(6)连接，从动齿轮(7)与所述从动齿轮输出组件连接，主动齿轮(6)与从动齿轮(7)啮合，螺旋测微仪(3)通过螺旋测微仪上支撑(4)和螺旋测微仪下支撑(5)与关节外壳(8)连接，且螺旋测微仪(3)与所述主动齿轮输入组件紧贴。
2.根据权利要求1所述一种可调节齿轮间隙的关节，其特征在于：所述主动齿轮输入组件包括减速器(9)、伺服电机(10)和主动齿轮输入组件(11)，主动齿轮输入组件(11)通过减速器(9)与伺服电机(10)的转动轴连接，主动齿轮(6)套装在主动齿轮输入组件(11)上，螺旋测微仪(3)紧贴减速器(9)。
3.根据权利要求1所述一种可调节齿轮间隙的关节，其特征在于：所述从动齿轮输出组件包括力矩传感器(12)和臂杆连接件(13)，从动齿轮(7)套装在力矩传感器(12)的输入轴上，臂杆连接件(13)与力矩传感器(12)的输出轴连接。
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