CN108533695B - 一种可调式变齿厚摆线针轮传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种可调式变齿厚摆线针轮传动装置，它包括壳体、端面轴承、曲轴、针齿和针齿壳，还包括变齿厚摆线轮和弹簧，变齿厚摆线轮的轮廓面为锥形面；变齿厚摆线轮中心孔与曲轴的偏心轴段组合装配，曲轴两端对应装入壳体中心孔和针齿壳中心孔的轴承上，针齿放置于针齿壳内的针齿槽，针齿同时与变齿厚摆线轮和针齿壳的针齿槽接触，弹簧套装在曲轴上，变齿厚摆线轮由弹簧轴向预紧。本发明具有以下技术效果：不需对变齿厚摆线轮进行齿廓修形，且能够使摆线针轮传动装置中所有针齿都与摆线轮保持接触，实现无侧隙啮合，零回差，还能够自动消除因工作磨损造成的齿侧间隙；同时变齿厚摆线轮有一半的轮齿参与啮合承力，显著提高了承载能力和传动精度。

Description

一种可调式变齿厚摆线针轮传动装置

技术领域

本发明属于精密减速器，具体涉及一种摆线针轮传动装置。

背景技术

摆线针轮传动装置是一种利用摆线齿轮和针齿啮合实现运动、动力传递的装置。从几何上看，理想的摆线针轮传动中，摆线齿轮与所有针齿都接触；从力学上看，有一半数目的针齿参与动力传递，因此，摆线针轮传动具有承载能力大、传动精度高、装置体积小等许多优点。目前，摆线针轮传动广泛地应用于工业机器人关节用高精密减速器，比如日本Nabtesc公司的RV减速器就采用了摆线传动。

但是，由于制造误差、摆线轮修形以及工作磨损，实际摆线针轮传动中往往不是所有针齿都能与摆线轮接触，部分针齿与摆线齿轮之间存在间隙，仅有少数针齿与摆线轮相接触来传递动力，导致以下不良情况：(1)这几对相互接触的轮齿承受过大载荷而容易断裂及疲劳失效；(2)间隙产生针齿与摆线轮之间的冲击碰撞，发出噪声，引起振动；(3)间隙降低了摆线针轮传动精度和刚度。

目前，国内外较多学者均采用修形方法解决上述问题。对摆线齿轮的传统修形方法有：移距修形、等距修形、转角修形。许多学者在这三种方法的基础上改进修形方法，例如，何卫东和李力行提出了对摆线齿轮进行负等距与负移距优化组合的修形方法；关天明提出了负移距+正等距修形方法，推导出了摆线齿轮最佳修形量的计算公式；赵博等提出了一种基于单齿无侧隙失配修形理论的抛物线修形方法。这些方法计算修形量复杂，对加工精度要求高，更重要地是，这些方法无法弥补摆线针轮传动过程中因磨损造成的间隙。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题就是提供一种可调式变齿厚摆线针轮传动装置，它不需对变齿厚摆线轮进行齿廓修形，且能够使摆线针轮传动装置中所有针齿都与摆线轮保持接触，理论上能实现严格意义上的无侧隙啮合，零回差，还能够自动消除因工作磨损造成的齿侧间隙；同时变齿厚摆线轮有一半的轮齿参与啮合承力，从而显著提高承载能力和传动精度。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，包括壳体、端面轴承、曲轴、针齿和针齿壳，还包括变齿厚摆线轮和弹簧，变齿厚摆线轮的轮廓面为锥形面；变齿厚摆线轮中心孔与曲轴的偏心轴段组合装配，曲轴两端对应装入壳体中心孔和针齿壳中心孔的轴承上，针齿放置于针齿壳内的针齿槽，针齿同时与变齿厚摆线轮和针齿壳的针齿槽接触，针齿为圆柱型针齿，针齿壳的针齿槽为锥形布置的斜槽，针齿轴线均匀分布于锥形面上，弹簧套装在曲轴上，变齿厚摆线轮与针齿保持接触并由弹簧作用于曲轴进行轴向预紧。

由于本发明将摆线针轮传动装置中的摆线轮改为变齿厚摆线轮，且将针轮平行布置方式改为锥形面布置，并在轴向用弹簧进行预紧，保证无侧隙。所以本发明具有以下技术效果：

不需对变齿厚摆线轮进行齿廓修形，且能够使摆线针轮传动装置中所有针齿都与摆线轮保持接触，实现无侧隙啮合，零回差，还能够自动消除因工作磨损造成的齿侧间隙；同时变齿厚摆线轮有一半的轮齿参与啮合承力，显著提高了承载能力和传动精度。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的结构爆炸图；

图2为本发明的结构装配图；

图3为本发明的变齿厚摆线轮结构图；

图4为本发明的变齿厚摆线轮齿廓曲线成形坐标系(初始位置)图；

图5为本发明的变齿厚摆线轮齿廓曲线成形坐标系(转过ψ角)图；

图6为本发明的变齿厚摆线轮齿廓曲线图；

图7为本发明的变齿厚摆线轮齿廓点集图。

图中：1.壳体；2.端面轴承；3.曲轴；4.弹簧；5.变齿厚摆线轮；6.针齿；7.针齿壳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明包括壳体1、端面轴承2、曲轴3、针齿6和针齿壳7，还包括变齿厚摆线轮5和弹簧4，如图3所示，变齿厚摆线轮5的轮廓面为锥形面；变齿厚摆线轮5中心孔与曲轴3的偏心轴段组合装配，曲轴3两端对应装入壳体1中心孔和针齿壳7中心孔的轴承上，针齿6放置于针齿壳7内的针齿槽，针齿6同时与变齿厚摆线轮5和针齿壳7的针齿槽接触，针齿6为圆柱型针齿，针齿壳7的针齿槽为锥形布置的斜槽，针齿6轴线均匀分布于锥形面上，弹簧4套装在曲轴3上，变齿厚摆线轮5与针齿6保持接触并由弹簧4作用于曲轴3进行轴向预紧。

本发明将摆线针轮传动装置中的摆线轮改为变齿厚摆线轮5，且将针轮6平行布置方式改为锥形面布置，并在轴向用弹簧4进行预紧，保证无侧隙。

现有的摆线轮齿廓为短幅外摆线的等距曲线，根据短幅外摆线成形原理为：半径为r＝2mm的滚圆(发生圆)在半径为R＝26mm的基圆上作纯滚动时，滚圆上一固定点D的轨迹就是短幅外摆线。上述短幅外摆线形成过程滚圆与基圆始终都处于同一个平面内，滚圆与基圆的旋转轴线相互平行，所形成的短幅外摆线为平面短幅外摆线。

如图2所示，将滚圆与基圆的轴线偏转一个角度β，若两轴线以β＝15°角相交，滚圆在基圆上作纯滚动，滚圆上D点所形成的轨迹为一条空间立体的短幅外摆线

为描述该空间短幅外摆线，如图4所示，选择原点O₁与基圆圆心重合，Z₁轴垂直于基圆所在平面，Y₁轴由O₁指向初始位置的滚圆与基圆之间的切点，X₁轴方向按右手系确定，建立与基圆固连的固定坐标系O₁-X₁Y₁Z₁。另外，选择原点O₂与滚圆圆心重合，Z₂轴垂直于滚圆所在平面，X₂轴与X₁轴平行，Y₂轴方向按右手系确定，建立与滚圆固连的运动坐标系O₂-X₂Y₂Z₂。

由图4可知，滚圆上固定点D在坐标系O₂-X₂Y₂Z₂的坐标为：D＝[0；-e；b]，其中e为D点在坐标系O₂-X₂Y₂Z₂中的Y₂坐标绝对值，取e＝1mm；b为D点在坐标系O₂-X₂Y₂Z₂中的Z₂坐标值，b的值可从0到B连续改变形成变齿厚摆线轮齿面，B根据变齿厚摆线轮的齿宽B₀来确定(如图2)，B＝B₀/cosβ。在滚圆沿基圆做纯滚动的过程中，滚圆圆心O₂的轨迹为一个平面圆弧，该圆弧的半径为：Er＝26+2－2×2×sin7.5°×sin7.5°＝27.932mm。图5表示滚圆在滚动一定角度后，滚圆与基圆的位置关系。由圆心固定的两个圆之间(即行星架固定)的纯滚动传动比关系可得滚圆滚动角度ψ与滚圆圆心O₂绕Z₁轴所摆过的角度

满足如下关系：

当基圆固定时，相当于让行星架转动，两圆心不在固定不动，根据转化机构原理，需在其他所有构件上加上一个与基圆相反的角速度，此时，行星架转过角度

(即滚圆圆心O₂绕Z₁轴所摆过角度)，对应的滚圆滚动角度应为

滚圆沿基圆的纯滚动过程可以用下面三个旋转矩阵和一个平移矢量来描述：

[T₂]＝[1,0,0；0,cosβ,-sinβ；0,sinβ,cosβ]

[T₃]＝[cosψ,sinψ,0；-sinψ,cosψ,0；0,0,1]

上式中，首先滚圆沿Z₂轴转过角度

用旋转矩阵[T₁]表示，然后滚圆沿X₂轴转过角度β，使滚圆与基圆轴线产生轴交角β，用旋转矩阵[T₂]表示，最后滚圆沿Z₂轴转过角度ψ用旋转矩阵[T₃]表示。将三个旋转矩阵相乘，再带入D点的坐标即可表示所求空间短幅外摆线：

[T]＝[T₁]×[T₂]×[T₃]

M为滚圆沿基圆滚过角度ψ后在基圆坐标系O₁-X₁Y₁Z₁中的坐标，若令滚圆滚动角度ψ从0°自增到ψ＝2π×R/r即可得到一条完整的空间短幅外摆线。

空间短幅外摆线(即变齿厚摆线轮齿廓曲线)如图6所示，在实际传动中，为了传递动力，将与摆线齿廓啮合的针点用具有一定直径的针齿代替，所以变齿厚摆线轮的实际齿廓曲线是理论齿廓曲线的等距曲线。为了求出理论齿廓曲线的等距曲线，可先求出理论曲线上各点的法向量v，计算过程如下：

V＝M₀-J，

上式中，D₀＝[0；-e；0]，同理，M₀表示滚圆沿基圆滚过角度ψ后D₀点在基圆坐标系O₁-X₁Y₁Z₁中的坐标；J表示D₀点的瞬时滚动中心，所以向量V表示理论曲线上该点的法向量；V(1)、V(2)、V(3)分别为向量V的X₁、Y₁、Z₁坐标，v为V的单位向量。

求出理论曲线上各点的法向量v后，再将理论齿廓每个点分别沿法向量方向平移一个针轮半径的距离rz，即可求出实际齿廓曲线(见图6)：

C＝M-rz×v

上式中，rz为针轮半径，C为M沿理论曲线法向量平移一个针齿半径后在基圆坐标系O₁-X₁Y₁Z₁中的坐标。

将滚圆换成具有厚度的圆柱体，即将b的值从0增加到B，圆柱体与基圆做纯滚动，则圆柱体上过滚圆固定点D的直线的轨迹即为变齿厚摆线轮的齿廓，齿面方程如下：

其中，ψ是滚圆滚动的角度；

是滚圆圆心O₂绕Z₁轴所摆过的角度；β滚圆与基圆轴线产生轴交角，e为滚圆上固定点D的Y₂坐标绝对值；b为D点Z₂坐标值，rz为针轮半径，r为滚圆半径，R为基圆半径。

根据齿面方程按以下步骤即可得实际齿廓齿面点集如图7所示：

1.给定齿厚b的初始值b₀＝0mm，给定滚圆滚动角度ψ的初始值ψ＝0°，带入公式求出

将参数带入齿面方程绘制实际齿面；

2.令滚圆滚动角度ψ自增18°，重复步骤1，直到ψ＝26×180°(即ψ＝2π×R/r)，进入下一步；

3.令齿厚b自增1mm，重复步骤1步骤2，直到b＝5mm，结束。

将齿面点集导入三维建模软件生成变齿厚摆线轮实体模型，该变齿厚摆线轮的特征在于与其相啮合的针齿为圆锥形布置，利用变齿厚摆线轮的锥度，当针齿与摆线轮出现间隙时，摆线轮可以在弹簧力的作用下沿轴向移动，从而自动补偿间隙。

Claims (2)

1.一种可调式变齿厚摆线针轮传动装置，包括壳体(1)、端面轴承(2)、曲轴(3)、针齿(6)和针齿壳(7)，其特征是：还包括变齿厚摆线轮(5)和弹簧(4)，变齿厚摆线轮(5)的轮廓面为锥形面；变齿厚摆线轮(5)中心孔与曲轴(3)的偏心轴段组合装配，曲轴(3)两端对应装入壳体(1)中心孔和针齿壳(7)中心孔内，针齿(6)放置于针齿壳(7)内的针齿槽，针齿(6)同时与变齿厚摆线轮(5)和针齿壳(7)的针齿槽接触，针齿(6)为圆柱型针齿，针齿壳(7)的针齿槽为锥形布置的斜槽，针齿(6)轴线均匀分布于锥形面上，弹簧(4)套装在曲轴(3)上，变齿厚摆线轮(5)由弹簧(4)轴向预紧。

2.根据权利要求1所述的可调式变齿厚摆线针轮传动装置，其特征是：变齿厚摆线轮(5)的齿面方程如下：

式中，ψ是滚圆滚动的角度；

是滚圆圆心O₂绕Z₁轴所摆过的角度；β滚圆与基圆轴线产生轴交角，e为D点Y₂坐标绝对值；b为D点Z₂坐标值，rz为针轮半径，r为滚圆半径，R为基圆半径。

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