CN109027171B

CN109027171B - 一种组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置

Info

Publication number: CN109027171B
Application number: CN201810852012.5A
Authority: CN
Inventors: 游斌弟; 石男强; 郭勇辰; 于香杰; 温晓雷
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2038-07-30
Also published as: CN109027171A

Abstract

本发明涉及一种组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置，包括壳体、轴瓦、输入轴、锁紧螺母一、主动锥齿轮、锁紧螺母二、从动锥齿轮架、轴承挡片、轴承、从动锥齿轮连接架一、从动锥齿轮连接架二、从动锥齿轮连接架三、从动锥齿轮连接架四、活齿架一、活齿架二、活齿架三、活齿架四、端面齿轮、输出轴、槽轮和端面齿轮端盖，其中电机驱动输入轴转动，输入轴通过花键带动主动锥齿轮转动，主动锥齿轮同时驱动四组从动锥齿轮转动，从动锥齿轮架上的从动锥齿轮可以在与主动锥齿轮啮合自转的同时绕着主动锥齿轮的轴线进行公转，最终从输出轴输出旋转运动，本发明与现有技术相比，减小了摩擦损耗，提高了传动精度和传动效率以及齿轮系统整体的传动比。

Description

一种组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置

技术领域

本发明涉及活齿端面谐波齿轮的改良装置，具体的说涉及一种采用组合机构驱动、接触磨损小、承载能力大、传动精度高、传动效率高、寿命长、传递功率范围大的活齿端面谐波齿轮的组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置。

背景技术

航空航天科技发展迅速，对空间机械臂和桅杆机构的承载能力与运动精度提出越来越高的要求。空间机械臂的关节和桅杆机构的展开关节对整个航天系统的运动精度和承载能力起决定性的作用，是其核心部件。关节是实现各种运动的直接执行部件，其由动力源(通常是电机)、传动副(通常是谐波齿轮减速器)、测量元件、线束管理装置、轴系、壳体以及热控组件等部分组成。其中，传动副部件的零部件数目最多，最为复杂，也是影响关节运动精度和承载能力的核心部件。

目前，关节传动副主要采用径向啮合的谐波齿轮传动副，径向啮合的谐波齿轮传动副由固定的内齿刚轮、柔轮和使柔轮发生径向变形的波发生器组成，其传动原理是利用柔性齿轮产生可控制的弹性变形波，引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动。但是这种传动副具有易于疲劳损坏、柔轮和波发生器的制造难度较大、传动比的下限值高，齿数不能太少、承载能力低等缺点，因而不能有效地满足空间机械臂和桅杆关节的需求。而传统活齿端面谐波齿轮是综合现有的端面谐波齿轮传动和活齿传动的优点而发明的一种新型传动装置，能够克服现有的径向啮合谐波齿轮传动中柔轮的变形与其承载能力之间的矛盾，并能增加同时啮合的齿数、加大齿轮的模数，但是仍存在空间凸轮波发生器机构易磨损破坏、制作较困难、使用寿命短等缺点。

发明内容

本发明针对现有技术中活齿端面谐波齿轮的不足，提供一种采用新型波发生器、接触磨损小、承载能力大、传动精度高、传动效率高、寿命长、传递功率范围大的活齿端面谐波齿轮的组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置，其特征在于：设有壳体、轴瓦、输入轴、锁紧螺母一、主动锥齿轮、锁紧螺母二、从动锥齿轮架、轴承挡片、轴承、从动锥齿轮连接架一、从动锥齿轮连接架二、从动锥齿轮连接架三、从动锥齿轮连接架四、活齿架一、活齿架二、活齿架三、活齿架四、端面齿轮、输出轴、槽轮和端面齿轮端盖；所述壳体由下壳体、与下壳体通过螺栓连接的上壳体装配而成；所述轴瓦包括下轴瓦、与下轴瓦端面贴合的上轴瓦；所述轴承内圈的左端面与输入轴的轴肩贴紧，右端面与安装在输入轴外螺纹上的锁紧螺母二贴紧，且轴承外圈的右端面与从动锥齿轮架贴紧，左端面与轴承挡片贴紧；所述轴承挡片与从动锥齿轮架通过螺钉连接；所述主动锥齿轮的大端面与输入轴上的锁紧螺母二贴紧，小端面与输入轴上的轴肩贴紧，且主动锥齿轮与输入轴通过花键连接；所述输入轴依靠轴承固定在壳体右端；所述从动锥齿轮连接架一由从动锥齿轮、从动锥齿轮轴、连接杆一和连接杆二组成；所述从动锥齿轮轴与从动锥齿轮架通过轴承连接；所述从动锥齿轮与从动锥齿轮轴通过花键连接，且从动锥齿轮与连接杆一通过轴承和锁紧螺母连接，轴承的连接位置处于从动锥齿轮大端表面的偏心位置；所述连接杆一与连接杆二通过轴承和锁紧螺母连接；所述连接杆二与活齿架一通过锁紧螺母连接；所述从动锥齿轮连接架二、从动锥齿轮连接架三、从动锥齿轮连接架四与从动锥齿轮连接架一的结构组成相同；所述四组从动锥齿轮分别与主动锥齿轮啮合；所述活齿架一由活齿齿轮、活齿杆、活齿短杆、活齿曲杆和曲杆后短杆组成；所述曲杆后短杆与活齿曲杆通过螺钉连接，且与从动锥齿轮连接架一通过锁紧螺母连接；所述活齿曲杆与活齿短杆通过螺钉连接；所述活齿短杆与活齿杆通过螺钉连接；所述活齿杆与活齿齿轮通过销连接；所述活齿齿轮与端面齿轮进行啮合；所述活齿架二、活齿架三、活齿架四与活齿架一的结构组成相同；所述槽轮的外表面与上轴瓦和下轴瓦的内表面配合，且槽轮的中心孔与输出轴通过键连接；所述上轴瓦和下轴瓦的外表面分别与上壳体和下壳体的内表面配合。

本发明中所述的四组从动锥齿轮连接架中的从动锥齿轮、从动锥齿轮轴和连接杆一的尺寸分别相同，四组从动锥齿轮连接架中的连接杆二的尺寸互不相同。

本发明中所述的四组活齿架中的活齿杆、活齿短杆、活齿曲杆和曲杆后短杆的尺寸分别不同，四组活齿架中的活齿齿轮的尺寸分别相同。

本发明中所述的槽轮内部开有形状和尺寸与四组活齿架的形状和尺寸分别配合的四组通孔。

本发明中所述的由一个主动锥齿轮驱动的从动锥齿轮的数量可以多于四个，当从动锥齿轮的数量增多时，从动锥齿轮连接架和活齿架的数量也要相应增加，且从动锥齿轮连接架和活齿架的连接和布置方式按照权利要求1中来实现。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明以活齿端面谐波齿轮为技术基础，相比传统径向啮合谐波减速器承载能力大，可以胜任较大载荷的工作任务；针对波发生器部分进行改进，解决了传统活齿端面谐波齿轮波发生器易磨损破坏、制作较困难、使用寿命短的缺点，提高了传动精度和传动效率，可在很长时间内保证传动精度。具体地说，本发明采用由斜齿轮传动和曲柄连杆机构构成的组合机构替代传统活齿端面谐波齿轮装置的空间凸轮机构，其中从动锥齿轮架通过轴承安装在输入轴末端，使得连接在从动锥齿轮架上的从动锥齿轮可以在与主动锥齿轮啮合自转的同时绕着主动锥齿轮的轴线进行公转，保证了槽轮和与槽轮用键连接的输出轴的旋转运动，同时巧妙利用槽轮的纵向空间和径向空间布置活齿齿轮及其活齿架，实现了双波驱动，该机构实现了用面接触替代点接触和线接触，有效减小了摩擦损耗，从而提高了传动精度和传动效率。而且由于采用了锥齿轮传动，也提高了齿轮系统整体的传动比。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的外形的结构示意图。

附图3是本发明中活齿架一的结构示意图。

附图4-图6是本发明中活齿架一、活齿架二、活齿架三和活齿架四的空间位置分布示意图。

附图7是本发明中槽轮的结构示意图。

附图8是本发明中从动锥齿轮连接架一的结构示意图。

附图9是本发明中从动锥齿轮、主动锥齿轮与从动锥齿轮架的连接示意图。

附图10是本发明中从动锥齿轮架与输入轴的连接示意图。

附图11是本发明中主动锥齿轮与输入轴的连接示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1—11所示的组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置，包括壳体1、轴瓦2、输入轴3、锁紧螺母一4、主动锥齿轮5、锁紧螺母二6、从动锥齿轮架7、轴承挡片8、轴承9、从动锥齿轮连接架一10、从动锥齿轮连接架二、从动锥齿轮连接架三、从动锥齿轮连接架四、活齿架一14、活齿架二15、活齿架三16、活齿架四17、端面齿轮18、输出轴19、槽轮20和端面齿轮端盖21；所述壳体1由下壳体1-1、与下壳体1-1通过螺栓连接的上壳体1-2装配而成；所述轴瓦2包括下轴瓦、与下轴瓦端面贴合的上轴瓦；所述轴承9内圈的左端面与输入轴3的轴肩贴紧，右端面与安装在输入轴3外螺纹上的锁紧螺母二6贴紧，且轴承9外圈的右端面与从动锥齿轮架7贴紧，左端面与轴承挡片8贴紧；所述轴承挡片8与从动锥齿轮架7通过螺钉连接；所述主动锥齿轮5的大端面与输入轴3上的锁紧螺母二6贴紧，小端面与输入轴3上的轴肩贴紧，且主动锥齿轮5与输入轴3通过花键连接；所述输入轴3依靠轴承固定在壳体1右端；所述从动锥齿轮连接架一10由从动锥齿轮10-1、从动锥齿轮轴10-2、连接杆一10-3和连接杆二10-4组成；所述从动锥齿轮轴10-2与从动锥齿轮架7通过轴承连接；所述从动锥齿轮10-1与从动锥齿轮轴10-2通过花键连接，且从动锥齿轮10-1与连接杆一10-3通过轴承和锁紧螺母连接，轴承的连接位置处于从动锥齿轮10-1大端表面的偏心位置；所述连接杆一10-3与连接杆二10-4通过轴承和锁紧螺母连接；所述连接杆二10-4与活齿架一14通过锁紧螺母连接；所述从动锥齿轮连接架二、从动锥齿轮连接架三、从动锥齿轮连接架四与从动锥齿轮连接架一10的结构组成相同；所述四组从动锥齿轮分别与主动锥齿轮5啮合；所述活齿架一14由活齿齿轮14-1、活齿杆14-2、活齿短杆14-3、活齿曲杆14-4和曲杆后短杆14-5组成；所述曲杆后短杆14-5与活齿曲杆14-4通过螺钉连接，且与从动锥齿轮连接架一10通过锁紧螺母连接；所述活齿曲杆14-4与活齿短杆14-3通过螺钉连接；所述活齿短杆14-3与活齿杆14-2通过螺钉连接；所述活齿杆14-2与活齿齿轮14-1通过销连接；所述活齿齿轮14-1与端面齿轮18进行啮合；所述活齿架二15、活齿架三16、活齿架四17与活齿架一14的结构组成相同；所述槽轮20的外表面与上轴瓦和下轴瓦的内表面配合，且槽轮20的中心孔与输出轴19通过键连接；所述上轴瓦和下轴瓦的外表面分别与上壳体1-2和下壳体1-1的内表面配合。

本实施方式中的下壳体和上壳体的作用是支撑和保护内部零件；输入轴的作用是将动力源输入的旋转运动通过花键传递给主动锥齿轮，并通过轴承支撑从动锥齿轮架；从动锥齿轮架的作用是稳固支撑从动锥齿轮；主动锥齿轮的作用是通过齿轮啮合带动从动锥齿轮转动；从动锥齿轮的作用是把旋转运动传递给从动锥齿轮连接架一，从动锥齿轮连接架二，从动锥齿轮连接架三和从动锥齿轮连接架四；四组从动锥齿轮连接架和四组活齿架分别通过螺纹连接的作用是利用曲柄滑块机构原理把从动锥齿轮连接架在从动锥齿轮上的偏心运动转化成活齿架沿槽轮轴向的直线往复运动，进而实现端面活齿和端面齿轮的相对错齿运动，最终从输出轴输出旋转运动；槽轮的作用是为活齿架沿轴向的直线往复运动提供导向，并支撑和保护活齿架。

具体实施方式二：结合图4-图7说明本实施方式，本实施方式的槽轮加工出多个槽路支持活齿架一、活齿架二、活齿架三、活齿架四的直线往复运动。对于活齿架一中与活齿齿轮连接的圆柱状活齿杆1在槽轮中都有相同尺寸的轴向圆孔与其配合，并且这些圆孔都在槽轮上处于同一圆周位置，对应于活齿短杆和半圆形的活齿曲杆，槽轮中都开有对应的贯通的槽路，槽路的厚度稍宽留出空隙。活齿架一的两个活齿杆在圆周上成对称布置，且运动状况相同，它们之间依靠活齿短杆和半圆形的活齿曲杆进行固连，活齿架二、活齿架三、活齿架四与活齿架一的结构相同。为防止干涉，活齿架一，活齿架二，活齿架三和活齿架四的活齿曲杆的半径分别不同，且活齿架一，活齿架二，活齿架三和活齿架四的活齿曲杆在槽轮中的轴向位置也都不相同，留有距离，为活齿架一，活齿架二，活齿架三和活齿架四的轴向往复运动留出空间并防止干涉。为了使受力状况较好，活齿架一的活齿曲杆的接近中心位置连接有用于与从动锥齿轮连接架一固连的曲柄后短杆，活齿架二、活齿架三、活齿架四的分布情况与对应的槽轮开槽情况和活齿架一的分布情况及对应的槽轮开槽情况相同，且曲柄后短杆在圆周上是均匀分布的。根据活齿端面谐波齿轮的传动原理，理论上活齿齿轮的数目越多，传动效果越好。若在本发明的基础上使活齿齿轮的数目增加，从动锥齿轮驱动机构的组数、槽轮的开槽数目、活齿架的数量可以继续增加，以偶数为宜，均匀布置，同时，槽轮的开槽数目和活齿架的数量的增加也需要根据本实施方式所叙述的方式增加。

其工作过程如下：电机驱动输入轴转动，输入轴通过花键连接带动主动锥齿轮转动，主动锥齿轮驱动从动锥齿轮转动，从动锥齿轮架通过轴承安装在输入轴末端，使得从动锥齿轮架上的从动锥齿轮可以在与主动锥齿轮啮合自转的同时绕着主动锥齿轮的轴线进行公转，每个从动锥齿轮依据曲柄滑块机构原理带动活齿架上的活齿齿轮做循环往复的轴向直线运动，使活齿齿轮与端面齿轮进行连续的啮入，啮出运动，本发明示意有四组从动锥齿轮驱动机构，同时利用槽轮的纵向空间和径向空间布置活齿齿轮及其活齿架，实现了双波驱动。

Claims

1.一种组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置，其特征在于：设有壳体、轴瓦、输入轴、锁紧螺母一、主动锥齿轮、锁紧螺母二、从动锥齿轮架、轴承挡片、轴承、从动锥齿轮连接架一、从动锥齿轮连接架二、从动锥齿轮连接架三、从动锥齿轮连接架四、活齿架一、活齿架二、活齿架三、活齿架四、端面齿轮、输出轴、槽轮和端面齿轮端盖；所述壳体由下壳体、与下壳体通过螺栓连接的上壳体装配而成；所述轴瓦包括下轴瓦、与下轴瓦端面贴合的上轴瓦；所述轴承内圈的左端面与输入轴的轴肩贴紧，右端面与安装在输入轴外螺纹上的锁紧螺母二贴紧，且轴承外圈的右端面与从动锥齿轮架贴紧，左端面与轴承挡片贴紧；所述轴承挡片与从动锥齿轮架通过螺钉连接；所述主动锥齿轮的大端面与输入轴上的锁紧螺母二贴紧，小端面与输入轴上的轴肩贴紧，且主动锥齿轮与输入轴通过花键连接；所述输入轴依靠轴承固定在壳体右端；所述从动锥齿轮连接架一由从动锥齿轮、从动锥齿轮轴、连接杆一和连接杆二组成；所述从动锥齿轮轴与从动锥齿轮架通过轴承连接；所述从动锥齿轮与从动锥齿轮轴通过花键连接，且从动锥齿轮与连接杆一通过轴承和锁紧螺母连接，轴承的连接位置处于从动锥齿轮大端表面的偏心位置；所述连接杆一与连接杆二通过轴承和锁紧螺母连接；所述连接杆二与活齿架一通过锁紧螺母连接；所述从动锥齿轮连接架二、从动锥齿轮连接架三、从动锥齿轮连接架四与从动锥齿轮连接架一的结构组成相同；四组从动锥齿轮分别与主动锥齿轮啮合；所述活齿架一由活齿齿轮、活齿杆、活齿短杆、活齿曲杆和曲杆后短杆组成；所述曲杆后短杆与活齿曲杆通过螺钉连接，且与从动锥齿轮连接架一通过锁紧螺母连接；所述活齿曲杆与活齿短杆通过螺钉连接；所述活齿短杆与活齿杆通过螺钉连接；所述活齿杆与活齿齿轮通过销连接；所述活齿齿轮与端面齿轮进行啮合；所述活齿架二、活齿架三、活齿架四与活齿架一的结构组成相同；所述槽轮的外表面与上轴瓦和下轴瓦的内表面配合，且槽轮的中心孔与输出轴通过键连接；所述上轴瓦和下轴瓦的外表面分别与上壳体和下壳体的内表面配合。

2.根据权利要求1所述的组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置，其特征在于：四组从动锥齿轮连接架中的从动锥齿轮、从动锥齿轮轴和连接杆一的尺寸分别相同，四组从动锥齿轮连接架中的连接杆二的尺寸互不相同。

3.根据权利要求1所述的组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置，其特征在于：四组活齿架中的活齿杆、活齿短杆、活齿曲杆和曲杆后短杆的尺寸分别不同，四组活齿架中的活齿齿轮的尺寸分别相同。

4.根据权利要求1所述的组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置，其特征在于：所述槽轮内部开有形状和尺寸与四组活齿架的形状和尺寸分别配合的四组通孔。

5.根据权利要求1所述的组合机构驱动的活齿端面谐波齿轮装置，其特征在于：由一个主动锥齿轮驱动的从动锥齿轮的数量多于四个，当从动锥齿轮的数量增多时，从动锥齿轮连接架和活齿架的数量也要相应增加，且从动锥齿轮连接架和活齿架的连接和布置方式按照从动锥齿轮连接架一与活齿架一的连接和布置方式实现。