CN109931369A - 一种同步差补减速器 - Google Patents

Abstract

一种同步差补减速器属于减速器技术领域，具体涉及一种应用于如机器人、汽车无人驾驶，以及火箭发动机等领域使用的同步差补减速器。本发明提供一种结构简单，体积小变速比大，不仅能达到谐波减速器和RV减速器的各项技术性能，而且结构更加精简科学，使用更灵活的同步差补减速器。本发明包括固定齿圈，其特征在于：固定齿圈与第一同步齿轮啮合；第一同步齿轮与第二同步齿轮同轴并固定一体，形成同步齿轮组，第二同步齿轮与被动齿圈啮合；所述第一同步齿轮和第二同步齿轮齿数相等，模数不等。

Description

一种同步差补减速器

技术领域

本发明属于减速器技术领域，具体涉及一种应用于如机器人、汽车无人驾驶，以及火箭发动机等领域使用的同步差补减速器。

背景技术

长期以来，机器人采用的精密减速器一直由美国、德国、日本、捷克等国家提供，其中世界75%的精密减速器的市场被日本的哈默纳科和纳博特斯克占领，纳博特斯克生产的RV减速器，约占60%的份额，哈默纳斯克生产的谐波减速器，约占15%的份额。我国近几年虽然机器人产业发展很快，但机器人所用的减速器和控制器都是由日本进口，生产成本被外国供应商所控制。RV减速器和谐波减速器基本都是在摆线针减速器基础上发展起来的，至今已经历了90多年的历程。在工业机器人一切中心零部件中，减速器最为关键。国家“863”方案就将机器人专用减速器列入要点攻克的技术瓶颈，国内顶尖大学和科研组织几年攻关也只见论文，没有实物。

目前国内几家知名大企业投巨资也未能生产出合格的RV减速器。目前中国机器人产业的生产成本严重地被日本企业所掌控，被人锁住喉咙，几乎到了无法生存的地步，中国机器人乃至无人驾驶汽车、火箭等将始终处于跟跑状态。

目前，最小巧玲珑的减速器当属谐波减速器，但它也存在着偏心运动和谐波器的材料早期疲劳的问题；行星减速器的结构虽然较比RV减速器简单，但其变速比没有RV减速器大；RV减速器的减速器虽然变速比大，但采取曲轴驱动技术无疑给加工制造带来相当大的难度，而且设计的齿形为圆弧形或者方形三角形，啮合深度很浅，很容易发生故障，也会影响减速机的使用寿命。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种结构简单，体积小变速比大，不仅能达到谐波减速器和RV减速器的各项技术性能，而且结构更加精简科学，使用更灵活的同步差补减速器。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括固定齿圈，其特征在于：固定齿圈与第一同步齿轮啮合；第一同步齿轮与第二同步齿轮同轴并固定一体，形成同步齿轮组，第二同步齿轮与被动齿圈啮合；所述第一同步齿轮和第二同步齿轮齿数相等，模数不等。

作为本发明的一种优选方案，所述固定齿圈和被动齿圈的齿数差仅为一个齿。

作为本发明的另一种优选方案，所述第一同步齿轮和第二同步齿轮之间的模数差，满足以下条件：第一同步齿轮的齿数为Za，固定齿圈齿数为ZA，第一同步齿轮和第固定齿圈模数为Ma，第二同步齿轮的齿数为Zb，被动齿圈齿数为ZB，第二同步齿轮和被动齿圈的模数为Mb，则（ZA-Za）Ma=（ZB-Zb）MB。

本发明的有益效果：本发明当两组模数不相同齿轮做同步运行时，就产生了差模的运动，从而达到了减速目的，真正使本减速器达到了结构巧、体积小、重量轻、传动速比范围大、效率高的效果。

由于本发明的结构特点，本发明减速器中没有曲轴和偏心运动，因此可以制作成更微型的减速器，从而也会在火箭发动机上得到新的应用。由于本发明减速器没有太阳轮，所以可以和行星减速器的技术进行嫁接，从而获得更广泛的传动比。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明实施例1的初始位置示意图。

图3是本发明实施例1同步齿轮组顺时针运转半圈时被动齿圈位置示意图。

图4是本发明实施例1同步齿轮组顺时针运转一周时被动齿圈位置示意图。

图5是本发明实施例2的结构示意图。

图6是图5的侧面剖视图。

附图中1为固定齿圈、2为被动齿圈、3为第一同步齿轮、4为第二同步齿轮、5为支撑转盘、6为输入主轴、7为端盖、8为定位紧固螺丝、9为输入齿轮轴。

具体实施方式

本发明包括固定齿圈1，其特征在于：固定齿圈1与第一同步齿轮3啮合；第一同步齿轮3与第二同步齿轮4同轴并固定一体，形成同步齿轮组，第二同步齿轮4与被动齿圈2啮合；所述第一同步齿轮3和第二同步齿轮4齿数相等，模数不等。

作为本发明的一种优选方案，所述固定齿圈1和被动齿圈2的齿数差仅为一个齿。

作为本发明的另一种优选方案，所述第一同步齿轮3和第二同步齿轮4之间的模数差，满足以下条件：第一同步齿轮3的齿数为Za，固定齿圈1齿数为ZA，第一同步齿轮3和第固定齿圈1模数为Ma，第二同步齿轮4的齿数为Zb，被动齿圈2齿数为ZB，第二同步齿轮4和被动齿圈2的模数为Mb，则（ZA-Za）Ma=（ZB-Zb）MB。

本发明原理：本发明固定齿圈1齿数与被动齿圈2齿数的差仅为一个齿而且必须是模数不相等。它们的模数差为：

Ma-Mb=△M

固定齿圈1和被动齿圈2的齿距差则为Ta-Tb=△t=△Mπ；固定齿圈1的齿距为Ta，被动齿圈2的齿距为Tb。

因为一个齿距等于Mπ，所以它们的运动齿距差为一个△Mπ，所以当同步齿轮组在固定齿圈1上旋转一周后，在固定齿圈1和同步齿轮组共同作用下就为被动齿圈2多移动或者少移动了一个齿距，即固定齿圈1的齿数与△Mπ的（△mπ×ZA＝Mbπ）等于被动齿圈2的一个齿距Mbπ。

实施例1：包括一个支撑转盘5和输入主轴6构成的H形驱动机构，固定齿圈1，被动齿圈2，第一同步齿轮3和第二同步齿轮4构成的同步齿轮组, 以及左右端盖7。

本发明的转动位置可都配有相应的轴承。

所述H形驱动机构包括主动轴6和支撑转盘5；在支撑转盘5上装有一个或者若干个第一同步齿轮3和第二同步齿轮4的组合，共轴的一对第一同步齿轮3和第二同步齿轮4构成一个同步齿轮组。

固定齿圈1的模数与其啮合的第一同步齿轮3的模数相等。

被动齿圈2的模数与其啮合的第二同步齿轮4的模数相等。

同步齿轮组，由于固定齿圈和被动齿圈之间差一个齿，所以两个齿圈齿之间的位置是有相位差的，因此第一同步齿轮3和固定齿圈1、第二同步齿轮4和被动齿圈2啮合后再锚固在一起；第一同步齿轮3和第二同步齿轮4是两个模数不相等但齿数相等的齿轮。

本发明是依靠在同一轴心的固定齿圈1和被动齿圈2的齿距差的同步运动来实现转速比的；由于第一同步齿轮3和第二同步齿轮4的齿数相等而模数不相等，那么分别与第一同步齿轮3和第二同步齿轮4啮合的固定齿圈1的齿数和被动齿圈2的齿数就不会相等，虽然它们的齿在同步齿轮的带动下也是在同步运动，但由于齿距差的存在，它们的运动速度却是不相等的，从而实现了变速的目的。

本发明减速器的运动特征为：同步齿轮组在支撑转盘5的带动下旋转，同步齿轮组最重要的特征是同步：即第一同步齿轮3和第二同步齿轮4共轴转动，第一同步齿轮3与固定齿圈1啮合，第二同步齿轮4和被动齿圈2啮合。本发明减速器的运动特征可以用变速比公式表达，当同步齿轮齿数相等模数不相等，它的变速比关系式为：

变速比N = 被动齿圈齿数ZB / (被动齿圈齿数ZB - 固定齿圈齿数ZA)

N = ZB / (ZB - ZA) (1)

因为（ZB-ZA）的结果有可能是（+1）也可能是（-1），所以变速比N的值可以是正值也可以是负值。如果是负值，则表示本发明减速器输出转向与输入轴的转向相反，如果是正值则表示输出轴和输入轴的转向相同。

本发明的实施例中输入轴虽然是和支撑转盘5固定在一起的，但是为了获得更大的变速比，可以将输入轴设计成齿轮轴，这就会使本减速器更加紧凑，更加瘦身精炼（在本减速器中输入轴不是齿轮轴时，为了便于分析可以理解为是一个齿的齿轮轴）。

本减速器是这样实现减速目的的：一般来说作为减速器经过一级变速就改变转动方向一次，而本发明的减速器却可以根据输出转向的需要，可以设计为反向或者为正向的减速器。现在我们以设计输入输出为同向的减速器为例来说明问题，只要正向变速原理通了，设计反向变速就不会有任何问题了。

前面阐述过：本发明的减速器很重要的一个特征就是固定齿圈1和被动齿圈2的齿数差仅一个齿而且必须是模数不相等。它们的模数差为：

Ma-Mb=△M

因为一个齿距等于Mπ，所以它们的运动齿距差为一个△Mπ，所以当同步齿轮组在固定齿圈上旋转一周后，在同步固定齿圈和同步齿轮组共同作用下就为被动齿圈多移动了或者少移动了一个齿距，即固定齿圈的齿数与△Mπ的（△mπ×ZA＝Mbπ=Tb）等于被动齿圈的一个齿距Tb。

为了便于分析，我们设计一个60：1的减速器，见图2～4：其相关参数为：固定齿圈1的齿数为59；被动齿圈2的齿数为60；第一同步齿轮3和第二同步齿轮4的齿均数为17；固定齿圈1和与其啮合的第一同步轮3的模数为2；被动齿圈2和与其啮合的第二同步齿轮4的模数小于2。

现在，我们分别把固定齿圈1和被动齿圈2的齿槽分别编上号码。我们把固定齿圈上的时钟12点那个位置的齿槽定为“0”号齿槽，其它齿槽以顺时针方向依次为编号1.2.3...... 58；把被动齿圈的ZB静止在时钟12点位置上的齿槽也定位“0”号。其它齿槽也按顺时针方向依次被编为1.2.3........59。当支撑转盘1的第一同步齿轮3的“0”号齿从固定齿圈1的“0”号齿槽开始顺时针旋转（顺序号也是按着顺时针排序的），当第一同步齿轮3在固定齿圈1上转了一圈后，就有一齿对准了固定齿圈1的“0”号齿槽里，这就说明了第一同步齿轮3的齿走过了固定齿圈上59个齿槽，由于第二同步齿轮3是与第一同步齿轮4同步的，所以它的齿也同样走过了被动齿圈上的59个齿槽，即第59号齿槽，也就是第一同步齿轮把被动齿圈2的59号齿槽推到了时钟12点的位置，而被动齿圈2上的“0”号齿被转到了时钟12：01的位置。这是因为同步齿轮组每走过一个齿槽时被动齿圈2在同步齿轮组和固定齿圈1的共同作用下，就会多移动了一个齿距差t，经过59个齿槽后被动齿圈就多移动了一个齿距Tb的齿距，这就是本发明减速器的原理。这个运动过程验证了变速比公式（1）的正确性。依据变速比关系式（1）可以计算出这个减速器的变速比N：

所以上述条件下的变数比N=60/（60-59）=60：1

上述结果是个正数，所以被动齿圈2的“0”号齿槽是顺着顺时针方向向前运行至时钟12：01位置。如果上述结果是个负数（假设ZA=61；ZB=60，则上面的等式就是-60：1）,则被动齿圈2的“0”号齿槽就向逆时针方向移动至时钟11：59位置，减速器就为反转。

上述就是本发明变速器的运动特征。

上述实施例的变速比是很小的，一般情况下变速比都是在100：1左右，下面的实施例就一步说明高氏同步模数差减速器的原理和优越性了。

实施例2：由于目前我国机器人生产企业都是采用日本进口的RV减速器和谐波减速器，如果要替代这些日本产的减速器，就必须保证本发明的减速器在外形尺寸与相对应的型号的RV减速器保持一致，其他机械性能及变速比等都不能低于日产RV减速器。本实施例就是为国内某重点机器人研发单位设计的一款减速器，欲替代日产RV_40E_153型号的减速器（其变速比N=153：1）。

见图5、图6：固定齿圈1，齿数为ZA，被动齿圈2，齿数为ZB，第一同步齿轮3，齿数为Za，第二同步齿轮4，齿数为Zb，同步齿轮组定位紧固螺丝8，输入齿轮轴9，齿数为Zi；相关参数：ZA=51；ZB=52；Za=Zb=17；Zi=17。

变速比分析：当输入轴直接驱动支撑转盘5时，三组同步轮组在支撑转盘5的带动下旋转，此时可以理解为输入轴的齿数为1，输入轴每转一圈，被动齿圈2就会与输入轴同方向转动一个齿距，被动齿圈2有52个齿，那么若使被动齿圈2转动一圈就必须输入轴转动52圈，变速比为52：1；现在将支撑转盘5替换为输入齿轮轴7，输入齿轮轴7的齿数有17齿，输入齿轮轴7和固定齿圈1的变速比关系是3：1,所以本实施例的总变速比为156：1。

本发明表现出的优越性是很明显的：设计原理先进科学，为原创首创；结构精巧瘦身，单位体积所承受的功率或者单位重量所承受的功率都与目前所有型号的减速器均具有可比性，因此必定会受到业界的广泛关注和采用，相信一定会在中国2025智能制造和工业4.0革命中前景广阔，大展宏图。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种同步差补减速器，包括固定齿圈（1），其特征在于：固定齿圈（1）与第一同步齿轮（3）啮合；第一同步齿轮（3）与第二同步齿轮（4）同轴并固定一体，形成同步齿轮组，第二同步齿轮（4）与被动齿圈（2）啮合；所述第一同步齿轮（3）和第二同步齿轮（4）齿数相等，模数不等。

2.根据权利要求1所述的一种同步差补减速器，其特征在于：所述固定齿圈（1）和被动齿圈（2）的齿数差仅为一个齿。

3.根据权利要求1所述的一种同步差补减速器，其特征在于：所述第一同步齿轮（3）和第二同步齿轮（4）之间的模数差，满足以下条件：第一同步齿轮（3）的齿数为Za，固定齿圈（1）齿数为ZA，第一同步齿轮（3）和第固定齿圈（1）模数为Ma，第二同步齿轮（4）的齿数为Zb，被动齿圈（2）齿数为ZB，第二同步齿轮（4）和被动齿圈（2）的模数为Mb，则（ZA-Za）Ma=（ZB-Zb）MB。

4.一种如权利要求1所述的同步差补减速器，其特征在于：包括一个支撑转盘（5）和输入主轴（6）构成的H形驱动机构，固定齿圈（1），被动齿圈（2），第一同步齿轮（3）和第二同步齿轮（4）构成的同步齿轮组, 以及左右端盖（7）；

固定齿圈（1）的模数与其啮合的第一同步齿轮（3）的模数相等；

被动齿圈（2）的模数与其啮合的第二同步齿轮（4）的模数相等；

同步齿轮组，由于固定齿圈和被动齿圈之间差一个齿，所以两个齿圈齿之间的位置是有相位差的，因此第一同步齿轮（3）和固定齿圈（1）、第二同步齿轮（4）和被动齿圈（2）啮合后再锚固在一起；第一同步齿轮（3）和第二同步齿轮（4）是两个模数不相等但齿数相等的齿轮。

5.一种如权利要求4所述的同步差补减速器，其特征在于：所述支撑成转盘（5）设置为输入齿轮轴（9）；所述固定齿圈（1），齿数为ZA，被动齿圈（2），齿数为ZB，第一同步齿轮（3），齿数为Za，第二同步齿轮（4），齿数为Zb，同步齿轮组定位紧固螺丝（8），输入齿轮轴（9），齿数为Zi；相关参数：ZA=51；ZB=52；Za=Zb=17；Zi=17。