CN110541922A - 反向分动百向传动器 - Google Patents

Abstract

本发明反向分动百向传动器，由反向分动器与百向合动器构成，具有特定的连接方式与传动路径，是复合行星排结构，是二自由度决定系统。反向分动器行星排符合本发明所述条件一，百向合动器行星排符合本发明所述条件二。通过调节特性参数使m与k取值确定，动力可以从输入端NA1传动到输出端NX2。控制周转控制端转速NA2的值，可以实现输出端轴向指向与百向合动器轴呈一定夹角的，输出端轴向指向可以围绕百向合动器轴周转且周转可控的百向传动。本发明优先采用使m＝0.5的特性参数对应的行星排作为百向合动器。

Description

反向分动百向传动器

技术领域

本发明涉及一种行星排复合结构传动机械，具体为由一个反向分动器和一个百向合动器构成的，输出端轴向指向与百向合动器轴呈一定夹角的，输出端轴向指向可以围绕百向合动器轴周转且周转可控的百向传动器。

背景技术

输入轴与输出轴有夹角的转速传动称为变向传动，保持输出轴与输入轴夹角不变而输出轴360度周转的转速传动称为可周转变向传动。常用的有两种变向传动器：万向节传动器与锥齿轮变向传动器。万向节传动器的优点是改变转动方向夹角容易，缺点是输出轴与输入轴传动夹角越大，传动效率越低，一般最大传动夹角小于50度。锥齿轮变向传动器利用锥齿轮副实现变向传动，最大夹角没有限制。这两种传动器都会形成很大的支座转矩，支座转矩与传动的动力转矩相关，动力转矩越大，支座转矩越大；支座转矩还与传动夹角大小相关，夹角越大，支座转矩越大，夹角90度时，支座转矩最大。这两种变向传动都可以转动输出轴支座，使输出轴周转，形成可周转变向传动。在输出轴周转时，正转支座转矩与反转支座转矩完全不平衡。一般需要设置更大的周转控制转矩来操控周转,或者需要设置附加的平衡装置例如弹簧装置或电磁力装置提供附加转矩来抵消这种不平衡才能操控周转。

本发明提出新一类变向传动器，可以使输出端轴向指向(输出轴)与百向合动器轴呈一定夹角而控制输出端轴向指向围绕百向合动器轴周转且周转可控，传动效率很高。这种传动方式我们称为百向传动，实施百向传动的传动器称为百向传动器。本发明的百向传动器在改变传动方向时，输出端轴向指向围绕输百向合动器周转的正转支座转矩与反转支座转矩比较平衡，只需较小转矩即可操控周转。

发明内容

本发明是一种输出端轴向指向与百向合动器轴呈一定夹角的，输出端轴向指向可以围绕百向合动器轴周转且周转可控的百向传动器。具体由一个反向分动器和一个百向合动器构成。

行星排由两个中心轮(太阳轮或内齿圈)与带行星轮的行星架三个部件组成，三个部件的排列啮合结构关系决定其各运动方程(包括运动特性方程、太星方程、圈星方程)，决定其行星排种类。现有行星排按其运动特性方程可分为单层星行星排、双层星行星排，行星排三个部件为太阳轮t、行星架j、内齿圈q，行星架上的行星轮为x。设Zt为太阳轮齿数，Zq为内齿圈齿数，Nt为太阳轮转速,Nq为内齿圈转速,Nj为行星架转速，Nx为行星轮转速，定义普通圆柱齿轮行星排、锥齿轮行星排的特性参数a＝Zq/Zt，太星参数b＝Zt/Zx，圈星参数c＝Zq/Zx；定义变线速行星排的特性参数a＝(Zq*Zxt)/(Zt*Zxq)，太星参数b＝Zt/Zxt，圈星参数c＝Zq/Zxq。其中变线速行星轮上有两套齿轮，与内齿圈q线速度相同的一套齿轮齿数为Zxq转速为Nxq、与太阳轮t线速度相同的另一套齿轮齿数为Zxt转速为Nxt。定义所有单层星行星排的运动特性方程为：Nt+a*Nq-(1+a)*Nj＝0，定义所有双层星行星排的运动特性方程为：Nt-a*Nq-(1-a)*Nj＝0。定义普通圆柱齿轮单层星行星排、锥齿轮单层星行星排的太星方程为：Nxt+b*Nt-(1+b)*Nj＝0，圈星方程为：Nxq-c*Nq-(1-c)*Nj＝0。定义结构形式六的变线速双层星行星排的太星方程为：Nxt+b*Nt-(1+b)*Nj＝0，圈星方程为：Nxq+c*Nq-(1+c)*Nj＝0。定义结构形式二的变线速单层星行星排中外层行星轮的太星方程为：Nxt-b*Nt-(1-b)*Nj＝0，圈星方程为：Nxq+c*Nq-(1+c)*Nj＝0。太星方程、圈星方程可以用于计算行星轮的转速。

本发明所述反向分动器是单排行星排结构，其行星排的特征是其运动特性方程在整理变形后的形式符合条件一：反向分动器运动方程NA1＝(1+k)*NB1-k*NC1,k>1.0。反向分动器的行星排可以是变线速单层星行星排、变线速双层星行星排、普通圆柱齿轮单层星行星排、普通圆柱齿轮双层星行星排、锥齿轮单层星行星排或锥齿轮双层星行星排，通常采用变线速双层星行星排或普通圆柱齿轮单层星行星排。对于各种单层星行星排，其运动特性方程Nt1+a*Nq1-(1+a)*Nj1＝0在a大于等于1.0时可以整理变形为Nt1＝(1+a)*Nj1-a*Nq1，k＝a，k>1.0；在a<1.0时可以整理变形为Nq1＝((1+a)/a)*Nj1-(1/a)*Nt1，k＝1/a，k>1.0。符合条件一。对于各种双层星行星排，其运动特性方程Nt1-a*Nq1-(1-a)*Nj1＝0在a<0.5时可以整理变形为Nq1＝(1/a)*Nt1-((1-a)/a)*Nj1，k＝(1-a)/a，k>1.0；在0.5<a<1.0时可以整理变形为Nj1＝(1/(1-a))*Nt1-(a/(1-a))*Nq1，k＝a/(1-a)，k>1.0；在1.0<a<2.0时可以整理变形为Nj1＝(a/(a-1))*Nq1-(1/(a-1))*Nt1，k＝1/(a-1)，k>1.0；在a>2.0时可以整理变形为Nt1＝a*Nq1-(a-1)*Nj1，k＝a-1，k>1.0。均符合条件一。在这其中变线速双层星行星排有利于设置正变位齿轮，有利于提高传动效率，变线速双层星行星排有一种结构形式可以只有单层行星轮，因其运动特性方程服从双层星行星排的运动特性方程，即Nt-a*Nq-(1-a)*Nj＝0，所以称为双层星行星排，这种结构形式称为变线速行星排的结构形式六。这种结构形式六的变线速双层星行星排的结构示意图可以参见图1，图1中1、2、3所示的部件组成的行星排即为变线速双层星行星排中较简单的只有一层行星轮的结构形式六。普通圆柱齿轮单层星行星排结构示意图参见图2，图2中1、2、3所示的部件组成的行星排即为普通圆柱齿轮单层星行星排。反向分动器行星排的三个部件分别是A1、B1、C1，三个部件的转速分别是NA1、NB1、NC1。以周转转速NA1对应的部件A1作为反向分动器的输入端，这也是整个反向分动百向传动器的输入端，输入端可以输入正值、零值或负值转速，即NA1的转速输入值可以确定。其余两个部件作为分动端，分动端B1与百向合动器的中心轮B2连接，分动端C1与百向合动器的中心轮C2连接。

所述百向合动器是单排行星排结构，其行星排轴就是百向合动器轴，其行星排的特征是其运动特性方程在整理变形后的形式符合条件二：百向合动器运动方程NA2＝m*NB2+(1-m)*NC2，1>m>0，且NA2对应的行星架j2也是A2作为周转控制端。百向合动器行星排三个部件分别是A2、B2、C2，三个部件的转速分别是NA2、NB2、NC2。其行星排可以是锥齿轮单层星行星排、变线速单层星行星排、普通圆柱齿轮单层星行星排。对于这三种单层星行星排，其运动特性方程Nt2+a*Nq2-(1+a)*Nj2＝0可以整理变形为Nj2＝(1/(1+a))*Nt2+(a/(1+a))*Nq2，m＝1/(1+a),1>m>0,且NA2对应的行星架j2也是A2作为周转控制端,符合条件二。以NA2对应的部件行星架j2作为周转控制端，周转控制端也是整个反向分动百向传动器的周转控制端，通过对周转控制端施加转矩可以控制该部件正转、停止或反转，即周转控制端的转速NA2值可以确定。以NB2、NC2对应的两个部件作为百向合动器行星排的两个中心轮，中心轮B2与反向分动器的分动端B1连接，中心轮C2与反向分动器的分动端C1连接。百向合动器行星排可以设置一组、两组或多组行星轮，以其中一个或两个行星轮作为单路输出端或双路输出端，这也是整个反向分动百向传动器的输出端，输出转速为行星轮自转转速NX2。以一组行星轮作为输出端，称为单路输出端，参见图2中的7所标示。以共轴反转的两组行星轮为输出端，称为双路输出端，参见图1中的7所标示。两图中输出端轴向指向都受周转控制端6的控制，转速NA2对应的部件行星架j2也是A2围绕百向合动器轴周转，其行星轮在周转的同时可以有自转转速NX2。图1、图2中的4、5、6、7所示部件组成的就是百向合动器采用的锥齿轮单层星行星排。在图1、图2中，周转控制端6上设置外齿环，外齿环啮合的旁轴齿轮8可以向周转控制端输入NA2。图3中4、5、6、7所示部件组成的就是百向合动器采用的变线速单层星行星排，其行星架j2也是A2，行星架上设置外齿环，作为周转控制端的行星架的周转转速NA2通过与之啮合的输入旁轴齿轮8输入来确定。这种旁轴齿轮输入是为了避免与其他零部件之间形成相互嵌套的矛盾。变线速单层星行星排服从其单层星行星排运动特性方程，但其行星轮实际上具有双层行星轮，这种结构形式称为变线速行星排的结构形式二。在图3中选了其中的外层行星轮也是变线速行星轮作为输出端，输出端轴向指向与百向合动器轴平行(呈0度夹角)围绕百向合动器轴周转，其周转转速为行星架转速NA2。图4是百向合动器采用普通圆柱齿轮单层星行星排的本发明的结构示意图。图中4、5、6、7所示部件组成普通圆柱齿轮单层星行星排。

由反向分动器和百向合动器组成的本发明反向分动百向传动器，是行星排复合结构，是二自由度决定系统，当反向分动器输入端A1、百向合动器周转控制端A2这两个旋转构件的转速NA1、转速NA2确定时，系统中所有旋转构件的转速被决定，输出端行星轮自转转速NX2也被决定。反向分动器行星排各运动方程、百向合动器行星排各运动方程可以组成方程组，以转速NA1、转速NA2的确定值，以及各个连接条件为条件，解方程组可以得到反向分动百向传动器中每一个旋转构件的转速。

以较小的转矩调节控制NA2的值，可以控制百向合动器行星排的行星架按需要的转速与方向围绕百向合动器轴周转，即百向合动器的行星轮输出端指向(输出端轴向指向)可以按需要围绕百向合动器轴受控制地周转。其中采用锥齿轮单层星行星排百向合动器的输出端轴向指向与百向合动器轴呈一定夹角围绕百向合动器轴周转，采用变线速单层星行星排或普通圆柱齿轮单层星行星排百向合动器的输出端轴向指向平行于百向合动器轴(呈0度夹角)围绕百向合动器轴周转。这样就都实现了输出端轴向指向与百向合动器轴保持一定夹角的，输出端轴向指向可以围绕百向合动器轴周转且周转可控的百向传动。

反向分动器采用变线速双层星行星排，结构简单传动效率高且比较便于获得较大的k值。变线速双层星行星排当特性参数接近1.0时，反向分动器运动方程中k值可以较大。k取值较大的本发明的反向分动器在分动传动的同时也是高效的大传动比的减速器，从NA1到NB1的传动比较大、从NA1到NC1的传动比较大，NA1的转速大于NB1的转速、大于NC1的转速。

当调节百向合动器行星排结构中的各部件齿轮齿数比例调节特性参数使m＝0.5时，周转转矩差较小，反向分动百向传动器的传动效率高。本发明优先采用其特性参数使m＝0.5的行星排作为百向合动器。百向合动器中使m＝0.5，且NA2对应的行星架j2也是A2作为周转控制端的行星排有两种，是锥齿轮单层星行星排、变线速单层星行星排。锥齿轮单层星行星排与变线速单层星行星排当特性参数为1.0时，其运动特性方程可以整理变形为1*Nt+1*Nq-(1+1)*Nj＝0，即NA2-0.5*NB2-(1-0.5)*NC2＝0，m＝0.5，j2为A2是周转控制端。变线速单层星行星排的运动特性方程服从单层星行星排的运动特性方程所以称为单层星行星排，但它其实具有两层行星轮，是变线速行星排的结构形式二，可以取其行星架作为周转控制端，可以其取外层行星轮作为输出端，其输出端轴向指向平行于百向合动器轴(呈0度夹角)围绕百向合动器轴周转且周转可控。对于百向合动器采用锥齿轮单层星行星排，当m＝0.5时，NB2＝-NC2，百向合动器的两个中心轮齿数相等。这时输出端轴向指向与百向合动器轴呈90度夹角，围绕百向合动器轴周转且周转可控。当m不等于0.5时，m*NB2＝-(1-m)*NC2，百向合动器的两个中心轮齿数不相等。这时输出端轴向指向与百向合动器轴呈实际所需要的非90度夹角，围绕百向合动器轴周转且周转可控。

本发明所述圆柱齿轮可以是直齿、斜齿、人字齿等，锥齿轮可以是直齿、曲齿等。齿轮可以是各种齿形。

本发明可用于飞行器的可倾转旋翼、直升机的输出端轴向指向可变向尾桨、轮船的输出端轴向指向可变向螺旋桨推进器等的百向传动。可作为单旋翼、共轴反转双旋翼、单螺旋桨、共轴反转双螺旋桨的百向传动器。可用于机床、机器人的传动。

本发明可以与其他机械组合使用。参见图5，取两套反向分动百向传动器，其百向合动器m＝0.5，并列于一个差速器及传动装置9之后，两套反向分动百向传动器从差速器及传动装置9各自获得两个输入转速，两个输出端7可以连接左右两个可转向主动轮向其输出两个输出转速，两个周转控制端6通过旁轴齿轮8连接齿轮齿条受转向装置控制，就可以形成机动车辆的可转向主动轮传动装置。左右两个可转向主动轮的控制周转的周转转矩差可以在转向装置中对消。这样的装置可替代万向传动转向装置用于机动车辆的可转向主动轮传动，传动效率较高，可转向角度范围较大，主动轮的传动受转向操控的影响很小。

本发明反向分动百向传动器的有益之处在于，提出了由反向分动器和百向合动器组成的二自由度决定系统的行星排复合结构作为本发明的结构。提出了反向分动器特征在于其行星排符合本发明所述条件一，百向合动器特征在于其行星排符合条件二。提出了反向分动器与百向合动器之间的连接方式。提出了在动力从输入端转速NA1传动到输出端自转转速NX2的传动过程中，通过控制周转控制端的周转转速NA2来控制输出端轴向指向周转，实现输出端轴向指向与百向合动器轴呈一定夹角的，输出端轴向指向可以围绕百向合动器轴周转且周转可控的百向传动的方法。

本发明提出，只要在传动机械中采用了由反向分动器和百向合动器组成的结构，反向分动器、百向合动器的特征符合本发明所述，在动力从输入端转速NA1到输出端自转转速NX2的传动过程中，通过控制周转控制端的周转转速NA2来控制输出端轴向指向周转，可以实现输出端轴向指向与百向合动器轴呈一定夹角的，输出端轴向指向可以围绕百向合动器轴周转且周转可控的百向传动的传动器，均应属于本发明的保护范围。

附图说明

图1为本发明反向分动百向传动器的一种示意图，也是本发明实施例1的示意图。输入端1，一个分动端2，另一个分动端3，一个中心轮4，另一个中心轮5，周转控制端6上设置外齿环，双路输出端7，与外齿环啮合的旁轴齿轮8可以向周转控制端输入NA2。其中1、2、3所示部件组成的反向分动器采用变线速双层星行星排。其中百向合动器锥齿轮单层星行星排的中心轮4、5的齿数相同，双路输出端输出的两个转速共轴且转速绝对值相同旋转方向相反。

图2为本发明反向分动百向传动器的另一种示意图。输入端1，一个分动端2，另一个分动端3，一个中心轮4，另一个中心轮5，周转控制端6设置外齿环，单路输出端7，与外齿环啮合的旁轴齿轮8可以向周转控制端输入NA2。其中1、2、3所示部件组成的反向分动器采用普通圆柱齿轮单层星行星排，4、5、6、7所示部件组成的百向合动器采用锥齿轮单层星行星排。

图3为本发明反向分动百向传动器的又一种示意图。输入端1，一个分动端2，另一个分动端3，一个中心轮4，另一个中心轮5，周转控制端6设置外齿环，单路输出端7，与外齿环啮合的旁轴齿轮8可以向周转控制端输入NA2。其中1、2、3所示部件组成的反向分动器采用普通圆柱齿轮单层星行星排，4、5、6、7所示部件组成的百向合动器采用变线速单层星行星排。

图4为本发明反向分动百向传动器的再一种示意图。输入端1，一个分动端2，另一个分动端3，一个中心轮4，另一个中心轮5，周转控制端6，单路输出端7。其中1、2、3所示部件组成的反向分动器采用变线速双层星行星排，4、5、6、7所示部件组成的百向合动器采用普通圆柱齿轮单层星行星排。

图5为两套反向分动百向传动器组成机动车辆可转向主动轮传动装置的示意图。输入端1，一个分动端2，另一个分动端3，一个中心轮4，另一个中心轮5，周转控制端6上设置外齿环，单路输出端7与主动轮连接，与外齿环啮合的旁轴齿轮8与齿轮齿条连接受转向装置控制，可以向周转控制端输入NA2，差速器及传动装置9。其中1、2、3所示部件组成的反向分动器采用变线速双层星行星排。其中百向合动器锥齿轮单层星行星排的中心轮4、5的齿数相同。

图1中的百向合动器以全幅行星排结构简图示意，其余各图中各行星排均按行业惯例以半幅行星排结构简图示意。各图中各部件只示意结构关系，未反映真实尺寸。

具体实施方式

实施例1：本发明反向分动百向传动器实施例1，由反向分动器与百向合动器组成，参见图1。其反向分动器采用变线速双层星行星排，其运动特性方程可以整理变形为NA1＝10*NB1-9*NC1。即变线速行星排的分动端中心轮B1齿轮齿数为20，变线速行星轮的两套齿轮中与之线速度相同的一侧齿轮齿数为20，另一分动端中心轮C1齿轮齿数为18，变线速行星轮的两套齿轮中与之线速度相同的另一侧齿轮齿数为20，以行星架A1作为输入端。该变线速双层星行星排的变线速行星轮上的两套齿轮模数不同，其特性参数为0.9。反向分动器运动方程中的k＝9。

其百向合动器采用锥齿轮单层星行星排形式，运动特性方程为NA2-0.5NB2-0.5NC2＝0。即锥齿轮单层星行星排的两个中心轮B2、C2齿轮齿数均为20，以行星架A2作为周转控制端，在行星架上均布设两组行星轮，行星轮齿轮齿数均为20，以共轴而旋转方向相反的两个行星轮为双路输出端,行星轮轴即输出端轴向指向，输出端轴向指向与百向合动器轴呈90度夹角，输出转速为NX2。该锥齿轮单层星行星排的特性参数为1.0，百向合动器运动方程中的m＝0.5。

反向分动器的分动端B1与百向合动器的中心轮B2直接连接，NB1＝NB2。反向分动器的另分动端C1与百向合动器的中心轮C2直接连接，NC1＝NC2。

当输入端转速NA1确定，以较小的转矩调节周转控制端转速NA2确定为零时，输出转速等比于输入转速：NX2＝(1/19)*NA1。输出端轴向指向与百向合动器轴呈90度夹角定向传动，输出端轴向指向不围绕百向合动器轴周转。保持输入端转速NA1，NX2＝(1/19)*NA1。以较小的转矩调节周转控制端转速NA2确定不为零时，输出端轴向指向与百向合动器轴呈90度夹角传动，同时输出端轴向指向按NA2的转速围绕百向合动器轴周转，实现百向传动的周转操控。本实施例1的双路输出端的输出转速绝对值相同旋转方向相反，可用于给共轴反转双螺旋桨(或共轴反转双旋翼)传动，可以通过调节周转控制端的周转转速NA2控制这套双螺旋桨(或双旋翼)的指向。需要时，本实施例1的输出端可以省略一路输出端成为单路输出端。本实施例1可用于飞行器的可倾转旋翼、直升机的可变输出端轴向指向尾桨、轮船的可变输出端轴向指向螺旋桨推进器等的百向传动。可作为单旋翼、共轴反转双旋翼、单螺旋桨、共轴反转双螺旋桨的百向传动器。可用于机床、机器人的传动。必要时，还可以根据具体实际需要灵活设定m的值不等于0.5，使得输出端轴向指向与百向合动器轴的夹角不等于90度而呈实际所需要的夹角。

上述实施例仅为本发明的部分实施方式。

Claims (2)

1.反向分动百向传动器，由反向分动器与百向合动器构成，具有特定的连接方式与传动路径，所述反向分动器是单排行星排，特征是其行星排符合条件一：其运动特性方程在整理变形后的形式是NA1＝(1+k)*NB1-k*NC1，k>1.0，所述百向合动器是单排行星排，其行星排轴就是百向合动器轴，其行星排可以是锥齿轮单层星行星排、变线速单层星行星排或普通圆柱齿轮单层星行星排，特征是其行星排符合条件二：其运动特性方程在整理变形后的形式是NA2-m*NB2-(1-m)*NC2＝0，1>m>0，且NA2对应的行星架A2也是j2作为周转控制端，在反向分动器行星排中，以NA1对应的部件A1作为反向分动器的输入端，这也是本发明反向分动百向传动器的输入端，以反向分动器其余两个部件作为分动端，分动端B1连接百向合动器中心轮B2，分动端C1连接百向合动器中心轮C2，在百向合动器行星排中，以NA2对应的部件行星架j2也是A2作为周转控制端，这也是本发明反向分动百向传动器的周转控制端，以百向合动器中的一个或两个行星轮作为输出端，输出转速为行星轮自转转速NX2，这也是本发明反向分动百向传动器的输出端。

2.如权利要求1所述的反向分动百向传动器，是复合行星排结构，是二自由度决定系统，当输入端的转速NA1与周转控制端的转速NA2确定时，系统中所有旋转构件的转速被决定，百向合动器中输出端行星轮的自转转速NX2也被决定，通过调节反向分动器与百向合动器这两个行星排中的各部件齿轮齿数比例、调节两个行星排的特性参数使k与m的取值确定，输入NA1，动力可以从输入端NA1传动到输出端NX2，通过控制周转控制端转速NA2的值，可以控制百向合动器中行星架按需要的周转转速与方向围绕百向合动器轴周转，其行星轮输出端指向(输出端轴向指向)也围绕百向合动器轴周转，其中采用锥齿轮单层星行星排百向合动器的输出端轴向指向与百向合动器轴呈一定夹角围绕百向合动器轴周转，采用变线速单层星行星排或普通圆柱齿轮单层星行星排百向合动器的输出端轴向指向平行于百向合动器轴(呈0度夹角)围绕百向合动器轴周转，这样就实现了输出端轴向指向与百向合动器轴保持一定夹角的，输出端轴向指向可以围绕百向合动器轴周转且周转可控的百向传动，本发明反向分动百向传动器优先采用使m＝0.5的特性参数所对应的行星排作为百向合动器。