CN111173894B

CN111173894B - 一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元

Info

Publication number: CN111173894B
Application number: CN202010008302.9A
Authority: CN
Inventors: 闫济东; 邢鹏达
Original assignee: Henan Zhulong High Tech Co ltd
Current assignee: Henan Zhulong High Tech Co ltd
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2040-01-06
Also published as: CN111173894A

Abstract

本发明提供一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，包括内圈传动轮、内圈活齿、中间传动轮、外圈活齿、外圈传动轮等。在单级根切摆线活齿传动单元的基础上，再加一级单级根切摆线活齿传动单元，二者之间不是简单的串联关系，而是第一级单级根切活齿传动单元的输入和输出同时作为第二级单级根切活齿传动单元的输入；整个机构可以等效为双级差动轮系，其组合形式灵活多样，既可全部采用单级根切外摆线活齿传动单元，又可以全部采用单级根切内摆线活齿传动单元，还可以同时采用单级根切外摆线活齿传动单元与单级根切内摆线活齿传动单元，且每个单元还可有正向布置与反向布置两种选择，因此共有十六种组合形式，不同的组合形式，减速比计算公式也有所不同。

Description

一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元

技术领域

本发明涉及活齿传动技术领域，特别涉及一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元。

背景技术

在传统的渐开线齿轮传动中，某些特殊情况下，设计出的齿轮会出现根切，虽不影响齿轮的传动精度，但是单个齿的根部由于根切厚度变薄，齿轮抗弯曲能力下降，重合度减少，影响传动的平稳性，故而在传统的设计思想中，渐开线齿轮的设计是尽量避免根切的。而在另一种传统的传动形式——摆线针轮传动技术中，摆线轮的实际齿廓是严格的不允许根切的，因为根切会使其传动失真。随着新型传动技术(具有代表性的即活齿传动技术)的发展，在摆线针轮传动思想的基础上，套用活齿传动理论，可将其针齿变为钢球活齿，将摆线轮变为带有摆线滚道的传动轮，即得到了摆线活齿传动机构，其相比于摆线针轮，在结构原理上实现了整周全齿啮合，大大提高了传动的承载能力和抗冲击能力，其设计思想也是避免摆线滚道实际啮合齿廓出现根切的，而且，在传统的三维实体建模软件中，如果选择的活齿尺寸过大，则摆线滚道实际啮合齿廓就会出现根切现象，在软件里的表现即为模型建立不起来，会报错，进而，广大相关从业人员及设计师的思维就此被限制住了。如专利号为CN201721031991.5提出了《一种摆线钢球减速装置及其机器人关节》，其说明书中就明确提出了避免根切及避免根切的条件。由以上情况而来的问题是，传统的摆线钢球活齿减速器，其功率密度不高，通俗的讲，就是体积大，传动比相对小，空间利用不够充分，缺乏市场竞争力。针对此问题，另辟蹊径，打破传统的设计思维，反其道而行之，即在摆线活齿传动的设计中，不仅不避免根切现象，而且还要利用根切现象，设计的摆线齿廓就要根切的，从而得到了根切摆线活齿传动技术。根切摆线活齿传动较传统摆线活齿传动而言，相同尺寸下，活齿数量更多，传动比更大，基本达到全齿整周啮合受力，其综合性能均优于传统的摆线活齿传动结构；与摆线针轮传动结构相比，根切摆线活齿传动具有制造更简单、零部件更少、装配简单、使用寿命更长、承载能力和抗冲击能力更大等优点。将根切摆线活齿传动技术应用在减速器当中，成了亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，在单级根切摆线活齿传动单元的基础上，再加一级单级根切摆线活齿传动单元，二者之间不是简单的串联关系，而是第一级单级根切活齿传动单元的输入和输出同时作为第二级单级根切活齿传动单元的输入；整个机构可以等效为双级差动轮系，其组合形式灵活多样，既可全部采用单级根切外摆线活齿传动单元，又可以全部采用单级根切内摆线活齿传动单元，还可以同时采用单级根切外摆线活齿传动单元与单级根切内摆线活齿传动单元，且每个单元还可有正向布置与反向布置两种选择，因此共有十六种组合形式，不同的组合形式，减速比计算公式也有所不同。

本发明所使用的技术方案是：一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，包括内圈传动轮、内圈活齿、中间传动轮、外圈活齿、外圈传动轮，所述的内圈传动轮右侧有内圈活齿啮合副；中间传动轮左端面内侧有内圈活齿啮合副、外侧有外圈活齿啮合副；外圈传动轮右侧有外圈活齿啮合副；一圈沿圆周均匀分布的内圈活齿全部同时与内圈传动轮和中间传动轮上的内圈活齿啮合副啮合；一圈沿圆周均匀分布的外圈活齿全部同时与外圈传动轮和中间传动轮上的外圈活齿啮合副啮合；中间传动轮轴线与内圈传动轮轴线平行且两个轴线不重合；外圈传动轮与内圈传动轮同轴线；两个内圈活齿啮合副中的一个为根切摆线滚道时，另一个就是与内圈活齿数相同的均布活齿槽；两个外圈活齿啮合副中的一个为根切摆线滚道时，另一个就是与外圈活齿数相同的均布活齿槽；根切摆线滚道为满足根切条件尺寸的活齿沿着传动轮上的摆线扫略一周得到的具有根切特征的包络面。

进一步的，采用象形法取象征意义，用符号S代表根切摆线滚道，用符号O表示活齿槽，S与对应的O连在一起即为一对活齿啮合副，再加上活齿，即构成一个单级根切摆线活齿传动单元，啮合副按照内圈从左到右再到外圈从右到左的顺序，根据排列组合，双级封闭式根切摆线活齿传动单元共有SOSO、SOOS、OSSO和OSOS四种传动结构。

进一步的，在SOSO、SOOS、OSSO和OSOS四种传动结构中，两个根切摆线滚道均同时采用根切内摆线滚道。

进一步的，在SOSO、SOOS、OSSO和OSOS四种传动结构中，两个根切摆线滚道均同时采用根切外摆线滚道。

进一步的，所述的一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，在SOSO、SOOS、OSSO和OSOS四种传动结构中，两个根切摆线滚道中，任选一个采用根切内摆线滚道，剩下的一个采用根切外摆线滚道。

进一步的，所述的根切摆线滚道的啮合曲线采用内摆线时，其滚道内侧齿廓发生了根切而外侧齿廓不根切，且滚道波数比活齿数多一；齿廓根切处倒钝或不倒钝；此时根切摆线滚道为根切内摆线滚道，其啮合曲线C的平面直角坐标参数方程为：

上式中，R-内摆线径向半径；A-内摆线幅值；Z_c-内摆线波数。

进一步的，所述的根切摆线滚道的啮合曲线采用外摆线时，其滚道外侧齿廓发生了根切而内侧齿廓不根切，且滚道波数比活齿数少一；齿廓根切处倒钝或不倒钝；此时根切摆线滚道为根切外摆线滚道，其啮合曲线C的平面直角坐标参数方程为：

上式中，R-外摆线径向半径；A-外摆线幅值；Z_c-外摆线波数。

进一步的，所述的活齿槽槽面与内圈活齿完全贴合；与外圈活齿啮合的活齿槽槽面与外圈活齿完全贴合。

进一步的，所述的内圈活齿和外圈活齿均为旋转体，沿其轴线做任意切面，均可得到平面内左右两条互相对称的母线，该母线为平面连续曲线，其上每一点到轴线的距离为D；在集合D中，与根切摆线滚道啮合的那段母线对应的子集中的最大值D_max需要满足可以使滚道发生根切的关系式：

D_max＞ρ_min

式中，ρ_min——摆线曲率半径ρ的最小值。

进一步的，当摆线参数方程确定时，其上任意一点的曲率半径随之确定；摆线曲率半径的计算公式为：

由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：(1)同尺寸情况下，相比于传统摆线活齿减速单元，本单元具备更多的活齿数目或更大的活齿尺寸，从而具备更大的减速比和更大的承载力；(2)采用双级封闭式结构，具备组合形式灵活多样且拥有宽传动比范围的特性；(3)局部根切不影响整体传动的精确性和连续性，且所有活齿参与啮合传力，抗冲击能力强；(4)相比于双级依次相连的封闭式结构，本结构拥有更小的长径比；(5)结构简单紧凑，便于加工制造及装配。

附图说明

图1、图2为本发明的SOSO型且双级均为根切内摆线滚道的传动单元分解图。

图3、图4为本发明的SOSO型且双级均为根切外摆线滚道的传动单元分解图。

图5、图6为本发明的SOSO型且一级为根切内摆线滚道二级为根切外摆线滚道的传动单元分解图。

图7、图8为本发明的SOSO型且一级为根切外摆线滚道二级为根切内摆线滚道的传动单元分解图。

图9、图10为本发明的SOOS型且双级均为根切内摆线滚道的传动单元分解图。

图11、图12为本发明的SOOS型且双级均为根切外摆线滚道的传动单元分解图。

图13、图14为本发明的SOOS型且一级为根切内摆线滚道二级为根切外摆线滚道的传动单元分解图。

图15、图16为本发明的SOOS型且一级为根切外摆线滚道二级为根切内摆线滚道的传动单元分解图。

图17、图18为本发明的OSSO型且双级均为根切内摆线滚道的传动单元分解图。

图19、图20为本发明的OSSO型且双级均为根切外摆线滚道的传动单元分解图。

图21、图22为本发明的OSSO型且一级为根切内摆线滚道二级为根切外摆线滚道的传动单元分解图。

图23、图24为本发明的OSSO型且一级为根切外摆线滚道二级为根切内摆线滚道的传动单元分解图。

图25、图26为本发明的OSOS型且双级均为根切内摆线滚道的传动单元分解图。

图27、图28为本发明的OSOS型且双级均为根切外摆线滚道的传动单元分解图。

图29、图30为本发明的OSOS型且一级为根切内摆线滚道二级为根切外摆线滚道的传动单元分解图。

图31、图32为本发明的OSOS型且一级为根切外摆线滚道二级为根切内摆线滚道的传动单元分解图。

附图标号：1-内圈传动轮；2-内圈活齿；3-中间传动轮；4-外圈活齿；5-外圈传动轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，包括包括内圈传动轮、内圈活齿、中间传动轮、外圈活齿、外圈传动轮，内圈传动轮右侧有内圈活齿啮合副；中间传动轮左端面内圈有内圈活齿啮合副，中间传动轮左端面外圈有外圈活齿啮合副；外圈传动轮右侧有外圈活齿啮合副；一圈沿半径为R₁的圆周均布分布的数量为Z_b1的内圈活齿全部同时与内圈传动轮和中间传动轮上的内圈活齿啮合副啮合；一圈沿半径为R₂的圆周均布分布的数量为Z_b2的外圈活齿全部同时与外圈传动轮和中间传动轮上的外圈活齿啮合副啮合；中间传动轮轴线与内圈传动轮轴线平行且两个轴线之间的距离为A；外圈传动轮与内圈传动轮同轴线；活齿啮合副为成对出现的根切摆线滚道与和活齿数相同的均布活齿槽；根切摆线滚道为满足根切条件尺寸的活齿沿着传动轮上的摆线扫略一周的包络面；沿着内摆线扫略一周得到的根切摆线滚道为根切内摆线滚道，其滚道内侧根切外侧不跟切，其滚道波数比对应活齿槽数多一；沿着外摆线扫略一周得到的根切摆线滚道为根切外摆线滚道，其滚道外侧根切内侧不跟切，其滚道波数比对应活齿槽数少一；活齿槽啮合面与活齿无缝贴合；当内圈传动轮右侧上的内圈活齿啮合副为根切摆线滚道时，则对应的中间传动轮左端面内圈上的内圈活齿啮合副为活齿槽；当内圈传动轮右侧上的内圈活齿啮合副为活齿槽时，则对应的中间传动轮左端面内圈上的内圈活齿啮合副为根切摆线滚道；当中间传动轮左端面外圈上的外圈活齿啮合副为根切摆线滚道时，则对应的外圈传动轮右侧上的外圈活齿啮合副为活齿槽；当中间传动轮左端面外圈上的外圈活齿啮合副为活齿槽时，则对应的外圈传动轮右侧上的外圈活齿啮合副为根切摆线滚道。采用象形法取象征意义，用符号S代表根切摆线滚道，用符号O表示活齿槽，S与对应的O连在一起即为一对活齿啮合副，再加上活齿，即构成一个单级根切摆线活齿传动单元，按照啮合副排列组合的布置形式，共有SOSO、SOOS、OSSO和OSOS四种传动形式，针对其中任意一种传动结构，又分为双级均为根切内摆线滚道、双级均为根切外摆线滚道、一级为根切内摆线滚道二级为根切外摆线滚道、一级为根切外摆线滚道二级为根切内摆线滚道四种情况，共计十六种传动结构。

根切内摆线滚道，根切内摆线滚道的理论内摆线啮合曲线在平面直角坐标系中的参数方程为：

以上各式中，R-活齿槽分布圆半径，即活齿槽轴心到活齿槽所在传动轮轴心的距离；A-根切内摆线滚道所在传动轮轴线与对应活齿槽所在传动轮轴线之间的距离；Z_c-根切内摆线滚道的波数。

根切外摆线滚道，根切外摆线滚道的理论外摆线啮合曲线在平面直角坐标系中的参数方程为：

以上各式中，R-活齿槽分布圆半径，即活齿槽轴心到活齿槽所在传动轮轴心的距离；A-根切外摆线滚道所在传动轮轴线与对应活齿槽所在传动轮轴线之间的距离；Z_c-根切外摆线滚道的波数。

实施例采用象形法取象征意义，用符号S代表根切摆线滚道，用符号O表示活齿槽，S与对应的O连在一起即为一对活齿啮合副，再加上活齿，即构成一个单级根切摆线活齿传动单元。由前述可知，内圈传动轮右侧有一个活齿啮合副，中间传动轮左端面内外圈各有一个活齿啮合副，外圈传动轮右侧有一个活齿啮合副，按照内圈从左到右再到外圈从右到左的顺序，一共四个即两组活齿啮合副，分别与内圈活齿和外圈活齿一起构成了本发明的双级封闭式根切摆线活齿传动单元。按照内圈从左到右再到外圈从右到左的顺序，内圈传动单元为一级传动单元，外圈传动单元为二级传动单元，按照前述的符号表达，本发明按照啮合副排列组合的布置形式，共有SOSO、SOOS、OSSO和OSOS四种传动形式，针对其中任意一种传动结构，又分为双级均为根切内摆线滚道、双级均为根切外摆线滚道、一级为根切内摆线滚道二级为根切外摆线滚道、一级为根切外摆线滚道二级为根切内摆线滚道四种情况，共计十六种传动结构。

图1至图32为本发明的十六种优选实施例，在这十六种优选实施例中，活齿均采用尺寸相同的标准球体。其传动参数见表1：

表1结构理论参数表

本发明工作原理：由前述，本发明的结构按照啮合副排列组合的布置形式，共有SOSO、SOOS、OSSO和OSOS四种传动形式，SOSO反过来就是OSOS，OSOS反过来就是SOSO，而SOOS与OSSO反过来还是自身，故统一按照左端固定来说明其传动原理及减速比计算公式，即可涵盖所有情况。

当内圈传动轮固定时，驱动中间传动轮的轴线绕着内圈传动轮的轴线公转，此时沿圆周均布的内圈活齿同时与内圈传动轮的内圈活齿啮合副以及中间传动轮的内圈活齿啮合副同时啮合，由于内圈传动轮的内圈活齿啮合副与内圈传动轮固连而固定不动，故内圈活齿在与内圈传动轮的内圈活齿啮合副啮合的同时，通过中间传动轮的内圈活齿啮合副，推动中间传动轮沿着自身轴线自转，故中间传动轮的运动为绕着内圈传动轮轴线的公转以及绕着自身轴线的自转，在中间传动轮以上述规律运动的同时，其上左端面外圈的外圈活齿啮合副，推动与之啮合的外圈活齿，进而通过推动与外圈活齿啮合的外圈传动轮的外圈活齿啮合副，而推动外圈传动轮沿着自身轴线自转，由于外圈传动轮与内圈传动轮同轴线，故运动经由内圈轴线输入，最终由外圈减速输出。

四种传动形式的减速比计算公式分别对应如下：

对于SOSO型，其减速比计算公式为：

对于SOOS型，其减速比计算公式为：

对于OSSO型，其减速比计算公式为：

对于OSOS型，其减速比计算公式为：

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，包括内圈传动轮、内圈活齿、中间传动轮、外圈活齿、外圈传动轮，其特征在于：所述的内圈传动轮右侧有内圈活齿啮合副；中间传动轮左端面内侧有内圈活齿啮合副、外侧有外圈活齿啮合副；外圈传动轮右侧有外圈活齿啮合副；一圈沿圆周均匀分布的内圈活齿全部同时与内圈传动轮和中间传动轮上的内圈活齿啮合副啮合；一圈沿圆周均匀分布的外圈活齿全部同时与外圈传动轮和中间传动轮上的外圈活齿啮合副啮合；中间传动轮轴线与内圈传动轮轴线平行且两个轴线不重合；外圈传动轮与内圈传动轮同轴线；两个内圈活齿啮合副中的一个为根切摆线滚道时，另一个就是与内圈活齿数相同的均布活齿槽；两个外圈活齿啮合副中的一个为根切摆线滚道时，另一个就是与外圈活齿数相同的均布活齿槽；根切摆线滚道为满足根切条件尺寸的活齿沿着传动轮上的摆线扫略一周得到的具有根切特征的包络面。

2.如权利要求1所述的一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，其特征在于：采用象形法取象征意义，用符号S代表根切摆线滚道，用符号O表示活齿槽，S与对应的O连在一起即为一对活齿啮合副，再加上活齿，即构成一个单级根切摆线活齿传动单元，啮合副按照内圈从左到右再到外圈从右到左的顺序，根据排列组合，双级封闭式根切摆线活齿传动单元共有SOSO、SOOS、OSSO和OSOS四种传动结构；在SOSO、SOOS、OSSO和OSOS四种传动结构中，两个根切摆线滚道均同时采用根切内摆线滚道，或均同时采用根切外摆线滚道，或任选一个采用根切内摆线滚道且剩下的一个采用根切外摆线滚道。

3.如权利要求2所述的一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，其特征在于：根切摆线滚道的啮合曲线采用内摆线时，其滚道内侧齿廓发生了根切而外侧齿廓不根切，且滚道波数比活齿数多一；齿廓根切处倒钝或不倒钝；此时根切摆线滚道为根切内摆线滚道，其啮合曲线C的平面直角坐标参数方程为：

上式中，R-啮合曲线C的径向半径；A-啮合曲线C的幅值；Z_c-啮合曲线C的波数。

4.如权利要求2所述的一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，其特征在于：根切摆线滚道的啮合曲线采用外摆线时，其滚道外侧齿廓发生了根切而内侧齿廓不根切，且滚道波数比活齿数少一；齿廓根切处倒钝或不倒钝；此时根切摆线滚道为根切外摆线滚道，其啮合曲线C的平面直角坐标参数方程为：

5.如权利要求1所述的一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，其特征在于：与内圈活齿啮合的活齿槽槽面与内圈活齿完全贴合；与外圈活齿啮合的活齿槽槽面与外圈活齿完全贴合。

6.如权利要求1所述的一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，其特征在于：内圈活齿和外圈活齿均为旋转体，沿其轴线做任意切面，均可得到平面内左右两条互相对称的母线，该母线为平面连续曲线，其上每一点到轴线的距离为D；在集合D中，与根切摆线滚道啮合的那段母线对应的子集中的最大值D_max需要满足可以使滚道发生根切的关系式：

D_max＞ρ_min

式中，ρ_min——摆线曲率半径ρ的最小值。

7.如权利要求6所述的一种双级嵌套封闭式根切摆线活齿传动单元，其特征在于：摆线上任意一点的曲率半径的计算公式为：

式中，x和y为摆线在平面直角坐标系中的坐标值。