CN111237397A - 一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，包括外摆线组合齿面传动轮、活齿、内摆线组合齿面传动轮等。一对外摆线组合齿面传动轮和内摆线组合齿面传动轮上分别加工有一个外摆线组合齿面滚道和一个内摆线组合齿面滚道；外摆线组合齿面滚道和内摆线组合齿面滚道的波数相差二且滚道幅值相等；一圈沿圆周均布的、彼此接触的密排活齿分别与外摆线组合齿面滚道和内摆线组合齿面滚道接触啮合；活齿数量为外摆线齿面滚道和内摆线齿面滚道波数总和的一半；外摆线组合齿面传动轮轴线与内摆线组合齿面传动轮轴线平行且距离等于滚道幅值的二倍。

Description

一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元

技术领域

本发明涉及活齿传动技术领域，特别涉及一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元。

背景技术

随着活齿传动技术的发展，各种活齿传动构型层出不穷，具备代表性的如推杆活齿传动、滚柱(钢球)活齿传动、摆动活齿传动、套筒活齿传动和平面钢球传动等；无论什么形式的活齿传动技术，其核心和实质均为活齿沿着其啮合曲线的运动，活齿沿着啮合曲线运动得到的空间轨迹曲面即为实际活齿啮合齿面，在传统的活齿设计中，其实际啮合齿面是连续的、且避免根切的。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啮合齿面需要避免根切及其相应的条件。

活齿传动领域的设计人员应该知道的一个常识是，在条件合理的情况下，相同尺寸条件下的两种活齿减速器，减速比越大越好；减速比与尺寸都相同的两种减速器，活齿数量越多越好；减速比、尺寸与活齿数量都相同的两种减速器，活齿个头越大越好。但在遵循传统的设计方法和规则的情况下，设计出的减速器，其功率密度并不理想，通俗的讲，就是体积大，传动比相对小，空间利用不够充分。现有的所有的研究与优化，都是基于啮合副不根切的条件下进行的，一般的优化都是进行参数优化与齿形修型，具有很大的局限性，并不能为减速器带来显著的性能提升。

如专利号为CN86104457提出了《无齿轮的差动减速器》，采用一对分别加工有内摆线滚道的盘和加工有外摆线滚道的盘为啮合传动副，两盘相对并在滚道中放入传动钢球，它利用了摆线传动的优点，并且钢球能循环运动，但传动比较小。高速运转后，相邻两滚珠之间的距离会发生变化，两滚珠会碰撞到一起，导致减速机卡死，运转时间长了以后会出现内膨胀等。

针对以上问题，打破常规思维，反其道而行之，进入新的设计领域，即在减速器设计过程中，充分挖掘与利用根切条件，并将活齿进行密排设计，以此设计出综合性能明显优异于现有技术的活齿减速器，成了活齿减速机领域一个新的方向和亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，一对外摆线组合齿面传动轮和内摆线组合齿面传动轮上分别加工有一个外摆线组合齿面滚道和一个内摆线组合齿面滚道；外摆线组合齿面滚道和内摆线组合齿面滚道的波数相差二且滚道幅值相等；一圈沿圆周均布的、彼此接触的密排活齿分别与外摆线组合齿面滚道和内摆线组合齿面滚道接触啮合；活齿数量为外摆线齿面滚道和内摆线齿面滚道波数总和的一半；外摆线组合齿面传动轮轴线与内摆线组合齿面传动轮轴线平行且距离等于滚道幅值的二倍。

本发明所使用的技术方案是：一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，包括外摆线组合齿面传动轮、活齿、内摆线组合齿面传动轮、外摆线组合齿面滚道、内摆线组合齿面滚道，外摆线组合齿面传动轮上有一个外摆线组合齿面滚道；内摆线组合齿面传动轮上有一个内摆线组合齿面滚道；外摆线组合齿面滚道的波数比内摆线组合齿面滚道的波数少二；外摆线组合齿面滚道与内摆线组合齿面滚道的幅值相等；一圈沿圆周均布的活齿分别同时与外摆线组合齿面滚道和内摆线组合齿面滚道接触啮合；所有活齿彼此之间相互接触；活齿的数量为内、外摆线组合齿面滚道波数之和的一半；外摆线组合齿面传动轮轴线与内摆线组合齿面传动轮轴线平行且两轴线之间的距离等于内、外摆线组合齿面滚道的幅值之和。

进一步的，外摆线组合齿面滚道由数量均与外摆线组合齿面滚道波数相同且沿圆周均布的正齿面、负齿面和正旋切面组合拼接而成；内摆线组合齿面滚道由数量均与内摆线组合齿面滚道波数相同且沿圆周均布的正齿面、负齿面和负旋切面组合拼接而成。

进一步的，活齿齿面为关于其轴线的旋转体，其种类包括理论活齿齿面和实际活齿齿面；实际活齿齿面为理论活齿齿面的旋转内切面；活齿齿面既可以采用理论活齿齿面，也可以采用实际活齿齿面。

进一步的，正齿面的啮合曲线为正齿线，负齿面的啮合曲线为负齿线；正齿线或负齿线均为外摆线或内摆线上的、长度不超过一个波的且关于波峰或波谷对称的一段对称波段。

进一步的，组成外摆线组合齿面滚道的所有正齿面和负齿面上的正齿线和负齿线的并集是一条完整的平面闭合外摆线，为外摆线组合齿面滚道的啮合曲线；组成内摆线组合齿面滚道的所有正齿面和负齿面上的正齿线和负齿线的并集是一条完整的平面闭合内摆线，为内摆线组合齿面滚道的啮合曲线；外摆线在平面直角坐标系中的参数方程为：

内摆线在平面直角坐标系中的参数方程为：

以上各式中，R-啮合曲线径向半径；A-啮合曲线幅值；Z_c-啮合曲线波数。

进一步的，啮合曲线的曲率半径ρ为

进一步的，理论活齿齿面上的点到理论活齿齿面轴线的最大距离为D_max，D_max满足方程组：

式中，R-啮合曲线径向半径；Z_b-活齿个数；ρ_min-啮合曲线的曲率半径ρ的最小值。

进一步的，活齿轴线与正齿线或负齿线所在平面垂直相交的交点为活齿啮合点；理论活齿齿面沿轴向的横截面关于轴线一分为二的两个对称的截面为扫描截面；活齿啮合点在正齿线上并沿着正齿线从一端运动至另一端、运动过程中活齿轴线始终垂直于正齿线所在平面、扫描截面始终垂直于正齿线切向、扫描截面的运动轨迹包络面和内摆线组合齿面传动轮或外摆线组合齿面传动轮的相交面即为正齿面；活齿啮合点在负齿线上并沿着负齿线从一端运动至另一端、运动过程中活齿轴线始终垂直于负齿线所在平面、扫描截面始终垂直于负齿线切向、扫描截面的运动轨迹包络面和内摆线组合齿面传动轮或外摆线组合齿面传动轮的相交面即为负齿面。

进一步的，内摆线组合齿面传动轮或外摆线组合齿面传动轮上的正齿面和负齿面全部生成后，会在内摆线组合齿面传动轮或外摆线组合齿面传动轮上留下与正齿面或负齿面个数相同的沿圆周均布的一圈三棱柱；三棱柱的两个侧面为平面，一个侧面为曲面；任取三棱柱的一个平侧面和一个曲侧面，将该平侧面的与曲侧面相交的边向外延拓Δ，然后将延拓后的曲面，绕着两平侧面的交线旋转至另一个平侧面，旋转切除后在内摆线组合齿面传动轮或外摆线组合齿面传动轮上留下的曲面即为正旋切面或负旋切面；正旋切面在两个正齿面之间；负旋切面在两个负齿面之间。

进一步的，延拓宽度Δ满足不等式：

Δ≤D_max

式中，D_max-理论活齿齿面上的点到理论活齿齿面轴线的最大距离。

由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：(1)所有正齿线和负齿线的并集是一条完整的闭合啮合曲线，为平面外摆线或内摆线，故本单元的传动过程是精确连续的，且所有活齿同时参与啮合传力，抗冲击能力强；(2)所有正旋切面与负旋切面均不参与啮合传动，因此也不影响啮合传动；(3)同尺寸情况下，相比于传统二齿差摆线活齿传动单元，本单元具备更多的活齿数目或更大的活齿尺寸，从而在应用于减速器上时具备更大的减速比和更大的承载力；(4)活齿齿面设计灵活多变，可以直接采用理论齿面，也可以采用任意形状的内切于理论齿面内的旋转齿面。采用前者时，啮合副为全线接触啮合；采用后者时，啮合副为短线接触啮合或点接触啮合；(5)相比于传动二齿差摆线活齿传动单元，本单元所有活齿相互接触，在传动过程中不会存在卡死与活齿窜动现象，且装配时无需考虑活齿的位置问题，直接在滚道内放入活齿即可，极大地降低了装配难度；(6)结构简单灵活，便于加工制造及装配。

附图说明

图1、图2为本发明的传动单元分解结构示意图。

图3、图4为本发明的传动单元装配剖视结构示意图。

图5、图6为本发明的外摆线组合齿面传动轮的负齿面生成过程示意图。

图7、图8为本发明的外摆线组合齿面传动轮的正齿面生成过程示意图。

图9为本发明的外摆线组合齿面传动轮的零件结构示意图。

图10、图11为本发明的内摆线组合齿面传动轮的正齿面生成过程示意图。

图12、图13为本发明的内摆线组合齿面传动轮的负齿面生成过程示意图。

图14为本发明的内摆线组合齿面传动轮的零件结构示意图。

附图标号：1-外摆线组合齿面传动轮；2-活齿；3-内摆线组合齿面传动轮；101-负齿面；102-正齿面；103-正旋切面；104-外摆线组合齿面滚道；301-正齿面；302-负齿面；303-负旋切面；304-内摆线组合齿面滚道；10101-负齿线；10201-正齿线；30101-正齿线；30201-负齿线。

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。

图1～14为本发明的优选实施例，在该实施例当中，活齿采用标准球体，其半径r即为理论活齿齿面上的点到理论活齿齿面轴线的最大距离为D_max，故

r＝Rsin(π/Z_b)

式中，R-啮合曲线径向半径；Z_b-活齿个数。

外摆线组合齿面滚道的啮合曲线方程为：

内摆线组合齿面滚道的啮合曲线方程为：

以上两式中x和y的单位均为毫米。

由上述可知本实施例的参数表，见表1。

表1结构理论参数表

表1中，活齿的半径为近似值，且实际加工时，活齿直径不可能加工至精确的理论值，能满足工程应用的需要即可。且制定加工公差时，在理论值的基础上选取负公差。

内、外摆线组合齿面滚道的生成原理：规定，径向向外为正、向内为负。活齿轴线与正齿线或负齿线所在平面垂直相交的交点为活齿啮合点；理论活齿齿面沿轴向的横截面关于轴线一分为二的两个对称的截面为扫描截面。

如图5所示，对于外摆线组合齿面传动轮，选取一段长度为一个波长的关于波谷对称的对称波段，即外摆线组合齿面传动轮上的负齿线，此时啮合点为活齿截面圆的圆心，扫描截面为1/4圆；圆心在负齿线上并沿着负齿线从一端运动至另一端、运动过程中活齿轴线始终垂直于负齿线所在平面、扫描截面始终垂直于负齿线切向、扫描截面的运动轨迹包络面和外摆线组合齿面传动轮的相交面即为负齿面；得到一个负齿面后，将其关于外摆线组合齿面传动轮轴线均布圆周阵列，得到所有负齿面，如图6所示。

如图7所示，在外摆线组合齿面传动轮上选取一段长度不足一个波长的关于波峰对称的对称波段，该波段的最小曲率半径大于或等于活齿半径，该波段即为外摆线组合齿面传动轮上的正齿线，此时啮合点为活齿截面圆的圆心，扫描截面为1/4圆；圆心在正齿线上并沿着正齿线从一端运动至另一端、运动过程中活齿轴线始终垂直于正齿线所在平面、扫描截面始终垂直于正齿线切向、扫描截面的运动轨迹包络面和外摆线组合齿面传动轮的相交面即为正齿面；得到一个正齿面后，将其关于外摆线组合齿面传动轮轴线均布圆周阵列，得到所有正齿面，如图8所示。在图8中可以看到，此时外摆线组合齿面传动轮上有沿圆周均布的与正齿面或负齿面个数相同的三棱柱，对于每一个三棱柱，有两个平侧面和一个曲侧面，任取一个平侧面，将其沿着与曲侧面交线的边向外拓宽Δ，延拓宽度Δ满足不等式：

Δ≤D_max＝r

则可得到旋切截面CS；将位于一个平侧面上的旋切截面CS沿着两个平侧面的交线旋转至另一个平侧面后、旋转切除掉三棱柱并在外摆线组合齿面传动轮上留下的曲面即为正旋切面，如图9所示。

如图10所示，对于内摆线组合齿面传动轮，选取一段长度为一个波长的关于波峰对称的对称波段，即内摆线组合齿面传动轮上的正齿线，此时啮合点为活齿截面圆的圆心，扫描截面为1/4圆；圆心在正齿线上并沿着正齿线从一端运动至另一端、运动过程中活齿轴线始终垂直于正齿线所在平面、扫描截面始终垂直于正齿线切向、扫描截面的运动轨迹包络面和内摆线组合齿面传动轮的相交面即为正齿面；得到一个正齿面后，将其关于内摆线组合齿面传动轮轴线均布圆周阵列，得到所有正齿面，如图11所示。

如图12所示，在内摆线组合齿面传动轮上选取一段长度不足一个波长的关于波谷对称的对称波段，该波段的最小曲率半径大于或等于活齿半径，该波段即为内摆线组合齿面传动轮上的负齿线，此时啮合点为活齿截面圆的圆心，扫描截面为1/4圆；圆心在负齿线上并沿着负齿线从一端运动至另一端、运动过程中活齿轴线始终垂直于负齿线所在平面、扫描截面始终垂直于负齿线切向、扫描截面的运动轨迹包络面和内摆线组合齿面传动轮的相交面即为负齿面；得到一个负齿面后，将其关于内摆线组合齿面传动轮轴线均布圆周阵列，得到所有负齿面，如图13所示。在图13中可以看到，此时内摆线组合齿面传动轮上有沿圆周均布的与正齿面或负齿面个数相同的三棱柱，对于每一个三棱柱，有两个平侧面和一个曲侧面，任取一个平侧面，将其沿着与曲侧面交线的边向外拓宽Δ，延拓宽度Δ满足不等式：

Δ≤D_max＝r

则可得到旋切截面CS；将位于一个平侧面上的旋切截面CS沿着两个平侧面的交线旋转至另一个平侧面后、旋转切除掉三棱柱并在内摆线组合齿面传动轮上留下的曲面即为负旋切面，如图14所示。

本发明的工作原理：本单元在应用时，固定外摆线组合齿面传动轮或内摆线组合齿面传动轮中的任意一个，驱动另一个的轴线沿着固定方的轴线公转，即可完成减速运动。具体为，当固定外摆线组合齿面传动轮时，驱动内摆线组合齿面传动轮的轴线绕着外摆线组合齿面传动轮的轴线公转，则内摆线组合齿面传动轮会推动内摆线组合齿面滚道内的所有活齿在外摆线组合齿面滚道内运动，由于外摆线组合齿面滚道是随着外摆线组合齿面传动轮固定不动的，故外摆线组合齿面滚道会强迫所有活齿反作用于内摆线组合齿面滚道，进而通过内摆线组合齿面滚道推动内摆线组合齿面传动轮绕着自身轴线自转，从而实现减速；当固定内摆线组合齿面传动轮时，驱动外摆线组合齿面传动轮的轴线绕着内摆线组合齿面传动轮的轴线公转，则外摆线组合齿面传动轮会推动外摆线组合齿面滚道内的所有活齿在内摆线组合齿面滚道内运动，由于内摆线组合齿面滚道是随着内摆线组合齿面传动轮固定不动的，故内摆线组合齿面滚道会强迫所有活齿反作用于外摆线组合齿面滚道，进而通过外摆线组合齿面滚道推动外摆线组合齿面传动轮绕着自身轴线自转，从而实现减速。

由于所有活齿密排，即每两个活齿之间都是相互接触的，故在传动过程中，活齿不会窜动或造成传动卡死现象，完美地解决了传统滚道不根切且活齿之间有很大间隙的二齿差摆线活齿传动机构的活齿窜动与卡死问题。且相对于传统机构，本单元活齿依次接触，便于装配，无需考虑活齿的位置；而传统机构，则需要精确排列所有活齿，使其在一个滚道内均布，才能装上另一个滚道，不利于实际生产过程中的样机装配。

在传动过程中，所有正齿面和负齿面均参与啮合，所有活齿均同时啮合传力，极大地提高了传动单元的刚度和承载能力。所有正旋切面和负旋切面均不与活齿齿面接触，不会影响传动。

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 (10)

1.一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，包括外摆线组合齿面传动轮、活齿、内摆线组合齿面传动轮、外摆线组合齿面滚道、内摆线组合齿面滚道，其特征在于：外摆线组合齿面传动轮上有一个外摆线组合齿面滚道；内摆线组合齿面传动轮上有一个内摆线组合齿面滚道；外摆线组合齿面滚道的波数比内摆线组合齿面滚道的波数少二；外摆线组合齿面滚道与内摆线组合齿面滚道的幅值相等；一圈沿圆周均布的活齿分别同时与外摆线组合齿面滚道和内摆线组合齿面滚道接触啮合；所有活齿彼此之间相互接触；活齿的数量为内、外摆线组合齿面滚道波数之和的一半；外摆线组合齿面传动轮轴线与内摆线组合齿面传动轮轴线平行且两轴线之间的距离等于内、外摆线组合齿面滚道的幅值之和。

2.如权利要求1所述的一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，其特征在于：外摆线组合齿面滚道由数量均与外摆线组合齿面滚道波数相同且沿圆周均布的正齿面、负齿面和正旋切面组合拼接而成；内摆线组合齿面滚道由数量均与内摆线组合齿面滚道波数相同且沿圆周均布的正齿面、负齿面和负旋切面组合拼接而成。

3.如权利要求1所述的一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，其特征在于：活齿齿面为关于其轴线的旋转体，其种类包括理论活齿齿面和实际活齿齿面；实际活齿齿面为理论活齿齿面的旋转内切面；活齿齿面既可以采用理论活齿齿面，也可以采用实际活齿齿面。

4.如权利要求2所述的一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，其特征在于：正齿面的啮合曲线为正齿线，负齿面的啮合曲线为负齿线；正齿线或负齿线均为外摆线或内摆线上的、长度不超过一个波的且关于波峰或波谷对称的一段对称波段。

5.如权利要求4所述的一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，其特征在于：组成外摆线组合齿面滚道的所有正齿面和负齿面上的正齿线和负齿线的并集是一条完整的平面闭合外摆线，为外摆线组合齿面滚道的啮合曲线；组成内摆线组合齿面滚道的所有正齿面和负齿面上的正齿线和负齿线的并集是一条完整的平面闭合内摆线，为内摆线组合齿面滚道的啮合曲线；外摆线在平面直角坐标系中的参数方程为：

内摆线在平面直角坐标系中的参数方程为：

以上各式中，R-啮合曲线径向半径；A-啮合曲线幅值；Z_c-啮合曲线波数。

6.如权利要求5所述的一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，其特征在于：啮合曲线的曲率半径ρ为

7.如权利要求3或6所述的一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，其特征在于：理论活齿齿面上的点到理论活齿齿面轴线的最大距离为D_max，D_max满足方程组：

式中，R-啮合曲线径向半径；Z_b-活齿个数；ρ_min-啮合曲线的曲率半径ρ的最小值。

8.如权利要求3或4所述的一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，其特征在于：活齿轴线与正齿线或负齿线所在平面垂直相交的交点为活齿啮合点；理论活齿齿面沿轴向的横截面关于轴线一分为二的两个对称的截面为扫描截面；活齿啮合点在正齿线上并沿着正齿线从一端运动至另一端、运动过程中活齿轴线始终垂直于正齿线所在平面、扫描截面始终垂直于正齿线切向、扫描截面的运动轨迹包络面和内摆线组合齿面传动轮或外摆线组合齿面传动轮的相交面即为正齿面；活齿啮合点在负齿线30201上并沿着负齿线30201从一端运动至另一端、运动过程中活齿轴线始终垂直于负齿线所在平面、扫描截面始终垂直于负齿线切向、扫描截面的运动轨迹包络面和内摆线组合齿面传动轮或外摆线组合齿面传动轮的相交面即为负齿面。

9.如权利要求2所述的一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，其特征在于：内摆线组合齿面传动轮或外摆线组合齿面传动轮上的正齿面和负齿面全部生成后，会在内摆线组合齿面传动轮或外摆线组合齿面传动轮上留下与正齿面或负齿面个数相同的沿圆周均布的一圈三棱柱；三棱柱的两个侧面为平面，一个侧面为曲面；任取三棱柱的一个平侧面和一个曲侧面，将该平侧面的与曲侧面相交的边向外延拓Δ，然后将延拓后的曲面，绕着两平侧面的交线旋转至另一个平侧面，旋转切除后在内摆线组合齿面传动轮或外摆线组合齿面传动轮上留下的曲面即为正旋切面或负旋切面；正旋切面在两个正齿面之间；负旋切面在两个负齿面之间。

10.如权利要求9所述的一种二齿差密排组合齿面摆线活齿传动单元，其特征在于：延拓宽度Δ满足不等式：

Δ≤D_max

式中，D_max-理论活齿齿面上的点到理论活齿齿面轴线的最大距离。

Images