CN112797128A - 用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构及方法，其包括第一反平行四边形机构、第二反平行四边形机构和第三反平行四边形机构，所述第一反平行四边形机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和机架，所述第二反平行四边形机构包括第四连杆、第五连杆、第六连杆和机架，所述第三反平行四边形机构第五连杆、第六连杆、第七连杆和第八连杆，所述第一与第二反平行四边形机构通过所述第三连杆和所述第四连杆共用一个转轴实现转动连接；所述第二与第三反平行四边形机构通过共用所述第五连杆和所述第六连杆实现转动连接。本发明具有解决高副低代，实现等效齿轮传动的低副机构，进而减小机械设备的噪音和振动的效果。

Description

用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构及方法

技术领域

本发明涉及机械设备传动机构的技术领域，尤其是涉及一种用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构及方法。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

齿轮是机械装备的重要基础件，由于其高效的传动特性，大部分机械设备的主要传动部件都是齿轮。然而，齿轮作为高副，其轮齿之间的接触形式为线接触，接触处往往受到较大压力，易磨损且稳定性差；进而，在齿轮运行过程中会产生一定的噪音和震动。另外，齿轮的加工工艺也较为繁琐复杂。因此，在部分应用场合，设计者会采用简单的连杆机构来代替高副，以避免引入高副所带来的缺陷。连杆机构或低副机构，是一种常见的传动机构，已被广泛应用于各类机械设备中。杆件和低副是连杆机构的基本组成构件，其制造简便且耐磨损。尽管早有学者进行高副低代的研究，但是目前关于可实现等效齿轮传动的低副机构仍未被设计。

发明内容

本发明的目的是至少解决如何高副低代，实现等效齿轮传动的低副机构，进而减小机械设备的噪音和振动的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，包括第一反平行四边形机构、第二反平行四边形机构和第三反平行四边形机构，所述第一反平行四边形机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和机架，所述第二反平行四边形机构包括第四连杆、第五连杆、第六连杆和机架，所述第三反平行四边形机构第五连杆、第六连杆、第七连杆和第八连杆，所述第一与第二反平行四边形机构通过所述第三连杆和所述第四连杆共用一个转轴实现转动连接；所述第二与第三反平行四边形机构通过共用所述第五连杆和所述第六连杆实现转动连接。

根据本发明的用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，通过第一与第二反平行四边形机构的转动连接和第二与第三反平行四边形机构转动连接形成的自由度连杆机构，驱动第一反平行四边形机构中连杆的轴杆为输入端，并以第三反平行四边形机构中连杆的轴杆为输出端，使得该连杆机构可实现等效一比二齿轮传动，用该机构代替相应的齿轮副，可减小机械设备的噪音、振动。

另外，根据本发明的一种用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述机架包括底座和至少三个连接框，所述至少三个连接框从左到右并列安装在所述底座上；左端的所述连接框上开设有第一轴杆孔，中间的所述连接框上沿所述连接框长度方向依次开设有第二轴杆孔和第三轴杆孔，右端的所述连接框上开设有第四轴杆孔；所述第一轴杆孔和所述第二轴杆孔相邻，所述第三轴杆孔和所述第四轴杆孔相邻。

在本发明的一些实施例中，所述第一轴杆孔、第二轴杆孔、第三轴杆孔和第四轴杆孔的轴线互相平行。

在本发明的一些实施例中，所述第三轴杆孔和所述第四轴杆孔的轴线重合设置。

在本发明的一些实施例中，所述第一连杆的轴杆与所述第一轴杆孔连接，所述第一连杆的轴孔通过第一转轴和所述第二连杆的第一轴孔连接，所述第二连杆的第二轴孔通过第二转轴与所述第三连杆的第一轴孔连接，所述第三连杆的第二轴孔通过第三转轴与所述第二轴杆孔连接，所述第四连杆与所述第三连杆共用第三转轴，与所述第二轴杆孔连接并与所述第三连杆不同侧设置；所述第四连杆的第二轴孔通过第四转轴与所述第五连杆的第一轴孔连接；所述第五连杆的第三轴孔和中间位置的第二轴孔通过第六转轴和第五转轴分别与所述第六连杆的第一轴孔和所述第七连杆的第一轴孔连接；所述第六连杆的第二轴孔通过第七转轴与所述第三轴杆孔连接；第七连杆的第二轴孔通过第八转轴与所述第八连杆的第一轴孔连接；第八连杆另一端的第八连杆的轴杆与所述第四轴杆孔相连。

在本发明的一些实施例中，所述第三连杆的第二轴孔和第四连杆的第一轴孔两个相邻轴孔顶端的相对位置分别开设有销孔，通过销钉插入所述销孔内将所述第三连杆和所述第四连杆固定在所述转轴上。

在本发明的一些实施例中，所述第三连杆和所述第四连杆两根连杆的角度呈180°设置。

在本发明的一些实施例中，以所述第一连杆的轴杆为输入端，所述第八连杆的轴杆为输出端，该连杆机构实现1:2的传动。

在本发明的一些实施例中，以所述第八连杆的轴杆为输入端，所述第一连杆的轴杆为输出端，该连杆机构实现2:1的传动。

本发明的另一方面提出了一种用于等效齿轮传动的单自由度连杆方法，所述方法包括以下步骤：

S1.将第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆和第八连杆与机架相连接形成连杆机构；

S2.根据所述连杆与所述机架形成第一、第二和第三反平行四边形机构；

S3.根据所述第一连杆的轴杆为输入端，所述第八连杆的轴杆为输出端，该连杆机构实现1:2的传动。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请主要凸显连杆及机架的整体结构示意图；

图2为本申请主要凸显转轴的结构示意图；

图3为本申请主要凸显机架轴杆孔结构示意图；

图4为本申请的第一连杆结构示意图；

图5为本申请的第二连杆结构示意图；

图6为本申请的第三连杆结构示意图；

图7为本申请的第四连杆结构示意图；

图8为本申请的第五连杆结构示意图；

图9为本申请的第六连杆结构示意图；

图10为本申请的第七连杆结构示意图；

图11为本申请的第八连杆结构示意图；

附图标记：

1、机架；1a、第一轴杆孔；1b、第二轴杆孔；1c、第三轴杆孔；1d、第四轴杆孔；101、第一连杆；101a、第一连杆的轴杆；101b、第一轴孔；102、第二连杆；102a、第一轴孔；102b、第二轴孔；103、第三连杆；103a、第一轴孔；103b、第二轴孔；104、第四连杆；104a、第一轴孔；104b、第二轴孔；105、第五连杆；105a、第一轴孔；105b、第二轴孔；105c、第三轴孔；106、第六连杆；106a、第一轴孔；106b、第二轴孔；107、第七连杆；107a、第一轴孔；107b、第二轴孔；108、第八连杆；108a、第一轴孔；108b、第八连杆的轴杆；2、转轴；201、第一转轴；202、第二转轴；203、第三转轴；204、第四转轴；205、第五转轴；206、第六转轴；207、第七转轴；208、第八转轴；21、销钉。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1-2所示，根据本发明的实施方式，提出了一种用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，包括第一反平行四边形机构、第二反平行四边形机构和第三反平行四边形机构，第一反平行四边形机构包括第一连杆101、第二连杆102、第三连杆103和机架1，第二反平行四边形机构包括第四连杆104、第五连杆105、第六连杆106和机架1，第三反平行四边形机构第五连杆105、第六连杆106、第七连杆107和第八连杆108。第一与第二反平行四边形机构通过第三连杆103和第四连杆104共第三转轴203实现转动连接；第二与第三反平行四边形机构通过共用第五连杆105和第六连杆106实现转动连接。

如图3所示，在本发明的一些实施例中，机架1包括底座和连接框，底座呈矩形框架设置，且沿矩形框架的长度方向于矩形框架内安装有连接杆。连接框呈底端开口的U形设置有三个，U形连接框开口朝下沿矩形框架宽度方向从左到右并列安装在矩形框架的上表面，且中间的U形连接框安装在连接杆上。左端的U形连接框顶端上开设有第一轴杆孔1a，中间的U形连接框顶端上沿连接框顶端长度方向依次开设有第二轴杆孔1b和第三轴杆孔1c，右端的U形连接框顶端上开设有第四轴杆孔1d。

第一轴杆孔1a、第二轴杆孔1b、第三轴杆孔1c和第四轴杆孔1d的轴线互相平行，且第三轴杆孔1c和第四轴杆孔1d的轴线重合设置。理论上机架1右端只需要一个轴杆孔即可，但是为了避免杆件运动过程中的相互干涉，所以设置两个轴线重合的轴杆孔，使连杆在运动过程中不发生碰撞干涉。其中，第一轴杆孔1a和第三轴杆孔1c到第二轴杆孔1b的垂直距离分别为

和

a和b可为任意自然数。

如图1-11所示在本发明的一些实施例中，第一连杆的轴杆101a与第一轴杆孔1a连接，第一连杆101的第一轴孔101b通过第一转轴201和第二连杆102的第一轴孔102a连接，第二连杆102的第二轴孔102b通过第二转轴202与第三连杆103的第一轴孔103a连接，第三连杆103的第二轴孔103b通过第三转轴203与第二轴杆孔1b连接，第四连杆104的第一轴孔104a与第三连杆103的第二轴孔103b共用第三转轴203，第四连杆104通过第三转轴203与底座中间的连接框连接并与第三连杆103不同侧设置。第四连杆104的第二轴孔104b通过第四转轴204与第五连杆105的第一轴孔105a连接；第五连杆105的第三轴孔105c和中间位置的第二轴孔105b通过第六转轴206和第五转轴205分别与第六连杆106的第一轴孔106a和第七连杆107的第一轴孔107a连接；第六连杆106的第二轴孔106b通过第七转轴207与第三轴杆孔1c连接；第七连杆107的第二轴孔107b通过第八转轴208与第八连杆108的第一轴孔108a连接；第八连杆108另一端的第八连杆的轴杆108b与第四轴杆孔1d相连。

其中，第一连杆的轴杆101a与第一连杆101的第一轴孔101b之间的距离为

第二连杆102的第一轴孔102a和第二轴孔102b之间的距离为

第三连杆103的第一轴孔103a和第二轴孔103b之间的距离为

第四连杆104的第一轴孔104a和第二轴孔104b之间的距离为

第五连杆105的第一轴孔105a和第三轴孔105c到中间第二轴孔105b的距离分别为

和

第六连杆106的第一轴孔106a和第二轴孔106b之间的距离为

第七连杆107的第一轴孔107a和第二轴孔107b之间的距离为

第八连杆的轴杆108b和第八连杆108的第一轴孔108a之间的距离为

其中a和b可为任意自然数。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，第三连杆103的第二轴孔103b和第四连杆104的第一轴孔104a两个相邻轴孔顶端的相对位置分别开设有销孔，通过将两颗销钉21分别插入第三连杆103的第二轴孔103b和第四连杆104的第一轴孔104a顶端的销孔内，将第三连杆103和第四连杆104固定在第三转轴203上，同时第三连杆103和第四连杆104两根连杆的角度呈180°设置。

在理论情况下，第三连杆103和第四连杆104可以合并为一根连杆，但是为了避免杆件之间的碰撞干涉，需要将有干涉的连杆分布在不同平面。连杆机构在传动过程中，各个杆件均会进行全周运动。若第三连杆103和第四连杆104在同一平面且为一整体，其与第二连杆102或第五连杆105之间必然会发生碰撞、干涉，使连杆无法实现传动功能。所以第三连杆103与第四连杆104必然是分开单独设置，且第三连杆103与第四连杆104必须呈180°设置。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，以第一连杆的轴杆101a为输入端，第八连杆的轴杆108b为输出端，该连杆机构可以实现1:2的传动。反之，以第八连杆的轴杆108b为输入端，第一连杆的轴杆101a为输出端，该连杆机构可以实现2:1的传动。

为了使连杆机构能够实现与齿轮相同的传动运动，并精准的实现1:2或2:1的传动，在设计过程中，需根据相应特征轨迹的代数方程，求出相应的最小次数运动多项式；再将运动多项式进行因式分解，得到映射的串联机构。利用反平行四边形机构约束串联机构的自由度，得到仅具备一个自由度的连杆机构，同时再对连杆机构进行优化设计，防止杆件之间的碰撞。通过上述计算及设计，连杆机构能够实现准确的1:2或2:1的传动。

本发明的另一方面提出了一种用于等效齿轮传动的单自由度连杆方法，方法包括以下步骤：

S1.将第一连杆101、第二连杆102、第三连杆103、第四连杆104、第五连杆105、第六连杆106、第七连杆107和第八连杆108与机架1相连接形成连杆机构；

S2.根据连杆与机架1形成第一、第二和第三反平行四边形机构；

S3.根据第一连杆的轴杆101a为输入端，第八连杆的轴杆108b为输出端，该连杆机构可以实现1:2的传动。

根据本发明的用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，通过第一与第二反平行四边形机构的转动连接和第二与第三反平行四边形机构转动连接形成的自由度连杆机构，驱动第一反平行四边形机构中的第一连杆的轴杆101a为输入端，同时并以第八连杆的轴杆108b为输出端，可以使得该连杆机构可以实现等效一比二齿轮传动，用该机构代替相应的齿轮副，可减小机械设备的噪音、振动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，其特征在于：包括第一反平行四边形机构、第二反平行四边形机构和第三反平行四边形机构，所述第一反平行四边形机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和机架，所述第二反平行四边形机构包括第四连杆、第五连杆、第六连杆和机架，所述第三反平行四边形机构第五连杆、第六连杆、第七连杆和第八连杆，所述第一与第二反平行四边形机构通过所述第三连杆和所述第四连杆共用一个转轴实现转动连接；所述第二与第三反平行四边形机构通过共用所述第五连杆和所述第六连杆实现转动连接。

2.根据权利要求1所述的用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，其特征在于：所述机架包括底座和至少三个连接框，所述至少三个连接框从左到右并列安装在所述底座上；左端的所述连接框上开设有第一轴杆孔，中间的所述连接框上沿所述连接框长度方向依次开设有第二轴杆孔和第三轴杆孔，右端的所述连接框上开设有第四轴杆孔；所述第一轴杆孔和所述第二轴杆孔相邻，所述第三轴杆孔和所述第四轴杆孔相邻。

3.根据权利要求2所述的用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，其特征在于：所述第一轴杆孔、第二轴杆孔、第三轴杆孔和第四轴杆孔的轴线互相平行。

4.根据权利要求3所述的用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，其特征在于：所述第三轴杆孔和所述第四轴杆孔的轴线重合设置。

5.根据权利要求1所述的用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，其特征在于：所述第一连杆的轴杆与所述第一轴杆孔连接，所述第一连杆的轴孔通过第一转轴和所述第二连杆的第一轴孔连接，所述第二连杆的第二轴孔通过第二转轴与所述第三连杆的第一轴孔连接，所述第三连杆的第二轴孔通过第三转轴与所述第二轴杆孔连接，所述第四连杆与所述第三连杆共用第三转轴，与所述第二轴杆孔连接并与所述第三连杆不同侧设置；所述第四连杆的第二轴孔通过第四转轴与所述第五连杆的第一轴孔连接；所述第五连杆的第三轴孔和中间位置的第二轴孔通过第六转轴和第五转轴分别与所述第六连杆的第一轴孔和所述第七连杆的第一轴孔连接；所述第六连杆的第二轴孔通过第七转轴与所述第三轴杆孔连接；第七连杆的第二轴孔通过第八转轴与所述第八连杆的第一轴孔连接；第八连杆另一端的第八连杆的轴杆与所述第四轴杆孔相连。

6.根据权利要求5所述的用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，其特征在于：所述第三连杆的第二轴孔和第四连杆的第一轴孔两个相邻轴孔顶端的相对位置分别开设有销孔，通过销钉插入所述销孔内将所述第三连杆和所述第四连杆固定在所述转轴上。

7.根据权利要求6所述的用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，其特征在于：所述第三连杆和所述第四连杆两根连杆的角度呈180°设置。

8.根据权利要求5所述的用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，其特征在于：以所述第一连杆的轴杆为输入端，所述第八连杆的轴杆为输出端，该连杆机构实现1:2的传动。

9.根据权利要求5所述的用于等效齿轮传动的单自由度连杆机构，其特征在于：以所述第八连杆的轴杆为输入端，所述第一连杆的轴杆为输出端，该连杆机构实现2:1的传动。

10.一种用于等效齿轮传动的单自由度连杆方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1.将第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆和第八连杆与机架相连接形成连杆机构；

S2.根据所述连杆与所述机架形成第一、第二和第三反平行四边形机构；

S3.根据所述第一连杆的轴杆为输入端，所述第八连杆的轴杆为输出端，该连杆机构实现1:2的传动。

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