CN113958686B - 一种新型仿生齿轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型仿生齿轮，适于承载凹凸啮合传动；该仿生齿轮配置成一斜齿轮，且所述斜齿轮的外轮廓包含工作齿廓和非工作齿廓；所述工作齿廓至少包含对数螺旋凸齿廓和对数螺旋凹齿廓，所述非工作齿廓至少包含凸齿廓底部过渡圆弧和凹齿廓底部过渡圆弧；其中，所述对数螺旋凸齿廓与凸齿廓底部过渡圆弧相互平顺过渡连接，所述对数螺旋凹齿廓与凹齿廓底部过渡圆弧相互平顺过渡连接，且所述对数螺旋凸齿廓与对数螺旋凹齿廓相平齐设置。该新型仿生齿轮在进一步对自然界中昆虫齿轮的齿形及啮合特性进行分析，从而在基于齿轮传动中的凹凸啮合、非对称齿廓以及重合度和承载能力等方面实施深化改进。
Description
技术领域
本发明涉及齿轮传动技术领域，具体而言，涉及一种新型仿生齿轮。
背景技术
伴随生产和科技的飞速发展，使得人们对齿轮提出了更高的要求，凹凸点接触齿轮相对于渐开线齿轮具有更高的能力，获得广泛的研究，主要有摆线齿轮、抛物线齿轮和圆弧齿轮，当前以圆弧齿轮的研究最为广泛。
一直以来齿轮都被认为是人造产物，因为自然界完全没有发现任何齿轮构造，但现在这个论点被推翻了。具体请参阅说明书附图1，剑桥大学的动物学家发现伊苏斯飞虱的两后脚关节有锯齿结构，而且互相对应，就像齿轮一样，作用是让飞虱在起跳时保持左右脚对称。透过解剖分析及飞虱跳跃时的高速录影影片，飞虱起跳时两脚动作差距只有30微秒。
由于神经讯号传导的时间对如此紧密的协调动作来说太慢，两脚完全对称的动作是无法透过神经系统完成的。不过透过齿轮结构，飞虱只需要传出让肌肉产生相同力度的神经讯号，其中一只脚起跳的时候，昆虫齿轮就会自动带动另一只脚，让两脚动作几乎同时。其中，两个齿轮的旋转速度超过每分钟3.3万转，而齿轮转动的加速度达到700g，能瞬间把昆虫加速到每秒3.9米的速度。当要跳跃时，昆虫胸腔的一对肌肉拉动肌腱进而拉动后腿旋转，之后压缩胸膜弓进行储能，等储能完毕，肌肉放松，胸膜弓释放能量，进而实现跳跃的过程。
请参阅说明书附图2，其中，该天然齿轮的齿高仅为15-30微米，一侧大概有是10个轮齿。如此精细的结构在高速下需保持同步啮合运转，如当一条腿在起跳时先进行移动，它的齿轮会啮合并传递动力，促使另一条腿进行移动。而这种高速情况下齿轮需要有很大的承载能力。从昆虫齿轮的优点方面来看，具有齿间磨损小，精度高，承载能力大。从而，由于其多方面的优点，针对此种自然昆虫齿轮进行仿生设计具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型仿生齿轮，以解决上述问题。
本发明采用了如下方案：
本申请提供了一种新型仿生齿轮，适于承载凹凸啮合传动；该仿生齿轮配置成一斜齿轮，且所述斜齿轮的外轮廓包含工作齿廓和非工作齿廓；所述工作齿廓至少包含对数螺旋凸齿廓和对数螺旋凹齿廓，所述非工作齿廓至少包含凸齿廓底部过渡圆弧和凹齿廓底部过渡圆弧；其中，所述对数螺旋凸齿廓与凸齿廓底部过渡圆弧相互平顺过渡连接，所述对数螺旋凹齿廓与凹齿廓底部过渡圆弧相互平顺过渡连接，且所述对数螺旋凸齿廓与对数螺旋凹齿廓相平齐设置。
作为进一步改进，所述外轮廓由多个斜齿部沿周向规则布设形成；所述斜齿部沿其啮合转动方向由所述凸齿廓底部过渡圆弧、对数螺旋凸齿廓、对数螺旋凹齿廓、凹齿廓底部过渡圆弧依次连接构造而成，且相邻的斜齿部之间通过一具有多个过渡点的曲线段来平顺衔接。
作为进一步改进，所述工作齿廓配置成对数螺旋线，所述曲线段配置成圆弧，且所述工作齿廓在啮合工作时其啮合点被限定在斜齿轮的节线上。
作为进一步改进，所述外轮廓构造为非对称式齿廓，所述斜齿部的其中一侧呈一凸齿面，其中另一侧呈一凹齿面；且所述凸齿面被限定为所述对数螺旋凸齿廓的曲线段形成的啮合齿面，所述凹齿面被限定为所述对数螺旋凹齿廓的曲线段形成的啮合齿面。
作为进一步改进，所述对数螺旋凸齿廓压力角θ0和对数螺旋凹齿廓压力角θ3相等，并且，对数螺旋凸齿廓的齿顶高ha1等于对数螺旋凹齿廓的齿顶高ha2，以及对数螺旋凸齿廓的齿根高hf1大于对数螺旋凹齿廓的齿根高hf2，且其计算公式为ha1＝ha2＝hamn，以及hf1＝(ha+c)mn；其中，需满足hf2>ha2＝ha1。
作为进一步改进，所述对数螺旋凹齿廓的齿顶压力角其中，对数螺旋凸齿廓的中心O1到啮合点k1的距离为1.5mn，即对数螺旋凹齿廓的中心O2到啮合点k2的距离为1.65mn，即其中，r1，r2，t1，t2为对数螺旋线的基数，且r1小于r2，t1等于t2，mn为法面模数。
作为进一步改进，在所述斜齿轮的分度圆基准上形成有法面轮廓，该法面齿廓中齿厚为啮合点k1和啮合点k2之间的距离，即齿厚s＝1.54mn，法面齿廓中齿槽宽e＝1.6mn；其中，对数螺旋凸齿廓的中心在齿高方向的移距量齿宽方向的移距量对数螺旋凹齿廓的中心在齿高方向的移距量齿宽方向的移距量/>
作为进一步改进，建立S1(O1-x1y1z1)-与对数螺旋齿廓齿轮固连的动坐标系，在齿廓截面坐标系Ss(Os-xsyszs)中，对数螺旋凸齿廓曲线段的方程为C1,对数螺旋凹齿廓曲线段的方程C2；其中，
其中：r1，t1为凸齿廓对数螺旋线的基数，r2，t2为凹齿廓对数螺旋线的基数，并且，t1＝t2＝t；f1为对数螺旋齿廓齿轮凸齿廓的中心相对于xs轴的偏移量，取正值；w1为对数螺旋齿廓齿轮凸齿廓的中心相对于ys轴的偏移量，取正值；f2为对数螺旋齿廓齿轮凹齿廓的中心相对于xs轴的偏移量，取正值；w2为对数螺旋齿廓齿轮凹齿廓的中心相对于ys轴的偏移量，取正值；其中，
作为进一步改进，对数螺旋凸齿面的方程∑1，以及对数螺旋凹齿面的方程∑2在动坐标系S1(O1-x1y1z1)中的方程为：
其中：φ1为齿轮的转角；β为齿轮的螺旋角，r为对数螺旋齿廓齿轮节圆柱半径。
通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：
本申请中，该新型仿生齿轮在进一步对自然界中昆虫齿轮的齿形及啮合特性进行分析，从而在基于齿轮传动中的凹凸啮合、非对称齿廓以及重合度和承载能力等方面实施深化改进。其中，该仿生齿轮构造为斜齿轮结构，其工作侧的齿形为凹凸啮合的曲线，且同一齿部的两侧分别为凸凹齿廓，能够显著降低齿间磨损，并且采用纯滚动接触，可实现高效的双向传动。尤其是，根据昆虫齿轮的特点进行设计，在啮合时为凹凸纯滚动点接触，与现有单圆弧齿轮相比，只需一把加工刀具就能加工同一模数的相啮合的一对齿轮，极大的降低了加工成本。并且，齿廓采用对数螺旋线，减小了接触应力和有误差时的齿面滑动速度。在合理的范围内增大了齿根厚度，减小了齿顶厚度，增加了承载能力，使得其传动效率高、润滑效果更佳。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是现有技术中的昆虫齿轮的结构示意图；
图2是图1中的昆虫齿轮的解析示意图；
图3是本发明实施例的新型仿生齿轮的部分外轮廓的结构示意图；
图4是是本发明实施例的新型仿生齿轮的结构示意图；
图5是本发明实施例的新型仿生齿轮的啮合过程的结构示意图；
图6是本发明实施例的新型仿生齿轮的参数设计的结构示意图；
图7是本发明实施例的新型仿生齿轮在对数螺旋齿上构建的空间坐标系示意图。
图标：1-凸齿廓底部过渡圆弧；2-对数螺旋凸齿廓；3-对数螺旋凹齿廓；4-凹齿廓底部过渡圆弧；5-节线；6-凸齿面；7-凹齿面。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例
结合图3至图7，本实施例提供了一种新型仿生齿轮，适于承载凹凸啮合传动。该仿生齿轮配置成一斜齿轮，且斜齿轮的外轮廓包含工作齿廓和非工作齿廓。工作齿廓至少包含对数螺旋凸齿廓2和对数螺旋凹齿廓3，非工作齿廓至少包含凸齿廓底部过渡圆弧1和凹齿廓底部过渡圆弧4。其中，对数螺旋凸齿廓2与凸齿廓底部过渡圆弧1相互平顺过渡连接，对数螺旋凹齿廓3与凹齿廓底部过渡圆弧4相互平顺过渡连接，且对数螺旋凸齿廓2与对数螺旋凹齿廓3相平齐设置。
上述中，该新型仿生齿轮在进一步对自然界中昆虫齿轮的齿形及啮合特性进行分析，从而在基于齿轮传动中的凹凸啮合、非对称齿廓以及重合度和承载能力等方面实施深化改进。其中，该仿生齿轮构造为斜齿轮结构，其工作侧的齿形为凹凸啮合的曲线，且同一齿部的两侧分别为凸凹齿廓，能够显著降低齿间磨损，并且采用纯滚动接触，可实现高效的双向传动。
尤其是，根据昆虫齿轮的特点进行设计，在啮合时为凹凸纯滚动点接触，与现有单圆弧齿轮相比，只需一把加工刀具就能加工同一模数的相啮合的一对齿轮，极大的降低了加工成本。并且，齿廓采用对数螺旋线，减小了接触应力和有误差时的齿面滑动速度。在合理的范围内增大了齿根厚度，减小了齿顶厚度，增加了承载能力，使得其传动效率高、润滑效果更佳。
在一种实施例中，如图3和图4所示，外轮廓由多个斜齿部沿周向规则布设形成。斜齿部沿其啮合转动方向由凸齿廓底部过渡圆弧1、对数螺旋凸齿廓2、对数螺旋凹齿廓3、凹齿廓底部过渡圆弧4依次连接构造而成，且相邻的斜齿部之间通过一具有多个过渡点的曲线段来平顺衔接。在本实施例中，如图3所示，曲线段之间的过渡点分别为p1，p2，p3，其平顺衔接在两相邻的啮合部之间以起到过渡接合的效果。
其中，具体地，工作齿廓配置成对数螺旋线，曲线段配置成圆弧，且工作齿廓在啮合工作时其啮合点被限定在斜齿轮的节线5(如图3虚线所示)上。如图5所示，k1为传动过程中的啮合点，工作齿廓在啮合传动中形成该啮合点k1。如图4所示，外轮廓构造为非对称式齿廓，斜齿部的其中一侧呈一凸齿面6，其中另一侧呈一凹齿面7。且凸齿面6被限定为对数螺旋凸齿廓2的曲线段形成的啮合齿面，凹齿面7被限定为对数螺旋凹齿廓3的曲线段形成的啮合齿面。又如图6所示，在左侧凸齿面6和右侧凹齿面7分别有一个啮合点(k1和k2)。
在一种实施例中，如图5和图6所示，对数螺旋凸齿廓2压力角θ0和对数螺旋凹齿廓3压力角θ3相等，并且，对数螺旋凸齿廓2的齿顶高ha1等于对数螺旋凹齿廓3的齿顶高ha2，以及对数螺旋凸齿廓2的齿根高hf1大于对数螺旋凹齿廓3的齿根高hf2，且其计算公式为ha1＝ha2＝hamn，以及hf1＝(ha+c)mn。其中，需满足hf2>ha2＝ha1。
尤其的，对数螺旋凹齿廓3的齿顶压力角其中，对数螺旋凸齿廓2的中心O1到啮合点k1的距离为1.5mn，即/>对数螺旋凹齿廓3的中心O2到啮合点k2的距离为1.65mn，即/>其中，r1，r2，t1，t2为对数螺旋线的基数，且r1小于r2，t1等于t2，mn为法面模数。
如图6所示，其中，在斜齿轮的分度圆基准上形成有法面轮廓(图6虚线所示)，该法面齿廓中齿厚为啮合点k1和啮合点k2之间的距离，即齿厚s＝1.54mn，法面齿廓中齿槽宽e＝1.6mn。其中，对数螺旋凸齿廓2的中心在齿高方向的移距量齿宽方向的移距量/>对数螺旋凹齿廓3的中心在齿高方向的移距量齿宽方向的移距量/>
如图7所示，在对数螺旋齿轮上，建立如下坐标系。其中，S1(O1-x1y1z1)-与对数螺旋齿廓齿轮固连的动坐标系；S(O-xyz)-空间固定的坐标系，z轴与z1，z2轴平行。以及，Sp(Op-xpypzp)-与齿条固连的坐标系，xp轴与x轴平行，zp轴与z轴平行。以及，Ss1(Os1-xs1ys1zs1)截面齿廓所在的坐标系，zs轴与zp轴夹角为βs。oa-对数螺旋凸齿廓2中心；-对数螺旋凸齿廓2中心到齿廓上啮合点的距离；β-对数螺旋齿廓齿轮螺旋角；θ0-对数螺旋齿廓齿轮左侧凸齿廓压力角；φ-齿轮转角；r-对数螺旋齿廓齿轮节圆柱半径；f1-对数螺旋齿廓齿轮左侧凸齿廓的中心相对于xs轴的偏移量，取正值；w1-对数螺旋齿廓齿轮左侧凸齿廓的中心相对于ys轴的偏移量，取正值；f2-对数螺旋齿廓齿轮右侧凹齿廓的中心相对于xs轴的偏移量，取正值；w2-对数螺旋齿廓齿轮右侧凹齿廓的中心相对于ys轴的偏移量，取正值。
具体地，先求出对数螺旋齿廓在Ss(Os-xsyszs)坐标系中的方程，再利用坐标变换原理将其变换到Sp(Op-xpypzp)齿条坐标系中，之后由啮合点的相对运动的速度和法线矢量必垂直可求出接触条件表达式；最终将齿条坐标系中的方程变换到齿轮中心固连的动坐标系S1(O1-x1y1z1)中并与接触条件表达式联立求出齿面方程式。
从而，建立S1(O1-x1y1z1)-与对数螺旋齿廓齿轮固连的动坐标系，在齿廓截面坐标系Ss(Os-xsyszs)中，对数螺旋凸齿廓2曲线段的方程为C1,对数螺旋凹齿廓3曲线段的方程C2。其中，
其中：r1，t1为凸齿廓对数螺旋线的基数，r2，t2为凹齿廓对数螺旋线的基数，并且，t1＝t2＝t。f1为对数螺旋齿廓齿轮凸齿廓的中心相对于xs轴的偏移量，取正值。w1为对数螺旋齿廓齿轮凸齿廓的中心相对于ys轴的偏移量，取正值。f2为对数螺旋齿廓齿轮凹齿廓的中心相对于xs轴的偏移量，取正值。w2为对数螺旋齿廓齿轮凹齿廓的中心相对于ys轴的偏移量，取正值。其中，
进一步地，基于对数螺旋凸齿廓2曲线段的方程C1和对数螺旋凹齿廓3曲线段的方程C2，其对应的对数螺旋凸齿面6的方程∑1，以及对数螺旋凹齿面7的方程∑2在动坐标系S1(O1-x1y1z1)中的方程为：
其中：φ1为齿轮的转角。β为齿轮的螺旋角，r为对数螺旋齿廓齿轮节圆柱半径。
上述中，该斜齿轮构建出对数螺旋凸齿面6和凹齿面7，更适于承载高强度的凹凸啮合传动方式，其可操作性更强，具有广阔的应用前景。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种新型仿生齿轮，适于承载凹凸啮合传动；其特征在于，该仿生齿轮配置成一斜齿轮，且所述斜齿轮的外轮廓包含工作齿廓和非工作齿廓；所述工作齿廓至少包含对数螺旋凸齿廓和对数螺旋凹齿廓，所述非工作齿廓至少包含凸齿廓底部过渡圆弧和凹齿廓底部过渡圆弧；其中，
所述对数螺旋凸齿廓与凸齿廓底部过渡圆弧相互平顺过渡连接，所述对数螺旋凹齿廓与凹齿廓底部过渡圆弧相互平顺过渡连接，且所述对数螺旋凸齿廓与对数螺旋凹齿廓相平齐设置；以及，
所述对数螺旋凸齿廓压力角θ0和对数螺旋凹齿廓压力角θ3相等，并且，对数螺旋凸齿廓的齿顶高ha1等于对数螺旋凹齿廓的齿顶高ha2，以及对数螺旋凸齿廓的齿根高hf1大于对数螺旋凹齿廓的齿根高hf2，且其计算公式为ha1＝ha2＝hamn，以及hf1＝(ha+c)mn；其中，需满足hf2>ha2＝ha1，mn为法面模数。
2.根据权利要求1所述的新型仿生齿轮，其特征在于，所述外轮廓由多个斜齿部沿周向规则布设形成；所述斜齿部沿其啮合转动方向由所述凸齿廓底部过渡圆弧、对数螺旋凸齿廓、对数螺旋凹齿廓、凹齿廓底部过渡圆弧依次连接构造而成，且相邻的斜齿部之间通过一具有多个过渡点的曲线段来平顺衔接。
3.根据权利要求2所述的新型仿生齿轮，其特征在于，所述工作齿廓配置成对数螺旋线，所述曲线段配置成圆弧，且所述工作齿廓在啮合工作时其啮合点被限定在斜齿轮的节线上。
4.根据权利要求2所述的新型仿生齿轮，其特征在于，所述外轮廓构造为非对称式齿廓，所述斜齿部的其中一侧呈一凸齿面，其中另一侧呈一凹齿面；且所述凸齿面被限定为所述对数螺旋凸齿廓的曲线段形成的啮合齿面，所述凹齿面被限定为所述对数螺旋凹齿廓的曲线段形成的啮合齿面。
5.根据权利要求1所述的新型仿生齿轮，其特征在于，所述对数螺旋凹齿廓的齿顶压力角
其中，对数螺旋凸齿廓的中心O1到啮合点k1的距离为1.5mn，即对数螺旋凹齿廓的中心O2到啮合点k2的距离为1.65mn，即/>
其中，r1，r2，t1，t2为对数螺旋线的基数，且r1小于r2，t1＝t2＝t；
在所述斜齿轮的分度圆基准上形成有法面轮廓，该法面齿廓中齿厚为啮合点k1和啮合点k2之间的距离，即齿厚s＝1.54mn，法面齿廓中齿槽宽e＝1.6mn；
其中，
建立S1(O1-x1y1z1)-与对数螺旋齿廓齿轮固连的动坐标系，在齿廓截面坐标系Ss(Os-xsyszs)中，对数螺旋凸齿廓曲线段的方程为C1,对数螺旋凹齿廓曲线段的方程C2；其中，
其中：r1，t1为凸齿廓对数螺旋线的基数，r2，t2为凹齿廓对数螺旋线的基数，并且，t1＝t2＝t；
f1为对数螺旋齿廓齿轮凸齿廓的中心相对于xs轴的偏移量，取正值；w1为对数螺旋齿廓齿轮凸齿廓的中心相对于ys轴的偏移量，取正值；
f2为对数螺旋齿廓齿轮凹齿廓的中心相对于xs轴的偏移量，取正值；w2为对数螺旋齿廓齿轮凹齿廓的中心相对于ys轴的偏移量，取正值；
其中，
6.根据权利要求5所述的新型仿生齿轮，其特征在于，对数螺旋凸齿面的方程∑1，以及对数螺旋凹齿面的方程∑2在动坐标系S1(O1-x1y1z1)中的方程为：
其中：φ1为齿轮的转角；β为齿轮的螺旋角，r为对数螺旋齿廓齿轮节圆柱半径，z轴与z1，z2轴平行，zp轴与z轴平行，zs轴与zp轴夹角为βs。
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2021
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