CN116816896A - 一种对数螺旋线齿廓的活动齿减速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对数螺旋线齿廓的活动齿减速器，包括外齿圈、凸轮和保持架，其中，通过凸轮驱动布置在该凸轮上的可沿径向穿过保持架进行运动的若干活动齿来在外齿圈与保持架之间产生传动比并传递力矩，活动齿分成至少两组，两组活动齿彼此在凸轮的轴向上相互保持间隔，并且其中至少一组活动齿充当谐波传动抖动的补偿机构，用以补偿作为输出轴的保持架所承担负载所引发的振动。本发明提供一种基于对数螺旋线设计的传动结构，依靠活动齿与外齿圈的齿面近似的曲率，在受力状态可实现面接触，极大程度提高了传动承载能力。

Description

一种对数螺旋线齿廓的活动齿减速器

技术领域

本发明涉及齿轮减速器技术领域，尤其涉及一种对数螺旋线齿廓的活动齿减速器。

背景技术

谐波传动机构是一种依靠弹性变形运动来实现传动的新型机构，它突破了机械传动采用刚性构件机构的模式，使用了一个柔性构件来实现机械传动，从而获得了一系列其他传动所难以达到的特殊功能。谐波传动系统有三个基本构件：刚轮(Circular Spline)，柔轮(Flex Spline)和波发生器(Wave Generator)。

谐波齿轮传动具有结构紧凑、减速比大、体积小、质量轻、承载能力大、背隙小与传动精度高等突出优点，广泛应用于航空航天航海、仿生机械、石油化工、交通运输及医疗器械等行业，特别是在高动态性能的系统中，采用谐波齿轮传动更显示出其优越性。谐波齿轮传动的原理就是在柔性齿轮构件中，通过波发生器的作用，产生一个移动变形波，并与刚轮齿相啮合，从而达到传动目的。

CN113503353A公开一种对数螺旋线共轭齿廓谐波减速器，包括刚轮、柔轮、波发生器以及柔性轴承。刚轮和柔轮在啮入状态下的齿廓，分别采用同一条对数螺旋线上的两段不同区间的曲线设计，所述对数螺旋线原点与所述柔轮的回转中心重合，在啮合传动过程中实现完全共轭。其中，刚轮齿廓曲线的最小曲率半径大于柔轮齿廓曲线的最大曲率半径。在啮入状态下，刚轮和柔轮的齿廓间形成渐缩式楔形侧隙，在负载时，共轭齿廓达到近似的面接触。

谐波传动的综合性能调控可以通过改变刚轮和柔轮齿廓之间的啮合、接触和润滑特性来实现，针对谐波齿轮传动的齿廓，现有技术大多采用渐开线齿廓、圆弧与椭圆曲线相结合的齿廓、双圆弧齿廓，但渐开线齿廓在负载状态下存在齿顶干涉和边缘啮合的问题，圆弧齿廓可改善空载状态下的啮合问题但存在局部位置负荷偏高的问题。另外，现有用于实现传动的柔性构件会随着波发生器产生周期性变化的形变以驱动与柔性构件连接的输出端，其对于柔性构件的材料性能以及制造要求均提出很高要求，尤其是针对高负荷高转速的情况下，柔性构件易于疲劳损坏而造成谐波传动失效。因此，需针对谐波传动的齿廓曲线以及柔性构件与波发生器的传动结构进行改进以显著降低谐波传动中疲劳损坏的概率。

CN101627228A公开一种同轴传动机构，尤其是一种用于工业传动技术中的空心轴传动机构，其包括一个驱动件、一个元件和一个从动件，其中驱动件和从动件之间的驱动力矩的传动比及传递通过与传动机构轴线相联系地若干沿着径向可运动的齿段来实现，齿段的齿轮廓的外齿侧轮廓和/或空心轮的内制齿的制齿的齿侧轮廓之间的齿轮廓在啮合区域内可以通过作为对数螺旋线的结构实现平面接触。在该专利中，其所称的平面接触是近乎理想的啮合状态，而在实际啮合过程中，由于从动件负载的引入，使得齿段两侧的受力状态并不均等，尤其是长期的高负荷使用加剧了齿段两侧的不均匀磨损，这种不均匀的磨损使齿段容易产生横向抖动，进而使部分齿面处的面接触变为线接触，故上述所称的平面接触无法在各个齿段处均匀地实现，尤其是在齿段以步进形式与空心轮的内齿啮合时，上述抖动会随步进式接触啮合的推进而持续累积并放大，致使减速器更容易产生明显的谐波抖动。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种对数螺旋线齿廓的新型活动齿减速器，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种对数螺旋线齿廓的活动齿减速器，包括外齿圈、凸轮和保持架，其中，通过凸轮驱动布置在该凸轮上的可沿径向穿过保持架进行运动的若干活动齿来在外齿圈与保持架之间产生传动比并传递力矩。

优选地，本发明的活动齿可以包括至少两组，两组活动齿彼此在凸轮的轴向上相互保持间隔，并且其中至少一组活动齿充当谐波传动抖动的补偿机构，用以补偿作为输出轴的保持架所承担负载所引发的振动。

对于谐波传动而言，谐波振动或抖动更多地来自于无法直接识别的谐波、次谐波或者未知频率的振动，因此传动结构谐振发生的原因十分复杂，绝非单一由减速机造成，但由于减速机处于负载和驱动设备之间，恰好就是谐振影响最关键的部位，因此在减速机处抑制谐振也是最简单有效的方式。具体而言，实际场合下对称设置的两组传动结构的总体力学特性是不一致的，这与负载引入方向有关，当负载附接至减速器一侧时，因其轴向两侧载荷状态不一，载荷集中偏向于减速器一侧，故当通过驱动设备驱动减速器运转时，负载方向的载荷将对两组同时运转的传动结构产生不同程度的影响。本发明设置同轴布置的至少两组传动机构可以有效地抑制谐波传动谐振，尤其是显著抑制沿减速器轴向产生的抖动或振动。

优选地，两组活动齿分别通过各自的滚轮轴承可活动地布置于凸轮，

其中一组滚轮轴承保持在凸轮的与之一体成型的第一保持框内，使得该组滚轮轴承能够在沿第一保持框绕凸轮的周向移动的同时，还允许该组滚轮轴承以其连接活动齿的轴头为轴心转动；

其中另一组滚轮轴承保持在沿轴向安装于凸轮的凸轮端盖上的第二保持框内，使得该组滚轮轴承能够在沿第二保持框绕凸轮的周向移动的同时，还允许该组滚轮轴承以其连接活动齿的轴头为轴心转动。本发明采用滚轮轴承与凸轮轮廓结合的方式来替代传统谐波传动中的柔轮结构，通过滚轮轴承于凸轮框架内的滑动摩擦准确地传递凸轮传导的力矩，以适用于重载低速的减速场合。

优选地，其中一组滚轮轴承同与之连接的一组活动齿构成第一传动结构，其中另一组滚轮轴承同与之连接的另一组活动齿构成第二传动结构，第一传动结构和第二传动结构在轴向上互为镜像地对称设置，使得轴向彼此间隔的各对滚轮轴承承受共线的轴向推力。特别地，本发明中，“在轴向上互为镜像地对称设置”是指第一保持框(也即凸轮内轮廓)与第二保持框(也即端盖外轮廓)在轴向上相互远离，而各个保持框所保持的活动齿以齿杆相互面对的形式布置。两组滚轮轴承的细长轴端(或轴头)相背离地布置，目的在于降低减速器径向尺寸的同时，只略微增加轴向长度。此外，两组活动齿以基本相邻的方式间隔设置，使得相邻活动齿之间的间隙允许活动齿因吸收凸轮轴向所引发的谐波振动而产生轻微移动和/或摆动，这种移动和/或摆动允许活动齿将其吸收或承载的部分载荷释放，从而避免两侧传动结构之间不平衡力矩的进一步扩大。

优选地，用于保持其中一组活动齿的第一保持框布置于凸轮的偏离轴向中心的径向外侧，使得该组活动齿的根部基本位于凸轮的轴向中心，以使来自径向的作用力大致垂直作用于凸轮的轴向中心。特别地，本发明中，“第一保持框偏离轴向中心的程度”是大致以活动齿的轴向宽度为尺度的，即凸轮径向外侧的第一保持框处于侧向，目的在于让活动齿的齿根部基本处于凸轮轴向中心区域，从而使作为主要传动结构的该侧活动齿产生基本垂直于凸轮轴向中心的作用力，以防止作为主要传动结构的单组活动齿的轴向两侧相对凸轮产生明显不平衡的力矩，进而影响减速器的平稳传动，使减速器的传动性能下降。

优选地，第一传动结构包含的若干活动齿与第二传动结构包含的若干活动齿具有彼此不同的硬度，用以补偿作为输出轴的保持架因承担负载而沿凸轮轴向引入的不平衡力矩。本发明中，两组传动结构各自的活动齿相对于来自负载的传递力矩可以具有不同的硬度(如通过不同硬度的材料形成)，并且活动齿的硬度是与对应的负载输入方向相关联地设置的，以使两组活动齿相对于外加载荷形成不同硬度，从而应对经由附接至保持架的负载传导至两组传动结构的不同外加载荷影响，平衡两侧传动结构可能产生的不平衡力矩，尤其减缓负载一侧活动齿的磨损老化进程，使两组传动结构基本保持同步稳定的传动。

优选地，靠近作为输出轴的保持架的负载接入方向一侧设置的至少一组活动齿相比沿凸轮轴向镜像对称地设置在保持架的负载接入方向另一侧的至少另一组活动齿具有更小的硬度，以允许来自保持架的负载接入方向的谐波传动抖动至少部分地被吸收。随着载荷量和载荷时间的累积，相比背离负载侧的活动齿，靠近负载输入方向的载荷将对同侧的活动齿产生更剧烈的扰动，使该侧活动齿更易于轴向移动和/或偏转的趋势，而将该侧活动齿配置为更柔性，使得其能够更为柔和地吸收或缓和来自负载一侧的外加载荷影响，避免该侧活动齿与外齿圈因载荷累积而进一步产生更明显的生硬摩擦，从而加剧该侧活动齿的磨损程度。

优选地，靠近作为输出轴的保持架的负载接入方向一侧设置的用于保持活动齿的保持架相比沿凸轮轴向镜像对称地设置在保持架的负载接入方向另一侧的的保持框具有更小的硬度，使得来自保持架的负载接入方向的谐波传动抖动至少部分地被吸收。

优选地，凸轮端盖可分离地安装至凸轮面对保持架的负载接入方向的一侧，并通过布置在凸轮径向外侧的第二保持框保持其中一组滚轮轴承，以至少部分地吸收该组滚轮轴承因谐波传动抖动而沿凸轮径向引发的振动。本发明中，凸轮端盖的端盖外轮廓相比用于容置作为主要传动结构的凸轮外轮廓更为弹性或柔性，从而可以更加平稳地吸收或缓和由作为输出轴的保持架沿凸轮轴向所引入的谐波传动抖动，尤其是当负载引入方向处于可分离的凸轮端盖一侧时，该侧引起的谐波振动传递至活动齿，并由活动齿传递至与之连接的滚轮轴承，而滚轮轴承的轴向运动能够被相对柔性的端盖外轮廓所吸收,同时能够经由保持架所限定的活动齿而进一步地被限制移动，并且，在沿凸轮轴向产生谐波抖动的同时，不可避免地会使活动齿及滚轮轴承沿凸轮径向产生抖动，本发明中凸轮端盖的端盖外轮廓相较凸轮径向外侧一体成型的凸轮外轮廓更加柔性，针对滚轮轴承的径向抖动，端盖外轮廓相对滚轮轴承的径向侧面、轴向侧面以及被保持架所限定的活动齿三者共同形成三点式的稳定结构，在限制滚动轴承产生径向大幅位移的同时，通过相较弹性的端盖外轮廓充分吸收滚动轴承产生的谐波传动抖动，缓解两侧传动结构彼此间因负载引入而产生的不平衡及不同步状态。另外，可分离的凸轮端盖提供便利的组合条件，使得可作为谐波传动抖动的补偿机构的该侧活动齿及滚子轴承能够容易地被替换，从而适应不同载荷(如重载或低载)下可能产生的谐波传动抖动或振动。

优选地，两组传动结构各自的活动齿以通过彼此不同的材料形成的方式相对于来自凸轮的传递力矩具有不同的硬度，其中，两组传动结构中的活动齿的硬度是与从动件对应的负载输入方向相关联地设置的。

优选地，凸轮包括具有凸轮内轮廓的基体和形成在该基体周向的作为凸轮外轮廓的环形框架，其中，凸轮内轮廓和凸轮外轮廓共同形成部分地包围并限定由活动齿和滚轮轴承连接形成的其中一组传动结构的轮廓段，其中，滚轮轴承部分地保持在轮廓段。活动齿与凸轮外轮廓和凸轮内轮廓基于滚轮轴承进行接触，使活动齿基于凸轮外轮廓和凸轮内轮廓的限定作用准确地传递凸轮传递的周期性形变而避免非预期的径向偏移或偏转，可减小传动的摩擦力，使传动更平稳。

优选地，本发明提供的对数螺旋线齿廓的活动齿减速器包括可分离地安装在凸轮轴端面的凸轮端盖，其具有与凸轮外轮廓相适应的端盖外轮廓，其中，端盖外轮廓与凸轮内轮廓共同形成部分地包围并限定由活动齿和滚轮轴承连接形成的其中另一组传动结构的轮廓段。

优选地，保持架具有沿周向分布的若干引导孔，活动齿通过引导孔被限定并可沿径向运动，从而活动齿能够经凸轮驱动沿径向穿出引导孔并在引导孔保持下与外齿圈的内齿轮廓周期性地啮合。本发明的活动齿装配于保持架，保持架用于限定活动齿在凸轮的作用下沿保持架的径向移动而避免非预期的周向偏移或偏转；此外，活动齿与保持架采用间隙配合方式，使得两者间几乎没有间隙，极大程度的提高了活动齿的抗弯强度，能够实现良好的动力传动。

优选地，活动齿的单侧面齿廓曲线符合对数螺旋线：

S_MT＝Re^θ/tanβ(-θ_b≤θ≤0)

式中，S_MT为极坐标下的活动齿的齿廓曲线，θ为极坐标下的活动齿对应的极角，R为活动齿齿廓的参考半径，β为活动齿齿廓的参考角度，θ_b为活动齿齿根位置对应的极角。

优选地，外齿圈的内齿轮廓线按照如下方式求解：

根据活动齿的单侧面齿廓曲线S_MT、凸轮的理论廓线S_c、传动比i之间的关系，获得活动齿轮廓的运动轨迹，并求解包络线，

其中，包络线上的点集满足

式中，为活动齿齿廓法向向量、/>为活动齿与外齿圈啮合点处相对运动速度方向矢量。

优选地，凸轮通过活动齿与外齿圈间的基于对数螺旋线的面接触向从动件传递力矩，其中，凸轮的理论轮廓线S_c符合如下分段函数：

式中，S_c为极坐标下的凸轮101理论齿廓的1/4段；φ为极坐标下的凸轮101对应的极角；第一段与第三段曲线为凸轮101尖点的修正曲线，第二段曲线符合对数螺旋线；a₀、a₁、a₂、a₃、b₀、b₁、b₂、b₃为待定系数，根据曲线的连续性计算，其中，a₀、a₁、a₂、a₃为凸轮101第一段修型曲线系数，b₀、b₁、b₂、b₃为凸轮101第二段修型曲线系数；φ₁与φ₂为凸轮101修型段交点位置，通常取与/>i为该减速器理论的传动比。

本发明中，依赖特殊设计的凸轮的张紧作用，使得外齿圈的两侧齿面随时与对应的活动齿齿面保持接触状态，实现零侧隙传动。

优选地，凸轮的凸轮内轮廓和凸轮外轮廓符合以下函数：

式中，“+”为外轮廓，“-”为内轮廓，为凸轮的理论轮廓线S_c的单位法向向量，r为滚子半径。

本发明提供一种对数螺旋线齿廓的新型活动齿减速器，其中活动齿、外齿圈、凸轮均基于对数螺旋线设计，依靠活动齿与外齿圈的齿面近似的曲率，在受力状态可实现面接触，极大程度提高了传动承载能力；结构紧凑、内部中空、拥有极高的功率密度；基于若干间隔设置的活动齿沿径向的运动实现凸轮基于其外轮廓传递的周期性形变，可替代柔轮的连续性结构以有效改善其传动状态，从而显著降低柔轮发生疲劳损坏的概率。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的减速器的整体结构示意图；

图2是本发明提供的一种优选实施方式的减速器的剖面结构示意图；

图3是本发明提供的一种优选实施方式的减速器的结构示意图，其中，a为减速器的剖视示意图，b为取下凸轮端盖和充当补偿机构的活动齿之后，从右侧观察图3a得到的本发明减速器的右视图；

图4是本发明提供的一种优选实施方式的减速器的结构爆炸图；

图5是本发明提供的一种优选实施方式的减速器的装配流程示意图；

图6是本发明提供的一种优选实施方式的凸轮与凸轮端盖的装配结构示意图；

图7是本发明提供的一种优选实施方式的凸轮的运动轮廓线。

附图标记列表

100：驱动部；101：凸轮；102：中心轴；103：固定件；104：定位销；1011：凸轮内轮廓；1012：凸轮外轮廓；1013：凸轮端盖；1014：端盖外轮廓；1015：第一侧壁；1016：第二侧壁；200：传动部：201：滚轮轴承；202：活动齿；203：外齿圈；204：保持架；300：从动部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参见图1，本发明提供了一种对数螺旋线齿廓的活动齿减速器，可以包括用于输入动力的驱动部100、用于传递动力的传动部200以及用于输出动力的从动部300。具体地，驱动部100、传动部200和从动部300同轴连接。

根据一种优选实施方式，如图2和图3所示，驱动部100可以包括凸轮101和中心轴102。具体地，中心轴102可以是实心或空心的轴，并且该中心轴102连接或耦合在凸轮101内侧的通道或腔中。进一步地，如图3所示，凸轮101具有凸轮内轮廓1011和凸轮外轮廓1012，凸轮内轮廓1011和凸轮外轮廓1012分别与滚轮轴承201接触从而形成限定滚轮轴承201沿凸轮101外周运动的滚动空间或轮廓线。

根据一种优选实施方式，如图2和图3所示，传动部200可以包括滚轮轴承201、活动齿202和外齿圈203。具体地，滚轮轴承201与凸轮101的凸轮内轮廓1011和凸轮外轮廓1012接触。换而言之，滚轮轴承201可以在凸轮内轮廓1011和凸轮外轮廓1012之间沿周向滚动。进一步地，滚轮轴承201的末端连接或设置有沿外齿圈203径向延伸且可运动的活动齿202(见图3a)。活动齿202远离滚轮轴承201一端可以在凸轮101驱动下与外齿圈203的内齿轮廓进行接触啮合(见图2上方和下方)或脱离啮合(见图2左侧和右侧)。

根据一种优选实施方式，从动部300可以包括供各个活动齿202贯穿移动的保持架204。参见图2，保持架204按照已知的谐波传动方式转动，例如按照与凸轮101转动方向相反的方向转动。

具体而言，可被驱动的凸轮101作为驱动力的输入件设置或保持在保持架204径向内侧，且具体处在凸轮内轮廓1011围合形成的环形轮廓线之内，该凸轮101经驱动转动并通过滚轮轴承201将力或力矩传导至活动齿202。进一步地，活动齿202经凸轮101和/或滚轮轴承201驱动而朝向外齿圈203的内齿轮廓方向运动。若此时外齿圈203保持固定，则活动齿202穿过保持架204沿径向移动，进而与外齿圈203的内齿轮廓产生周期性或交替性地啮合，从而按照已知的谐波传动方式使保持架204按照与凸轮101转动方向相反的方向转动。之所以会出现转动，是因为在活动齿202顶端与外齿圈203的内齿轮廓啮合时从接触面处获得沿保持架204周向的推动力。另一方面，也是因为此时带有相应活动齿的滚轮轴承201能够在凸轮内轮廓1011和凸轮外轮廓1012之间沿周向滚动，在周向推动力的作用下，使活动齿202沿周向移动，且在径向上得到滚轮轴承201的支撑。

对于本领域技术人员已知的是，在保持架204保持固定，而外齿圈203可转动的情况下，凸轮101的转动最终将带动外齿圈203执行相应的转动。由此可见，本发明所采用的传动方式类似于刚轮柔轮构成的谐波传动方式。保持架204保持固定意味着传动部200和从动部300角色颠倒，申请人保留就此提出分案申请的权利。

根据一种优选实施方式，如图2和图3所示，活动齿202能够与外齿圈203接触啮合。具体地，外齿圈203为与保持架204形状适应的筒形结构，并且在外齿圈203的内壁布设有连续的内齿轮廓。进一步地，活动齿202具有与外齿圈203的内齿轮廓形状相适应的外齿轮廓，从而活动齿202可以通过其末端的外齿轮廓与外齿圈203接触啮合。

特别地，活动齿202的齿廓线符合对数螺旋线设计。具体地，对数螺旋线的原点与凸轮101或者活动齿202的转动中心重合。进一步地，在活动齿202与外齿圈203完全啮合时，活动齿202与外齿圈203的共轭齿廓可以实现近似曲面的接触。

参见图3a，滚轮轴承201通过其轴承轮廓面与凸轮101接触，从而活动齿202可以通过滚轮轴承201与凸轮101可传动地机械耦合。具体而言，工作时，凸轮101由外部致动器驱动而旋转(如顺时针旋转)，凸轮101的转动经由滚轮轴承201传导至至活动齿202，使可活动的活动齿202产生径向运动，从而活动齿202与外齿圈203实现周期性地啮合。进一步地，经凸轮101驱动，活动齿202沿外齿圈203的内齿轮廓进行啮合移动，活动齿202带动保持架204运动作为输出(如逆时针旋转)。特别地，基于对数螺旋线设计的活动齿202的外齿轮廓与外齿圈203的内齿轮廓在彼此啮合的过程中实现周期性地曲面接触。

鉴于此，本发明提供一种对数螺旋线齿廓的活动齿减速器可以包括：

外齿圈203，其具有布设在其内壁的内齿轮廓；

作为输出轴/件的保持架204，其可转动地保持在外齿圈203内部；

若干独立的活动齿202，朝向外齿圈203沿径向布设，配置为分别贯穿其中地保持于保持架204，并具有适应内齿轮廓的外齿轮廓；

凸轮101，可驱动地保持在保持架204内侧，并与活动齿202可传动地机械连接，其中，活动齿202经凸轮101驱动运动而与外齿圈203周期性地啮合。

根据一种优选实施方式，整个运动周期中，凸轮101会推动滚轮轴承201运动，从而使得滚轮轴承201带动活动齿202与外齿圈203接触啮合。理论上，整个运动周期中，至少一个活动齿202与外齿圈203、滚轮轴承201与凸轮101处于接触状态，从而保证减速器能够连续稳定地运动。而实际中，若有加工误差的存在，活动齿202与外齿圈203、滚轮轴承201与凸轮101往往处于不完全相同的接触状态(甚至接触状态变化剧烈，例如磨损、重载或载荷波动)，此时滚轮轴承201与活动齿202可能会在保持架204的孔中窜动，影响传递精度和稳定性。虽然凸轮外轮廓1012的存在可以将滚轮轴承201限制在凸轮外轮廓1012与凸轮内轮廓1011之间，使得滚轮轴承201与凸轮101能始终处于接触状态，但是这也只能减小加工误差对于传动性能的影响。

特别地，凸轮101与滚轮轴承201和/或活动齿202接触的轮廓线关于凸轮101的长轴和短轴分别对称。具体而言，凸轮101的轮廓线可包括外齿圈203与活动齿202啮合部分的长轴轮廓段(如图2所示的外齿圈203的上下两侧)、外齿圈203与活动齿202脱开部分的短轴轮廓段(如图2所示的外齿圈203的左右两侧)以及位于长轴轮廓段和短轴轮廓段之间的四个过渡轮廓段。

根据一种优选实施方式，在装配本发明提供的传动结构及其减速器时，先将滚轮轴承201装配至活动齿202，并用螺母进行紧固。将所有活动齿202装配至保持架204中，调整活动齿202至合适位置后装配凸轮101。将装配好的保持架204、活动齿202、凸轮101装配至外齿圈203。特别地，活动齿202齿廓、外齿圈203齿廓、凸轮101轮廓均为与对数螺旋线有关的复杂曲线，对加工精度要求高，考虑外齿圈203用线切割活动成型铣刀加工，活动齿202与凸轮101轮廓可利用圆柱铣刀加工。

根据一种优选实施方式，本发明基于若干间隔设置的活动齿202沿径向的运动实现凸轮101基于凸轮外轮廓1012传递的周期性形变，可替代柔轮的连续性结构以有效改善其传动状态，显著降低柔轮或齿段发生疲劳破坏的概率。另外，活动齿202装配于保持架204，保持架204用于限定活动齿202在凸轮101的作用下与外齿圈203的移动啮合而避免非预期的周向偏移或偏转。

具体地，本发明中，活动齿202的单侧面齿廓曲线符合对数螺旋线：

S_MT＝Re^θ/tanβ(-θ_b≤θ≤0)

其中，S_MT为极坐标下的活动齿202的齿廓曲线，θ为极坐标下的活动齿202对应的极角，R为活动齿202齿廓的参考半径(对数螺旋线常数)，依靠设计参数确定，β为活动齿202齿廓的参考角度(对数螺旋线常数)，通常取值30°～35°间，θ_b为活动齿202齿根位置对应的极角。活动齿202另一侧齿廓与曲线S_MT相对于θ＝0的极轴呈镜像关系。特别地，活动齿202的外齿轮廓线S_MT为对数螺旋线，与外齿圈齿廓曲率相近，便于形成面接触。

特别地，活动齿202与凸轮外轮廓1012和凸轮内轮廓1011基于滚轮轴承201进行接触。滚轮轴承201作为传动介质，使滚轮轴承201相对凸轮外轮廓1012和凸轮内轮廓1011发生滚动，则活动齿202和滚轮轴承201基于凸轮外轮廓1012和凸轮内轮廓1011的限定作用准确地传递凸轮101传递的周期性运动而避免非预期的径向偏移或偏转，可减小传动的摩擦力，使得传动平稳。

具体地，本发明中，凸轮101的理论轮廓线S_c符合如下分段函数：

其中，S_c为极坐标下的凸轮101理论齿廓的1/4段；R为活动齿202齿廓的参考半径；φ为极坐标下的凸轮101对应的极角；第一段与第三段曲线为凸轮101尖点的修正曲线，第二段曲线符合对数螺旋线；a₀、a₁、a₂、a₃、b₀、b₁、b₂、b₃为待定系数，根据曲线的连续性计算，其中，a₀、a₁、a₂、a₃为凸轮101第一段修型曲线系数，b₀、b₁、b₂、b₃为凸轮101第二段修型曲线系数；φ₁与φ₂为凸轮101修型段交点位置，通常取与/>i为该减速器理论的传动比。

具体地，本发明中，凸轮101的内轮廓与外轮廓符合以下函数：

其中，“+”为外轮廓“-”为内轮廓/> 为凸轮101的理论轮廓线S_c的单位法向向量，r为滚子(如滚轮轴承201)半径。

根据一种优选实施方式，本发明中，外齿圈203的轮廓可以根据如下所述的啮合原理求解：根据活动齿202齿廓S_MT、凸轮101理论廓线S_c、传动比i之间的关系，获得活动齿202轮廓的运动轨迹，并求解包络线，包络线上的点集满足其中，/>为活动齿202齿廓法向向量、/>为活动齿202与外齿圈203啮合点处相对运动速度方向矢量。

根据一种优选实施方式，本发明中外齿圈203依靠凸轮101的转动驱动活动齿202运动，活动齿202运动轨迹的包络线即为外齿圈203的内齿廓，由于凸轮101存在修型，活动齿202运动轨迹的包络线通常为数值解，非对数螺旋线。特别地，活动齿202运动轨迹的线性符合啮合原理，使得活动齿202与外齿圈203间有着最优的理论啮合性能。

根据一种优选实施方式，如图7所示，若以对数螺旋线作为外齿圈203的内齿轮廓，在保证活动齿202与外齿圈203正确啮合的情况下，获得的凸轮轮廓如图7中实线所示。从图中可以看出，凸轮轮廓在其短轴以及长轴上存在尖点，当滚轮轴承201沿凸轮内轮廓1011运动至尖点时，其速度与加速度将会发生突变，使得与滚轮轴承201相连的活动齿202的速度与加速度发生突变，加剧活动齿202与外齿圈203啮合面的磨损。因此，在尖点处，按照轮廓线的一阶导数连续、二阶导数为0的原则，对凸轮101进行修型，修型后的凸轮轮廓线如图7中虚线所示。修型后的凸轮101能够避免活动齿202的速度与加速度发生突变，从而减小活动齿202与外齿圈203啮合面的磨损，提高传动性能。随后，基于修型后的凸轮轮廓，通过包络法获得外齿圈203的齿廓，使得外齿圈203与活动齿202在传动过程中始终能进行正确啮合。

根据一种优选实施方式，如图4和图5所示，本发明中，活动齿202与滚轮轴承201连接的传动结构可以设置有两组，并且两组传动结构可以沿凸轮101轴向互为镜像地对称设置。

根据如图4和图5所示的该实施方式，该传动结构可以为同轴减速传动，其中，外齿圈203保持不变，输入端(或驱动件)为凸轮101，保持架204作为输出端(或从动件)。具体地，保持架204基本呈一筒形框架，并且在该筒型框架的周向布设有若干用于保持活动齿202的孔，这些孔在轴向上间隔开并分成两组，例如图4所示。活动齿202通过保持架204侧壁上的孔装配至保持架204，从而凸轮101转动带动活动齿202的运动能够驱动保持架204运动(如转动)。

如图4所示，通过凸轮101的旋转，可以在长轴与短轴交替的情况下，迫使布置在该凸轮101上的若干活动齿202在径向上前后移动。活动齿202的这种前后移动是沿径向穿过保持架204执行的。通过活动齿202与外齿圈203的相互作用，可以在外齿圈203与保持架204之间产生传动比并在凸轮与外齿圈203或保持架204之间传递力矩。

如图4所示，活动齿202分成至少两组，由于用于保持活动齿202的孔也至少分为两组，因此活动齿202可以分组地安置在相应组内的孔中。这两组活动齿202彼此在凸轮101的轴向上相互保持间隔。其中至少一组活动齿202充当谐波传动抖动的补偿机构，用以补偿作为输出轴的保持架204所承担负载所引发的振动。

根据一种优选实施方式，参见图5①，在装配本发明所述的两组传动结构时，先将两组活动齿202分别与对应的滚轮轴承201进行装配连接，并按照图5②所示，通过保持架204稳定活动齿202，之后将装配好的两组活动齿202与滚轮轴承201连接的传动结构逐个装配至与外齿圈203(未示出)的内齿轮廓对应的指定位置上。进一步地，将凸轮101按照如图5③所示的从右至左的方向装配至保持架204的大致中心位置，使得两组传动结构中右侧滚轮轴承201装配至由凸轮内轮廓1011和凸轮外轮廓1012形成的第一保持框内。另一方面，将凸轮端盖1013按照如图5④所示的从左往右的方向装配至凸轮101的左端面，使得两组传动结构中左侧滚轮轴承201装配至由凸轮内轮廓1011和凸轮端盖1013的端盖外轮廓1014形成的第二保持框内。

根据一种优选实施方式，参见图6，凸轮101和凸轮端盖1013接合的端面设置有若干定位销104。凸轮端盖1013通过定位销104与凸轮101进行定位，并通过与定位销104配合的固定件103(如螺栓)装配至凸轮101的轴端面，如图5④所示的左端面。

具体地，如图6(a)所示，凸轮101包括具有内部中空轴的柱状基体和一体形成在该柱状基体周向的环形框架，其中，该柱状基体的周向侧面作为凸轮内轮廓1011与滚轮轴承201接触，该环形框架作为凸轮外轮廓1012与滚轮轴承201接触，滚轮轴承201部分地被包围并限定在凸轮内轮廓1011和凸轮外轮廓1012共同形成的轮廓段中。

另一方面，如图6所示，凸轮端盖1013具有与凸轮101的凸轮外轮廓1012形状相同但指向相反的端盖外轮廓1014。凸轮端盖1013的端盖外轮廓1014作为用于接触并至少部分地包覆滚轮轴承201的外轮廓，从而凸轮端盖1013通过其端盖外轮廓1014与凸轮101的凸轮内轮廓1011共同地限定并包覆滚轮轴承201。特别地，如图5④所示，当本发明设置有两组活动齿202与滚轮轴承201连接的传动结构时，凸轮端盖1013用于使左侧的滚轮轴承201装配至凸轮内轮廓1011和凸轮端盖1013的端盖外轮廓1014之间，从而对左侧滚轮轴承201起到限定作用，进而准确地传递凸轮101传递的周期性运动而避免非预期的径向偏移或偏转。可分离的凸轮端盖1013为滚轮轴承201及活动齿202的拆卸更换之需求提供简单便利的操作条件。

根据一种优选实施方式，本发明设置两组活动齿202与滚轮轴承201连接的传动结构可以显著提高减速器的承载能力。具体地，当仅设置一组活动齿202与滚轮轴承201连接的传动结构时，减速器工作仅通过一组活动齿202与滚轮轴承201连接的传动结构与凸轮101和外齿圈203接触以传递力矩/载荷；而设置两组活动齿202与滚轮轴承201连接的传动结构时，两组活动齿202与滚轮轴承201连接的传动结构同时与凸轮101和外齿圈203接触并传递载荷，可以提高减速器的总体承载能力。特别地，当仅设置一组活动齿202与滚轮轴承201连接的传动结构时，该组活动齿202的齿根部基本处于凸轮的轴向中心区域，使作为唯一传动结构的该活动齿受到基本平衡的作用力，以防止作为唯一传动结构的活动齿的轴向两侧相对凸轮产生明显不平衡的力矩，进而影响减速器的平稳传动，使减速器的传动性能下降。

增设传动结构虽提高减速器的总体承载能力，然而在实际应用场合下，对称设置的两组结构和/或形态基本相同的传动结构的总体力学特性(如受力状态)却并非完全一致的，这通常与具体的负载输入方向有关。特别地，以图5④所示为例，假使凸轮101或附接有驱动件的凸轮101从右侧插入减速器中心以用于提供驱动力，外接负载从左侧附接至输出轴/件(即保持架204)，此时，由于减速器轴向两侧的负载状态不一，故当通过驱动凸轮101使整个减速器运转时，载荷集中偏向于减速器一侧，使得具有负载的一侧将对两组同时运转的传动结构产生不同的力学影响，例如附接有负载的左侧首先将对左侧的传动结构产生明显更大的扰动，其尤其影响着该侧活动齿202与外齿圈203间的接触啮合。

特别地，随着保持架204所附接的载荷量或持续负载时间的增加，由保持架204轴向所引入的谐波扰动可能促使活动齿202在通过径向运动与外齿圈203接触啮合的同时，产生沿外齿圈203轴向的移动和/或偏转，尤其是活动齿202与滚轮轴承201近乎点连接或点接触，活动齿202沿外齿圈203轴向的移动和/或偏转将产生类似于以与滚轮轴承201的连接点为中心的“钟摆式运动”，这种运动易加剧活动齿202与外齿圈203啮合齿面的磨损。

进一步地，来自于输出轴/件(即保持架204)或由保持架204传递的力矩传导至另一侧的传动结构，而另一侧传动结构则相较于负载一侧受到载荷之影响较小，加之凸轮101的凸轮外轮廓1012之限定，导致两组传动结构受到不同程度载荷力矩之影响，进而使其中保持的活动齿202相对于外齿圈203产生不同程度的老化磨损，这种不平衡的力学状态将随着减速器使用频次的提高而愈加明显，致使减速器后期的总承载能力显著下降，甚至两组传动结构产生明显不同步的啮合而严重影响减速器的正常使用，尤其是这类基于对数螺旋线的减速器多用于精密传动之场合，这意味着基本同步的稳定传动是实现高精度传动比和力矩的关键因素。

鉴于此，为适宜两组传动结构可能产生的不平衡力矩，并保持减速器的整体传动刚度，本发明中，两组传动结构相对称地设置，并且彼此对称的至少一对滚轮轴承201的用于连接活动齿202的一端以允许各自连接的活动齿202彼此间隔的方式相对设置。具体地，例如图5④所示，滚轮轴承201具有被包围并限定在凸轮101或凸轮端盖1013的保持框之内的柱状轴端和处于保持框之外的用于连接活动齿202的细长轴端(或轴头)，当两组滚轮轴承201的用于连接活动齿202的细长轴端(或轴头)是面对设置的情况下，能够使减速器的整体装配结构更加紧凑，以减小两侧传动结构之间不平衡力矩引起的谐振。

另一方面，相比于单组宽齿距的设置方式，两组活动齿202相邻间隔的方式使得其各自接触承载位置之间存在间隔。令人意外的是，这反而提高了减速器的整体承载能力并提高传动刚度。特别是，将两组活动齿202以一组靠近轴向中心而另一组与之轴向错误偏离相邻间隔设置，反而使得在保证传动刚度的同时，允许小范围轻微移动和/或摆动。这种移动和/或摆动的形成允许活动齿202将其吸收或承载的部分载荷释放，从而避免两侧传动结构之间不平衡力矩的谐振、甚至进一步增大。

根据一种优选实施方式，为了减缓两侧传动结构可能产生的不平衡力矩，并降低负载一侧的活动齿202相对于外齿圈203的磨损老化进程，使两组传动结构基本保持同步稳定的传动，本发明中，位于凸轮内轮廓1011的同一母线上的两组传动结构各自的活动齿202可由彼此不同的材料形成，从而相对来自保持架204的传递力矩具有不同的硬度，其中，活动齿202的硬度是与作为输出轴/件的保持架204对应的负载输入方向相关联地设置的。特别地，鉴于与保持架204相关的负载输入方向之不同，使得减速器轴向两端具有不同的受力状态，从而将对互为镜像地对称设置的两组传动结构在时间及空间上产生不同程度的影响，为此，两组传动结构中的活动齿202可以通过不同的材料形成以具有不同硬度，从而基于彼此的强度差异来弥补因保持架204引入的外加载荷而产生的不平衡力矩，从而避免两侧传动结构之间不平衡力矩的谐振。

根据一种优选实施方式，本发明中，可以使两组传动结构中靠近负载输入方向(或远离负载输入方向)的活动齿202具有更小的硬度。即，彼此硬度不同的活动齿202分成轴向间隔但相互对齐的至少两组。具体地，例如图5④所示，当负载从左侧附接至输出轴/件(即保持架204)时，靠近该侧的活动齿202可以配置为相较对侧的活动齿202具有更小的硬度。更具体地，靠近该侧的活动齿202可由具有更小硬度的材料形成。

随着载荷量和载荷时间的累积，相比背离侧的活动齿202，朝向负载输入方向的载荷将对同侧的活动齿202产生更剧烈的扰动，促使该侧活动齿202具有更易于轴向移动和/或偏转的趋势，而将该侧活动齿202配置为具有更小的硬度，即对比另一侧活动齿202相对柔性，使得其能够更为柔和地吸收或缓和来自同侧的附加载荷，避免该侧活动齿202与外齿圈203因载荷累积而进一步产生更明显的生硬摩擦，从而加剧该侧活动齿202的磨损程度。另外，配置在负载输入侧的活动齿202以相对柔性地方式与外齿圈203啮合接触，能够基于自身相较弹性的力学特性减缓同侧负载引入的扰动力矩，使其与对称设置的另一侧活动齿202相对同一负载在不同空间引入的不平衡力矩具有基本相同的适应能力，该适应能力通过因不同成型材料而展现的硬度特性而实现。远离负载输入方向布置活动齿202的方式与此相似，不再赘述。

此外，由于本发明的活动齿202分成轴向间隔但相互对齐的至少两组。轴向相互对齐是指：两组活动齿202彼此在凸轮101的轴向上相互保持间隔，但两组活动齿202中的两两彼此相邻的齿共同位于凸轮内轮廓1011的同一母线上。远离凸轮101轴向中心的活动齿202可以作为抖动补偿机构，用以补偿作为输出轴的保持架204所承担负载所引发的振动。另外，如图5④所示，凸轮端盖1013可安装至凸轮101面对保持架204的负载接入方向的一侧，并通过处在凸轮101径向外侧的第二保持框保持作为谐波传动抖动补偿的其中一组滚轮轴承201，其中，该凸轮端盖1013相比镜像对称地设置在其对侧的凸轮101具有更小的硬度。此时，凸轮端盖1013的弹性很重要，如图5④所示，凸轮端盖1013的第二保持框从轴向端部依靠其第二侧壁1016以弹性方式阻挡了该靠近活动齿202的轴向运动；而与之相对的另一端是由活动齿202贯穿保持架204的径向接触部分来实现限位的。进一步地，凸轮端盖1013的第二保持框则从径向依靠其第一侧壁1015以弹性方式阻挡该侧滚轮轴承201的径向抖动，以进一步限制该侧活动齿202的抖动。由于保持架204可以充当传动输出机构，其带来的负载波动可以在凸轮端盖1013的一侧通过凸轮端盖1013的弹性得到补偿。另外，由于凸轮端盖1013与凸轮101是通过螺杆连接的部件，在长期工作后需要进行保养维修时，只需要更换更为廉价也易于更换的凸轮端盖1013就能保证整体设备的可靠性，大大降低了设备维护成本。

应当理解的是，形成活动齿202的材料通常为合金类材料，本发明并无意对具体的材料类型进行限定。本领域技术人员可以根据该活动齿减速器的具体应用场合来选择对应的成型材料，而具体类型通常应根据两组传动结构各自的活动齿202所需的硬度要求来确定，其目的在于使两组传动结构中的活动齿202具有彼此不同的补充硬度，该补充硬度例如包含硬度、抗拉强度及屈服度等。除此之外，两组活动齿202具体的材料及其硬度需求可以由设计人员根据该减速器的不同使用场景来试验确定，从而在本发明所述的凸轮端盖1013是可拆卸的情况下，至少可以通过将一侧的活动齿202替换为不同硬度来适应不同谐波传动场景下可能引入的谐波传动振动或抖动。换言之，凸轮端盖1013的弹性与活动齿202的弹性可以是预先计算配置的一组经验数据表，即X组凸轮端盖1013和Y组活动齿202存在X*Y种不同的搭配方式，可以适应X*Y的乘积数量的不同负载的长期稳定运行。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种对数螺旋线齿廓的活动齿减速器，包括外齿圈(203)、凸轮(101)和保持架(204)，其中，通过所述凸轮(101)驱动布置在该凸轮(101)上的可沿径向穿过所述保持架(204)进行运动的若干活动齿(202)来在所述外齿圈(203)与所述保持架(204)之间产生传动比并传递力矩，

其特征在于，

所述活动齿(202)分成至少两组，两组活动齿(202)彼此在所述凸轮(101)的轴向上相互保持间隔，并且其中至少一组所述活动齿(202)充当谐波传动抖动的补偿机构，用以补偿作为输出轴的所述保持架(204)所承担负载所引发的振动。

2.根据权利要求1所述的活动齿减速器，其特征在于，所述两组活动齿(202)分别通过各自的滚轮轴承(201)可活动地布置于所述凸轮(101)，

其中一组滚轮轴承(201)保持在所述凸轮(101)的与之一体成型的第一保持框内，使得该组滚轮轴承(201)能够在沿第一保持框绕所述凸轮(101)的周向移动的同时，还允许该组滚轮轴承(201)以其连接活动齿(202)的轴头为轴心转动；

其中另一组滚轮轴承(201)保持在沿轴向安装于所述凸轮(101)的凸轮端盖(1013)上的第二保持框内，使得该组滚轮轴承(201)能够在沿第二保持框绕所述凸轮(101)的周向移动的同时，还允许该组滚轮轴承(201)以其连接活动齿(202)的轴头为轴心转动。

3.根据权利要求1或2所述的活动齿减速器，其特征在于，其中一组滚轮轴承(201)同与之连接的一组活动齿(202)构成第一传动结构，其中另一组滚轮轴承(201)同与之连接的另一组活动齿(202)构成第二传动结构，所述第一传动结构和第二传动结构在轴向上互为镜像地对称设置，使得轴向彼此间隔的各对所述滚轮轴承(201)承受共线的轴向推力。

4.根据权利要求1～3任一项所述的活动齿减速器，其特征在于，用于保持其中一组活动齿(202)的第一保持框布置于所述凸轮(101)的偏离轴向中心的径向外侧，使得该组活动齿(202)的根部基本位于所述凸轮(101)的轴向中心，以使来自径向的作用力大致垂直作用于所述凸轮(101)的轴向中心。

5.根据权利要求1～4任一项所述的活动齿减速器，其特征在于，所述第一传动结构包含的若干活动齿(202)与所述第二传动结构包含的若干活动齿(202)具有彼此不同的硬度，用以补偿作为输出轴的所述保持架(204)因承担负载而沿所述凸轮(101)轴向引入的不平衡力矩。

6.根据权利要求1～5任一项所述的活动齿减速器，其特征在于，靠近所述保持架(204)的负载接入方向一侧设置的至少一组活动齿(202)相比沿所述凸轮(101)轴向镜像对称地设置在所述保持架(204)的负载接入方向另一侧的至少另一组活动齿(202)具有更小的硬度，以允许来自所述保持架(204)的负载接入方向的谐波传动抖动至少部分地被吸收。

7.根据权利要求1～6任一项所述的活动齿减速器，其特征在于，靠近所述保持架(204)的负载接入方向一侧设置的用于保持活动齿(202)的保持框相比沿所述凸轮(101)轴向镜像对称地设置在所述保持架(204)另一侧的保持框具有更小的硬度，使得来自所述保持架(204)的负载接入方向的谐波传动抖动至少部分地被吸收。

8.根据权利要求1～7任一项所述的活动齿减速器，其特征在于，所述凸轮端盖(1013)可分离地安装至所述凸轮(101)面对保持架(204)的负载接入方向的一侧，并通过布置在所述凸轮(101)径向外侧的第二保持框保持其中一组滚轮轴承(201)，以至少部分地吸收该组滚轮轴承(201)因谐波传动抖动而沿所述凸轮(101)径向引发的振动。

9.根据权利要求1～8任一项所述的活动齿减速器，其特征在于，所述凸轮(101)通过活动齿(202)与外齿圈(203)间的基于对数螺旋线的面接触向保持架(204)传递力矩，其中，凸轮(101)的理论轮廓线S_c符合如下函数：

式中，S_c为极坐标下的凸轮(101)理论齿廓的1/4段；φ为极坐标下的凸轮(101)对应的极角；第一段与第三段曲线为凸轮(101)尖点的修正曲线，第二段曲线符合对数螺旋线；a₀、a₁、a₂、a₃为凸轮(101)第一段修型曲线系数；b₀、b₁、b₂、b₃为凸轮(101)第二段修型曲线系数；φ₁与φ₂为凸轮(101)修型段交点位置；i为减速器的理论传动比。

10.根据权利要求1～9任一项所述的活动齿减速器，其特征在于，

根据所述活动齿(202)的单侧面齿廓曲线S_MT、凸轮(101)的理论廓线S_c、传动比i之间的关系，获得活动齿(202)轮廓的运动轨迹，并求解包络线，

其中，所述包络线上的点集满足

式中，为活动齿(202)齿廓法向向量、/>为活动齿(202)与外齿圈(203)啮合点处相对运动速度方向矢量。