CN1286361A

CN1286361A - 摆线齿轮传动机构及其装置

Info

Publication number: CN1286361A
Application number: CN 99118684
Authority: CN
Inventors: 周永生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2001-03-07

Abstract

本发明提出了摆线齿轮实现平行袖传动、垂直相交轴传动、同轴传动、齿轮齿条传动等新型定轴轮系传动机构的啮合原理及其共轭条件;提出了偏心圆与摆线齿轮共轭齿轮副、与偏心圆共轭的一对互为共轭的摆线齿轮副在机构设计以及减速装置设计中使重合系数大于1的设计方法。根据该发明实现的各种减速装置具有结构简单、体积小、传动比范围大、承载能力高、使用寿命长等优点。尤其在重载、大传动比等应用领域,它比较任何一种传动齿轮都显示出更高的齿根强度及其承载能力。

Description

摆线齿轮传动机构及其装置

本发明属于齿轮传动设计的技术领域。尤其涉及到齿轮传动中摆线齿轮设计的技术领域。

摆线齿轮传动在近几十年来因其具备若干优点以及工艺技术的不断完善，发展非常迅速。尤其是摆线针轮行星传动减速器，因其结构简单、体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高、运转平稳、噪音低、使用寿命长等许多优点，已经在齿轮传动领域中占有了很重要的地位。

但是，到目前为止，摆线齿轮传动技术还仅限于少齿差行星传动的范畴，主要原因是摆线齿轮传动在设想突破行星传动这一传动方式时，其啮合传动时的重合系数小于1。众所周知的是：在齿轮传动中，当齿轮啮合传动时的重合系数小于1时，传动便不能保证连续。尽管曾有人提出在外啮合传动、多齿差内啮合传动以及摆线蜗杆传动中将摆线轮设计成斜齿轮，以便实现摆线齿轮在啮合传动时的重合系数大于1，但终因工艺技术不能满足其要求，至今未能实现。

本发明的目的便是为了扩展摆线齿轮的应用领域而提出一种偏心轮共轭摆线齿轮啮合传动以及采用两组以上啮合齿轮副交错排列形成多点啮合而使重合系数大于1的设计方法，从而实现摆线齿轮外啮合平行轴传动、多齿差内啮合平行轴传动、垂直轴传动、同轴传动、齿轮齿条传动。

本发明的内容主要是：

1．在平面啮合齿轮副中，主动轮的齿廓为偏心圆的外轮廓线或与偏心圆共轭的内摆线或短幅内摆线的外侧等距线；被动轮的齿廓为：

(1).与偏心圆共轭的外摆线或短幅外摆线的内侧等距线。

(2).与偏心圆共轭的内摆线或短幅内摆线的外侧等距线。

2．在垂直轴啮合或齿轮齿条啮合副中，主动轮的齿廓为偏心圆的外轮廓线或与偏心圆共轭的内摆线或短幅内摆线的外侧等距线，被动轮的齿廓为与偏心圆共轭的平摆线或短幅平摆线的等距线。

3．在传动机构设计中采用两组以上啮合齿轮副交错排列形成多点啮合，以使啮合传动时的重合系数大于1，实现啮合传动时连续。

4．摆线齿轮外啮合平行轴传动减速装置。

5．摆线齿轮外啮合同轴传动减速装置。

6．摆线齿轮垂直轴传动减速装置。

本发明摆线齿轮传动机构的啮合原理是：

1．在构成平面啮合的齿轮副中，主动轮(主动齿轮)有瞬心圆Ⅰ，被动轮(被动齿轮)有瞬心圆Ⅱ，设有一半径为r、偏心距为e的偏心圆与瞬心圆Ⅰ上的轴线相固联，当瞬心圆Ⅰ与瞬心圆Ⅱ作相对纯滚动时，该偏心圆的运动轨迹在被动轮上包络出被动齿轮的齿廓曲线。当两瞬心圆的相对纯滚动为外滚动时，该齿廓曲线为短幅外摆线的内侧等距线，该被动齿轮称作外摆线轮；当两瞬心圆的相对纯滚动为内滚动时，该齿廓曲线为短幅内摆线的外侧等距线，该被动齿轮称作内摆线轮；当构成纯滚动的两瞬心圆为垂直相交轴啮合时，该齿廓曲线为短幅平摆线的内侧等距线，该被动齿轮称作端齿摆线轮；当瞬心圆Ⅱ为直线并与瞬心圆Ⅰ作相对纯滚动时，该齿廓曲线仍为短幅平摆线的内侧等距线，该被动齿轮称作摆线齿条。

图1为定轴轮系各类摆线齿轮传动平面啮合示意图。

图2为短幅外摆线的内侧等距线的形成原理图。

设偏心圆的半径为r，偏心圆的圆心Oe距瞬心圆Ⅰ的圆心O1的距离为e，于是，当瞬心圆Ⅰ与瞬心圆Ⅱ作相对纯滚动时，Oe点的轨迹方程应为：

式中：A——两轮中心距。

ψ——瞬心圆Ⅰ围绕瞬心圆Ⅱ的圆心O2转动的角变量。

θ——瞬心圆Ⅰ围绕自身圆心O1转动的角变量。

显然，上式是短幅外摆线的参数方程式，它与用于摆线针轮行星传动减速器中的摆线轮的理论齿廓曲线的参数方程式相同。

摆线轮实际齿廓曲线(短幅外摆线的内侧等距线)的参数方程式为：

式中：Z——摆线轮的齿数；K1——短幅系数。

图3是短幅内摆线的外侧等距线的形成原理图。

同样，设偏心圆的半径为r，偏心圆的圆心Oe距瞬心圆Ⅰ的圆心O1的距离为e，于是，当瞬心圆Ⅰ与瞬心圆Ⅱ作相对纯滚动时，Oe点的轨迹方程应为：

式中：R1——瞬心圆Ⅰ的半径；R2——瞬心圆Ⅱ的半径；i=R2/R1。

(4)式是短幅内摆线的参数方程式。

短幅内摆线的外侧等距线的参数方程应为：

式中：

图4是短幅平摆线的等距线齿条形成原理图。

同上，偏心圆的半径为r，偏心圆的圆心Oe距瞬心圆Ⅰ的圆心O1的距离为e，于是，当瞬心圆Ⅰ在瞬心线Ⅱ上作相对纯滚动时，Oe点的轨迹方程为：

式中：R——瞬心圆Ⅰ的半径。

短幅平摆线的等距线齿条的齿廓曲线参数方程式为：

式中：

图5为一对共轭的摆线齿轮副平面外啮合示意图。

图6为一对共轭的摆线齿轮副平面内啮合示意图。

图7为一对共轭的摆线齿轮齿条(或端齿轮)平面啮合示意图。

由齿轮啮合原理知：一对互为共轭的齿轮副，必须满足必要条件重合系数大于1，才能实现连续传动。即：当一对齿廓完成啮合相脱离时，后一对齿廓必须在前一对齿廓完成啮合之前进入啮合。显然，对于主动齿轮仅为一齿的偏心轮----摆线齿轮传动机构来说，是一个重要的缺陷。我们对这一传动方式进行分析后不难发现，作为主动轮齿廓的偏心轮，如果用对称轴线将其分为两半，那么，一半齿廓曲线在啮合传动中其向径是由小变大，于是，被动齿轮齿面受到连续的推力作用而实现传动；而另一半齿廓曲线在啮合传动中其向径是由大变小，它并不存在对被动齿轮齿面的推动作用因而不能实现传动。事实上，如果前一半齿廓曲线称作齿面的话，那么，后一半齿廓曲线则可以称作齿背。

设重合系数为ε，则主动轮齿廓为偏心圆的偏心轮----摆线齿轮共轭齿轮副的重合系数为：

ε=0.5

为了使重合系数大于1，本发明提出了在传动机构设计中采用两组以上啮合齿轮副交错排列形成多点啮合的设计办法。

图8为三对共轭的外啮合偏心轮----摆线齿轮副组合示意图。

图9为三对共轭的内啮合偏心轮----摆线齿轮副组合示意图。

图10为三个偏心轮沿外摆线轮周向分布组合示意图。

图11为三个偏心轮沿内摆线轮周向分布组合示意图。

图12为三对共轭的外啮合摆线齿轮副组合示意图。

图13为三对共轭的内啮合摆线齿轮副组合示意图。

图14为三对共轭的偏心轮----摆线齿条(或端齿轮)组合示意图。

图15为三对共轭的摆线齿轮齿条(或端齿轮)组合示意图。

图16为4组外啮合摆线齿轮平行轴传动齿轮副同轴串联式交错排列示意图。在图16所示机构中，主动轮由4个偏心轮同轴串联组合并被制造成整体，在加工时每相邻两偏心轮的对称线均依次错开90°；被动齿轮则由4个齿廓为短幅外摆线的等距线的外摆线轮同轴固联而成，且每相邻两摆线轮的齿形在圆周方向均依次错开(360°/4*Z)。当运动由主动轮输入时，四对齿轮将交替保持二对齿轮的齿面在啮合，而另二对齿轮的齿背在啮合。该偏心轮----摆线齿轮共轭平行轴传动机构的重合系数为：

ε=2

图17为4个主动齿轮沿被动齿轮周向等份分布排列示意图。在图17所示机构中，沿被动齿轮周向等份分布的4个偏心轮，必须同时与被动齿轮保持啮合，并且通过一同步转动机构，使4个偏心轮能够始终保持同步转动，从而实现传动过程中始终交替保持着二个偏心轮的齿面与被动齿轮啮合，而另二个偏心轮的齿背与被动齿轮啮合。该偏心轮----摆线齿轮共轭同轴传动机构的重合系数为：

ε=2

图18为3组垂直轴啮合传动齿轮副同轴串联式交错排列示意图。在图18所示机构中，主动轮由3个偏心轮延轴向依次分布并被制造成整体，且每相邻两偏心轮的对称线均依次错开120°；被动轮则由3个齿数相同的齿廓为短幅平摆线的等距线的端齿摆线轮成轴套安装固联而成，且每相邻两摆线轮的齿形在圆周方向均依次错开(360°/3*Z)。在传动过程中，该机构将始终交替保持着一对或二对齿轮的齿面在啮合，而其余的齿轮则交替保持着齿背在啮合。该偏心轮----摆线齿轮共轭垂直轴传动机构的重合系数为：

ε=1.5

图19(a)和图19(b)为摆线齿轮外啮合平行轴传动减速装置示意图。在该减速装置中，偏心轮轴(1)由4个偏心轮延轴向依次分布并被制造成整体，在加工时每相邻两偏心轮的对称线均依次错开90°；与其相啮合的被动齿轮为4个短幅外摆线的等距线的摆线齿轮，并被同轴固联在输出轴(10)上，且每相邻两个齿轮的齿形在圆周方向均错开(360°/4*Z)。在传动过程中，四对啮合齿轮副将始终交替保持着其中的二对啮合齿轮副的齿面相啮合，另二对啮合齿轮副的齿背相啮合，从而实现运动由偏心轮轴(1)输入，传至被动齿轮(6)、(7)、(8)、(9)，再由输出轴(10)输出。

图20(a)和图20(b)为摆线齿轮外啮合同轴传动减速装置示意图。在该减速装置中，运动由齿轮轴(23)输入，并带动齿轮(24)、(25)、(26)、(27)同时转动，在齿轮(24)、(25)、(26)、(27)上有偏心轮(2)、(3)、(4)、(5)与其依次相固联，且偏心轮(2)、(3)、(4)、(5)又沿着被动齿轮(6)的周向等份分布且始终交替保持着其中二个偏心轮的齿面与被动齿轮(6)相啮合，另二个偏心轮的齿背与被动齿轮(6)相啮合，从而实现连续传动。并实现运动由齿轮轴(23)输入，经齿轮(24)、(25)、(26)、(27)传至偏心轮(2)、(3)、(4)、(5)，再传至被动齿轮(6)，由输出轴(10)输出。

图21(a)和图21(b)为摆线齿轮垂直轴传动减速装置示意图。在该减速装置中，偏心轮(2)、(3)、(4)通过键(29)被依次固联在输入轴(12)上，且每相邻两偏心轮的对称线均依次错开120°；与其相啮合的被齿轮由3个齿数相等但向径不等的短幅平摆线的等距线的端齿摆线轮按大小成轴套安装所组成，并被同轴固联在输出轴(10)上，且每相邻两个齿轮的齿形在圆周方向均错开(360°/3*Z)。在传动过程中，将始终交替保持着其中的至少一对啮合齿轮副的齿面相啮合，其余的啮合齿轮副的齿背相啮合，从而实现运动由输入轴(12)输入，再由偏心轮(2)、(3)、(4)传至被动齿轮(6)、(7)、(8)，再由输出轴(10)输出。

在高速度、大减速比、大功率等情况下，将主动齿轮偏心轮设计制造成偏心滚动轴承或在偏心轮外圈安装滑动轴承，可以减少甚至于消除齿轮啮合时齿面间的滑动和摩擦。除此之外，还可以将主动轮设计成与偏心轮共轭的内摆线或短幅内摆线的外侧等距线的摆线齿轮，并且与被动轮摆线齿轮实现共轭。

与其它各类齿轮传动一样，当摆线齿轮的齿数无穷多时，它便成为一根齿条，于是，该传动机构也就成为偏心轮----摆线齿条共轭传动机构。

本发明所涉及的摆线齿轮齿廓的加工方法与摆线针轮行星传动中的摆线轮齿廓的加工方法相同。

Claims

摆线齿轮传动机构及其装置

1．本发明摆线齿轮传动机构其特征是：在构成平面啮合的齿轮副中，主动轮(主动齿轮)有瞬心圆Ⅰ，被动轮(被动齿轮)有瞬心圆Ⅱ，设有一半径为r、偏心距为e的偏心圆与瞬心圆Ⅰ的轴线相固联，当瞬心圆Ⅰ与瞬心圆Ⅱ作相对纯滚动时，该偏心圆的运动轨迹在被动轮上包络出被动齿轮的齿廓曲线，该偏心圆的外轮廓线即主动齿轮的齿廓曲线，并且该偏心圆与被动齿轮的齿廓曲线互为共轭曲线。当被动齿轮的齿廓曲线连续又封闭并且该啮合齿轮副为两组以上交错排列形成多点啮合并使重合系数大于1时，构成偏心轮----摆线齿轮共轭平行轴传动机构。

当构成啮合的齿轮副为垂直相交轴啮合齿轮副时，则偏心圆的运动轨迹在被动轮上包络出的齿廓曲线为端面齿轮的齿廓曲线。于是，当满足上述条件时，又构成偏心轮----摆线齿轮共轭垂直轴传动机构。
2．根据权利要求1所述的摆线齿轮传动机构其特征是：当两瞬心圆的相对纯滚动为外滚动时，偏心圆的运动轨迹在被动轮上包络出的齿廓曲线为外摆线或短幅外摆线的内侧等距线，并由此构成外啮合偏心轮----摆线齿轮共轭平行轴传动机构；当两瞬心圆的相对纯滚动为内滚动时，偏心圆的运动轨迹在被动轮上包络出的齿廓曲线为内摆线或短幅内摆线的外侧等距线，并由此构成内啮合偏心轮----摆线齿轮共轭平行轴传动机构。当两瞬心圆的相对纯滚动为垂直轴且相交时，偏心圆的运动轨迹在被动轮上包络出的齿廓曲线为平摆线或短幅平摆线的等距线，并由此构成外啮合偏心轮----摆线齿轮共轭垂直轴传动机构。
3．根据权利要求1、2所述的摆线齿轮传动机构其特征是：当被动齿轮的齿数为无穷多时，构成偏心轮----摆线齿条共轭传动机构。
4．根据权利要求1所述的啮合齿轮副为两组以上交错排列形成多点啮合并使重合系数大于1其特征是：任意一对啮合的偏心轮----摆线齿轮共轭齿轮副，当主动齿轮为偏心轮时，其啮合时的重合系数均小于1，为此：

4.1.将主动齿轮和被动齿轮均采用两个以上相同的齿轮同轴串联组合，并且在同轴串联的相同齿轮中，每相邻两个齿轮的齿形在圆周方向均错开(360°/n*Z)依次分布且固联或直接制造成整体，实现n对共轭齿轮副同时啮合并始终交替保持着其中至少一对啮合齿轮副的齿面相啮合，其余的啮合齿轮副的齿背相啮合，使共轭齿轮作外啮合或内啮合平行轴传动时连续。

(n：同轴串联的相同齿轮的个数。Z：齿轮的齿数。对于偏心轮来说，齿数为1；对于摆线轮来说，Z为实际齿数)

4.2.将两个以上相同的主动齿轮沿被动齿轮的周向等份或不等份分布，使每相邻两个主动齿轮的轴心与被动齿轮的轴心的连线所形成的夹角为(360°/n*Z+C*360°/Z)，并使n个主动齿轮与被动齿轮同时啮合并始终交替保持着其中至少一对啮合齿轮副的齿面相啮合，其余的啮合齿轮副的齿背相啮合。配置一多轴同步转动机构使n个主动齿轮同步转动时，构成共轭齿轮作外啮合或内啮合同轴传动时连续。

(C：任意整数)

4.3.两对以上构成垂直轴啮合的偏心轮----摆线齿轮共轭齿轮副，主动齿轮采用n个偏心轮同轴串联组合，且每相邻两个偏心轮的对称轴线在圆周方向均错开(360°/n)依次分布且固联或直接制造成整体；与其相啮合的被动齿轮由n个齿数相等但向径不等并依次形成小齿轮的外径与大齿轮的内径成轴套安装的端齿摆线轮所组成，且每相邻两个端齿轮的齿形在圆周方向均错开(360°/n*Z)依次分布且固联，由此实现n对共轭齿轮副同时啮合并始终交替保持着其中至少一对啮合齿轮副的齿面相啮合，其余的啮合齿轮副的齿背相啮合，使共轭齿轮副作垂直轴传动时连续。
5．根据权利要求1、2、3、4.1、4.2、4.3所述的构成摆线齿轮传动机构的主动齿轮除偏心轮外，还可以是与该偏心轮共轭的任意整齿数的内摆线或短幅内摆线的外侧等距线的摆线齿轮。
6．一种根据权利要求1、2、4.1、5设计的摆线齿轮外啮合平行轴传动减速装置由偏心轮轴(1)、被动齿轮(6)、(7)、(8)、(9)以及输出轴(10)、箱体(11)、轴承(13)、(14)、(15)、(16)、键(28)、销(30)、(31)、箱盖(32)等零件所组成。其特征是：偏心轮轴(1)由4个偏心轮轴向依次分布并被制造成整体，在加工时每相邻两偏心轮的对称线均依次错开90°；与其相啮合的被动齿轮为4个短幅外摆线的等距线的摆线齿轮，并被同轴固联在输出轴(10)上，且每相邻两个齿轮的齿形在圆周方向均错开(360°/4*Z)。在传动过程中，四对啮合齿轮副将始终交替保持着其中的二对啮合齿轮副的齿面相啮合，另二对啮合齿轮副的齿背相啮合，从而实现运动由偏心轮轴(1)输入，传至被动齿轮(6)、(7)、(8)、(9)，再由输出轴(10)输出。
7．一种根据权利要求1、2、4.2、5设计的摆线齿轮外啮合同轴传动减速装置由偏心轮(2)、(3)、(4)、(5)以及被动齿轮(6)、输出轴(10)、箱体(11)、轴承(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19)、(20)、(21)、(22)以及渐开线齿轮轴(23)、渐开线齿轮(24)、(25)、(26)、(27)等零件所组成。其特征是：由齿轮轴(23)、齿轮(24)、(25)、(26)、(27)组成四轴同步转动机构；在齿轮(24)、(25)、(26)、(27)上有偏心轮(2)、(3)、(4)、(5)与其依次相固联，且偏心轮(2)、(3)、(4)、(5)又沿着被动齿轮(6)的周向等份分布且始终交替保持着其中二个偏心轮的齿面与被动齿轮(6)相啮合，另二个偏心轮的齿背与被动齿轮(6)相啮合。于是，当运动由齿轮轴(23)输入时，经齿轮(24)、(25)、(26)、(27)传至偏心轮(2)、(3)、(4)、(5)，再传至被动齿轮(6)，由输出轴(10)输出。
8．一种根据权利要求1、2、4.3、5设计的摆线齿轮垂直轴传动减速装置由偏心轮(2)、(3)、(4)、被动齿轮(6)、(7)、(8)以及输出轴(10)、箱体(11)、输入轴(12)、轴承(13)、(14)、(15)、(16)、键(28)、(29)、销(30)、(31)、箱盖(32)等零件所组成。其特征是：偏心轮(2)、(3)、(4)通过键(29)被依次固联在输入轴(12)上，且每相邻两偏心轮的对称线均依次错开120°；与其相啮合的被动齿轮由3个齿数相等但向径不等的短幅平摆线的等距线的端齿摆线轮按大小成轴套安装所组成，并被同轴固联在输出轴(10)上，且每相邻两个齿轮的齿形在圆周方向均错开(360°/3*Z)。在传动过程中，将始终交替保持着其中的至少一对啮合齿轮副的齿面相啮合，其余的啮合齿轮副的齿背相啮合，从而实现运动由输入轴(12)输入，再由偏心轮(2)、(3)、(4)传至被动齿轮(6)、(7)、(8)，再由输出轴(10)输出。
9．根据权力要求1、2、3、4.1、4.2、4.3、6、7、8所述的摆线齿轮传动机构中的主动齿轮偏心轮还可以是与偏心轮的偏心距和外径均相等的滚动轴承，也可以是在偏心轮的外圈上安装上滑动轴承的偏心滑轮。