CN203962865U - 一种微线段非环形连续齿球冠齿轮传动机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于机械传动及机器人传动技术领域的一种微线段非环形连续齿球冠齿轮传动机构。传动机构由凹齿轮和凸齿轮组成的三自由度转动副组成，凹齿轮和凸齿轮上分别设有通过绕球齿轮X轴和Y轴母线转动，并进行布尔运算合成的凹轮齿和凸轮齿，两齿轮的轮齿分别分布在两个球冠体上，凹齿轮表面的凹轮齿与凸齿轮表面的凸轮齿一一对应嵌入，所述凹轮齿和凸轮齿的母线是微线段齿廓。本实用新型的微线段球齿轮机构，不仅适用于一般的有三自由度需求的传动场合，尤其适用于重载场合下的运动和动力传动，如航天站机械臂、蛇形特种机器人。

Description

一种微线段非环形连续齿球冠齿轮传动机构

技术领域

本实用新型属于机械传动及机器人传动技术领域，具体涉及一种微线段非环形连续齿球冠齿轮传动机构。

背景技术

球冠齿轮是一种新型的机械传动结构，与只具备一个自由度的普通齿轮传动不同，球冠齿轮可以传递二维或者三维回转运动，符合自然界中绝大多数生物关节的运动特性，因而受到广泛关注，但是球体表面的齿形和啮合方式一直存在难以克服的结构问题。

目前已有两种球冠齿轮结构：第一种是离散型球冠齿轮结构，其是利用锥形指状齿及其对应凹坑进行啮合的，由于它的凸齿齿廓为直线，因而不能实现精确的定传动比球面运动，难以在实际工程项目中获得应用和推广；第二种是渐开线环形齿球冠齿轮结构，其是以渐开线齿轮的齿廓线为依据，进行连续圆周阵列后得到的齿形，不过正是这种结构，使得其在实际使用中只能提供两个自由度，在应用上有一定的局限性。

2013年10月，Tech-No-Logic公司创始人洪浛檩先生提出一种渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构，其特点是以通过绕球齿轮X轴和Y轴母线转动、并进行布尔运算合成的凹轮齿和凸轮齿，两齿轮的轮齿分别分布在两个球冠体上，其母线为渐开线。该球齿轮机构实现了三个自由度转动运动，但轮齿在根部和顶部啮合时接触应力较大，因此它只能用于强度要求不高的场合，不能适宜日益增长的高速、重载及小型化的需求。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的缺陷，提出一种微线段非环形连续齿球冠齿轮传动机构，可以改善球齿轮传动的性能，且强度高，传递动力和载荷更大。

一种微线段非环形连续齿球冠齿轮传动机构，所述传动机构由凹齿轮和凸齿轮组成的三自由度转动副组成；凹齿轮和凸齿轮上分别设有通过绕球齿轮X轴和Y轴母线转动，并进行布尔运算合成的凹轮齿和凸轮齿，两齿轮的轮齿分别分布在两个球冠体上，凹齿轮表面的凹轮齿与凸齿轮表面的凸轮齿一一对应嵌入，所述凹轮齿和凸轮齿的母线是微线段齿廓。

所述微线段齿廓由100-80000段微段渐开线光滑连接而成。

所述凹齿轮和凸齿轮的啮合形式是凹-凸的啮合形式，即每个轮齿的齿根部分是凹齿廓，齿顶部分为凸齿廓。

本实用新型的有益效果：由于球齿轮机构的轮齿母线为采用微线段齿廓，可以改善球齿轮传动的性能，微线段齿轮的接触强度是渐开线齿轮的3倍，弯曲强度是渐开线齿轮的3.3倍左右，且微线段齿轮滑动系数小，耐磨性能高，在齿形参数相同时，微线段齿轮比渐开线齿轮可以在传递更大的动力和载荷；微线段球齿轮机构的啮合形式是凹-凸的啮合形式，即每个轮齿的齿根部分是凹齿廓，齿顶部分为凸齿廓，在构造点上综合曲率为零，所以该机构具有很高的接触和弯曲强度；本实用新型的微线段球齿轮机构，不仅适用于一般的有三自由度需求的传动场合，尤其适用于重载场合下的运动和动力传动，如航天站机械臂、蛇形特种机器人。

附图说明

图1为本实用新型的凹齿轮的结构示意图；

图2为本实用新型的凸齿轮的结构示意图；

图3为图1和图2中凹齿轮和凸齿轮在对称中心轮齿处相互啮合时的结构示意图，其中图中的这对示意用凹齿轮和凸齿轮的传动比为1∶1，并以凹齿轮为主动齿轮、凸齿轮为从动齿轮；

图4为图3中凹齿轮在绕z轴转动45度后，和凸齿轮的相互啮合结构示意图；

图5为图3中凹齿轮在绕x轴相对转动90度后，和凸齿轮的相互啮合结构示意图；

图6为图5中凹齿轮在绕z轴转动45度后，和凸齿轮的相互啮合结构示意图；

图7为图3中凹齿轮在绕y轴相对转动90度后，和凸齿轮的相互啮合结构示意图；

图8为图7中凹齿轮(主动齿轮)在绕z轴转动45度后，和凸齿轮(从动齿轮)的相互啮合结构示意图；

图9为图8中凹齿轮(主动齿轮)在绕x轴转动90度后，和凸齿轮(从动齿轮)的相互啮合结构示意图；

图中：1-凹齿轮，2-凸齿轮，3-球冠齿轮圆柱销，4-微线段齿廓，5-凹齿轮的对称中心凹齿，6-凸齿轮的对称中心凸齿。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。

实施例1

一种微线段非环形连续齿球冠齿轮传动机构，所述传动机构由凹齿轮1和凸齿轮2组成的三自由度转动副组成；凹齿轮1和凸齿轮2上分别设有通过绕球齿轮X轴和Y轴母线转动，并进行布尔运算合成的凹轮齿和凸轮齿，两齿轮的轮齿分别分布在两个球冠体上，凹齿轮表面的凹轮齿与凸齿轮表面的凸轮齿一一对应嵌入，所述凹轮齿和凸轮齿的母线是微线段齿廓。所述微线段齿廓由100-80000段微段渐开线光滑连接而成。所述凹齿轮1和凸齿轮2的啮合形式是凹-凸的啮合形式，即每个轮齿的齿根部分是凹齿廓，齿顶部分为凸齿廓。

在实际工程应用中，为了方便球冠齿轮的加工与安装，通常不要求其360度球表面上布满轮齿，而是仅保留一部分轮齿，其余部分设计和制造用于装卡的结构。以本实施例的附图为例，凹齿轮1和凸齿轮2的一半球体加工为轮齿面，另一半球体加工有装卡用的球冠齿轮圆柱销3，如图1和图2所示。

在齿轮安装时，必须满足凹齿轮的对称中心凹齿5和凸齿轮的对称中心凸齿6匹配安装，如图3所示。通常情况下，一对凹齿轮1和凸齿轮2中，有一个是主动齿轮，另一个是从动齿轮。为了在本例中说明运动状态，将以凹齿轮1为主动齿轮、凸齿轮2为从动齿轮。

当凹齿轮1(主动齿轮)绕其z轴转动时，凸齿轮2(从动齿轮)因为受到啮合齿的推力从而亦绕其z轴转动。当以图3的啮合状态为初始状态时，凹齿轮1(主动齿轮)绕其z轴转动45度后，得到如图4所示的啮合状态。

当凹齿轮1(主动齿轮)绕其x轴转动时，凸齿轮2(从动齿轮)因为受到啮合齿的推力从而亦绕其x轴转动。当以图3的啮合状态为初始状态时，凹齿轮1(主动齿轮)绕其x轴转动90度后，得到如图5所示的啮合状态。

当凹齿轮1(主动齿轮)绕其y轴转动时，凸齿轮2(从动齿轮)因为受到啮合齿的推力从而亦绕其y轴转动。当以图3的啮合状态为初始状态时，凹齿轮1(主动齿轮)绕其y轴转动90度后，得到如图7所示的啮合状态。

以上三段论述是为了描述这种球冠齿轮的运动传递状态，包含三个自由度。由于凹齿轮1(主动轮)不论是绕着x、y或者z轴转动，均会带动凸齿轮2(从动轮)的对应转动，并且因为在任何转动瞬间都有轮齿都保持啮合状态，因此实现了球冠齿轮三个自由度运动，换而言之，主动齿轮绕三个轴的转动都是相互独立的，因而该球冠齿轮结构可以满足主动齿轮同时传递三个轴转动产生的任何运动至从动齿轮。于是，同理可得以下实例：

当以图5的啮合状态为初始状态时，凹齿轮1(主动齿轮)绕其z轴转动45度后，得到如图6所示的啮合状态；

当以图7的啮合状态为初始状态时，凹齿轮1(主动齿轮)绕其z轴转动45度后，得到如图8所示的啮合状态；

当以图8的啮合状态为初始状态时，凹齿轮1(主动齿轮)绕其x轴转动90度后，得到如图9所示的啮合状态。

更多绕x、y、z三个轴转动后所得的啮合状态不再举例。

本实用新型的关键在于：所述凹齿轮1和凸齿轮2的轮齿母线4为微线段齿廓，即由若干微线段光滑连接而成，更优选的，该齿廓可以根据所选定的初始参数，由成千甚至上万段微段渐开线光滑连接而成。

另外，所述的两球齿轮(凹齿轮1和凸齿轮2)的啮合形式是凹-凸的啮合形式，即每个轮齿的齿根部分是凹齿廓，齿顶部分为凸齿廓，在构造点上综合曲率为零。与现有的渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构相比，本实用新型具有更高的接触和弯曲强度。

以上所述是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种微线段非环形连续齿球冠齿轮传动机构，其特征在于，所述传动机构由凹齿轮和凸齿轮组成的三自由度转动副组成；凹齿轮和凸齿轮上分别设有通过绕球齿轮X轴和Y轴母线转动，并进行布尔运算合成的凹轮齿和凸轮齿，两齿轮的轮齿分别分布在两个球冠体上，凹齿轮表面的凹轮齿与凸齿轮表面的凸轮齿一一对应嵌入，所述凹轮齿和凸轮齿的母线是微线段齿廓。

2.根据权利要求1所述一种微线段非环形连续齿球冠齿轮传动机构，其特征在于，所述微线段齿廓由100-80000段微段渐开线光滑连接而成。

3.根据权利要求1所述一种微线段非环形连续齿球冠齿轮传动机构，其特征在于，所述凹齿轮和凸齿轮的啮合形式是凹-凸的啮合形式，即每个轮齿的齿根部分是凹齿廓，齿顶部分为凸齿廓。