CN204420003U - 一种平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构，设有小轮和大齿圈组成的一对传动副，小轮连接输入轴，大齿圈连接输出轴，小轮和大齿圈的轴线互相平行；小轮的圆柱体外表面上设有螺旋圆弧齿，大齿圈的空心圆柱体内表面设有螺旋圆弧槽，螺旋圆弧齿和螺旋圆弧槽配合，螺旋圆弧槽和螺旋圆弧齿的中心线均为圆柱螺旋线；安装小轮和大齿圈时，先使一对螺旋圆弧槽和螺旋圆弧齿啮合，驱动器带动输入轴、小轮旋转，带动大齿圈旋转，实现两平行轴间的内啮合传动。本齿轮机构小轮与大齿圈连接的输入轴、输出轴具有互换性。本齿轮机构结构紧凑，体积小质量轻，强度和刚度大，重合度高，传动比大，适于在微小、微机械和常规机械领域应用。

Description

一种平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构

技术领域

本实用新型涉及一种平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构，具体地说是一种基于平行轴传动空间曲线啮合方式的螺旋圆弧齿轮机构。

背景技术

齿轮作为机械传动中的基本传动元件，广泛应用于工业、农业、医学、国防军事及航空航天等领域，现代工业装备的“轻量化、模块化、智能化”的发展趋势，进一步提高了对齿轮传动零部件质量和性能的要求。新型高性能齿轮传动机构的设计理论和制造技术也一直是机械工业的重点研究领域之一，促进了齿轮啮合理论的不断完善和改革创新，出现了多样化的齿轮啮合形式及其与之对应的多样化齿形结构。

近年来，国内外学者在齿轮啮合领域进行根本性的创新，如中国专利文献，申请号为200810029649.0，公开了“一种空间曲线啮合传动机构”，专利号为201010105902.3，公开了“一种斜交齿轮机构”，申请号为201410576829.6，公开了“用于平行轴传动的钩杆齿轮机构”。上述几种传动机构都属于基于曲线啮合理论的微小机械传动机构。上述传动机构的主动轮体由主动动轮和主动钩杆组成，主动钩杆设在小轮的端面；从动轮体由从动轮和从动钩杆组成，从动钩杆设在从动轮圆柱面圆周或者从动轮的端面上。

上述传动机构的最大局限性在于，它们倚靠主、从动轮体上的空间细长钩杆进行啮合运动，能承受的载荷十分有限，只能实现微小空间内的微小力或者运动的连续传递，而不能实现平面内两平行轴之间的工业应用所必须的常规动力传递；而且钩杆之间存在很大的间隙，在频繁正反转传动的情况下，钩杆会受到极大的冲击，甚至会断裂，造成传动失效。因此，它们的使用范围受到了极大的限制。

发明内容

本实用新型的目的是针对目前微机械传动领域现有技术存在的问题，而提供一种结构简单，传动系零件数少，只需一个传动副，体积小，质量轻，强度高，刚度大，单级传动比大，重合度高，能进行正反转啮合，能实现减速或者增速，且传动连续稳定的平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术措施是：提供一种平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构，设有小轮和大齿圈组成的一对传动副，小轮连接输入轴，大齿圈连接输出轴，小轮和大齿圈的轴线互相平行；所述小轮在圆柱体外表面上均布有螺旋圆弧齿，所述大齿圈空心圆柱体内表面均布有螺旋圆弧槽，小轮的螺旋圆弧齿和大齿圈的螺旋圆弧槽配合，螺旋圆弧齿和螺旋圆弧槽的中心线均为圆柱螺旋线；所述螺旋圆弧齿与小轮圆柱体外表面之间设有过渡圆角；

小轮通过输入轴与驱动器固连，在驱动器的带动下旋转，通过螺旋圆弧齿与螺旋圆弧槽之间的连续啮合作用，小轮带动大齿圈旋转，实现平面内两平行轴之间的内啮合平稳传动。

所述小轮与大齿圈连接的输入轴、输出轴具有互换性，即采用小轮连接输入轴，大齿圈连接输出轴，或采用大齿圈连接输入轴，小轮连接输出轴。

所述大齿圈连接输出轴或输入轴是通过连接套与大齿圈过盈配合连接，连接套与输出轴或输入轴也是通过过盈配合连接。

所述小轮或大齿圈通过输入轴连接驱动器，分别对应于螺旋圆弧齿轮内啮合传动机构的减速传动或增速传动方式。

所述驱动器连接的输入轴旋转方向为顺时针或逆时针，用以实现小轮或大齿圈正转或反转传动。

本实用新型的平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构是基于传统机械传动机构形式上进行根本性创新的微小机械传动机构，这种机构传动的啮合方式不同于传统圆弧齿轮传动的曲面啮合方式，是基于平行轴传动空间曲线啮合方式，能够为微小、微机械和常规机械装置提供连续稳定啮合的传动。

本实用新型的平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构具有如下的优点：

⑴、本实用新型的的内啮合螺旋圆弧齿轮机构相比传统平行轴传动的直齿轮、斜齿轮等机构具有极大的强度和刚度，能实现大重合度传动，因此具备更大的承载能力。

⑵、本实用新型的内啮合螺旋圆弧齿轮机构相比钩杆齿轮机构具有更大的强度和刚度，能实现无冲击的正反转传动。

⑶、本实用新型的内啮合螺旋圆弧齿轮机构比现有的非传统机械微驱动技术有显著的改进和更为广泛的应用，具备良好的工艺性和经济性，可以生产制造成为通用的微小型或微型传动机构或减速器，可简化微小型或微型机电产品的结构，减轻质量，并且造价低廉。

⑷、本实用新型的内啮合螺旋圆弧齿轮机构的最小圆弧齿数为1，相比现有直齿轮斜齿轮等机构，可以实现单级的大传动比高重合度传动，同时，结构紧凑，可以极大的节省安装空间。

附图说明

图1为本实用新型的平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构结构示意图。

图2为图1中小轮及其螺旋圆弧齿、过渡圆角的结构主视示意图。

图3为图2的小轮俯视示意图。

图4为本实用新型中的大齿圈及其螺旋圆弧齿结构俯视示意图。

图5为图1中连接套的结构主视示意图。

图6为图1中连接套的结构空间立体示意图。

图7为本实用新型中当小轮驱动大齿圈减速传动时的坐标系及结构示意图。

图8为本实用新型当大齿圈驱动小轮增速传动时的结构示意图。

上述图中：1-螺旋圆弧齿，2-过渡圆角，3-小轮,4-输入轴，5-驱动器，6-螺旋圆弧槽，7-大齿圈，8-输出轴，9-连接套，10-螺旋圆弧齿的中心线。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的实施不限于此。

实施例1：本实用新型提供一种平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构，采用平行轴内啮合传动方式应用于减速传动，如图1所示，设有小轮3和大齿圈7，小轮3和大齿圈7组成一对传动副，小轮3连接输入轴4，大齿圈7通过连接套连接输出轴8，小轮3和大齿圈7的轴线互相平行。

参见图1、2、3，所述小轮3圆柱体外表面上均匀分布有螺旋圆弧齿1，小轮圆柱体半径为螺旋圆弧齿的中心线10的螺旋半径m减去b，螺旋圆弧齿与小轮圆柱体之间有过渡圆角2，过渡圆角半径为b/2。

参见图1、4，大齿圈7空心圆柱体内表面上均匀分布有螺旋圆弧槽6，大齿圈空心圆柱体内表面半径等于螺旋圆弧槽6的中心线的螺旋半径，大齿圈空心圆柱体外表面半径等于大齿圈空心圆柱体内表面半径加上e。

连接套9的结构参见图5、6，连接套9的大中心孔中安装有大齿圈7，大齿圈与连接套9的大中心孔为过盈配合连接，输出轴8和连接套9的小中心孔也为过盈配合连接，大齿圈7通过连接套9、输出轴8与被驱动负载相联。

所述螺旋圆弧齿1和螺旋圆弧槽6的中心线均为空间圆柱螺旋线形状；螺旋圆弧齿1与螺旋圆弧槽6啮合，驱动器5带动输入轴4、小轮3旋转，使螺旋圆弧齿1与螺旋圆弧槽6连续啮合，实现输入轴4、输出轴8此两平行轴之间的内啮合传动，本实施例中驱动器5为微型直流电机。

参见图7，本实用新型的平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构的螺旋圆弧齿与螺旋圆弧槽的中心线形状由如下方法确定：在o--x,y,z及o_p--x_p,y_p,z_p两个空间坐标系中，z轴与小轮的回转轴线重合，z_p轴与大齿圈的回转轴线重合，平面xoz与平面x_po_pz_p共面，平面xoy与平面x_po_py_p共面，且小轮与大齿圈之间的角速度矢量方向相同，oo_p的距离为a；坐标系o₁--x₁,y₁,z₁与小轮固联，坐标系o₂--x₂,y₂,z₂与大齿圈固联，小轮、大齿圈在起始位置分别与坐标系o--x,y,z及o_p--x_p,y_p,z_p重合，小轮以匀角速度ω₁绕z轴旋转，大齿圈以匀角速度ω₂绕z_p轴旋转，从起始位置经一段时间后，坐标系o₁--x₁,y₁,z₁及o_2--x₂,y₂,z₂运动，此时小轮绕z轴转过φ₁角，大齿圈绕z_p轴转过φ₂角；

设给定螺旋圆弧齿的中心线方程为： $\left\{\begin{array}{c}{x}_1^{\left(1c\right)}=m\cos t\\ y_1^{\left(1c\right)}=-m\sin t\\ z_1^{\left(1c\right)}=\mathrm{nt}+\mathrm{n\π}\end{array}\right.---\left(1\right)$

由曲线啮合方程求得螺旋圆弧槽的中心线方程为： $\left\{\begin{array}{c}{x}_2^{\left(2c\right)}={\mathrm{mi}}_{12}\sin \frac{\mathrm{\π}+t}{i_{12}}\\ y_2^{\left(2c\right)}={\mathrm{mi}}_{12}\cos \frac{\mathrm{\π}+t}{i_{12}}\\ z_2^{\left(2c\right)}=\mathrm{nt}+\mathrm{n\π}\end{array}\right.---\left(2\right)$

小轮和大齿圈安装的轴间距为：a＝m(i₁₂-1)     ⑶

小轮圆柱体直径为：D₁＝2m-2b       ⑷

小轮圆柱体外表面与螺旋圆弧齿之间过渡圆角半径为b/2；

螺旋圆弧齿的圆弧直径：d₁

螺旋圆弧槽的中心线的螺旋半径：m₂＝i₁₂m    ⑸

大齿圈空心圆柱体内表面直径为：D_2a＝2m₂＝i₁₂m    ⑹

大齿圈空心圆柱体外表面直径为：D_2b＝D_2a+2e     ⑺

螺旋圆弧槽的圆弧直径：d_2＝d₁+c     (8)

上述式中：

t—为螺旋圆弧齿的中心线方程的参变量，且-π﹤t；

m—为螺旋圆弧齿中心线的螺旋半径；

n—为螺旋圆弧齿中心线的螺距参数，2πn为螺旋圆弧齿中心线的螺距；

i₁₂—为小轮与大齿圈的传动比，即螺旋圆弧槽数量与螺旋圆弧齿数量之比；

其中：m，n，x，y，z，x₁，y₁，z₁，x₂，y₂，z₂，x_p，y_p，z_p，a，b，c，d₁，d₂，D₁，D_2a，D_2b，e的单位均为毫米(mm)。

当确定螺旋圆弧齿中心线的参数m、n和t，螺旋圆弧齿的圆弧直径d₁，及b、c、e和传动比i₁₂时，与螺旋圆弧齿共轭的螺旋圆弧槽的中心线方程随之确定，小轮和大齿圈的结构和安装轴间距也确定，从而得到平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构。

本实施例中相关参数分别取值为：m＝4mm，n＝2mm，i₁₂＝16，-π﹤t﹤π，螺旋圆弧齿的圆弧直径d₁为3mm，b＝0.5mm，c＝0.1mm，e＝4mm，设定螺旋圆弧齿数量为2，螺旋圆弧槽数量为32，

代入式⑴求得螺旋圆弧齿中心线方程为： $\left\{\begin{array}{c}{x}_1^{\left(1c\right)}=4\cos t\\ y_1^{\left(1c\right)}=-4\sin t\\ z_1^{\left(1c\right)}=2t+2\mathrm{\π}\end{array}\right.$

代入式⑵求得螺旋圆弧槽中心线方程为： $\left\{\begin{array}{c}{x}_2^{\left(2c\right)}=64\sin \frac{\mathrm{\π}+t}{16}\\ y_2^{\left(2c\right)}=64\cos \frac{\mathrm{\π}+t}{16}\\ z_2^{\left(2c\right)}=2t+2\mathrm{\π}\end{array}\right.$

代入式⑶～(8)得到轴间距a＝60mm，小轮圆柱体直径为D₁为7mm，大齿圈空心圆柱体外表面直径为136mm，大齿圈空心圆柱体内表面直径为128mm，螺旋圆弧槽的圆弧直径d₂为3.1mm，螺旋圆弧齿与小轮圆柱体外表面之间的过渡圆角半径为0.25mm。根据以上方程和数据便可得出螺旋圆弧齿轮内啮合传动机构的外型。

当驱动器5带动小轮3旋转时，由于在安装小轮和大齿圈时，其中一对螺旋圆弧齿1与螺旋圆槽6先为啮合状态，以及螺旋圆弧齿与螺旋圆弧槽的重合度大于1，因此当这一对螺旋圆弧齿和螺旋圆弧槽在旋转即将脱离啮合但没有完全脱离啮合时，另一对相邻的螺旋圆弧齿和螺旋圆弧槽又接着参与了啮合，从而实现了螺旋圆弧齿轮内啮合传动机构在旋转运动中连续稳定的啮合传动。

实施例2：本实用新型提供一种平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构，采用平行轴内啮合传动方式应用于增速传动。如图8所示，大齿圈7安装时和连接套9的大中心为过盈配合连接，输入轴4和连接套9的小中心孔也为过盈配合连接，即大齿圈7通过连接套9接输入轴4，小轮3连接输出轴8，输出轴8与被驱动负载相联；所述的小轮3和大齿圈7的轴线互相平行。

本实施例大齿圈7上有32个螺旋圆弧槽6，小轮3上有2个螺旋圆弧齿1，当驱动器5带动输入轴4、大齿圈7旋转时，带动小轮3转动，从而实现螺旋圆弧齿轮机构连续稳定的啮合传动。

相关参数分别取值为：m＝3mm，n＝2mm，i₁₂＝16，-π﹤t﹤π，螺旋圆弧齿的圆弧直径d₁为2.5mm，b＝0.5mm和c＝0.1mm，e＝4mm，

代入式⑴求得小轮的螺旋圆弧齿中心线方程为 $\left\{\begin{array}{c}{x}_1^{\left(1c\right)}=3\cos t\\ y_1^{\left(1c\right)}=-3\sin t\\ z_1^{\left(1c\right)}=2t+2\mathrm{\π}\end{array}\right.$

代入式⑵求得大齿圈螺旋圆弧槽中心线方程为 $\left\{\begin{array}{c}{x}_2^{\left(2c\right)}=48\sin \frac{\mathrm{\π}+t}{16}\\ y_2^{\left(2c\right)}=48\cos \frac{\mathrm{\π}+t}{16}\\ z_2^{\left(2c\right)}=2t+2\mathrm{\π}\end{array}\right.$

由于螺旋圆弧齿数量为2，螺旋圆弧槽数量为32，然后分别根据上述螺旋圆弧齿和螺旋圆弧槽的中心线方程和数据能确定小轮3、大齿圈7传动副的形状。代入式⑶～(8)求得轴间距a＝45mm，小轮3圆柱体直径为5mm，大齿圈7空心圆柱体外表面直径为104mm，大齿圈空心圆柱体内表面直径为96mm，螺旋圆弧槽的圆弧直径d₂为2.6mm，螺旋圆弧齿1与小轮圆柱体外表面之间的过渡圆角半径为0.25mm。

本实用新型的平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构具有较高的弯曲强度、接触强度和较大的刚度，能够极大简化常规齿轮机构和微机械传动装置的结构，缩小产品几何尺寸，减轻产品重量，提高操作的灵活性，且制作简单，造价低廉，单级传动比大，重合度高，适于在微小、微型机械及常规机械领域的应用。

Claims (5)

1.一种平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构，设有小轮和大齿圈组成的一对传动副，小轮连接输入轴，大齿圈连接输出轴，小轮和大齿圈的轴线互相平行；其特征在于：所述小轮在圆柱体外表面上均布有螺旋圆弧齿，所述大齿圈空心圆柱体内表面均布有螺旋圆弧槽，小轮的螺旋圆弧齿和大齿圈的螺旋圆弧槽配合，螺旋圆弧齿和螺旋圆弧槽的中心线均为圆柱螺旋线；所述螺旋圆弧齿与小轮圆柱体外表面之间设有过渡圆角；

小轮通过输入轴与驱动器固连，在驱动器的带动下旋转，通过螺旋圆弧齿与螺旋圆弧槽之间的连续啮合作用，小轮带动大齿圈旋转，实现平面内两平行轴之间的内啮合平稳传动。

2.根据权利要求1所述的平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构，其特征在于：所述小轮与大齿圈连接的输入轴、输出轴具有互换性，即采用小轮连接输入轴，大齿圈连接输出轴，或采用大齿圈连接输入轴，小轮连接输出轴。

3.根据权利要求2所述的平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构，其特征在于：所述大齿圈连接输出轴或输入轴是通过连接套与大齿圈过盈配合连接，连接套与输出轴或输入轴也是通过过盈配合连接。

4.根据权利要求1所述的平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构，其特征在于：所述小轮或大齿圈通过输入轴连接驱动器，分别对应于螺旋圆弧齿轮内啮合传动机构的减速传动或增速传动方式。

5.根据权利要求1所述的平行轴内啮合传动的螺旋圆弧齿轮机构，其特征在于：所述驱动器连接的输入轴旋转方向为顺时针或逆时针，用以实现小轮或大齿圈正转或反转传动。