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CN104565283A - 渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构 - Google Patents

渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构 Download PDF

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CN104565283A CN201310490443.9A CN201310490443A CN104565283A CN 104565283 A CN104565283 A CN 104565283A CN 201310490443 A CN201310490443 A CN 201310490443A CN 104565283 A CN104565283 A CN 104565283A
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Abstract

本发明公开了一种可连续啮合的渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构，为一个凹齿球冠齿轮和一个凸齿球冠齿轮组成的三自由度转动副。通过该转动副的连接，凹齿球冠齿轮和凸齿球冠齿轮可以完全啮合并连续转动。同时，由于是和现有普通传递一自由度转动的齿轮的设计原则一致，属于连续啮合的渐开线齿廓，因此可以实现和普通齿轮一样的定传动比、传动效率等传动特性。本发明解决了现有离散型球冠齿轮啮合时无法连续定比传动的问题，以及渐开线环形齿球冠齿轮仅提供两个转动自由度的问题，因而为球冠齿轮结构在实际工程项目中获得应用和推广，提供了更有利的条件。

Description

渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构
技术领域
本发明涉及球冠齿轮结构，具体为一对可连续啮合的渐开线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。
发明内容
为此，本发明提出了一种可连续啮合的渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构，以解决现有的离散型球冠齿轮结构的定比传动难题和渐开线环形齿球冠齿轮仅有两个自由度的问题。
能够解决上述技术问题的可连续啮合的渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构，包括一个凹齿球冠齿轮和一个凸齿球冠齿轮，组成的三自由度转动副。凹齿球冠齿轮和凸齿球冠齿轮的渐开线齿廓线是基于齿轮模数和齿数计算求得，所求结果包含齿顶球直径、齿底球直径、基球直径等设计参数，这些参数的计算方式与普通传递一自由度转动的齿轮的计算方式一致。
对于凹齿球冠齿轮，绕其x轴和y轴圆周阵列的两组渐开线齿轮轮廓线采用“逻辑或”叠加法则，合并而得凹齿球冠齿轮轮廓线；对于凸齿球冠齿轮，绕其x轴和y轴圆周阵列的两组渐开线齿轮轮廓线采用“逻辑与”叠加法则，合并而得凸齿球冠齿轮轮廓线。同时，此球冠齿轮齿廓线生成法则对于外啮合渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构和内啮合渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构均适用。由这两种逻辑叠加法则生成的球冠齿轮可以满足凹齿球冠齿轮的每个凹齿对应着一个与之匹配的凸齿球冠齿轮的凸齿。
为了方便加工与装卡，凹齿球冠齿轮和凸齿球冠齿轮的部分球表面是起到装卡作用的圆柱销或者其他类似功能的结构。
在球冠齿轮安装时，必须满足凹齿球冠齿轮的对称中心凹齿和凸齿球冠齿轮的对称中心凸齿匹配安装。
凹齿球冠齿轮和凸齿球冠齿轮，均可绕其自身的x、y、z三个轴转动。并且二者中一个为主动齿轮，一个为从动齿轮。主动齿轮绕自身x、y、z三个轴的独立转动可以同时被传递到从动齿轮上，使得从动齿轮能绕自身x、y、z三个轴进行独立转动。
通过该球冠齿轮转动副的连接，凹齿球冠齿轮和凸齿球冠齿轮可以完全啮合并连续转动。同时，由于是和现有普通传递一自由度转动的齿轮的设计原则一致，属于连续啮合的渐开线齿廓，因此可以实现和普通齿轮一样的定传动比、传动效率等传动特性。
本发明的优点：
本发明可连续啮合的渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构解决了现有离散型球冠齿轮啮合时无法连续定比传动的问题，以及渐开线环形齿球冠齿轮仅提供两个转动自由度的问题，因而为球冠齿轮结构在实际工程项目中获得应用和推广，提供了更有利的条件。
附图说明
图1（a）为本发明的凹齿球冠齿轮的结构示意图。
图1（b）为本发明的凸齿球冠齿轮的结构示意图。
图2为本发明的凹齿球冠齿轮的四视图。
图3为本发明的凸齿球冠齿轮的四视图。
图4为图1（a）、图1（b）中凹齿球冠齿轮和凸齿球冠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球冠齿轮和凸齿球冠齿轮的传动比为1:1，并以凹齿球冠齿轮为主动齿轮、凸齿球冠齿轮为从动齿轮。
图5为图4中凹齿球冠齿轮（主动齿轮）在绕z轴转动45度后，和凸齿球冠齿轮（从动齿轮）的相互啮合结构示意图。
图6为图4中凹齿球冠齿轮（主动齿轮）在绕x轴相对转动90度后，和凸齿球冠齿轮（从动齿轮）的相互啮合结构示意图。
图7为图6中凹齿球冠齿轮（主动齿轮）在绕z轴转动45度后，和凸齿球冠齿轮（从动齿轮）的相互啮合结构示意图。
图8为图5中凹齿球冠齿轮（主动齿轮）在绕y轴相对转动90度后，和凸齿球冠齿轮（从动齿轮）的相互啮合结构示意图。
图9为图8中凹齿球冠齿轮（主动齿轮）在绕z轴转动45度后，和凸齿球冠齿轮（从动齿轮）的相互啮合结构示意图。
图10为图9中凹齿球冠齿轮（主动齿轮）在绕x轴转动90度后，和凸齿球冠齿轮（从动齿轮）的相互啮合结构示意图。
图号标识：1、凹齿球冠齿轮（主动齿轮）；2、凸齿球冠齿轮（从动齿轮）；3、起到装卡作用的球冠齿轮圆柱销；4.凹齿球冠齿轮和凸齿球冠齿轮的渐开线齿廓线；5、凹齿球冠齿轮（主动齿轮）的对称中心凹齿；6、凸齿球冠齿轮（从动齿轮）的对称中心凸齿。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
可连续啮合的渐开线齿球冠齿轮由一对凹齿球冠齿轮1和凸齿球冠齿轮2组成。其中，凹齿球冠齿轮1和凸齿球冠齿轮2的渐开线齿廓线4可类比于普通传递一自由度转动的齿轮的渐开线齿廓线，即基于齿轮模数m和齿数z计算求得，求解结果包含齿顶球直径、齿底球直径、基球直径等类似普通齿轮的齿顶圆直径、齿底圆直径、基园直径等设计参数。这种设计原则使得球冠齿轮也可以满足和普通传递一自由度转动的齿轮一样的定传动比、传动效率等传动特性。基于这些计算求得的设计参数可以获得绕x轴和y轴圆周阵列的两组齿轮轮廓线。对于凹齿球冠齿轮1，绕其x轴和y轴圆周阵列的两组渐开线齿轮轮廓线采用“逻辑或”叠加法则，合并而得凹齿球冠齿轮轮廓线；而对于凸齿球冠齿轮2，绕其x轴和y轴圆周阵列的两组渐开线齿轮轮廓线采用“逻辑与”叠加法则，合并而得凸齿球冠齿轮轮廓线。由这两种逻辑叠加法则生成的球冠齿轮可以满足凹齿球冠齿轮1的每个凹齿对应着一个与之匹配的凸齿球冠齿轮2的凸齿。为了方便计算与说明，本说明书所举实例为传动比例等于1:1、模数m等于1.5、齿数z等于20的一对球冠齿轮。
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。以本说明书的附图为例，凹齿球冠齿轮1和凸齿球冠齿轮2的一半球体加工为轮齿面，另一半球体加工有装卡用的圆柱销3，如图1（a）和图1（b）所示。
在球冠齿轮安装时，必须满足凹齿球冠齿轮的对称中心凹齿5和凸齿球冠齿轮的对称中心凸齿6匹配安装，如图4所示。通常情况下，一对凹齿球冠齿轮和凸齿球冠齿轮中，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，将以凹齿球冠齿轮为主动齿轮、凸齿球冠齿轮为从动齿轮。
当凹齿球冠齿轮1（主动齿轮）绕其z轴转动时，凸齿球冠齿轮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4的啮合状态为初始状态时，凹齿球冠齿轮1（主动齿轮）绕其z轴转动45度后，得到如图5所示的啮合状态。
当凹齿球冠齿轮1（主动齿轮）绕其x轴转动时，凸齿球冠齿轮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4的啮合状态为初始状态时，凹齿球冠齿轮1（主动齿轮）绕其x轴转动90度后，得到如图6所示的啮合状态。
当凹齿球冠齿轮1（主动齿轮）绕其y轴转动时，凸齿球冠齿轮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4的啮合状态为初始状态时，凹齿球冠齿轮1（主动齿轮）绕其y轴转动90度后，得到如图8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。由于凹齿球冠齿轮1（主动轮）不论是绕着x、y或者z轴转动，均会带动凸齿球冠齿轮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6的啮合状态为初始状态时，凹齿球冠齿轮1（主动齿轮）绕其z轴转动45度后，得到如图7所示的啮合状态；
当以图8的啮合状态为初始状态时，凹齿球冠齿轮1（主动齿轮）绕其z轴转动45度后，得到如图9所示的啮合状态；
当以图9的啮合状态为初始状态时，凹齿球冠齿轮1（主动齿轮）绕其x轴转动90度后，得到如图10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。
以上所述，是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构，包括一个凹齿球冠齿轮（1）和一个凸齿球冠齿轮（2），组成的三自由度转动副，其特征在于：所述凹齿球冠齿轮（1）和凸齿球冠齿轮（2）的渐开线齿廓线（4）是基于齿轮模数和齿数计算求得，所求结果包含齿顶球直径、齿底球直径、基球直径等设计参数，这些参数的计算方式与普通传递一自由度转动的齿轮的计算方式一致。
2.根据权利要求1所述的渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构，其特征在于：对于所述的凹齿球冠齿轮（1），绕其x轴和y轴圆周阵列的两组渐开线齿轮轮廓线采用“逻辑或”叠加法则，合并而得凹齿球冠齿轮轮廓线；对于凸齿球冠齿轮（2），绕其x轴和y轴圆周阵列的两组渐开线齿轮轮廓线采用“逻辑与”叠加法则，合并而得凸齿球冠齿轮轮廓线；同时，此球冠齿轮齿廓线生成法则对于外啮合渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构和内啮合渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构均适用。
3.根据权利要求2所述的渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构，其特征在于：由所述的两种逻辑叠加法则生成的球冠齿轮可以满足凹齿球冠齿轮（1）的每个凹齿对应着一个与之匹配的凸齿球冠齿轮（2）的凸齿。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构，其特征在于：所述凹齿球冠齿轮（1）和凸齿球冠齿轮（2）的部分球表面是起到装卡作用的圆柱销（3）或者其他类似功能的结构。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构，其特征在于：在球冠齿轮安装时，必须满足所述的凹齿球冠齿轮的对称中心凹齿（5）和凸齿球冠齿轮的对称中心凸齿（6）匹配安装。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的渐开线非环形连续齿球冠齿轮传动机构，其特征在于：所述的凹齿球冠齿轮（1）和凸齿球冠齿轮（2），均可绕其自身的x、y、z三个轴转动；并且二者中一个为主动齿轮，一个为从动齿轮，主动齿轮绕自身x、y、z三个轴的独立转动可以同时被传递到从动齿轮上，使得从动齿轮能绕自身x、y、z三个轴进行独立转动。
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