專利名稱：廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置及其嚙合副設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械傳動(dòng)裝置及其設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種活齒傳動(dòng)裝置及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域，各種齒輪傳動(dòng)因其成熟的理論及技術(shù)而得到了廣泛的應(yīng)用，但其嚙合齒為固定齒及必須保證一定的嚙合間隙這兩個(gè)固有特征，已經(jīng)越來越不能滿足人們對(duì)大承載能力、小體積、大速比、高精度、高可靠性的機(jī)械傳動(dòng)的需求?；铨X傳動(dòng)因采用活動(dòng)的嚙合齒并能較好地實(shí)現(xiàn)零間隙傳動(dòng)，正好彌補(bǔ)了齒輪傳動(dòng)的不足，因而在最近三十多年里得到廣泛的研究，但離廣泛的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的距離，活齒傳動(dòng)理論及技術(shù)的相對(duì)不成熟是主要的制約因素。
目前活齒傳動(dòng)的研究和應(yīng)用，主要是集中在平面和圓柱面活齒傳動(dòng)這兩個(gè)狹窄的領(lǐng)域，空間的、多齒差數(shù)的活齒傳動(dòng)基本無文獻(xiàn)可查。認(rèn)識(shí)上也存在許多偏見，如上世紀(jì)70年代前蘇聯(lián)科學(xué)家開發(fā)出的正弦滾珠活齒減速器(參見《圓柱雙正弦活齒傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及滑動(dòng)率計(jì)算》，2004年2月刊《機(jī)械工程師》)，實(shí)際上就是一種“任意齒差數(shù)圓柱面活齒傳動(dòng)”，而重慶大學(xué)獲得的中國(guó)專利01108707.2公開的一種空間凸輪活齒傳動(dòng)裝置(參見《空間凸輪活齒行星傳動(dòng)》，2004年No1《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》)，采用了非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型才實(shí)現(xiàn)了二齒差圓柱面活齒傳動(dòng)。另外，人們普遍認(rèn)為活齒傳動(dòng)只能實(shí)現(xiàn)同軸傳動(dòng)，這大大限制了活齒傳動(dòng)的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的修正人們對(duì)“雙正弦活齒傳動(dòng)”的認(rèn)識(shí)偏差，公布一種廣義雙余弦活齒傳動(dòng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)活齒空間布置(包括平面及圓柱面布置)的、任意齒差數(shù)的、尤其可實(shí)現(xiàn)異軸傳動(dòng)的廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置。
數(shù)學(xué)分析證明，圓柱雙正弦活齒傳動(dòng)如果改為圓柱雙余弦活齒傳動(dòng)將更利于傳動(dòng)分析，并且利用余弦函數(shù)的傳動(dòng)特征，可以很容易地?cái)U(kuò)展為廣義雙余弦活齒傳動(dòng)。廣義雙余弦活齒傳動(dòng)中的活齒為某種回轉(zhuǎn)體零件或組件，非平面布置時(shí)通常為鋼球或鋼球組件。本發(fā)明廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置嚙合副的設(shè)計(jì)方法如下第一步，確定從動(dòng)盤及主動(dòng)盤的理論回轉(zhuǎn)曲面的母線參數(shù)方程。所有坐標(biāo)系為右手笛卡爾坐標(biāo)系，設(shè)從動(dòng)盤的零件坐標(biāo)系為XaYaZaOa，主動(dòng)盤的零件坐標(biāo)系為XbYbZbOb且坐標(biāo)系XaYaZaOa繞Ya軸旋轉(zhuǎn)角度Ω并在XaOaZa平面內(nèi)平移(X0，O，Z0)后，XaYaZaOa與XbYbZbOb正好重合，令從動(dòng)盤和主動(dòng)盤的回轉(zhuǎn)軸分別為Za軸和Zb軸，母線置于重合的XaOaZa和XbObZb平面內(nèi)，α，β為各自的角參變量，則從動(dòng)盤理論回轉(zhuǎn)曲面母線參數(shù)方程Am、主動(dòng)盤理論回轉(zhuǎn)曲面母線參數(shù)方程Bm分別為 其中，Z、n取正整數(shù)，為保證傳動(dòng)平穩(wěn)和切實(shí)可行，Pa，γa，Pb，γb應(yīng)為[-1，+1]區(qū)間上的連續(xù)單調(diào)增函數(shù)或減函數(shù)。
第二步，根據(jù)母線方程Am、Bm可得到從動(dòng)盤與主動(dòng)盤的理論回轉(zhuǎn)曲面Ah、Bm如下 第三步，根據(jù)理論回轉(zhuǎn)曲面Ah、Bh，考慮活齒架的實(shí)際安裝位置，分別作等距面，即得到從動(dòng)盤和主動(dòng)盤的實(shí)際回轉(zhuǎn)曲面，等距值為活齒架在活齒槽處厚度的一半。
第四步，當(dāng)Ah與Bh外貼合時(shí)，以Am或Bm為拉伸母線，沿Ya或Yb方向在XaOaZa或XbObZb平面兩側(cè)對(duì)稱拉伸出活齒架的中性面；當(dāng)Ah與Bh內(nèi)貼合時(shí)，以Am或Bm為旋轉(zhuǎn)母線，繞Za軸或Zb軸旋轉(zhuǎn)，若Ω＝0且X0＝0則可旋轉(zhuǎn)滿一周，在XaOaZa或XbObZb平面兩側(cè)對(duì)稱地旋轉(zhuǎn)出活齒架的中性面；以上述中性面為基準(zhǔn)雙面作等距面即可構(gòu)造出活齒架的具體尺寸和形狀；再以XaOaZa或XbObZb平面為中性面，在活齒架上切出一寬度等于活齒直徑的直槽，即為活齒槽，若Ω＝0且X0＝0，因活齒數(shù)數(shù)量可為Z±n，則可在活齒架盤面上均勻地切出與活齒數(shù)數(shù)量相同的寬度等于鋼球活齒直徑的徑向活齒槽。
第五步，令從動(dòng)盤和主動(dòng)盤的滾道曲線分別置于Ah、Bh兩回轉(zhuǎn)面上，得到如下兩滾道曲線Ax，Bx 第六步，讓活齒的中心點(diǎn)分別沿Ax，Bx曲線運(yùn)動(dòng)，則分別在主動(dòng)盤和從動(dòng)盤的回轉(zhuǎn)盤面上掃出各自的活齒滾道。
上述各式中，Z表示從動(dòng)盤滾道的齒數(shù)，n表示主動(dòng)盤的齒數(shù)，也表示齒差數(shù)，因n為任意正整數(shù)，故稱任意齒差數(shù)傳動(dòng)，傳動(dòng)比i=Zn.]]>經(jīng)過上述六步驟，即可完成一個(gè)嚙合副的所有元素的設(shè)計(jì)。由上述元件、曲面和曲線共同構(gòu)成一個(gè)活齒嚙合副，當(dāng)Ω≠0或X0≠0時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)廣義雙余弦活齒異軸傳動(dòng)。當(dāng)Ω＝0且X0＝0時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)廣義雙余弦活齒同軸傳動(dòng)，除了上述嚙合副的設(shè)計(jì)方法完全適用外，作為特例的同軸傳動(dòng)，其更通用的傳動(dòng)裝置已經(jīng)在本發(fā)明人申請(qǐng)的專利申請(qǐng)?zhí)枮?00110046702.X的發(fā)明專利中實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置的技術(shù)方案是采用錐齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，將錐齒輪傳動(dòng)中的固齒換成了活齒——通常采用鋼球作為活齒，并因此增加了一個(gè)固定在機(jī)架上的活齒架及主動(dòng)盤和從動(dòng)盤回轉(zhuǎn)面上分別開設(shè)了各自的活齒滾道。活齒沿主動(dòng)盤或從動(dòng)盤上的滾道滾動(dòng)，其中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡就是主動(dòng)盤或從動(dòng)盤的滾道曲線。這兩條滾道曲線分別位于各自的理論回轉(zhuǎn)曲面上，兩理論回轉(zhuǎn)面的母線形狀和大小完全相同，因此，在實(shí)際傳動(dòng)時(shí)，主動(dòng)盤或從動(dòng)盤的理論回轉(zhuǎn)面總是在某母線處完全吻合。
由于異軸傳動(dòng)時(shí)，一個(gè)嚙合副只能有一個(gè)活齒參與嚙合，而單個(gè)嚙合副在余弦函數(shù)值為-1或+1時(shí)必然為傳動(dòng)空閑點(diǎn)，所以在同一個(gè)傳動(dòng)副中必須至少設(shè)置兩個(gè)嚙合副，并使嚙合副的傳動(dòng)空閑點(diǎn)互相錯(cuò)開，以提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，且多個(gè)嚙合副最好能對(duì)稱布置以保證傳動(dòng)裝置受力均衡。
對(duì)于單個(gè)嚙合副，其具體結(jié)構(gòu)為開有一個(gè)活齒槽的活齒架固定在機(jī)架上；與輸入軸連接的主動(dòng)盤回轉(zhuǎn)面剛好可以貼合在活齒架一側(cè)面，輸入軸軸心線與活齒槽的中性面重合；與輸出軸連接的從動(dòng)盤回轉(zhuǎn)面也剛好貼合在活齒架的另一側(cè)面，輸出軸軸心線也與活齒槽的中性面重合；活齒安裝在活齒槽中，并同時(shí)保證活齒也正好與主動(dòng)盤及從動(dòng)盤的滾道完全貼合。輸入軸與輸出軸通過軸承安裝在機(jī)架上，并保證主、從動(dòng)盤的相對(duì)位置關(guān)系滿足嚙合副各參數(shù)方程的要求。
本發(fā)明公布的廣義雙余弦活齒傳動(dòng)嚙合副設(shè)計(jì)方法糾正了人們對(duì)圓柱面雙正弦活齒傳動(dòng)的認(rèn)識(shí)偏差，使得任意齒差數(shù)的活齒傳動(dòng)可以在不需復(fù)雜數(shù)學(xué)推演的情況下簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。更進(jìn)一步，本發(fā)明廣義雙余弦活齒傳動(dòng)嚙合副設(shè)計(jì)方法將圓柱面雙正弦活齒傳動(dòng)改為圓柱面雙余弦活齒傳動(dòng)，并在空間擴(kuò)展之，實(shí)現(xiàn)了活齒空間布置的活齒傳動(dòng)，同軸傳動(dòng)時(shí)，在保持有圓柱面雙正弦活齒傳動(dòng)100％活齒參與嚙合傳動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)的情況下，解決了其難加工的問題。本設(shè)計(jì)方法尤其實(shí)現(xiàn)了活齒傳動(dòng)的異軸傳動(dòng)，使得活齒傳動(dòng)可以完成幾乎所有傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)，并且相對(duì)于目前所有的活齒傳動(dòng)及齒輪傳動(dòng)，本設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單靈活，易于優(yōu)化和推廣，使得活齒傳動(dòng)有可能成為齒輪傳動(dòng)的最佳替代方案。
本發(fā)明廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置尤其實(shí)現(xiàn)了異軸傳動(dòng)，使得活齒傳動(dòng)可以進(jìn)入傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)的幾乎所有應(yīng)用領(lǐng)域，并進(jìn)而在這些領(lǐng)域解決齒輪傳動(dòng)因采用固齒傳動(dòng)帶來諸如容易斷齒、無誤差自動(dòng)補(bǔ)償功能，零件加工精度高、存在嚙合間隙、回差大、傳動(dòng)精度低等問題。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的主剖視圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的主剖視圖；圖3為實(shí)施例1或?qū)嵤├?主動(dòng)盤的三維零件剖視圖；圖4為實(shí)施例1或?qū)嵤├?從動(dòng)盤的三維零件剖視圖；圖中標(biāo)號(hào)為1、輸入軸，2、主動(dòng)盤，3、活齒架，4、主動(dòng)盤滾道，5、從動(dòng)盤滾道，6、輸出軸，7、從動(dòng)盤，8、鋼球活齒，9、活齒槽，10、活齒套，11、機(jī)架，12、主動(dòng)盤滾道曲線，13、從動(dòng)盤滾道曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明。
參照?qǐng)D1及圖2，開有一個(gè)活齒槽9的活齒架3固定在機(jī)架11上；與輸入軸1連接的主動(dòng)盤2的回轉(zhuǎn)面剛好可以貼合在活齒架3的一側(cè)面，輸入軸1的軸心線與活齒槽9的中性面重合；與輸出軸6連接的從動(dòng)盤7的回轉(zhuǎn)面也剛好貼合在活齒架3的另一側(cè)面，輸出軸6的軸心線也與活齒槽9的中性面重合；鋼球活齒8安裝在活齒槽9中，并同時(shí)保證鋼球也正好與主動(dòng)盤滾道4及從動(dòng)盤滾道5完全貼合。輸入軸1與輸出軸6通過軸承安裝在機(jī)架11上，并保證主動(dòng)盤2與從動(dòng)盤7的相對(duì)位置關(guān)系滿足嚙合副各參數(shù)方程的要求。
參照?qǐng)D3，其上的滾道被錯(cuò)開了一相位角；參照?qǐng)D4，其上的滾道也被錯(cuò)開了一相位角；實(shí)施例圖1中，相互嚙合的右主動(dòng)盤與右從動(dòng)盤，二者回轉(zhuǎn)面均為半錐角45°的錐面，取理論回轉(zhuǎn)面的錐面頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，錐臺(tái)面小端方向?yàn)閆a軸或Zb的正方向，則夾角Ω＝180°，令X0＝-2Rsin45°，Z0＝-2Rcos45°，該傳動(dòng)副中兩嚙合副的各基本參數(shù)方程如下右從動(dòng)盤理論回轉(zhuǎn)面母線參數(shù)方程Am、右主動(dòng)盤理論回轉(zhuǎn)曲面母線參數(shù)方程Bm分別為 右從動(dòng)盤與右主動(dòng)盤的理論回轉(zhuǎn)曲面Ah、Bh方程如下 右從動(dòng)盤與右主動(dòng)盤的滾道曲線Ax，Bx分別位于理論回轉(zhuǎn)曲面Ah、Bh上，Ax，Bx的參數(shù)方程如下 其中α、β為角參變量，右從動(dòng)盤滾道齒數(shù)Z＝8，右主動(dòng)盤滾道齒數(shù)n＝3，兩滾道基圓半徑R＝130及90，脈動(dòng)量e＝6。
實(shí)施例圖2中，相互嚙合的右主動(dòng)盤與從動(dòng)盤，二者均為半錐角45°的錐面，取理論回轉(zhuǎn)面的錐面頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，錐臺(tái)面小端方向?yàn)閆a軸或Zb的正方向，則夾角Ω＝90°，令X0＝0，Z0＝0。該傳動(dòng)副中兩嚙合副的各基本參數(shù)方程如下從動(dòng)盤理論回轉(zhuǎn)面母線參數(shù)方程Am、右主動(dòng)盤理論回轉(zhuǎn)曲面母線參數(shù)方程Bm分別為
從動(dòng)盤與右主動(dòng)盤的理論回轉(zhuǎn)曲面Ah、Bh方程如下 從動(dòng)盤與右主動(dòng)盤的滾道曲線Ax，Bx分別位于理論回轉(zhuǎn)曲面Ah、Bh上，Ax，Bx的參數(shù)方程如下 其中α、β為角參變量，從動(dòng)盤滾道齒數(shù)Z＝8，右主動(dòng)盤滾道齒數(shù)n＝3，兩滾道基圓半徑R＝130及90，脈動(dòng)量e＝6。
實(shí)施例圖1中，相互嚙合的右主動(dòng)盤與右從動(dòng)盤，若右從動(dòng)盤為球臺(tái)面，且取從動(dòng)盤的理論回轉(zhuǎn)面的球心為其坐標(biāo)原點(diǎn)，主、從動(dòng)盤回轉(zhuǎn)面小端方向?yàn)閆a或Zb的正方向，令Ω＝180°，令X0≠0，Z0＝0，則 其中α、β為角參變量，R為基圓半徑，e為角脈動(dòng)量，Ψ為母線的定位角。其他參數(shù)方程可依次類推。
實(shí)施例圖2中，相互嚙合的右主動(dòng)盤與從動(dòng)盤，若從動(dòng)盤為球臺(tái)面，且取從動(dòng)盤的理論回轉(zhuǎn)面的球心為其坐標(biāo)原點(diǎn)，主、從動(dòng)盤回轉(zhuǎn)面小端方向?yàn)閆a或Zb的正方向，令Ω＝90°，令X0≠0，Z0≠0，則 其中α、β為角參變量，R為基圓半徑，e為角脈動(dòng)量，Ψ為母線的定位角。其他參數(shù)方程可依次類推。
權(quán)利要求
1.一種廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置，主動(dòng)盤和從動(dòng)盤相互嚙合實(shí)現(xiàn)同軸或異軸傳動(dòng)。其特征是開有活齒槽(9)的活齒架(3)固定在機(jī)架(11)上，與輸入軸(1)連接的主動(dòng)盤(2)的回轉(zhuǎn)面剛好可以貼合在活齒架(3)的一側(cè)面，輸入軸(1)的軸心線與活齒槽(9)的中性面重合，與輸出軸(6)連接的從動(dòng)盤(7)的回轉(zhuǎn)面也剛好貼合在活齒架(3)的另一側(cè)面，輸出軸(6)的軸心線也與活齒槽(9)的中性面重合，活齒(8)安裝在活齒槽(9)中并與主動(dòng)盤滾道(4)及從動(dòng)盤滾道(5)完全貼合。輸入軸(1)與輸出軸(6)通過軸承安裝在機(jī)架(11)上。
2.按權(quán)利要求1所述的廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置，其特征是異軸傳動(dòng)時(shí)，在一個(gè)傳動(dòng)副中，至少設(shè)置兩個(gè)嚙合副，且各嚙合副的傳動(dòng)空閑點(diǎn)相互錯(cuò)開。
3.按權(quán)利要求2所述的廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置，其特征是異軸傳動(dòng)時(shí)，在一個(gè)傳動(dòng)副中，多個(gè)嚙合副按對(duì)稱方式布置。
4.按權(quán)利要求1所述的廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置，其特征是在所述活齒架(3)上有活齒槽(9)，活齒槽內(nèi)裝有活齒套(10)，鋼球活齒(8)安置在活齒套(10)內(nèi)。
5.一種廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置嚙合副的設(shè)計(jì)方法，其特征是所有坐標(biāo)系為右手笛卡爾坐標(biāo)系，設(shè)從動(dòng)盤的零件坐標(biāo)系為XaYaZaOa，主動(dòng)盤的零件坐標(biāo)系為XbYbZbOb，且坐標(biāo)系XaYaZaOa繞Ya軸旋轉(zhuǎn)角度Ω并在XaOaZa平面內(nèi)平移(X0，0，Z0)后，XaYaZaOa與XbYbZbOb正好重合，令從動(dòng)盤和主動(dòng)盤的回轉(zhuǎn)軸分別為Za軸和Zb軸，母線分別置于重合的XaOaZa和XbObZb平面內(nèi)，Z為從動(dòng)盤滾道的齒數(shù)，n為主動(dòng)盤滾道的齒數(shù)，又稱齒差數(shù)，α，β為各自的角參變量，則從動(dòng)盤理論回轉(zhuǎn)面母線參數(shù)方程Am、主動(dòng)盤理論回轉(zhuǎn)曲面母線參數(shù)方程Bm分別為 從動(dòng)盤與主動(dòng)盤的實(shí)際回轉(zhuǎn)曲面為其理論回轉(zhuǎn)曲面Ah、Bh的等距面，等距值為活齒架在活齒槽處厚度的一半，Ah、Bh方程如下 從動(dòng)盤與主動(dòng)盤的滾道曲線Ax，Bx分別位于理論回轉(zhuǎn)曲面Ah、Bh上，Ax，Bx的參數(shù)方程如下
6.按權(quán)利5所述的廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置嚙合副設(shè)計(jì)方法，其特征是從動(dòng)盤為錐臺(tái)面，且取從動(dòng)盤的理論回轉(zhuǎn)面的錐面頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，錐臺(tái)面小端方向?yàn)閆a軸的正方向，則從動(dòng)盤理論回轉(zhuǎn)面的母線參數(shù)方程Am為 其中α為角參變量，R為基圓半徑，e為脈動(dòng)量，Ψ為母線與Za軸的夾角，也稱半錐角。
7.按權(quán)利5所述的廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置嚙合副設(shè)計(jì)方法，其特征是從動(dòng)盤為球臺(tái)面，且取從動(dòng)盤的理論回轉(zhuǎn)面的球心為其坐標(biāo)原點(diǎn)，從動(dòng)盤回轉(zhuǎn)面小端方向?yàn)閆a的正方向，則從動(dòng)盤理論回轉(zhuǎn)面的母線參數(shù)方程Am為 其中α為角參變量，R為基圓半徑，e為角脈動(dòng)量，Ψ為母線的定位角。
全文摘要
本發(fā)明糾正了人們對(duì)圓柱面雙正弦活齒傳動(dòng)的認(rèn)識(shí)偏差，公布了一種廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置及其嚙合副設(shè)計(jì)方法，使得活齒傳動(dòng)有可能成為齒輪傳動(dòng)的最佳替代方案。廣義雙余弦活齒傳動(dòng)裝置采用錐齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了活齒空間布置的任意齒差數(shù)活齒傳動(dòng)，尤其可實(shí)現(xiàn)異軸傳動(dòng)。本裝置將錐齒輪的固齒改為活齒，并增設(shè)一個(gè)固定在機(jī)架上開有活齒槽的活齒架，活齒被安裝在由活齒槽、主動(dòng)盤滾道及從動(dòng)盤滾道三者約束的空間內(nèi)。當(dāng)主動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，推動(dòng)活齒在活齒槽中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)活齒在從動(dòng)盤的滾道中運(yùn)動(dòng)，由于活齒架固定在機(jī)架上，所以活齒推動(dòng)從動(dòng)盤相對(duì)機(jī)架作恒速比旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成傳動(dòng)過程。
文檔編號(hào)F16H1/34GK1598355SQ20041004673
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月8日
發(fā)明者陳賢湘 申請(qǐng)人:陳賢湘