CN108087498B - 一种多齿同时啮合的活齿传动装置 - Google Patents

Abstract

为了提高刚性啮合传动的承载能力，增加同时承载的齿数一直是专业人士努力研究的方向。但至今成功的多齿同时啮合的设计方案一直未能实现。本发明一种多齿同啮的刚性啮合传动装置，对活齿传动采用二维扩展啮合技术，将活齿传动的轮齿啮合扩展到活齿轮体轮廓之内，突破了传统的啮合参数范围限定，拟定全新的啮合参数组合方案，增大了固齿齿轮内齿的齿高，扩大了啮合范围。实体样机证实，本发明可实现30％的轮齿同时啮合传力。由于活齿传动都是双排对置使用，所以本发明可以使整个外齿圈中60％的轮齿都在同时啮合传力，实现了真正的多齿同啮的刚性啮合传动。

Description

一种多齿同时啮合的活齿传动装置

技术领域

本发明属于机械传动减速器技术领域，尤其涉及一种能实现多齿同时啮合的刚性啮合传动减速器。

背景技术

刚性啮合传动是的现代机械传动的主力。提高承载能力，追求高的重叠系数，即增加同时承载的齿数，一直是专业人士努力研究的方向。但遗憾的是，刚性啮合传动，既要保证多齿等速共轭，又要轮齿之间不发生干涉，国内外成功的多齿同时啮合的设计方案一直未能实现。

活齿传动作为一种性能优良的传动机构，已在通用减速器领域，和精密机器人减速器领域被广泛采用，并被国内外专业公司的对比试验和实际应用所证明。活齿传动的典型结构主要由固齿齿轮G、装有一组活齿R的活齿齿轮H、和激波器J三部分组成。如图1所示。活齿齿数Zh，固齿轮齿数Zg,当Zh＝Zg±1，此时，只要固齿轮的内齿轮廓曲线C为与活齿R等速共轭的包络曲线，就能实现平稳的减速(或增速)传动。

从现已公布的学术论文和专利文件来看，现有的活齿传动，其原理论述和结构显示，传动中活齿齿轮的活齿和固齿齿轮的内齿啮合，都发生在活齿齿轮轮体的轮廓尺寸以外。这就极大地限制了轮齿的啮合范围，固齿齿轮的内齿齿廓的传力角度不良，同时啮合的齿数少，啮合特性差。

主要表现在以下几个方面：

1，固齿齿轮的内齿矮小，使得啮合区域小，承载传力的面积小，同时啮合的齿数不多。

2，固齿齿轮的内齿齿廓曲线比较平缓，“传力角”不理想，表现为传动效率不够高。从力学分析来看，活齿驱动固齿齿轮内齿齿面的情况，属于斜面受力做功的问题。活齿与固齿齿轮内齿齿廓接触点的切向与法线间的夹角，一般在30°左右，而且是处于有润滑状态。根据斜面受力与做功的原理，这个夹角应该在45°-ρ时效率最高。其中ρ为材料的摩擦角。一般钢对钢ρ＝5°～7°，有润滑时ρ值还更小。据此，传力角应该设法提高到40°左右为好。

活齿传动是一种活齿齿轮的活齿可以在其轮体上伸缩的传动，所以存在着利用活齿的伸缩，避开活齿与固齿齿轮内齿的干涉，增多啮合齿数的潜力。但是目前的活齿传动，受到原创结构和设计参数的限制，同时啮合的齿数仍然不多。因此，必须进行改进基本结构和重新拟定设计参数，才能实现多齿同时啮合传动。

发明内容

本发明是突破了活齿传动中活齿与固齿齿轮内齿的啮合只能发生在活齿轮的轮体轮廓以外的限制，利用一种二维扩展啮合技术，扩大了啮合范围；增大了啮合面积，提高了承载能力；改善齿廓曲线的传力角度，提高了传动效率；另外，通过沿轴向扩展把内齿圈的齿覆盖到到活齿全长，进一步扩大承载面积，同时改善活齿销轴的受力状态。增大了同时啮合齿数，能够使活齿传动实现高达30％的齿在同时啮合传力，首次实现了多齿同时啮合的刚性啮合传动。

本发明的技术方案为：一种多齿同时啮合的活齿传动装置，包括：由偏心圆或凸轮机构组成的激波器，驱动一组装于活齿盘上可沿径向槽移动的带有滚套或不带滚套的圆柱形活齿，与固齿齿轮的内齿发生啮合，其特征在于：将固齿齿轮的内齿齿廓沿径向扩展到活齿齿轮轮体的轮廓尺寸范围以内的预留空间中，形成多齿同时啮合，并扩大传力面积，提高轮齿的承载能力。

优选的，本发明所述的多齿同时啮合的活齿传动装置，结构设计突破了传统活齿传动激波器偏心量e与活齿直径dg的参数范围必须在e≤dg/4的限定，将偏心量e值扩展为dg/4＜e＜dg。

优选的，本发明所述的多齿同时啮合的活齿传动装置，固齿齿轮内齿的高度，比未经径向扩展处理的同规格活齿传动装置的固齿齿轮内齿的高度增高30～50％，啮合范围向径向扩展，延伸到活齿齿轮轮体的轮廓尺寸范围以内预留空间中，增大同时啮的齿数。

优选的，本发明所述的多齿同时啮合的活齿传动装置，当活齿采用圆柱形活齿时，固齿齿轮的内齿沿轴向两端扩展出削去齿头的副齿，与活齿销轴伸出销轴槽外的半圆柱进行啮合，增大轮齿的承载面积，改善活齿的受力状态。

优选的，本发明所述的多齿同时啮合的活齿传动装置，当活齿采用带滚套的活齿时，对于用扇形块进行连接的活齿盘，将扇形块的外圆对应于内齿尖的部分设计出退让空间，以供容纳径向扩展出的齿尖运行，实现多齿啮合。

二维扩展啮合的具体措施如下：

1，突破啮合参数的限制：

在传统的活齿传动中，有以下几个基本参数决定齿廓曲线的基本状态：

齿廓分度圆Dg与活齿滚子直径dg的关系:dg＝(0.4～0.6)tg，其中tg为齿距；

原始的活齿传动，轮齿啮合都发生在活齿齿轮的轮体轮廓尺寸之外，因此，偏心量e与活齿滚子直径dg的关系，必须：e≤dg/4；

本发明采用径向扩展技术，使固齿齿轮内齿的齿廓产生径向扩展，突破传统的活齿传动参数选择的限制。在本发明的传动结构中，固齿齿轮内齿的齿尖，伸入到活齿齿轮轮体轮廓内部发生啮合。所以在选择基本参数时，偏心量e被扩展到以计算所得的固齿齿轮内齿的齿廓曲线是否发生顶切为标准，设计时取e≥dg/2，只直至齿顶出现顶切为止。

2，调整结构适应扩展啮合的需要：

为满足上述新参数体系，还必须改变传统活齿传动的活齿轮结构，产生出允许固齿齿轮的内齿尖能够伸入到活齿轮体内部，且运转时有能顺利通过的空间。目前，活齿减速器中的活齿轮轮体，有两种不同的结构方式：穿杆式和扇形凸块式。

对于穿杆式活齿传动，两个活齿盘是用穿杆连接成的，固齿齿轮内齿的径向扩展不受限制。

对于全滚动活齿传动所用活齿架结构，两个活齿盘之间是用扇形凸块来连接成的。正是这些扇形凸块，限定了轮齿的啮合范围。为了保证固齿齿轮内齿的齿尖扩展到轮体内的部分能运行，必须把扇形凸块的外部相应地进行退让，设计为允许齿尖部分顺利通过的结构。

如图2所示，图中O为固齿齿轮内齿径向扩展前的齿廓，N为径向扩展后的齿廓。C为适应径向扩展啮合对活齿轮结构的调整。

对于不带滚套而只用圆柱销作为活齿的传动，还可作轴向扩展啮合。此时只要把固齿齿轮的内齿沿轴向加宽，覆盖全活齿圆柱销，但是沿轴向加宽的这部分轮齿，只能和活齿伸出齿轮轮体外的半圆发生啮合，因此固齿齿轮的内齿需要削去部分齿的高度，只保留能与销形活齿沿径向突出而发生啮合的部分。这样设计，可以增大啮合承载的面积，改善活齿啮合的受力状况，这对于大型重载的传动可以提高承载能力。

本发明的优点是：

本发明的二维扩展啮合活齿传动结构分析如图3所示。图3a所示为二维扩展啮合后，固齿齿轮内齿齿面和齿端面效果图。图3b、3c、3d为二维扩展前后固齿齿轮的齿形对比图。二维扩展后的传动结构具有以下特点：

1，能实现多齿同时啮合。活齿径向扩展啮合后，单个固齿齿轮内齿上啮合区域增大85％，如图3之305和307所示。反应在整个传动中，同时啮合齿数增多，单排就可实现多达30％左右的活齿与固齿齿轮内齿都在同时啮合，即实现了较高的“同啮齿数”，这是迄今所有刚性啮合传动中都不能做到的。而且此处的“同啮齿数”，不同于迄今所有刚性啮合传动中“重叠系数”的慨念。“同啮齿数”是啮合区内的齿真正同时在接触传力，而传统的刚性啮合传动中的“重叠系数”包含有交替接力的成分。显然，同啮齿数多，保证传动的强度和刚度都大为提高。对传动的精度也会起到优化的作用。

2，传力效果好。新增加的固齿轮内齿齿高部分，正是齿廓上传力角度最好的区间。这对提高传动的效率，起到决定性作用。径向扩展啮合后，固齿齿轮内齿齿形的传力角度会明显得到改善，更接近轮齿斜面传力效率高的最佳值，即45°-ρ(ρ为材料的摩擦角)。

3，传动精度高。同啮齿数多，传动的精度也会提高。这是因为在同时啮合的各个齿的综合误差值是不同的，其中误差最小的齿，决定了啮合瞬时的传动误差和侧隙，同时啮合的齿数多，就对整个传动的误差和侧隙起到优化的作用。

4，承载能力高。轴向扩展啮合后，固齿齿轮内齿承载面可增大近50％,如图3之306所示。这对承受重载的减速器可以减小轮齿的接触应力。在没有轴向扩展啮合时，活齿销轴的受力是一种简支梁状态，载荷集中在中部。轴向扩展啮合后，梁中部的载荷有一半转移到两端，直接作用在支点上，减轻了细长的活齿销轴的负担，这对承受重载的减速器更有重要意义。

附图说明：

图1表示现有技术全滚活齿传动基本原理简图。

图2表示本发明的径向扩展啮合的全滚动活齿传动示意图。

图3表示本发明的二维扩展啮合活齿传动轮齿局部效果图。

图4表示本发明的实施例之一：二维扩展啮合穿杆式活齿传动减速机。

图5表示本发明的最施例之二：二维扩展啮合全滚动活齿传动减速机。

本发明的实施例

本发明实施例之一：二维扩展啮合穿杆式活齿减速机

图4表示本发明的二维扩展啮合技术在穿杆式活齿传动减速器上应用的实施例。该机是一台大速比、大扭矩、高精度的减速机。速比i＝57,输出力矩T＝167牛-米。该机成功地经受了超负荷运转的考核，精度和刚度都很高。该减速机整个以活齿齿轮为核心的输出转子，是用一个十字交叉轴承滚动轴承(702)悬臂支承于壳体(703)上的。为了受力均衡和传递大扭矩，在穿杆上对称180°串联了两排滚动活齿传动。输入轴(707)一端用两个圆锥滚动轴承(706)直接使用悬臂梁方式支持在(705)法兰盘上；另一端留有供外接动力输入的带键槽的孔。两排偏心轮(708)相错180度直接做在输入轴(707)上，偏心轮(708)上装有无外圈的滚柱轴承(709)，装配时，激波盘(710)直接套在滚柱轴承(709)上。两副活齿盘错开180°(两排活齿盘销轴槽错开半个齿距)套装于6个穿杆(704)上，各自用6个定距套(712)保持间隔距离，然后将19(或38、57)个活齿销轴(716)分别均布销轴槽(715)中，构成两副活齿齿轮H。另外，为了装配需要两排固齿齿轮(717)尺寸和齿数完全相同但分作两件，用定位销装在一起加工轮齿，装配时分开装配。固齿齿轮G还作为减速器壳体的一部分，与壳体(703)、大壳盖(718)和端盖共同构成减速器的封闭外壳。由此两排激波器J，两副活齿齿轮H，两排共用的固齿齿轮G。对称布置而构成了本穿杆式活齿减速机。

在本实施例中，因为传动比大，活齿滚轮直径小，所以直接用一个圆柱销轴作为活齿；同时，由于活齿销轴直径小而多，根据活齿传动的原理可以作抽齿处理。因此，本实施例的活齿齿数Zh根据传动比应为每排57个，也可抽去2/3，每排19个；也可抽去1/3,每排装38个齿。

根据活齿传动的原理，固齿齿轮G的齿数Zg＝Zh±1。此处Zh为不抽齿是的齿数。本实施例中，Zg＝Zh-1＝56同向传动；也可以取Zg＝Zh+1＝58反向传动。

在本实施例中，固齿齿轮轮突破只能在活齿齿轮轮廓尺寸外进行啮合的限制，而是将固齿齿轮的轮齿向径向扩展到穿杆式活齿齿轮两个活齿盘组成的一付活齿齿轮的轮体内，按本发明规定的参数值，选偏心量e>dg/4＝1.2。齿高由原来的2.3毫米，扩展到6.4毫米，增高了一倍。实现了活齿齿轮与固齿齿轮单排就有19对齿同时啮合。这种高达36％的轮齿同时啮合传力，使减速器的强度、刚度、精度都大为改善。同时，固齿轮轮齿增高，齿的传力角度由30°增加到40°，更加接近摩擦角45°-ρ的最佳值，ρ为材料的摩擦角，对于钢对钢ρ＝5～7°。

本发明实施例之二：二维扩展啮合全滚动活齿传动减速机

图5表示本发明的二维扩展啮合技术在全滚动活齿传动减速器上应用的实施例。该机是一台大速比、大扭矩、高精度的减速机。速比i＝171,输出力矩T＝3920牛-米。该机成功地经受了超负荷运转的考核，精度和刚度都很高。由于速比很大，该减速机以一级全滚动活齿传动为基础，采用涵管式输入结构(501)直接串联一级定轴齿轮传(502)而构成。整个以活齿齿轮为核心的输出转子，是用一个十字交叉轴承滚动轴承(503)悬臂支承于壳体(504)上的。为了受力均衡和传递大扭矩，对称180°安装了两排滚动活齿传动。输入轴(505)中部也用一个十字交叉滚子轴承(506)直接支持在法兰盘(507)上；一端做有齿轮级的内齿圈(508)。另一端装有相错180度的双偏心轮(509)直接做在输入轴(505)上，偏心轮(509)上装有无外圈的滚柱轴承(510)，装配时，激波盘(511)直接套在滚柱轴承(510)上，构成活齿传动级的激波器。两套活齿齿轮错开180°套在激波器外(两排活齿盘销轴槽错开半个齿距)。每套活齿盘有两个开有22个小轴槽的活齿盘组成；为了将两个活齿盘连接成一个整体，其中一个盘上留有22个扇形凸块(512)并开有螺钉孔和定位槽，另一盘上开有螺钉口和止口，用螺钉就可连接成一个完整的活齿盘。然后将22个带销轴的滚轮活齿(513)分别均布在活齿盘的销轴槽构成两副活齿齿轮H。在活齿轮外分别装上有特殊齿廓曲线的内齿轮齿(514)。固齿齿轮还作为减速器壳体的一部分，与壳体(504)、和端盖(517)共同构成减速器的封闭外壳。由此两排激波器J，两副活齿齿轮H，两排共用的固齿齿轮G。对称布置而构成一台全滚动活齿传动减速机。

本减速器与普通全滚动活齿传动不同的是，除啮合参数按权项要求1和2的规定和参数范围，保证实现径向扩展而增高轮齿实现多齿同啮外，按权项要求3，结构上在活齿盘的扇形凸块上，还留有容纳齿头运行的空槽(518)。

Claims (4)

1.一种多齿同时啮合的活齿传动装置，包括：由偏心圆或凸轮机构组成的激波器，驱动一组装于活齿盘上可沿径向槽移动的带有滚套或不带滚套的圆柱形活齿，与固齿齿轮的内齿发生啮合，其特征在于：固齿齿轮的内齿齿廓沿径向伸入到活齿齿轮的轮体的轮廓尺寸范围以内的预留空间中,同时偏心量e值扩展至与活齿滚子直径dg的关系为dg/4＜e＜dg，使固齿齿轮的内齿尖能够在活齿齿轮轮体内的预留空间中运行，形成多齿同时啮合，扩大传力面积，提高轮齿的承载能力。

2.根据权利要求1所述的多齿同时啮合的活齿传动装置，其特征在于：固齿齿轮内齿的高度，比未经径向扩展处理的同规格活齿传动装置的固齿齿轮内齿的高度增高30～50％，啮合范围向径向扩展，延伸到活齿齿轮轮体的轮廓尺寸范围以内预留空间中，增大同时啮的齿数。

3.根据权利要求1所述的多齿同时啮合的活齿传动装置，其特征在于：当活齿采用圆柱形活齿时，固齿齿轮的内齿沿轴向两端扩展出削去齿头的副齿，与活齿销轴伸出销轴槽外的半圆柱进行啮合，增大轮齿的承载面积，改善活齿的受力状态。

4.根据权利要求1所述的多齿同时啮合的活齿传动装置，其特征在于：当活齿采用带滚套的活齿时，对于用扇形块进行连接的活齿盘，将扇形块的外圆对应于内齿尖的部分设计出退让空间，以供容纳径向扩展出的齿尖运行，实现多齿啮合。

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