一種微線段非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于機(jī)械傳動(dòng)及機(jī)器人傳動(dòng)【技術(shù)領(lǐng)域】的一種微線段非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由凹齒輪和凸齒輪組成的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，凹齒輪和凸齒輪上分別設(shè)有通過(guò)繞球齒輪X軸和Y軸母線轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)行布爾運(yùn)算合成的凹輪齒和凸輪齒，兩齒輪的輪齒分別分布在兩個(gè)球冠體上，凹齒輪表面的凹輪齒與凸齒輪表面的凸輪齒一一對(duì)應(yīng)嵌入，所述凹輪齒和凸輪齒的母線是微線段齒廓。本實(shí)用新型的微線段球齒輪機(jī)構(gòu)，不僅適用于一般的有三自由度需求的傳動(dòng)場(chǎng)合，尤其適用于重載場(chǎng)合下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)，如航天站機(jī)械臂、蛇形特種機(jī)器人。
【專利說(shuō)明】一種微線段非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于機(jī)械傳動(dòng)及機(jī)器人傳動(dòng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種微線段非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]球冠齒輪是一種新型的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，與只具備一個(gè)自由度的普通齒輪傳動(dòng)不同，球冠齒輪可以傳遞二維或者三維回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，符合自然界中絕大多數(shù)生物關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性，因而受到廣泛關(guān)注，但是球體表面的齒形和嚙合方式一直存在難以克服的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。
[0003]目前已有兩種球冠齒輪結(jié)構(gòu):第一種是離散型球冠齒輪結(jié)構(gòu)，其是利用錐形指狀齒及其對(duì)應(yīng)凹坑進(jìn)行嚙合的，由于它的凸齒齒廓為直線，因而不能實(shí)現(xiàn)精確的定傳動(dòng)比球面運(yùn)動(dòng)，難以在實(shí)際工程項(xiàng)目中獲得應(yīng)用和推廣；第二種是漸開(kāi)線環(huán)形齒球冠齒輪結(jié)構(gòu)，其是以漸開(kāi)線齒輪的齒廓線為依據(jù)，進(jìn)行連續(xù)圓周陣列后得到的齒形，不過(guò)正是這種結(jié)構(gòu)，使得其在實(shí)際使用中只能提供兩個(gè)自由度，在應(yīng)用上有一定的局限性。
[0004]2013年10月，Tech-No-Logic公司創(chuàng)始人洪洽檁先生提出一種漸開(kāi)線非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是以通過(guò)繞球齒輪X軸和Y軸母線轉(zhuǎn)動(dòng)、并進(jìn)行布爾運(yùn)算合成的凹輪齒和凸輪齒，兩齒輪的輪齒分別分布在兩個(gè)球冠體上，其母線為漸開(kāi)線。該球齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了三個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，但輪齒在根部和頂部嚙合時(shí)接觸應(yīng)力較大，因此它只能用于強(qiáng)度要求不高的場(chǎng)合，不能適宜日益增長(zhǎng)的高速、重載及小型化的需求。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種微線段非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以改善球齒輪傳動(dòng)的性能，且強(qiáng)度高，傳遞動(dòng)力和載荷更大。
[0006]一種微線段非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由凹齒輪和凸齒輪組成的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)副組成；凹齒輪和凸齒輪上分別設(shè)有通過(guò)繞球齒輪X軸和Y軸母線轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)行布爾運(yùn)算合成的凹輪齒和凸輪齒，兩齒輪的輪齒分別分布在兩個(gè)球冠體上，凹齒輪表面的凹輪齒與凸齒輪表面的凸輪齒對(duì)應(yīng)嵌入，所述凹輪齒和凸輪齒的母線是微線段齒廓。
[0007]所述微線段齒廓由100-80000段微段漸開(kāi)線光滑連接而成。
[0008]所述凹齒輪和凸齒輪的嚙合形式是凹-凸的嚙合形式，即每個(gè)輪齒的齒根部分是凹齒廓，齒頂部分為凸齒廓。
[0009]本實(shí)用新型的有益效果:由于球齒輪機(jī)構(gòu)的輪齒母線為采用微線段齒廓，可以改善球齒輪傳動(dòng)的性能，微線段齒輪的接觸強(qiáng)度是漸開(kāi)線齒輪的3倍，彎曲強(qiáng)度是漸開(kāi)線齒輪的3.3倍左右，且微線段齒輪滑動(dòng)系數(shù)小，耐磨性能高，在齒形參數(shù)相同時(shí)，微線段齒輪比漸開(kāi)線齒輪可以在傳遞更大的動(dòng)力和載荷；微線段球齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合形式是凹-凸的嚙合形式，即每個(gè)輪齒的齒根部分是凹齒廓，齒頂部分為凸齒廓，在構(gòu)造點(diǎn)上綜合曲率為零，所以該機(jī)構(gòu)具有很高的接觸和彎曲強(qiáng)度；本實(shí)用新型的微線段球齒輪機(jī)構(gòu)，不僅適用于一般的有三自由度需求的傳動(dòng)場(chǎng)合，尤其適用于重載場(chǎng)合下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)，如航天站機(jī)械臂、蛇形特種機(jī)器人。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本實(shí)用新型的凹齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2為本實(shí)用新型的凸齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖3為圖1和圖2中凹齒輪和凸齒輪在對(duì)稱中心輪齒處相互嚙合時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖中的這對(duì)示意用凹齒輪和凸齒輪的傳動(dòng)比為1: 1，并以凹齒輪為主動(dòng)齒輪、凸齒輪為從動(dòng)齒輪；
[0013]圖4為圖3中凹齒輪在繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)45度后，和凸齒輪的相互嚙合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖5為圖3中凹齒輪在繞X軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)90度后，和凸齒輪的相互嚙合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖6為圖5中凹齒輪在繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)45度后，和凸齒輪的相互嚙合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖7為圖3中凹齒輪在繞y軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)90度后，和凸齒輪的相互嚙合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖8為圖7中凹齒輪(主動(dòng)齒輪)在繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)45度后，和凸齒輪(從動(dòng)齒輪)的相互嚙合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖9為圖8中凹齒輪(主動(dòng)齒輪)在繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)90度后，和凸齒輪(從動(dòng)齒輪)的相互嚙合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖中:1-凹齒輪，2-凸齒輪，3-球冠齒輪圓柱銷，4-微線段齒廓，5-凹齒輪的對(duì)稱中心凹齒，6-凸齒輪的對(duì)稱中心凸齒。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]實(shí)施例1
[0022]一種微線段非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由凹齒輪I和凸齒輪2組成的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)副組成；凹齒輪I和凸齒輪2上分別設(shè)有通過(guò)繞球齒輪X軸和Y軸母線轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)行布爾運(yùn)算合成的凹輪齒和凸輪齒，兩齒輪的輪齒分別分布在兩個(gè)球冠體上，凹齒輪表面的凹輪齒與凸齒輪表面的凸輪齒對(duì)應(yīng)嵌入，所述凹輪齒和凸輪齒的母線是微線段齒廓。所述微線段齒廓由100-80000段微段漸開(kāi)線光滑連接而成。所述凹齒輪I和凸齒輪2的嚙合形式是凹-凸的嚙合形式，即每個(gè)輪齒的齒根部分是凹齒廓，齒頂部分為凸齒廓。
[0023]在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了方便球冠齒輪的加工與安裝，通常不要求其360度球表面上布滿輪齒，而是僅保留一部分輪齒，其余部分設(shè)計(jì)和制造用于裝卡的結(jié)構(gòu)。以本實(shí)施例的附圖為例，凹齒輪I和凸齒輪2的一半球體加工為輪齒面，另一半球體加工有裝卡用的球冠齒輪圓柱銷3，如圖1和圖2所示。
[0024]在齒輪安裝時(shí)，必須滿足凹齒輪的對(duì)稱中心凹齒5和凸齒輪的對(duì)稱中心凸齒6匹配安裝，如圖3所示。通常情況下，一對(duì)凹齒輪I和凸齒輪2中，有一個(gè)是主動(dòng)齒輪，另一個(gè)是從動(dòng)齒輪。為了在本例中說(shuō)明運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將以凹齒輪I為主動(dòng)齒輪、凸齒輪2為從動(dòng)齒輪。
[0025]當(dāng)凹齒輪I (主動(dòng)齒輪)繞其z軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸齒輪2 (從動(dòng)齒輪)因?yàn)槭艿絿Ш淆X的推力從而亦繞其z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)以圖3的嚙合狀態(tài)為初始狀態(tài)時(shí)，凹齒輪I (主動(dòng)齒輪)繞其z軸轉(zhuǎn)動(dòng)45度后，得到如圖4所示的嚙合狀態(tài)。
[0026]當(dāng)凹齒輪I (主動(dòng)齒輪)繞其X軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸齒輪2 (從動(dòng)齒輪)因?yàn)槭艿絿Ш淆X的推力從而亦繞其X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)以圖3的嚙合狀態(tài)為初始狀態(tài)時(shí)，凹齒輪I (主動(dòng)齒輪)繞其X軸轉(zhuǎn)動(dòng)90度后，得到如圖5所示的嚙合狀態(tài)。
[0027]當(dāng)凹齒輪I (主動(dòng)齒輪)繞其y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸齒輪2 (從動(dòng)齒輪)因?yàn)槭艿絿Ш淆X的推力從而亦繞其I軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)以圖3的嚙合狀態(tài)為初始狀態(tài)時(shí)，凹齒輪I (主動(dòng)齒輪)繞其I軸轉(zhuǎn)動(dòng)90度后，得到如圖7所示的嚙合狀態(tài)。
[0028]以上三段論述是為了描述這種球冠齒輪的運(yùn)動(dòng)傳遞狀態(tài)，包含三個(gè)自由度。由于凹齒輪I (主動(dòng)輪)不論是繞著X、y或者z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，均會(huì)帶動(dòng)凸齒輪2 (從動(dòng)輪)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且因?yàn)樵谌魏无D(zhuǎn)動(dòng)瞬間都有輪齒都保持嚙合狀態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)了球冠齒輪三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，換而言之，主動(dòng)齒輪繞三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)都是相互獨(dú)立的，因而該球冠齒輪結(jié)構(gòu)可以滿足主動(dòng)齒輪同時(shí)傳遞三個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的任何運(yùn)動(dòng)至從動(dòng)齒輪。于是，同理可得以下實(shí)例:
[0029]當(dāng)以圖5的嚙合狀態(tài)為初始狀態(tài)時(shí)，凹齒輪I (主動(dòng)齒輪)繞其z軸轉(zhuǎn)動(dòng)45度后，得到如圖6所示的嚙合狀態(tài)；
[0030]當(dāng)以圖7的嚙合狀態(tài)為初始狀態(tài)時(shí)，凹齒輪I (主動(dòng)齒輪)繞其z軸轉(zhuǎn)動(dòng)45度后，得到如圖8所示的嚙合狀態(tài)；
[0031]當(dāng)以圖8的嚙合狀態(tài)為初始狀態(tài)時(shí)，凹齒輪I (主動(dòng)齒輪)繞其X軸轉(zhuǎn)動(dòng)90度后，得到如圖9所示的嚙合狀態(tài)。
[0032]更多繞X、y、z三個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)后所得的嚙合狀態(tài)不再舉例。
[0033]本實(shí)用新型的關(guān)鍵在于:所述凹齒輪I和凸齒輪2的輪齒母線4為微線段齒廓，即由若干微線段光滑連接而成，更優(yōu)選的，該齒廓可以根據(jù)所選定的初始參數(shù)，由成千甚至上萬(wàn)段微段漸開(kāi)線光滑連接而成。
[0034]另外，所述的兩球齒輪(凹齒輪I和凸齒輪2)的嚙合形式是凹-凸的嚙合形式，即每個(gè)輪齒的齒根部分是凹齒廓，齒頂部分為凸齒廓，在構(gòu)造點(diǎn)上綜合曲率為零。與現(xiàn)有的漸開(kāi)線非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，本實(shí)用新型具有更高的接觸和彎曲強(qiáng)度。
[0035]以上所述是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，凡依本實(shí)用新型技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種微線段非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由凹齒輪和凸齒輪組成的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)副組成；凹齒輪和凸齒輪上分別設(shè)有通過(guò)繞球齒輪X軸和Y軸母線轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)行布爾運(yùn)算合成的凹輪齒和凸輪齒，兩齒輪的輪齒分別分布在兩個(gè)球冠體上，凹齒輪表面的凹輪齒與凸齒輪表面的凸輪齒 對(duì)應(yīng)嵌入，所述凹輪齒和凸輪齒的母線是微線段齒廓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種微線段非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述微線段齒廓由100-80000段微段漸開(kāi)線光滑連接而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種微線段非環(huán)形連續(xù)齒球冠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述凹齒輪和凸齒輪的嚙合形式是凹-凸的嚙合形式，即每個(gè)輪齒的齒根部分是凹齒廓，齒頂部分為凸齒廓。
【文檔編號(hào)】F16H1/12GK203962865SQ201420402874
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】洪浛檁 申請(qǐng)人:湖北諾伯特科技有限公司, 洪浛檁