CN104675980B - 一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，包括一内啮合蜗杆，一实现动力输入的外啮合蜗杆，内啮合蜗杆中心设有装配孔，外啮合蜗杆通过轴向***轴向活动安装于装配孔内，外啮合蜗杆的啮合齿位于内啮合蜗杆内部，内啮合蜗杆内部设有若干个且每个同时与内啮合蜗杆和外啮合蜗杆相啮合的蜗轮，每个蜗轮设有一个动力输出轴且延伸至内啮合蜗杆外部。本发明实现自动消除平面包络内啮合蜗杆齿侧间隙的精密传动，通过采用外啮合蜗杆与内啮合蜗杆组合传动的形式，有效的消除蜗杆蜗轮间的齿侧间隙与蜗杆蜗轮正反转过程中产生的回转误差，有效的提高了装置的传动精度。

Description

一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置
技术领域
本发明涉及一种蜗杆蜗轮传动技术领域，特别涉及一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置。
背景技术
蜗杆蜗轮传动装置作为齿轮传动的类型之一，主要用以传递空间交错的两轴之间的动力和运动，通常两轴交错角为90°，由于其结构紧凑、传动速比大、噪音小、蜗轮输出转矩大等特点被广泛应用于机械设备中作为减速装置和精密传动装置。但是，随着生产力和工业技术的发展，产生了现有蜗杆传动技术不能满足现实生产的矛盾。特别是在精密传动装置中，对精密分度和精密减速机的要求越来越高，需求量也越来越大。目前关于精密蜗杆传动的研究主要集中在采用传统啮合形式的蜗杆传动上，在内啮合形式中并没有达到自动消除齿侧间隙的能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够自动消除啮合间隙的精密的平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，包括一内啮合蜗杆，一实现动力输入的外啮合蜗杆，内啮合蜗杆中心设有装配孔，外啮合蜗杆通过轴向***轴向活动安装于装配孔内，外啮合蜗杆的啮合齿位于内啮合蜗杆内部，内啮合蜗杆内部设有若干个且每个同时与内啮合蜗杆和外啮合蜗杆相啮合的蜗轮，每个蜗轮设有一个动力输出轴且延伸至内啮合蜗杆外部。
优选的，内啮合蜗杆和外啮合蜗杆与蜗轮啮合面相啮合的啮合方程为：
x2"＝u
y2"＝-rb+vsinβ
z2"＝vcosβ
其中：A为蜗杆与蜗轮的中心距，β为螺旋角；i21为传动比，为蜗杆的转角，为蜗轮的转角，rb为基圆半径，α为蜗轮回转中心轴与蜗杆回转中心轴的轴交角，u、v分别为与蜗轮轮齿固连的坐标系原点o3相对于与蜗轮固连的空间固定坐标系o2的x、y坐标值，Σ1'(o1',x1',y1',z1')和Σ2"(o2",x2",y2",z2")分别为蜗杆和工具母面相固连的空间活动标架。
优选的，内啮合蜗杆为类碗型平面包络环面蜗杆，外啮合蜗杆为平面包络环面蜗杆，内啮合蜗杆、外啮合蜗杆均由同一齿面方程包络形成，且其形状取至包络环面的不同部分。
优选的，蜗轮有2个，且对称分布，两个动力输出轴延相反方向伸出内啮合蜗杆外部。
优选的，蜗轮有4个，且分别位于内啮合蜗杆靠近碗口的两条相互垂直的直径两端，四个动力输出轴逆时针方向伸出平面包络内啮合蜗杆外部，且相邻两动力输出轴轴向相互垂直。
优选的，动力输出轴固定连接于蜗轮中心，且垂直于蜗轮轴向截面。
优选的，装配孔内部设有圆台型空腔，且空腔小口径端靠近内啮合蜗杆内部，远离外啮合蜗杆啮合齿的一端设有键槽，靠近键槽的蜗杆轴为螺纹轴，轴向***套设于螺纹轴与内啮合蜗杆之间，并通过螺母固定。
优选的，轴向***包括与圆台型空腔相匹配的定位头，定位头头部顶接于空腔小口径内壁，尾部连接弹性元件的一端，另一端连接固定座，固定座与螺母之间设有垫圈。
优选的，空腔小口径处设有一内孔，内孔孔径大于外啮合蜗杆轴径向截面直径。
优选的，弹性元件为调整弹簧。
本发明提供的平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置的工作原理如下：
外啮合蜗杆的键槽端连接电机的输出端，在电机的带动下转动，安装在外啮合蜗杆上的内啮合蜗杆也随之转动，蜗轮在内啮合蜗杆和外啮合蜗杆的共同驱动下也进行转动，在轴向***的作用下，外啮合蜗杆的啮合齿面与蜗轮的一侧齿面保持接触，内啮合蜗杆的啮合齿面与蜗轮的另一侧齿面保持接触，当蜗杆、蜗轮的齿面在传动中发生磨损时，轴向***中的调整弹簧就会推动定位头沿外啮合蜗杆轴轴向移动，从而推动内啮合蜗杆沿外啮合蜗杆的轴向移动，使内啮合蜗杆与外啮合蜗杆和蜗轮的齿面始终保持接触，自动进行齿侧间隙补偿，实现蜗杆传动的自动消隙。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置的蜗轮输出动力由外啮合蜗杆带动内啮合蜗杆传动，两蜗杆共同实现对蜗轮的动力输入，故本发明具有更大的承载能力。
2、本发明由于内外啮合蜗杆之间采用轴向***的消隙机构，在蜗杆蜗轮发生磨损时，可自动推动内啮合蜗杆沿内啮合蜗杆轴向进行移动，使蜗杆蜗轮齿面始终保持接触，进行齿侧间隙补偿，因而有效的解决了蜗杆蜗轮齿面磨损后的齿侧间隙消除问题，保证了传动精度。
3、本发明由于采用内啮合蜗杆与外啮合蜗杆同时传动的方式，故该装置同时兼有外啮合蜗杆与内啮合蜗杆的诸多优点，不仅可同时满足对多工作负载进行传动的需要，而且结构简单、紧凑、传动效率高，应用于需要多工作负载同时进行传动的场合时，与普通蜗杆传动相比，该传动装置体积小，重量轻、精度高，装配方便，较大的节约生产成本。
4、本发明中由于蜗轮采用对称分布布置，传动过程中，两相对称的蜗轮进行相对或相反传动，这样不仅可以降低蜗杆上的轴向力，而且可以减小噪声，使得传动更加平稳，特别当蜗轮为2个或4个时传动时更加平稳。
5、本发明中，蜗杆动力输入轴与蜗轮的动力输出轴呈非正交交错布置，且各动力输出轴均在各蜗轮的回转中心，使结构更加紧凑、传动更平稳。
综上所述，本发明提供一种可实现自动消除平面包络内啮合蜗杆齿侧间隙的一种精密传动装置，此种结构形式不但保证了传动的正常工作和良好的润滑，而且通过采用外啮合蜗杆与内啮合蜗杆组合传动的形式，可有效的消除蜗杆蜗轮间的齿侧间隙与蜗杆蜗轮正反转过程中产生的回转误差，有效的提高装置的传动精度。同时也使该装置兼有内啮合蜗杆与外啮合蜗杆的部分优秀啮合性能，且该装置采用多蜗轮的对称布置，降低了蜗杆轴向力，使得传动更加平稳，噪声更低，结构紧凑，可实现单蜗杆输入1～4个甚至更多蜗轮输出，传动效率高，同时满足多工作负载的传动需求，在航空航天领域、舰船、光学仪器、测量等领域均具有广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明剖面结构示意图；
图2是本发明中外啮合蜗杆结构示意图；
图3是本发明中蜗轮为2个的剖面结构示意图；
图4是本发明中蜗轮为4个的剖面结构示意图；
图5是本发明中啮合齿面理论推导的标架示意图；
图6是本发明中啮合齿面理论推导的辅助标架示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1-3所示，本发明提供的一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，包括一个内啮合蜗杆1、一个外啮合蜗杆4、用于自动调整蜗杆蜗轮啮合间隙的轴向***、同时与内啮合蜗杆1和外啮合蜗杆4相啮合的2个蜗轮2、5及分别与蜗轮2、5组合的动力输出轴3、6。
本发明的动力输入轴为外啮合蜗杆4(如图2所示)，在外啮合蜗杆4远离啮合齿端设置有键槽4-3，通过联轴器与电机的动力输出轴连接，由电机带动起转动，同时外啮合蜗杆4靠近键槽端4-3的蜗杆轴加工成螺纹轴4-4的形式，用于轴向***的固定。
轴向***包括螺母7、垫圈8、弹簧固定座9、调整弹簧10、定位头11；轴向***的定位头11为圆台形结构，套在外啮合蜗杆4螺纹轴4-4上，同时定位头11安装在内啮合蜗杆1设置的圆台形孔内，调整弹簧10安装在对应的弹簧固定座9与定位头11之间，其一端与弹簧座9接触，另一端与定位头11接触，轴向***通过螺母7固定在外啮合蜗杆4上，并通过螺母7来调整外啮合蜗杆4与内啮合蜗杆1的相对位置，螺母7与弹簧座9之间安装有垫圈8。
本发明提供的平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置中内啮合蜗杆1与外啮合蜗杆4均为平面包络环面蜗杆，且两蜗杆均由同一齿面方程包络形成，内、外啮合蜗杆的形状取至包络环面的不同部分，如图5、图6所示，其齿面方程为：
x2"＝u
y2"＝-rb+vsinβ
z2"＝vcosβ
其中：
A为蜗杆与蜗轮的中心距；
β为螺旋角；
rb为基圆半径；
α为蜗轮回转中心轴与蜗杆回转中心轴的轴交角；
i21为传动比，即
其中ω1为蜗杆的角速度矢量，ω2为蜗轮的角速度矢量，为蜗杆的转角，为蜗轮的转角；
如图5图6所示，图中∑1(o1,x1,y1,z1)和∑2(o2,x2,y2,z2)分别为蜗杆相固连和工具母面的空间固定坐标架(称为主坐标)；
∑1'(o1',x1',y1',z1')和∑2"(o2",x2",y2",z2")分别为蜗杆和工具母面相固连的空间活动标架，(x1',y1',z1')为与蜗杆相固连的空间活动标架o1'对应的坐标值，(x2",y2",z2")为与工具母面相固连的空间活动标架o2"对应的坐标值；
∑2'(o2',x2',y2',z2')为方便标架转换的过渡标架；
根据啮合原理，在啮合点处引入标架Σ4(op,e1,e2,n)；
Σ3(o3,x3,y3,z3)＝(o3,u,0,v)与蜗轮轮齿固连的坐标系，u、v分别为与蜗轮轮齿固连的坐标系原点o3相对于与蜗轮固连的空间固定坐标系o2的x、y坐标值；
根据建立的坐标系与齿面方程，蜗杆的具体形状由蜗轮转角参数确定，其中外啮合蜗杆的取值范围为-π/5～π/5，内啮合蜗杆的取值范围为4π/5～8π/7。
本实施例中，如图1所示，内啮合蜗杆1上设置有与轴向***定位头11相适宜的圆台型孔，同时内啮合蜗杆1与圆台型孔相临位置上还设置有内孔16，用于与外啮合蜗杆1及蜗轮2、5的装配，且内孔16尺寸略大于外啮合蜗杆4径向尺寸，以便于整个消隙装置的装配。
本实施例中，内啮合蜗杆1的啮合齿1-1、1-2设置在内啮合蜗杆的内部啮合齿上，外啮合蜗杆4的啮合齿4-1、4-2设置在外啮合蜗杆的外啮合齿上，各蜗轮2、5的对应齿分别与内啮合蜗杆1的内部啮合齿1-1、1-2和外啮合蜗杆4的外部齿面4-1、4-2啮合；α为蜗轮回转中心轴与蜗杆回转中心轴的轴交角，当α＝0时，本装置中的蜗杆轴与蜗轮输出轴呈正交交错形式；当α≠0时，本装置中的蜗杆轴与蜗轮输出轴呈非正交交错形式，且各动力输出轴均在各蜗轮的回转中心。
实施例2：
如图4所示，在本实施例中优选涡轮的数量为4个，分别为涡轮2、5、13、15，对应动力输出轴的数量也为4个，分别为动力输出轴3、6、12、14。
上述实施例中平面包络内啮合蜗杆自动消隙装置可实现动力由双蜗杆输入2或4蜗轮同时输出(如图3，图4所示)，当然2和4个蜗轮是本文实施例中的优选方式，1个或3个或5个或更多蜗轮的输出也在本发明的保护范围内。
下面详细说明本发明的工作原理：
外啮合蜗杆1的键槽端通过联轴器与电机的动力输出轴连接，在电机的带动下转动，安装在外啮合蜗杆1上的内啮合蜗杆4也随之转动，蜗轮2、5、13、15在内啮合蜗杆1和外啮合蜗杆4的共同驱动下也进行转动，在轴向***的作用下，外啮合蜗杆1的啮合齿1-1、1-2与蜗轮2、5、13、15的右侧齿面保持接触，内啮合蜗杆4的啮合齿4-1、4-2与蜗轮2、5、13、15的左侧齿面保持接触，当蜗杆、蜗轮的齿面在传动中发生磨损时，轴向***中的调整弹簧10就会推动定位头11沿外啮合蜗杆4轴轴向移动，从而推动内啮合蜗杆1沿外啮合蜗杆4的轴向移动，使内啮合蜗杆1与外啮合蜗杆4和蜗轮2、5、13、15的齿面始终保持接触，自动进行齿侧间隙补偿，实现蜗杆传动的自动消隙。
上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，其特征在于，包括一内啮合蜗杆，一实现动力输入的外啮合蜗杆，所述内啮合蜗杆中心设有装配孔，所述外啮合蜗杆通过轴向***轴向活动安装于所述装配孔内，所述外啮合蜗杆的啮合齿位于所述内啮合蜗杆内部，所述内啮合蜗杆内部设有若干个且每个同时与所述内啮合蜗杆和所述外啮合蜗杆相啮合的蜗轮，每个所述蜗轮设有一个动力输出轴且延伸至所述内啮合蜗杆外部。
2.根据权利要求1所述的平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，其特征在于，所述内啮合蜗杆和所述外啮合蜗杆与所述蜗轮啮合面相啮合的啮合方程为：
x2"＝u
y2"＝-rb+vsinβ
z2"＝vcosβ
其中：A为蜗杆与蜗轮的中心距，β为螺旋角；i21为传动比，为蜗杆的转角，为蜗轮的转角，rb为基圆半径，α为蜗轮回转中心轴与蜗杆回转中心轴的轴交角，u、v分别为与蜗轮轮齿固连的坐标系原点o3相对于与蜗轮固连的定坐标系o2的x、y坐标值，∑1'(o1',x1',y1',z1')和∑2"(o2",x2",y2",z2")分别为蜗杆和工具母面相固连的空间活动标架。
3.根据权利要求1所述的一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，其特征在于，所述内啮合蜗杆为碗型平面包络环面蜗杆，所述外啮合蜗杆为平面包络环面蜗杆，所述内啮合蜗杆、所述外啮合蜗杆均由同一齿面方程包络形成，且其形状取至包络环面的不同部分。
4.根据权利要求2所述的一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，其特征在于，所述蜗轮有2个，且对称分布，两个所述动力输出轴延轴向相反方向伸出所述内啮合蜗杆外部。
5.根据权利要求2所述的一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，其特征在于，所述蜗轮有4个，且分别位于所述内啮合蜗杆靠近碗口的两条相互垂直的直径两端，四个所述动力输出轴逆时针方向伸出所述平面包络内啮合蜗杆外部，且相邻两所述动力输出轴轴向相互垂直。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，其特征在于，所述动力输出轴固定连接于所述蜗轮中心，且垂直于所述蜗轮轴向截面。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，其特征在于，所述装配孔内部设有圆台型空腔，且所述空腔小口径端靠近所述内啮合蜗杆内部，远离所述外啮合蜗杆啮合齿的一端设有键槽，靠近所述键槽的蜗杆轴为螺纹轴，所述轴向***套设于所述螺纹轴与所述内啮合蜗杆之间，并通过螺母固定。
8.根据权利要求7所述的一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，其特征在于，所述轴向***包括与所述圆台型空腔相匹配的定位头，所述定位头头部顶接于所述空腔小口径内壁，尾部连接弹性元件的一端，另一端连接固定座，所述固定座与所述螺母之间设有垫圈。
9.根据权利要求7所述的一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，其特征在于，所述空腔小口径处设有一内孔，所述内孔孔径大于所述外啮合蜗杆轴径向截面直径。
10.根据权利要求8所述的一种平面包络内啮合蜗杆蜗轮自动消隙装置，其特征在于，所述弹性元件为调整弹簧。
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