CN104712711B - 一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置 - Google Patents

Abstract

一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置，它是由高速级太阳轮、高速级行星轮、行星轮轴承、偏心轴、行星轮垫片、高速级内齿轮、左端盖、左端盖螺钉、左端盖密封、密封座螺钉、密封座、密封座垫片、输出轴左滚动体、低速级内齿轮、输出轴右滚动体、右端盖螺钉、右端盖、输出轴右盖、低速级右行星轮、输出轴穿杆组件、输出轴端盖盖板、低速级左行星轮、右密封、偏心轴右轴承滚动体、左偏心轴承滚动体、右偏心轴承滚动体和偏心轴左轴承滚动体组成；本发明是一种以行星齿轮传动和少齿差传动为基础的通过改变少齿差传动的齿形而构成的新型精密减速器，在机械传动技术领域里，它可作为机器人关节减速器和风力发电增速器的一部分或全部。

Description

一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置

技术领域

本发明涉及一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置，它是一种以行星齿轮传动和少齿差传动为基础的通过改变少齿差传动的齿形而构成的新型精密减速器，属于机械传动技术领域，它可用于作为机器人关节减速器和风力发电增速器的一部分或全部。

背景技术

机器人减速器的精度、刚度、效率、体积对于其工作性能具有重要影响，该类减速器要求传动比大，一般在100以上，如果直接采用行星减速器，则通常需要三级减速器串联。渐开线行星减速器的优点是传动效率很高，但缺点是零件数量多，影响体积和成本的减少，因此目前主要采用的是谐波减速器和少齿差行星减速器，前者适用于小扭矩工况，后者适用于大扭矩工况。在用做机器人减速器时，单级少齿差减速器的传动比通常不够大，因此实际机器人底座端减速器通常是由一级行星减速器和一级摆线减速器串联而成，可称为行星少齿差减速器，其中的行星传动适合高速传动和具有高效率特征，其中的少齿差减速器具有大速比和小体积特征。少齿差减速器的齿形通常有两种，一种是摆线齿形，一种是渐开线齿形。渐开线齿形虽然具有很高的传动效率，但是其齿形是由多段曲线构成，在数学上是超越方程，只具有0阶连续性，不具备高阶连续性，而少齿差传动要求数十对齿之间所有位置协调，这种超越方程在形成包络面时容易出现干涉，因此，在使用渐开线齿形在实现一齿差传动时(大传动比)时必须对齿形进行大范围齿形变位、齿高缩短等变形，这种计算缺乏必要的理论基础，因此调整计算主要依靠经验，为了避免渐开线多段齿形的干涉，缩短和变位的齿轮的重叠系数很小，很多轮齿会在很长时间退出工作状态，不能同时啮合，减少了同时啮合的齿数，这样就限制了其承载能力的提高。同时，这类齿形的两侧的运动协调也非常复杂，需要在一个齿槽中通过减小侧隙来减小减速器回差，这给制造过程带来了很大的难度，因此这种齿形很难直接用于设计制造精密的机器人减速器。但是渐开线齿形的很小的压力角和很高的传动效率对于设计高性能的机器人减速器具有强大优势，需要加以利用。摆线齿形具有高阶光滑特性，从原理上摆线和圆可以形成严格的共轭运动，所以具有很多圆形针齿的内齿轮和具有摆线结构的外齿轮具有多齿协调和同时啮合的特性，也就是说其有50％的齿同时承载传动力，另外的50％的齿防止齿轮向相反方向运动，可有效消除齿轮回差，提高传动精度，其优点是不要求在一个齿槽间将针齿和摆线齿的间隙做得很小，这种方法可以利用齿轮宏观的变形来避免局部的严重干涉，和降低减速器对结合面的杂质的敏感性。但是摆线传动也有缺点，其重要缺点有两个：一是采用圆弧齿形作为内齿轮的基本齿形时，齿形的切线一直绕中心旋转，变动范围360度，而渐开线内齿轮齿形的有效部分的切线变化很小，其法向一直与接触点的圆弧切线保持20度的压力角，有时可以设计成更小的压力角。而摆线齿轮和针轮的接触点的法线与该点的圆周切线方向的夹角接近90度，平均压力角为70度左右，二者在传递同样切向力所需要的法向力几乎差两倍，这是个巨大的差距，这也是导致转臂轴承需要提供很大的力量和容易损坏的原因之一。此外摆线减速器的针轮轮齿曲率半径太小，接触应力很大。摆线齿轮的另一个重大问题在于其输出机构，这种行星运动的输出从原理上容易想到利用十字滑块和偏心轴结构，但是采用十字滑块消除间隙复杂，且需要增加的零件数量多，增加了成本和体积。偏心轴输出的简化形式是采用悬臂的外圆和行星轮的孔啮合,这种方式实际上可以看成是行星齿轮上的一组圆形齿形(轴)和输出轴的一组具有同样数量的圆形齿形(孔)的点接触啮合过程。但是该输出机构一样存在压力角问题，一半的销轴负责输出载荷，但是其压力角分布在180度范围，通常输出轴数量为3-6个，因此其工作在教好压力角状态的销轴只有一个或不到1个，这意味着强大的输出扭矩只由极少的有限的几个输出销轴承担，因此导致这些销轴容易弯曲和破坏。采用零齿差渐开线齿轮实现输出是第三种可用方式，但是为了避免干涉需要做复杂的变位，且变位后的齿轮变得瘦小、很多齿不能同时啮合。RV传动采用曲柄结构和增加了滚动轴承以提高承载能力，但是很多载荷转移到了前一级行星齿轮传动上，导致对该齿轮的角度定位要求和承载能力的提升。如果把渐开线零齿差输出结构和圆柱销轴输出结构都看成某种零齿差传动，则可望得到新的解决方案。此外，传统的销轴结构采用分体制造和组装的方式，这样降低了机器的总体精度，提高了各零件的制造要求。

本发明结合渐开线齿轮的小压力角优势和摆线齿轮的曲线无限光滑特性优势、运动协调优势提出一种齿形上接近渐开线但具有无限光滑特性的余弦渐开线齿形，同时针对输出机构的压力角波动大问题提出零齿差拟渐开线非圆销轴输出机构提高同时输出的齿形数量和减小其压力角，第三通过对整体结构的优化和整体化设计大幅度减少零件数量。

发明内容

本发明的基本原理是充分借鉴渐开线齿形压力角小和效率高的优点和摆线齿形为周期性连续高阶光滑曲线容易实现内外齿轮协调的优点，设计一种余弦渐开线齿形，即通过对余弦曲线进行调制并将其叠加在基圆曲线上形成周期性的高阶光滑的曲线，使曲线的形状在主要区间充分接近渐开线齿形，然后按照少齿差传动的传动比关系，通过共轭运动包络出相啮合的内齿轮或外齿轮的齿形，这样就可以构造出一组内啮合少齿差减速器，称之为拟渐开线余弦齿轮传动或简趁称余弦渐开线传动。该传动方式可以用于制造单级的余弦渐开线减速器，也可以与一级行星减速器串联成行星少齿差减速器，其中余弦渐开线少齿差减速器作为低速输出级，行星传动作为其高速级，也可以采用多级余弦渐开线减速器构成大减速比的减速器。需要说明的是，在确定一对齿轮的齿形时，先按照上述余弦减开线确定主动齿轮还是先确定从动齿轮的齿形并无特别限制，原则上可以先确定其中的任意一个齿轮的齿形，再按照传动关系包络出相啮合的另一个齿轮的齿形，也可以通过对一对齿形公共参数的优化同时获得两个齿轮的齿形。。

本发明的另一个重大措施是，针对少齿差减速器的穿杆输出机构压力角大和容易损坏的问题，提出一种形状接近渐开线的穿杆截面结构替代圆柱形穿杆截面,按照行星齿轮和输出机构之间相对角速度为零(零齿差传动)的关系利用共轭运动方程获得行星齿轮内孔(穿杆孔)的齿形，或先确定穿杆孔的形状，然后利用包络原理获得穿杆的截形。考虑到该部分的内孔曲面加工的困难，可以考虑将低速级行星从穿杆孔最大尺寸位置分成内外两部分，即从与所有穿竿孔贯穿的合适位置将齿轮分成外圈和内圈，中间通过销钉和各自边界上的半圆孔连接，这样可以使封闭的穿杆孔成为开口孔，便于采用大砂轮进行磨削加工。

见图1、图2，本发明一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置，它是由高速级太阳轮01、高速级行星轮02、行星轮轴承03、偏心轴04、行星轮垫片05、高速级内齿轮06、左端盖07、左端盖螺钉08、左端盖密封09、密封座螺钉10、密封座11、密封座垫片12、输出轴左滚动体13、低速级内齿轮14、输出轴右滚动体15、右端盖螺钉16、右端盖17、输出轴右盖18、低速级右行星轮19、输出轴穿杆组件20、输出轴端盖盖板21、低速级左行星轮22、右密封23、偏心轴右轴承滚动体24、左偏心轴承滚动体25、右偏心轴承滚动体26和偏心轴左轴承滚动体27组成，它们之间的位置连接关系是：高速级太阳轮01、安装在多个行星轮轴承03上的多个高速级行星轮02、它们安装在偏心轴04左端伸出的多个行星轮轴上,行星齿轮两端的行星轮垫片05用于减少行星齿轮端面的摩擦,上述高速级行星齿轮02、高速级太阳轮01与高速级内齿轮06组成了高速级传动，用于将从高速级太阳轮01中传入的来自电机的高速运动转换成偏心轴04的较低速旋转运动。高速级内齿轮06、左端盖07、左端盖螺钉08、输出轴右盖18、输出轴穿杆组件20、输出轴端盖盖板21组成了输出组件，其中的输出轴穿杆20上有1组穿杆，其截形曲线可根据包络理论由低速级左、右行星齿轮22、19的与穿杆啮合的穿杆孔曲线包络形成，或反之，先确定穿杆的截形曲线，然后根据零齿差传动原理由该曲线包络出穿杆孔的截形曲线。密封座螺钉10、密封座11、密封座垫片12、低速级内齿轮14、右端盖螺钉16、右端盖17等通过螺钉等连接成一体，成为整个减速器的壳体组件，它通过左端盖密封09实现与输出组件之间的密封。同时通过右密封23实现与高速输入轴之间的密封。输出轴左滚动体13、输出轴右滚动体15用于实现输出组件在壳体组件上的支撑。偏心轴右轴承滚动体24、左偏心轴承滚动体25、右偏心轴承滚动体26、偏心轴左轴承滚动体27等4组轴承分别用于实现低速级左、右行星齿轮22、19在偏心轴04上的支撑，而低速级右行星轮19、低速级左行星轮22与低速级内齿轮14与偏心轴04一起构成少齿差传动，用于将来自偏心轴04的较低转速进一步降低，构成了该传动***的低速级。所述的高速级和低速级串联构成了一个双级减速器。工作时，高速级太阳轮01在电机的驱动下高速回转，将运动传递到高速级行星齿轮02上，但行星齿轮02受到高速级内齿轮06的约束，因此，高速级行星齿轮所安装的偏心轴04将以较低的速度运动，并将运动传递到低速级的输入偏心轴04上，低速级的偏心轴04驱动低速级左、右行星轮22、19运动，但该齿轮受到低速级内齿轮14的约束因此只能做行星运动，其旋转速度远低于偏心轴的输出速度，其回转运动可通过输出组件中的穿杆截面齿形将运动输出出来，这样就可以用于实现大传动比的传动。

其中，图4中，设有一用于少齿差传动行星齿轮具有Z₂₁个外齿，Z₃个穿杆孔，该齿轮的中心为O1点，其上的x、y坐标轴如图所示，其中的外齿用于与与其相啮合的内齿轮的内齿啮合，其中的穿杆孔用于与同样数量的输出轴上的同样数量的悬臂的截面轮廓啮合。

(1)少齿差拟渐开线余弦传动的齿廓方程

设少齿差传动行星齿轮的基准圆半径为R_21.0,外齿轮上齿形曲线任一点P4的矢径为R₂₁,该齿形的采用振幅为H₂₁的余弦曲线(或余弦曲线)直接绑定到基圆上，则得到齿形方程为

R₂₁＝[R_21.0+H₂₁cos(Z₂₁·A₂₁)][cos(A₂₁),sin(A₂₁)]^T (1)

但是这样的方程与摆线一样中间平缓部分少，顶部和底部的切线方向变化太大，占用了过多的工作范围，如果通过采用余弦修正函数将曲线变形，使靠近基圆的部分得到较大的提升，靠近定部和底部的曲线变化不大，就可以将曲线的顶部和底部逐渐拉平以接近渐开线，这样接近基圆的部分就越来越接近渐开线。设计一种周期只有上述周期函数的周期的1/2的函数可以对余弦曲线的形状进行调制,在基准圆附近将曲线放大最大M_21.2倍，在齿顶附近希望放大系数变成M_21.1,在中间按照余弦规律变化。一般情况下可选择(但不限制于)M_21.2＝1,即齿顶的高度不发生变化。一种典型的余弦修正函数是

但是，这样的曲线当M_21.2不等于1时存在一个不动点，如果对不动点的角度也进行调制则可以得到更加理想的曲线形状，这样的修正函数(向径向角复合调理函数)可以表达成

式中η为对应的余弦曲线上的点的方向角，M_21.1、M_21.2、M_21.3等三个参数分别是对余弦曲线的η＝0°、η＝90°处的放大系数和η＝45°处的移动系数。

利用向径调理函数和向径向角复合调理函数可以得到两种调理后的余弦齿廓方程

R_21.1＝{R_21.0+H₂₁cos(Z₂₁·A₂₁)F_21.1(Z₂₁·A₂₁)]}[cos(A₂₁),sin(A₂₁)]^T (4)

或

R_21.2＝{R_21.0+H₂₁cos(Z₂₁·A₂₁)F_21.2(Z₂₁·A₂₁)]}[cos(A₂₁),sin(A₂₁)]^T (5)

R_21.1.R_21.2分别为采用两种不同调理函数得到的R₂₁的方程。

此外可以对公式(1)中的点进行旋转以改变齿的宽度，这样可以在基圆半径确定时改变齿数，实现小减速比传动，扩大减速器工作范围。即可将公式的单位向量中的A₂₁用A₂₁ ^*替换,即将原余弦曲线的点的向径从A₂₁在完成径向调制后进行切向调制，即旋转到A₂₁ ^*位置

因此，公式(4)(5)分别可改写为：

或

该公式的特点是利用一种变系数放大系数对齿形的不同部分进行径向和切向调制，即充分改变其形状。其实能够实现这种调制的方程有很多，理论上看，任何符合上述规律的周期性光滑曲线都具有类似功能，在该修正系数方程中引入了放大系数M_21.1、M_21.2、M_21.3、M_21.4H₂₁等5个参数进行调整，通过这些参数可以控制余弦曲线和渐开线接近的程度，当然可以引入更多参数的曲线来调制余弦曲线使之更加接近渐开线,这种利用周期性函数嵌套改变形状的方法对于齿形设计具有极大的便利性，人们因此可以消除对复杂齿形设计的恐惧，齿形优化将会迎来一个热潮。

(2)零齿差输出机构的齿廓方程

少齿差传动的输出机构目前主要有三种方式，一种的曲柄机构，其原理是行星齿轮上的每一点是绕输出轴上某一点的旋转运动，这样可以采用两个圆齿廓作为二者的输出机构，也可以采用十字滑块机构作为输出机构，此外还可以采用零齿差齿轮输出机构，它可以是渐开线齿轮。与行星齿轮少齿差传动一样，当采用渐开线作为输出机构的齿形且当齿数增加，容易发生干涉问题，此时采用椭圆曲线中的余弦部分进行调理可以解决该问题。

设该装置所采用的输出机构的穿杆的截面曲线组成的齿形阵列为输出齿轮的齿形，穿杆齿数为Z₃,低速级行星齿轮的齿数Z₂₁为Z₃的K倍，K为抽齿系数、一般为整数,只要结构容许，K最小可等于1。该部分属于零齿差传动，因此低速级行星齿轮上对应的与穿杆相啮合的穿孔齿形的数量也为Z₃,构造穿杆齿形和穿孔齿形具体步骤是

(1)设输出轴的穿杆孔截形的基本方程为椭圆，不失一般性，可只研究一个穿杆与穿孔的齿形的方程，并设其穿杆初始齿形的方程为

R₃₁＝[acos(C),bsin(C)]^T+R_31.0[1,0]^T (6)

式中C为齿形曲线上任意一点相对于椭圆曲线中心坐标系的方向角，R₃₁为齿形曲线上任意一点的对应的椭圆曲线的向径。

(2)构造一种向径调理函数

和一种向径向角复合调理函数

式中η为对应的椭圆曲线上的点的方向角，M_31.1、M_31.2、M_31.3等三个参数分别是对椭圆曲线的η＝0°、η＝90°处的放大系数和η＝45°处的移动系数。

(3)利用向径调理函数和向径向角复合调理函数可以得到4种调理后的齿廓方程

R_31.1＝[acos(C),bsin(C)F_31.1(C)]^T+R_31.0[1,0]^T (9)

或

R_31.2＝[acos(C),bsin(C)F_31.2(C)]^T+R_31.0[1,0]^T (10)

或

R_31.3＝[acos(C)F_31.1(C),bsin(C)]^T+R_31.0[1,0]^T (11)

或

R_31.4＝[acos(C)F_32.2(C),bsin(C)]^T+R_31.0[1,0]^T (12)

R_31.1.R_31.2R_31.3.R_31.4分别为采用两种不同调理函数得到的R₃₁的方程,前两个是对y坐标调理，后两个是对x坐标调理。

(4)设定一个具有一定模数m₃的渐开线齿轮作为输出轴穿杆孔的基准齿轮，其齿数为Z₃的整数倍，倍数大小可以根据结构确定。以该齿轮的齿形为基准齿形，通过改变M_31.1、M_31.2、M_31.3a或b等四个参数使齿廓方程R_31.1、R_31.2、R_31.3、R_31.4之一作为选定齿形并使之与基准齿形接近的一部分，即形成一种最佳拟合,可以选择基准齿形的渐开线的不同的区域作为拟合对象，这样可以得到不同的调理后的齿廓方程，利用这样的方法得到的齿形在给定区域与渐开线接近。

(5)利用上述拟渐开线余弦齿廓方程R_31.1、R_31.2、R_31.3、R_31.4之一以及低速级行星齿轮和输出轴之间的等角速度运动关系可以利用包络方法建立相啮合的输出轴上的穿杆的齿廓方程。如果出现干涉情况，可以对上述M_31.1、M_31.2、M_31.3a或b等四个参数进行调整获得理想的穿杆的齿廓方程。

(6)也可以先按照(1)-(4)步骤确定穿杆的齿形，然后按照包络理论求出穿杆孔的齿形。

其中，该装置的输出机构上的穿杆是直接在输出轴的一端加工出来的，这样减少零件数量和提高精度与刚度。

其中，该装置的低速级输入轴上的两个偏心轴中右侧的比左侧的小，两个少齿差行星轮从单方向安装，该输入轴的左侧能具有足够大的空间直接加工出高速级的行星齿轮的轴，这样减少零件数量和提高精度与刚度，该高速级行星轮轴的左端采用整体圆盘结构相互连接起来并利用行星轮之间的间隙与低速级输入轴的左端法兰联系起来。

其中，穿杆机构的截面形状可以通过对内啮合零齿差输出机构进行抽齿后形成内啮合或外啮合形式，因此穿杆和行星轮之间的齿形组合可以具有多种方式。输出机构为内齿轮曲线-行星轮为外齿轮曲线，输出机构为外齿轮曲线-行星轮为内齿轮曲线，输出机构为外圆柱曲线-行星轮为内圆柱曲线，输出机构为外椭圆柱曲线-行星轮为内近似椭圆柱曲线，输出机构为四段凸渐开线曲线-行星轮为包络凹曲线。

在制作输出机构时，可以取上述修正后齿廓的一部分构造真实输出机构，这样可以减小齿轮的体积。从结构上考虑，选择图7c所示结构可以充分利用行星轮的周边空间。对于需要比较对称光滑齿型的情况可以在基准圆内部和外部绑定周期和振幅相同的两条相位相差180度的曲线，两曲线分别求解各自的共轭曲线，最后通过抽齿将上下两部分衔接起来形成类似椭圆的结构。为了解决两条曲线的高阶连续问题，可以选择使余弦曲线修形后垂直于基准圆。

本发明的技术优势是利用余弦曲线的周期性和光滑性构造少齿差减速器行星齿轮的齿形的基本形状，再利用一个具有更小周期的均值不为零的余弦函数对该曲线进行调制修正，使之在主要工作区域接近渐开线，同时将这一原理应用于输出机构的齿形设计中。1)这样设计的齿形可以将摆线齿形的平均70度左右的压力角减小到20度左右，使轮齿的法向力和转臂轴承的载荷减少60％以上。2)同时通过减小输出机构的平均压力角可以进一步减少转臂轴承和输出机构的输出臂上的法向载荷，大幅度提高传动***的承载能力和传动效率，可望减小减速器直径60％以上，减小体积80％以上。同时针对渐开线齿形和摆线齿形等的局限性提出了余弦渐开线齿形，这种利用多波形相乘的以周期函数为基础研究新齿形的方法具有普遍的意义，可望发展更加简单的啮合理论和优越的传动方式，避免了直接采用渐开线曲线的不光滑、不协调和易干涉问题，降低了少齿差齿形的设计难度。

附图说明

图1为减速器最佳实施例的轴截面剖面图。图中各代号的意义如下：01、高速级太阳轮 02、高速级行星轮 03、行星轮轴承 04、偏心轴 05、行星轮垫片 06、高速级内齿轮 07、左端盖 08、左端盖螺钉 09、左端盖密封 10、密封座螺钉 11、密封座 12、密封座垫片 13、输出轴左滚动体 14、低速级内齿轮 15、输出轴右滚动体 16、右端盖螺钉 17、右端盖 18、输出轴右盖 19、低速级右行星轮 20、输出轴穿杆组件 21、输出轴端盖盖板 22、低速级左行星轮 23右密封 24偏心轴右轴承滚动体 25左偏心轴承滚动体 26右偏心轴承滚动体 27偏心轴左轴承滚动体.

图2为减速器最佳实施例的余弦渐开线齿轮传动部位的剖面图。

图3为减速器最佳实施例的左视图(拆除左端盖后)。

图4为余弦渐开线齿轮行星轮的齿形曲线.图中R_21.0、R₂₁、A₂₁分别行星齿轮外部齿形的基础圆半径，任意点的向径和方向角，W13-W15-W16-W11-W14-W12曲线为第1外齿齿形曲线，它是利用对应的余弦曲线齿形通过乘以一个修正系数函数获得的。

图5为余弦渐开线齿轮行星轮的输出机构穿杆和穿杆孔的齿形曲线,该齿形是用于实现等速比输出的，因此，与之啮合的齿形的齿数与其相同，所以齿形可以为封闭曲线结构，其数量为Z₃个(图中为10个)，各曲线之间可以不连通。图中R_n为齿形曲线上任意一点的对应的椭圆曲线的向径,R_n.0为椭圆中心的向径。N10为第一内齿曲线的中心，N11为该曲线上的任意点。该点与N10的连线与X轴的方向角为C^*。

图6为行星轮输出机构内齿形的形成原理图。图中虚线为椭圆，其特定形状为圆，其Xn,Yn方向的半轴长度分别为a和b,其上一点的矢径为OnQ2,其方向角为C,该点的Yn分量乘以修正函数F(c)后得到的向径为OnQ1，该点的方向角为C^*.通过对椭圆进行修正得到的拟渐开线具有与四段渐开线连接在一起的结构具有相似的形状，通过调整中的变量可以控制其拟合的精确程度。当然我们也可以控制一个由更高阶曲线相加或相乘得到的曲线来逼近渐开线，此时可以通过多阶因子的进入来改变曲线的细致形状，使之更加贴近渐开线。在采用本发明提供的具体方程时，M2是Yn方向的缩小因子，M1是左右两端的放大因子。理论上F(C)是任何满足上述周期性要求的函数。同时也可以采用左右不对称的修正函数来获得梯形、两端不对称形复杂齿廓。

图7a为圆形齿廓输出机构的齿形示意图。

图7b为椭圆形齿廓输出机构的齿形示意图。

图7c为穿杆为内渐开线齿廓输出机构的齿形示意图。

图7d穿杆为外渐开线齿廓输出机构的齿形示意图。

图7e穿杆为双外渐开线齿廓输出机构的齿形示意图。

图7f穿杆为余弦渐开线齿廓输出机构的齿形示意图。

具体实施方式

见图1—图7a-f,本发明一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置，它是由高速级太阳轮01、高速级行星轮02、行星轮轴承03、偏心轴04、行星轮垫片05、高速级内齿轮06、左端盖07、左端盖螺钉08、左端盖密封09、密封座螺钉10、密封座11、密封座垫片12、输出轴左滚动体13、低速级内齿轮14、输出轴右滚动体15、右端盖螺钉16、右端盖17、输出轴右盖18、低速级右行星轮19、输出轴穿杆组件20、输出轴端盖盖板21、低速级左行星轮22、右密封23、偏心轴右轴承滚动体24、左偏心轴承滚动体25、右偏心轴承滚动体26和偏心轴左轴承滚动体27组成，它们之间的位置连接关系是：

高速级太阳轮01、安装在多个行星轮轴承03上的多个高速级行星轮02、它们安装在偏心轴04左端伸出的多个行星轮轴上,行星齿轮两端的行星轮垫片05用于减少行星齿轮端面的摩擦,上述高速级行星齿轮02、高速级太阳轮01与高速级内齿轮06组成了高速级传动，用于将从高速级太阳轮01中传入的来自电机的高速运动转换成偏心轴04的较低速旋转运动。高速级内齿轮06、左端盖07、左端盖螺钉08、输出轴右盖18、输出轴穿杆组件20、输出轴端盖盖板21组成了输出组件，其中的输出轴穿杆20上有1组穿杆，其截形曲线可根据包络理论由低速级左、右行星齿轮(22、19)的与穿杆啮合的穿杆孔曲线包络形成，或反之，先确定穿杆的截形曲线，然后根据零齿差传动原理由该曲线包络出穿杆孔的截形曲线。密封座螺钉10、密封座11、密封座垫片12、低速级内齿轮14、右端盖螺钉16、右端盖17等通过螺钉等连接成一体，成为整个减速器的壳体组件，它通过左端盖密封09实现与输出组件之间的密封。同时通过右密封23实现与高速输入轴之间的密封。输出轴左滚动体13、输出轴右滚动体15用于实现输出组件在壳体组件上的支撑。偏心轴右轴承滚动体24、左偏心轴承滚动体25、右偏心轴承滚动体26、偏心轴左轴承滚动体27等4组轴承分别用于实现低速级左、右行星齿轮22、19在偏心轴04上的支撑，而低速级右行星轮19、低速级左行星轮22与低速级内齿轮14与偏心轴04一起构成少齿差传动，用于将来自偏心轴04的较低转速进一步降低，构成了该传动***的低速级。所述的高速级和低速级串联构成了一个双级减速器。

本发明还具有如下特点：偏心轴04采用锥形结构，这样可以减少偏心轴上零件数量；偏心轴的一端悬臂直接加工出行星齿轮轴，这样可以大幅度提高刚性。而输出组件上的10个输出杆也采用整体化设计思路，这样可以提高结构的精度和刚度。

工作时，高速级太阳轮01在电机的驱动下高速回转，将运动传递到高速级行星齿轮02上，但行星齿轮02受到高速级内齿轮06的约束，因此，高速级行星齿轮所安装的偏心轴04将以较低的速度运动，并将运动传递到低速级的输入偏心轴04上，低速级的偏心轴04驱动低速级左、右行星轮22、19运动，但该齿轮受到低速级内齿轮14的约束因此只能做行星运动，其旋转速度远低于偏心轴的输出速度，其回转运动可通过输出组件中的穿杆截面齿形将运动输出出来，这样就可以用于实现大传动比的传动。

Claims (6)

1.一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置，其特征在于：它是由高速级太阳轮(01)、高速级行星齿轮(02)、行星齿轮轴承(03)、偏心轴(04)、行星齿轮垫片(05)、高速级内齿轮(06)、左端盖(07)、左端盖螺钉(08)、左端盖密封(09)、密封座螺钉(10)、密封座(11)、密封座垫片(12)、输出轴左滚动体(13)、低速级内齿轮(14)、输出轴右滚动体(15)、右端盖螺钉(16)、右端盖(17)、输出轴右盖(18)、低速级右行星齿轮(19)、输出轴穿杆组件(20)、输出轴端盖盖板(21)、低速级左行星齿轮(22)、右密封(23)、偏心轴右轴承滚动体(24)、左偏心轴承滚动体(25)、右偏心轴承滚动体(26)和偏心轴左轴承滚动体(27)组成，高速级太阳轮(01)与安装在多个行星齿轮轴承(03)上的多个高速级行星齿轮(02)相连接，多个行星齿轮轴承(03)安装在偏心轴(04)左端伸出的多个行星齿轮轴上,行星齿轮两端的行星齿轮垫片(05)用于减少行星齿轮端面的摩擦,上述高速级行星齿轮(02)、高速级太阳轮(01)与高速级内齿轮(06)组成了高速级传动，用于将从高速级太阳轮(01)中传入的来自电机的高速运动转换成偏心轴(04)的较低速旋转运动；高速级内齿轮(06)通过左端盖螺钉(08)与左端盖(07)和输出轴穿杆组件(20)连接，输出轴端盖盖板(21)通过与左端盖螺钉(08)相对的右端的一组螺钉与输出轴右盖(18)和输出轴穿杆组件(20)连接，以上这些部件组成了输出组件，其中输出轴穿杆组件(20)上有1组穿杆，其截形曲线根据包络理论由低速级右、左行星齿轮(19、22)的与穿杆啮合的穿杆孔曲线包络形成，或反之，先确定穿杆的截形曲线，然后根据零齿差传动原理由该曲线包络出穿杆孔的截形曲线；密封座螺钉(10)、密封座(11)、密封座垫片(12)、低速级内齿轮(14)、右端盖螺钉(16)、右端盖(17)通过螺钉连接成一体，成为整个减速器的壳体组件，它通过左端盖密封(09)实现与输出组件之间的密封；同时通过右密封(23)实现与太阳轮(01)右端之间的密封；输出轴左滚动体(13)、输出轴右滚动体(15)用于实现输出组件在壳体组件上的支撑；偏心轴右轴承滚动体(24)、左偏心轴承滚动体(25)、右偏心轴承滚动体(26)、偏心轴左轴承滚动体(27)4组轴承分别用于实现低速级左、右行星齿轮(22、19)在偏心轴(04)上的支撑，而低速级右行星齿轮(19)、低速级左行星齿轮(22)与低速级内齿轮(14)与偏心轴(04)一起构成少齿差传动，用于将来自偏心轴(04)的较低转速进一步降低，构成了可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置的低速级，所述的高速级和低速级串联构成了一个双级减速器。

2.根据权利要求1所述的一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置，其特征在于：该装置所采用的少齿差传动的齿廓是采用具有一定振幅的余弦曲线叠加在低速级左、右行星齿轮(22、19)上的一个半径为R_21.0的基础圆上，并利用齿形修正函数改变其形状，使其主要传动廓形接近渐开线齿形，然后利用该行星齿形包络出相啮合的低速级内齿轮(14)的齿形；也能先采用同样的方法确定低速级内齿轮(14)的齿形，再用包络法获得相啮合的低速级左、右行星齿轮(22、19)的齿形，并保证二者的齿数差为1或其它整数；具体方法是：

(1)设低速级行星齿轮的齿数为Z₂₁,低速级行星齿轮基础圆半径为R_21.0，在该圆上叠加周期为2π/Z₂₁、振幅为H₂₁的余弦曲线得到低速级行星齿轮基本齿形方程

R₂₁＝[R_21.0+H₂₁cos(Z₂₁·A₂₁)][cos(A₂₁),sin(A₂₁)]^T

式中A₂₁为齿形曲线上任意一点的对应的余弦曲线的方向角，R₂₁为齿形曲线上任意一点的对应的余弦曲线的向径；

(2)构造一种向径调理函数

和一种向径向角复合调理函数

式中η为对应的余弦曲线上的点的方向角，M_21.1、M_21.2、M_21.3等三个参数分别是对余弦曲线的η＝0°、η＝90°处的放大系数和η＝45°处的移动系数；

(3)利用向径调理函数和向径向角复合调理函数得到两种调理后的余弦齿廓方程

R_21.1＝{R_21.0+H₂₁cos(Z₂₁·A₂₁)F_21.1(Z₂₁·A₂₁)]}[cos(A₂₁),sin(A₂₁)]^T (a)

或

R_21.2＝{R_21.0+H₂₁cos(Z₂₁·A₂₁)F_21.2(Z₂₁·A₂₁)]}[cos(A₂₁),sin(A₂₁)]^T (b)

R_21.1.R_21.2分别为采用两种不同调理函数得到的R₂₁的方程；

此外对基本齿形R₂₁中的点进行旋转以改变齿的宽度，这样在基圆半径确定时改变齿数，实现小减速比传动，扩大减速器工作范围；即将公式的单位向量中的A₂₁用A₂₁ ^*替换,即将原余弦曲线的点的向径从A₂₁在完成径向调制后进行切向调制，即旋转到A₂₁ ^*位置

因此，公式(a)(b)分别改写为：

或

(4)设定一个具有一定模数m₂₁的渐开线齿轮作为低速级行星齿轮的基准齿轮，其齿数为Z₂₁,以该齿轮的齿形为基准齿形，通过改变M_21.1、M_21.2、M_21.3、H₂₁、M_21.45个参数使齿廓方程R_21.1或R_21.2与某给定的渐开线齿形接近，即形成一种最佳拟合；选择基准齿形的渐开线的不同的区域作为拟合对象，得到不同的调理后的余弦齿廓方程，利用这样的方法得到的齿形在给定区域与渐开线接近，因此称为拟渐开线余弦齿廓或余弦渐开线齿廓；M_21.4为放大系数；

(5)利用上述拟渐开线余弦齿廓和低速级行星齿轮和内齿轮之间的传动关系建立内齿廓的方程，如果出现干涉情况，对上述M_21.1、M_21.2、M_21.3、H₂₁、M_21.45个参数进行调整，重复上述过程即获得理想的齿廓；

(6)也能先按照(1)-(4)步骤确定内齿轮的齿形，然后按照包络理论求出低速级行星齿轮的齿形。

3.根据权利要求1所述的一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置，其特征在于：设该装置所采用的输出组件的穿杆的截面曲线组成的齿形阵列为输出齿轮的齿形，穿杆齿数为Z₃,低速级行星齿轮的齿数Z₂₁为Z₃的K倍，K为抽齿系数，为整数，只要结构容许，K最小等于1；低速级行星齿轮上对应的与穿杆相啮合的穿孔属于零齿差传动，因此低速级行星齿轮上对应的与穿杆相啮合的穿孔齿形的数量也为Z₃,构造穿杆齿形和穿孔齿形具体步骤是：

(1)设输出轴的穿杆孔截形的基本方程为椭圆，不失一般性，研究一个穿杆与穿孔的齿形的方程，并设其穿杆初始齿形的方程为

R₃₁＝[acos(C),bsin(C)]^T+R_31.0[1,0]^T

式中C为齿形曲线上任意一点相对于椭圆曲线中心坐标系的方向角，R₃₁为齿形曲线上任意一点的对应的椭圆曲线的向径；R_31.0为椭圆中心的向径；a和b是椭圆的两个半轴的长度；

(2)构造一种向径调理函数

和一种向径向角复合调理函数

式中η为对应的椭圆曲线上的点的方向角，M_31.1、M_31.2、M_31.3三个参数分别是对椭圆曲线的η＝0°、η＝90°处的放大系数和η＝45°处的移动系数；

(3)利用向径调理函数和向径向角复合调理函数得到4种调理后的齿廓方程

R_31.1＝[acos(C),bsin(C)F_31.1(C)]^T+R_31.0[1,0]^T

或

R_31.2＝[acos(C),bsin(C)F_31.2(C)]^T+R_31.0[1,0]^T

或

R_31.3＝[acos(C)F_31.1(C),bsin(C)]^T+R_31.0[1,0]^T

或

R_31.4＝[acos(C)F_31.2(C),bsin(C)]^T+R_31.0[1,0]^T

R_31.1.R_31.2R_31.3.R_31.4分别为采用两种不同调理函数得到的R₃₁的方程,前两个是对y坐标调理，后两个是对x坐标调理；

(4)设定一个具有一定模数m₃的渐开线齿轮作为输出轴穿杆组件孔的基准齿轮，其齿数为Z₃的整数倍，倍数大小根据结构确定；以该齿轮的齿形为基准齿形，通过改变M_31.1、M_31.2、M_31.3、a或b四个参数使齿廓方程R_31.1、R_31.2、R_31.3、R_31.4之一作为选定齿形并使之与基准齿形接近的一部分，即形成一种最佳拟合,选择基准齿形的渐开线的不同的区域作为拟合对象，得到不同的调理后的齿廓方程，利用这样的方法得到的齿形在给定区域与渐开线接近；

(5)利用上述拟渐开线余弦齿廓方程R_31.1、R_31.2、R_31.3、R_31.4之一以及低速级行星齿轮和输出轴之间的等角速度运动关系，利用包络方法建立相啮合的低速级行星齿轮上的穿杆孔的齿廓方程；如果出现干涉情况，对上述M_31.1、M_31.2、M_31.3、a或b四个参数进行调整获得理想的穿杆孔的齿廓方程；

(6)也能按照(1)-(4)步骤确定穿杆孔的齿形，然后按照包络理论求出穿杆的齿形。

4.根据权利要求1所述的一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置，其特征在于：该装置的输出轴穿杆组件(20)上的穿杆是直接在输出轴的一端加工出来的，这样减少零件数量和提高精度与刚度。

5.根据权利要求1所述的一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置，其特征在于：该装置的偏心轴上的两个偏心量中右侧的比左侧的小，低速级左、右行星齿轮(22、19)从单方向安装，该偏心轴的左侧能具有足够大的空间直接加工出高速级的行星齿轮的轴，这样减少零件数量和提高精度与刚度，该高速级的行星齿轮的轴的左端采用整体圆盘结构相互连接起来并利用行星齿轮之间的间隙与低速级输入轴的左端法兰联系起来。

6.根据权利要求1所述的一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置，其特征在于：穿杆的截面形状通过对内啮合零齿差进行抽齿后形成内啮合形式，因此穿杆和行星齿轮之间的齿形组合具有复数种方式：穿杆为内余弦渐开线齿轮-行星齿轮为其共轭齿形，穿杆为外余弦渐开线齿轮-行星齿轮为其共轭齿形，穿杆为外圆曲线-行星齿轮为内圆曲线，穿杆为外椭圆曲线-行星齿轮为内近似椭圆曲线，穿杆为四段凸渐开线曲线-行星齿轮为包络凹曲线。