CN105020347B - 一种偏心摆动型行星齿轮装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种偏心摆动型行星齿轮装置，其包括圆弧齿形的内齿齿轮，齿数比内齿齿轮少的、有外旋轮线齿形的外齿齿轮，支持外齿齿轮摆动转动的偏心曲轴，使外齿齿轮在内齿齿轮内公转，外齿齿轮的齿顶及齿底上，在根据外旋轮线理论轨迹获得的理论齿形的先端到两侧90度到60度的范围内，修整齿轮的齿形，使得齿底和齿顶的齿轮面处于外旋轮线理论轨迹获得的理论齿形的内侧。本发明可以大幅度地缩短设计期间、劳力、制作试样的费用及评估时间，很大程度扩展了外旋轮线齿形减速机构的使用范围。

Description

一种偏心摆动型行星齿轮装置
技术领域
本发明涉及一种偏心摆动型行星齿轮装置，在与内齿齿轮啮合的外齿齿轮通过偏心曲轴进行偏心摆动转动的偏心摆动型行星齿轮装置中，与决定其外齿齿轮的齿形形状相关的技术。
背景技术
目前，偏心摆动型行星齿轮装置因其接触及啮合的齿数多，刚性高，作为减速机多数被使用在关节机器人的关节机构，加工设备的旋转驱动机构、加工配件的定位机构等处。
此类偏心摆动型行星齿轮装置多数将内齿齿轮做成圆弧状，外齿齿轮的外齿形状做成符合外旋轮线曲线的形状。
外旋轮线曲线的定点P的轨迹计算式：
其中，rc：基础圆半径；rm：滚动圆半径；rd：偏心距离；θ：回转角。
此类偏心摆动型行星齿轮装置的减速部的外齿齿轮维持偏心曲轴所定的偏心量公转，通过与内齿齿轮啮合并同时公转，与外齿齿轮和内齿齿轮的齿数相对应，内齿齿轮及外齿齿轮中的可动侧相对于固定侧能低速转动。
现有技术的缺陷包括：
在此类偏心摆动型行星齿轮装置中，根据理论计算设计外齿齿轮的齿形形状得到的外旋轮线形状时，外齿齿轮的外齿齿底及齿顶附近的啮合压力角最大将达到90°，外齿齿轮面受到的压力变大，内齿齿轮和外齿齿轮的摩擦也相应增大，导致传动效率降低、发热、齿轮表面破损、产生噪音等问题。
另外，由于偏心摆动型行星齿轮装置中，多数的齿同时啮合，齿形的加工需要达到很高的尺寸精度，很小的尺寸偏差都将导致齿轮组装困难，并且成为剧烈摩擦及产生噪音的原因。
此外，严格控制减小齿轮侧隙会使得啮合变得很紧，不仅容易引起扭距的波动及振动，还会引起空载时驱动扭距增大及传动效率降低等问题。
为避免此类问题的发生，需要对齿轮进行相应地修整，但为了使内齿齿轮的生产及组装变得容易，一般采用圆弧形状的销或圆弧形状的内齿齿轮，导致内齿齿轮的形状固定，只能对外齿齿轮的形状进行修整。
但由于齿轮的啮合率高，外齿齿轮的形状复杂，计算决定啮合位置的变更、压力角的较高部分、发生赫兹应力的齿轮面的压力大小等，都需要基于复杂的计算和丰富的经验及验证基础上进行。
发明内容
本发明提出了一种偏心摆动型行星齿轮装置，其包括圆弧齿形的内齿齿轮，齿数比内齿齿轮少的、有外旋轮线齿形的外齿齿轮，支持外齿齿轮摆动转动并使其在内齿齿轮内公转的偏心曲轴，外齿齿轮的齿顶及齿底上，在根据外旋轮线理论轨迹获得的理论齿形的先端到两侧90度到60度的范围内，修整齿轮的齿形，使得齿底和齿顶的齿轮面处于外旋轮线理论轨迹获得的理论齿形的内侧。
本发明提出的偏心摆动型行星齿轮装置，外齿齿轮的齿形是通过设定形成该齿形的外旋轮线齿形的滚动圆中心到定点的距离与滚动圆半径之间的系数，并将所述系数设定在一定范围内得到。
本发明中，具有圆弧齿形的内齿齿轮及比内齿齿轮的齿数少且有外旋轮线齿形的外齿齿轮，并具有为使外齿齿轮能在内齿齿轮内公转而设的支持外齿齿轮回转的偏心曲轴的偏心摆动型行星齿轮装置中，在外齿齿轮的齿底和齿顶上，从外旋轮线的轨迹理论齿形的先端到两侧90度～60度的范围内，通过修整使得齿轮面处于内侧。
本发明中，设定前述成为外齿齿轮的齿形的外旋轮线齿形的滚动圆中心到定点为止的距离(以下称为偏心距离)与滚动圆半径相关的系数，并通过将前述系数设定在一定范围内，以决定外齿齿轮的齿形。
如图2所示，本发明中，在齿顶修整范围α1和齿底修整范围α2中，只将齿顶修整量t1及齿底修整量t2相对理论齿顶形状S1、理论齿底形状S2向内侧修整成修整齿顶形状K1、修整齿底形状K2。
此齿顶修整范围α1、齿底修整范围α2设为90°～60°，齿顶修整量t1、齿底修整量t2设为0.01～0.02mm。
如果将齿顶修整范围α1、齿底修整范围α2和齿顶修整量t1、齿底修整量t2设为比上述小的范围，其修整的绝对量变小，且由于高压力角的范围仍存在，降低了修整的效果。
相反，如果增大此修整范围，会使理论齿形的范围变窄，传动效率下降。
通过此修整，即使在要求有较高的齿形啮合率的情况下，也可以避开在高压力角下的啮合范围，在不降低效率的同时，能够得到合适的传动效果。
目前，即使能够设定压力角，也需要通过沿着外齿齿轮的形状在各点计算或模拟，以将其反应到形状上，而本发明通过形状的范围表示了有修整效果的范围。
另外，为了良好平衡外齿齿轮a11和内齿齿轮12的啮合范围，将偏心量rd设为2倍，并将此值除以滚动圆半径rm的值作为摆线系数Tf。
摆线系数Tf的计算式：
其中，Tf：摆线系数，rm：滚动圆半径；rd：偏心距离。
本发明中，通过将上述摆线系数Tf设定在0.7～0.9之间，可以容易地设定合适的外齿齿轮a11和内齿齿轮12的啮合范围，确保了传动效率。
图3中，说明了将摆线系数Tf分别设为0.4(图3-1)、0.6(图3-2)、0.8(图3-3)、0.9(图3-4)时的齿形。
通过图3可知，将此系数设在0.8～0.9之间时，可以得到合适的外齿齿轮a11的形状。系数Tf偏小，其啮合率会降低，会从内齿齿轮12和外齿齿轮a11的啮合间距点处偏离，滑动速度增大，摩擦损失也随之增大，导致传动效率降低。
附图中的外齿齿轮b18也适合上述陈述。在采用多个外齿齿轮的构造中，所有的外齿齿轮都可以采用相同的修整方法以得到合适的齿形。
本发明的有益效果包括：
本发明可以极容易地设定外齿齿轮的齿底及齿顶的齿形修整范围及修整量。另外在降低外齿齿轮面压力的同时，通过用代表偏心距离和滚动圆关系的系数，来验证合适的外齿齿轮形状，使得无需通过复杂的验证就能容易得出合适的齿形，达到可以提供不会发生扭距波动及振动的偏心摆动型行星齿轮装置的目的。
通过采用本发明，在要求高啮合率的减速机构中，可以无需进行高难度的解析，很容易地设定合适的齿轮形状。其结果，可以避开在较高压力角范围内的啮合，较高压力角部分不被加压。另外，由于摆线系数容易确认，可以在适当的平衡形状下得到高效率的减速效果。
先通过理论式计算并画出外旋轮线齿形的形状，之后可以按照本发明，设定齿顶和齿底的修整范围和修整量，并向内侧进行相应地修整，无需在齿轮的各啮合位置分别计算出压力角，或通过加工精度算出公差的最大值和最小值，反复进行齿形修整。
另外，通过设定简单的系数，很容易验证设计后的齿轮的啮合状态，无需通过反复制作各种修整试样来验证效率和动作状况。
此外，可以有效防止齿轮面所受压力及摩擦损失增大导致的效率降低，还可以防止齿轮侧隙的发生。
与目前只能通过复杂的计算和经验，以及反复制作试样才能决定合适的齿形形状相比，采用本发明可以大幅度地缩短设计的期间、劳力、制作试样的费用及评估时间，很大程度扩展了外旋轮线齿形减速机构的使用范围。
附图说明
图1为外旋轮线形成的示意图。
图2为本发明中齿顶及齿底修整的示意图。
图3为本发明摆线系数Tf不同时的齿形示意图。
图4为应用了本发明的减速机的剖面图。
图5为应用了本发明的减速机中外齿齿轮和内齿齿轮配合的示意图。
图6为应用了本发明的减速机中外齿齿轮修整的示意图。
具体实施方式
图1至图6中，rm-滚动圆半径，rc-基础圆半径，rd-偏心距离，p-定点，α1-齿顶修整范围，α2-齿底修整范围，t1-齿顶修整量，t2-齿底修整量，S1-理论齿顶形状，K1-修整齿顶形状，S2-理论齿底形状，K2-修整齿底形状。
图1至图6中，1-输入轴，2-偏心曲轴，3-太阳齿轮，4-传达齿轮，5-输入侧支持体，6-输出侧支持体，7-支柱，8-螺栓，9-外壳，10-轴承，11-外齿齿轮a，12-内齿齿轮，13-槽a，14-槽b，15-轴承外圈，16-轴承内圈，17-轴承b，18-外齿齿轮b，19-销(内齿)。
如图2所示，本发明中，在齿顶修整范围α1和齿底修整范围α2中，只将齿顶修整量t1及齿底修整量t2相对理论齿顶形状S1、理论齿底形状S2向内侧修整成修整齿顶形状K1、修整齿底形状K2。
此齿顶修整范围α1、齿底修整范围α2设为90°～60°，齿顶修整量t1、齿底修整量t2设为0.01～0.02mm。
如果将齿顶修整范围α1、齿底修整范围α2和齿顶修整量t1、齿底修整量t2设为比上述小的范围，其修整的绝对量变小，且由于高压力角的范围仍存在，降低了修整的效果。
相反，如果增大此修整范围，会使理论齿形的范围变窄，传动效率下降。
通过此修整，即使在要求有较高的齿形啮合率的情况下，也可以避开在高压力角下的啮合范围，在不降低效率的情况下，能够得到合适的传动效果。
目前，即使能够设定压力角，也需要通过沿着外齿齿轮的形状在各点计算或模拟，以将其反应到形状上，而本发明通过形状的范围表示了有修整效果的范围。
另外，为了良好平衡外齿齿轮a11和内齿齿轮12的啮合范围，将偏心量rd设为2倍，并将此值除以滚动圆半径rm的值作为摆线系数Tf。
摆线系数Tf的计算式：
其中，Tf：摆线系数，rm：滚动圆半径；rd：偏心距离。
本发明中，通过将上述摆线系数Tf设定在0.7～0.9之间，可以容易地设定合适的外齿齿轮a11和内齿齿轮12的啮合范围，确保了传动效率。
图3中，说明了将摆线系数Tf分别设为0.4(图3-1)、0.6(图3-2)、0.8(图3-3)、0.9(图3-4)时的齿形。
通过图3-1～3-4可知，将此系数设在0.8～0.9之间时，可以得到合适的外齿齿轮a11的形状。系数Tf偏小，其啮合率会降低，滑动速度增大，摩擦损失也随之增大，导致传动效率降低。
如图5所示，本发明提出了一种偏心摆动型行星齿轮装置，其包括有圆弧齿形的内齿齿轮12，比内齿齿轮的齿数少的、有外旋轮线齿形的外齿齿轮a11，支持外齿齿轮a11摆动转动并使其在内齿齿轮12内公转的偏心曲轴2，外齿齿轮a11的齿顶及齿底上，在根据外旋轮线理论轨迹获得的理论齿形的先端到两侧90度～60度范围内，修整齿轮的齿形，使得齿底和齿顶的齿轮面处于外旋轮线理论轨迹获得的理论齿形的内侧。
本发明提出的偏心摆动型行星齿轮装置，外齿齿轮的齿形是通过设定形成该齿形的外旋轮线齿形的滚动圆中心到定点的距离与滚动圆半径之间的系数，并将所述系数设定在一定范围内得到。在采用多个外齿齿轮的齿轮装置中，所有的外齿齿轮都可以采用相同的修整方法。
本发明中，图4为应用了本发明的减速机，图5为外齿齿轮和内齿齿轮配合图，图6为外齿齿轮修整图。
输入轴1转动时，输入轴1上根据齿形形状设的太阳齿轮3通过与传动齿轮4啮合，带动三根偏心曲轴2同时减速转动。其结果，与每根偏心曲轴2安装成一体的轴承b17也同时转动，外齿齿轮a11和外齿齿轮b18与内齿齿轮12边内接，边分别维持120度的位相差摆动转动。因内齿齿轮12与外壳9被固定成一体的状态，当偏心曲轴2转动时，外齿齿轮a11和外齿齿轮b18也摆动转动，使得与作为内齿齿轮12的内齿的销19的啮合位置顺次移动。
此时，外齿齿轮a11、外齿齿轮b18的齿数比内齿齿轮12的齿数稍微少些，通过此啮合位置的移动，相对于固定状态的内齿齿轮12，外齿齿轮a11、外齿齿轮b18发生与齿数相当程度的位相偏移。因此，偏心曲轴2在与其自转速度差不多的情况下，围绕输入轴1周围公转，支撑偏心曲轴2的输入侧支持体5与输出侧支持体6在与公转速度相当的速度下转动。
由于输入侧支持体5和输出侧支持体6通过螺栓8连接，使得输入侧支持体5和输出侧支持体6成为一体转动，达到驱动连接在某个支持体上的其他机械的目的。
另外，太阳齿轮3可以直接在输入轴1上设齿形形状，也可以在与输入轴1形成一体的其他齿轮上设相应齿形形状。
图5为外齿齿轮a11和内齿齿轮12的配合状态，图6为外齿齿轮的修整状态说明。
外齿齿轮a11形状例如图6所示，将齿顶修整范围α1和齿底修整范围α2设为65°，齿顶修整量t1和齿底修整量t2设为0.02mm，相对于理论齿形而言，向内侧进行了修整。
另外，外齿齿轮a11与内齿齿轮12的啮合范围为：将偏心量rd设为2倍后用此值除以滚动圆半径rm，以此值作为摆线系数Tf，并将此摆线系数Tf值设为0.8时的状态。

Claims (1)

1.一种偏心摆动型行星齿轮装置，其包括圆弧齿形的内齿齿轮，
齿数比所述内齿齿轮少的、有外旋轮线齿形的外齿齿轮,
支持所述外齿齿轮摆动转动,并使其能在所述内齿齿轮内公转的偏心曲轴，
其特征在于，所述外齿齿轮的齿顶和齿底上，在根据外旋轮线理论轨迹获得的理论齿形的先端到两侧90度到60度的范围内，只将齿顶修整量及齿底修整量相对理论齿顶形状、理论齿底形状向内侧修整，修整量为0.01～0.02mm，使得所述齿顶和齿底的齿轮面处于外旋轮线理论轨迹获得的理论齿形的内侧，摆线系数设定在0.7～0.9之间。
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