CN108087517B - 一种细分微分差动减速器 - Google Patents

Abstract

一种细分微分差动减速器，包括机壳和安装在机壳内的微分差动减速装置，所述微分差动减速装置包括一级微分差动减速装置和二级微分差动减速装置，所述一级微分差动减速装置通过托轮架与二级微分差动减速装置传动连接，托轮架通过外轴与电机传动连接，一、二级微分差动减速装置之动轮均与主轴连接。该一种细分微分差动减速器精度高，扭转刚度大，在额定转矩下，弹性回差小，回程间隙小，传动比范围大，传动效率高,传递同样转矩与功率时的体积小，又可同时兼顾精度与输出扭矩的要求：其一、二级微分差动减速装置分别微分驱动一次，不断循环达到细分微分，达到在保持相同扭矩的前提下实现更高的输出精度。

Description

一种细分微分差动减速器

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，涉及一种减速器，特别是一种细分微分差动减速器。

背景技术

随着社会和科学技术的发展，人力成本日益上升，机器人的需求越来越大，减速器是机器人的核心部件，其运动间隙对机器人整体性能影响极大，目前机器人所使用的减速器存在如下问题：

1. 较高端的机器人（如工业机器人）广泛使用RV减速器和谐波减速器，此类减速器技术复杂，对材料、机加工和热处理等加工工艺要求苛刻，价格高昂，很难向民用推广；

2．较低端的机器人（如玩具机器人等）使用的行星减速器精度差、间隙回差大，不能满足民用机器人的要求。

将传动微分量子化，即将传动过程微分化切割，再一份份输出，可以减小乃至于消除传动过程中的运动间隙，其原理如附图16～图18，上下两层为带孔圆盘，实线孔为定盘22，虚线孔为动盘21，各孔的数量按设计精度要求可变动，数量差恒定，例如定盘和动盘分别为24孔和25孔，销塞每***一次动轮移动0.6度，插满一圈（24次）后，动轮移动一个孔的距离（B=14.4度）；由于销塞减速器采取拔插销塞运动达到减速，效率较低，不能满足高速的场合。

申请号为CN2017208877684的实用新型专利《一种微分差动减速器》，采用微分差动运动代替拔插运动，较好的解决了已有技术所存在的“精度差、间隙回差大”的问题，其原理如附图19～图20：图19为主视图，图20为立体效果图，（实线齿轮为定轮，虚线齿轮为动轮，中间的小齿轮为差动轮）。

从图19中可知，工作电机通过输入轴带动太阳轮39转动，太阳轮39带动行星轮37转动，行星轮在自转的同时绕着定轮36齿环的轮齿公转，并通过差动轮架34带动差动轮35在自转的同时绕着定轮32齿环的轮齿公转，差动轮35带动动轮32转动，由于动轮32和输出轴31固定连接，从而使输出轴31转动。

然而进一步研究发现，虽然微分差动减速器相对于销塞减速器能用于高速，但不能用于大功率（不能输出大扭矩），微分差动减速器难于同时兼顾精度与输出扭矩，即精度要求越高，所能输出的扭矩越小，即微分差动减速器设计精度越高，齿形（或模数）越小，能输出的扭矩更小，使得其应用范围受到极大限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种新型细分微分差动减速器，以克服已有技术所存在的上述不足。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种细分微分差动减速器，包括机壳、电机和安装在机壳内的微分差动减速装置；所述微分差动减速装置包括一级微分差动减速装置和二级微分差动减速装置，所述一级微分差动减速装置安装在机壳的上层，所述二级微分差动减速装置安装在机壳的下层，一级微分差动减速装置通过托架轮与二级微分差动减速装置传动连接；

所述一级微分差动减速装置包括上定轮、上动轮和至少2个上差分轮，所述上定轮和上动轮为分度圆直径相同、轮齿朝向轴心的齿环，上定轮的轮齿与上动轮的轮齿的齿形相同或相似而齿数不同，上定轮与上动轮相邻同轴安装，上动轮位于上定轮上部，上定轮外周通过螺钉与机壳固定连接，上动轮通过动轮架安装在主轴上，所述托架轮通过轴承安装在上定轮下部的主轴上，所述上差分轮通过轴承安装在托架轮上部的上托架轴上，初始状态时上差分轮至少有一个轮齿同时与上定轮和上动轮之齿环的轮齿相啮合；

所述托架轮与安装在机壳一侧的上外轴齿轮传动连接，所述上外轴齿轮与机壳一侧的外轴连接，外轴下端连接下外轴齿轮，下外轴齿轮与位于机壳下部的电机的电机齿轮传动连接；电机启动时通过下外轴齿轮带动外轴转动，外轴通过上外轴齿轮带动托架轮转动，托架轮上部的上差分轮同时绕上托架轴自转并绕主轴公转，从而通过上动轮带动主轴转动；

所述二级微分差动减速装置安装在托架轮下部，包括下定轮、下动轮和至少2个下差分轮，所述下定轮和下动轮为分度圆直径相同、轮齿朝向轴心的齿环，下定轮的轮齿与下动轮的轮齿的齿形相同或相似，下定轮与下动轮相邻同轴安装，下动轮位于下定轮下部，下定轮外周通过螺钉与机壳固定连接，下动轮通过动轮架安装在主轴 上，所述下差分轮通过轴承安装在托架轮下部的下托架轴上，初始状态时下差分轮至少有一个轮齿同时与下定轮和下动轮之齿环的轮齿相啮合；

电机启动时通过下外轴齿轮带动外轴转动，外轴通过上外轴齿轮带动托架轮转动，托架轮下部的下差分轮同时绕下托架轴自转并绕主轴公转，从而通过下动轮带动主轴转动；

所述下定轮与上定轮的齿数相同，所述下动轮与上动轮的齿数相同，下动轮和上动轮的齿数分别大于下定轮与上定轮的齿数，即上定轮或下定轮的齿距弧度B2与上动轮或下动轮的齿距弧度B1的差为小于1的常数B，即B＝B2－B1＜1；

所述上定轮或下定轮的齿距弧度B2是指上定轮或下定轮相邻之两轮齿与齿环中心形成的夹角，上动轮或下动轮的齿距弧度B1是指上动轮或下动轮相邻之两轮齿与齿环中心形成的夹角，单位为度；

所述上定轮与下定轮安装的相位不同，其相位差为1/2B，所述上差分轮与下差分轮均匀分布。

其进一步的技术方案是：所述托架轮下部的下托架轴与上部的上托架轴交错布置，当上、下差分轮为2个时，上、下托架轴的布置方向相互垂直。

所述上定轮、上动轮、下定轮和下动轮的轮齿的齿形相同或相似，其形状或为圆弧形、或为多边形、或为渐开线、摆线或双曲线形。

由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明之一种细分微分差动减速器既具备《一种微分差动减速器》所具备的下述有益效果：

1．精度高，扭转刚度大，在额定转矩下，间隙回差小，其驱动为分段驱动，回程间隙（回差）小；

2．传动比范围大，通过调节差动间距或减小太阳轮的齿数，可以实现更大的减速比；

3．传动效率高,传递同样转矩与功率时的体积小；

4．同时又具有输出扭矩大的特点，可同时兼顾精度与输出扭矩的要求：一、二级微分差动减速装置分别微分驱动一次，不断循环达到细分微分，达到在保持相同扭矩的前提下实现更高的输出精度；

如本实例为二倍细分微分差动减速器，定轮为24齿（B2为15度），动轮为25齿（B1为14.4度），微分系数为0.6度（B＝B2－B1=0.6度），即每差分一次产生旋转0.6度，定轮在中间，上部和下部都是动轮，齿型一样，上、下定轮固定于外壁，上、下动轮都固定于主轴，都能做功，但初相位不同（相差1/2B、偏移微分系数的一半，本实例为0.3度），当上部或下部不进行差分的时候，传动齿轮处于间隙活动状态的，当上部开始差分到0.3度时，下部开始差分；当下部开始差分到0.6度时，上部又开始差分，这样交替进行，达到细分的目的，从而实现了精度为0.3度的输出，即将回程差限制在0.3度。

下面，结合附图和实施例对本发明之一种细分微分差动减速器的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1～图2为本发明之一种细分微分差动减速器的结构示意图：

图1为主视图，图2为图1之A-A剖视图；

图3～图8为本发明之一种细分微分差动减速器之传动机构结构示意图：

图3为图4 之仰视图，图4为主视图，图5为图4 之俯视图，图6为向上立体效果图，图7为剖视图，图8为向下立体效果图；

图9～图10为托架轮与上、下差分轮连接结构示意图：

图9为主视图，图10为俯视图；

图11～图15为托架轮与上、下差分轮及上外轴齿轮连接结构示意图：

图11为剖视图，图12为图13 之仰视图，图13为主视图，图14为图13之俯视图，图15为立体效果图；

图16～图18为销塞减速器结构示意图：

图16为主视图，图17为图16之左视图，图18为定盘之齿距弧度示意图；

图19～图20为一种微分差动减速器结构示意图：

图19为主视图，图20为立体效果图。

图1～图15中

1—电机，2—下外轴齿轮，3—电机齿轮，4—外轴，5—上外轴齿轮，6—托架轮，7—上托架轴，8—上定轮，9—轴承，10—上差分轮，11—上动轮，12—主轴，13—机壳，14—螺钉，15—下差分轮，16—下定轮，17—下动轮，18—下托架轴；

图16～图18中；

21—动盘，22—定盘，23—销塞，24—转轴，25—轴承；

图19～图20中：

30—电机输入轴孔，31—输出轴，32—动轮，33—差动轮轴，34—差动轮架，35—差动轮，36—定轮，37—行星轮，38—行星轮轴，39—太阳轮。

具体实施方式

实施例一

一种细分微分差动减速器，包括机壳13、电机1和安装在机壳内的微分差动减速装置；所述微分差动减速装置包括一级微分差动减速装置和二级微分差动减速装置，所述一级微分差动减速装置安装在机壳的上层，所述二级微分差动减速装置安装在机壳的下层，一级微分差动减速装置通过托架轮6与二级微分差动减速装置传动连接；

所述一级微分差动减速装置包括上定轮8、上动轮11和至少2个上差分轮10，所述上定轮8和上动轮11为分度圆直径相同、轮齿朝向轴心的齿环，上定轮的轮齿与上动轮的轮齿的齿形相同或相似而齿数不同，上定轮8与上动轮11相邻同轴安装，上动轮位于上定轮上部，上定轮外周通过螺钉与机壳13固定连接，上动轮通过动轮架安装在主轴12 上，所述托架轮6通过轴承安装在上定轮8下部的主轴上，所述上差分轮通过轴承9匀称安装在托架轮6上部的上托架轴7上，初始状态时上差分轮10至少有一个轮齿同时与上定轮8和上动轮11之齿环的轮齿相啮合；

所述托架轮6与安装在机壳一侧的上外轴齿轮5传动连接，所述上外轴齿轮5与机壳一侧的外轴4连接，外轴4下端连接下外轴齿轮2，下外轴齿轮2与位于机壳下部的电机1的电机齿轮3传动连接；电机启动时通过下外轴齿轮2带动外轴4转动，外轴4通过上外轴齿轮5带动托架轮6转动，托架轮6上部的上差分轮同时绕上托架轴7自转并绕主轴公转，从而通过上动轮11带动主轴12转动；

所述二级微分差动减速装置安装在托架轮6下部，包括下定轮16、下动轮17和至少2个下差分轮15，所述下定轮和下动轮为分度圆直径相同、轮齿朝向轴心的齿环，下定轮的轮齿与下动轮的轮齿的齿形相同或相似而齿数不同，下定轮与下动轮相邻同轴安装，下动轮位于下定轮下部，下定轮外周通过螺钉与机壳13固定连接，下动轮通过动轮架安装在主轴12 上，所述下差分轮通过轴承匀称安装在托架轮6下部的下托架轴18上，初始状态时下差分轮15至少有一个轮齿同时与下定轮和下动轮之齿环的轮齿相啮合；

电机启动时通过下外轴齿轮2带动外轴4转动，外轴4通过上外轴齿轮5带动托架轮6转动，托架轮6下部的下差分轮同时绕下托架轴18自转并绕主轴公转，从而通过下动轮17带动主轴转动；

所述下定轮16与上定轮8的齿数相同，所述下动轮17与上动轮11的齿数相同，上动轮11的齿数大于上定轮8的齿数，下动轮17的齿数大于下定轮16的齿数，即上定轮或下定轮的齿距弧度B2与上动轮或下动轮的齿距弧度B1的差为小于1的常数B，即B＝B2－B1＜1；

所述上定轮或下定轮的齿距弧度B2是指上定轮或下定轮相邻之两轮齿与齿环中心形成的夹角，上动轮或下动轮的齿距弧度B1是指上动轮或下动轮相邻之两轮齿与齿环中心形成的夹角，单位为度；

本实施例中，常数B的取值为0.6，上动轮和下动轮的齿数为25，齿距弧度B1为1.44，上定轮和下定轮的齿数为24，齿距弧度B2为1.5，上定轮的齿距弧度B2与上动轮的齿距弧度B1的差B=1.5-1.44=0.6；上、下差分轮安装的相位错开1/2B,即0.3度；所述上定轮8与下定轮16安装的相位不同，其相位差为1/2B，上差分轮10与下差分轮15均匀分布。

所述托架轮6下部的2个下托架轴与上部的2个上托架轴7交错布置，上、下托架轴的布置方向相互垂直（如上托架轴横向布置，则下托架轴纵向布置，因而上差分轮与下差分轮的布置相互垂直）。

所述上定轮、上动轮、下定轮和下动轮的轮齿的齿形相同或相似，其形状或为圆弧形、或为多边形、或为渐开线、摆线或双曲线形。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的具体实施只局限于此，对于本发明所属技术领域，在不脱离本发明构思的前提下，做出简单推演或替换，上述机构都应当视为本发明的保护范围。

作为上述实施例的变换：

1．常数B影响每次差动微分的精度，精度越大则越平滑，所述常数B的取值可根据实际需要而定，一般B的取值为0.6、0.5、0.4、0.3、0.25、0.2或0.15等，数值越小、差动间距越小其分辨率（精度）越高；本图所示为2倍细分，若有需要时可实现3倍、4倍、5倍、6倍等的细分，细分倍数越大精度越高但体积越大；

2．本实施例的上、下差分轮设置各两个，差分轮的数目受常数B影响，在允许的情况下设置多个差分轮可使输出更加平稳。

工作原理

电机1上的电机齿轮3带动下外轴齿轮2，再带动外轴4及上外轴齿轮5，将动力传动给托架轮6，带动固定于其上的上、下托架轴7旋转，托架轴7上端装有轴承9，上、下差分轮安装在轴承9上，上差分轮10在转动的时候，通过上定轮8差分驱动上动轮11，上动轮11连接在主轴12上，上动轮转动时将使主轴12转动，上定轮8与外壳13通过螺钉14固定。下差分轮15和上差分轮10错开一定的角度（90度），通过差分下定轮16和下动轮17，依然将动力输送到主轴12上；

上部微分驱动一次，下部再微分驱动一次，然后再上部微分驱动，不断循环达到细分微分的目的，例如单级微分减速器的微分精度是0.2度，而上下部分互相交错***，则实现了总体输出0.1度的细分，也即输出轴实现了0.1度的输出，因此在保持相同扭矩的前提下实现了更高的输出精度。

如本实施例为二倍细分微分差动减速器，上、下定轮为24齿（B2为15度），上、下动轮为25齿（B1为14.4度），微分系数为0.6度（B＝B2－B1=0.6度），即每差分一次产生旋转0.6度，上、下定轮位于上、下动轮之间，上、下定轮固定于外壁，上、下定轮齿型相同但初相位不同（相差B/2、偏移微分系数的一半，本实例为0.3度）；

上、下动轮都固定于主轴，都能做功，当上部或下部不进行差分的时候，传动齿轮处于间隙活动状态的，当上部开始差分到0.3度时，下部开始差分；当下部开始差分到0.6度时，上部又开始差分，这样交替进行，达到细分的目的，从而实现了精度为0.3度的输出，可将回差间隙控制在0.3度内。

（其原理如同多气缸的发动机一样，多缸都固定连接主曲轴上，但是由于初相位不同，有的缸吸气，有的缸排气，有的缸做功，从而使发动机输出更均匀）。

Claims (3)

1.一种细分微分差动减速器，包括机壳（13）、电机（1）和安装在机壳内的微分差动减速装置；其特征在于：所述微分差动减速装置包括一级微分差动减速装置和二级微分差动减速装置，所述一级微分差动减速装置安装在机壳的上层，所述二级微分差动减速装置安装在机壳的下层，一级微分差动减速装置通过托架轮（6）与二级微分差动减速装置传动连接；

所述一级微分差动减速装置包括上定轮（8）、上动轮（11）和至少2个上差分轮（10），所述上定轮（8）和上动轮（11）为分度圆直径相同、轮齿朝向轴心的齿环，上定轮的轮齿与上动轮的轮齿的齿形相同或相似而齿数不同，上定轮（8）与上动轮（11）相邻同轴安装，上动轮位于上定轮上部，上定轮外周通过螺钉与机壳（13）固定连接，上动轮通过动轮架安装在主轴（12）上，所述托架轮（6）通过轴承安装在上定轮（8）下部的主轴上，所述上差分轮通过轴承（9）安装在托架轮（6）上部的上托架轴（7）上，初始状态时上差分轮（10）至少有一个轮齿同时与上定轮（8）和上动轮（11）之齿环的轮齿相啮合；

所述托架轮（6）与安装在机壳一侧的上外轴齿轮（5）传动连接，所述上外轴齿轮与机壳一侧的外轴（4）连接，外轴下端连接下外轴齿轮（2），下外轴齿轮与位于机壳下部的电机（1）的电机齿轮（3）传动连接；电机启动时通过下外轴齿轮带动外轴（4）转动，外轴通过上外轴齿轮（5）带动托架轮（6）转动，托架轮（6）上部的上差分轮同时绕上托架轴（7）自转并绕主轴公转，从而通过上动轮（11）带动主轴（12）转动；

所述二级微分差动减速装置安装在托架轮（6）下部，包括下定轮（16）、下动轮（17）和至少2个下差分轮（15），所述下定轮和下动轮为分度圆直径相同、轮齿朝向轴心的齿环，下定轮的轮齿与下动轮的轮齿的齿形相同或相似而齿数不同，下定轮与下动轮相邻同轴安装，下动轮位于下定轮下部，下定轮外周通过螺钉与机壳（13）固定连接，下动轮通过动轮架安装在主轴（12）上，所述下差分轮通过轴承安装在托架轮（6）下部的下托架轴（18）上，初始状态时下差分轮（15）至少有一个轮齿同时与下定轮和下动轮之齿环的轮齿相啮合；

电机启动时通过下外轴齿轮（2）带动外轴（4）转动，外轴通过上外轴齿轮（5）带动托架轮（6）转动，托架轮（6）下部的下差分轮同时绕下托架轴（18）自转并绕主轴公转，从而通过下动轮（17）带动主轴转动；

所述下定轮（16）与上定轮（8）的齿数相同，所述下动轮（17）与上动轮（11）的齿数相同，上动轮（11）和下动轮（17）的齿数分别大于上定轮（8）和下动轮（17）的齿数，即上定轮或下定轮的齿距弧度B2与上动轮或下动轮的齿距弧度B1的差为小于1的常数B，即B＝B2－B1＜1；

所述上定轮或下定轮的齿距弧度B2是指上定轮或下定轮相邻之两轮齿与齿环中心形成的夹角，上动轮或下动轮的齿距弧度B1是指上动轮或下动轮相邻之两轮齿与齿环中心形成的夹角，单位为度；

所述上定轮（8）与下定轮（16）安装的相位不同，其相位差为1/2B，所述上差分轮（10）与下差分轮（15）均匀分布。

2.根据权利要求1所述的一种细分微分差动减速器，其特征在于：所述托架轮（6）下部的下托架轴与上部的上托架轴（7）交错布置，当上、下差分轮各为2个时，上、下托架轴的布置方向相互垂直。

3.根据权利要求2所述的一种细分微分差动减速器，其特征在于：所述上定轮、上动轮、下定轮和下动轮的轮齿的齿形相同或相似，其形状或为圆弧形、或为多边形、或为渐开线、摆线或双曲线形。

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