CN110848332A - 一种相交轴非圆面齿轮传动机构 - Google Patents

Abstract

一种相交轴非圆面齿轮传动机构，所述传动机构包括小圆柱齿轮和非圆面齿轮，所述小圆柱齿轮与非圆面齿轮的回转轴线非正交，且啮合过程中，小圆柱齿轮的节圆柱与非圆面齿轮的节圆锥保持相切，切线为非圆面齿轮的节圆锥母线；所述非圆面齿轮的节曲线为缠绕在其节圆锥面上的一条曲线，所述非圆面齿轮节曲线在节圆锥底面上的投影是一条关于节圆锥轴线的非圆曲线。本发明由一对齿轮啮合构成的传动机构实现了以往相交轴传动结构非正交时至少两对齿轮才能获得的减‑变速复合传动效果，最大限度地简化传动结构、缩短传动链、减少传动零件、提高传动效率和精度，尤其适用于任意相交轴结构、有空间限制且有减‑变速复合传动要求的场合。

Description

一种相交轴非圆面齿轮传动机构

技术领域

本发明涉及传动机械领域，尤其涉及一种相交轴非圆面齿轮传动机构。

背景技术

在机械传动领域中，变速比传动占有非常大的比例。为实现特定的工艺要求，很多应用场合需要设备具有变速比传动功能。在众多变速比传动机构中，非圆齿轮副兼具凸轮和齿轮的传动特性，可实现高效率，大功率的精确传动比，在农业机械、冶金机械、印刷机械和轻工机械等领域已得到了广泛的应用。由于设备的原动机一般为电动机，转速较高，无法直接与变速传动机构连接以输出变速运动，因此实际生产中在非圆齿轮副与原动机之间安装减速机构，这样就能通过减速机构与非圆齿轮副组成串联装置来实现减速变速传动，这种串联的传动结构相对于单对齿轮副来说，增加了传动链的长度，增大了传动空间，且降低了传动效率，因此若能将减速和变速功能集中在一对齿轮副上，实现减变速一体化传动，将齿轮副的从动齿轮与主动齿轮的传动比分解为是减速比和变速比的乘积的倒数，通过对齿轮副减速比与变速比的任意组合可以实现设备对减速变速复合传动效果的要求，能彻底改变齿轮变速比传动的串联结构，简化传动装置，提升机构传动性能，但目前的非圆齿轮副都只能实现一些特定环境中的减速变速传动，无法满足实际生产的需要。

平面非圆齿轮可实现两平行回转轴之间的变角速度传动，根据平面非圆齿轮的形状可以将其分成很多种类，但实际中应用最多的是椭圆齿轮副和偏心圆齿轮副。若要通过一对平面非圆齿轮副实现减速变速一体传动，需要由一个小非圆齿轮与一个大非圆齿轮配合传动。根据非圆齿轮的共轭原理可知，小非圆齿轮的回转周期T1与大非圆齿轮的回转周期T2，必须满足T1/n1＝T2/n2，其中n1和n2分别为小非圆齿轮和大非圆齿轮节曲线的周期数，一对平面非圆齿轮副的减速效果由参数n1和n2控制，当n2和n1的差值越大时，减速效果越明显，同时n2还控制着大非圆齿轮回转一周输出角速度的周期数。若要平面非圆齿轮副实现减速效果，n2取值必须大于1，这就使得大非圆齿轮回转一周，角速度的变化周期数大于1，而且这个周期数还受减速比的限制，也就是说平面非圆齿轮一旦减速比确定，输出角速度的周期数也随之确定，这样无法实现传统串联机构中减速比和输出角速度周期数可任意组合的减变速传动效果，平面非圆齿轮副的只能实现某些特定的减变速传动效果。

空间非圆齿轮可用于实现两相交轴之间的变角速度传动，非圆锥齿轮是空间非圆齿轮较早出现的一种非圆齿轮结构，其节曲线目前主要采用椭圆曲线以及由椭圆曲线改进的变形椭圆曲线以及高阶椭圆曲线，如公开号为CN1648490A的中国专利公开的卵形锥齿轮副、公开号为CN102003538A的中国专利公开的偏心椭圆锥齿轮以及公开号为CN101975247A的中国专利公开的变传动比高阶变性椭圆锥齿轮。但是这些非圆锥齿轮与平面非圆齿轮采用了相同的椭圆节曲线或改进的椭圆节曲线时，它们所实现的传动比是相同的。因此非圆锥齿轮所实现的减变速效果与平面非圆齿轮也是相同的，无法实现减速比和输出角速度周期数的任意组合。在此基础之上，公开号为CN102518756A的专利公开了一种平面椭圆齿轮与特殊面齿轮组成的变速比传动机构，用以传递两正交轴间的变传动比。椭圆齿轮的节曲线周期数为1，当特殊面齿轮节曲线周期数为大于1的整数时，可以实现减变速传动，但与其它类型的非圆齿轮副一样，这对非圆齿轮副的减速比受输出角速度周期数的限制，无法实现相交轴结构间的任意减-变速复合传动效果，再如，公开号为CN104500654A的专利公开了一种圆柱齿轮与端面齿轮组成的变速比传动机构，用以传递两正交轴间的任意减速变速传动，但由于两回转轴正交，无法进行减-变速复合传动。

综上所述，目前所有类型的非圆齿轮都无法实现空间任意相交轴结构间的任意减-变速复合传动。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能实现相交轴间任意减-变速复合传动，能最大限度的减小传动空间，减轻传动质量，提高传动效率的一种相交轴非圆面齿轮传动机构。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种相交轴非圆面齿轮传动机构，所述传动机构包括小圆柱齿轮和非圆面齿轮，所述小圆柱齿轮与非圆面齿轮的回转轴线非正交，切啮合过程中，小圆柱齿轮的节圆柱与非圆面齿轮的节圆锥保持相切，切线为非圆面齿轮的节圆锥母线，该传动机构连续传动时的通用传动比函数为

式中，θ₁为圆柱齿轮的转角，i_j＝Z₂/Z₁，其中Z₁，Z₂分别为小圆柱齿轮和非圆面齿轮的齿数，n为非圆面齿轮节曲线的阶数，M为任意正整数，a_k和b_k为传动比系数，所述传动比系数均小于小于1/i_j，所述非圆面齿轮的节曲线为缠绕在其节圆锥面上的一条曲线，所述非圆面齿轮节曲线在节圆锥底面上的投影是一条关于节圆锥轴线的非圆曲线，其表达式为

式中，r₂，θ₂分别为所述非圆面齿轮节曲线在其节圆锥底面上投影曲线的向径和极角，r₁为所述小圆柱齿轮节圆柱的半径，所述非圆面齿轮封闭节曲线的方程为

式中，λ为所述非圆面齿轮节圆锥的分锥角。

进一步的，所述分锥角λ的取值范围为0-180°。

进一步的，所述非圆面齿轮的轮齿沿其节曲线分布，由标准直齿圆柱齿轮插刀包络而成，该标准直齿圆柱齿轮插刀的模数与所述小圆柱齿轮的模数相同而齿数多于小圆柱齿轮。

进一步的，所述非圆面齿轮的节曲线是封闭的，所述传动机构的最简传动比函数为

式中，n代表非圆面齿轮节曲线的阶数，ε为非圆面齿轮节曲线的偏心率。

进一步的，所述小圆柱齿轮为直齿渐开线圆柱齿轮或斜齿渐开线圆柱齿轮或摆线圆柱齿轮。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

通过一个由一对齿轮啮合构成的传动机构实现了以往相交轴传动结构非正交时至少两对齿轮才能获得的减-变速复合传动效果，最大限度地简化传动结构、缩短传动链、减少传动零件、提高传动效率和精度，尤其适用于任意相交轴结构、有空间限制且有减-变速复合传动要求的场合。

附图说明

图1是本发明所提出的一种相交轴非圆面齿轮传动机构一个实施例的装配结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的右视图；

图4是非圆面齿轮节圆锥面与小圆柱齿轮节圆柱面的相对位置图；

图5是小圆柱齿轮与非圆面齿轮传动比i₁₂的曲线图；

图6是小圆柱齿轮与非圆面齿轮变速比i_b的曲线图。

其中，附图标记：1、小圆柱齿轮；2、非圆面齿轮；3、非圆面齿轮节圆锥面；4、非圆面齿轮节曲线；5、小圆柱齿轮节圆柱面。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1至图4，给出了本发明所提出的一种相交轴非圆面齿轮传动机构的一个实施例的具体结构。该传动机构包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮为小圆柱齿轮1，所述从动齿轮为非圆面齿轮2，所述小圆柱齿轮1可选择为直齿渐开线圆柱齿轮或斜齿渐开线圆柱齿轮或摆线圆柱齿轮，本实施例中，所述小圆柱齿轮1为直齿渐开线圆柱齿轮。

所述小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2的轴线为非正交，所述非圆面齿轮2的节面为一圆锥面，非圆面齿轮节曲线4为其节圆锥面3上的一条空间非圆形曲线，其轮齿沿其节曲线分布并由标准直齿圆柱齿轮插刀包络而成，该标准直齿圆柱齿轮插刀的模数与所述渐开线直齿小圆柱齿轮1的模数相同而且齿数多于小圆柱齿轮1；所述小圆柱齿轮1上分度圆所在的圆柱面为其节圆柱面5；如图3所示，小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2均绕定轴转动，两齿轮回转轴线夹角不等于90°，且小圆柱齿轮节圆柱面5与非圆面齿轮节圆锥面3相切，切线为非圆面齿轮2的节圆锥母线，小圆柱齿轮节圆柱面5与非圆面齿轮节曲线4点接触并保持纯滚动；将小圆柱齿轮1与原动机相连，作为该传动机构的输入构件，非圆面齿轮2与负载相连，作为该传动机构的输出构件，则该传动机构以小圆柱齿轮1的转角为自变量的通用传动比函数为

式中，θ₁为小圆柱齿轮1的转角，n为非圆面齿轮节曲线4的阶数，M为正整数，a_k和b_k为传动比系数，取值应小于i_j的倒数；将非圆面齿轮2与小圆柱齿轮1的传动比分解为减速比i_j和变速比i_b乘积的倒数，即i₂₁＝1/(i_ji_b(θ₁))，且i_b为与小圆柱齿轮1转角有关的变传动比，i_j＝Z₂/Z₁，其中Z₁，Z₂分别为所述小圆柱齿轮1和非圆面齿轮2的齿数。

所述非圆面齿轮节曲线4为缠绕在节圆锥面3上的一条空间曲线，其在节圆锥底面上的投影是一条关于节圆锥轴线的平面非圆曲线，该平面非圆曲线的表达式为

式中，θ₂为所述非圆面齿轮节曲线4在其节圆锥底面上投影曲线的极角；以非圆面齿轮2节圆锥顶点为原点建立坐标系，非圆面齿轮封闭节曲线4在该坐标系中表示为

式中，λ为所述非圆面齿轮节圆锥的分锥角，该分锥角λ的范围为0-180°。

当所述非圆面齿轮节曲线4为封闭曲线时，该传动机构的最简传动比函数为

当小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2相对转动时，小圆柱齿轮节圆柱面5与非圆面齿轮节曲线4点接触并保持纯滚动，此时小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2可实现的传动比表示为i₁₂＝r₂(θ₂)/r₁，非圆面齿轮节曲线4为空间非圆曲线，其节曲线在其节圆锥底面上的投影曲线的向径r₂随非圆面齿轮的转角θ₂变化，小圆柱齿轮的分度圆半径r₁为一固定值，所以该传动机构传动比i₁₂随非圆面齿轮的转角θ₂变化；当非圆面齿轮2的节曲线是封闭曲线时，小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2可实现相交轴结构的连续减-变速复合传动效果，而当非圆面齿轮的节曲线4不封闭时，小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2只能实现相交轴结构的局部减-变速复合传动效果，在实际生产中，前者应用更加广泛，因此本发明以封闭空间非圆曲线作为非圆面齿轮的节曲线来进一步说明相交轴结构非正交时小圆柱齿轮1与非圆面齿2轮的减-变速复合传动方案。

在本发明中，非圆面齿轮节曲线4的形状决定了该齿轮副的减-变速传动比规律，因此，非圆面齿轮节曲线4的形状是设计该传动机构的关键因素；获得节曲线4的方法有两种，一种是根据实际要求所需的传动比并通过式i₁₂＝r₂(θ₂)/r₁得到非圆面齿轮的节曲线，另一种则是直接采用现有的空间非圆曲线作为非圆面齿轮的节曲线。本实施例以采用第一种方法得到的非圆面齿轮的节曲线为例说明该传动机构的减-变速复合传动。

将小圆柱齿轮1与原动机相连，作为该传动机构的输入构件，非圆面齿轮2与负载相连，作为该传动机构的输出构件，令该传动机构的一阶传动比为i₂₁＝(1+εcos(nθ₁/i_j))/i_j，式中，i_j为非圆面齿轮2的减速比，ε为非圆面齿轮节曲线4的偏心率，n为非圆面齿轮节曲线4的阶数，θ₁为小圆柱齿轮1的转角。

令一个假想的直齿圆柱齿轮与非圆面齿轮2啮合传动，该假想直齿圆柱齿轮的齿数与模数已知，当该假想直齿圆柱齿轮转过一周，非圆面齿轮2的角速度完成一个周期的变化，此时假想直齿圆柱齿轮与非圆面齿轮2的减速比i_j为1，即该假想直齿圆柱齿轮与非圆面齿轮2的传动比为变速比i_b，则所述小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2的变速比和减速比分别为i_b＝r₂/r_b和i_j＝r_b/r₁＝Z₂/Z₁，式中，r₂为所述非圆面齿轮节曲线4在其节圆锥底面上投影曲线的向径，r₁为所述小圆柱齿轮1的节圆柱半径，r_b为所述假想圆柱齿轮节圆柱半径。

下面通过四组数据的对比说明小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2轴线相交时传动比的变化规律

(1)取ε＝0.15，n＝1，m＝2mm，Z₁＝17，Z₂＝70，λ＝80°。则非圆面齿轮2旋转一周时，小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2的传动比曲线如图5中单周期实线所示，将此传动比划分为减速比i_j与变速比i_b，可得变速比曲线如图6中实线所示。该相交轴非圆面齿轮副的传动比效果与减速比为i_j＝70/17的锥齿轮副和变速比如图6中实线所示的非圆齿轮副串联后的传动效果相同。

(2)令小圆柱齿轮不变，取Z1＝17，m＝2mm，改变非圆面齿轮节曲线4的周期数n＝2，其他参数不变，Z₂＝70，ε＝0.15，λ＝80°。非圆面齿轮旋2转一周时，小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2的传动比曲线如图5中周期为2的实线所示，传动比i₁₂的变化范围与第一组数据相同，传动比的周期数随非圆面齿轮节曲线4的周期数变为2，而减速比i_j不变，这说明在该传动机构中非圆面齿轮节曲线4的周期数可以控制该传动机构变速比i_b的周期数。

(3)令小圆柱齿轮1不变，取Z1＝17，m＝2mm，改变非圆面齿轮节曲线4的偏心率ε＝0.2，其他参数不变，Z₂＝70，n＝1，λ＝80°。则非圆面齿轮2旋转一周时，小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2的变速比曲线如图6中虚线所示，与第一组数据相比，其减速比i_j与变速比的周期不变，变速比i_b的范围增大，说明在该传动机构中非圆齿轮节曲线4的偏心率控制该传动机构变速比i_b的范围。

(4)令非圆面齿轮的节曲线4不变，ε＝0.15，n＝1，Z₂＝70，λ＝80°，改变小圆柱齿轮1的齿数Z₁＝18,其模数不变，m＝2mm。当非圆面齿轮2旋转一周时，小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2的传动比如图5中虚线所示，与第一组数据相比，传动比曲线的周期不变，但最大值与最小值发生变化，通过计算两组数据的减速比i_j数值的变化可知，传动比曲线的这种变化是由减速比的改变引起的，说明在该传动机构中，小圆柱齿轮1的分度圆半径决定了该传动机构减速比i_j的大小。

当非圆面齿轮的节曲线4选择其他形式的曲线，两齿轮轴间夹角为其他值时，其传动比规律与上述具有一阶传动比函数的非圆面齿轮传动机构相同：即改变非圆面齿轮节曲线4可以控制传动机构的变速比i_b，改变小圆柱齿轮1的齿数可以控制传动机构的减速比i_j。综上所述，由普通直齿小圆柱齿轮1与非圆面齿轮2组成的相交轴封闭非圆面齿轮传动机构可以根据实际应用实现任意相交轴间减速比、变速比周期和变速比范围任意组合的减-变速复合传动。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种相交轴非圆面齿轮传动机构，其特征在于：所述传动机构包括小圆柱齿轮和非圆面齿轮，所述小圆柱齿轮与非圆面齿轮的回转轴线非正交，且啮合过程中，小圆柱齿轮的节圆柱与非圆面齿轮的节圆锥保持相切，切线为非圆面齿轮的节圆锥母线，该传动机构可连续传动的通用传动比函数为

式中，θ₁为圆柱齿轮的转角，i_j＝Z₂/Z₁，其中Z₁，Z₂分别为小圆柱齿轮和非圆面齿轮的齿数，n为非圆面齿轮节曲线的阶数，M为任意正整数，a_k和b_k为传动比系数，所述传动比系数均小于小于1/i_j；所述非圆面齿轮的节曲线为缠绕在其节圆锥面上的一条曲线，所述非圆面齿轮节曲线在节圆锥底面上的投影是一条关于节圆锥轴线的非圆曲线，其表达式为

式中，r₂，θ₂分别为所述非圆面齿轮节曲线在其节圆锥底面上投影曲线的向径和极角，r₁为所述小圆柱齿轮节圆柱的半径，所述非圆面齿轮封闭节曲线的方程为

式中，λ为所述非圆面齿轮节圆锥的分锥角。

2.根据权利要求1所述的一种相交轴非圆面齿轮传动机构，其特征在于：所述分锥角λ的取值范围为0-180°。

3.根据权利要求1所述的一种相交轴非圆面齿轮传动机构，其特征在于：所述非圆面齿轮的轮齿沿其节曲线分布，由标准直齿圆柱齿轮插刀包络而成，该标准直齿圆柱齿轮插刀的模数与所述小圆柱齿轮的模数相同而齿数多于小圆柱齿轮。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种相交轴非圆面齿轮传动机构，其特征在于：所述非圆面齿轮的节曲线是封闭的，所述传动机构的最简传动比函数为

式中，n代表非圆面齿轮节曲线的阶数，ε为非圆面齿轮节曲线的偏心率。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种相交轴非圆面齿轮传动机构，其特征在于：所述小圆柱齿轮为直齿渐开线圆柱齿轮或斜齿渐开线圆柱齿轮或摆线圆柱齿轮。

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