CN111677819A - 一种差动减速机构及差动减速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动减速机构及差动减速器，包括：一个并联多级齿轮，与并联多级齿轮相啮合的n个单级齿轮，所述n与并联多级齿轮的级数相一致，且所述n个单级齿轮同轴设置，还包括一用于驱动所述并联多级齿轮的偏心轴，在所述偏心轴周向设置有一平衡块，平衡块使差动减速器在运行过程中保持动平衡。减速机构和减速器在运转过程中能够保持动平衡，具有高速比、高传动效率、高刚度、低反向驱动力等优点，当并联多级齿轮级数大于2时，就可以形成单输入、多输出轴的减速装置。

Description

一种差动减速机构及差动减速器

技术领域

本发明涉及一种减速器，具体涉及一种差动减速机构及差动减速器，属于机械传动技术领域。

背景技术

减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，在机器人技术、航空技术、自动化等领域应用极为广泛。可分为：摆线减速器、行星减速器和谐波减速器，其中，摆线减速器在运行过程中，理论上所有的齿都在啮合，因此其刚度、强度远远超过行星减速器和谐波减速器，在工业自动化和航空航天等领域被大量的应用。但是，现有的摆线减速器由于结构复杂，零件、轴承多，难以做到小体积大减速比，目前工业上只有斯洛伐克的Spinea 公司能够将摆线减速器做到谐波减速器级别的体积，但是依旧难以做到60mm 以下。并且，现有的摆线减速器要实现高精度、长使用寿命，除了对加工精度要求高以外，对减速器的材料要求也非常高，因此其成本非常高。

随着自动化技术、机器人技术不断发展，对高刚度、小体积、大减速比、长使用寿命的减速器需求日益增长，对减速器性能也提出了更高的要求，如高精度、高刚性、长使用寿命、高效率、低输入阻力、高反向驱动能力等。但是其在设计时为了保证传动精度和减速器强度与刚度，每个齿或大部分齿都在与针齿啮合接触，因此在运行时，会产生一定的摩擦，负载越大，摩擦越大，这降低了传动效率。

在已经提交申请的专利CN109268452A，CN111005987A，CN111022588A 中都使用了并联二级齿轮，在两个内齿轮配合形成的空腔内运动，利用两级齿轮减速比不一样形成的速度差进行减速，此种方案可以在有限的体积内实现较大的减速比，并且日本加茂生产的球珠减速器中，也是将两种不同规格的齿轮做成一体，利用其与其他两个不同齿数齿轮啮合的减速比不一样产生的减速比差来实现大减速比，与并联齿轮原理是一样的。可见，使用并联齿轮啮合的减速比不同实现小体积大减速比的方案已经是一种通用的解决方案。但是上述发明专利中，均没有解决动并联外齿轮运动造成的不平衡问题，使得这种减速器在无法运用到实际生产生活中，并且上述专利减速器只有一个输出。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种差动减速机构及差动减速器。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

本发明首先公布了一种差动减速机构，该机构包括：一个并联多级齿轮，与并联多级齿轮相啮合的n个单级齿轮，所述n与并联多级齿轮的级数相一致，且所述n个单级齿轮同轴设置，还包括一用于驱动所述并联多级齿轮的偏心轴，在所述偏心轴周向设置有一平衡块，所述平衡块使差动减速器在运行过程中保持动平衡。减速器在运行过程中，由于并联多级齿轮等部件在机构内做偏心摆动，会引起动不平衡，传统的摆线针轮减速器和RV减速器，是使用多个摆线外齿轮与偏心轴上不同方向上的偏心阶梯配合，在偏心轴的带动下，达到动平衡。但本发明只有一个并联多级齿轮，无法按照传统减速器那样设置使机构达到动平衡，而本发明在偏心轴上巧妙地设置了一个平衡块解决了机构的动平衡问题。

优选地，前述并联多级齿轮为一体加工成型或由若干个独立的齿轮组装而成，具体组装方式可选用柱销、螺丝、焊接等方式中的一种或多种。

更优选地，前述n个单级齿轮通过轴承同轴装配在一起或同轴设于一安装座上，只要实现同轴设置即可。

更优选地，前述n为整数且至少为2，优选为3，因此，可根据实际应用需求构成二级、三级、四级等不同级数的减速机构。需要说明的是，这里的齿轮级数仅仅是指在本装置中起到减速作用的齿轮级数，而用于本装置与其他装置传动的齿轮不算入所述齿轮级数中，如：单级齿轮上还有一级齿轮，但并不与本装置的并联多级齿轮啮合，而是与其他机构进行传动，则该齿轮仍应称作单级齿轮。

再优选地，前述平衡块与偏心轴为一体式结构或组合安装而成，也就是说，平衡块可以是单独的一个零件，按照一定的要求装配到偏心轴上。平衡块的作用在于使减速器达到动平衡的状态，因此，平衡块的质量和位置设置是有严格要求的。具体如下：在减速器运行过程中，并联多级齿轮围绕偏心轴基准轴做公转，除并联多级齿轮外，减速器还包括一些轴承、垫片、偏心轴的偏心部分等。由于并联多级齿轮的质心在其中心轴处，因此这些部件质心的相对位置在运行过程中保持不变，可以合成质量为m_a的质心a，质心a到偏心轴旋转中心c 的距离是l_a，要使机构达到动平衡，则必须存在一个质量块，其质心b在直线 ac上，质量为m_b，并满足m_bl_b＝m_al_a，其中l_b为质心b到c的距离。

作为一种很好的优选，前述并联多级齿轮与单级齿轮均为摆线内齿轮或摆线外齿轮，并在每一级啮合的摆线外齿轮与摆线内齿轮之间设置有滚子，该啮合方式为纯滚动啮合。由此构成了纯滚动式的多摆线差动减速机构，在偏心轴的带动下，并联多级摆线齿轮绕单级摆线齿轮中心做公转和自转，利用并联摆线多级齿轮通过滚子滚动与各个单级摆线齿轮啮合的传动比不一样，产生速度差，从而实现减速。由于滚子的设置，使得减速运动为纯滚动，大大降低了减速器内部零件的摩擦力，提高了效率。当齿轮级数＞2时，固定某一个单级摆线齿轮，偏心轴作为输入，其他单级摆线齿轮可作为输出，由此构成了一个输入，多个输出轴的减速机构。

更优选地，前述滚子直径＝摆线内齿轮齿顶圆半径-摆线外齿轮齿顶圆半径+ 偏心轴偏心距。

更优选地，前述的纯滚动式的多摆线差动减速机构中，互相啮合的摆线外齿轮和摆线内齿轮的单个齿的齿廓弧长相等。

更优选地，在每一级相啮合的齿轮组中，摆线内齿轮的齿数比滚子数量多1，而摆线外齿轮比滚子数量少1。

更优选地，该差动减速机构还包括滚子保持架，所述滚子设置于滚子保持架内并能自由滚动。所述滚子保持架的数量为n，即与齿轮级数相一致，每个滚子保持架均包括一对并排设置的圆环片，所述圆环片上形成有若干通孔，滚子安装于一对圆环片之间可实现自由滚动。

进一步优选地，前述单级齿轮与并联多级齿轮的齿廓为针齿和摆线齿两类，每级啮合的方式可以是内针齿-摆线外齿啮合或摆线内齿-外针齿啮合或摆线内齿-摆线外齿啮合。

再进一步优选地，相啮合的每级齿轮的齿数相差m，m优选为1。

更进一步优选地，前述并联多级齿轮的级数为n，其中有0～n级为外齿轮，相应地，与之啮合的单级齿轮中，有0～n个内齿轮。也就是说，在三级并联齿轮中，若有一级为外齿，则另外两级为内齿，相应地，单级齿轮中应有一级为内齿轮，两级为外齿轮，构成三级减速齿轮组。

再进一步优选地，减速机构包含至少一级为纯滚动啮合(外摆线齿轮-滚子- 内摆线齿轮)和至少一级针齿-摆线外齿啮合或摆线内齿-针齿啮合或摆线内齿- 摆线外齿啮合。

本发明的有益之处在于：

(1)本发明的减速机构在运转过程中能够可靠地保持动平衡，赋予减速机构更优的性能；

(2)应用了该减速机构的减速器具有高速比、高刚度的特性、当采用纯滚动的啮合方式时，由于无滑动摩擦，因而减速器还具有高传动效率、低反向驱动力等优点。

(3)当并联多级齿轮上面的齿轮数量级数大于2时，可以形成单输入、多输出轴的减速装置。

(4)本发明的减速机构可在有限空间内实现较大减速比传动。根据具体的结构设计要求，将各部件按照要求组装，使得并联多级齿轮上的各级齿轮与单级齿轮一一对应并啮合。在机构运行过程中，并联多级齿轮与各单级齿轮啮合，在偏心轴的驱动下，以偏心轴基准轴为中心做公转和自转，此时，偏心轴作为输入，固定某一个单级齿轮，则其他单级齿轮可作为输出。当某个单级齿轮齿数与固定的单级齿轮齿数一样时，其转速与固定的单级齿轮一样为零，若其齿数与固定的单级齿轮齿数不一样，就会有转速，转速的大小取决于齿数差，齿数差越小，则输出的转速越小，减速比越大，因此这种减速方式为差动输出。只要将某个单级齿轮齿数与固定的单级齿轮齿数设计的足够接近，就可以在有限空间内实现较大的减速比。

附图说明

图1是本发明的实施例1的差动减速机构的***图；

图2是实施例1组装后的剖面结构示意图；

图3是实施例1中内齿轮和外齿轮的啮合示意图；

图4是本发明的实施例2的差动减速机构的***图；

图5是实施例2组装后的剖面结构示意图；

图6是并联多级齿轮的一种结构变换示意图；

图7是图6的主视图；

图8是本发明的实施例3的差动减速机构的***图；

图9是本发明的实施例3组装后的剖面结构示意图；

图10是本发明的实施例4的差动减速机构的***图；

图11是本发明的实施例4的另一视角的***图；

图12是本发明的实施例4组装后的剖面结构示意图；

图13是摆线内齿轮与外针齿齿轮相啮合的示意图；

图14是摆线外齿轮与内针齿齿轮相啮合的示意图；

图15是摆线内齿轮与摆线外齿轮相啮合的示意图；

图16(a)、16(b)和16(c)是不同的并联多级齿轮的结构示意图；

图17(a)和17(b)是不同偏心轴的结构示意图；

图18(a)和18(b)是不同针齿的结构示意图；

图19是偏心轴平衡块位置确定原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明中，内齿轮/外齿轮是指其齿形在齿轮本体中所处的位置是内部/ 外部，并不是指齿轮在整体机构中所处的位置。

实施例1

本实施例的差动减速机构为两级纯滚动减速机构，其结构如图1至图2所示，包括单级摆线内齿轮1-1-1、1-1-2，两级并联摆线外齿轮1-2，设置于内齿轮和外齿轮之间的滚子1-3-1和1-3-2，带有平衡块1-5的偏心轴1-4，并联摆线外齿轮1-2为一体成型，两个摆线内齿轮1-1-1、1-1-2同轴安装于一轴承上，此外，该减速机构还包括一些轴承、固定座以及必要的螺丝、挡圈等部件，减速器装配所需要的轴承可以是单独的轴承，也可以轴承的内圈或外圈与减速器零部件形成一体结构，这与现有技术中基本相似，故本实施例中不做赘述。

每一个摆线内齿轮均通过滚子与摆线外齿轮相啮合，互相啮合的两个摆线齿轮的单个齿的齿廓弧长相等，滚子直径＝摆线内齿轮齿顶圆半径-摆线外齿轮齿顶圆半径+偏心轴偏心距。在输入偏心轴的驱动下，摆线外齿轮相对于滚子做摆线运动，而滚子又相对于摆线内齿轮做摆线运动，构成了一级减速机构。

具体到本实施例中，摆线内齿轮齿数比相配合的滚子数量多1，而摆线外齿轮的齿数比相配合的滚子数量少1。每一组相互啮合的摆线外齿轮、摆线内齿轮、滚子构成一级减速机构，每级减速齿轮组的正视图如图3所示。

摆线齿轮齿廓为一个动圆在一个定圆上做无滑动滚动，动圆圆周上或者圆内上一点的运动轨迹所形成。在运行过程中，滚子在内齿轮上滚动，而外齿轮在滚子上滚动，这样一来，减速机构在运行过程中无滑动摩擦，具有高速比、高传动效率等优点。

由于机构在运行过程中，摆线外齿轮1-2、滚子1-3-1、1-3-2及滚子保持架在摆线内齿轮内做偏心摆动，会引起动不平衡，故为达到动平衡，在偏心轴上巧妙地设置了一个平衡块，平衡块1-5的结构可参考附图17(a)和17(b)，平衡块设置方案按发明方案的平衡块设置方法，但不限于图17结构。而要实现动平衡，平衡块1-5的位置设置是至关重要的，设置原理参见图19，由于并联摆线外齿轮1-2的质心在其中心轴处，因此这些部件质心的相对位置在运行过程中保持不变，可以合成质量为m_a的质心a，质心a到偏心轴1-4旋转中心c的距离是l_a，要使机构达到动平衡，则必须存在一个质量块，其质心b在直线ac上，质量为m_b，并满足m_bl_b＝m_al_a，其中l_b为质心b到c的距离。

实施例2

本实施例的差动减速机构为三级纯滚动减速机构，结构示意图参见图4和图5，与实施例1的区别主要在于并联摆线外齿轮2-2为三级齿轮，相应地，摆线内齿轮包括2-1-1、2-1-2和2-1-3，相应地，滚子也为3组，包括2-3-1、2-3-2 和2-3-3。其他原理和结构均与实施例1相同，本实施例中不作赘述。

在减速机构运行过程中，偏心轴2-4作为输入，若固定摆线内齿轮2-1-1，则摆线内齿轮2-1-2和2-1-3作为输出；同理，固定摆线内齿轮2-1-2，则摆线内齿轮2-1-1和2-1-3可作为输出；由此，构成了一输入二输出的运转模式，能够实现传动比灵活调节。

实施例3

本实施例的差动减速机构结构示意图如图8和图9所示，包括一并联三级齿轮3-2、三个单级齿轮3-1-1、3-1-2和3-1-3、一偏心轴3-4，在偏心轴3-4上设置有平衡块3-5，此外，还包括轴承、固定座、螺丝、垫片等***部件。

其中，每级齿轮啮合选用图13所示方案，即并联三级齿轮3-2全为摆线外齿轮，单级齿轮为内针齿齿轮。首先，根据并联三级齿轮3-2、相关轴承座3-6、垫片等零件的质量和偏心距，确定偏心轴3-4上平衡块3-5的重量和位置。相啮合的每级齿轮之间齿数相差1，其中单级齿轮3-1-1和3-1-3齿数相等，并联三级齿轮上的1级齿轮和3级齿轮齿数相同，偏心轴3-4作为输入，此时若固定单级齿轮3-1-2，则单级齿轮3-1-1和3-1-3作为输出。

若偏心轴的转速为w_i，则单级齿轮3-1-1和3-1-3的输出转速为：

传动比为：

其中w_1-1为单级齿轮3-1-1的转速，w_1-3为单级齿轮3-1-3的转速，Z_2-1,Z_2-2,Z_2-3分别为并联三级齿轮第一级、第二级、第三级齿数，Z_1-1为齿轮3-1-1齿数，Z_1-2为齿轮3-1-2齿数，Z_1-3为齿轮3-1-3齿数。

该实例中齿轮3-1-1和3-1-3齿数相等，齿数不等的情况的输出转速和减速比同理，此处不再赘述。

实施例4

本发明的实施例4的差动减速机构的结构示意图参见图10、图11和图12。每级啮合齿轮选用图15方案，采用一个并联二级齿轮4-2，两个单级齿轮4-1-1、 4-1-2和并联二级齿轮4-2的齿全为摆线齿，同样根据本发明的方案来确定偏心轴4-4上平衡块4-5的重量和位置，最后将各零部件(包括轴承4-6、轴承座4-7) 组装起来，关于其传动比的计算方式本实施例不再赘述。

在本实施例的并联二级齿轮4-2中，一级为外齿轮，另一级为内齿轮，则相应地，两个单级齿轮4-1-1、4-1-2中，与外齿轮相对应的是摆线内齿轮，而与内齿轮相配合的则为摆线外齿轮，参见图6和图7清晰可见。

此外，并联多级齿轮的结构是可以进行灵活变换的，如图17(a)和图17(b) 所示，并联多级齿轮中，其中一级或多级摆线齿，其他级为针齿；或者，其中一级或多级为内齿轮，其他为外齿轮。只要能够构成相应级数的减速齿轮组即可，这是本领域技术人员很容易理解和变换的，此处不再赘述。

实施例5

本实施例的差动减速机构的结构与实施例3相同，差别仅在于每级啮合齿轮选用图14的方案，即并联二级齿轮5-2为针齿轮，而单级齿轮5-1为摆线齿轮，针齿通过针销5-3***到齿轮母体上。除此之外，齿轮的结构还可参照图16(a)、图16(b)及图16(c)进行灵活变换。

此外，针齿造型也可进行变换，比如针齿可以通过简单的倒圆角等方式进行变形，其仍为针齿轮，如图18(a)和图18(b)所示。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种差动减速机构，包括一个并联多级齿轮、与并联多级齿轮相啮合的n个单级齿轮和一用于驱动所述并联多级齿轮的偏心轴，其特征在于：所述n与并联多级齿轮的级数相一致，且所述n个单级齿轮同轴设置，所述偏心轴周向设置有一平衡块，所述平衡块使差动减速器在运行过程中保持动平衡。

2.根据权利要求1所述的一种差动减速机构，其特征在于：所述并联多级齿轮为一体加工成型或由若干个独立的齿轮组装而成；所述n个单级齿轮通过轴承同轴装配在一起或同轴设于一安装座上。

3.根据权利要求1所述的一种差动减速机构，其特征在于：所述n为整数且至少为2，优选为3。

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种差动减速机构，其特征在于：所述平衡块与偏心轴为一体式结构或组合安装而成。

5.根据权利要求4所述的一种差动减速机构，其特征在于：所述并联多级齿轮和单级齿轮的齿廓均为摆线齿，并，齿轮可自选为摆线内齿轮或摆线外齿轮，互相啮合的摆线外齿轮和摆线内齿轮的单个齿的齿廓弧长相等；在每一级摆线外齿轮与摆线内齿轮之间均设置有滚子。

6.根据权利要求5所述的一种差动减速机构，其特征在于：所述滚子直径=摆线内齿轮齿顶圆半径-摆线外齿轮齿顶圆半径+偏心轴偏心距；在每一级相啮合的齿轮组中，摆线内齿轮的齿数比滚子数量多1，而摆线外齿轮齿数比滚子数量少1。

7.根据权利要求6所述的一种差动减速机构，其特征在于：还包括n个滚子保持架，所述滚子安装于滚子保持架内并能自由滚动，每个滚子保持架均包括一对并排设置的圆环片，所述圆环片上形成有若干用于安装所述滚子的通孔。

8.根据权利要求4所述的一种差动减速机构，其特征在于：所述并联多级齿轮与单级齿轮的齿廓为针齿和摆线齿两类，每级啮合方式为内针齿-摆线外齿啮合或摆线内齿-外针齿啮合或摆线内齿-摆线外齿啮合。

9.根据权利要求8所述的一种差动减速机构，其特征在于：相啮合的每级齿轮的齿数相差m，m优选为1；所述并联多级齿轮中有0~n级为外齿，相应地，与之啮合的单级齿轮中，有0~n个为内齿。

10.一种差动减速器，包括壳体，其特征在于：包括安装于壳体内的如权利要求1-9任一项所述的一种差动减速器。

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