CN112065950A - 一种高重合度内啮合齿轮及以其为传动核心的rv减速机 - Google Patents

一种高重合度内啮合齿轮及以其为传动核心的rv减速机 Download PDF

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Abstract

一种高重合度内啮合齿轮，包括内齿轮和设置在所述的内齿轮内并与内齿轮啮合设置的外齿轮；一种以高重合度内啮合齿轮传动为核心的RV减速机，包括：壳体（内齿圈）、外齿轮、行星齿轮、偏心轴、转臂轴承、齿轮、齿轮轴、联接盘、输出盘；所述外齿轮以啮合形式装配在壳体（内齿圈）的内侧，所述行星齿轮和所述偏心轴至少为两组且围绕齿轮轴呈对称分布；所述外壳通过转盘轴承套装于联接盘和输出盘的外部，采用两级行星齿轮传动，第一级采用普通外齿轮传动，第二级采用高重合度内啮合齿轮传动。其优点在于：结构更加简单，加工与装配简便，精度易于保证，多对齿同时参与啮合，承载能力大幅提高，不存在根切等问题。

Description

一种高重合度内啮合齿轮及以其为传动核心的RV减速机
技术领域
本发明涉及机器人用精密减速机构，具体涉及一种高重合度内啮合齿轮及以其为传动核心的RV减速机。
背景技术
作为工业机器人关节用的重要与核心部件，减速机占有重要比重，一台工业机器人大约有5～6台不同型号的减速机，总体成本约占机器人总成本的1/3，目前国际上比较成熟的技术产品有RV减速机、谐波减速机等。我国在这一领域与国际先进水平还存在相当差距，尽管很多厂家积极参与，也开发出不少产品，但从精度、刚度、效率、寿命等方面还不尽如人意，成为制约我国工业机器人领域发展的重要瓶颈。目前国内高端机器人基本上还选用国外减速机，主要有日本、德国等，国内虽然近几年发展也很快，但多数还是用于低端市场。
1、RV减速机:
传统RV减速机由两级传动组成，第一级是普通外齿轮行星传动，从动齿轮通过花键带动偏心轴转动作为第二级输入，第二级是摆线针轮传动，通过固定不同零件可以实现不同的输出方式和减速比。摆线针轮传动属于少齿差传动，由做平面运动的摆线轮与空套于针齿壳中的针齿（圆柱销）啮合，由偏心轴（曲轴）驱动，偏心轴转一转，摆线轮相对针齿壳转过1或2个齿（由齿差决定），其最大优点是多齿同时接触，承载能力强，刚度大。缺点是零件多，结构复杂，制造难度大。RV传动原理清晰，专利开放，我国与国外的差距主要集中在制造工艺上，包括材料与热处理、参数选取、齿形修型、公差设计、间隙调整、加工精度与装配工艺等方面与环节上。国外几个著名厂家生产历史久、规模大、经验丰富，摸索出许多技术诀窍，掌握大量独门秘笈，国内厂家近期内难以跨越这一差距。
摆线针轮传动虽然能实现多齿啮合，但由于接触点都处于针齿下部，摆线轮齿槽较浅，啮合压力角较大，偏心轴除承受较大转矩外，还要承受巨大弯矩，受力情况恶劣。
2、谐波减速机:
谐波齿轮传动也属于少齿差传动，主要由凸轮式波发生器、带有外齿的柔轮和带有内齿的刚轮组成，通过柔轮变形实现与刚轮的多齿啮合。谐波齿轮传动结构简单紧凑，原理清晰，传动比大，技术成熟，在航天航空、精密仪器等领域获得广泛应用。但在工业机器人上，一般只能用在机器臂、腕、指等末端轻载关节上。其根本原因是因为啮合传动是依靠柔轮变形实现的，在重载关节与场合，实现大型柔轮变形有困难。而且也由于通过柔轮变形实现传动，所以其传动***刚度也受到局限。此外，反复变形等也会导致柔轮出现疲劳等负面效应。
3、摆线二次包络RV减速机:
针对传统RV中摆线针轮传动存在的问题，重庆大学机械传动国家重点实验室陈兵奎教授等人提出了摆线二次包络齿轮副，属于少齿差内齿轮传动，外齿轮仍采用原来的摆线轮。内齿轮齿形由两部分组成，其设计原理是将原来的针轮固定在壳体上，选取其下部部分圆弧作为齿形的一部分，另一部分由摆线轮按相对运动规律二次包络形成。这种方式在保持多齿啮合的基础上，增大了齿形接触长度，改善了啮合品质。传动精度及承载能力均有较大提升，由于省掉了针齿，加工及装配更加简单方便。但由于摆线轮齿形基本没有变化，齿槽仍然很浅，传动过程中啮合压力角改善不明显，偏心轴仍然承受较大弯矩。
前已提及，上述几种方式都属于少齿差齿轮传动，即内外齿轮齿数差较少（1或2）的内啮合齿轮传动。而在实际中应用最广泛的少齿差齿轮传动却多为渐开线齿轮传动，即内外齿轮均采用渐开线齿形，加工简单方便，技术成熟，且渐开线齿形对加工误差不敏感，具有中心距可分性，存在的主要问题是啮合重合度低，理论值一般不会大于2，只有考虑弹性变形后才有3对以上齿同时啮合。因而承载能力不高，一般只能用在轻载场合。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点,提供一种新型传动形式，一种以高重合度内啮合齿轮传动为核心的RV减速机，借鉴RV减速机结构，即总体布局与传动原理与RV类似，将其第二级传动—摆线针轮传动替换成本发明的高重合度内啮合齿轮传动。
本发明所述的高重合度内啮合齿轮传动不同于背景技术中所述的摆线二次包络齿轮传动，外齿轮不再是原来的摆线轮，内齿轮也不是由原来的针齿圆弧和摆线二次包络曲线组成的齿形，而是一种全新的内外齿轮啮合齿形，且同时啮合齿数多，压力角小，能大幅提高承载能力，并改善偏心轴受力状态，使其主要承受转矩，减小弯矩。
本发明的技术方案：
一种以高重合度内啮合齿轮传动为核心的RV减速机，与传统RV类似，也是两级减速，第一级仍采用普通外齿轮传动，实现行星减速功能，运动由中心齿轮输入，从动齿轮通过花键带动偏心轴转动作为第二级输入，第二级采用高重合度内啮合齿轮传动，通过固定不同零件可以实现不同的输出方式和减速比。为了均载，一般对称放置2或3个偏心轴，第二级传动采用1个内齿圈与2个180°对称布置的外齿轮啮合。
一种高重合度内啮合齿轮，作为本发明的核心，第二级传动所用高重合度内啮合齿轮传动。为实现高重合度啮合，齿轮齿廓采用特殊齿形。除作为RV减速机的核心部件外，高重合度内啮合齿轮机构本身也可作为减速机单独使用。
它由内齿轮和设置在所述的内齿轮内并与内齿轮啮合设置的外齿轮组成，所述的内齿轮和外齿轮的啮合线为圆弧，设啮合线的圆弧半径为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，所述的内齿轮的节圆半径为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
和外齿轮的节圆半径为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，取
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
,所述的啮合线分别绕内齿轮的节圆、外齿轮的节圆纯滚动时，所述的啮合线上的一点分别生成两齿轮齿顶齿廓。
具体的技术方案为：
一种高重合度内啮合齿轮，包括内齿轮和设置在所述的内齿轮内并与内齿轮啮合设置的外齿轮，所述内齿轮和外齿轮啮合的高重合度，所述的内齿轮和外齿轮的啮合线为圆弧，设圆弧半径为
Figure 90145DEST_PATH_IMAGE001
，所述的内齿轮和外齿轮的节圆半径为
Figure 7286DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 787023DEST_PATH_IMAGE003
，取
Figure DEST_PATH_IMAGE005
,所述的啮合线分别绕内齿轮和外齿轮的节圆纯滚动时，啮合线上的一点分别生成两齿轮齿顶齿廓。齿根齿廓不参与啮合，可根据结构与性能要求灵活设计。
一种以高重合度内啮合齿轮传动为核心的RV减速机，包括：壳体（内齿圈）、外齿轮、行星齿轮、偏心轴、转臂轴承、齿轮 、齿轮轴、联接盘、输出盘、螺栓、转盘轴承、密封圈；
所述外齿轮以啮合形式装配在壳体（内齿圈）的内侧，齿轮轴位于RV减速机的中心位置，所述行星齿轮和所述偏心轴至少为两组且围绕齿轮轴呈对称分布；所述行星齿轮位于在偏心轴的一端；转臂轴承围绕齿轮轴设置多个；所述行星齿轮与齿轮轴末端的齿轮结构之间不直接接触，并通过至少两组齿轮组成啮合连接；所述外壳通过转盘轴承套装于联接盘和输出盘的外部，并通过螺栓连接；外壳与联接盘和输出盘之间设置有密封圈；其特征在于：采用两级行星齿轮传动，第一级采用普通外齿轮传动，实现行星减速功能，运动由中心齿轮输入，从动齿轮通过花键带动偏心轴转动作为第二级输入，第二级采用高重合度内啮合齿轮传动，通过固定不同零件可以实现不同的输出方式和减速比；为了均载，一般对称放置2或3个偏心轴，第二级传动采用1个内齿圈与2个180°对称布置的外齿轮啮合。
本发明优点在于：
与传统RV减速机相比，第二级采用内啮合齿轮传动，结构更加简单，省掉了针齿，加工与装配简便，精度易于保证，多对齿同时参与啮合，且压力角小，从而使得机构的承载能力大幅提高，且由于齿轮齿根部分基本不参与啮合，其齿廓可按照结构要求灵活设计，不存在根切等问题。与谐波减速机相比，采用刚性啮合，刚度更大。与摆线二次包络RV减速机相比，齿槽更深，啮合压力角更小，承载能力更高。
附图说明
图1是本发明—高重合度内啮合齿轮传动RV减速机总成装配图；
图2是本发明—高重合度内啮合齿轮传动RV减速机机构简图；
图3是本发明的第二级传动—高重合度内啮合齿轮机构一种实施方式的结构示意图；
图4是本发明的第二级传动—高重合度内啮合齿轮机构另一种实施方式的结构示意图；
图5是齿轮啮合线与节圆关系示意图。
图6是齿顶齿廓形成原理，啮合线分别绕内、外齿轮的节圆纯滚动时，啮合线上的一点
Figure DEST_PATH_IMAGE006
分别生成两齿轮齿顶齿廓。
图7为本发明的分解***图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对高重合度内啮合齿轮机构加以详细说明。
实施例1：
如附图1、2所示，一种高重合度内啮合齿轮，包括内齿轮1和设置在所述的内齿轮内并与内齿轮啮合设置的外齿轮2，所述内齿轮1和外齿轮2啮合的高重合度，所述的内齿轮1和外齿轮2的啮合线为圆弧，设圆弧半径为
Figure 713391DEST_PATH_IMAGE001
，所述的内齿轮1和外齿轮2的节圆半径为
Figure 527763DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 350225DEST_PATH_IMAGE003
，取
Figure 617259DEST_PATH_IMAGE005
,所述的啮合线分别绕内齿轮1和外齿轮2的节圆纯滚动时，啮合线上的一点分别生成两齿轮齿顶齿廓。齿根齿廓不参与啮合，可根据结构与性能要求灵活设计。
一种以高重合度内啮合齿轮传动为核心的RV减速机，包括：壳体（内齿圈）1、外齿轮2、行星齿轮3、偏心轴4、转臂轴承5、齿轮6 、齿轮轴7、联接盘8、输出盘9 、螺栓10、转盘轴承11、密封圈12；
所述外齿轮2以啮合形式装配在壳体（内齿圈）1的内侧，齿轮轴7位于RV减速机的中心位置，所述行星齿轮3和所述偏心轴4至少为两组且围绕齿轮轴7呈对称分布；所述行星齿轮3位于在偏心轴4的一端；转臂轴承5围绕齿轮轴7设置多个；所述行星齿轮3与齿轮轴7末端的齿轮结构之间不直接接触，并通过至少两组齿轮6组成啮合连接；所述外壳通过转盘轴承11套装于联接盘8和输出盘9的外部，并通过螺栓10连接；外壳与联接盘8和输出盘9之间设置有密封圈12；采用两级行星齿轮传动，第一级采用普通外齿轮传动，实现行星减速功能，运动由中心齿轮输入，从动齿轮通过花键带动偏心轴转动作为第二级输入，第二级采用高重合度内啮合齿轮传动，通过固定不同零件可以实现不同的输出方式和减速比；为了均载，一般对称放置2或3个偏心轴，第二级传动采用1个内齿圈与2个180°对称布置的外齿轮啮合。
如附图4、5、6、7所示的一种高重合度内啮合齿轮机构，它由内齿轮1和设置在所述的内齿轮1内并与内齿轮1啮合设置的外齿轮2组成，所述的内齿轮1和外齿轮2的啮合线
Figure DEST_PATH_IMAGE007
(也称为发生圆）为圆弧(圆心在点
Figure DEST_PATH_IMAGE008
)，圆弧半径为
Figure 222683DEST_PATH_IMAGE001
，所述的内齿轮1的节圆
Figure 891562DEST_PATH_IMAGE009
半径为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（圆心在点
Figure 416084DEST_PATH_IMAGE011
）和外齿轮2的节圆
Figure DEST_PATH_IMAGE012
半径为
Figure 170414DEST_PATH_IMAGE013
（圆心在点
Figure DEST_PATH_IMAGE014
），取
Figure 907426DEST_PATH_IMAGE005
,所述的啮合线
Figure 837336DEST_PATH_IMAGE015
分别绕内齿轮的节圆
Figure 267180DEST_PATH_IMAGE009
和外齿轮的节圆
Figure 508805DEST_PATH_IMAGE012
纯滚动时，啮合线上的一点
Figure DEST_PATH_IMAGE016
分别生成内齿轮1的齿顶齿廓
Figure 783929DEST_PATH_IMAGE017
和外齿轮2的齿顶齿廓
Figure 958558DEST_PATH_IMAGE018
。传动中有多对齿同时参与啮合。
此外，可以通过调整啮合线半径，调节参与啮合的齿对数。其最大值由内、外齿轮齿顶高决定。
作为另外一种实施方式，上述高重合度内啮合齿轮机构本身亦可做成单级减速机使用。
实施例2：
如图4所示1齿差行星齿轮机构。内齿轮1，齿数
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，外齿轮2，齿数
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，模数
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，取啮合线圆弧半径
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。一对相同的外齿轮2对称安装，轴向错开，同时与内齿轮1啮合。如图1、2、3中所示，偏心套4与轴3组成偏心轴，通过轴承5支撑两个外齿轮2，使其分别与内齿轮1啮合。假设内齿轮1固定，偏心轴作为输入轴，即运动从其输入，则外齿轮2将作平面运动，即既绕内齿轮1轴线作圆周平移运动，又因与内齿轮1啮合而绕自身轴线作回转运动。8、9固联在一起作为输出机构，将外齿轮2的回转运动传递出去。从图4可见，几乎所有齿都接触，当然，实际使用时还要考虑加工误差及安装方便等因素，要留有间隙，实际啮合齿数一般能达到1/3以上。
实施例3：
如图5所示。内齿轮齿数
Figure 198784DEST_PATH_IMAGE023
，外齿轮齿数
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，模数
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，取啮合线圆弧半径
Figure 927706DEST_PATH_IMAGE026
。从图中可以看出，无论向哪个方向传动，同时啮合齿数都达到7对。

Claims (3)

1.一种高重合度内啮合齿轮，包括内齿轮和设置在所述的内齿轮内并与内齿轮啮合设置的外齿轮，其特征在于：所述内齿轮和外齿轮啮合的高重合度，所述的内齿轮和外齿轮的啮合线为圆弧，设圆弧半径为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，所述的内齿轮和外齿轮的节圆半径为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，取
Figure DEST_PATH_IMAGE004
,所述的啮合线分别绕内齿轮和外齿轮的节圆纯滚动时，啮合线上的一点分别生成两齿轮齿顶齿廓。
2.一种以高重合度内啮合齿轮传动为核心的RV减速机，包括：壳体（内齿圈）、外齿轮、行星齿轮、偏心轴、转臂轴承、齿轮 、齿轮轴、联接盘、输出盘9、螺栓、转盘轴承、密封圈；所述外齿轮以啮合形式装配在壳体（内齿圈）的内侧，齿轮轴位于RV减速机的中心位置，所述行星齿轮和所述偏心轴至少为两组且围绕齿轮轴呈对称分布；所述行星齿轮位于在偏心轴的一端；转臂轴承围绕齿轮轴设置多个；所述行星齿轮与齿轮轴末端的齿轮结构之间不直接接触，并通过至少两组齿轮组成啮合连接；所述外壳通过转盘轴承套装于联接盘和输出盘的外部，并通过螺栓连接；外壳与联接盘和输出盘之间设置有密封圈；其特征在于：采用两级行星齿轮传动，第一级采用普通外齿轮传动，第二级采用高重合度内啮合齿轮传动；第二级传动采用1个内齿圈与2个180°对称布置的外齿轮啮合。
3.根据权利要求1或2所述的一种高重合度内啮合齿轮，其特征在于：其本身可独立作为减速机使用。
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