CN112081878A - 一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，包括输入轴、固定活齿轮、过渡活齿轮、输出活齿轮、一级钢球活齿、二级钢球活齿、机械平衡滚动体、密排钢球等。其传动机构是由一个双级差动摆线活齿传动单元构成，用过渡活齿轮的运动作为二级传动部分的输入；在过渡活齿轮外侧安装一个机械平衡滚动体，用于降低整机的转动惯量，并增加刚度；在减速器输出端采用密排钢球轴承的结构，降低了加工成本；摆线滚道采用根切齿面滚道或组合齿面滚道，由于根切齿面滚道可看做组合齿面滚道的一个特殊形式，故以下统称摆线滚道为“组合齿面滚道”；组合齿面滚道分为内摆线滚道和外摆线滚道，故可排列组合出十六种构型，构型方式灵活多变、传动比范围广。

Description

一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器
技术领域
本发明涉及活齿传动技术领域，特别涉及一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器。
背景技术
本发明针对传统摆线活齿传动结构设计的不足，开创性地提出了根切齿面滚道活齿传动技术和组合齿面滚道活齿传动技术。其中，严格意义上讲，根切齿面滚道活齿传动技术也可归类为组合齿面滚道活齿传动技术的一种。上述技术较传统摆线活齿传动而言，相同尺寸下，活齿数量更多，传动比更大，基本达到全齿整周啮合受力，其综合性能均优于传统的摆线活齿传动结构；与摆线针轮传动结构相比，根切摆线活齿传动具有制造更简单、零部件更少、装配简单、使用寿命更长、承载能力和抗冲击能力更大等优点。
具有代表性的，如专利号为202010012353.9提出的《一种双级封闭式根切摆线活齿减速器》，以及专利号为202010178794.6提出的《一种组合齿面活齿传动啮合副及其生成方法》等。由于摆线活齿传动机构的驱动件为偏心构件，具有较大地转动惯量，故而，高速重载工作条件下，整机振动问题成了一个亟待有效解决的棘手问题，现有的常见方法是对机构进行机械平衡配重，这加大了零件结构设计及制造难度。对此，本发明另辟蹊径，在传动机构中加入了机械平衡滚动体，在有效解决振动问题的同时，巧妙地将整机关联为一个整体，较之前的构型，提高刚度的同时，输出端轴承设计更加灵活，也进一步提高了整机的扭矩/体积比。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，其传动机构是由一个双级差动根切摆线活齿传动单元构成的，用一级传动部分的输入和输出运动(通过过渡活齿轮传递)同时作为二级传动部分的输入；在过渡活齿轮外侧安装一个机械平衡滚动体，用于降低整机的转动惯量，并增加刚度；在减速器输出端采用密排钢球轴承的结构，降低了加工成本；摆线滚道采用根切齿面滚道或组合齿面滚道，由于根切齿面滚道可看做组合齿面滚道的一个特殊形式，故以下统称摆线滚道为“组合齿面滚道”；组合齿面滚道分为内摆线滚道和外摆线滚道，故可排列组合出十六种构型，构型方式灵活多变、传动比范围广是本发明的固有属性，依托这些属性，本发明具备诸多优点，适用性极强。
本发明所使用的技术方案是：一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，包括输入轴、固定活齿轮、一级钢球活齿、过渡活齿轮、机械平衡滚动体、壳体、端盖、密排钢球、输出活齿轮、二级钢球活齿、第一轴承、第二轴承，其特征在于：所述的端盖和固定活齿轮分别固定安装在壳体两侧；输出活齿轮铰接在端盖上；端盖与输出活齿轮之间装配有一圈沿圆周均布的、彼此球面相切的密排钢球；输入轴两端分别通过一个第一轴承铰接在固定活齿轮和输出活齿轮上；输入轴中间铰接有一个第二轴承；第二轴承上铰接有一个过渡活齿轮；过渡活齿轮与壳体之间的偏心圆环状空间内安装有一个机械平衡滚动体，机械平衡滚动体分别与过渡活齿轮外壁以及壳体内壁接触配合；过渡活齿轮与固定活齿轮之间啮合有一圈正整数个沿圆周均布的一级钢球活齿；过渡活齿轮与输出活齿轮之间啮合有一圈正整数个沿圆周均布的二级钢球活齿。
进一步地，端盖通过正整数个沿圆周均布的第二螺钉固定安装在壳体一侧；固定活齿轮通过正整数个沿圆周均布的第二螺钉固定安装在壳体另一侧；塞子通过紧定螺钉固定安装在端盖上；密封圈固定安装在端盖上，且密封了端盖与输出活齿轮之间的缝隙；输入轴、第一轴承和输出活齿轮之间的空间内安装有一个密封环；输入轴、第一轴承和固定活齿轮之间的空间内安装有另一个密封环。
进一步地，端盖上的塞孔和定位孔分别用于安装塞子和紧定螺钉；端盖和塞子与所有密排钢球的接触配合面为第一密排滚道的滚道面。
进一步地，输出活齿轮上有第二密排滚道和第四活齿啮合副；第二密排滚道用于与密排钢球的配合；第四活齿啮合副为活齿槽或活齿滚道，用于与二级钢球活齿啮合；过渡活齿轮两侧分别有第二活齿啮合副和第三活齿啮合副；第二活齿啮合副为活齿槽或活齿滚道，用于与一级钢球活齿啮合；第三活齿啮合副为活齿槽或活齿滚道，用于与二级钢球活齿啮合；固定活齿轮上有第一活齿啮合副；第一活齿啮合副为活齿槽或活齿滚道，用于与一级钢球活齿啮合。
进一步地，与所有一级钢球活齿啮合的第一活齿啮合副和第二活齿啮合副必须同时包含活齿槽和活齿滚道；与所有二级钢球活齿啮合的第三活齿啮合副和第四活齿啮合副必须同时包含活齿槽和活齿滚道。
进一步地，与一级钢球活齿啮合的活齿槽数量与一级钢球活齿相同，且活齿槽槽面为包裹住一级钢球活齿的球面；与一级钢球活齿啮合的活齿滚道对应的啮合曲线为一级啮合曲线，一级啮合曲线可以是内摆线，也可以是外摆线；与二级钢球活齿啮合的活齿槽数量与二级钢球活齿相同，且活齿槽槽面为包裹住二级钢球活齿的球面；与二级钢球活齿啮合的活齿滚道对应的啮合曲线为二级啮合曲线，二级啮合曲线可以是内摆线，也可以是外摆线；在一级钢球活齿的啮合副或二级钢球活齿的啮合副中，当啮合曲线为内摆线时，活齿滚道波数比活齿槽槽数多一，反之，当啮合曲线为外摆线时，活齿滚道波数比活齿槽槽数少一。
进一步地，活齿滚道为根切齿面滚道或组合齿面滚道；当啮合曲线为内摆线时，活齿滚道为根切齿面内摆线滚道或组合齿面内摆线滚道；当啮合曲线为外摆线时，活齿滚道为根切齿面外摆线滚道或组合齿面外摆线滚道；根切齿面滚道是由可造成齿面根切的钢球活齿的球心沿着啮合曲线运动一周后，钢球活齿齿面的运动轨迹包络面与滚道所在构件的相交面；组合齿面滚道是由多组数量相同但种类不同的齿面沿圆周均布彼此连接组合而成的齿面，所有齿面对应的啮合曲线取并集，将构成一条完整的啮合曲线，如内摆线或外摆线。当啮合曲线为内摆线时，其在平面直角坐标系中的参数方程为：
Figure BDA0002678909110000031
i＝1或2
当啮合曲线为内摆线时，其在平面直角坐标系中的参数方程为：
Figure BDA0002678909110000041
i＝1或2
以上各式中，A-过渡活齿轮与固定活齿轮的偏心距，即过渡活齿轮轴线与固定活齿轮轴线之间的距离；R1-一级钢球活齿分布圆半径；Zc1-一级钢球活齿所在滚道的波数；R2-二级钢球活齿分布圆半径；Zc2-二级钢球活齿所在滚道的波数。
进一步地，输入轴包括第一轴段、偏心轴段、第二轴段和内花键，其中，第一轴段和第二轴段同轴线，用于铰接第一轴承；偏心轴段用于铰接第二轴承；内花键用于对外连接驱动装置；一级钢球活齿所在的活齿滚道波幅与二级钢球活齿所在的活齿滚道波幅相等，且均等于偏心轴段相对于第一轴段或第二轴段的偏心距。
进一步地，机械平衡滚动体由一个保持架和正整数个直径从小到大的不同规格的滚柱组成；滚柱安装在保持架对应的滚柱槽内，所有滚柱分别同时与过渡活齿轮外壁及壳体内壁接触配合；所有滚柱可以沿圆周均布，也可以沿圆周不均布，不同滚柱之间的材料可以采用相同的，也可以采用不同的，但所有滚柱与保持架构成的机械平衡滚动体，和过渡活齿轮、第二轴承、输入轴构成的整体结构的重心，处于减速器的中心轴线上。
进一步地，第一密排滚道的滚道半径Rd1、第一密排滚道的滚道径向半径Rf1、第二密排滚道的滚道半径Rd2、第二密排滚道的滚道径向半径Rf2、密排钢球的半径Rm、密排钢球球心所在圆的半径Rf0以及密排钢球个数Nm需同时满足下列关系式：
Figure BDA0002678909110000042
由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：(1)整机刚度得到进一步提升；(2)输出端轴承体可不采用交叉滚子轴承，可用成本更加低廉的密排深沟球轴承代替；(3)具备更高的扭矩/体积比；(4)构型方式灵活多变、传动比范围广；(5)结构简单紧凑，便于加工制造及装配。
附图说明
图1为本发明的整体结构装配图。
图2、图3为本发明的整体结构分解示意图。
图4为本发明整体装配结构的剖视图。
图5为本发明的输入轴零件结构示意图。
图6为本发明的固定活齿轮零件结构示意图。
图7、图8为本发明的过渡活齿轮零件结构示意图。
图9为本发明的机械平衡滚动体结构示意图。
图10为本发明的端盖零件结构示意图。
图11、图12为本发明的输出活齿轮零件结构示意图。
附图标号：1-输入轴；2-固定活齿轮；3-一级钢球活齿；4-过渡活齿轮；5-机械平衡滚动体；6-壳体；7-端盖；8-第一螺钉；9-密排钢球；10-密封圈；11-输出活齿轮；12-二级钢球活齿；13-密封环；14-第一轴承；15-第二轴承；16-塞子；17-紧定螺钉；18-第二螺钉；101-第一轴段；102-偏心轴段；103-第二轴段；104-内花键；201-第一活齿啮合副；401-一级啮合曲线；402-第二活齿啮合副；403-二级啮合曲线；404-第三活齿啮合副；501-保持架；502-第一滚柱；503-第二滚柱；504-第三滚柱；505-第四滚柱；506-第五滚柱；507-第六滚柱；508-第七滚柱；509-第八滚柱；510-第九滚柱；511-第十滚柱；512-第十一滚柱；513-第十二滚柱；701-第一密排滚道；702-塞孔；703-定位孔；1101-第二密排滚道；1102-第四活齿啮合副。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
图1-12为本发明的优选实施例，采用象形法取象征意义，用符号“S”代表组合齿面摆线滚道，用符号“O”表示活齿槽，S与对应的O连在一起即为一对活齿啮合副，再加上活齿，即构成一个单级组合齿面滚道摆线活齿传动单元。由前述可知，第一活齿啮合副、第二活齿啮合副、第三活齿啮合副与第四活齿啮合副，一共四个即两组活齿啮合副，分别与一级钢球活齿和二级钢球活齿一起构成了本发明的双级封闭式传动机构。按照前述的符号表达，本发明按照啮合副排列组合的布置形式，共有“SOSO”、“SOOS”、“OSSO”和“OSOS”四种传动形式，针对其中任意一种传动结构，又分为双级均为内摆线滚道、双级均为外摆线滚道、一级为内摆线滚道二级为外摆线滚道、一级为外摆线滚道二级为内摆线滚道四种情况，共计十六种传动结构。
在本实施例中采用了OSSO型，且双级均为组合齿面内摆线滚道，活齿均采用尺寸相同的标准球体。其传动参数见表1：
表1结构理论参数表
Figure BDA0002678909110000061
在本实施例中的机械平衡滚动体，由保持架和十二种长度相同但直径规格不同的滚柱组成，分别是第一到第十二滚柱；保持架和所有滚柱的材料选用和输入轴及过渡活齿轮相同密度的材料；第一滚柱有一个；第二到底十二滚柱均有两个，且关于第一滚柱径向直线呈对称分布的关系；如图9所示，为所有滚柱编号，分别对应502～513号，则其规格尺寸见表2：
表2滚柱规格尺寸表
表2滚柱规格尺寸表
Figure BDA0002678909110000062
Figure BDA0002678909110000071
本发明工作原理：由前述，本发明的结构按照啮合副排列组合的布置形式，共有“SOSO”、“SOOS”、“OSSO”和“OSOS”四种传动形式，SOSO反过来就是OSOS，OSOS反过来就是SOSO，而SOOS与OSSO反过来还是自身，故统一按照固定活齿轮被固定的情况来说明其传动原理及减速比计算公式，即可涵盖所有情况。
当固定活齿轮固定时，驱动输入轴，使得过渡活齿轮的轴线绕着输入轴的轴线公转，此时沿圆周均布的一级钢球活齿同时与固定活齿轮的第一活齿啮合副以及过渡活齿轮的第二活齿啮合副同时啮合，由于固定活齿轮的第一活齿啮合副与固定活齿轮固连而固定不动，故一级钢球活齿在与固定活齿轮的第一活齿啮合副啮合的同时，通过过渡活齿轮的第二活齿啮合副，推动过渡活齿轮沿着自身轴线自转，故过渡活齿轮的运动为绕着输入轴轴线的公转以及绕着自身轴线的自转，在过渡活齿轮以上述规律运动的同时，其上的第三活齿啮合副，推动与之啮合的二级钢球活齿，进而通过推动与二级钢球活齿啮合的输出活齿轮上的第四活齿啮合副，而推动输出活齿轮沿着自身轴线自转，由于输出活齿轮与输入轴同轴线，故运动经由输入轴输入，最终由输出活齿轮减速输出。
过渡活齿轮处于输入轴的偏心轴段上，在没有机械平衡滚动体时，当输入轴高速转动带动过渡活齿轮既公转又自转的同时，会产生极大地振动，这极大的影响了整机的寿命以及应用了该减速器的设备的性能。对此，常规的技术手段是对输入轴或过渡活齿轮配重，通过局部增重或减重，达到机械平衡的目的，这在一定程度上增大了设计制造难度。对此，本发明采用了机械平衡滚动体，其与输入轴、过渡活齿轮及第二轴承构成了一个具备机械平衡性能的有机整体，极大地改善了使用性能，并降低了加工制造难度。此外，机械平衡滚动体充当了偏心滚柱轴承的角色，将减速器各个传动构件有机地联系在了一起，综合性能得到提升，由于过渡活齿轮不再能够在轴向的法平面内微幅摆动，故输出端的轴承可以采用单列深沟球轴承的形式，输出活齿轮通过密排钢球和二级钢球活齿，将达到和交叉滚子轴承一样的技术效果。
为增大输出端轴承体的工作载荷并简化工艺，输出端采用密排钢球式的方案，而采用密排钢球，所有钢球彼此相切，就需要特定条件的限制，即第一密排滚道的滚道半径Rd1、第一密排滚道的滚道径向半径Rf1、第二密排滚道的滚道半径Rd2、第二密排滚道的滚道径向半径Rf2、密排钢球的半径Rm、密排钢球球心所在圆的半径Rf0以及密排钢球个数Nm需同时满足下列关系式：
Figure BDA0002678909110000081
上式中，考虑到实际加工误差和使用时温升热膨胀效应，第一密排滚道的滚道半径Rd1或第二密排滚道的滚道半径Rd2需是密排钢球的半径Rm的1～1.02倍。
四种传动形式的减速比计算公式分别对应如下：
对于SOSO型，其减速比计算公式为：
Figure BDA0002678909110000082
对于SOOS型，其减速比计算公式为：
Figure BDA0002678909110000083
对于OSSO型，其减速比计算公式为：
Figure BDA0002678909110000084
对于OSOS型，其减速比计算公式为：
Figure BDA0002678909110000091
对于前述优选实施例，将各参数带入上述OSSO型减速比计算公式可得，其减速比为94.5，即固定活齿轮被固定、输入轴输入的情况下，输入轴每转动94.5圈，输出活齿轮才转动1圈。
本减速器有多种安装使用方式，在输入轴、固定活齿轮与输出活齿轮三者之中，任选一个作为固定件，在剩下的两个中任选一个做输入件，则剩下的那个就是输出件；特别的，当选用输入轴作为输出件时，其减速比小于1，即为增速运动，是增速器，不具备减速效果。

Claims (10)

1.一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，包括输入轴、固定活齿轮、一级钢球活齿、过渡活齿轮、机械平衡滚动体、壳体、端盖、密排钢球、输出活齿轮、二级钢球活齿、第一轴承14、第二轴承，其特征在于：所述的端盖和固定活齿轮分别固定安装在壳体两侧；输出活齿轮铰接在端盖上；端盖与输出活齿轮之间装配有一圈沿圆周均布的、彼此球面相切的密排钢球；输入轴两端分别通过一个第一轴承14铰接在固定活齿轮和输出活齿轮上；输入轴中间铰接有一个第二轴承；第二轴承上铰接有一个过渡活齿轮；过渡活齿轮与壳体之间的偏心圆环状空间内安装有一个机械平衡滚动体，机械平衡滚动体分别与过渡活齿轮外壁以及壳体内壁接触配合；过渡活齿轮与固定活齿轮之间啮合有一圈正整数个沿圆周均布的一级钢球活齿；过渡活齿轮与输出活齿轮之间啮合有一圈正整数个沿圆周均布的二级钢球活齿。
2.如权利要求1所述的一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，其特征在于：端盖通过正整数个沿圆周均布的第二螺钉固定安装在壳体一侧；固定活齿轮通过正整数个沿圆周均布的第二螺钉固定安装在壳体另一侧；塞子通过紧定螺钉固定安装在端盖上；密封圈固定安装在端盖上，且密封了端盖与输出活齿轮之间的缝隙；输入轴、第一轴承和输出活齿轮之间的空间内安装有一个密封环；输入轴、第一轴承和固定活齿轮之间的空间内安装有另一个密封环。
3.如权利要求1所述的一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，其特征在于：端盖上的塞孔和定位孔分别用于安装塞子和紧定螺钉；端盖和塞子与所有密排钢球的接触配合面为第一密排滚道的滚道面。
4.如权利要求1所述的一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，其特征在于：输出活齿轮上有第二密排滚道和第四活齿啮合副；第二密排滚道用于与密排钢球的配合；第四活齿啮合副为活齿槽或活齿滚道，用于与二级钢球活齿啮合；过渡活齿轮两侧分别有第二活齿啮合副和第三活齿啮合副；第二活齿啮合副为活齿槽或活齿滚道，用于与一级钢球活齿啮合；第三活齿啮合副为活齿槽或活齿滚道，用于与二级钢球活齿啮合；固定活齿轮上有第一活齿啮合副；第一活齿啮合副为活齿槽或活齿滚道，用于与一级钢球活齿啮合。
5.如权利要求4所述的一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，其特征在于：与所有一级钢球活齿啮合的第一活齿啮合副和第二活齿啮合副必须同时包含活齿槽和活齿滚道；与所有二级钢球活齿啮合的第三活齿啮合副和第四活齿啮合副必须同时包含活齿槽和活齿滚道。
6.如权利要求5所述的一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，其特征在于：与一级钢球活齿啮合的活齿槽数量与一级钢球活齿相同，且活齿槽槽面为包裹住一级钢球活齿的球面；与一级钢球活齿啮合的活齿滚道对应的啮合曲线为一级啮合曲线，一级啮合曲线可以是内摆线，也可以是外摆线；与二级钢球活齿啮合的活齿槽数量与二级钢球活齿相同，且活齿槽槽面为包裹住二级钢球活齿的球面；与二级钢球活齿啮合的活齿滚道对应的啮合曲线为二级啮合曲线，二级啮合曲线可以是内摆线，也可以是外摆线；在一级钢球活齿的啮合副或二级钢球活齿的啮合副中，当啮合曲线为内摆线时，活齿滚道波数比活齿槽槽数多一，反之，当啮合曲线为外摆线时，活齿滚道波数比活齿槽槽数少一。
7.如权利要求6所述的一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，其特征在于：活齿滚道为根切齿面滚道或组合齿面滚道；当啮合曲线为内摆线时，活齿滚道为根切齿面内摆线滚道或组合齿面内摆线滚道；当啮合曲线为外摆线时，活齿滚道为根切齿面外摆线滚道或组合齿面外摆线滚道；根切齿面滚道是由可造成齿面根切的钢球活齿的球心沿着啮合曲线运动一周后，钢球活齿齿面的运动轨迹包络面与滚道所在构件的相交面；组合齿面滚道是由多组数量相同但种类不同的齿面沿圆周均布彼此连接组合而成的齿面，所有齿面对应的啮合曲线取并集，将构成一条完整的啮合曲线，如内摆线或外摆线。
8.如权利要求1或6所述的一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，其特征在于：输入轴包括第一轴段、偏心轴段、第二轴段和内花键，其中，第一轴段和第二轴段同轴线，用于铰接第一轴承；偏心轴段用于铰接第二轴承；内花键用于对外连接驱动装置；一级钢球活齿所在的活齿滚道波幅与二级钢球活齿所在的活齿滚道波幅相等，且均等于偏心轴段相对于第一轴段或第二轴段的偏心距。
9.如权利要求1所述的一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，其特征在于：机械平衡滚动体由一个保持架和正整数个直径从小到大的不同规格的滚柱组成；滚柱安装在保持架对应的滚柱槽内，所有滚柱分别同时与过渡活齿轮外壁及壳体内壁接触配合；所有滚柱可以沿圆周均布，也可以沿圆周不均布，不同滚柱之间的材料可以采用相同的，也可以采用不同的，但所有滚柱与保持架构成的机械平衡滚动体，和过渡活齿轮、第二轴承、输入轴构成的整体结构的重心，处于减速器的中心轴线上。
10.如权利要求3或4所述的一种机械平衡组合齿面滚道摆线活齿减速器，其特征在于：第一密排滚道的滚道半径Rd1、第一密排滚道的滚道径向半径Rf1、第二密排滚道的滚道半径Rd2、第二密排滚道的滚道径向半径Rf2、密排钢球的半径Rm、密排钢球球心所在圆的半径Rf0以及密排钢球个数Nm需同时满足下列关系式：
Figure FDA0002678909100000031
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