專利名稱：一種斜交齒輪機構的制作方法
技術領域：
本方法涉及齒輪傳動機構和微機電系統(tǒng)設計，具體是空間曲線嚙合傳動方法，本發(fā)明還涉及實現(xiàn)上述方法的機構。

背景技術：
現(xiàn)代社會的發(fā)展，促進了微小機械裝置(1～100mm)和微機械裝置(10μm～1mm)的快速發(fā)展，微機械學成為機械學科前沿之一。微小機械和微機械的核心功能之一是實現(xiàn)微小空間內小功率和連續(xù)運動傳遞。
微小型機械傳動機構的工作原理、性能特征和設計制造的創(chuàng)新研究已經(jīng)成為機械科學前沿研究領域的重要方向之一。另外齒輪傳動是應用最廣泛的一種傳動技術，齒輪已經(jīng)形成一個獨立的行業(yè)體系，是機械工業(yè)仍至現(xiàn)代工業(yè)的重要基礎之一，它伴隨著整個工業(yè)文明的發(fā)展進程。新型高性能齒輪機構的設計和制造技術一直都是機械工業(yè)重點的研究領域之一。由于微小型/微型機電產品的最重要特征是小體積(要求傳動機構和傳動系統(tǒng)占用空間小)、輕重量，大多以小動力的運動傳遞或者分度運動為主，而不是以大功率的動力傳遞為主，使得常規(guī)工業(yè)廣泛應用的傳動機構(如齒輪、鏈、帶、連桿等)往往不適用于這類產品。所以實現(xiàn)微小機械傳動方法和機構成為微機電系統(tǒng)領域的關鍵技術。
各發(fā)達國家先后都大力開展了微小傳動技術研究，并取得了較大的成就，近年來微小傳動技術得到了廣泛的應用。目前世界各國研究開發(fā)的微小機械傳動技術主要包括 (1)傳統(tǒng)機械傳動機構的直接微小型化機械傳動技術。例如，微泵機構、微彈簧機構、微流量閥機構、微輪系機構、微并聯(lián)機構、微棘輪機構、微液壓驅動機構等微小機械傳動機構。傳統(tǒng)機械傳動機構直接微小型化存在著一些明顯的缺點。例如，微小圓柱齒輪制造和安裝精度要求高，且成本較高，而且無法實現(xiàn)垂直相交軸間的傳動；微小錐齒輪傳動無法實現(xiàn)大傳動比傳動，同時微小錐齒輪制造和安裝更困難；微小摩擦輪傳動需要附加正壓力施加裝置，結構復雜，而且造成軸系的變形和摩擦、磨損加??；微小蝸桿傳動則因蝸輪蝸桿的軸線不在同一平面所占的空間過大；微螺旋傳動效率低，易磨損，低速時有爬行，等等。
(2)非傳統(tǒng)機械微驅動技術。例如，電-熱驅動，巨磁彈性驅動、電鍍微驅動、形狀記憶合金(SMA)驅動，熱機械式驅動，磁流體驅動，壓電驅動，基于無預應變非傳導性彈性體人工肌肉驅動器，利用光激發(fā)激光器的微沖擊驅動機構等等。這些非機械微驅動技術，有的已經(jīng)得到工業(yè)應用，特別是壓電微驅動技術得到了大量的工業(yè)應用。但是，有的結構復雜、價格昂貴，性能不穩(wěn)定。非傳統(tǒng)機械微驅動技術的最重要特征是，只適用于實現(xiàn)微小位移或微小力的瞬時觸發(fā)或者間歇傳動，而且大多還處于研究階段。
(3)組合或者綜合微驅動技術。例如，微-宏或者組合連桿微驅動；氣體驅動與巨磁致伸縮驅動混合驅動器，等等。
(4)基于傳統(tǒng)機械傳動機構形式進行根本性原理創(chuàng)新的微小機械傳動機構。為了實現(xiàn)微小空間內的微小力或者運動的連續(xù)傳動，同時又要克服傳統(tǒng)傳動機構直接微小型化產生的一系列問題，許多學者基于傳統(tǒng)機械傳動機構進行根本性原理創(chuàng)新而研究新型的微小傳動機構。這類微小機械傳動機構研究具有原創(chuàng)性特色，目前屬于最新的研究領域之一。


發(fā)明內容
本發(fā)明針對目前該領域現(xiàn)有技術存在的問題，提出一種斜交齒輪機構。本發(fā)明由同一平面內軸線任意角度相交的主動輪，從動輪組成傳動副，依靠主從動輪上均勻分布的主動鉤桿與從動輪鉤桿之間的連續(xù)嚙合作用實現(xiàn)穩(wěn)定的傳動。本發(fā)明的具體技術方案如下 一種斜交齒輪機構，該機構由主動輪和從動輪組成傳動副，主動輪和從動輪的軸線在以任意角度交叉，主動輪連接輸入軸，從動輪連接被驅動裝置轉動軸，通過主動鉤桿與從動輪鉤桿之間的連續(xù)嚙合作用實現(xiàn)傳動，所述任意角度不等于90°。
上述的斜交齒輪機構中，所述主動輪上有若干主動鉤桿，從動輪上有若干從動鉤桿，主動鉤桿均勻分布在主動輪圓柱體的端面上，從動鉤桿均勻分布在從動輪圓柱面的圓周上，主動輪和從動輪組成一對傳動副，主動輪在電機的帶動下，主動鉤桿與從動鉤桿嚙合，實現(xiàn)空間任意交叉軸之間的傳動。
上述的斜交齒輪機構中，所述主動鉤桿為空間螺旋線形狀，從動鉤桿的中心空間曲線與主動鉤桿的中心空間曲線共扼。
上述的斜交齒輪機構中，其中一個主動鉤桿和一個從動鉤桿嚙合，在即將脫離嚙合但沒有完全脫離嚙合時，另一個主動鉤桿和另一個從動鉤桿又接著參與了嚙合，夠實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的嚙合傳動。
上述的斜交齒輪機構中，所述的從動鉤桿的中心空間曲線與主動鉤桿的中心空間曲線形狀由如下方法確定在o-x，y，z及op-xp，yp，zp兩個空間坐標系中，Z軸與主動輪的回轉軸線重合，ZP軸與從動輪的回轉軸線重合，xoz與xpopzp在同一平面，平面xpopyp與平面x o y之間的夾角為θ，0°＜θ＜180°；OP點到z軸的距離為a，到在x軸的距離為b，坐標系o-x，y，z與主動輪固聯(lián)，坐標系o2-x2，y2，z2與從動輪固聯(lián)，在起始位置它們分別與坐標系o-x，y，z及op-xp，yp，zp重合，主動輪以勻角速度ω1繞z軸旋轉，從動輪以勻角速度ω2繞ZP軸旋轉，從起始位置經(jīng)一段時間后，坐標系o1-x1，y1，z1及o2-x2，y2，z2運動，此時主動輪繞z軸轉過φ1角，從動輪繞ZP軸轉過φ2角； 則主動鉤桿和從動輪鉤桿中心線空間曲線方程可表示為 其中式 是空間共軛曲線的嚙合方程； r1＝x1(t)i1+y1(t)j1+z1(t)k1為主動鉤桿中心線的徑失表達式；為主動鉤桿中心線的空間曲線方程表達式；t為參變量，且-π＜t，t的終點值由空間共軛曲線的嚙合方程式確定； β1為嚙合點M的單位主法失，即，β1＝βx1i1+βy1j1+βz1k1，i1，k1，k1分別為x1，y1，z1各坐標軸單位矢量βx1，βy1，βz1分別為單位主法失β1在x1，y1，z1各坐標軸分量的大小， 其中 r1為主動鉤桿中心線的徑失，s為中心線曲線弧長； 與主動鉤桿空間曲線共軛的從動輪鉤桿的空間曲線方程為 式中 θ—主、從動輪軸線夾角的補角，范圍為0°-180°； a，b—OP點到z軸的距離為a，a＞0；OP到在x軸的距離為b，b＞0； ω1，ω2—主動輪與從動輪轉動的角速度； i21—主動輪與從動輪的傳動比，即主動鉤桿數(shù)量與從動輪鉤桿數(shù)量之比； D—為主從動鉤桿直徑； 當確定主動鉤桿中心線方程和a，b，D，i21，θ的值時，與之共軛的從動鉤桿的中心線方程隨之確定，主動輪和從動輪的形狀也確定，從而得到斜交齒輪傳動機構。
本發(fā)明基于傳統(tǒng)機械傳動機構形式(齒輪傳動形式)上進行根本性原理創(chuàng)新(基于任意交叉軸空間曲線嚙合原理)的微小機械傳動方法，能夠為微小機械裝置提供連續(xù)穩(wěn)定嚙合傳動的方法。極大的減化了微機械傳動裝置的結構，縮小幾何尺寸，減小質量，提高操作的靈活性，造價低廉，便于在微機電領域的應用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下的優(yōu)點 1、斜交齒輪傳動機構可以實現(xiàn)空間同一平面內任意交叉軸之間的運動傳遞，由于兩個輪軸位于同一個平面可成任意相交角度，其適用范圍將比傳統(tǒng)用于平行軸或者正交軸之間傳遞運動的運動副更廣； 2、斜交齒輪傳動機構只有一個傳動副，使得傳動系零件數(shù)減至最少，與傳統(tǒng)微小型變速機構(如微小行星齒輪機構)相比，該傳動系結構十分簡單；與其它傳動技術(如SMA傳動、熱膨脹傳動、壓電傳動和電磁傳動)相比，它能實現(xiàn)在較高轉速(如1000轉/分)下的連續(xù)傳動； 3、斜交齒輪傳動機構的工藝性和經(jīng)濟性好，可以生產制造成為通用的微小型或微型傳動機構或減速器，便于簡化微小型或微型機電產品的結構，節(jié)省空間，減輕質量，并且造價低廉； 4、斜交齒輪傳動機構可以實現(xiàn)類似蝸輪蝸桿的大傳動比(如12∶1)傳動，同時，使得其空間尺寸比蝸桿傳動副小得多，且易于加工； 5、斜交齒輪傳動機構能夠實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的嚙合傳動，較之現(xiàn)有的非傳統(tǒng)機械微驅動技術有顯著的改進和更為廣泛的應用。



圖1為實施方式中的斜交齒輪機構示意圖。
圖2為圖1所示斜交齒輪機構的主動輪及其鉤桿的主視圖。
圖3為圖1所示斜交齒輪機構的主動輪及其鉤桿的俯視圖。
圖4為圖1所示斜交齒輪機構的從動輪及其鉤桿示意圖。
圖5為實施方式中當主動輪和從動輪的夾角為180°-θ時的示意圖。
圖6為圖5中所示坐標示意圖的部分俯視圖。
圖7為實施方式中的斜交齒輪機構的應用示意圖。

具體實施例方式 下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步說明，但本發(fā)明的實施不限于此。
如圖1所示，本發(fā)明的斜交齒輪機構的連接關系為主動輪5與驅動器(電機6)固聯(lián)，從動輪2與被驅動裝置相聯(lián)。如圖2、圖3所示，主動鉤桿4均勻布置在主動輪端面的圓周上，如圖4所示，從動鉤桿3均勻布置在從動輪圓柱面的圓周上，主從動輪組成一對傳動副。主動鉤桿與從動鉤桿嚙合，實現(xiàn)空間任意交叉軸之間的傳動。主動鉤桿和從動輪鉤桿是基于任意交叉軸空間曲線嚙合原理設計制作出來的，不同于之前研究發(fā)明的基于正交軸空間曲線嚙合原理的空間曲線嚙合輪(一種空間曲線嚙合傳動機構，中國專利申請?zhí)?00810029649.0)。具體的來說主動鉤桿形狀為空間螺旋線，而從動輪鉤桿形狀為與其共扼的空間曲線。
其傳動原理為主動輪在微電機的帶動下進行轉動，其中一對主動鉤桿與從動鉤桿接觸，開始進入嚙合，實現(xiàn)空間任意交叉軸之間的傳動。這對鉤桿嚙合一段時間后，在即將脫離嚙合，但還沒有完全脫離嚙合時下一對鉤桿又接著參與了嚙合，因此能夠實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的嚙合傳動。下面結合附圖進一步說明本發(fā)明主動鉤桿與從動鉤桿的空間曲線形狀的確定。
如圖5和圖6所示，其中o-x，y，z及op-xp，yp，zp是兩個空間坐標系，Z軸與主動輪的回轉軸線重合，ZP軸與從動輪的回轉軸線重合，xoz與xpopzp在同一平面，平面xpopyp與平面x o y之間的夾角為θ(0°＜θ＜180°)。OP點到z軸的距離為a，到在x軸的距離為b。坐標系o-x，y，z與主動輪固聯(lián)，坐標系o2-x2，y2，z2與從動輪固聯(lián)，在起始位置它們分別與坐標系o-x，y，z及op-xp，yp，zp重合。主動輪以勻角速度ω1繞z軸旋轉，從動輪以勻角速度ω2繞ZP軸旋轉。從起始位置經(jīng)一段時間后，坐標系o1-x1，y1，z1及o2-x2，y2，z2運動到圖5中所示的位置，主動輪繞z軸轉過φ1角，從動輪繞ZP軸轉過φ2角。
則主動鉤桿和從動輪鉤桿中心線空間曲線方程可表示為 其中式 是空間共軛曲線的嚙合方程。
r1＝x1(t)i1+y1(t)j1+z1(t)k1為主動鉤桿中心線的徑失表達式；為主動鉤桿中心線的空間曲線方程表達式；t為參變量，且-π＜t(注t的起始值為-π，t的終點值由空間共軛曲線的嚙合方程式確定)； β1為嚙合點M的單位主法失，即，β1＝βx1i1+βy1j1+βz1k1，i1，j1，k1分別為x1，y1，z1各坐標軸單位矢量βx1，βy1，βz1分別為單位主法失β1在x1，y1，z1各坐標軸分量的大小。其中 (r1為主動鉤桿中心線的徑失，s為中心線曲線弧長) 主動鉤桿空間曲線共軛的從動輪鉤桿的空間曲線方程為 式中 θ—主、從動輪軸線夾角的補角，范圍為0°-180°； a，b—OP點到z軸的距離為a(a＞0)；OP到在x軸的距離為b(b＞0)(如圖6)； ω1，ω2—主動輪與從動輪轉動的角速度； i21—主動輪與從動輪的傳動比，即主動鉤桿數(shù)量與從動輪鉤桿數(shù)量之比； D—為主從動鉤桿直徑。
(注x，y，z，x1，y1，z1，x2，y2，z2，xp，yp，zp，a，b，D的單位均為毫米)上式中，當確定主動鉤桿中心線方程和a，b，D，i21，的值時，與之共軛的從動鉤桿的中心線方程就隨之確定了，這樣主從動輪的形狀也就確定了，從而得到了斜交齒輪傳動機構。
當上式中主動鉤桿中心線方程為(此時-π＜t＜-1.85625)，θ＝150°，a＝45，b＝60，i21＝1/12，D＝1時，求得從動鉤桿中心線的曲線方程為 根據(jù)求出的從動鉤桿中心線方程便可得出從動輪機構的外型，其形狀如圖5所示。
應用實例 本發(fā)明方法及機構適用于為微機械裝置提供驅動器，本實例中以斜交齒輪安裝于試驗臺為實例。如圖7所示，試驗臺由支架1，主動輪5，主動鉤桿4，從動輪鉤桿3，從動輪2，電機6，精密三維移動臺7，編碼器8和分度盤9組成。
精密三維移動臺7安裝在分度盤9上，微電機6固定在精密三維移動臺7上，主動輪2與微電機6主軸固接，編碼器8固定在支架1上，從動輪4與編碼器8固接。通過分度盤分度，可以得到0-180°的交叉角度。主動輪2與從動輪4之間通過各自的鉤桿3，4形成傳動副。微電機3采用市售的外徑8mm的直流電動機，用普通2v電池作為電源。
本實例中主動鉤桿中心線方程為(此時-π＜t＜-1.7555)，θ＝120°，傳動比i21＝1/4，a＝20，b＝20，主動鉤桿數(shù)量為6，從動輪鉤桿數(shù)量為24，主、從動鉤桿直徑D均為1.2。
求得從動鉤桿中心線方程為然后根據(jù)此中心線方程可以確定主從動輪傳動副的形狀。
如圖2和圖3所示，主動輪和主動鉤桿采用光敏樹脂通過快速原型技術來制作，一體成型。主動鉤桿為空間螺旋線形狀，且其直徑D為1.2。
如圖4所示，從動輪和從動輪鉤桿采用光敏樹脂通過快速原型技術來制作，一體成型。從動輪鉤桿為與主動鉤桿(空間螺旋線)相共扼的空間曲線形狀，且其直徑D為1.2。
本實例所研制的斜交齒輪機構進行運動學實驗，實驗結果為在主動輪轉速(1000轉/分)恒定的情況下，通過編碼器測得從動輪轉速穩(wěn)定；瞬時傳動比和平均傳動比穩(wěn)定。表明斜交齒輪能夠實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的嚙合傳動。這表明本發(fā)明研制的斜交齒輪傳動方法可行。
本發(fā)明為齒輪機構和微小機械裝置提供了一種能夠用于任意交叉軸連續(xù)穩(wěn)定嚙合傳動的方法與機構。該機構能夠極大地簡化了齒輪機構和微機械傳動裝置的結構，縮小幾何尺寸，減小質量，提高操作的靈活性，且制作簡單，造價低廉，便于在微機電領域的應用。
權利要求
1.一種斜交齒輪機構，該機構由主動輪和從動輪組成傳動副，其特征在于主動輪和從動輪的軸線在以任意角度交叉，主動輪連接輸入軸，從動輪連接被驅動裝置轉動軸，通過主動鉤桿與從動輪鉤桿之間的連續(xù)嚙合作用實現(xiàn)傳動，所述任意角度不等于90°。
2.根據(jù)權利要求1所述的斜交齒輪機構，其特征在于所述主動輪上有若干主動鉤桿，從動輪上有若干從動鉤桿，主動鉤桿均勻分布在主動輪圓柱體的端面上，從動鉤桿均勻分布在從動輪圓柱面的圓周上，主動輪和從動輪組成一對傳動副，主動輪在電機的帶動下，主動鉤桿與從動鉤桿嚙合，實現(xiàn)空間任意交叉軸之間的傳動。
3.根據(jù)權利要求1所述的斜交齒輪機構，其特征在于所述主動鉤桿為空間螺旋線形狀，從動鉤桿的中心空間曲線與主動鉤桿的中心空間曲線共扼。
4.根據(jù)權利要求3所述的斜交齒輪機構，其特征在于其中一個主動鉤桿和一個從動鉤桿嚙合，在即將脫離嚙合但沒有完全脫離嚙合時，另一個主動鉤桿和另一個從動鉤桿又接著參與了嚙合，夠實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的嚙合傳動。
5.根據(jù)權利要求3所述的斜交齒輪機構，其特征在于所述的從動鉤桿的中心空間曲線與主動鉤桿的中心空間曲線形狀由如下方法確定在o-x，y，z及op-xp，yp，zp兩個空間坐標系中，Z軸與主動輪的回轉軸線重合，ZP軸與從動輪的回轉軸線重合，xoz與xpopzp在同一平面，平面xpopyp與平面xoy之間的夾角為θ，0°＜θ＜180°；OP點到z軸的距離為a，到在x軸的距離為b，坐標系o-x，y，z與主動輪固聯(lián)，坐標系o2-x2，y2，z2與從動輪固聯(lián)，在起始位置它們分別與坐標系o-x，y，z及op-xp，yp，zp重合，主動輪以勻角速度ω1繞z軸旋轉，從動輪以勻角速度ω2繞ZP軸旋轉，從起始位置經(jīng)一段時間后，坐標系o1-x1，y1，z1及o2-x2，y2，z2運動，此時主動輪繞z軸轉過φ1角，從動輪繞ZP軸轉過φ2角；
則主動鉤桿和從動輪鉤桿中心線空間曲線方程可表示為
其中式
是空間共軛曲線的嚙合方程；
r1＝x1(t)i1+y1(t)j1+z1(t)k1為主動鉤桿中心線的徑失表達式；為主動鉤桿中心線的空間曲線方程表達式；t為參變量，且-π＜t，t的終點值由空間共軛曲線的嚙合方程式確定；
β1為嚙合點M的單位主法失，即，β1＝βx1i1+βy1j1+βz1k1，i1，j1，k1分別為x1，y1，z1各坐標軸單位矢量βx1，βy1，βz1分別為單位主法失β1在x1，y1，z1各坐標軸分量的大小，其中
r1為主動鉤桿中心線的徑失，s為中心線曲線弧長；
與主動鉤桿空間曲線共軛的從動輪鉤桿的空間曲線方程為
式中
θ—主、從動輪軸線夾角的補角，范圍為0°-180°；
a，b—OP點到z軸的距離為a，a＞0；OP到在x軸的距離為b，b＞0；
ω1，ω2—主動輪與從動輪轉動的角速度；
i21—主動輪與從動輪的傳動比，即主動鉤桿數(shù)量與從動輪鉤桿數(shù)量之比；
D—為主從動鉤桿直徑；
當確定主動鉤桿中心線方程和a，b，D，i21，θ的值時，與之共軛的從動鉤桿的中心線方程隨之確定，主動輪和從動輪的形狀也確定，從而得到斜交齒輪傳動機構。
全文摘要
本發(fā)明提供一種斜交齒輪機構，該機構由主動輪和從動輪組成傳動副，主動輪和從動輪的軸線在以任意角度交叉，主動輪連接輸入軸，從動輪連接被驅動裝置轉動軸，通過主動鉤桿與從動輪鉤桿之間的連續(xù)嚙合作用實現(xiàn)傳動，所述任意角度不等于90°；所述主動輪上有若干主動鉤桿，從動輪上有若干從動鉤桿，主動鉤桿均勻分布在主動輪圓柱體的端面上，從動鉤桿均勻分布在從動輪圓柱面的圓周上，主動輪和從動輪組成一對傳動副，主動輪在電機的帶動下，主動鉤桿與從動鉤桿嚙合，實現(xiàn)空間任意交叉軸之間的傳動。本發(fā)明能夠極大的減化了微機械傳動裝置的結構，縮小幾何尺寸，減小質量，提高操作的靈活性，造價低廉，便于在微機電領域的應用。
文檔編號F16H55/17GK101782129SQ20101010590
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權日2010年1月29日
發(fā)明者陳揚枝, 陳禎, 傅小燕, 丁江 申請人:華南理工大學