專利名稱：基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到齒輪傳動設(shè)備領(lǐng)域，特指一種可自適應(yīng)消隙的齒輪傳動機構(gòu)。
背景技術(shù)：
齒輪傳動是指所有以輪齒嚙合傳動為傳動形式的廣義的齒輪傳動，它包含平行軸 齒輪傳動、相交軸齒輪傳動和交錯軸齒輪傳動三大類。所以，齒輪傳動中的齒輪是廣義形式 上的齒輪，它包括圓柱齒輪、齒條、錐齒輪、蝸輪、蝸桿、具有變傳動比特性的非圓柱齒輪等， 其齒形可分為直齒、斜齒、人字齒、曲線(如擺線)齒、曲面(如準雙曲面)齒等。在齒輪傳動系統(tǒng)中，由于制造和裝配誤差不可避免會帶來反向間隙。單純采用制 造高精度齒輪的方法來消除間隙成本過高，也無法實現(xiàn)自適應(yīng)消隙傳動。因此人們通過采 用特殊設(shè)計、制造和裝配方法，在不提高齒輪制造精度的情況下盡可能消除間隙。到目前為 止已有多種方法得到應(yīng)用，幾種典型的消除間隙方法或結(jié)構(gòu)如下
1、調(diào)整傳動軸回轉(zhuǎn)中心位置(徑向位置或軸向位置)。通過改變傳動軸回轉(zhuǎn)中心位置來 減少和控制間隙。該方法的優(yōu)點是允許存在較大的傳動軸中心位置誤差和齒輪節(jié)圓尺寸誤 差，主要缺點是只能消除常值間隙，而不能消除變值間隙，且對裝配要求較高。在傳動精度 要求較高的情形下，單純采用此法消隙效果有限。2、采用剛性調(diào)整齒厚的剪式組合齒輪傳動。其實質(zhì)是通過剛性調(diào)整改變組合齒輪 的齒厚，對常值間隙進行補償，其結(jié)構(gòu)相對較簡單，但只能消除常值間隙，且平均有效最大 嚙合齒寬只有總齒寬的二分之一，對結(jié)構(gòu)強度特性和力學(xué)特性有影響。3、采用彈簧加載調(diào)整齒厚的剪式組合齒輪傳動。其實質(zhì)是通過彈簧加載實時改變 組合齒輪的齒厚，對常值間隙和變值間隙進行補償，可連續(xù)消除全部間隙，缺點是1)由于 彈簧載力必須大于最大傳動負載，因此只限于轉(zhuǎn)矩較低的齒輪傳動；2)平均有效最大嚙合 齒寬只有總齒寬的二分之一，對結(jié)構(gòu)強度特性和力學(xué)特性有影響；3)結(jié)構(gòu)、裝配工藝相對較 復(fù)雜，可靠性不高，如果齒輪加載彈簧安裝不當，則易出故障。4、采用防間隙的輔助齒輪裝置。該法是用一個單向加載的輔助齒輪傳動鏈使各齒 輪扭緊，形成單側(cè)嚙合而消除間隙。該方法可連續(xù)消除全部間隙，但結(jié)構(gòu)、裝配工藝相對較 復(fù)雜，且單向附加載荷會影響結(jié)構(gòu)強度特性和力學(xué)特性。此外，還有資料報道過具有柔性嚙合帶的齒輪傳動方法和具有嚙合帶齒的無間隙 齒輪傳動機構(gòu)的應(yīng)用情況。但由于技術(shù)的不成熟性或工藝的復(fù)雜性，其應(yīng)用尚不普遍。以上方法1和方法2只能消除常值間隙，方法3依靠彈簧作用實現(xiàn)消除間隙，但其 結(jié)構(gòu)、裝配工藝相對較復(fù)雜，且在有沖擊載荷作用的場合不可靠。方法4結(jié)構(gòu)、裝配工藝相 對較復(fù)雜，且單向附加載荷會影響結(jié)構(gòu)強度特性和力學(xué)特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一 種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低廉、加工方便、適用范圍廣、實現(xiàn)自適應(yīng)消隙的基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。一種基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)，包括兩個以上相互嚙合的齒輪傳 動件，其特征在于所述至少一個齒輪傳動件的端面上開設(shè)有兩圈以上的環(huán)形槽，所述相鄰 兩圈的環(huán)形槽之間形成柔順結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的進一步改進
所述環(huán)形槽由兩個以上的通槽組成，處于同一圈環(huán)形槽中的通槽為不連續(xù)分布，所述 同一圈環(huán)形槽中相鄰?fù)ú壑g設(shè)有固聯(lián)點。所述通槽為弧形槽、或長條形槽、或矩形槽、或異形槽。所述各圈環(huán)形槽中通槽的數(shù)量相同、或各圈環(huán)形槽中通槽的數(shù)量不相同。所述環(huán)形槽與齒輪傳動件的齒輪節(jié)圓同軸心、或環(huán)形槽與齒輪傳動件的齒輪節(jié)圓 不同軸心。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點就在于
1、本發(fā)明采用基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)，能夠獲得自適應(yīng)消除傳動間 隙的效果，無須采用其它特別設(shè)計的消隙手段，就可以真正實現(xiàn)高精度無間隙傳動，且可使 傳動系統(tǒng)兼具良好的剛度和阻尼特性。本發(fā)明適合范圍廣(沖擊載荷特別大的場合除外)， 可廣泛適用于精密減速器、精密伺服機構(gòu)的傳動系統(tǒng)，特別是對可控性要求較高的機械傳 動系統(tǒng)，如高精度姿態(tài)穩(wěn)定/跟蹤平臺傳動機構(gòu)、精密數(shù)控機床傳動系統(tǒng)等；
2、本發(fā)明基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)，采用傳統(tǒng)的、簡單緊湊的傳動系 統(tǒng)布局方式和傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式，所不同的是，在一對相互嚙合的傳動件中，至少(通常也 只須)有一個齒輪(含蝸輪)具有柔順結(jié)構(gòu)；同時，通過合理設(shè)計傳動軸中心位置參數(shù)(或通 過裝配調(diào)整)、周節(jié)誤差參數(shù)和齒厚參數(shù)等措施，保證在一個完整的嚙合周期內(nèi)該柔順結(jié)構(gòu) 在徑向方向始終存在一個適度的彈性變形；
3、本發(fā)明利用柔順結(jié)構(gòu)的徑向剛度特性、周向扭轉(zhuǎn)剛度特性和軸向剛度特性，采用特 別設(shè)計的具有合理結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性(其周向扭轉(zhuǎn)剛度特性和軸向剛度均遠大于 其徑向剛度)的基于柔順結(jié)構(gòu)的齒輪傳動機構(gòu)(齒輪或蝸輪)，利用其在嚙合過程中能夠自 適應(yīng)地沿其徑向產(chǎn)生彈性位移的特性，獲得自適應(yīng)消隙的效果；
4、本發(fā)明基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)能夠有效地完全消除反向間隙，同 時可以使傳動系統(tǒng)得到良好的剛度和阻尼特性，故特別適用于對機械系統(tǒng)可控性要求較高 的場合，如精密伺服傳動機構(gòu)、高精度姿態(tài)穩(wěn)定/跟蹤平臺傳動機構(gòu)、精密數(shù)控機床傳動系 統(tǒng)等。


圖1是實施例1中外嚙合齒輪的主視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1中A-A處的剖視結(jié)構(gòu)示意圖3是實施例1中內(nèi)嚙合齒輪的主視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是實施例2中外嚙合齒輪的主視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是實施例3中外嚙合齒輪的主視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是實施例4中外嚙合齒輪的主視結(jié)構(gòu)示意4圖7是實施例5中外嚙合齒輪的主視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是實施例6中外嚙合齒輪的主視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9是實施例7中外嚙合齒輪的主視結(jié)構(gòu)示意圖。圖例說明
1、齒輪傳動件；101、外嚙合齒輪；102、內(nèi)嚙合齒輪；2、端面；3、環(huán)形槽；301、通槽； 302、固聯(lián)點；4、柔順結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式以下將結(jié)合具體實施例和說明書附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明的基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)，包括兩個以上相互嚙合的齒 輪傳動件1，至少一個齒輪傳動件1的端面2上開設(shè)有兩圈以上的環(huán)形槽3，相鄰兩圈的環(huán) 形槽3之間形成柔順結(jié)構(gòu)4。該環(huán)形槽3可以由兩個以上的通槽301組成，位于同一圈環(huán)形 槽3中的通槽301為不連續(xù)分布，同一圈環(huán)形槽3中相鄰?fù)ú?01之間設(shè)有固聯(lián)點302。該 通槽301可以為弧形槽、或長條形槽、或矩形槽、或異形槽。各圈環(huán)形槽3中通槽301的數(shù) 量相同、或各圈環(huán)形槽3中通槽301的數(shù)量不相同。環(huán)形槽3與齒輪傳動件1的齒輪節(jié)圓 同軸心、或環(huán)形槽3與齒輪傳動件1的齒輪節(jié)圓不同軸心。本發(fā)明可適用于圓柱齒輪傳動 機構(gòu)、齒輪齒條傳動機構(gòu)、圓錐齒輪傳動機構(gòu)、螺旋齒輪傳動機構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)等等。 齒輪傳動件1齒圈部分的結(jié)構(gòu)要素可以是直齒輪、螺旋齒輪、錐齒輪或蝸輪等等。本發(fā)明的 自適應(yīng)消隙方法通?？梢耘c傳動軸回轉(zhuǎn)中心位置調(diào)整法一起配合使用。本發(fā)明無須特別設(shè)計的傳統(tǒng)的、簡單緊湊的傳動系統(tǒng)布局方式和傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型 式，能夠可靠實現(xiàn)齒輪傳動的自適應(yīng)消隙(同時消除常值和變值間隙)，且可使傳動系統(tǒng)兼 具良好的機械特性。采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以簡單、便捷地實現(xiàn)傳動系統(tǒng)傳動間隙故障的維 修。在不改變原傳動布局方式、傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的條件下，采用本發(fā)明所述的基于柔順結(jié)構(gòu)且 具有合理的齒厚參數(shù)的齒輪(含蝸輪)，替換原有傳動鏈中的相應(yīng)齒輪(含蝸輪)，即可簡單、 可靠地修復(fù)系統(tǒng)中的傳動間隙故障，實現(xiàn)自適應(yīng)消隙(同時消除常值和變值間隙)。本發(fā)明傳動機構(gòu)的設(shè)計過程分步實施如下
1、依據(jù)傳動系統(tǒng)技術(shù)要求，確定柔順結(jié)構(gòu)4的徑向剛度參數(shù)、周向扭轉(zhuǎn)剛度參數(shù)、軸向 剛度參數(shù)的合理取值范圍；
2、確定傳動鏈的周節(jié)精度參數(shù)、齒厚精度參數(shù)、傳動件回轉(zhuǎn)中心位置精度參數(shù)(在附圖 2中，即是合理確定偏差)等主要相關(guān)精度參數(shù)，由此確定嚙合過程中柔順結(jié)構(gòu)4沿其徑向 的彈性變形量的合理變化范圍(最小值通常不小于10 μ m。最大值與最小值之差值即變化 量，該變化量由傳動鏈的相關(guān)精度參數(shù)決定，不能太大，以免影響傳動系統(tǒng)的機械特性，一 般其取值與最小值的量級相當)，保證在一個完整的嚙合周期內(nèi)，柔順結(jié)構(gòu)4沿其徑向始終 存在一個合理的彈性變形量；
3、依據(jù)上述步驟1、2中所給出的徑向剛度/變形量參數(shù)、周向扭轉(zhuǎn)剛度/變形量參 數(shù)、軸向剛度/變形量參數(shù)，利用彈性力學(xué)理論，并考慮結(jié)構(gòu)工藝性和材料選型，設(shè)計出柔 順結(jié)構(gòu)4的合理的結(jié)構(gòu)型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)；
4、在上述步驟2中的結(jié)構(gòu)型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，必須對所確定的柔順結(jié)構(gòu)4進行應(yīng) 力/應(yīng)變分析和疲勞強度校驗，建議利用有限元分析工具軟件(如ANSYS)對其進行分析和校驗；
5、為了得到滿足技術(shù)需求的設(shè)計結(jié)果或相對最優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果，上述設(shè)計過程可能需 要依序反復(fù)多次；
6、制造和裝配參照常規(guī)工藝過程進行。下面以具體實施例來說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以及衍生結(jié)構(gòu)。實施例1 以直齒圓柱齒輪傳動機構(gòu)為例，其由兩個相互嚙合的齒輪傳動件1組成 的齒輪傳動機構(gòu)為例，其包括相互嚙合的外嚙合齒輪101和內(nèi)嚙合齒輪102。參見圖1和 圖2所示，外嚙合齒輪101的端面2上開設(shè)有兩圈環(huán)形槽3，每圈環(huán)形槽3由兩個半圓形且 不連續(xù)布置通槽301組成，該通槽301為弧形槽，所有弧形槽均在端面2上直接加工而成， 相鄰弧形槽之間設(shè)有固聯(lián)點302。兩圈環(huán)形槽3之間的區(qū)域形成柔順結(jié)構(gòu)4，上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成 “兩點正交均布固聯(lián)同心正圓環(huán)形柔順結(jié)構(gòu)”，該柔順結(jié)構(gòu)4具有一定彈性，使得齒輪在嚙合 過程中能夠自適應(yīng)地沿其徑向產(chǎn)生彈性位移，從而達到自適應(yīng)消隙的效果。在使用時，本發(fā) 明必須通過合理設(shè)計(或通過裝配調(diào)整)傳動軸中心位置參數(shù)的偏差、合理設(shè)計周節(jié)誤差參 數(shù)和齒厚參數(shù)等措施，保證在一個完整的嚙合周期內(nèi)該柔順結(jié)構(gòu)4在徑向方向始終存在一 個適度的彈性變形。參見圖3，本實施例中，進一步在內(nèi)嚙合齒輪102的端面2上同樣設(shè)有 柔順結(jié)構(gòu)4。實施例2:參見圖4，本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于，每圈環(huán)形槽3 由三個半圓形且不連續(xù)布置的通槽301 (即弧形槽)組成，從而構(gòu)成“三點等間隔錯位均布 固聯(lián)正圓環(huán)形柔順結(jié)構(gòu)”，其功能與實施例1基本相同，在此不再贅述。實施例3 參見圖5，本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于，位于內(nèi)圈的環(huán) 形槽3由四個半圓形且不連續(xù)布置的通槽301 (即弧形槽)組成，位于外圈的環(huán)形槽3由三 個半圓形且不連續(xù)布置的通槽301 (即弧形槽)組成，從而構(gòu)成“四點等間隔錯位均布固聯(lián) 正圓環(huán)形柔順結(jié)構(gòu)”，這樣改變固聯(lián)點302的數(shù)目，會改變結(jié)構(gòu)的剛度特性。通過改變?nèi)犴?結(jié)構(gòu)4的形狀或布置位置，會導(dǎo)致嚙合過程中傳動的機械特性參數(shù)的顯著變化，不利于提 高傳動的機械特性。如果單純增加其固聯(lián)302的點數(shù)，會導(dǎo)致柔順結(jié)構(gòu)4的各向剛度的增 大，所以過多增加其固聯(lián)點數(shù)對提高消隙效果無益。改變固聯(lián)方式，可以采用不規(guī)則的固聯(lián) 點302數(shù)目或不規(guī)則的固聯(lián)點302位置布局方式，如各圈環(huán)形槽3之間固聯(lián)點302的位置 可以是數(shù)量相同、非均布、非等錯位布置(參見圖1)，也可以是數(shù)量不同、布置位置不規(guī)則的 錯位布置(參見圖5)。例如圖5中所示的幾種情形等。改變固聯(lián)方式，會導(dǎo)致嚙合過程中傳 動的機械特性參數(shù)的顯著變化，同樣不利于提高傳動的機械特性；本實施例的功能與實施 例1基本相同，在此不再贅述。實施例4 參見圖6，本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于，環(huán)形槽3為近 似圓環(huán)形，其功能與實施例1基本相同，在此不再贅述。實施例5 參見圖7，本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于，環(huán)形槽3為呈 近似環(huán)狀排列的多邊形，其功能與實施例1基本相同，在此不再贅述。實施例6 參見圖8，本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于，環(huán)形槽3為呈 近似環(huán)狀排列的非規(guī)則形，其功能與實施例1基本相同，在此不再贅述。實施例7 參見圖9，本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于，環(huán)形槽3與端 面2呈偏心狀布置，與中心軸之間保持距離e，其功能與實施例1基本相同，在此不再贅述。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施 例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)，包括兩個以上相互嚙合的齒輪傳動件(1)，其特征在于所述至少一個齒輪傳動件(1)的端面(2)上開設(shè)有兩圈以上的環(huán)形槽(3)，所述相鄰兩圈的環(huán)形槽(3)之間形成柔順結(jié)構(gòu)(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)，其特征在于所 述環(huán)形槽(3)由兩個以上的通槽(301)組成，處于同一圈環(huán)形槽(3)中的通槽(301)為不連 續(xù)分布，所述同一圈環(huán)形槽(3)中相鄰?fù)ú?301)之間設(shè)有固聯(lián)點(302)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)，其特征在于所 述通槽(301)為弧形槽、或長條形槽、或矩形槽、或異形槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)，其特征在于所 述各圈環(huán)形槽(3)中通槽(301)的數(shù)量相同、或各圈環(huán)形槽(3)中通槽(301)的數(shù)量不相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)，其 特征在于所述環(huán)形槽(3)與齒輪傳動件(1)的齒輪節(jié)圓同軸心、或環(huán)形槽(3)與齒輪傳動 件(1)的齒輪節(jié)圓不同軸心。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于柔順結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)消隙齒輪傳動機構(gòu)，包括兩個以上相互嚙合的齒輪傳動件，所述至少一個齒輪傳動件的端面上開設(shè)有兩圈以上的環(huán)形槽，所述相鄰兩圈的環(huán)形槽之間形成柔順結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低廉、加工方便、適用范圍廣、實現(xiàn)自適應(yīng)消隙等優(yōu)點。
文檔編號F16H55/18GK101893060SQ201010249358
公開日2010年11月24日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者何漢輝 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)