本發(fā)明涉及
技術領域：
為機械傳動和微機電系統(tǒng),具體是一種轉動-移動轉換的線齒輪機構。
背景技術：
：轉動變直線運動，主要運用于各種機床、電機和分度機構等場合，最常用于實現該功能的機構有鏈條，鋼絲繩，傳動帶，凸輪，氣動，液壓，齒條或絲桿。不同機構，可以用于不同的轉動變直線運動場合，他們也有著不同的優(yōu)缺點。如齒輪齒條雖然有著行程無限制、負載大安裝方便等優(yōu)點，也存在反向間隙、齒間膠合振動較大、噪聲大和精度的一致性難以保證等缺點；帶傳動雖然有運行速度快、噪聲低和成本低的優(yōu)點，但其剛性差，易磨損斷裂，精度低，推力小等；絲桿雖然其精度較高、剛性好何噪音較小，但是其有行程較短，速度較慢，行程精度一致性難以保證等等缺點。線齒輪是一種新型的齒輪，其主要是依據空間曲線嚙合理論，該理論不同于面接觸或者線接觸的傳統(tǒng)嚙合理論，是一對空間共軛曲線通過點嚙合來實現傳動的齒輪。線齒輪的發(fā)明和研究已經有了十幾年的發(fā)展，其具有尺寸小，傳動比大，制造方便等優(yōu)點，主要運用于微小傳動領域。對于線齒輪的研究，目前的主要集中在同平面兩斜交軸間，或者是不同平面兩交錯軸中的轉動變轉動的傳動，而對于由轉動變直線運動的線齒輪機構，則還沒有開始涉及。技術實現要素：本發(fā)明設計出能夠為微小機械裝置提供轉動-移動轉換的線齒輪機構。本發(fā)明的轉動-移動轉換的線齒輪機構的主動線齒輪軸線和從動線齒輪軸線間交錯角可以為0°～180°中的任意角度，且質量小,制造簡單，造價低廉特別便于在微機電領域的應用。本發(fā)明通過如下技術方法實現。一種轉動-移動轉換的線齒輪機構，該機構包括主動線齒輪和從動線齒輪。主動線齒和主動線齒輪輪體構成主動線齒輪，從動線齒和從動線齒輪輪體構成從動線齒輪。主動線齒最少齒數可以為1，從動線齒數和傳動比和直線移動的距離有關。主動線齒輪和從動線齒輪組成一對傳動副，主動輪軸線和從動輪軸線間交錯角為0°～180°。進一步的，所述主動線齒和從動線齒是分別以任意形狀的封閉曲線為母線沿以主動接觸線和從動接觸線為導線運動而成的實體，所述主動接觸線和從動接觸線為符合轉動-移動轉換的線齒輪機構的空間曲線嚙合方程的一對共軛空間曲線。進一步的，主動線齒輪和從動線齒輪通過主動線齒和從動線齒上的一對共軛的主動接觸線和從動接觸線間的點接觸嚙合，實現該轉動-移動轉換的線齒輪機構的傳動，即，當主動線齒輪轉動時，與之嚙合的從動線齒輪在轉動的同時沿軸向平穩(wěn)移動。進一步的，所述轉動-移動轉換的線齒輪機構空間曲線嚙合方程由如下確定：o-xyz、oq-xqyqzq是兩個空間笛卡爾直角坐標系，o為o-xyz坐標系原點，位置任意，x、y、z是o-xyz坐標系的三個坐標軸，oq為oq-xqyqzq坐標系原點，xq、yq、zq是oq-xqyqzq坐標系的三個坐標軸，平面xoz與平面xpopzp在同一平面內，oq點到y(tǒng)oz平面的距離為|a|，oq點到xoy平面的距離為|b|，oq點到xoz平面的距離為|b|，y軸和yq軸平行，z軸和zp軸的夾角為(π-θ)，0°≤θ≤180°，空間笛卡爾坐標系o1-x1y1z1與主動線齒輪輪固聯，o1為o1-x1y1z1坐標系原點，x1、y1、z1是o1-x1y1z1坐標系的三個坐標軸，空間笛卡爾坐標系o3-x3y3z3與從動線齒輪固聯，o3為o3-x3y3z3坐標系原點，x3、y3、z3是o3-x3y3z3坐標系的三個坐標軸，且主動線齒輪輪與從動線齒輪輪起始嚙合處為起始位置，在起始位置，坐標系o1-x1y1z1和o3-x3y3z3分別與坐標系o-xyz及oq-xqyqzq重合，在任意時刻，原點o1與o重合，z1軸與z軸重合，原點o3與oq重合，z3軸與zq軸重合，當0°≤θ＜90°時，主動線齒輪以勻角速度繞z軸轉動，主動線齒輪角速度方向為z軸負方向，主動線齒輪繞z軸轉過的角度為從動線齒輪以勻角速度繞zq軸轉動，從動線齒輪角速度方向為zq軸負方向，從動線齒輪繞zq軸轉過的角度為同時，從動線齒輪以勻速度A沿zq軸負方向移動，從動線齒輪移動的位移為s，則轉動-移動轉換的線齒輪機構的空間曲線嚙合方程：其中，是主動線齒輪的主動接觸線的方程,t為參變量，為該機構的主動接觸線在嚙合點處在o1-x1y1z1坐標系下的單位主法失，i(1)、j(1)、k(1)是x1、y1、z1軸的單位向量，從動線齒輪的從動接觸線在o3-x3y3z3坐標系下的方程為：其中，i21為主動線齒輪與從動線齒輪的傳動比。當90°≤θ≤180°時，主動線齒輪以勻角速度繞z軸轉動，主動線齒輪角速度方向為z軸負方向，此時從動線齒輪以大小為方向為zq軸正方向的角速度繞zq軸轉動，同時，從動線齒輪以大小為A、方向為zq軸正方向的速度沿zq軸移動，主動線齒輪繞z軸轉過的角度為從動線齒輪繞zq軸轉過的角度為沿zq軸移動的位移為s，則，該機構的空間曲線嚙合方程為：其中，是主動線齒輪的主動接觸線在o1-x1y1z1坐標系下的方程,t為參變量為該機構主動接觸線在嚙合點處在o1-x1y1z1坐標系下的單位主法失，i(1)、j(1)、k(1)是x1、y1、z1軸的單位向量，從動線齒輪的從動接觸線在o3-x3y3z3坐標系下的方程為：其中i21為主動輪與從動輪的傳動比。本發(fā)明中的主動接觸線和從動接觸線為符合轉動變直線運動的線齒輪機構空間曲線嚙合方程設計的一對共軛空間曲線，不同于傳統(tǒng)的空間曲面嚙合交錯軸齒輪機構，也不同于申請人已申請的基于空間曲線嚙合原理的適用于斜交軸傳動的線齒輪和適用于交錯軸軸傳動的線齒輪。本發(fā)明實現主動線齒輪轉動時，與之嚙合的從動線齒輪在轉動的同時沿軸線移動，從而導致空間曲線嚙合方程的改變和從動接觸線方程的改變。本發(fā)明與現有技術相比具有如下的優(yōu)點:(1)實現交錯角為任意角度值的兩交錯軸間轉動-移動轉換：本章研究的線齒輪副能夠實現空間交錯的兩軸之間的傳動，且兩交錯軸間的交錯角可以是0°～180°中的任意角度值，根據不同的交錯角，可得到不同的齒輪機構。因此，可以根據需要設計出實現空間上任意兩軸任意位置傳動的機構，比齒輪齒條傳動更廣泛。(2)精密移動：從動線齒輪的移動位移行程相對比較小，適用于微小領域的精密移動，特別適合于轉動一周后，要求移動相對較小位移的分度機構。(3)結構簡單：主動輪和從動輪構成一對傳動副，主動線齒輪和從動線齒輪間的嚙合主要是依靠于主動輪線齒與從動輪線齒之間的點接觸，所以只要保證接觸線的精度即可，設計簡單，加工方便。(4)實現轉動的同時移動：主動線齒輪在轉動時，與之嚙合的從動線齒輪在轉動的同時平穩(wěn)移動。附圖說明圖1是實施方式中空間嚙合坐標系示意圖。圖2是實施方式中主動線齒輪及其線齒示意圖。圖3是實施方式中從動線齒輪及其線齒示意圖。圖4是實施方式中主、從動線齒輪嚙合示意圖。具體實施方式以下結合附圖對本發(fā)明的實施作進一步說明，對本領域技術人員來說，本發(fā)明已經作了充分的說明，且本發(fā)明的保護范圍不限于如下內容。本發(fā)明中的主動接觸線和從動接觸線的轉動-移動轉換的線齒輪機構空間曲線嚙合方程符合空間曲線嚙合理論。圖1描繪了一種轉動-移動轉換的線齒輪機構的空間嚙合坐標系示意圖。o-xyz、op-xpypzp與oq-xqyqzq是三個空間笛卡爾直角坐標系，o為o-xyz坐標系原點，x、y、z是o-xyz坐標系的三個坐標軸，op為op-xpypzp坐標系原點，xp、yp、zp是op-xpypzp坐標系的三個坐標軸，oq為oq-xqyqzq坐標系原點，xq、yq、zq是oq-xqyqzq坐標系的三個坐標軸，平面xoz與平面xpopzp在同一平面內，op點到z軸的距離為|a|，op點到x軸的距離為|b|，oq-xqyqzq是在op-xpypzp的基礎上沿著yp方向平移一個距離|c|得到的，且記z和zp兩軸夾角的補角為θ，0°≤θ≤180°，θ等于z與zq兩軸夾角的補角，空間笛卡爾坐標系o1-x1y1z1與主動輪固聯，o1為o1-x1y1z1坐標系原點，x1、y1、z1是o1-x1y1z1坐標系的三個坐標軸，空間笛卡爾坐標系o3-x3y3z3與從動輪固聯，o3為o3-x3y3z3坐標系原點，x3、y3、z3是o3-x3y3z3坐標系的三個坐標軸，且主動輪與從動輪起始嚙合處為起始位置，在起始位置，坐標系o1-x1y1z1和o3-x3y3z3分別與坐標系o-xyz及oq-xqyqzq重合，在任意時刻，原點o1與o重合，z1軸與z軸重合，原點o3與oq重合，z3軸與zq軸重合，主動線齒輪以勻角速度繞z軸轉動，主動線齒輪角速度方向為z軸負方向，如圖1所示，主動線齒輪繞z軸轉過的角度為從動線齒輪以勻角速度繞zq軸轉動，從動線齒輪角速度方向如圖1所示，從動線齒輪繞zq軸轉過的角度為同時，從動線齒輪以速度大小為A沿zq軸負方向移動，從動線齒輪移動的位移大小記為s。利用微分幾何和空間曲線嚙合理論的知識，則，可得公式(1)：其中，式(2)是轉動-移動轉換的線齒輪機構空間曲線嚙合方程。為主動接觸線在o1-x1y1z1坐標系下的方程，t為參變量；β(1)為主動接觸線在嚙合點處在o1-x1y1z1坐標系下的單位主法失，即，i(1)、j(1)、k(1)是x1、y1、z1軸的單位向量。其中：βx(1)=xM(1)′′(t)[xM(1)′(t)2+yM(1)′(t)2+zM(1)′(t)2]-xM(1)′(t)[xM(1)′(t)xM(1)′′(t)+yM(1)′(t)yM(1)′′(t)+zM(1)′(t)zM(1)′′(t)][xM(1)′(t)2+yM(1)′(t)2+zM(1)′(t)2]2]]>βy(1)=yM(1)′′(t)[xM(1)′(t)2+yM(1)′(t)2+zM(1)′(t)2]-yM(1)′(t)[xM(1)′(t)xM(1)′′(t)+yM(1)′(t)yM(1)′′(t)+zM(1)′(t)zM(1)′′(t)][xM(1)′(t)2+yM(1)′(t)2+zM(1)′(t)2]2]]>βz(1)=zM(1)′′(t)[xM(1)′(t)2+yM(1)′(t)2+zM(1)′(t)2]-zM(1)′(t)[xM(1)′(t)xM(1)′′(t)+yM(1)′(t)yM(1)′′(t)+zM(1)′(t)zM(1)′′(t)][xM(1)′(t)2+yM(1)′(t)2+zM(1)′(t)2]2]]>式(3)為與主動接觸線空間共軛的從動接觸線在o3-x3y3z3坐標系下的方程；式中：a，b，c—oq點在空間坐標系o-xyz的三個坐標分值(如圖1)；—主動輪與從動輪轉動的角速度大小；i21—主動輪與從動輪的傳動比。當0°≤θ＜90°時，從動輪的角速度ω2的方向和圖1所示的方向相反，且的方向也和圖1方向相反，其移動的速度A方向也與圖1所示方向相反，則位移s也為zq軸的負方向。因此，A和s以負值代入式子(2)和(3)中，即可得到該θ角度下的轉動-移動轉換的線齒輪機構的空間曲線嚙合方程、主動接觸線方程和從動接觸線方程，如式(4)：當90°≤θ≤180°時，從動輪的角速度ω2的方向和圖1所示的方向相同，且的方向也和圖1方向相同，而移動的速度A的方向也如圖1所示，則位移的方向和zq軸的方向一致。可得到該θ角度下的主動接觸線和從動接觸線方程就是方程(1)所示。根據曲線嚙合方程，選擇不同的角度θ和主動接觸線方程，可以得到和t之間的關系，再根據θ值，選擇式(3)或者式(4)中的從動接觸線的方程，則可分別得到主動線齒和從動線齒的導線，并由所設計的封閉曲線為母線，母線分別沿著兩導線運動，所得到的實體即為主動線齒和從動線齒，再根據實際需要，設計主動線齒輪輪體和從動線齒輪輪體，由此設計出主動線齒輪和從動線齒輪。若主動線齒輪的主動接觸線為空間圓柱螺旋線，在o1-x1y1z1坐標系中滿足式(5)：xM(1)=mcostyM(1)=msintzM(1)=nπ+nt---(5)]]>當0°≤θ＜90°時，將式(5)代入到式(3)中，可得到轉動變直線運動的線齒輪機構的空間曲線嚙合方程，如式(6)：當90°≤θ＜180°時，將式(5)代入到式(4)中，可得到轉動變直線運動的線齒輪機構的空間曲線嚙合方程，如式(7)：設則設初始量為m＝5mm，n＝8mm，a＝0mm，b＝0mm，c＝-30mm，θ＝30°，k＝0.15，ts＝-0.5π，te＝0π和i21＝1/3代入公式(1)，有主動接觸線在o1-x1y1z1坐標系下方程為：xM(1)=5costyM(1)=5sintzM(1)=8π+8t---(5)]]>而由式(6)轉動-移動轉換的線齒輪機構的空間曲線嚙合方程和式(3)，并通過三次擬合，得從動接觸線在o3-x3y3z3坐標系下方程為：xM(3)=0.4189×t3+2.5757×t2-7.8227×t-24.2499yM(3)=0.1943×t3-2.1999×t2-11.1985×t+13.2385zM(3)=0.0019×t3+0.0297×t2-7.3796×t-23.1574---(9)]]>根據式(8)和(9)，并根據需要的截面，可以建立線齒實體，線齒實體只需要能夠滿足強度要求，線齒實體和線齒輪輪體本身并沒有特別具體的形狀要求。設主動線齒數N1＝4，根據傳動比和移動位移的要求，設從動線齒數為N2＝23。值得一提的是，從動線齒輪的接觸線設計時，下一個線齒的接觸線在上一個線齒接觸線的基礎上在z軸上移動一個線齒移動的距離，同時轉動一個線齒轉動的角度。利用此方法，可以得到主動線齒輪及其線齒示意圖如圖2所示，從動線齒輪及其線齒示意圖如圖3所示，主動線齒輪和從動線齒輪嚙合示意圖如圖4所示，圖4中的1是主動線齒輪、2是主動線齒、3是從動線齒輪、4是從動線齒。本發(fā)明為微小機械裝置提供了一種能夠將轉動-移動轉換的方法與機構。該機構能夠極大地簡化了微機械傳動裝置的結構,實現空間交錯軸轉動-移動轉換運動，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。當前第1頁1 2 3