本實(shí)用新型涉及技術(shù)領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)和微機(jī)電系統(tǒng),具體是一種轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)，主要運(yùn)用于各種機(jī)床、電機(jī)和分度機(jī)構(gòu)等場(chǎng)合，最常用于實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有鏈條，鋼絲繩，傳動(dòng)帶，凸輪，氣動(dòng)，液壓，齒條或絲桿。不同機(jī)構(gòu)，可以用于不同的轉(zhuǎn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，他們也有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)。如齒輪齒條雖然有著行程無限制、負(fù)載大安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，也存在反向間隙、齒間膠合振動(dòng)較大、噪聲大和精度的一致性難以保證等缺點(diǎn)；帶傳動(dòng)雖然有運(yùn)行速度快、噪聲低和成本低的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。

線齒輪是一種新型的齒輪，其主要是依據(jù)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(duì)空間共軛曲線通過點(diǎn)嚙合來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的齒輪。線齒輪的實(shí)用新型和研究已經(jīng)有了十幾年的發(fā)展，其具有尺寸小，傳動(dòng)比大，制造方便等優(yōu)點(diǎn)，主要運(yùn)用于微小傳動(dòng)領(lǐng)域。對(duì)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(cuò)軸中的轉(zhuǎn)動(dòng)變轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)，而對(duì)于由轉(zhuǎn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)的線齒輪機(jī)構(gòu)，則還沒有開始涉及。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出能夠?yàn)槲⑿C(jī)械裝置提供轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)。本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)線齒輪軸線和從動(dòng)線齒輪軸線間交錯(cuò)角可以為0°～180°中的任意角度，且質(zhì)量小,制造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉特別便于在微機(jī)電領(lǐng)域的應(yīng)用。本實(shí)用新型通過如下技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)。

一種轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)線齒輪和從動(dòng)線齒輪。主動(dòng)線齒和主動(dòng)線齒輪輪體構(gòu)成主動(dòng)線齒輪，從動(dòng)線齒和從動(dòng)線齒輪輪體構(gòu)成從動(dòng)線齒輪。主動(dòng)線齒最少齒數(shù)可以為1，從動(dòng)線齒數(shù)和傳動(dòng)比和直線移動(dòng)的距離有關(guān)。主動(dòng)線齒輪和從動(dòng)線齒輪組成一對(duì)傳動(dòng)副，主動(dòng)輪軸線和從動(dòng)輪軸線間交錯(cuò)角為0°～180°。

進(jìn)一步的，所述主動(dòng)線齒和從動(dòng)線齒是分別以任意形狀的封閉曲線為母線沿以主動(dòng)接觸線和從動(dòng)接觸線為導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)而成的實(shí)體，所述主動(dòng)接觸線和從動(dòng)接觸線為符合轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)的空間曲線嚙合方程的一對(duì)共軛空間曲線。

進(jìn)一步的，主動(dòng)線齒輪和從動(dòng)線齒輪通過主動(dòng)線齒和從動(dòng)線齒上的一對(duì)共軛的主動(dòng)接觸線和從動(dòng)接觸線間的點(diǎn)接觸嚙合，實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，即，當(dāng)主動(dòng)線齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與之嚙合的從動(dòng)線齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)沿軸向平穩(wěn)移動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)空間曲線嚙合方程由如下確定：o-xyz、o_q-x_qy_qz_q是兩個(gè)空間笛卡爾直角坐標(biāo)系，o為o-xyz坐標(biāo)系原點(diǎn)，位置任意，x、y、z是o-xyz坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，o_q為o_q-x_qy_qz_q坐標(biāo)系原點(diǎn)，x_q、y_q、z_q是o_q-x_qy_qz_q坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，平面xoz與平面x_po_pz_p在同一平面內(nèi)，o_q點(diǎn)到y(tǒng)oz平面的距離為|a|，o_q點(diǎn)到xoy平面的距離為|b|，o_q點(diǎn)到xoz平面的距離為|b|，y軸和y_q軸平行，z軸和z_p軸的夾角為(π-θ)，0°≤θ≤180°，空間笛卡爾坐標(biāo)系o₁-x₁y₁z₁與主動(dòng)線齒輪輪固聯(lián)，o₁為o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)系原點(diǎn)，x₁、y₁、z₁是o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，空間笛卡爾坐標(biāo)系o₃-x₃y₃z₃與從動(dòng)線齒輪固聯(lián)，o₃為o₃-x₃y₃z₃坐標(biāo)系原點(diǎn)，x₃、y₃、z₃是o₃-x₃y₃z₃坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，且主動(dòng)線齒輪輪與從動(dòng)線齒輪輪起始嚙合處為起始位置，在起始位置，坐標(biāo)系o₁-x₁y₁z₁和o₃-x₃y₃z₃分別與坐標(biāo)系o-xyz及o_q-x_qy_qz_q重合，在任意時(shí)刻，原點(diǎn)o₁與o重合，z₁軸與z軸重合，原點(diǎn)o₃與o_q重合，z₃軸與z_q軸重合，當(dāng)0°≤θ＜90°時(shí)，主動(dòng)線齒輪以勻角速度繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)線齒輪角速度方向?yàn)閦軸負(fù)方向，主動(dòng)線齒輪繞z軸轉(zhuǎn)過的角度為從動(dòng)線齒輪以勻角速度繞z_q軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)線齒輪角速度方向?yàn)閦_q軸負(fù)方向，從動(dòng)線齒輪繞z_q軸轉(zhuǎn)過的角度為同時(shí)，從動(dòng)線齒輪以勻速度A沿z_q軸負(fù)方向移動(dòng)，從動(dòng)線齒輪移動(dòng)的位移為s，則轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)的空間曲線嚙合方程：

其中，是主動(dòng)線齒輪的主動(dòng)接觸線的方程,t為參變量，為該機(jī)構(gòu)的主動(dòng)接觸線在嚙合點(diǎn)處在o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)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(dòng)線齒輪的從動(dòng)接觸線在o₃-x₃y₃z₃坐標(biāo)系下的方程為：

其中，i₂₁為主動(dòng)線齒輪與從動(dòng)線齒輪的傳動(dòng)比。

當(dāng)90°≤θ≤180°時(shí)，主動(dòng)線齒輪以勻角速度繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)線齒輪角速度方向?yàn)閦軸負(fù)方向，此時(shí)從動(dòng)線齒輪以大小為方向?yàn)閦_q軸正方向的角速度繞z_q軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，從動(dòng)線齒輪以大小為A、方向?yàn)閦_q軸正方向的速度沿z_q軸移動(dòng)，主動(dòng)線齒輪繞z軸轉(zhuǎn)過的角度為從動(dòng)線齒輪繞z_q軸轉(zhuǎn)過的角度為沿z_q軸移動(dòng)的位移為s，則，該機(jī)構(gòu)的空間曲線嚙合方程為：

其中，是主動(dòng)線齒輪的主動(dòng)接觸線在o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)系下的方程,t為參變量為該機(jī)構(gòu)主動(dòng)接觸線在嚙合點(diǎn)處在o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)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(dòng)線齒輪的從動(dòng)接觸線在o₃-x₃y₃z₃坐標(biāo)系下的方程為：

其中i₂₁為主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的傳動(dòng)比。

本實(shí)用新型中的主動(dòng)接觸線和從動(dòng)接觸線為符合轉(zhuǎn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)的線齒輪機(jī)構(gòu)空間曲線嚙合方程設(shè)計(jì)的一對(duì)共軛空間曲線，不同于傳統(tǒng)的空間曲面嚙合交錯(cuò)軸齒輪機(jī)構(gòu)，也不同于申請(qǐng)人已申請(qǐng)的基于空間曲線嚙合原理的適用于斜交軸傳動(dòng)的線齒輪和適用于交錯(cuò)軸軸傳動(dòng)的線齒輪。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)主動(dòng)線齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與之嚙合的從動(dòng)線齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)沿軸線移動(dòng)，從而導(dǎo)致空間曲線嚙合方程的改變和從動(dòng)接觸線方程的改變。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn):

(1)實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)角為任意角度值的兩交錯(cuò)軸間轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換：本章研究的線齒輪副能夠?qū)崿F(xiàn)空間交錯(cuò)的兩軸之間的傳動(dòng)，且兩交錯(cuò)軸間的交錯(cuò)角可以是0°～180°中的任意角度值，根據(jù)不同的交錯(cuò)角，可得到不同的齒輪機(jī)構(gòu)。因此，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)空間上任意兩軸任意位置傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)，比齒輪齒條傳動(dòng)更廣泛。

(2)精密移動(dòng)：從動(dòng)線齒輪的移動(dòng)位移行程相對(duì)比較小，適用于微小領(lǐng)域的精密移動(dòng)，特別適合于轉(zhuǎn)動(dòng)一周后，要求移動(dòng)相對(duì)較小位移的分度機(jī)構(gòu)。

(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：主動(dòng)輪和從動(dòng)輪構(gòu)成一對(duì)傳動(dòng)副，主動(dòng)線齒輪和從動(dòng)線齒輪間的嚙合主要是依靠于主動(dòng)輪線齒與從動(dòng)輪線齒之間的點(diǎn)接觸，所以只要保證接觸線的精度即可，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，加工方便。

(4)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)移動(dòng)：主動(dòng)線齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與之嚙合的從動(dòng)線齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)平穩(wěn)移動(dòng)。

附圖說明

圖1是實(shí)施方式中空間嚙合坐標(biāo)系示意圖。

圖2是實(shí)施方式中主動(dòng)線齒輪及其線齒示意圖。

圖3是實(shí)施方式中從動(dòng)線齒輪及其線齒示意圖。

圖4是實(shí)施方式中主、從動(dòng)線齒輪嚙合示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施作進(jìn)一步說明，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型已經(jīng)作了充分的說明，且本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于如下內(nèi)容。

本實(shí)用新型中的主動(dòng)接觸線和從動(dòng)接觸線的轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)的空間嚙合坐標(biāo)系示意圖。o-xyz、o_p-x_py_pz_p與o_q-x_qy_qz_q是三個(gè)空間笛卡爾直角坐標(biāo)系，o為o-xyz坐標(biāo)系原點(diǎn)，x、y、z是o-xyz坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，o_p為o_p-x_py_pz_p坐標(biāo)系原點(diǎn)，x_p、y_p、z_p是o_p-x_py_pz_p坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，o_q為o_q-x_qy_qz_q坐標(biāo)系原點(diǎn)，x_q、y_q、z_q是o_q-x_qy_qz_q坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，平面xoz與平面x_po_pz_p在同一平面內(nèi)，o_p點(diǎn)到z軸的距離為|a|，o_p點(diǎn)到x軸的距離為|b|，o_q-x_qy_qz_q是在o_p-x_py_pz_p的基礎(chǔ)上沿著y_p方向平移一個(gè)距離|c|得到的，且記z和z_p兩軸夾角的補(bǔ)角為θ，0°≤θ≤180°，θ等于z與z_q兩軸夾角的補(bǔ)角，空間笛卡爾坐標(biāo)系o₁-x₁y₁z₁與主動(dòng)輪固聯(lián)，o₁為o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)系原點(diǎn)，x₁、y₁、z₁是o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，空間笛卡爾坐標(biāo)系o₃-x₃y₃z₃與從動(dòng)輪固聯(lián)，o₃為o₃-x₃y₃z₃坐標(biāo)系原點(diǎn)，x₃、y₃、z₃是o₃-x₃y₃z₃坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，且主動(dòng)輪與從動(dòng)輪起始嚙合處為起始位置，在起始位置，坐標(biāo)系o₁-x₁y₁z₁和o₃-x₃y₃z₃分別與坐標(biāo)系o-xyz及o_q-x_qy_qz_q重合，在任意時(shí)刻，原點(diǎn)o₁與o重合，z₁軸與z軸重合，原點(diǎn)o₃與o_q重合，z₃軸與z_q軸重合，主動(dòng)線齒輪以勻角速度繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)線齒輪角速度方向?yàn)閦軸負(fù)方向，如圖1所示，主動(dòng)線齒輪繞z軸轉(zhuǎn)過的角度為從動(dòng)線齒輪以勻角速度繞z_q軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)線齒輪角速度方向如圖1所示，從動(dòng)線齒輪繞z_q軸轉(zhuǎn)過的角度為同時(shí)，從動(dòng)線齒輪以速度大小為A沿z_q軸負(fù)方向移動(dòng)，從動(dòng)線齒輪移動(dòng)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(shí)，則，可得公式(1)：

其中，

式(2)是轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)空間曲線嚙合方程。

為主動(dòng)接觸線在o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)系下的方程，t為參變量；

β⁽¹⁾為主動(dòng)接觸線在嚙合點(diǎn)處在o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)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：

式(3)為與主動(dòng)接觸線空間共軛的從動(dòng)接觸線在o₃-x₃y₃z₃坐標(biāo)系下的方程；

式中：a，b，c—o_q點(diǎn)在空間坐標(biāo)系o-xyz的三個(gè)坐標(biāo)分值(如圖1)；

—主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度大?。?/p>

i₂₁—主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的傳動(dòng)比。

當(dāng)0°≤θ＜90°時(shí)，從動(dòng)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(dòng)的速度A方向也與圖1所示方向相反，則位移s也為z_q軸的負(fù)方向。因此，A和s以負(fù)值代入式子(2)和(3)中，即可得到該θ角度下的轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)的空間曲線嚙合方程、主動(dòng)接觸線方程和從動(dòng)接觸線方程，如式(4)：

當(dāng)90°≤θ≤180°時(shí)，從動(dòng)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(dòng)的速度A的方向也如圖1所示，則位移的方向和z_q軸的方向一致?？傻玫皆摝冉嵌认碌闹鲃?dòng)接觸線和從動(dòng)接觸線方程就是方程(1)所示。

根據(jù)曲線嚙合方程，選擇不同的角度θ和主動(dòng)接觸線方程，可以得到和t之間的關(guān)系，再根據(jù)θ值，選擇式(3)或者式(4)中的從動(dòng)接觸線的方程，則可分別得到主動(dòng)線齒和從動(dòng)線齒的導(dǎo)線，并由所設(shè)計(jì)的封閉曲線為母線，母線分別沿著兩導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，所得到的實(shí)體即為主動(dòng)線齒和從動(dòng)線齒，再根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)主動(dòng)線齒輪輪體和從動(dòng)線齒輪輪體，由此設(shè)計(jì)出主動(dòng)線齒輪和從動(dòng)線齒輪。

若主動(dòng)線齒輪的主動(dòng)接觸線為空間圓柱螺旋線，在o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)系中滿足式(5)：

當(dāng)0°≤θ＜90°時(shí)，將式(5)代入到式(3)中，可得到轉(zhuǎn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)的線齒輪機(jī)構(gòu)的空間曲線嚙合方程，如式(6)：

當(dāng)90°≤θ＜180°時(shí)，將式(5)代入到式(4)中，可得到轉(zhuǎn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)的線齒輪機(jī)構(gòu)的空間曲線嚙合方程，如式(7)：

設(shè)則設(shè)初始量為m＝5mm，n＝8mm，a＝0mm，b＝0mm，c＝-30mm，θ＝30°，k＝0.15，t_s＝-0.5π，t_e＝0π和i₂₁＝1/3代入公式(1)，有主動(dòng)接觸線在o₁-x₁y₁z₁坐標(biāo)系下方程為：

而由式(6)轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的線齒輪機(jī)構(gòu)的空間曲線嚙合方程和式(3)，并通過三次擬合，得從動(dòng)接觸線在o₃-x₃y₃z₃坐標(biāo)系下方程為：

根據(jù)式(8)和(9)，并根據(jù)需要的截面，可以建立線齒實(shí)體，線齒實(shí)體只需要能夠滿足強(qiáng)度要求，線齒實(shí)體和線齒輪輪體本身并沒有特別具體的形狀要求。設(shè)主動(dòng)線齒數(shù)N₁＝4，根據(jù)傳動(dòng)比和移動(dòng)位移的要求，設(shè)從動(dòng)線齒數(shù)為N₂＝23。值得一提的是，從動(dòng)線齒輪的接觸線設(shè)計(jì)時(shí)，下一個(gè)線齒的接觸線在上一個(gè)線齒接觸線的基礎(chǔ)上在z軸上移動(dòng)一個(gè)線齒移動(dòng)的距離，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)線齒轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。利用此方法，可以得到主動(dòng)線齒輪及其線齒示意圖如圖2所示，從動(dòng)線齒輪及其線齒示意圖如圖3所示，主動(dòng)線齒輪和從動(dòng)線齒輪嚙合示意圖如圖4所示，圖4中的1是主動(dòng)線齒輪、2是主動(dòng)線齒、3是從動(dòng)線齒輪、4是從動(dòng)線齒。

本實(shí)用新型為微小機(jī)械裝置提供了一種能夠?qū)⑥D(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換的方法與機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)能夠極大地簡(jiǎn)化了微機(jī)械傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)空間交錯(cuò)軸轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)，縮小幾何尺寸,減小質(zhì)量,提高操作的靈活性,且制作簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉,便于在微機(jī)電領(lǐng)域的應(yīng)用。