一種無相對滑動的螺旋圓弧錐齒輪機構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無相對滑動的螺旋圓弧錐齒輪機構，具體地說是一種基于曲線嚙 合理論的用于平面正交軸傳動的無相對滑動的螺旋圓弧錐齒輪機構。
【背景技術】
[0002] 齒輪作為機械傳動中的基本傳動元件，實現(xiàn)運動或者動力的傳遞功能，齒輪廣泛 應用于工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學、國防軍事及航空航天等領域。齒輪行業(yè)已經成為大多數(shù)國家機械 基礎件中規(guī)模最大的行業(yè)?，F(xiàn)代工業(yè)裝備的發(fā)展進一步提高了對齒輪傳動零部件質量和性 能的要求。新型高性能齒輪傳動機構的設計理論和制造技術促進了齒輪嚙合理論的不斷完 善和改革創(chuàng)新，出現(xiàn)了多樣化的齒輪嚙合形式及其與之對應的多樣化齒形結構。
[0003] 近年來，國內外在齒輪嚙合理論領域創(chuàng)新出具有原創(chuàng)性特色新型的微小傳動機 構。如中國專利文獻，申請?zhí)枮?01510054843.4，公開了 "用于平行軸外嚙合傳動的螺旋圓 弧齒輪機構"，申請?zhí)枮?01510051923.4，公開了 "用于平行軸內嚙合傳動的螺旋圓弧齒輪 機構"。上述兩種傳動機構的局限性在于，它們只能實現(xiàn)平面內兩平行軸之間的運動和動力 傳遞，而不能實現(xiàn)平面內兩正交軸之間的運動和動力的傳遞。因此，它們使用范圍受到了極 大的限制。
[0004] 目前平面內兩正交軸之間的運動和動力的傳遞，工業(yè)應用最廣泛的是漸開線錐齒 輪機構。但漸開線錐齒輪機構的嚙合原理遵循曲面嚙合理論，從設計理論上就必然存在齒 面之間的相對滑動，因此不能避免齒面磨損、齒面膠合和齒面塑性變形等齒輪傳動的普遍 失效形式，影響了齒輪副的使用壽命和可靠性。如中國專利號為201310049845.5,公開了 "基于共輒曲線的錐齒輪嚙合副"，包括相互點嚙合且齒廓曲線均為圓弧的錐齒輪I和錐齒 輪II，該錐齒輪具有傳動效率高;齒面易于加工制造，傳動誤差小，使用壽命長的特點;但該 錐齒輪也存在錐齒輪I和錐齒輪II嚙合時齒面沿著共輒曲線運動，錐齒輪齒面相對滑動，齒 面有膠合、磨損和塑性變形等失效形式。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對目前機械傳動領域現(xiàn)有技術存在的問題，而提出一種用于平 面正交軸傳動，具有傳動時齒面間無相對滑動，傳動連續(xù)穩(wěn)定的無相對滑動的螺旋圓弧錐 齒輪機構，同時本錐齒輪機構結構簡單，傳動系零件數(shù)少，效率高，體積小，質量輕，單級傳 動比大，重合度高，承載能力高。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術措施是:提供一種無相對滑動的螺旋圓弧 錐齒輪機構，包括小輪和大輪組成的一對傳動副，小輪通過輸入軸與驅動器固連，大輪連接 輸出軸，小輪和大輪的軸線垂直相交，所述的小輪圓錐體外表面上均布有螺旋圓弧齒，大輪 圓錐體外表面上均布有螺旋圓弧槽，螺旋圓弧齒和螺旋圓弧槽的中心線均為圓錐螺旋線， 小輪的螺旋圓弧齒和大輪的螺旋圓弧槽配合;所述螺旋圓弧齒與小輪圓錐體外表面之間有 過渡圓角以減小根部應力集中；所述的螺旋圓弧齒和螺旋圓弧槽嚙合傳動為基于平面正交 軸傳動的空間曲線嚙合方式，小輪在驅動器的帶動下旋轉，通過螺旋圓弧齒與螺旋圓弧槽 之間的連續(xù)嚙合作用，實現(xiàn)平面正交軸之間的平穩(wěn)嚙合傳動，其嚙合為點接觸的無相對滑 動嚙合傳動，所有嚙合點位于大輪和小輪理論分度圓錐體的切線，所有嚙合點的相對運動 速度均為零，并且嚙合點在大輪和小輪上分別形成的接觸線均為圓錐螺旋線；
[0007] 所述螺旋圓弧齒與螺旋圓弧槽的中心線為圓錐螺旋線的形狀由如下方法確定:在 〇-X，y，z及Op-X p，yP，Zp兩個空間坐標系中，z軸與小輪的回轉軸線重合，Zp軸與大輪的回轉 軸線重合，z軸與Z p軸互相垂直，〇〇[)的距尚為a;坐標系οι-Xi，yi, Zi與小輪固聯(lián)，坐標系02- X2，y2，Z2與大輪固聯(lián)，小輪、大輪在起始位置分別與坐標系O--X，y，Z及Op--Xp，yP，Zp重合，小 輪以勻角速度ω :繞2軸旋轉，大輪以勻角速度ω 2繞2[)軸旋轉，從起始位置經一段時間后，坐 標系Ol-Xl，yi，Zl及02--Χ2，y2，Ζ2分別運動，此時嗤合點為M，小輪繞Z軸轉過料角，大輪繞Zp 軸轉過獅角；
[0008] 設給定小輪上所有嚙合點所組成的圓錐螺旋曲線為接觸線C1, C1的參數(shù)方程為：
[0010] 本機構的共輒接觸線&和&的嚙合點M必須滿足嚙合條件為：
[0011] V12 = O (2)
[0012]上式中，V12為嚙合點M的相對運動速度；
[0013] 空間坐標變換矩陣M21為：
[0015]上述矩陣中，_為小輪繞z軸轉過的角度；抑為大輪繞zP軸轉過的角度;a為OOp的 距離;根據(jù)空間坐標變換矩陣和嚙合條件求得大輪上的接觸線C2的參數(shù)方程為：
[0017]由此，得到本機構的小輪螺旋圓弧齒中心線參數(shù)方程為：
[0019]由此，得到本機構的大輪螺旋圓弧槽中心線參數(shù)方程為：
[0022] 上述式中：t一為螺旋圓弧齒中心線方程的參變量，且t 2 0;
[0023] η-為螺旋圓弧齒中心線和螺旋圓弧槽中心線的螺距參數(shù)，2Jin為螺距，單位毫米； [0024] Ri一為小輪的理論分度圓錐體大端半徑;R2-為大輪的理論分度圓錐體大端半徑； [0025] S1-為小輪的分度圓錐角，δ2-為大輪的分度圓錐角；
[0026] i12-為小輪與大輪的傳動比，即螺旋圓弧槽數(shù)量與螺旋圓弧齒數(shù)量之比；
[0027] 小輪圓錐體大端半徑為:U = Rrb (8)
[0028] 大輪圓錐體大端半徑為:r2 = R2 (9)
[0029] 螺旋圓弧齒的圓弧直徑為:cb
[0030] 螺旋圓弧槽的圓弧直徑d2等于螺旋圓弧齒的圓弧直徑di加上c，即d2=di+c (10)
[0031] 小輪和大輪的安裝相對位置:000 = 3 = ? (11)
[0032] 上式中:b-為螺旋圓弧齒與小輪圓錐體外表面之間的過渡圓角半徑值的兩倍；
[0033] c-為螺旋圓弧槽的圓弧直徑減去螺旋圓弧齒的圓弧直徑的差值；
[0034] 其中：X，y，z，Xi，yi，Zi，X2，y2，Z2，Xp，yP，Zp，Xi c，yic，Zic，X2c，y2c，Z2c，a，b，c，di，cb，ri， r2，Ri和R2等長度或距離單位均為毫米；約，_ ^2.，δι和δ2等角度單位均為弧度；
[0035]當確定傳動比i 12，小輪的理論分度圓錐體大端半徑R1，小輪的螺旋圓弧齒中心線 參數(shù)η和t，小輪上螺旋圓弧齒的圓弧直徑cU，及b時，與螺旋圓弧齒配對的螺旋圓弧槽的中 心線方程隨之確定，小輪和大輪的結構和安裝相對位置 〇〇P也確定，從而得到平面正交軸傳 動的無相對滑動螺旋圓弧錐齒輪機構。
[0036] 所述的小輪圓錐體外表面均布的螺旋圓弧齒是以Cl1為直徑的圓，且使其圓心沿著 小輪的圓弧齒中心線垂直移動而成螺旋圓弧齒;所述的大輪圓錐體外表面均布的螺旋圓弧 槽是以d 2為直徑的圓，且使其圓心沿著大輪上圓弧槽中心線垂直移動而成的螺旋圓弧槽。
[0037] 所述小輪與大輪連接的輸入軸、輸出軸具有互換性，即采用小輪連接輸入軸，大輪 連接輸出軸，或采用大輪連接輸入軸，小輪連接輸出軸，分別對應于螺旋圓弧錐齒輪機構的 減速傳動或增速傳動方式。
[0038] 所述驅動器連接的輸入軸旋轉方向為順時針或逆時針，用以實現(xiàn)小輪或大輪的 正、反轉傳動。
[0039] 本發(fā)明的一種無相對滑動的螺旋圓弧錐齒輪機構是基于傳統(tǒng)機械傳動機構形式 上進行根本性創(chuàng)新的齒輪傳動機構，這種機構傳動的嚙合方式不同于已有技術中齒輪傳動 的曲面嚙合方式，而是基于平面正交軸傳動的空間曲線嚙合原理的節(jié)點嚙合方式，所有嚙 合點的相對運動速度均為零，能夠為微小、微機械和常規(guī)機械裝置提供連續(xù)穩(wěn)定嚙合傳動 的方法，本發(fā)明的錐齒輪機構最突出的特征是螺旋圓弧錐齒輪齒面無相對滑動，無齒面膠 合、磨損和塑性變形等失效形式。
[0040] 本發(fā)明的一種無相對滑動的螺旋圓弧錐齒輪機構與現(xiàn)有技術相比具有的優(yōu)點是：
[0041] 1、本發(fā)明的一種無相對滑動的螺旋圓弧錐齒輪機構最大的優(yōu)點是其嚙合為點接 觸的無相對滑動嚙合傳動，嚙合點位于大輪和小輪理論分度圓錐體的切線上，所有嚙合點 的相對運動速度均為