内摆线针轮行星传动装置

1.一种采用内摆线形成原理的、啮合原理的内摆线针轮行星传动装置，其特征是：采 用短幅内摆线的外等距曲线齿廓的内摆线轮(a)作为中心轮，而由圆柱形的长针齿(13) 和针齿架(8)组成的针轮(b)作为行星轮安装在偏心距为A的转臂轴(H)上，采用针孔 式输出机构直接由针轮(b)的长针齿(13)的伸出部分带动组合输出轴的前传力盘(15)、 后传力盘(7)及平衡传力环(16)的传力孔，使两个相位差为180度的针轮的角速度等 速比地输出。
2.根据权利要求1所述的内摆线针轮行星传动装置，其特征是：针轮齿数多须用短 针齿(9)并与长针齿(13)交替安装在针齿架(8)上，针齿上装有针齿套(10)，一个针 齿架(8)内装1～2个转臂轴承(6)，对输入轴高速、大功率须装平衡块(19)，每个针齿 架(8)上有一组能通过连接杆(3)的通孔，共有两个针轮。
3.根据权利要求1所述的内摆线针轮行星传动装置，其特征是：针孔式输出机构是两 针轮的长针齿(13)伸出部分带上端套(14)插入平衡传力环(16)及前传力盘(15)、后 传力盘(7)的传力套(17)对应孔中，与孔接触并作无滑动的滚动。
4.根据权利要求1所述的内摆线针轮行星传动装置，其特征是：组合输出轴由前传力 盘(15)、输出端轴(18)、后传力盘(7)，用穿过针齿架(8)的一组连接杆(3)固结而 成，连接杆(3)不与针齿架(8)的通孔接触，组合输出轴的两轴承(20)分别安装在两内 摆线轮(12)两侧的前传力盘(15)和后传力盘(7)上。

(一)技术领域：\n本发明涉及机械行星传动领域\n(二)背景技术：\n摆线针轮行星传动是用外摆线啮合原理设计的外摆线轮和针齿啮合的行星传动。见附 图1，由中心轮b为圆柱形针齿的针轮，行星轮a为齿廓是短幅外摆线的内等距曲线的外 摆线轮，偏心距为A的转臂轴H及孔销式输出机构组成。其输出机构是在输出轴(4)的圆盘 上布n支柱销(2)，柱销(2)上有柱销套(1)，柱销带套一起插入两摆线轮a的柱销孔中。 传动过程中柱销套(1)与摆线轮a的柱销孔接触并作无滑动的滚动。将两个相位差为180 度摆线轮a的角速度等速比地输出。\n目前，摆线针轮行星传动已标准化、系列化。具有体积小，重量轻，传动比范围大， 传动效率高、传动平稳、噪音低、工作可靠等优点，已广泛在冶金、矿山、石油、化工、 船舶、轻工、食品、纺织、印染、起重运输以及军工等许多部门应用。\n由于柱销(2)的悬臂长，分布圆半径小(针轮半径的65％左右)，柱销(2)须有较大 直径才能有足够的抗弯强度，再加上柱销(2)必须带上柱销套(1)，使得两摆线轮a的柱 销孔的尺寸很大，占据了摆线轮a较大的径向尺寸，若摆线轮a轴向尺寸增加，则柱销(2) 的悬臂更长、直径更大，使摆线轮a内的转臂轴承(3)的尺寸空间更小，转臂轴承的选择 受到限制。在承受高速、重载的条件下，转臂轴承的寿命很难满足要求。至今未有较好的 解决方案。因而传动功率受到限制，使其应用(特别是大功率传动)受到影响。这是该传 动的薄弱环节。\n自1926年德国人L.Braren发明摆线针轮行星传动以来，其外摆线传动原理、啮合原 理占主导地位。偶有提及内摆线的行星传动专利，如专利号为93210989.6《内摆线减速器》 中内摆线轮齿廓采用的内摆线弧，实质是短幅外摆线的外等距曲线，符合外摆线啮合原理。 涉及内摆线原理的专利，如专利号为94204804.0《小功率滚道减速电机》、专利号为 200310105035.3《一种针齿摆线针轮传动机构及减速器》等，其结构均属活齿类内摆线行 星传动，传动的承载力小、平稳性较差，仅可用于小功率传动。\n(三)发明内容\n针对摆线针轮行星传动输出机构的柱销的悬臂长，分布圆半径小，柱销的直径大，使 摆线轮内的转臂轴承的尺寸空间受到限制的弱点。本发明提出了用内摆线形成、啮合原理 设计的全新的内摆线针轮行星传动方案：见附图2，由采用短幅内摆线的外等距曲线齿廓 的内摆线轮a作为中心轮，而用圆柱形长针齿(13)、短针齿(9)和针齿架(8)组成的针 轮b作为行星轮，安装在偏心距为A的转臂轴H上，采用针孔式输出机构，直接由针轮b 上的长针齿(13)的伸出部分带动组合输出轴Z的前传力盘(15)、后传力盘(7)及平衡 传力环(16)的传力孔，使两个相位差为180度的针轮b的角速度等速比地输出。\n现将内摆线针轮行星传动的传动原理及形成、啮合原理说明如下：\n内摆线针轮行星传动的传动原理见附图2，a为内摆线轮，b为针轮，H为输入轴(转 臂轴)。针轮b是装在偏心距为A的输入轴H上，当输入轴H旋转时，针轮b不仅绕H轴 线传动，而且同时随H轴线一起绕固定的轴线OH回转，即针轮b同时在作自转和公转， 称针轮b为行星轮，称内摆线轮a为中心轮。其传动比i为：\n$i=-\frac{Z_b}{Z_a-Z_b}$\n式中的Za为内摆线轮a的齿数，Zb为针轮b的齿数，“-”表示针轮b与输入 轴(转臂轴)H的转向相反。\n内摆线的形成、啮合原理：\n内摆线齿廓的形成方法有两种：第一种形成法和第二种形成法。\n第一种形成内摆线和短幅内摆线的方法：见附图3，当半径为r的滚圆在半径为R的 基圆内作纯滚动时，滚圆上一点C的轨迹C C’C”C......称为内摆线，其幅高等于滚圆 直径即h0＝2r内摆线的平均半径为：\n$R_a=R-\frac{h_0}{2}=R-r$\n假设圆内有一点M，点M离圆心O的距离为A，A＝OM称为偏心距，当滚圆按上 述方法滚动时，则M点的轨迹M M’M”M”’为一条变态内摆线，其幅高h等于两倍偏心 距即h＝2A。因A＜r，所以h＜h0即M点所形成的是短幅内摆线，其幅高h与内摆线幅 高ho的比称为短幅内摆线的短幅系数，用K1表示即\n$K_1=\frac{h}{h_0}=\frac{\overline{\mathrm{OM}}}{r}<1$\n短幅内摆线的平均半径为$R_a=R-\overline{\mathrm{MC}}-\frac{h}{2}=R-(r-A)-A=R-r$\n由上可知短幅内摆线的平均半径和内摆线相等。\n第二种形成内摆线和短幅内摆线的方法：见附图4，滚圆半径rb比基圆半径ra小，二 者的偏心距A＝ra-rb。当滚圆顺时针方向在基圆内侧作纯滚动时，滚圆上的一点C的轨 迹C C’C”C”’P1同样是内摆线，并且在滚圆外与滚圆相固结的一点M的轨迹MM’ M”M”’是短幅内摆线。滚圆的半径rb与ObM的比值称为短幅系数K1即$K_1=\frac{r_b}{\overline{O_{b}M}}$ 设开始滚动时滚圆上的C点与基圆上的P点相切，若在滚圆上取一点C1并使\n\n则当滚圆逆时针方向滚动时，C1点一定与P1点相重合。此时，若使滚圆逆时针方向 在基圆内侧作纯滚动，则C1点的轨迹就是P1C1C”’C”C’C。故所取的一点C1一定在C点 所形成的内摆线上；若滚圆沿一个方向纯滚动时，C1点的轨迹与C点的相一致，并且形 成一条连续的内摆线。\n所以我们若在滚圆上取若干点C，C1，C2......并使当滚圆在 基圆内侧作纯滚动时，则C，C1，C2......各点所作的轨迹都是一致的，即形成一条连续的内 摆线。\n同样，若在滚圆外与滚圆相固结的板上，以Ob为圆心，ObM为半径作一圆，在这圆 上取M，M1，M2......并使各点间的弧长相等。即\n\n并且弧长满足以下关系：\n即\n则M，M1，M2......各点所作的轨迹是一致的，即形成一条连续的短幅内摆线。\n两种形成内摆线、短幅内摆线齿廓的方法虽然不同，但只要满足一定的条件，用两种 方法可形成同一条内摆线或短幅内摆线(证明略)\n内摆线针轮行星传动符合齿廓啮合基本定律：\n从内摆线形成的原理可知：附图4中，滚圆上的点C，C1，C2......产生的轨迹为一条连 续的内摆线；并且在图示的位置时P点是滚圆对基圆作纯滚动时的瞬心。因此P点也是 滚圆上的C，C1，C2......的瞬心；所以这时由C，C1，C2......形成的内摆线在这些点处的法线都 通过P点。若把滚圆rb作为针轮，并在C，C1，C2......各点上装针齿与内摆线齿廓同时接触 (即啮合)。其接触点的公法线CP，C1P，C2P......它们都通过瞬心P点。\n同理，短幅内摆线上M，M1，M2......各点处的法线都通过P点，若把M，M1，M2...... 的分布圆作为针轮(即针轮是以Ob为圆心，ObM＝Rz为半径的圆)，在M，M1，M2......各 点上装上针齿，则这些针齿也同时与短幅内摆线相接触(即啮合)，其接触点的公法线也 是内摆线轮齿廓的法线MP，M1P，M2P......它们的也是通过瞬心P点。\n从内摆线的第二种形成法可知，当针轮与内摆线轮作相对运动时，滚圆相对基圆作纯 滚动，这时瞬心P点是落在基圆上，即基圆是瞬心P点的轨迹。并且针齿与内摆线齿廓 不论在任何位置接触时，接触点的法线总是与OaOb线相交于瞬心P点，所以 根据啮合的基本定律，当等于常数时，传动比恒定不变，所以内摆线与“针点” 是满足齿廓啮合基本定律的共扼齿廓。\n在实际传动中，为了传递动力，同样将具有一定直径的针齿代替“针点”。因此实际 齿廓是以理论齿廓上各点为圆心，以针齿半径rz为半径所作的一系列小圆的包络线，即 内摆线轮的实际齿廓是理论齿廓的外等距曲线。由于M，M1，M2......各点与瞬心P点的连 线是摆线在这些点处的法线，因此也是和针齿相切的外包络线的法线，即 MP，M1P，M2P......也是实际齿廓的公法线，所以针轮与内摆线轮的实际齿廓的啮合，也符 合齿廓啮合的基本定律。\n同样把齿廓啮合的公法线与两轮中心OaOb连线的交点P称为节点，通过节点以Oa，Ob 为圆心作的两个圆分别称为内摆线轮和针轮的节圆。由此可知，第二种形成法线的基圆 和滚圆就是内摆线轮与针轮啮合时的一对节圆。\n根据上面的分析同样可得两个重要的特性：\n1)在内摆线针轮行星传动中，所有针齿都与内摆线轮的齿廓相接触。\n2)在内摆线针轮行星传动中，所有针齿与内摆线轮齿廓啮合的公法线都通过节 点P。\n连续啮合的条件：\n从附图4可以看到，当滚圆rb在基圆内侧作纯滚动时，每滚过圆的周长2πrb时就形成 一条完整的内摆线(或短幅内摆线)，它在基圆上对应的弧长称为内摆线轮节圆的周 节t其值为：t＝2πra-2πrb＝2π(ra-rb)＝2πA\n则内摆线轮的齿数为：$Z_a=\frac{2\pi r_a}{t}=\frac{2\pi r_a}{2\pi (r_a-r_b)}=\frac{r_a}{(r_a-r_b)}=\frac{r_a}{A}$\n由于内摆线的齿数必须是整数，因此比值应为整数，才能使内摆线轮的理论齿廓 是一条连续封闭的内摆线或短幅内摆线。要保证针齿与内摆线轮正确啮合，必须满足 也就是两轮在节圆上的周节必须相等，所以与内摆线轮相啮合的针轮齿数为：\n$Z_b=\frac{2\pi r_b}{t}=\frac{2\pi r_b}{2\mathrm{\pi A}}=\frac{r_b}{A}=\frac{r_a-A}{A}=Z_a-1$\n由上式可知，用完整的内摆线或短幅内摆线作为内摆线轮的齿廓时，内摆线轮与针轮 的齿数差必须等于1，才能保证轮齿啮合的连续性。\n现将内摆线最小曲率半径计算公式与外摆线作一比较：\n内摆线最小曲率半径$\left|{\rho }_{0\min 1}\right|=\sqrt{\frac{27(1-K_1^2)(Z_b+1)}{{(Z_b-1)}^3}}{R}_z$ $\left|{\rho }_{0\min 2}\right|=\frac{{(1+K_1)}^2}{K_1{Z}_b-1}{R}_z$\n外摆线最小曲率半径$\left|{\rho }_{0\min 1}\right|=\sqrt{\frac{27(1-K_1^2)(Z_b-1)}{{(Z_b+1)}^3}}{R}_z$ $\left|{\rho }_{0\min 2}\right|=\frac{{(1+K_1)}^2}{K_1{Z}_b+1}{R}_z$\n不难看出：内摆线最小曲率半径在参数相同时，明显大于外摆线最小曲率半径。 经对内、外摆线特性的分析研究得到以下结论：\n1、短幅外摆线等距曲线宜作外摆线轮的齿廓曲线，不宜作内摆线轮的齿廓曲线；\n2、短幅内摆线等距曲线宜作内摆线轮的齿廓曲线，不宜作外摆线轮的齿廓曲线；\n3、在参数相同时，用短幅内摆线等距曲线作内摆线轮的齿廓曲线优于短幅外摆线等距 曲线作外摆线轮的齿廓曲线，因前者不易产生尖角和根切，承载能力强；\n4、内摆线的短幅系数K1的取值范围比外摆线K1的取值范围大。\n所以本发明的内摆线轮采用了短幅内摆线的外等距曲线齿廓与圆柱形针齿啮合传动，该 传动的输出机构的柱销的悬臂(长针齿的伸出部分)很短，分度圆半径(即针轮半径)大， 且针轮的轴向尺寸增加对输出机构的承载能力影响很小；针轮内除了一组通过组合输出轴连 接杆的通孔外，给转臂轴承留下了足够的径向和轴向空间；组合输出轴的两支承在内摆线轮 的两侧。因而可达到减少体积、增加承载能力，实现大功率传动的目的。\n(四)附图说明：\n下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：\n图1、现有摆线针轮行星传动装置示意图；\n图2、内摆线针轮行星传动装置示意图；\n图3、第一种形成内摆线和短幅内摆线的方法原理图；\n图4、第二种形成内摆线和短幅内摆线的方法原理图；\n图5、内摆线针轮行星传动装置结构图；\n图6、可用于机器人的薄型内摆线针轮行星传动装置结构图。\n(五)具体实施方式：\n内摆线针轮行星传动是采用内摆线形成、啮合原理设计的一种新型摆线行星传动。组 成这种传动装置的结构及零部件见附图5。\n行星架由输入轴(4)和双偏心套(5)组成，偏心套(5)上的两个偏心方向互成180°。通常 输入轴(4)一端支承在后盖(2)上，另一端支承在前传力盘(15)上。\n行星轮是由短针齿(9)(齿数少时不用)和长针齿(13)交替安装在针齿架(8)上组成的 针轮。通常针齿上装有针齿套(10)，一个针齿架(8)内装1～2个转臂轴承(6)，对输入 轴高速或大功率须装平衡块(19)，每个针齿架(8)上有一组能通过连接杆(3)的通孔，共 有两个针轮。\n中心轮为两个相位互成180°(齿数为奇数时)齿廓为短幅内摆线的外等距曲线的内摆 线轮(12)，用固定螺栓(11)和定位销(21)[或如附图6用平鍵(22)]固定在机座(1) 上。\n输出机构采用针孔式机构，两针轮的长针齿(13)伸出部分带上端套(14)插入平衡 传力环(16)及前传力盘(15)、后传力盘(7)的传力套(17)对应孔中，与孔接触并作 无滑动的滚动，使两个相位差为180度的针轮b的角速度等速比地输出。平衡传力环(16) 可与组合输出轴的连接杆(3)固结，组合输出轴由前传力盘(15)、输出端轴(18)、后传 力盘(7)用一组连接杆(3)固结而成，也可将前传力盘(15)和输出端轴(18)合为一体 或不用输出端轴(18)，由前传力盘(15)直接输出。组合输出轴的两轴承(20)的分别安装 在两内摆线轮(12)的两侧的前传力盘(15)和后传力盘(7)上。\n内摆线针轮行星传动的内摆线轮采用短幅内摆线的外等距曲线齿廓。因为在相同的条件 下，内摆线比外摆线的曲率半径的绝对值大，不易产生尖角和根切，针齿直径及短幅系数 的选择范围大，单级传动比可增大。加上每个内摆线轮单独与双支承的针齿啮合，针齿的 抗弯强度和接触强度大幅度提高。针孔式输出机构直接由针轮的长针齿两端伸出部分带动 组合输出轴的前、后传力盘和平衡传力环，其柱销悬臂短(只有现有摆线行星传动柱销悬 臂的1/4～1/5)，传力半径大(约现有摆线行星传动的1.5倍)。输出机构的承载能力大大 提高。针齿架上仅有组合输出轴的一组连接杆的通孔，所占径向尺寸大大减小，且针轮的 轴向尺寸增加对输出机构的承载能力影响很小，因而可增大转臂轴承的径向、轴向尺寸； (还可采用双轴承加平衡块)，使转臂轴承的承载力大大提高，输入轴实现动平衡。此外， 组合输出轴的两支承在内摆线轮两侧的传力盘上，大大缩短了传动装置的轴向尺寸。\n所以内摆线针轮行星传动除具有摆线针轮行星传动的诸多优点外，可大幅提高传动承 载能力及传递功率，减小传动装置的体积，提高了输出轴的刚性和抗冲击能力，能用于高 速、重载、大功率传动，也可制成用于机器人制造等的薄型传动装置。见附图6。