專利名稱：一種并行多輸出微小變速器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及空間曲線嚙合輪傳動機構(gòu)和微小機械系統(tǒng)設計，具體是以空間曲 線嚙合輪為傳動機構(gòu)，實現(xiàn)多速比、多輸出傳動的并行多輸出微小變速器。
背景技術：
微小機械裝置(1 100mm)和微機械裝置(10 μ π! lmm)是機械學科的發(fā)展趨勢 之一。而微小機械和微機械的主要性能之一是實現(xiàn)微小空間內(nèi)小功率連續(xù)運動傳遞。目前國內(nèi)外研究開發(fā)的主要微小機械傳動技術有傳統(tǒng)機械傳動機構(gòu)直接微小型 化，但結(jié)構(gòu)復雜、成本高、制造困難；非傳統(tǒng)機械微驅(qū)動技術，只適用于實現(xiàn)微小位移或微小 力的瞬時觸發(fā)或者間歇傳動；組合或者綜合微驅(qū)動技術；基于傳統(tǒng)機械傳動機構(gòu)形式進行 根本性原理創(chuàng)新的微小機械傳動機構(gòu)。傳動機構(gòu)是變速器中至關重要的部分，傳動機構(gòu)的 特點很大程度上決定了變速器的性質(zhì)。根據(jù)速度變化不同，變速器分為減速器和增速器兩種，但絕大多數(shù)的變速器是減 速器，有時也把減速器等同于變速器。已標準化的減速器有硬齒面圓柱齒輪減速器，三支 點減速器，圓錐、圓柱齒輪減速器，圓弧圓柱蝸桿減速器，平面包絡環(huán)面蝸輪減速器，直廓環(huán) 面蝸桿減速器，行星齒輪減速器，垂直出軸混合少齒差星輪減速器，擺線針輪減速器，諧波 傳動減速器，三環(huán)減速器等。常規(guī)齒輪變速器造價低，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，傳動力矩大，但傳動比小，質(zhì)量大，較 少應用于微小機械。蝸桿變速器具有自鎖功能，傳動比大，輸入軸和輸出軸不在同一軸線 上，也不在同一平面上，但一股體積較大，傳動效率低，精度不高。行星齒輪變速器結(jié)構(gòu)緊 湊，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，精度較高，承載能力強，但結(jié)構(gòu)較復雜，制造精度較高。擺線針輪變速器具有 高傳動比和高效率，同軸輸出，結(jié)構(gòu)體積小和重量輕，傳動平穩(wěn)和噪音低，承載能力較大、嚙 合效率較高的特點，不足之處為結(jié)構(gòu)復雜，制造精度較高，它廣泛的應用于動力傳動中。諧 波齒輪減速器具有傳動比大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大、傳動平穩(wěn)等特點，但 主要零件柔輪的制造工藝較復雜。三環(huán)變速器具有行星齒輪變速器和普通圓柱齒輪變速器 的優(yōu)點，但在傳動軸上存在不平衡力偶矩，多用于低速重載的工況。

實用新型內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有變速器在微小機械領域應用中存在的一些問題，提供一種并 行多輸出微小變速器。本實用新型為一級變速器，傳動機構(gòu)為空間曲線嚙合輪，可實現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)連續(xù)傳動，創(chuàng)造的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，箱體簡潔；速比大，多傳動比；布局緊 湊，重量非常輕、成本低；多軸輸出，傳動平穩(wěn)，應用靈活的微小變速器，具體技術方案如下。并行多輸出微小變速器，包含一根輸入軸、若干輸出軸、若干主動輪、若干從動輪、 箱體。其特征在于輸入軸和所有輸出軸中心線在同一平面，所有輸出軸分布在輸入軸的兩 側(cè)，輸入軸和每個輸出軸中心線的夾角為0°<^<180°間任意角度；輸入軸上安裝若干個主 動輪，每根輸出軸上只安裝一個從動輪，一個主動輪和一個從動輪嚙合構(gòu)成一個傳動副；以電機聯(lián)接輸入軸的一端為起始位置，第一個主動輪為一階主動輪，第二個主動輪為二階主 動輪，第M個主動輪為M階主動輪，從輸入方向看，在輸入軸左側(cè)與一階主動輪嚙合的從動 輪為一階左從動輪，一階左從動輪所在的輸出軸為一階左輸出軸，在輸入軸左側(cè)與M階主 動輪嚙合的從動輪為M階左從動輪，M階左從動輪所在的輸出軸為M階左輸出軸，在輸入軸 右側(cè)與一階主動輪嚙合的從動輪為一階右從動輪，一階右從動輪所在的輸出軸為一階右輸 出軸，在輸入軸右側(cè)與M階主動輪嚙合的從動輪為M階右從動輪，M階右從動輪所在的輸出 軸為M階右輸出軸；箱體截面可為正多邊形或長方形，當箱體橫截面為正多邊形時，輸入軸 中心線和所有輸出軸中心線都不平行，正多邊形的一對平行邊上安裝一根輸入軸，其余每 條邊上安裝一根輸出軸，輸入軸的中心線垂直平分正多邊形的一對平行邊，每根輸出軸的 中心線垂直于正多邊形的一對平行邊，所有輸出軸關于輸入軸對稱地分布在箱體中；當箱 體橫截面為長方形時，輸入軸中心線和所有輸出軸中心線都不平行，輸入軸的中心線垂直 平分長方形的寬，輸入軸任意一側(cè)的所有輸出軸平行，所有輸出軸關于輸入軸對稱地分布 在箱體中；箱體內(nèi)部有與輸出軸相同數(shù)目的長方體支座，輸入軸兩端都安裝在箱體輪緣上， 所有輸出軸一端安裝在長方體支座上，另一端安裝在箱體輪緣上。上述的并行多輸出微小變速器中，所述箱體橫截面為正多邊形的微小變速器，具 有2M根輸出軸，正多邊形橫截面具有2M+2條邊，其中M > 1。上述的并行多輸出微小變速器中，所述箱體橫截面為長方形的微小變速器，單側(cè) 輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向相同，兩側(cè)輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向相反；以所述長方形箱體橫截面的并行微 小變速器為模型，在模型中增加相同特征的一根輸入軸和M個主動輪，調(diào)整兩輸入軸的位 置及兩側(cè)所有輸出軸的位置都關于長方形平行于長邊的中心線對稱，左側(cè)輸入軸上的M個 主動輪與左側(cè)輸出軸上的M個從動輪嚙合，右側(cè)輸入軸上的M個主動輪與右側(cè)輸出軸上的 M個從動輪嚙合，兩輸入軸旋轉(zhuǎn)方向相反，所有輸出軸旋轉(zhuǎn)方向相同。上述的并行多輸出微小變速器中，所述主動輪由主動輪體和主動鉤桿組成，主動 鉤桿均勻分布于主動輪體的端面上，從動輪由從動輪體和從動鉤桿組成，從動輪體均勻分 布于從動輪體的端面上，主動鉤桿中心線為空間螺旋線，從動鉤桿中心線與主動鉤桿中心 線為共軛曲線，一個主動鉤桿和一個從動鉤桿嚙合，在未脫離嚙合時，另一個主動鉤桿和另 一個從動鉤桿嚙合，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的傳動。上述的并行多輸出微小變速器中，所述的一個傳動副中主動輪和從動輪空間嚙合 位置由如下方法確定在0-χ，Y，Z及Op-Xp，Yp, Zp兩個空間笛卡爾坐標系中，0為0-X，Y，Z 坐標系原點，Op為Op-Xp，Yp, Zp坐標系原點，Z軸與主動輪的軸線重合，Zp軸與從動輪的軸線 重合，平面XOZ與平面XpO1^p在同一平面，平面XOZ與平面^CpOPp之間的夾角為θ，0° < θ < 180°。Op點到Z軸的距離為a，到X軸的距離為b，空間笛卡爾坐標系O-X1, Y1, Z1與主動 輪固聯(lián)，空間笛卡爾坐標系Op-X2, Y2, Z2與從動輪固聯(lián)，O-X1, Y1, Z1與0-X，Y，Z兩空間笛卡 爾坐標系原點重合，Op-X2, Y2, Z2與Op-Xp，Yp, Zp兩空間笛卡爾坐標系的原點重合，平面XOY 與平面^C1O1Y1在同一平面，平面)(P0PYP與平面)(20J2在同一平面。在起始位置O-XnYpZ1與 0-χ, Y，Z兩空間笛卡爾坐標系重合，Op-X2, Y2, Z2與Op-Xp，Yp, Zp兩空間笛卡爾坐標系重合。 主動輪以勻角速度O1繞Z軸旋轉(zhuǎn)，從動輪以勻角速度《2繞4軸旋轉(zhuǎn)。所述的主動鉤桿和從動鉤桿的中心線滿足如下共軛的空間曲線方程π + t
X2 = cos—~
\rx cos θ-{nt + ηπ) sin θ + { ηθ -a cos θ)
.π + t ^2 =-sin-~
hi
\rx cos θ - {nt + ηπ) sin θ + { ηθ-α cos Θ)
Drl .川 Dn , 1 sin^]+ ,-^
Wr12^n^
sin ^] +
n2+rx2
t + π cos-
z2 = -rx sin θ-{nt + ηπ) cos ^ + α sin ^ + cos θ(1)(1)上式中Γι、η-為空間螺旋線參數(shù)；t_參變量，且-π < t，t的起始值為- π，t的終點值由空間共軛曲線的嚙合方程 式確定；θ -平面XOZ與平面XpO1^p之間的夾角，也是主動輪和從動輪軸線夾角的補角，范 圍為 0° < θ < 180° ；a, b-0p點到Z軸的距離為a，(a > 0) ；Op到X軸的距離為b (b > 0) ； i12-主動輪 與從動輪的角速度比，即從動鉤桿數(shù)量與主動輪鉤桿數(shù)量之比；D-為主動鉤桿和從動鉤桿直徑。本實用新型的并行多輸出微小減速器的工作過程如下微電機與輸入軸聯(lián)接，驅(qū) 動輸入軸上所有主動輪同時運動；一階主動輪同時驅(qū)動一階左從動輪和一階右從動輪運 動，M階主動輪同時驅(qū)動M階左從動輪和M階右從動輪運動，主動鉤桿和從動鉤桿嚙合，傳 遞動力與運動，進而實現(xiàn)傳動。本實用新型從并行輸出的角度，設計出簡單易行的并行多輸出微小變速器，能夠 實現(xiàn)較高效率的連續(xù)傳動，且在微小空間實現(xiàn)多軸多方向多傳動比的輸出，利于產(chǎn)品多樣 化和創(chuàng)造性的生產(chǎn)(如促進多足昆蟲玩具等輕工產(chǎn)品的豐富和創(chuàng)新)，也能廣泛靈活地應 用于一股微小機械系統(tǒng)中。本實用新型創(chuàng)造具有如下優(yōu)點1、并行多輸出微小變速器是一級變速器，單級傳動比目前可達到12 1。2、在結(jié)構(gòu)上，輸出軸關于輸入軸對稱，可實現(xiàn)單輸入——多輸出或雙輸入——多 輸出模式，且具有多個傳動比，應用非常靈活。3、箱體截面有正多邊形、圓形、長方形三種形式，規(guī)則簡單，易于制造。4、整體結(jié)構(gòu)簡單對稱，布局清晰緊湊，變速器能簡單地變換多種布局，具有良好的 經(jīng)濟性和實用性。5、并行多輸出微小變速器制造和安裝簡單，在狹小空間傳動副之間不易干涉，成 本低，重量非常輕。6、傳動機構(gòu)可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，具有較高的傳動效率，傳動連續(xù)平穩(wěn)。
圖1為空心正八棱柱的并行多輸出微小變速器示意圖。圖2為圖1所示空心正八棱柱的并行多輸出微小變速器俯視圖示意圖。圖3為空心長方體的斜交并行多輸出微小變速器俯視圖示意圖。圖4為空心長方體的正交并行多輸出微小變速器俯視圖示意圖。圖5為實施方式中空間曲線嚙合輪傳動副的示意圖。圖6a為圖1所示空心正八棱柱的并行多輸出微小變速器中i12 = 3 一階主動輪示 意圖。圖6b為圖1所示空心正八棱柱的并行多輸出微小變速器中i12 = 3 一階左從動輪 示意圖。圖7為圖1所示空心正八棱柱并行多輸出微小變速器應用實例——攪拌系統(tǒng)俯視 圖示意圖。圖8為圖1所示空心正八棱柱的并行多輸出微小變速器應用實例——攪拌系統(tǒng)模 型示意圖。圖9為以圖4所示空心長方體的正交并行多輸出微小變速器為基礎簡單改裝后的 應用實例——六足爬蟲俯視圖示意圖。圖10為以圖4所示空心長方體的正交并行多輸出微小變速器為基礎簡單改裝后 的應用實例——六足爬蟲模型示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖敘述本實用新型的實施方式，但本實用新型的實施和保護范圍不限 于此。如圖1所示，本空心八棱柱的并行多輸出微小變速器包括輸入軸1，一階主動輪2， 一階左輸出軸3，一階左從動輪4，二階主動輪5，二階左輸出軸6，二階左從動輪7，三階左 輸出軸8，三階左從動輪9，三階主動輪10，三階右從動輪11，三階右輸出軸12，二階右從動 輪13，二階右輸出軸14，一階右從動輪15，一階右輸出軸16，箱體17。微電機與輸入軸1聯(lián) 接，驅(qū)動輸入軸上一階主動輪2、二階主動輪5、三階主動輪10同時運動；一階主動輪2同時 驅(qū)動一階左從動輪4和一階右從動輪15運動，二階主動輪5同時驅(qū)動二階左從動輪7和二 階右從動輪13運動，三階主動輪10同時驅(qū)動三階左從動輪9和三階右從動輪11運動，通 過鉤桿嚙合，傳遞動力與運動，進而實現(xiàn)傳動。本例中有一個輸入，六個輸出，一階左輸出軸 3、二階左輸出軸6和三階右輸出軸12的旋轉(zhuǎn)方向一致，一階右輸出軸16、二階右輸出軸14 和三階左輸出軸8的旋轉(zhuǎn)方向一致，傳動比i12都為3，但輸出方向各不相同，箱體橫截面正 八邊形的外接圓直徑為66mm。如圖2所示，在箱體17中，一階左輸出軸3、二階左輸出軸6、三階左輸出軸8和一 階右輸出軸16、二階右輸出軸14、三階右輸出軸12關于輸入軸1對稱。箱體橫截面為正八 邊形，輸入軸1的中心線垂直于箱體橫截面兩條平行邊，每根輸出軸中心線垂直于箱體上 安裝此軸所在的邊。箱體中有六個長方體支座，每個長方體支座與箱體壁相對的面平行且 距離相等。由圖1和圖2可擴展為一根輸入軸，N根輸出軸，箱體截面則為正N+2邊形，其中N ^ 4 ；輸出方向各不相同；各個傳動比可以相同也可不同；由于輸出軸關于輸入軸對稱且 相鄰兩軸夾角相同，不同傳動副間的干涉可以簡單的解決。如圖3所示，空心長方體的斜交并行多輸出微小變速器包括輸入軸301，一階主動 輪302，一階左輸出軸303，一階左從動輪304，二階主動輪305，二階左輸出軸306，二階左 從動輪307，三階主動輪308，三階左輸出軸309，三階左從動輪310，三階右從動輪311，三 階右輸出軸312，二階右從動輪313，二階右輸出軸314，一階右從動輪315，一階右輸出軸 316，箱體317?？招拈L方體的斜交并行多輸出微小變速器工作過程與圖1空心正八棱柱的 并行多輸出微小變速器驅(qū)動方式一致，且主動鉤桿和從動鉤桿設計方法相同。本例中θ = 120°，一階傳動比i12 = 2，二階傳動比i12 = 3，三階傳動比i12 = 4，具有一個輸入軸，六個 輸出軸?？招拈L方體的斜交并行多輸出微小變速器輸入軸單側(cè)所有輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向和輸 出方向一致。箱體橫截面的長為86mm，寬為36. 5mm，在微小機械的尺寸范圍內(nèi)。如圖4所示，空心長方體的正交并行多輸出微小變速器和空心長方體的斜交并行 多輸出微小變速器結(jié)構(gòu)布局一致，是θ =90°時的特例，更為簡單。如圖5所示，在0-Χ，Y，Z及Op-Xp，YP, Zp兩個空間笛卡爾坐標系中，0為0_Χ，Y，Z 坐標系原點，Op為Op-Xp，Yp, Zp坐標系原點，Z軸與主動輪的軸線重合，Zp軸與從動輪的軸線 重合，平面XOZ與平面XpO1^p在同一平面，平面XOZ與平面^CpOPp之間的夾角為θ，0° < θ < 180°。Op點到Z軸的距離為a，到X軸的距離為b，空間笛卡爾坐標系O-X1, Y1, Z1與主動 輪固聯(lián)，空間笛卡爾坐標系Op-X2, Y2, Z2與從動輪固聯(lián)，O-X1, Y1, Z1與0-X，Y，Z兩空間笛卡 爾坐標系原點重合，Op-X2, Y2, Z2與Op-Xp，Yp, Zp兩空間笛卡爾坐標系的原點重合，平面XOY 與平面^C1O1Y1在同一平面，平面)(P0PYP與平面)(20J2在同一平面。在起始位置O-XnYpZ1與 0-Χ, Y，Z兩空間笛卡爾坐標系重合，Op-X2, Y2, Z2與Op-Xp，Yp, Zp兩空間笛卡爾坐標系重合。 主動輪以勻角速度O1繞Z軸旋轉(zhuǎn)，從動輪以勻角速度《2繞4軸旋轉(zhuǎn)。如圖6a所示，主動鉤桿的中心線為空間螺旋線，設定第三級主動輪鉤桿的空間螺 旋線的參數(shù)A = 3, η = 2，鉤桿直徑D = 0. 5mm，主動鉤桿數(shù)為5，可得其主動鉤桿參數(shù)方程 如下
X1=3 cosi[0048] ‘ =3 sin (2)4=2/+ 2π從動輪鉤桿與主動輪鉤桿中心線為共扼的空間曲線形狀，當確定主動鉤桿中心線 方程和a，b，D，i12，θ的值時，與之共軛的從動鉤桿的中心線方程就隨之確定了，可求解從 動輪鉤桿中心線的曲線方程，從而確定從動鉤桿的形狀。同時，確定主動輪在軸上的位置 后，可根據(jù)Op到X軸和Z軸的距離a，b的值確定與之嚙合的從動輪在軸上的位置。如圖6b 所示，為傳動比設置i12 = 3的一階左從動輪，此傳動副中，平面XOZ與平面)(P0PZP之間的夾 角θ =135°，a = 12mm, b = 12_，其從動輪方程如下
權利要求1.并行多輸出微小變速器，包括箱體、一根輸入軸、若干輸出軸、若干主動輪和若 干從動輪；所述箱體用于安裝輸入軸和輸出軸，其特征在于輸入軸和所有輸出軸中心線 在同一平面，所有輸出軸分布在輸入軸的兩側(cè)，輸入軸和每個輸出軸中心線的夾角為 0°<^<180°；輸入軸上安裝若干個主動輪，每根輸出軸上只安裝一個從動輪，一個主動輪和 一個從動輪嚙合構(gòu)成一個傳動副；以電機聯(lián)接輸入軸的一端為起始位置，第一個主動輪為 一階主動輪，第二個主動輪為二階主動輪，第M個主動輪為M階主動輪，從輸入方向看，在輸 入軸左側(cè)與一階主動輪嚙合的從動輪為一階左從動輪，一階左從動輪所在的輸出軸為一階 左輸出軸，在輸入軸左側(cè)與M階主動輪嚙合的從動輪為M階左從動輪，M階左從動輪所在的 輸出軸為M階左輸出軸，在輸入軸右側(cè)與一階主動輪嚙合的從動輪為一階右從動輪，一階 右從動輪所在的輸出軸為一階右輸出軸，在輸入軸右側(cè)與M階主動輪嚙合的從動輪為M階 右從動輪，M階右從動輪所在的輸出軸為M階右輸出軸；箱體截面為正多邊形或長方形，當 箱體橫截面為正多邊形時，輸入軸中心線和所有輸出軸中心線都不平行，正多邊形的一對 平行邊上安裝一根輸入軸，其余每條邊上安裝一根輸出軸，輸入軸的中心線垂直平分正多 邊形的一對平行邊，每根輸出軸的中心線垂直于正多邊形的一對平行邊，所有輸出軸關于 輸入軸對稱地分布在箱體中；當箱體橫截面為長方形時，輸入軸中心線和所有輸出軸中心 線都不平行，輸入軸的中心線垂直平分長方形的寬，輸入軸任意一側(cè)的所有輸出軸相互平 行，所有輸出軸關于輸入軸對稱地分布在箱體中。
2.根據(jù)權利要求1所述的上述的并行多輸出微小變速器，其特征在于所述箱體橫截面 為正多邊形的微小變速器，具有2M根輸出軸，正多邊形橫截面具有2M+2條邊，其中M彡1。
3.根據(jù)權利要求1所述的上述的并行多輸出微小變速器，其特征在于所述箱體橫截面 為長方形，長方形單側(cè)的所有輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向相同，兩側(cè)輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向相反；以所述 長方形箱體橫截面的并行微小變速器為模型，在模型中增加相同特征的一根輸入軸和M個 主動輪，調(diào)整兩輸入軸的位置及兩側(cè)所有輸出軸的位置都關于長方形橫截面平行于長邊的 中心線對稱，左側(cè)輸入軸上的M個主動輪與左側(cè)輸出軸上的M個從動輪嚙合，右側(cè)輸入軸上 的M個主動輪與右側(cè)輸出軸上的M個從動輪嚙合，兩輸入軸旋轉(zhuǎn)方向相反，所有輸出軸旋轉(zhuǎn) 方向相同。
4.根據(jù)權利要求1所述的上述的并行多輸出微小變速器，其特征在于所述主動輪由主 動輪體和主動鉤桿組成，主動鉤桿均勻分布于主動輪體的端面上，從動輪由從動輪體和從 動鉤桿組成，從動輪體均勻分布于從動輪體的端面上，主動鉤桿中心線為空間螺旋線，從動 鉤桿中心線與主動鉤桿中心線為共軛曲線，一個主動鉤桿和一個從動鉤桿嚙合，在未脫離 嚙合時，另一個主動鉤桿和另一個從動鉤桿嚙合，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的傳動。
專利摘要本實用新型提供一種并行多輸出微小變速器，其傳動機構(gòu)是基于空間曲線嚙合原理的齒輪機構(gòu)，該微小變速器可實現(xiàn)多軸同時輸出，且輸入軸和每根輸出軸中心線的夾角為0°<φ<180°間任意角度。空間曲線嚙合齒輪機構(gòu)由主動輪和從動輪組成，輸入軸上安裝若干個主動輪，每根輸出軸上只安裝一個從動輪，輸出軸對稱地分布在輸入軸的兩側(cè)；電機聯(lián)接輸入軸，驅(qū)動輸入軸及軸上主動輪轉(zhuǎn)動，主動輪驅(qū)動從動輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)多軸同時輸出。本實用新型為一級微小變速器，具有結(jié)構(gòu)簡單，箱體簡潔，速比大，布局緊湊，應用靈活，重量非常輕、成本低，多軸輸出等特點，在需要操作靈活，多方向輸出，多個傳動比等條件的應用場合有廣泛的應用前景，便于制造出豐富靈活的產(chǎn)品。
文檔編號F16H1/22GK201908995SQ201120013879
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權日2011年1月18日
發(fā)明者丁江, 傅小燕, 陳揚枝 申請人:華南理工大學