一种可变角度传动的线齿轮机构的制作方法

本发明涉及机械传动领域，尤其涉及一种基于空间共轭曲线啮合的、可变角度传动的线齿轮机构。

背景技术：

在两个轴之间的增速或减速传动中，能实现传动角度可变的齿轮称为可变角度传动齿轮。可变角度传动的齿轮机构主要运用于有特殊要求的传动场合，如方向自适应发电机、变角度剃须刀，潜水器方向控制等方面。

目前用于变角度传动的机构主要有联轴器和软轴。联轴器可以实现两轴之间变角度传动的功能；万向联轴器的两端连接的轴可以获得变角度传动。软轴变角度传动是因为轴的材料决定的，轴的材料柔软，容易扭曲，扭曲后，软轴的传动角度发生了改变。

线齿轮是一种运用空间曲线啮合理论代替传统空间曲面啮合理论的新型齿轮，主要运用于微小传动领域，具有尺寸小，传动比大，制造方便等优点。线齿轮目前可以运用于垂直轴、相交轴和交错轴上的传动，并且其设计方程、重合度、强度准则、微小变速器和制造领域等研究已经趋于完善。

在尺度受限的微小机械装置中，有时有改变传动角度的传动要求，这难以用控制的方式实现，而传统联轴器又不适用于微小尺度，软轴缺乏一定的可靠性。

技术实现要素：

本发明在线齿轮理论基础之上，给出具有稳定地可变角度传动的线齿轮副的设计方案，用该方法设计的线齿轮副机构可以提供稳定的可变角度传动。

本发明所采用的技术方案如下。

一种可变角度传动的线齿轮机构，该机构由一对相交轴线齿轮组成传动副，包括主动轮和从动轮，所述主动轮和从动轮均由轮体和线齿组成，主动轮线齿和从动轮线齿的接触线按照一对空间共轭曲线啮合，所述主动轮上的线齿有一条或多条，从动轮上的线齿为具有变角度传动性质的线齿，在传动过程中，该机构可调整相交轴线齿轮副的传动角度，使啮合点在不同的接触线上，同时保持传动比不变，并且传动平稳。

优选地，所述主动轮线齿和从动轮线齿的接触线或接触面中，所述主动轮线齿上的工作面为一条主动轮接触线，或者为一系列主动轮接触线构成的一个曲面；从动轮线齿上的工作面由一系列从动轮接触线构成的。

优选地，所述主动轮线齿和从动轮线齿通过点接触啮合，可实现连续的点接触传动；在不同的传动角度时，主动轮接触线为同一条接触线，而从动轮接触线为不同接触线，即，在不同的传动角度下，由对应的一对不同的共轭接触线实现传动。

优选地，所述主动轮线齿上用于啮合的主动轮接触线简化为圆柱螺旋线；从动轮线齿上为一系列圆锥螺旋线构成的工作面，每个传动角度对应一条从动轮线齿上的用于啮合的从动轮接触线，当改变传动角度时，从动轮接触线将发生变化。

优选地，所述主动轮接触线及从动轮接触线组成的曲面的方程确定如下：

设o-xyz为空间上任意的固定笛卡尔坐标系，o为o-xyz坐标系原点，x、y、z是o-xyz坐标系的三个坐标轴，笛卡尔坐标系op-xpypzp根据坐标系o-xyz位置进行确定，xpopzp平面与xoz平面在同一平面内，坐标原点op到z轴的距离为a，op到x轴的距离为b，z轴与zp轴之间的夹角为(π-θ)，θ为主、从动轮角速度矢量的夹角，0°≤θ≤180°，坐标系o1-x1y1z1和o2-x2y2z2分别为固定在主动轮和从动轮上的坐标系，传动时主动轮和从动轮各自绕着z轴和zp轴转动，主动轮与从动轮在起始啮合点时，坐标系o1-x1y1z1和o2-x2y2z2分别与坐标系o-xyz及op-xpypzp重合，在任意时刻，原点o1与o重合，z1轴与z轴重合，原点o2与op重合，z2轴与zp轴重合，主动轮以匀角速度ω1绕z轴旋转，主动轮角速度方向为z轴负方向，主动轮绕z轴转过的角度为从动轮以匀角速度ω2绕zp轴旋转，从动轮角速度方向为zp轴负方向，从动轮绕zp轴转过的角度为则，主动轮接触线在坐标系o1-x1y1z1中的方程为：

另外，所述的从动轮接触线组成的曲面方程如下确定：

1)按给定某角度θ传动的从动线齿轮的接触线方程为：

2)对于可变角度传动的线齿轮副，须增加一个传动角度参数，此时，由连续变化的从动轮接触线形成一个工作面，可变角度传动的从动线齿轮的工作面的曲面方程为：

3)考虑到传动过程压力角的影响，增加一个可改善压力角的参数；此时，可变角度传动的从动线齿轮的工作面的曲面方程为：

其中t是参数变量，t1是变角度参数，h为从动接触面的曲面参数。引入h后主动接触线和从动接触线的啮合状态并不发生变化，可以理解为，主、从动接触线上的起始啮合点发生了移动。改变传动角度后的主动接触线方程和从动接触线工作面方程：

实际上，主动接触线作了一定角度的转动后得到上述的主动接触线方程，即主动接触线实际上是同一条。

优选地，所述主动轮接触线方程和从动轮接触线组成的工作面的曲面方程如下确定：

主动轮接触线方程：

从动轮接触线组成的工作面的曲面方程：

其中t是参数变量，t1是变角度参数，i是传动比，θ为传动角度，h为从动接触面的曲面参数。

本发明与现有技术相比具有如下的优点:

1.能够在一对线齿轮副中提供一定范围的变角度传动，并且各个传动角度之间能进行平稳过渡，传动角度变化后的传动也是平稳的。

2.传动只依赖于主动轮线齿与从动轮线齿之间的点接触，所以只要保证接触线的精度即可，设计简单，加工方便，且质量体积相比传统变传动比齿轮更小，适用于微小型机电产品。

3.主动轮最少齿数为1，能够提供较大传动比的传动，且能在任意传动比相交轴的条件下设计线齿轮副。

附图说明

图1为本发明的机构的坐标体系。

图2为本发明的一种实施例的啮合示意图，包括主动轮和从动轮。

图3为本发明实施例的从动轮实施例。

图4为本发明实施例的线齿实体的生成方法。

图5为本发明实施例的从动线齿实体的建立方法。

图中：1-从动轮；2-从动轮线齿；3-主动轮；4-主动轮线齿。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图2和3所示，一种可变角度传动的线齿轮机构，该机构由一对相交轴线齿轮组成传动副，包括主动轮3和从动轮1，所述主动轮3和从动轮1均由轮体和线齿组成，主动轮线齿4和从动轮线齿3的接触线按照一对空间共轭曲线啮合，所述主动轮上的线齿有一条或多条，从动轮上的线齿为具有变角度传动性质的线齿，在传动过程中，该机构可调整相交轴线齿轮副的传动角度，使啮合点在不同的接触线上，同时保持传动比不变，并且传动平稳。

所述主动轮线齿4和从动轮线齿3的接触线或接触面中，所述主动轮线齿4上的工作面为一条主动轮接触线，或者为一系列主动轮接触线构成的一个曲面；从动轮线齿2上的工作面由一系列从动轮接触线构成的。

所述主动轮线齿4和从动轮线齿3通过点接触啮合，可实现连续的点接触传动；在不同的传动角度时，主动轮接触线为同一条接触线，而从动轮接触线为不同接触线，即，在不同的传动角度下，由对应的一对不同的共轭接触线实现传动。

如图3所示，所述主动轮线齿4上用于啮合的主动轮接触线简化为圆柱螺旋线；从动轮线齿2上为一系列圆锥螺旋线构成的工作面，每个传动角度对应一条从动轮线齿2上的用于啮合的从动轮接触线，当改变传动角度时，从动轮线齿3的从动轮接触线将发生变化。

所述主动轮接触线及从动轮接触线组成的曲面的方程确定如下：

如图1所示，设o-xyz为空间上任意的固定笛卡尔坐标系，o为o-xyz坐标系原点，x、y、z是o-xyz坐标系的三个坐标轴，笛卡尔坐标系op-xpypzp根据坐标系o-xyz位置进行确定，xpopzp平面与xoz平面在同一平面内，坐标原点op到z轴的距离为a，op到x轴的距离为b，z轴与zp轴之间的夹角为(π-θ)，θ为主、从动轮角速度矢量的夹角，0°≤θ≤180°，坐标系o1-x1y1z1和o2-x2y2z2分别为固定在主动轮和从动轮上的坐标系，传动时主动轮和从动轮各自绕着z轴和zp轴转动，主动轮与从动轮在起始啮合点时，坐标系o1-x1y1z1和o2-x2y2z2分别与坐标系o-xyz及op-xpypzp重合，在任意时刻，原点o1与o重合，z1轴与z轴重合，原点o2与op重合，z2轴与zp轴重合，主动轮以匀角速度ω1绕z轴旋转，主动轮角速度方向为z轴负方向，主动轮绕z轴转过的角度为从动轮以匀角速度ω2绕zp轴旋转，从动轮角速度方向为zp轴负方向，从动轮绕zp轴转过的角度为主动轮线齿4通过其接触线方程确定，则，主动轮接触线在坐标系o1-x1y1z1中的方程为：

另外，所述的从动轮接触线组成的曲面方程如下确定：

从动轮线齿通过其接触线方程确定，该接触线通过主动轮线齿的接触线和空间曲线啮合理论计算得来，其在o2-x2y2z2中的方程为：

当传动比为i时，一定角度θ传动的从动线齿轮的接触线方程为：

对于可变角度传动的线齿轮副，须增加一个传动角度参数，此时，由连续变化的从动轮接触线形成一个工作面，当传动比为θ发生变化时，变角度传动线齿上的接触线方程发生变化，此时，可变角度传动的从动线齿轮2的工作面的曲面方程为：

其中，t1是变角度传动参数。

考虑到从动线曲面的曲面参数不唯一和传动过程压力角的影响，增加一个可改善压力角的参数；此时，可变角度传动的从动线齿轮2的工作面的曲面方程为：

其中t是参数变量，t1是变角度参数，i是传动比，θ为传动角度，h为从动接触面的曲面参数。

两条空间曲线啮合，他们满足方程：

v12·β＝0(5)

其中，v12表空间共轭曲线在接触点处的相对运动速度，β表示主动接触线在接触点处的主法矢。

主动轮接触线和从动轮接触线的啮合方程：

式中各参数的物理意义如下：

m为主动轮接触线的螺旋半径；

n为主动轮接触线与螺距相关的参数，若螺距为p，则定义：

t为参变量，表示主动轮一条线齿的接触线为圆周的螺旋线。当t＝-π时，主动轮和从动轮线齿开始啮合；当时，主动轮转过圆周，主动轮和从动轮线齿啮合到末端，开始脱离；

t1为从动线齿曲面参数变量；

h为从动线齿曲面改善参数；

a和b为主动轮和从动轮的位置参数，如图1所示；

θ为主动轮和从动轮的角度参数，如图1所示；

i为所需的两个传动比；

为主动轮的转角；

为从动轮的转角；

和为变传动比过程中，主动轮某线齿在传动时的起始和终止角度，比如当时，

根据式(1)到式(4)，可以建立线齿实体，线齿实体只需要能够满足强度要求，线齿实体本身并没有特别具体的形状要求。如图4所示，在每一个啮合点处，分别在主、从动线齿接触方向的一侧向外伸展出一定的体积，即可以生成所需的线齿。对于从动线齿，可以在ug等曲面建模软件中建立拟合的曲面，利用加厚特征向一侧生成实体线齿模型如图5所示。轮体用于将线齿固联起来。

上述的可变角度传动的线齿轮机构，在传动过程中，从动轮线齿结构可以使得该对线齿轮的传动角度从一个最小传动角度到最大传动角度实现无级变化。

本机构的主动轮线齿4是以圆柱螺旋线为基础设计的，可有一条或多条线齿；主动轮线齿4和从动轮线齿2通过点接触啮合；从动轮1与输出端联接以提供运动或力的输出，从动轮1上的线齿包含多种设计，根据线齿轮上接触线的不同方程，可设计成具有变角度传动性质的线齿：根据需求，可随时改变传动角度，相同的传动比可以有不同的传动角度。

本发明的原理为：根据线齿轮空间共轭曲线啮合理论，可以设计出可变角度传动所需的从动轮线齿接触线方程；改善从动轮线齿接触线方程，使其稳定啮合时，传动角度为某一个值，需要改变传动角度时，传动角度变为另一个值，期间的传动平稳变化，之后的传动也是平稳的，从而得到可变角度传动传动所需的从动轮线齿接触线的曲面方程。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。