一种高强度高效率球面运动副杠杆驱动机构的制作方法

本发明涉及一种传递动力的驱动机构。更具体而言，本发明是应用于少齿差减速器中的一种以杠杆为驱动原理的，具有高强度、高效率、长寿命的球面运动副杠杆驱动机构。

背景技术：

行星齿轮减速器中，行星齿轮要参与两个运动，一个是自传，另外一个是公转。少齿差行星齿轮减速器的行星轮齿数与中心轮相差较少，因此其公转半径较小，公转与自传中心很近。在如此近的距离上设置两个转动副是很困难的，一般只能用曲轴或称曲柄完成。即把两个转动副设置在不同的平面上，两个转动中心互相错开一段距离，形成一个曲轴，曲轴外面套上轴承。目前用于少齿差行星齿轮减速器的动力驱动机构就是采用的这种结构形式。由于少齿差行星齿轮减速器中驱动器的工作特点是转速高，负载大，因而曲轴外面的轴承很容易损坏，该问题是提高减速器承载能力和延长寿命的瓶颈。同时由于工作在高速和重载的条件下，其能量损失也较大，这种能量损失也降低了减速器的工作效率。为了克服这些问题，我们提出采用杠杆驱动，来代替曲轴，用球面副代替曲轴上面的轴承，用以避开轴承容易损坏等问题。同时我们提出把球面副和杠杆的结构进行特殊的设计，即把杠杆设置在球面副外面，把球面副设置在杠杆里面。这种结构可以使杠杆的承载能力大幅度的提高，用以代替目前广泛使用的曲轴和轴承的组合，达到承载能力大，传动效率高，使用寿命长的目的。

技术实现要素：

为了克服现有的曲轴和轴承的驱动方案，本发明提供一种新型球面运动副杠杆驱动机构，该驱动机构使用杠杆原理，可以用一个很小的力驱动一个很重的负载，解决驱动力不足的缺点；同时提出把球面副内部的杠杆和杠杆外面的球面副，两部分颠倒过来，解决了杠杆抗弯能力不足的问题，提高了驱动性能，同时具有很高的传动效率和较长的使用寿命。

本发明所采用的技术方案是：考虑到杠杆机构可以获得很大的机械利益，或者说，用一个很小的力就可以驱动一个很重的负载。因此，用杠杆代替曲轴。另外，在驱动负载的过程中，杠杆与机架间需要转动，同时杠杆与负载物体间也会相对转动。因此在相对转动的位置，应该设置有运动副。根据转动是单自由度还是双自由度甚至是3自由度，可以设置为转动副或球面副。我们关注于后者，即用杠杆和球面副组合起来，成为一个杠杆驱动系统。我们采用3个或4个球面副与一个杆件组合。球面副属于面接触，具有接触应力低、承载能力高的优点。但是球面副属于滑动摩擦，摩擦损耗比较大。为了降低摩擦损耗，可以使用半径较小的球，这样在摩擦系数不变的情况下，摩擦圆半径较小，摩擦损耗也较小。然而，随着球面半径的减小，球面承受的应力会增加，在一定负载的条件下，球面半径减小会达到某一极限值。

随着球面半径的减小，穿过球面副的杠杆会变细，另一个更为严重的问题随即出现，这就是由弯矩引起的杠杆应力很快增加，一旦到达许用值，则负载能力将不能再增加。实际上在球面半径减小的同时，由弯矩引起的应力将首先达到极限，然后才是球面承受的应力达到极限，所以提高杠杆承受弯矩的能力才是提高杠杆系统承载力的瓶颈。

一般的球面副如图1所示，两个构件间用一个球面相连，如果其中一个构件固定，另一个活动的构件可以具有一定的运动自由度，我们可以把它作为杠杆来使用。如果要在杠杆上面设置3个或4个球面副，则该杠杆必须至少穿透一个球面副如图2所示。从该图可以看出，杠杆的直径一定要小于球面副的直径。

另外，杆件穿过球面，占据一定的球面面积，剩余的球面面积才能够留给球面副使用，如果球面半径小，则杆件的半径则会更小，杆件的抗弯强度则会受到很大的限制。为了达到一定的承载能力，杆件的直径不能太小。

如果从自由度角度来分析，无论对于哪个球面副来讲，都具有3个转动的自由度，如图3所示。对于中间的球面副，杠杆可以分别围绕X，Y，Z轴转动，(也可以是它们的组合)。但是从图上可以看出，绕X，Y轴的转动角度受到一定的限制，如果球面副接触的面积增大，则可以旋转的角度变小，当接触面接近0时，可以转动的角度接近180度，即正负90度，这就是转角的极限值。实际上由于互相接触的球面不能太小，其允许的转动角度要远远小于180度。而绕Z轴的转动则不受任何限制，就是说，该活动杆件可以绕自身的轴线，无限的连续转动。

对于一个实际应用的杠杆来说，其绕Z轴的转动不是必须的，至少无限制的转动不是必须的，而绕X，Y轴的转动角度也不必太大，因此，只要做适当的变动，牺牲掉一些不必要的自由度，杠杆和球面副组合的实际应用就有可能实现。

本发明提出：把内、外两个构件颠倒过来，即把杠杆设置在球面副以外，把机架通过不同的支撑穿过杠杆，连接到中间的球或球面上。这样，杠杆的尺寸和形状不再受球面大小的限制，而机架仍然能够与球面相连。从而解决了杆件的抗弯能力不够这一瓶颈问题。由于机架要通过支撑，穿过杠杆，所以原来杠杆围绕Z轴的无限制转动将不复存在。本发明适用于要求球面副摆角不是很大的情况，由于少齿差齿轮传动的公转运动半径较小，用杠杆驱动要求的摆角不是很大，所以把杠杆驱动首先应用于少齿差行星齿轮传动减速器是一个很有前途的选择。

本发明的有益效果是，采用杠杆原理解决了驱动力不足；球面副直径可以按照承受的压力来设计，而杠杆的截面可以按照梁的弯曲引起的应力来设计，二者互相不影响。大大提高了杠杆的驱动能力，而且最大限度的降低了摩擦损耗，提高了效率。与此同时，由于摩擦损耗减小，其使用寿命也有望提高。

附图说明

图1一般球面副

图2本发明提供的驱动机构的球面副所形成的杠杆机构

图3本发明提供的驱动机构的球面副的连接方

图4是本发明提供的驱动机构连接方式之一

图5是本发明提供的驱动机构连接方式之一

具体实施方式

本发明的一个具体实例如图4所示，组成该机构的杠杆延伸到球面副以外，把机架通过不同的支撑穿过杠杆，连接到中间的球或球面上。该机构的杠杆由3瓣组成，杠杆中心轴线处设有3个球面副，每个球面副中心设有一个圆球，在相邻的两瓣之间设置有支撑杆，支撑杆指向圆球并与球面接触，同一圆球的支撑杆在外部连在一起，组成一个支撑杆构件。该实例的组成构件杠杆、圆球、支撑杆所采用的连接方式是3者互相分离，成为3个构件，此时构件圆球可以自由转动，属于冗余自由度，对整个机构的运动没有影响。

本发明的另一个具体实例如图5所示，组成该机构的杠杆也是延伸到球面副以外，把机架通过不同的支撑穿过杠杆，连接到中间的球或球面上。该机构的杠杆和中心球由一个整体的杆件组成，具体可以由一个圆柱体，并在设置支撑杆件的部位挖掉部分材料来实现，于是杠杆与中心的球连在一起，成为一个构件。杠杆中心轴线处设有3个球面副，球面副上设置有支撑杆，支撑杆指向球面球心并与球面接触，同一位置的球面副支撑杆在外部连在一起，组成一个支撑杆构件。该实例的组成构件杠杆、圆球、支撑杆所采用的连接方式是杠杆与圆球固定，成为一个构件，此时圆球不作为一个单独的构件出现，去除冗余自由度，对整个机构的运动没有影响。

本发明并不限于上述两例实施方式，采用与本发明上述实例相同或近似的结构，而得到的其他结构设计，均在本发明的保护范围内。