一种双向啮合的传动装置的制作方法

本发明涉及微机电系统的技术领域，特别是涉及一种双向啮合的传动装置。

背景技术：

随着微机电领域的发展，越来越多的传动方式会应用于微小机构件中，以满足机构的不同运动需求。由于受到微小机构体积的限制，传统的传动方式在体积和质量无法满足运动需求，因此各种运动传动方式在机构结构应用中得到了快速的发展。

目前各国研究开发的微小机械传动的方法和机构主要包括：

(1)传统机械传动机构的直接微小型化机械传动技术。例如，微泵机构、微弹簧机构、微流量阀机构、微轮系机构、微并联机构、微棘轮机构，微液压驱动机构，等微小机械传动机构。传统机械传动机构直接微小型化存在着一些明显的缺点。例如，微小圆柱齿轮制造和安装精度要求高，且成本较高，而且无法实现垂直相交轴间的传动；微小锥齿轮传动无法实现大传动比传动，同时微小锥齿轮制造和安装更困难；微小摩擦轮传动需要附加正压力施加装置，结构复杂，而且造成轴系的变形和摩擦、磨损加剧；微小蜗杆传动则因蜗轮蜗杆的轴线不在同一平面所占的空间过大；微螺旋传动效率低，易磨损，低速时有爬行等等。

(2)非传统机械微驱动技术。例如，电-热驱动、巨磁弹性驱动、电镀微驱动、形状记忆合金(sma)驱动、热机械式驱动、磁流体驱动、压电驱动、基于无预应变非传导性弹性体人工肌肉驱动器、利用光激发激光器的微冲击驱动机构等等。这些非机械微驱动技术缺点是结构复杂、价格昂贵、性能不稳定。且非传统机械微驱动技术的最重要特征是，只适用于实现微小位移或微小力的瞬时触发，不能够保证实现连续稳定的传动。

另外，在传统机械传动机构的直接微小型化机械传动技术和非传统机械微驱动技术中，传动方向比较单一。

技术实现要素：

本发明提供了一种双向啮合的传动装置，以解决现有微机电系统中线性齿轮稳定双向啮合传动的技术问题。

本发明提供了一种双向啮合的传动装置，该双向啮合的传动装置包括基座、驱动件、曲柄、主动齿轮、连杆和从动齿轮，驱动件，与基座连接；曲柄与驱动件的输出端连接；主动齿轮包括主动件和多个主动钩杆，多个主动钩杆设置在主动件的端面上；连杆的相对两端分别与曲柄和主动件铰接；从动齿轮包括从动件和多个从动钩杆，多个从动钩杆设置在从动件的端面上；其中，在驱动件驱动曲柄转动时，连杆带动主动件摆动，以使主动钩杆和从动钩杆之间形成连续的啮合传动。

可选地，双向啮合的传动装置还包括摇杆滑块，摇杆滑块包括主体部和衔接部，主体部呈弧形状，主体部开设有弧形状的限位槽，衔接部呈圆柱状，衔接部的一端与主体部连接，衔接部的相对一端插至连杆内；主动件呈弧形状，主动件装配于限位槽中。

可选地，在垂直于主动件的摆动方向上，主动件与限位槽的侧壁连接，在主动件的摆动方向上，主动件与限位槽的侧壁间隔设置，以形成一个缓冲空间。

可选地，曲柄的长度小于连杆的长度。

可选地，主动钩杆和从动钩杆均为螺旋状。

可选地，主动钩杆的弧度为10度，从动钩杆的弧度为30度。

可选地，主动钩杆的中心线空间曲线方程为：其中，m1为主动钩杆的螺旋半径，t为运动参数变量，r1为主动钩杆的与从动钩杆的接触处的半径，n为主动钩杆的螺距；在o-xyz和op-xpypzp的空间坐标系中，z轴与主动件的回转轴线重合，zp轴与从动件的回转轴线重合，xoz平面和xpopzp平面平行，坐标系o1-x1y1z1与主动件固联，坐标系o2-x2y2z2与从动件固联，在初始状态下，o1-x1y1z1与o-xyz重合，o2-x2y2z2与op-xpypzp重合，主动件绕z轴旋转，从动件绕zp旋转。

可选地，从动钩杆的中心线空间曲线方程为：

其中，a为zp点到z轴的距离，θ为主动件的角速度和从动件的角速度的夹角，b为xp点到x轴的距离，r2为从动钩杆的与主动钩杆的接触处的半径，i12为主动齿轮和从动齿轮的传动比。

可选地，从动钩杆的与主动钩杆的接触线方程为：

可选地，主动钩杆为四分之一圆周的螺旋状，其中，

本发明的有益效果如下：

1、驱动件与曲柄连接，连杆的相对两端分别与曲柄和主动件铰接，其中，在驱动件驱动曲柄做圆周转动时，连杆带动主动件做圆弧摆动，从而实现主动钩杆与从动钩杆双向啮合的目的。

2、主动齿轮与从动齿轮的啮合传动只有一个传动副，可以实现类似蜗轮蜗杆的大传动比传动，由于主动齿轮和从动齿轮的转动轴位于同一个平面，使得其空间尺寸较小，传动系零件数也减至最少，与传统微小型变速机构(如微小行星齿轮机构)相比，该传动系结构十分简单；与其它传动技术(如sma传动、热膨胀传动、压电传动和电磁传动)相比，它能实现在较高转速下的连续传动。

3、主动齿轮与从动齿轮的啮合传动的工艺性和经济性好，一旦研究形成成熟的设计理论体系，可以生产制造成为通用的微小型或微型传动机构或减速器，便于简化微小型或微型机电产品的结构，节省空间，减轻质量，并且造价低廉。

4、主动齿轮与从动齿轮的啮合传动可以实现类似蜗轮蜗杆的大传动比传动，同时，由于两个轮轴位于同一个平面，使得其空间尺寸比蜗杆传动副小得多，且易于加工。

5、主动齿轮与从动齿轮的啮合传动能够实现连续稳定的啮合传动，较之现有的非传统机械微驱动技术有显著的改进和更为广泛的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明提供的双向啮合的传动装置的一实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的主动齿轮的一实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的从动齿轮的一实施例的结构示意图；

图4是本发明提供的双向啮合的传动装置的另一实施例的结构示意图；

图5是对图4中传动装置抽象出来的参数模型的示意图；

图6是本发明提供的摇杆滑块和主动齿轮在装配状态下的一实施例的结构示意图；

图7是本发明提供的摇杆滑块的一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1至图3，图1是本发明提供的双向啮合的传动装置的一实施例的结构示意图，图2是本发明提供的主动齿轮30的一实施例的结构示意图，图3是本发明提供的从动齿轮40的一实施例的结构示意图。

本发明的传动装置包括基座10、驱动件20、主动齿轮30和从动齿轮40。

驱动件20与基座10连接，驱动件20可以是电机、柴油发动机、汽油发动机、氢气发动机、液压驱动机、气体驱动机等。

主动齿轮30包括主动件31和多个主动钩杆32，主动件31与驱动件20的输出端连接，以接受驱动件20的驱动作用而实现转动的效果，多个主动钩杆32设置在主动件31的端面上，多个主动钩杆32能够随主动件31的转动而转动。

从动齿轮40包括从动件41和多个从动钩杆42，多个从动钩杆42设置在从动件41的端面上，主动件31能够随多个主动钩杆32的转动而转动。

其中，在驱动件20驱动主动件31转动时，主动钩杆32和从动钩杆42之间形成连续的啮合传动，以带动从动件41转动。

本实施例的有益效果如下：

1、主动齿轮30与从动齿轮40的啮合传动只有一个传动副，可以实现类似蜗轮蜗杆的大传动比传动，由于主动齿轮30和从动齿轮40的转动轴位于同一个平面，使得其空间尺寸较小，传动系零件数也减至最少，与传统微小型变速机构(如微小行星齿轮机构)相比，该传动系结构十分简单；与其它传动技术(如sma传动、热膨胀传动、压电传动和电磁传动)相比，它能实现在较高转速(1000转/分)下的连续传动。

2、主动齿轮30与从动齿轮40的啮合传动的工艺性和经济性好，一旦研究形成成熟的设计理论体系，可以生产制造成为通用的微小型或微型传动机构或减速器，便于简化微小型或微型机电产品的结构，节省空间，减轻质量，并且造价低廉。

3、主动齿轮30与从动齿轮40的啮合传动可以实现类似蜗轮蜗杆的大传动比传动，同时，由于两个轮轴位于同一个平面，使得其空间尺寸比蜗杆传动副小得多，且易于加工。

4、主动齿轮30与从动齿轮40的啮合传动能够实现连续稳定的啮合传动，传动比可以达到10∶1，较之现有的非传统机械微驱动技术有显著的改进和更为广泛的应用。

主动钩杆32可以为螺旋状的杆体，主动钩杆32也可以为圆弧状的杆体。主动钩杆32可以为螺旋状的杆体，主动钩杆32也可以为圆弧状的杆体。

具体地，主动钩杆32的弧度为10度，从动钩杆42的弧度为30度，该弧度下的主动钩杆32与从动钩杆42传动接触的面积最小，减少了主动钩杆32与从动钩杆42之间的摩擦，从而减少了能量的损失和零件的磨损。

请参阅图4和图5，图4是本发明提供的双向啮合的传动装置的另一实施例的结构示意图，图5是对图4中传动装置抽象出来的参数模型的示意图。

在o-xyz和op-xpypzp的空间坐标系中，z轴与主动件31的回转轴线重合，zp轴与从动件41的回转轴线重合，xoz平面和xpopzp平面平行，坐标系o1-x1y1z1与主动件31固联，坐标系o2-x2y2z2与从动件41固联，在初始状态下，o1-x1y1z1与o-xyz重合，o2-x2y2z2与op-xpypzp重合，主动件31绕z轴以w1的角速度旋转，旋转的角度为从动件41绕zp以w2的角速度旋转，旋转的角度为

坐标系o-xyz与o1-x1y1z1的变换矩阵为：

坐标系op-xpypzp与o2-x2y2z2的变换矩阵为：

坐标系op-xpypzp与o-xyz的变换矩阵为：

坐标系o1-x1y1z1与o2-x2y2z2的变换矩阵为：

其中，m21＝m2pmpom10，则：

在主动齿轮30与从动齿轮40啮合传动的过程中，主动钩杆32与从动钩杆42是线接触，主动钩杆32的与从动钩杆42的接触线可以延伸得到主动圆，所有主动圆的圆心连线称为主动钩杆32的中心线，从动钩杆42的与主动钩杆32的接触线可以延伸得到从动圆，所有从动圆的圆心连线称为从动钩杆42的中心线。

主动钩杆32的螺旋半径为m1，运动参数变量为t，主动钩杆32的螺距为n，则主动钩杆32的参数方程为：

可选地，主动钩杆32为四分之一圆周的螺旋状，其中，当t＝-π时，主动钩杆32与从动钩杆42开始啮合；当时，主动钩杆32转过四分之一圆周，主动钩杆32与从动钩杆42开始脱离。

zp点到z轴的距离为a，主动件31的角速度和从动件41的角速度的夹角为θ，xp点到x轴的距离为b，主动齿轮30和从动齿轮40的传动比为i12，主动钩杆32的与从动钩杆42的接触处的半径为r1，从动钩杆42的与主动钩杆32的接触处的半径为r2。

通过m21坐标变换，在o2-x2y2z2坐标系中，得到从动钩杆42的接触线方程：主动钩杆32钩杆的中心线空间曲线方程为：从动钩杆42钩杆的中心线空间曲线方程为：

请继续参阅图1，传动装置还包括曲柄50和连杆60，驱动件20与曲柄50连接，连杆60的相对两端分别与曲柄50和主动件31铰接，其中，在驱动件20驱动曲柄50做圆周转动时，连杆60带动主动件31做圆弧摆动，从而实现主动钩杆32与从动钩杆42双向啮合的目的。可选地，曲柄50的长度小于连杆60的长度。

请参阅图1、图6至图7，图6是本发明提供的摇杆滑块70和主动齿轮30在装配状态下的一实施例的结构示意图，图7是本发明提供的摇杆滑块70的一实施例的结构示意图。

传动装置为曲柄摇杆滑块机构，传动装置还包括摇杆滑块70，摇杆滑块70包括主体部71和衔接部72，主体部71呈弧形状，主体部71开设有弧形状的限位槽701，衔接部72呈圆柱状，衔接部72的一端与主体部71连接，衔接部72的相对一端插至连杆60内，以实现摇杆滑块70与连杆60铰接的目的，主动件31呈弧形状，主动件31装配于限位槽701中。

具体地，主动件31在垂直于自身摆动方向上与限位槽701的侧壁连接，主动件31在自身摆动方向上与限位槽701的侧壁间隔设置，以形成一个缓冲空间，从而在传动装置做间歇运动时，即使摇杆滑块70存在急转向的情况，也不会对主动钩杆32和从动钩杆42造成冲击。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。