锥形内啮合线齿轮机构及其构建方法和模拟仿真验证方法技术

本发明专利技术提供一种锥形内啮合线齿轮机构，包括组成齿轮副的圆柱小齿轮和锥形齿圈，圆柱小齿轮的轴线与锥形齿圈的轴线相交，夹角为0°～90°。同时还提供一种锥形内啮合线齿轮机构的构建方法，包括如下步骤：步骤一，建立齿轮坐标系；步骤二，建立圆柱小齿轮和锥形齿圈接触线；步骤三，选择圆柱小齿轮齿廓半径

Conical internal meshing line gear mechanism and its construction method and simulation verification method

【技术实现步骤摘要】
锥形内啮合线齿轮机构及其构建方法和模拟仿真验证方法
本专利技术属于齿轮传动领域，特别涉及一种锥形内啮合线齿轮机构及其构建方法和模拟仿真验证方法。
技术介绍
齿轮是机械传动中的重要基础元件，已经被广泛地应用在航天飞行器、新能源装备、高铁、船舶等领域。目前，基于共轭曲面啮合理论的齿轮机构已经被较为广泛地应用，例如，直齿圆柱齿轮、斜齿轮、蜗轮蜗杆、人字齿轮等。这类齿轮可以实现大功率、大传动比、大动力的运动和动力传递。随着当今社会工业生产的快速发展，微型机电产品受到消费者的追捧。微型机电产品对传动机构提出了占用空间小、质量轻和传动稳定等要求，这也促进了齿轮啮合理论的发展。近年来，国内外学者研究出了适用于微型机械新型齿轮机构。如中国专利，申请号为200810029646.0，公开了“一种空间曲线啮合传动机构”，申请号为201110009692.2，公开了“一种并行多输出轴微小变速器”，专利号为201210449290.9，公布了“一种空间交错轴齿轮机构”。上述几种齿轮机构均是基于空间曲线啮合理论的线齿轮机构，主要由主动轮和从动轮组成，主动轮和从动轮上均匀分布着钩杆，依靠钩杆啮合实现平稳传动。上述线齿轮机构尽管能够实现小空间内的连续稳定传动，但由于其轮齿为凸凸接触的钩杆，导致齿面接触强度较低且不易润滑；另外钩杆与齿轮基体形成悬臂梁结构使得线齿轮副在啮合过程易发生钩杆变形，甚至钩杆断裂。这些缺陷导致线齿轮机构应用范围受到限制，多用于轻载条件。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种锥形内啮合线齿轮机构及其构建方法和模拟仿真验证方法，能实现传动轴夹角0°<θ<90°的任意角的相交轴传动，提供一种结构简单、小体积且能实现正反转连续稳定传动的内啮合线齿轮机构。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是:一种锥形内啮合线齿轮机构，包括组成齿轮副的圆柱小齿轮和锥形齿圈，圆柱小齿轮的轴线与锥形齿圈的轴线相交，夹角为0°～90°。优选的方案中，所述圆柱小齿轮和锥形齿圈上分别分布螺旋状的凸齿和凹齿，凸齿和凹齿相啮合，凸齿的接触线为圆柱螺旋线，凹齿上的接触线为圆锥螺旋线。进一步的方案中，所述圆柱小齿轮的凸齿齿廓由一段圆弧构成，锥形齿圈的凹齿齿廓由两条对称圆弧构成，分别作为正转工作齿廓和反转工作齿廓。本专利技术还提供一种锥形内啮合线齿轮机构的构建方法，包括如下步骤：步骤一，建立齿轮坐标系；步骤二，建立圆柱小齿轮和锥形齿圈接触线；步骤三，选择圆柱小齿轮齿廓半径ρ1、锥形齿圈的齿廓半径ρ2以及接触角步骤四，圆柱小齿轮齿廓沿着圆柱螺旋线扫掠得到螺旋状凸齿，锥形齿圈齿廓沿着圆锥螺旋线扫掠得到螺旋状的凹齿。优选的方案中，所述步骤一中，o-xyz和o-xpypzp是固定坐标系，o-x1y1z1和o-x2y2z2是与圆柱小齿轮和锥形齿圈分别固联的坐标系，xoz与xpopzp共面；z轴和zp轴分别与小齿轮和齿圈的转轴重合，z轴和zp轴夹角为θ(0°<θ<90°)；在啮合的初始时刻，o-xyz和o-xpypzp分别与o-x1y1z1和o-x2y2z2重合；圆柱小齿轮和锥形齿圈分别以角速度ω1、ω1绕z0、zp轴匀速转动，其转向相同，经过t步长，转动角度为θ1和θ2；中心距在x轴和z轴的分量为a、b。优选的方案中，所述圆柱小齿轮的齿面上的接触线参数方程为：根据空间曲线啮合等式计算出锥形齿圈齿面的接触线方程为：式中：m—圆柱小齿轮接触线的螺旋半径；p—节距系数；t—螺旋线的参变量；i1,j1,k1—坐标系o-x1y1z1的基矢量；i2,j2,k2—坐标系o-x2y2z2的基矢量；i12—传动比；a、b—中心距在x轴和z轴的分量；θ—输入轴和输出轴的夹角；tS、tE—接触线进入啮合和退出啮合的对应值。优选的方案中，所述步骤三中凸齿的齿廓半径ρ1应小于凹齿的齿廓半径ρ2。本专利技术还提供一种锥形内啮合线齿轮机构的模拟仿真验证方法，将装配后的“一种锥形内啮合线齿轮机构”导入到NX软件的运动仿真模块进行运动学模拟，包括如下步骤：步骤一：分别设置圆柱小齿轮和锥形齿圈为刚性体连杆L001，L002；步骤二：分别定义圆柱小齿轮和锥形齿圈的运动副为转动副J001，J002；步骤三：将圆柱小齿轮和锥形齿圈的接触方式设置为3D接触；步骤四：为圆柱小齿轮施加驱动力，给定角速度为ω1；步骤五：设置解算方案进行求解，记录运动过程中锥形齿圈的角速度ω2，得到瞬时角速度曲线图；步骤六：通过传动比计算公式i＝ω1/ω2得到在运动过程中瞬时传动比。本专利技术提供的一种锥形内啮合线齿轮机构及其构建方法，具有以下优点：1、本专利技术的锥形内啮合线齿轮机构，其结构紧凑、体积小、质量轻，可实现正反转平稳传动。2、本专利技术的锥形内啮合线齿轮机构，其小齿轮最小齿数可为1，相比与现有的内啮合直齿轮、斜齿轮而言拥有更大的传动比和重合度。3、本专利技术的锥形内啮合线齿轮机构，相比与早期以钩杆作为轮齿的线齿轮，其齿面接触强度、传动精度更高，能够承受更大的载荷。4、本专利技术的锥形内啮合线齿轮机构，小齿轮可用于不同传动比的锥形内啮合线齿轮副。5、本专利技术的锥形内啮合线齿轮机构，结构简单、制造方便，具备良好的经济性和工艺性，可生产作为微型机械传动机构。附图说明下面结合附图和实施实例对本专利技术作进一步说明：图1为本专利技术的一种锥形内啮合线齿机构的结构示意图；图2为圆柱小齿轮实体模型；图3为圆柱小齿轮实体模型俯视图；图4为圆柱小齿轮实体模型正视图；图5为锥形齿圈的实体模型。图6为锥形齿圈的实体模型正视图。图7为圆柱小齿轮上的圆柱接触线和锥形齿圈上的圆锥接触线；图8为实施方式中空间曲线啮合坐标系的示意图；图9为圆柱小齿轮和锥形齿圈的法向齿廓啮合的示意图；图10为锥形齿圈的瞬时角速度曲线图；图中：驱动器1，输入轴2，圆柱小齿轮3，凸齿4，凹齿5，锥形齿圈6，联接套7，输出轴8，圆柱接触线9，圆锥接触线10。具体实施方式如图1～6所示，一种锥形内啮合线齿轮机构，包括组成齿轮副的圆柱小齿轮和锥形齿圈，圆柱小齿轮的轴线与锥形齿圈的轴线相交，夹角为0°～90°。所述圆柱小齿轮和锥形齿圈上分别分布螺旋状的凸齿和凹齿，凸齿和凹齿相啮合，凸齿的接触线为圆柱螺旋线，凹齿上的接触线为圆锥螺旋线。当一对或多对齿进行啮合还未完全脱离啮合时，相邻齿进入啮合，从而实现锥形内啮合线齿机构在空间相交轴的连续稳定传动。参与啮合的主要元素为齿面上的接触线。驱动器与输入轴连接，圆柱小齿轮套装在输入轴上，驱动器转动，带动圆柱小齿轮转动，通过凸齿与凹齿啮合带动锥形齿圈转动，锥形齿圈通过联接套带动输出轴转动，实现空间相交轴的平稳传动。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锥形内啮合线齿轮机构，其特征在于，包括组成齿轮副的圆柱小齿轮和锥形齿圈，圆柱小齿轮的轴线与锥形齿圈的轴线相交，夹角为0°～90°。/n

【技术特征摘要】
1.一种锥形内啮合线齿轮机构，其特征在于，包括组成齿轮副的圆柱小齿轮和锥形齿圈，圆柱小齿轮的轴线与锥形齿圈的轴线相交，夹角为0°～90°。


2.根据权利要求1所述的一种锥形内啮合线齿轮机构，其特征在于，所述圆柱小齿轮和锥形齿圈上分别均匀分布螺旋状的凸齿和凹齿，凸齿和凹齿相啮合，凸齿的接触线为圆柱螺旋线，凹齿上的接触线为圆锥螺旋线。


3.根据权利要求2所述的一种锥形内啮合线齿轮机构，其特征在于，所述圆柱小齿轮的凸齿齿廓由一段圆弧构成，锥形齿圈的凹齿齿廓由两条对称圆弧构成，分别作为正转工作齿廓和反转工作齿廓。


4.一种锥形内啮合线齿轮机构的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，建立齿轮坐标系；
步骤二，建立圆柱小齿轮和锥形齿圈接触线；
步骤三，选择圆柱小齿轮齿廓半径ρ1、锥形齿圈的齿廓半径ρ2以及接触角φ；
步骤四，圆柱小齿轮齿廓沿着圆柱螺旋线扫掠得到螺旋状凸齿，锥形齿圈齿廓沿着圆锥螺旋线扫掠得到螺旋状的凹齿。


5.根据权利要求4所述的一种锥形内啮合线齿轮机构的构建方法，其特征在于：所述步骤一中，o-xyz和o-xpypzp是固定坐标系，o-x1y1z1和o-x2y2z2是与圆柱小齿轮和圆锥齿圈分别固联的坐标系，xoz与xpopzp共面；z轴和zp轴分别与圆柱小齿轮和锥形齿圈的转轴重合，z轴和zp轴夹角为θ(0°<θ<90°)；在啮合的初始时刻，o-xyz和o-xpypzp分别与o-x1y1z1和o-x2y2z2重合；圆柱小齿轮和锥形齿圈分别以角速度ω1、ω1绕z0、zp轴匀速转动，其转向相同...

【专利技术属性】
技术研发人员：何恩义，何迪，叶喜葱，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42