一种动停比可变的不完全齿轮传动机构的设计方法与流程

本发明涉及传动技术领域，具体涉及一种动停比可变的不完全齿轮传动机构的设计方法。

背景技术：

在各类机械传动过程中，通常需要某些构件实现周期性的运动和停歇，能够将主动件的连续运动转换成从动件有规律的运动和停歇的机构被称之为间歇运动机构。常见的间歇机构包括棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构，其中，不完全齿轮机构相比于棘轮、槽轮机构设计更加灵活，其运动的动停比更易控制，因此，不完全齿轮机构是最常用的一种间歇运动机构。然而，传统的不完全齿轮机构动停比是固定不变的，这使得其应用范围受到一定的限制。为克服这一缺陷，诸多学者倡导将主动轮或从动轮一分为二，再将两个主动轮或两个从动轮同轴合并，通过改变两个主动轮或两个从动轮的相对位置来使得机构的动停比可变。这种方式虽然实现了动停比的可变，但是设计结构较为复杂，机构体积偏大，不适合小空间的应用。基于此，设计出一种结构简单的不完全齿轮具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构紧凑简单的动停比可变的不完全齿轮传动机构的设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种动停比可变的不完全齿轮传动机构的设计方法，所述不完全齿轮传动机构包括主动轮和从动轮，所述设计方法包括以下步骤：

s1、主动轮与从动轮结构参数的确定：根据主动轮的假想满周齿数和从动轮的模数，计算从动轮的假想满周齿数；

s2、主动轮与从动轮重合度的校验：根据主动轮首齿压力角和从动轮齿顶压力角计算主动轮与从动轮的重合度，若重合度大于1，则开始进行步骤s3；否则，返回s1重新调整主动轮的假想满周齿数值直到重合度大于1再进行步骤s3；

s3、主动不完全齿轮锁止弧圆心角的确定：根据主动轮上每个有齿段对应的圆心夹角及与所述有齿段相应的动停比确定与所述有齿段相邻的主动不完全齿轮锁止弧对应的圆心夹角值；

s4、从动不完全齿轮有齿段齿数的设计：从动轮的有齿段个数与主动轮的有齿段个数相等，主动轮上每个有齿段的齿数与从动轮上相应有齿段的齿数的差值为1。

进一步地，所述步骤s1具体包括以下步骤：选取从动轮的模数m，主动轮的假想满周齿数z'1，根据公式(1)计算主动轮齿顶高系数h^*am，使1-h^*am→min，从而得出从动轮假想齿数z'2：

式中，h^*a1为标准齿顶高系数，h^*a1＝1；δ、γ的计算公式如下式(2)所示：

α0为压力角，α0＝20°，k为从动轮锁止弧所跨齿数，其值为设计可变参数，k值的选定应满足1-h^*am→min的条件。设计过程中k值的取值范围通常在1～5之间。

进一步地，所述步骤s2中，齿轮重合度的具体计算过程如下：首先，通过式(3)和式(4)计算出主动轮首齿和从动轮齿顶圆压力角α1和α2，再代入到式(5)中求得重合度εα：

式中，h^*a2为从动齿轮标准齿顶高系数，h^*a2＝1。

进一步地，所述步骤s3中，根据第一段有齿段所对应的圆心夹角β1，第一段有齿段与第二段有齿段间设有第一段锁止弧，所述第一段锁止弧的圆心夹角为根据β1及满足的关系式(6)可计算出

式中，k1为第一组动停比。

进一步地，所述步骤s3还包括根据第i段有齿段所对应的圆心角及第i组动停比，可计算出第i段锁止弧所对应的圆心角，其中i为2至主动轮每转停歇次数n间的任意一个自然数。

进一步地，所述步骤s4中，从动轮上每个有齿段的齿数按下式(7)计算从动轮每转停歇次数与主动轮相同为n次，从动轮每一个有齿段的齿数按照式(7)计算：

z2＝z1-1(7)

进一步地，所述主动轮上的锁止弧与从动轮上的锁止弧凹凸配合且曲率半径相等。

进一步地，所述步骤s1还包括根据假想满周齿数、模数确定主动轮和从动轮的其他结构参数，所述其他结构参数包括分度圆半径、齿顶圆半径、齿根圆半径、中心距、主动轮锁止弧半径、啮入角和啮出角。

进一步地，所述分度圆半径、齿顶圆半径、齿根圆半径、中心距、主动轮锁止弧半径、啮入角和啮出角的计算公式依次如下：

分度圆半径

齿顶圆半径

齿根圆半径

中心距

主动轮锁止弧半径

啮入角

啮出角

其中，z'的取值与主动轮的假想满周齿数z'1或从动轮的假想满周齿数z'2相等。

本发明的有益效果在于：本发明设计方法通过巧妙的设计齿轮的结构实现动停比可变，克服了传统不完全齿轮动停比无法变化以及多主动轮或多从动轮结构复杂，不易实现的技术问题，本发明方案通过实现多个动停比集于一对不完全齿轮机构上，从而达到机构整体结构紧凑，设计简便的目的；利用本发明方法设计的不完全齿轮组成的不完全具齿轮间歇传动转向装置结构简单紧凑，加工装配方便，在计算、设定两个不完全齿轮的满周齿数后，再配置两齿轮啮合段齿数与锁止弧弧长，可实现不同动停比的间歇传动，将多个动停比集于一对不完全齿轮机构上，且使整个机构结构紧凑，设计更简便。

附图说明

图1是本发明的实施例设计的不完全齿轮传动机构的设计参数示意图；

图2是本发明的实施例设计的不完全齿轮传动机构的整体几何尺寸示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明的实施例为：一种动停比可变的不完全齿轮传动机构的设计方法，如图1所示，所述不完全齿轮传动机构包括主动轮和从动轮，包括以下步骤：

步骤一：确定两齿轮满周齿数z'1,z'2

首先选取主动轮与从动轮的模数m和主动轮满周齿数z'1，然后代入到下式中求出主动轮齿顶高系数h^*am，使1-h^*am→min，从而得出从动轮假想齿数z'2。

式中，h^*a1为标准齿顶高系数，h^*a1＝1；α0为压力角，α0＝20°。

δ、γ的计算公式如下式(2)所示：

，

k为从动轮锁止弧所跨齿数。

步骤二：校验齿轮重合度εα

为了保证两齿轮正常啮合，重合度必须大于1。计算重合度时首先通过式(3)和式(4)计算出主动轮首齿和从动轮的齿顶圆压力角α1和α2，再代入到式(5)中求得重合度εα：

式中，h^*a2为从动齿轮标准齿顶高系数，h^*a2＝1。

步骤三：主动不完全齿轮锁止弧圆心角的确定

根据机构实际运动要求确定主动轮每转停歇次数n，以及第一段有齿段齿数z1a，它所对应的圆心夹角为β1，z1a与接下来的一段锁止弧(圆心夹角为)构成一组动停比k1。

根据需要设计动停比，再根据确定好的动停比配置主动不完全齿轮上锁止弧所对应的圆心角，从而确定锁止弧的结构。

相同的，再设置第二段有齿段的齿数z1b(圆心夹角为β2)，与第二段锁止弧(圆心夹角为)构成第二组动停比k2，计算方式如式(6)。如若必要，还可以适当配置k3、k4…。

步骤四：从动不完全齿轮有齿段齿数及从动轮上锁止弧的结构设计：

从动轮每转停歇次数与主动轮相同为n次，从动轮每一个有齿段的齿数按照式(7)计算：

z2＝z1-1(7)

主动轮上的锁止弧为锁止凸弧，从动轮上的锁止弧为锁止凹弧，所述锁止凸弧与锁止凹弧的曲率半径相等。

步骤五：确定两齿轮的其他各项参数

分度圆半径

齿顶圆半径

齿根圆半径

中心距

主动轮锁止弧半径

啮入角：

啮出角：

具体地，取主动轮和从动轮每转停歇次数n＝2，模数m＝1，主动不完全齿轮满周齿数取41个。

首先根据式(1)和式(2)求得使主动不完全齿轮齿顶高系数满足1-h^*am→min的从动轮满周齿数z'2：当z'2＝23时，h^*am＝0.94，符合上述要求。

然后校验重合度εα：根据式(5)，当主动轮和从动轮齿数分别为41和23时，εα＝1.61，εα>1符合设计要求。

配置主动轮动停比：根据机构运动要求，设置主动轮第一段齿数为9个，对应的圆心夹角为77°，主动轮第一个动停比因此第一段锁止弧的圆心夹角为55°。主动轮第二段齿数为10个，对应的圆心夹角为86°，第二段锁止弧的圆心夹角为142°，因此

根据步骤四设计从动不完全齿轮：由式(7)可以得到，从动轮的两段齿数分别为8个和9个，两段锁止弧圆心夹角相同，并且它们的曲率半径与主动轮锁止半径相同。

根据步骤五确定两不完全齿轮的几何尺寸，如图2所示：两轮的分度圆半径分别为20.5mm和11.5mm，齿顶圆半径分别为21.5mm和12.5mm，齿根圆半径分别为19.25mm和10.25mm，中心距为32mm，主动轮锁止弧半径为19.88mm，啮入角为0.190rad，啮出角为0.238rad。

本发明方案可用于解决传统不完全齿轮机构单一动停比的限制，首先依照不完全齿轮的设计方法确定主动轮和从动轮的满周齿数、分度圆直径、中心距、锁止弧半径、啮入角及啮出角等参数后，再根据实际动停比需求配置两个不完全齿轮的每转停歇次数、有齿段齿数设计锁止弧圆心夹角等参数，该方法能够实现多个动停比集于一对不完全齿轮机构上，且达到机构整体结构紧凑，设计简便的目的。

本发明中所称“从动轮上相应有齿段”是指将主动轮和从动轮按顺序编号，相同顺序的主动轮与从动轮上的有齿段齿数值相差1。本发明所称的“第一、第二……”并非为顺序限定，仅为区别。

以上所述仅为本发明的实施例，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同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。