专利名称：小型移动机器人用三档变速机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变速机构，特别是一种适用于小型移动机器人上的三档变速传动
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背景技术：
小型移动机器人是目前科研热门领域之一，国内外有很多小型移动机器人广泛使 用于消防、排爆、巡逻、侦查等场合。移动机器人在结构上一般为履带式或轮式结构，其传动 链一般为固定传动比。移动机器人，尤其是在野外情况下使用的移动机器人常常需要有较 强的驱动力以满足爬坡爬越楼梯的要求，同时在平地行驶的过程中往往对速度有较高的要 求。在传动链固定的情况下，这就存在一组矛盾大动力要求动力部分提供大输出扭矩，高 速度要求动力部分提供高输出转速。在机器人的总体设计上这一矛盾是始终存在的。现在为了解决这一矛盾，通常方法是选用大功率的动力部件，如大功率电机等。但 是在小型移动机器人设计过程中，受体积、重量尤其是电源的限制，动力部分不可能无限制 扩大，往往机器人最终的地面通过能力与地面最大速度只能进行折中，选取更需要的一方 面进行设计，这就限制了机器人的性能指标。另一种方法就是采用换挡变速传动装置，现有换挡装置多用于汽车或者机床等领 域，无论体积重量还是适应性都无法直接使用在小型移动机器人上。汽车上使用自动变速 箱过于复杂，手动变速箱执行部件不适于机器人的自动控制或遥控装置实现，且适用于汽 车的变速器多体积大重量高。机床上使用的变速器变速原理简单，单由于机床是停车变速， 变速时没有负载，这样其变速器结构设计不能适用于移动机器人。两档变速机构可以满足机器人高速与高扭矩的需求，但是，对于野外工作的移动 机器人来说，最常用的工作状态是在并不十分恶劣的地形条件下，具有一定通过能力的前 提下，保持一定的行进速度。此时如果使用高速档则越野性能不足，不能保证机器人的通过 性能；如果选用低速档，则动力过于富裕，而速度过于缓慢。在使用中需要频繁切换两档位， 对机器人程序控制或遥控操作带来很多不便，影响了机器人的使用性能。这一具体使用中 的需求就要求机器人传动部件在提供高扭矩，高速度两种输出之外，还要提供一种工作中 常使用的扭矩转速性能居中的动力输出。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种简单紧凑的适用于小型移动机器人的三 档变速机构。实现本发明目的的技术解决方案为一种小型移动机器人用三档变速机构，包括 主传动轴系、过渡轴系、换档丝杆系及支撑上述机构的变速箱体，上述三个轴系通过轴承安 装在变速箱体上，主传动轴系与过渡轴系有三组齿轮副常啮合，换档丝杆系通过拨叉机构 与过渡轴系上同步环在轴向上相接触；所述主传动轴系包括输入轴小齿轮、输入轴大齿轮、 输入轴、输出轴齿轮、电磁离合器I、输出轴，输入轴的一端固连输入轴大齿轮，所述输入轴大齿轮与外界电机输出齿轮相啮合，输入轴的另一端固连电磁离合器I的一侧，输入轴大 齿轮与电磁离合器I之间为输入轴小齿轮，该输入轴小齿轮固连在输入轴上，电磁离合器I 的另一侧与输出轴的一端相固连，输出轴上固连输出轴齿轮；过渡轴系包括过渡轴I齿轮、 过渡轴I、过渡轴II、过渡轴III、同步齿I、同步环、同步齿II、过渡轴II空套齿轮、电磁离 合器II、过渡轴III齿轮、过渡轴轴承，过渡轴I与过渡轴II通过过渡轴轴承相连接，从而 可以相互径向旋转，过渡轴II的另一端与过渡轴III固连在电磁离合器II的两端，过渡轴 I远离过渡轴II的一端与过渡轴I齿轮相固连，过渡轴I与过渡轴II相连的一端固定连接 同步齿I，过渡轴II与过渡轴I相连的一端为花键结构，该花键结构上套有可与其相互滑动 的同步环，过渡轴II的中部空套相互固接的同步齿II、过渡轴II空套齿轮，所述同步齿II 靠近花键结构一端，上述同步环滑移到过渡轴I侧时，与同步齿I相啮合，滑移到另一侧时 与同步齿II相啮合，滑移到中部时，与同步齿I、同步齿II都不啮合，过渡轴III在另一侧 固连过渡轴III齿轮；换档丝杆系包括步进电机、丝杆、拨叉机构，步进电机的输出轴与丝 杆固连，该丝杆与拨叉机构的螺母配合；上述主传动轴系的输入轴大齿轮与过渡轴系的过 渡轴I齿轮相啮合，主传动轴系的输入轴小齿轮与过渡轴系的过渡轴II空套齿轮相啮合， 主传动轴系的输出轴齿轮与过渡轴系的过渡轴III齿轮相啮合。本发明与现有技术相比，其显著优点1)本发明原理简单，由于变速机构在减速 器之前，所以需要传动扭矩比较小，体积重量可以设计的比较小巧。通过本发明，地面移动 机器人的动力输出可以分为三个档位，三个档位之间变速比从低到高拉开了差距，高速档 为减速比基本为1，巡航档位一级减速，低速档为三级减速。在满足高速档最大输出转速的 前提下，低速档可以输出扭矩比高速档大十余倍；高速档满足机器人的速度要求，低速档满 足扭矩要求，同时巡航速度档满足了机器人经常使用的具体工作要求。2)本发明换挡动作 由步进电机及一大一小两个电磁离合器组合控制完成，控制简单可靠，还可以加装到位传 感器，确保换挡动作的完成。换挡动作时只需要分离两个电磁离合器，则机器人动力与负载 完全分离，步进电机可以带动同步环完成拨叉动作，这样在一定程度上完成了机器人不停 车情况下的换挡变速，极大的增加了机器人的实用性能和操作性能。3)本发明对受电机、电 源限制的小型移动机器人动力性能提升明显，活动部件少，齿轮组全部是常啮合结构，结构 简单可靠，传动效率高。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是小型地面移动机器人用三档变速机构结构原理图。图2是小型地面移动机器人用三档变速机构总体结构图。图3是换挡丝杆系结构图。图4是主传动轴系结构图。图5是过渡轴系部分剖视图。图6是过渡轴系分解视图。图7是同步环、同步齿结构图。图8是低速档位传动原理图。图9是巡航档位传动原理图。
图10是高速档位传动原理图。图11是空档档位传动原理图。
具体实施例方式结合图1、图2，本发明的一种小型移动机器人用三档变速机构，包括主传动轴系 22、过渡轴系23、换档丝杆系24及支撑上述机构的变速箱体，上述三个轴系通过轴承安装 在变速箱体上，主传动轴系22与过渡轴系23有三组齿轮副常啮合，换档丝杆系24通过拨 叉机构10与过渡轴系23上同步环9在轴向上相接触；结合图4，所述主传动轴系22包括输入轴小齿轮2、输入轴大齿轮4、输入轴5、输 出轴齿轮18、电磁离合器I 19、输出轴20，输入轴5的一端固连输入轴大齿轮4，所述输入 轴大齿轮4与外界电机输出齿轮相啮合，输入轴5的另一端固连电磁离合器I 19的一侧， 输入轴大齿轮4与电磁离合器I 19之间为输入轴小齿轮2，该输入轴小齿轮固连在输入轴 5上，电磁离合器I 19的另一侧与输出轴20的一端相固连，输出轴20上固连输出轴齿轮 18 ；结合图5、图6，过渡轴系23包括过渡轴I齿轮6、过渡轴17、过渡轴II 21、过渡 轴III 16、同步齿18、同步环9、同步齿II 12、过渡轴II空套齿轮13、电磁离合器II 15、 过渡轴III齿轮17、过渡轴轴承28，过渡轴17与过渡轴1121通过过渡轴轴承28相连接， 从而可以相互径向旋转，过渡轴II 21的另一端与过渡轴III 16固连在电磁离合器II 15 的两端，过渡轴17远离过渡轴II 21的一端与过渡轴I齿轮6相固连，过渡轴17与过渡轴 II 21相连的一端固定连接同步齿I 8，过渡轴II 21与过渡轴17相连的一端为花键结构， 该花键结构上套有可与其相互滑动的同步环9，过渡轴II 21的中部空套相互固接的同步 齿II 12、过渡轴II空套齿轮13，所述同步齿II 12靠近花键结构一端，上述同步环9滑移 到过渡轴17侧时，与同步齿18相啮合，滑移到另一侧时与同步齿II 12相啮合，滑移到中 部时，与同步齿18、同步齿II 12都不啮合，过渡轴III 16在另一侧固连过渡轴III齿轮 17 ；结合图3，换档丝杆系24包括步进电机14、丝杆11、拨叉机构10，步进电机14的 输出轴与丝杆11固连，该丝杆11与拨叉机构10的螺母配合；步进电机14带动丝杆轴11 转动，带有拨叉10结构的螺母在丝杆轴11上平移，带动同步环9结构在过渡轴II 16的花 键上滑移，分别与过渡轴17上固连的同步齿18或过渡轴II 16上空套的同步齿II 12啮 合。上述换档丝杆系24通过轴承25安装在箱体上。上述主传动轴系22的输入轴大齿轮4与过渡轴系23的过渡轴I齿轮6相啮合， 主传动轴系22的输入轴小齿轮2与过渡轴系23的过渡轴II空套齿轮13相啮合，主传动 轴系22的输出轴齿轮18与过渡轴系23的过渡轴III齿轮17相啮合。结合图7，本发明中同步环9有内花键可以在输出轴16上滑动，同步环两端面内侧 有内齿可以与同步齿12面的外齿一一啮合，为在滑动过程中便于啮合，同步齿12与同步环 9的啮合齿端都设计有圆角。结合图8，三档变速机构处于低速档位状态时，过渡轴系23上的同步环9与同步齿 II 12相啮合，主传动轴系22上的电磁离合器I 19分离，过渡轴系23上的电磁离合器II 15吸合。
传动链如图中箭头方向所示，具体如下驱动电机1-电机输出齿轮3—输入轴大齿轮4一输入轴5—输入轴小齿轮 2—过渡轴II空套齿轮13—同步齿II 12—同步环9—过渡轴II 21—离合器II 15—过 渡轴III16-过渡轴III齿轮17-输出轴齿轮18-输出轴20传动链中有三对减速齿轮副，分别为电机输出齿轮3/输入轴大齿轮4 ；输入轴小 齿轮2/过渡轴空套齿轮13 ；过渡轴III齿轮17/输出轴齿轮18。变速器为三级减速。结合图9，三档变速机构处于巡航档位状态时，主传动轴系22上的电磁离合器I 19吸合，过渡轴系23上的电磁离合器II 15分离。当过渡轴系23上的同步环9与同步齿 18、同步齿II 12都不啮合时效率最优。传动链如图中箭头方向所示，具体如下驱动电机1-电机输出齿轮3—输入轴大齿轮4一输入轴5—离合器I 19-输 出轴20传动链中有一对减速齿轮副电机输出齿轮3/输入轴大齿轮4。变速器为一级减 速，其余啮合齿轮都处于空挂状态。结合图10，三档变速机构处于高速档位状态时，过渡轴系23上的同步环9与同步 齿I 8相啮合，主传动轴系22上的电磁离合器I 19分离，过渡轴系23上的电磁离合器II 15吸合。传动链如图中箭头方向所示，具体如下驱动电机1-电机输出齿轮3—输入轴大齿轮4此时作为过渡齿轮不参与传 动一过渡轴I齿轮6-过渡轴17-同步齿18-同步环9-过渡轴II 21-离合器II 15-过渡轴III 16-过渡轴III齿轮17-输出轴齿轮18-输出轴20传动链中有一增速齿轮副，为电机输出齿轮3/过渡轴I齿轮6 ；—级减速齿轮 副，为过渡轴III齿轮17/输出轴齿轮18。变速器基本不改变传动比。结合图11，三档变速机构处于空档位状态时，主传动轴系22上的电磁离合器I 19 分离，过渡轴系23上的电磁离合器II 15分离。此时动力输出与负载完全脱离，变速器处 于空挡状态，这一状态可以用来作为拨动同步环时的中间状态使用。
权利要求
一种小型移动机器人用三档变速机构，其特征在于，包括主传动轴系(22)、过渡轴系(23)、换档丝杆系(24)及支撑上述机构的变速箱体，上述三个轴系通过轴承安装在变速箱体上，主传动轴系(22)与过渡轴系(23)有三组齿轮副常啮合，换档丝杆系(24)通过拨叉机构(10)与过渡轴系(23)上同步环(9)在轴向上相接触；所述主传动轴系(22)包括输入轴小齿轮(2)、输入轴大齿轮(4)、输入轴(5)、输出轴齿轮(18)、电磁离合器I(19)、输出轴(20)，输入轴(5)的一端固连输入轴大齿轮(4)，所述输入轴大齿轮(4)与外界电机输出齿轮相啮合，输入轴(5)的另一端固连电磁离合器I(19)的一侧，输入轴大齿轮(4)与电磁离合器I(19)之间为输入轴小齿轮(2)，该输入轴小齿轮固连在输入轴(5)上，电磁离合器I(19)的另一侧与输出轴(20)的一端相固连，输出轴(20)上固连输出轴齿轮(18)；过渡轴系(23)包括过渡轴I齿轮(6)、过渡轴I(7)、过渡轴II(21)、过渡轴III(16)、同步齿I(8)、同步环(9)、同步齿II(12)、过渡轴II空套齿轮(13)、电磁离合器II(15)、过渡轴III齿轮(17)、过渡轴轴承(28)，过渡轴I(7)与过渡轴II(21)通过过渡轴轴承(28)相连接，从而可以相互径向旋转，过渡轴II(21)的另一端与过渡轴III(16)固连在电磁离合器II(15)的两端，过渡轴I(7)远离过渡轴II(21)的一端与过渡轴I齿轮(6)相固连，过渡轴I(7)与过渡轴II(21)相连的一端固定连接同步齿I(8)，过渡轴II(21)与过渡轴I(7)相连的一端为花键结构，该花键结构上套有可与其相互滑动的同步环(9)，过渡轴II(21)的中部空套相互固接的同步齿II(12)、过渡轴II空套齿轮(13)，所述同步齿II(12)靠近花键结构一端，上述同步环(9)滑移到过渡轴I(7)侧时，与同步齿I(8)相啮合，滑移到另一侧时与同步齿II(12)相啮合，滑移到中部时，与同步齿I(8)、同步齿II(12)都不啮合，过渡轴III(16)另一侧固连过渡轴III齿轮(17)；换档丝杆系(24)包括步进电机(14)、丝杆(11)、拨叉机构(10)，步进电机(14)的输出轴与丝杆(11)固连，该丝杆(11)与拨叉机构(10)的螺母相配合；上述主传动轴系(22)的输入轴大齿轮(4)与过渡轴系(23)的过渡轴I齿轮(6)相啮合，主传动轴系(22)的输入轴小齿轮(2)与过渡轴系(23)的过渡轴II空套齿轮(13)相啮合，主传动轴系(22)的输出轴齿轮(18)与过渡轴系(23)的过渡轴III齿轮(17)相啮合。
2.根据权利要求1所述的小型移动机器人用三档变速机构，其特征在于，三档变速机 构处于低速档位状态时，过渡轴系(23)上的同步环(9)与同步齿11(12)相啮合，主传动轴 系(22)上的电磁离合器1(19)分离，过渡轴系(23)上的电磁离合器11(15)吸合。
3.根据权利要求1所述的小型移动机器人用三档变速机构，其特征在于，三档变速机 构处于巡航档位状态时，主传动轴系(22)上的电磁离合器I (19)吸合，过渡轴系(23)上的 电磁离合器II (15)分离。
4.根据权利要求3所述的小型移动机器人用三档变速机构，其特征在于，三档变速机 构处于巡航档位状态时，过渡轴系(23)上的同步环(9)与同步齿I (8)、同步齿II (12)都不 啮合。
5.根据权利要求1所述的小型移动机器人用三档变速机构，其特征在于，三档变速机 构处于高速档位状态时，过渡轴系(23)上的同步环(9)与同步齿I (8)相啮合，主传动轴系 (22)上的电磁离合器1(19)分离，过渡轴系(23)上的电磁离合器11(15)吸合。
6.根据权利要求1所述的小型移动机器人用三档变速机构，其特征在于，三档变速机 构处于空档位状态时，主传动轴系(22)上的电磁离合器1(19)分离，过渡轴系(23)上的电 磁离合器II (15)分离。
全文摘要
本发明公开了一种适用于小型移动机器人上的三档变速传动装置。该装置通过控制一对电磁离合器的通断及一个滑动同步环的位置，选择传动装置中参与传动的啮合齿轮副，不同的组合可以实现三种不同的传动比，三个档位之间变速比从低到高拉开了差距，高速档为减速比基本为1，巡航档位一级减速，低速档为三级减速。在满足高速档最大输出转速的前提下，低速档可以输出扭矩比高速档大十余倍；高速档满足机器人的速度要求，低速档满足扭矩要求，同时巡航速度档满足了机器人经常使用的具体工作要求。
文档编号F16H3/12GK101929530SQ20101015400
公开日2010年12月29日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者冯虎田, 李春梅, 欧屹, 王禹林, 陶卫军, 韩军, 黄思姬 申请人:南京理工大学