推力滚齿齿轮及使用此种齿轮的传动装置的制作方法

本实用新型技术涉及滚齿齿轮的结构和使用该滚齿齿轮作为传动部件的传动装置，属于机械技术领域。

背景技术：

目前已为公众所知的滚齿齿轮都是以一个本体的中心为圆心周围按圆周均匀排列，或呈放射状均匀排列有滚动体，滚动体被保持架或本体本身固定在本体的固定位置，其中滚动体的突出部分构成了滚齿的齿面。如日本特开2006-82718和日本专利申请2009-004859，均采用上述结构，上述滚动体在从与之啮合的齿轮的齿槽中脱离时会出现爬齿现象，即滚动体从本体向与之啮合的齿轮的齿的方向脱离，由于保持架或本体的阻挡，滚动体与阻挡物的摩擦增加，而未能脱离，但此过程增加了噪音，损失了能量，增加了材料的疲劳损耗。在整个啮合过程中滚动体与本体或保持架都是滑动摩擦状态，因此有人就在滚动体和本体之间安装了滚针轴承，但是这增加了滚齿结构的复杂性，并且降低了滚齿的受力极限，从而限制了滚齿齿轮的传动比。日本专利申请2009-004859中提出了改变滚齿与啮合齿的接触角的方法来抑制爬齿现象，但不可避免的，滚齿会在齿槽中打滑，产生不必要的磨损。

实用新型技术内容

本实用新型的目的是改良滚齿齿轮的结构，制造一种全新的推力滚齿齿轮，使其更简洁、高效并且更容易制造。

本本实用新型的技术方案为：推力滚齿齿轮，其特征是，在至少两条相对放置的循环滚道之间，布置有至少两种接触不同滚道的滚动体，滚动体的种类由是否完全接触相同的滚道来区分，接触滚道不同则不是同一种类的滚动体，接触滚道完全相同则是同一种类的滚动体。不同种类的滚动体的直径不必相等，

本本实用新型的明显优势是：相互接触的滚动体之间，以及滚动体和滚道之间均为滚动摩擦，不需要安装滚针或特别润滑，滚齿各部分受力更均匀，可以在更小的尺寸承受更大的扭矩，在传动过程中更安静、平稳，将拓宽滚齿齿轮的应用场景。

根据本申请提出的推力滚齿齿轮结构，可设计一种四滚道推力滚齿齿轮，可使滚动体之间的推力夹角更小，其特征是：在至少四条同轴可独立旋转的不同的滚道之间，布置有两种或多种滚动体，同一种滚动体不直接接触，即：每种滚动体两侧都是其他种类的滚动体。四条滚道之间还应当有保持不同滚道一直处在同轴相对位置的连接或夹持部件，这种连接或夹持部件可以是包含轴承的部件。这种夹持部件也可应用于有两条或多条独立滚道的推力滚齿齿轮。

本本实用新型申请将公开几种滚动体和滚齿的形状，是为了进一步说明本本实用新型的内容，并不是为了限制本本实用新型所指的滚动体和滚齿的形状。根据本申请提出的推力滚齿齿轮结构，其中的滚动体可以是有旋转轴的任意形状，单个滚动体可以是一个整体，也可以是由不同部件组合而成的。作为一种滚动体的改进设计，当一个滚动体的直径在其轴线上发生改变时，其相对应的轮廓线连线应当构成钝角或平滑曲线，目的是使应力更均匀的分布。

根据本申请提出的推力滚齿齿轮结构，作为一种滚动体和滚道相互配合的设计，滚道有与滚动体配合的挡边。作为另一种设计，滚动体之间还有防止滚动体沿滚动体的轴的方向相对滑动的设计。这种设计可以由相邻的滚动体有

根据本申请提出的推力滚齿齿轮结构，可以设计出一种推力圆柱滚齿齿轮。其特征是：

至少有内外两条或者四条直径不同的同轴圆柱滚道，滚道之间均匀布置有不同的滚柱，同一种的滚柱之间不直接接触，不同的滚柱中至少有一种滚柱从滚道中露出一部分，露出的部分作为滚齿齿轮的齿。滚柱可以从滚道的端部露出，也可以从滚道的腰部露出。当滚柱从滚道腰部露出时同一侧的滚道变成上下两条同轴的滚道，除了作为外齿或内齿的滚动体，其它种类的滚动体可以是上下一体的或分体的，分体设计时即形成：由上下两层滚动体共同构成同一侧的滚动体的形式。

根据本申请提出的推力滚齿齿轮结构，可以设计出一种推力圆锥滚齿齿轮。其特征是：

至少有上下两条或多条同轴对置的圆锥面滚道，滚道之间均匀布置有至少两种圆锥滚子，同一种圆锥滚子之间不直接接触，各种圆锥滚子中至少有一种圆锥滚子从滚道中露出一部分，露出的部分作为圆锥滚齿齿轮的齿。圆锥滚子可以从滚道的端部露出，也可以从滚道的腰部露出。当圆锥滚子从滚道腰部露出时同一层的滚道变成接近轴心和远离轴心的多条滚道，其特征是滚道面的延长线和圆锥滚子轴的延长线在几何空间上有一个共同的顶点。作为推力圆锥滚齿齿轮的一种改进设计，圆锥滚子与滚道的挡边以及圆锥滚子与保持器的接触面可以为球面，球心可以是圆锥滚齿齿轮的顶点，且滚道的挡边以及保持器也有相配合的设计。

根据本申请提出的推力圆锥滚齿齿轮，可在章动传动机构中作为章动齿轮或定轴齿轮使用。在章动传动机构中，从垂直于定轴齿轮轴的方向观察，经过测算，与推力圆锥滚齿齿轮啮合的齿的齿廓应当为正弦曲线或正弦曲线的等距曲线。以定轴齿轮的轴线为y轴，以两齿轮啮合点所在圆的圆周长为x轴，此圆是指以y轴为对称轴的圆。设摆轴齿轮的轴与y轴的夹角为θ，啮合点距离y轴的距离为r，定轴齿轮的齿数为z，则上述正弦曲线符合下列公式：

y＝asin(z·x)公式(1)

a＝r·tanθ公式(2)

式中y为齿廓高度，x为齿廓在圆周上的弧度。

以此正弦曲线或者此正弦曲线的等距曲线，作为与滚齿齿轮啮合的齿轮的齿廓，可使得滚齿与之啮合更平稳。当以上述等距曲面为齿廓啮合面时，设正弦曲面的最小曲率半径为r1，与之啮合的滚动体的半径为r2，则有：r2≤2·r1，公式(3)成立。

例如参照图8的示意图，章动齿轮的轴y2可绕定轴齿轮的轴y1做摆轴章动。章动齿轮上的滚动体o3外侧上一点p为滚动体和定轴齿轮上齿的啮合点，点p随滚动体o3做章动滚动，此时点p距离y1轴的距离为r1，当o3运动到o31位置时，点p运动到了p1的位置，此时距离y1轴的距离为r2，r1到r2为从p点到p1点在公式(2)中r的变量。滚动体的圆心从o3到o31的运动轨迹可以看做是一个以ra为长半径，rb为短半径的椭圆，在以y1为轴线的圆柱空间内的运动的投影，滚动体的圆心运动轨迹即为公式(1)和(2)所示曲线。

为了使推力圆锥滚齿齿轮和与之啮合的圆锥齿轮完全同心，以及出于增加推力圆锥滚齿齿轮可承受扭矩的目的，需要增加滚齿滚动体的直径，与滚齿啮合的齿的齿廓可以采用以公式(1)和(2)所示的正弦曲线为母线而产生的与之等距的曲线，为了保障滚动体运动平稳，所以公式(3)成立。

根据本申请提出的推力滚齿齿轮，可在章动传动机构中使用推力圆锥滚齿齿轮或者在平面少齿差传动机构中使用推力圆柱滚齿齿轮，其共同的特征是：推力滚齿齿轮同时和两个齿数不同的齿轮啮合，通过平面摆轴运动或者章动摆轴运动，完成少齿差传动。

在平面少齿差传动机构中使用推力圆柱滚齿齿轮，其特征是：一个内齿圈圆柱滚齿齿轮作为外轮，中间是两个齿数不同的大齿轮和小齿轮同时和作为外轮的内齿圈滚齿齿轮啮合，外轮、大齿轮和小齿轮轴线平行，外轮轴线固定，大齿轮和小齿轮同时绕外轮轴线做摆轴运动，此过程中外轮、大齿轮和小齿轮的轴心连线保持在一条直线上，大齿轮轴心和小齿轮轴心分别在外轮轴心的两边。因为大齿轮和小齿轮尺寸不同，做摆轴运动的半径也不同，和它们一起运动的曲轴或其它部件的尺寸、质量、运动半径都不同，所以需要通过设计找到它们做摆轴运动的惯量平衡，使整个部件处在稳定平衡的状态。

如设大齿轮的轴线与外轮轴线的距离为r3，小齿轮的轴线与外轮轴线的距离为r4，大齿轮的质量加上随大齿轮做摆轴运动的所有部件的质量之和为m1，小齿轮的质量加上随小齿轮做摆轴运动的所有部件的质量之和为m2，则有：m1·r3²＝m2·r4²，公式(4)成立。

在章动少齿差传动机构中使用本本实用新型所称的推力圆锥滚齿齿轮，其特征是：有两个上下对置的第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮是齿数不同的锥齿轮，第一齿轮和第二齿轮的轴线为同一条直线，为主轴线，第一齿轮和第二齿轮之间是第三齿轮，第三齿轮是一个上下两面都露出滚齿的推力圆锥滚齿齿轮，三个齿轮锥面顶点为同一点，在顶点位置安装有万向节，万向节的球心和锥面顶点位置为同一点，万向节的一端与第三齿轮小端的滚道夹持机构固连，另一端和扭力盘固连。

第三齿轮的轴线为副轴线，副轴线与主轴线交于锥面顶点，且可绕主轴做章动摆轴运动，第三齿轮从上下两面露出的滚齿分别和第一齿轮和第二齿轮同时啮合。第三齿轮大端处的上下两条滚道被一个机构夹持，且使副轴线相对主轴线保持一个固定的章动角度。

由以上描述可知，整个装置在运转时惯量是不容易达到平衡的，本发明人提出，以上部件中做章动运动的滚道、夹持机构、滚齿等零件的大多数边界，由以锥面顶点为顶点的锥面和以锥面顶点为球心的同心球面共同组成，并由大端夹持机构的质量分布来平衡运动惯量。

例如参照图9的示意图，以主轴线y1为纵轴，以穿过锥面顶点o2且垂直于y1的直线x1为横轴，则纵剖面上被划分为四个象限，右上为第一象限，左上为第二象限，左下为第三象限，右下为第四象限。在同一纵剖面上，设：第一象限内零部件的质量为m3，质心在m3位置；第二象限内零部件的质量为m4，质心在m4位置；第三象限内零部件的质量为m5，质心在m5位置；第四象限内零部件的质量为m6，质心在m6位置。m3距离纵轴线y1的距离为r5，m4距离纵轴线y1的距离为r6，m5距离纵轴线y1的距离为r7，m6距离纵轴线y1的距离为r8，因为各质点大多数按照同心球面分布，可以较容易的通过调节大端夹持机构在各象限内的质量分布，使得在横轴x1绕纵轴线y1水平旋转时，

m3·r5²+m6·r8²＝m4·r6²+m5·r7²公式(5)恒成立。

同样因为是同心球设计，可以较容易使得

m3·r5²＝m4·r6²公式(6)

m5·r7²＝m6·r8²公式(7)

m3·r5²＝m4·r6²＝m5·r7²＝m6·r8²公式(8)

恒成立

参照附图，通过以下实施方式的描述，本本实用新型的优势会进一步明确。

附图说明

图1是推力滚齿齿轮中滚道和滚动体摆放的几种原理简略示意图。图1a是两条滚道中间直接夹持两排滚动体的案例；图1b是四条滚道夹持两种滚动体的案例；图1c是图1a和图1b的叠加。

图2是内外都露出齿的推力圆柱滚齿齿轮的剖视图。

图3是分体式组合滚动体和滚道的结构解析图。

图4是圆锥推力滚齿中圆锥滚动体和滚道配合的剖面示意图。

图5是一种滚道、挡边和滚动体相配合设计的剖视图。

图6是相邻的滚动体有配合的径向凹凸的形状且相互嵌入，滚道与接触的滚动体有相互的配合的形状的设计案例的剖视图。

图7是一种在滚动体之间设计保持架且保持架可沿滚道移动的设计案例的剖视图。

图8是说明公式(1)和公式(2)的章动滚齿啮合原理的示意图。

图9是章动推力滚齿传动机构中，质心分布和平衡的原理示意图。

图10是上下都露出齿的推力圆锥滚齿齿轮的剖视图。

图11是一种在章动传动机构中应用推力圆锥滚齿齿轮案例的剖面示意图。

图11a是图11b中圆锥滚齿的细部剖面示意图。

图12是一种在平面少齿差传动机构中应用推力圆柱滚齿齿轮案例的剖面示意图。

图13是一端有四条滚道的推力圆柱滚齿齿轮滚道和滚动体接触部的放大剖面示意图。

图14是一端有四条滚道的推力圆锥滚齿齿轮滚道和滚动体接触部的放大剖面示意图。

图15是一端有四条滚道，不同滚动体互相插入滚道相切的示意图。

图中符号说明：a1——第一种滚动体；a11——与滚道挡边配合的滚动体；a2——第二种滚动体；a3——第三种滚动体；a4——第四种滚动体；a5——滚动体上凹陷的部分；a6——滚动体上凸出的部分；b1——第一滚道；b11——为露出滚齿，第一滚道被分割出的一端；b2——第二滚道；b22——为露出滚齿，第二滚道被分割出的一端；b3——第三滚道；b4——第四滚道；b5——有挡边的滚道；b6——滚道的挡边；b7——滚道上与滚动体形状配合的设计；c——插头；d——插孔；f——滚动体之间传递推力的方向；e——露出的滚齿；e1——与滚齿啮合的齿；e2——从滚齿脱离的齿；j1——第一种滚动体插入的孔；j2——第二种滚动体插入的孔；h——斜面；k——保持器；y1——主轴；y2——摆轴；y3——滚动体的轴；p——滚道夹持部件；y4——摆轴；p1——推力圆锥滚齿齿轮小端的滚道夹持部件；p2——推力圆锥滚齿齿轮大端的滚道夹持部件；t——固定螺栓；q1至q16为轴承或滚动体；s1——平面大齿轮；s2——平面小齿轮；s3——小锥齿轮；s4——大锥齿轮；n——万向节或万向联轴器；g1——输入轴；g2——输出轴；g3——曲轴；w——端面。

具体实施方式

参照附图说明本本实用新型的优选实施方式。

图1是表示推力滚齿齿轮中滚道和滚动体摆放的几种原理简略示意图。其中图1a是两条滚道中间直接夹持两排滚动体的案例，图中b1和b2两条滚道中间安放了滚动体a1和a2，由于b1和b2的距离略大于a1或a2的直径，在滚道中装入足够多的滚动体时，a1和a2就可以被挤向不同的滚道，从而实现互相间隔且接触不同的滚道，图中的f标出了各滚动体之间切点的连线，也就是推力的传递方向，由图可见是一条折线。所以对滚动体和滚道有刚度要求，刚度越高，推力损失越小。经测算，在同样材料和齿轮直径下，此种滚道滚齿设计在锥齿轮中应用比在柱齿轮中应用效果要好。

为了进一步提高推力传递的效率，就有了四滚道的设计，如图1b中的四条滚道夹持两种滚动体的案例，滚动体a1和a2间隔放置，a1在滚道b1和b4之中滚动，a2在滚道b2和b3之中滚动，a1和a2在滚道b1和b4中相切，因此，可以看做是从滚道b2和b3中伸出的滚动体a2在滚道b1和b4中和a1相切。滚动体a2在滚道b2和b3中的直径可以和伸出部分的直径不同，以增加抗扭摆的力矩。为了进一步提高抗扭摆的能力，可以设计成滚动体a1也从滚道b1和b4中伸出一部分到滚道b2和b3中和滚动体a2相切，具体可参照图15。图15中滚动体a1和a2间隔放置，a1同时和滚道b1和b4(b4滚道在图中省略)接触，并且伸出一部分到滚道b2和b3(图中b3滚道省略)之中和滚动体a2相切，a2在滚道b2和b3之中滚动，并且伸出一部分到滚道b1和b4(图中b4滚道省略)之中和滚动体a1相切，从滚动体a1中向下延伸出一部分到滚道外面，成为滚齿e。

图1c是图1a和图1b的叠加，有更多的滚动体共同参与，原理类似，推力方向线f成了两条线，更平衡和稳定。

图3至图7是滚动体和滚道接触部分的细部放大示意图，主要目的是保持滚动体在滚道内按设计的路线滚动以及便于安装。

图11是一种在章动传动机构中应用推力圆锥滚齿齿轮案例的剖面示意图。在此案例中，两个锥齿轮s3和s4同轴同顶点对置，且齿数不同，它们共同的轴为主轴y1。章动齿轮为推力圆锥滚齿齿轮，其轴线为摆轴轴线y2，摆轴轴线围绕主轴做章动摆动，此过程中推力圆锥滚齿齿轮的齿一直保持在不同的侧面同时与两个主轴齿轮啮合，在图中右上部和s3啮合，左下部和s4啮合。推力圆锥滚齿齿轮的小端通过滚道夹持装置p1和在顶点位置的万向联轴器n的一端固连，万向联轴器的另一端和锥齿轮s4固连，当锥齿轮s4被固定时，推力圆锥滚齿齿轮的大端滚道夹持装置p2可连接输入轴，由于大端滚道夹持装置p2的夹持部为和滚道b5贴合的圆锥面，且外端面w为以主轴对称的圆面，所以当夹持装置p2围绕主轴旋转时，在夹持面和滚道以及万向联轴器固定顶点的共同作用下，推力滚齿可在两个锥齿轮s3和s4之间完成少齿差传动。如果推力圆锥滚齿齿轮的齿数为z1，齿轮s3的齿数为z2，齿轮s4的齿数为z3，三者的关系可以为：z1＝z2+2＝z3+1，则传动比为z3∶1。

为了便于安装，滚道夹持机构p1和p2都可以是分体制造，安装后再固定。为了更好平衡章动齿轮和联动部件做章动摆轴运动时的惯量，滚道b5的端面以及夹持机构p2的内表面为以顶点为球心的同心圆，通过调整夹持机构p2的外径来达到动态平衡。

图12是一种在平面少齿差传动机构中应用推力圆柱滚齿齿轮案例的剖面示意图。在此案例中，滚道夹持机构p夹持的是一个推力圆柱滚齿齿轮，滚道b1上下均有挡边，滚道b2和b22都是只有一面有挡边，在滚道b2和b22之间露出滚动体的一部分成为滚齿e，滚齿e组成内齿圈，其轴线为主轴线y1，两个摆线齿轮s1和s2分别和内齿圈的左右两部分啮合。摆线齿轮s1的轴为摆轴y2，摆线齿轮s2的轴为摆轴y4，当输入轴g1绕主轴转动时，在曲轴g3的作用下，两个摆线齿轮做摆轴运动，并使两个齿轮一直同时和滚齿e组成的内齿圈啮合。由于摆线齿轮s1和s2的齿数不同，在滚动体之间的推力作用下完成少齿差传动，带动输出轴g2旋转。

由于摆线齿轮s1和s2的齿数不同，所以直径和摆轴运动的幅度也不相同，小齿轮s2的摆轴幅度大于大齿轮s1，为使惯量平衡，可通过调节齿轮中部的厚度和随同做摆轴运动的部件的重量等手段来达到惯量平衡。如设大齿轮的轴线与外轮轴线的距离为r3，小齿轮的轴线与外轮轴线的距离为r4，大齿轮的质量加上随大齿轮做摆轴运动的所有部件的质量之和为m1，小齿轮的质量加上随小齿轮做摆轴运动的所有部件的质量之和为m2，则通过调节各部分质量来使公式：m1·r3²＝m2·r4²，成立。

当在滚动体的同一端使用四条滚道时，应当使用夹持机构来夹持，图13和图14是有四条滚道时推力滚齿齿轮滚道和滚动体接触部的放大剖面示意图，在此案例中，夹持部件通过滚动体q1和滚道接触，保证滚道在位置不变的情况下自由旋转。

另外，本本实用新型所提出的推力滚齿齿轮可以和其他种类的传动机构联合使用，并且可以和电机或其它动力机构联合使用，使用在如机器人关节、汽车转向、起重设备、电梯等需要传动的机械设备中。