凸轮激波式双级平面钢球减速器的制作方法

本发明涉及活齿传动装置，特别涉及一种凸轮激波式双级平面钢球减速器。

背景技术：

随着活齿传动的不断发展，许多新型活齿减速器相继问世，一种双级平面钢球减速器(cn201910264281.4)，通过基于偏心滚子轴承的激波器，极大的提高了传动效率，通过二级串联，虽然可以实现大减速比传动，但一二级机构之间需要等速输出机构，致使机构尺寸显著增大，不是很适宜应用在机器人关节等受空间尺寸限制的领域中。尤其是科技飞速发展的今天，急需尺寸小、重量轻、大传动比的新型传动装置，平面钢球减速器是活齿传动中具有代表性的传动类型，但是单级平面钢球减速器的传动比较小，若将多个单级平面钢球减速器进行串联，虽然能实现大传动比，但轴向尺寸大，应用受限，为此，开发一种兼具平面钢球减速器的优点，又能在实现大传动比的同时保持较小轴向尺寸的双级平面钢球减速器，才能适用于更多新技术、新设备的发展需求。

技术实现要素：

针对上述传统减速器存在的外观尺寸庞大，传动比小的问题，本发明提供一种凸轮激波式双级平面钢球减速器，该装置通过采用激波凸轮介于中心轮与导架之间的结构，且一二级之间无需等速输出机构，来缩短轴向结构尺寸，从而减少减速器整体结构尺寸，采用薄壁轴承连接来提高减速器的传动效率，采用交叉滚子轴承来提高轴向承载能力。

本发明提供一种凸轮激波式双级平面钢球减速器，其包括输入轴、唇型密封圈、左端盖、一级中心轮、一级激波凸轮、一级钢球、壳体、第一薄壁轴承、一级导架、二级中心轮、二级钢球、二级激波凸轮、交叉滚子轴承、深沟球轴承、套杯、挡圈和第二薄壁轴承。所述输入轴，包括第一轴段、第二轴段、第一偏心轴段、第二偏心轴段和第三轴段，所述第一轴段和所述左端盖的内孔通过所述唇型密封圈固定连接，所述第二轴段通过所述深沟球轴承和所述一级中心轮的内孔连接，所述一级激波凸轮的内孔通过所述第二薄壁轴承铰接在所述第一偏心轴段上，所述第二薄壁轴承的右侧通过所述挡圈限位，所述挡圈位于所述第二偏心轴段上，所述第三轴段和所述套杯的内孔连接，所述套杯的外壁和所述深沟球轴承的内圈固定连接，所述深沟球轴承的外圈与所述一级导架的内孔连接，所述一级导架通过所述第一薄壁轴承铰接在所述壳体内部。所述一级导架，包括一级直齿槽、第四轴段、第三偏心轴段、第四偏心轴段和第五轴段，所述第一薄壁轴承的内圈和所述第四轴段连接，所述二级激波凸轮的内孔通过所述第二薄壁轴承和所述第三偏心轴段铰接，所述第二薄壁轴承的右侧通过所述挡圈限位，所述挡圈位于所述第四偏心轴段上，所述第五轴段和所述套杯连接，所述套杯的外壁和所述深沟球轴承的内圈连接，所述深沟球轴承的外圈与所述交叉滚子轴承的内孔配合连接。所述左端盖通过螺钉和所述一级中心轮的左端连接，所述一级中心轮的右端和所述壳体通过螺钉固定安装在所述二级中心轮的左端，所述交叉滚子轴承和所述二级中心轮的右端固定连接。

优选地，所述交叉滚子轴承，包括外圈、隔离块、骨架密封圈、二级导架、滚子、塞子、锥销和紧定螺钉，所述塞子通过所述锥销固定安装在所述外圈上，所述锥销通过所述紧定螺钉锁紧，所述二级导架和所述外圈之间交替密排有一圈滚道，所述滚子和所述隔离块交替排列在所述滚道内，所述隔离块对所述滚子起隔离的作用，所述外圈右侧固定安装所述骨架密封圈，用于密封所述外圈和所述二级导架之间的间隙。

优选地，所述输入轴为曲轴，所述第一偏心轴段和所述第二偏心轴段的轴心与所述第一轴段、所述第二轴段和所述第四轴段的轴心互相平行，所述一级导架的伸出轴为曲轴，所述第三偏心轴段和所述第四偏心轴段与所述第四轴段和所述第五轴段的轴心互相平行。

优选地，所述一级激波凸轮和所述二级激波凸轮，其凸缘横截面的边界形状可采用直线边界、圆弧边界和斜线边界。

优选地，所述一级中心轮的中心分布着一级正弦滚道，所述二级中心轮的中心分布着二级正弦滚道，所述一级正弦滚道和所述二级正弦滚道的截面为等腰梯形或圆形。

优选地，所述外圈、所述骨架密封圈和所述二级导架同轴心。

优选地，所述一级导架的圆盘上均匀分布所述一级直齿槽，所述一级钢球位于所述一级直齿槽内，所述一级直齿槽截面为等腰梯形或圆形，所述一级钢球都同时位于所述一级正弦滚道内，并与所述一级激波凸轮的凸缘相切，所述交叉滚子轴承的二级导架上的圆盘上均匀分布着二级直齿槽，所述二级直齿槽截面为等腰梯形或圆形，所述二级钢球位于所述二级直齿槽内，所述二级钢球都同时位于所述二级正弦滚道内，并与所述二级激波凸轮的凸缘相切。

优选地，所述一级中心轮的正弦滚道理论齿廓线的参数方程为：

其中，a1是所述输入轴第三轴端的偏心距，单位：mm；

b1是所述一级激波凸轮理论廓线的半径，单位：mm；

z2是所述一级中心轮理论齿廓曲线波动的周期数；

是所述一级导架的转角，单位：°；

所述二级中心轮的正弦滚道理论齿廓线的参数方程为：

其中，a2是所述一级导架偏心轴段的偏心距，单位：mm；

b2是所述二级激波凸轮理论廓线的半径，单位：mm；

z4是所述二级中心轮理论齿廓曲线波动周期数；

是所述二级导架转角，单位：°。

所述的第一级传动比计算公式为：

其中，zg1是一级钢球个数。

所述的第二级传动比计算公式为：

其中，zg2是二级钢球个数。

二级串联结构总传动比计算公式为：

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.相比带有等速输出机构的平面钢球减速器，本发明在径向尺寸不变的情况下，轴向尺寸显著缩短，即拥有更小的长径比，且整机重量大幅降低，更加适合作为机器人的关节减速器；

2.一二级激波凸轮与对应输入轴通过薄壁轴承连接，大大提高了减速器的传动效率；

3.二级采用交叉滚子轴承，将钢球导架与轴承内圈集成为一体，在缩短轴向距离的同时，极大地提高了轴向承载能力；

4.本发明具有结构简单紧凑、传动效率高、传动比范围广和承载能力大等优点；

5.本发明的减速器结构可进行参数化和系列化设计，适合大范围应用。

附图说明

图1为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器的整体半剖结构示意图；

图2为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器的局部剖的三维结构示意图；

图3为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器交叉滚子轴承的结构示意图；

图4为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器局部a放大的第一示意图；

图5为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器局部a放大的第二示意图；

图6为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器局部a放大的第三示意图；

图7为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器输入轴的结构示意图；

图8为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器一级中心轮的结构示意图；

图9为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器一级导架第一侧面的结构示意图；

图10为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器一级导架第二侧面的结构示意图；

图11为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器二级中心轮的结构示意图；以及

图12为本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器二级导架的结构示意图。

主要附图标记：

输入轴1，第一轴段101，第二轴段102，第一偏心轴段103，第二偏心轴段104，第三轴段105，唇型密封圈2，左端盖3，一级中心轮4，一级正弦滚道401，一级激波凸轮5，直线边界501，圆弧边界502，斜线边界503，一级钢球6，壳体7，第一薄壁轴承8，一级导架9，一级直齿槽901，第四轴段902，第三偏心轴段903，第四偏心轴段904，第五轴段905，二级中心轮10，二级正弦滚道1001，二级钢球11，二级激波凸轮12，交叉滚子轴承13，外圈1301，隔离块1302，骨架密封圈1303，二级导架1304，二级直齿槽130401，滚子1305，塞子1306，锥销1307，紧定螺钉1308，深沟球轴承14，套杯15，挡圈16，第二薄壁轴承17。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容，结构特征，所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器，如图1所示，其包括输入轴1、唇型密封圈2、左端盖3、一级中心轮4、一级激波凸轮5、一级钢球6、壳体7、第一薄壁轴承8、一级导架9、二级中心轮10、二级钢球11、二级激波凸轮12、交叉滚子轴承13、深沟球轴承14、套杯15、挡圈16和第二薄壁轴承17。

如图2所示，左端盖3通过螺钉和一级中心轮4的左端连接，一级中心轮4的右端和壳体7通过螺钉固定安装在二级中心轮10的左端，交叉滚子轴承13和二级中心轮10的右端固定连接。

如图7所示，输入轴1，包括第一轴段101、第二轴段102、第一偏心轴段103、第二偏心轴段104和第三轴段105。如图1所示，第一轴段101和左端盖3的内孔通过唇型密封圈2固定连接，第二轴段102通过深沟球轴承14和一级中心轮4的内孔连接，一级激波凸轮5的内孔通过第二薄壁轴承17铰接在第一偏心轴段103上，第二薄壁轴承17都是成对使用，第二薄壁轴承17的右侧通过挡圈16限位，挡圈16位于第二偏心轴段104上，第三轴段105和套杯15的内孔连接，套杯15的外壁和深沟球轴承14的内圈固定连接，深沟球轴承14的外圈与一级导架9的内孔连接，一级导架9通过第一薄壁轴承8铰接在壳体7内部。

如图9所示，一级导架9，包括一级直齿槽901、第四轴段902、第三偏心轴段903、第四偏心轴段904和第五轴段905，第一薄壁轴承8的内圈和第四轴段902连接，二级激波凸轮12的内孔通过第二薄壁轴承17和第三偏心轴段903铰接，第二薄壁轴承17成对使用，增加承受力，第二薄壁轴承17的右侧通过挡圈16限位，挡圈16位于第四偏心轴段904上，第五轴段905和套杯15连接，套杯15的外壁和深沟球轴承14的内圈连接，深沟球轴承14的外圈与交叉滚子轴承13的内孔配合连接。

如图3所示，交叉滚子轴承13是一种专用或者特制的滚子轴承，其包括外圈1301、隔离块1302、骨架密封圈1303、二级导架1304、滚子1305、塞子1306、锥销1307和紧定螺钉1308。塞子1306通过锥销1307固定安装在外圈1301上，锥销1307通过紧定螺钉1308锁紧，二级导架1304和外圈1301之间交替密排有一圈滚道，滚子1305和隔离块1302交替排列在滚道内，隔离块1302对滚子1305起隔离的作用，防止相邻的滚子1305发生损坏，外圈1301右侧固定安装骨架密封圈1303，用于密封外圈1301和二级导架1304之间的间隙。外圈1301、骨架密封圈1303和二级导架1304同轴心。

如图7所示，输入轴1为曲轴，第一偏心轴段103和第二偏心轴段104的轴心与第一轴段101、第二轴段102和第四轴段902的轴心互相平行，如图10所示，一级导架9的伸出轴为曲轴，第三偏心轴段903和第四偏心轴段904为偏心轴段，与第四轴段902和第五轴段905的轴心互相平行。

如图4、图5和图6所示，一级激波凸轮5和二级激波凸轮12，其凸缘横截面的边界形状可采用直线边界501、斜线边界503或者圆弧边界502，三种截面形状根据使用情况确定。

如图8所示，一级中心轮4的中心分布着一级正弦滚道401，如图11所示，二级中心轮10的中心分布着二级正弦滚道1001，一级正弦滚道401和二级正弦滚道1001的截面为等腰梯形或圆形。

如图9所示，一级导架9的圆盘上均匀分布一级直齿槽901，一级钢球6位于一级直齿槽901内，一级直齿槽901截面为等腰梯形或圆形，一级钢球6都同时位于一级正弦滚道401内，并与一级激波凸轮5的凸缘相切，交叉滚子轴承13的二级导架1304上的圆盘上均匀分布着二级直齿槽130401，二级直齿槽130401截面为等腰梯形或圆形，二级钢球11位于二级直齿槽130401内，二级钢球11都同时位于二级正弦滚道1001内，并与二级激波凸轮12的凸缘相切。

活齿传动，作为一种新型传动，其活齿是活动的独立的(区别于传统的齿轮，其各个齿全部固定在齿轮盘上，是一体的)，在确定了活齿的运动规律后，其在激波器内的运动轨迹，就是激波器的理论齿廓线；在中心轮内的运动轨迹，就是中心轮的理论齿廓线，然后根据活齿的形状(可以和活齿外形一致，比如本实施例中的球形；也可以和活齿外形相切的形状，如本实施例中采用的等腰梯形)，在激波器或中心轮中扫描切除出一个滚道，就完成了激波器和中心轮的三维建模。故而，一种传动的啮合特性是其灵魂，而对应的理论齿廓线就是其核心所在。

一级中心轮4的一级正弦滚道401的理论齿廓线的参数方程为：

其中，a1是输入轴第三轴端的偏心距，单位：mm；

b1是一级激波凸轮理论廓线的半径，单位：mm；

z2是一级中心轮理论齿廓曲线波动的周期数；

是一级导架的转角，单位：°。

二级中心轮10的二级正弦滚道1001的理论齿廓线的参数方程为：

其中，a2是一级导架偏心轴段的偏心距，单位：mm；

b2是二级激波凸轮理论廓线的半径，单位：mm；

z4是二级中心轮理论齿廓曲线波动周期数；

是二级导架转角，单位：°。

第一级传动比计算公式为：

其中，zg1是一级钢球个数。

第二级传动比计算公式为：

其中，zg2是二级钢球个数。

由以上可知，二级串联结构总传动比计算公式为：

以下结合实施例对本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器做进一步描述：

针对某种应用场合设计了一款凸轮激波式双级平面钢球减速器，该减速器的结构示意图，如图2所示，总体尺寸为，外径φ70mm，总长74mm；三个深沟球轴承14型号均为61800；第一薄壁轴承8型号为6709；四个第二薄壁轴承17型号均为6700；唇型密封圈2尺寸为8mm*22mm*7mm；一二级传动的理论参数见表1。

表1结构理论参数表

由于本实施例采用了底角为45°的等腰梯形截面，故表1中有滚道角度这个参数，该等腰梯形两个腰与对应的活齿钢球相切，以此达到与活齿啮合的目的。需要说明的是，在滚道理论廓线确定的情况下，滚道的截面不限定于等腰梯形截面，也可以是与钢球直径略大的圆形截面。

如图4、图5和图6所示，一级激波凸轮5和二级激波凸轮12截面的边界形状可采用直线边界501、圆弧边界502或者斜线边界503。

对于表1中的参数，是根据某种应用场合设计的，参数的数值取值并不是固定的，各参数的取值并不限定在表1中的取值，即使同样在该应用场合下，表1的参数取值也可在许用范围(即满足工作需要所需的机械性能)内微调；如一级钢球6的半径r1，表1中取3mm，而二级钢球11的半径r2，表1中取3.5mm，这里r2同样可以取3mm，取3.5mm的原因是，一级传动转速高，传递的力矩小，需要的承载能力就小，而二级传动转速低，经一级传动减速后，二级传动的输入力矩被放大，故二级传动的承载就比一级的大，用更大一些的钢球，可以有更大的承载能力，进而获得更好的机械性能。

同样的，一级中心轮4和二级中心轮10的滚道周期数z2、z4随减速比要求而定，而一级激波凸轮5和二级激波凸轮12的理论廓线半径b1、b2及偏心距a1、a2和正弦滚道幅值a，共同决定了减速器的外径尺寸，滚道角度的不同，会导致不同的传动效率。

总之，在满足特定减速比(并不限于本实施例减速比49)的情况下，并避免产生滚道根切，表1中参数的取值可自由设定，而自由设定后结果，就是一个最优化问题，即有的方案综合机械性能好，有的方案综合机械性能差。

本发明凸轮激波式双级平面钢球减速器，以上述设计案例为例，在使用时，输入轴1上的第一轴段101与原动机相连，转动输入轴1，其上第一偏心轴段103会带着一级激波凸轮5绕着输入轴1的轴线公转，从而推动与其凸缘相切(或者啮合)的一级钢球6同时沿着一级中心轮4的一级正弦滚道401和一级导架9的一级直齿槽901移动，由于一级中心轮4固定不动，故一级钢球6在沿着一级中心轮4的一级正弦滚道401移动的同时，推动一级直齿槽901转动，转动方向为一级钢球6沿着一级正弦滚道401移动的方向，故一级导架9与输入轴1同向转动，且减速比满足一级传动减速比的公式，在上述设计案例中，取一级钢球6的个数为7。

接着，一级导架9作为二级传动部分的输入构件，一级导架9自转的同时，其右侧第三偏心轴段903会带着其上的二级激波凸轮12绕着第四偏心轴段904的轴线公转，从而推动二级钢球11同时沿着二级中心轮10的二级正弦滚道1001和二级直齿槽130401移动，由于二级中心轮10固定不动，故二级钢球11在沿着二级正弦滚道1001移动的同时，推动二级直齿槽130401转动，转动方向为二级钢球11沿着二级正弦滚道1001移动的方向，故二级导架1304与一级导架9同向转动，且减速比满足二级传动减速比公式，在上述设计案例中，取二级钢球11的个数为7。

故上述实施例中的一、二级串联的总减速比为7×7＝49。

由于该减速器采用了第二薄壁轴承17，第一激波凸轮5在绕着第二轴段102轴线公转的同时，还会绕着第一偏心轴段103的轴线自转。同样地，第二激波凸轮12在绕着第四偏心轴段904公转的同时，还会绕着第三偏心轴段903的轴线自转。公转的同时自转，从而分别减小了与第一钢球6、第二钢球11之间的摩擦，进而提高了传动效率。

交叉滚子轴承13将外圈1301与二级导架1304集成为了一体，在具备交叉滚子轴承13优异的轴向承受能力的同时，直接使作为轴承内圈的二级导架1304输出转速，在二级导架1304右端开有均布的螺纹孔，可直接连接机械臂，极大的简化了轴向结构。

本发明相对于传统减速器，外形尺寸更小，结构紧凑，采用激波凸轮介于中心轮与导架之间的结构，且一二级之间无需等速输出机构，显著缩短了轴向结构尺寸，极大地降低了整机重量；一二级激波凸轮与对应输入轴通过薄壁轴承连接，大大提高了传动效率；二级采用交叉滚子轴承，将钢球导架与轴承内圈集成为一体，在缩短轴向距离的同时，极大地提高了轴向承载能力，更加适合应用在机器人关节上；本发明具有结构简单紧凑、传动效率高、传动比范围广和承载能力大等优点，可进行参数化和系列化设计，适合大范围应用。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。