[发明专利]一种三自由度渐开线球齿轮副

说明书

一种三自由度渐开线球齿轮副，涉及机械传动领域；本发明解决以往球形齿轮传动中存在的问题，提供了一种新型的渐开线连续球齿轮副。该球齿轮副啮合传递稳定，不存在传动误差，且具有高的重合度。本发明包括一个凹型球齿轮和一个凸型球齿轮，凹型球齿轮上的齿和凸型球齿轮上的齿均由平面渐开线环形齿面和球面渐开线弧形齿面组合而成，平面渐开线在球齿轮基球的不同的纬线上生成，球面渐开线在球齿轮基球的不同的经线上生成；齿槽由齿交错分布形成；同时具有三个自由度，能够实现偏摆，俯仰，自转的不同空间运动，同时在经线和纬线上，齿面交错分布连续，明显的提高了啮合时同时参与啮合的齿对数，提高了传动效率和稳定性。

技术领域

本发明涉及机械传动领域，柔性机械臂领域，仿生机械手领域，具体涉及一种三自由度渐开线球齿轮副。

背景技术

目前传统的齿轮由于只具有一个方向运动的自由度，仅仅可以传递两固定轴之间的平面运动和动力，已经很难满足科技浪潮下催生出的新兴领域的要求，传统的单自由度齿轮无法实现，因此多自由度齿轮的研究便应运而生。

中国专利公开号为：CN 103573921 A，专利名称为“一种渐开线球齿轮传动副”，该技术方案提出了一种渐开线球齿轮传动副，该传动副由两个球心位置相对固定，节球面相切的两个球齿轮组成，球冠上分布有渐开线齿轮，同一纬度上的齿沿着纬线均匀分布，不同高度的纬线上的齿数是变化的。该专利提出的球齿轮传动副存在的问题有：首先，并未提出具体的球齿轮齿面的建模方法和具体的齿面方程；其次，不同高度的纬线齿数变化无法保证球齿轮传动时的连续性；而且，其纬线上形成的齿形不是渐开线，这对啮合传动时的间隙以及稳定性有很大影响。

发明内容

本发明为了解决以往球形齿轮传动中存在的问题，提供了一种新型的渐开线连续球齿轮副。该球齿轮副啮合传递稳定，不存在传动误差，且具有高的重合度。本发明的球齿轮副同时具有三个自由度，能够实现偏摆，俯仰，自转的不同空间运动，同时在经线和纬线上，齿面交错分布连续，明显的提高了啮合时同时参与啮合的齿对数，提高了传动效率和稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种三自由度渐开线球齿轮副，包括一个凹型球齿轮和一个凸型球齿轮，凹型球齿轮上的齿和凸性球齿轮上的齿均由平面渐开线环形齿面和球面渐开线弧形齿面组合而成，

所述平面渐开线在球齿轮基球的不同的纬线上生成，球面渐开线在球齿轮基球的不同的经线上生成；齿槽由齿交错分布形成；

凸型球齿轮上的齿和齿槽与凹型球齿轮的齿和齿槽结构以及形成方式相同；

在啮合传动时，凹型球齿轮的齿完全插入凸型球齿轮的齿槽，凸型球齿轮的齿完全插入凹型球齿轮的齿槽，齿与齿槽相互啮合；

所述凸型球齿轮和凹型球齿轮的环形齿沿着基球纬线分布，弧形齿沿着基球经线分布；单个环形齿的左、右手边平面渐开线的起点分别在基球体不同的纬线上，单个弧形齿的的球面渐开线起点在不同的经线上，形成的球齿轮环形齿面和弧形齿面的齿面方程如下：

平面渐开线一侧齿面

球面渐开线一侧齿面

根据节圆完全啮合得到球面渐开线弧形齿面的模数变化为：

式中，r_p为球齿轮节圆半径，r_b为球齿轮基球半径，r₀为基锥母线长，β为球面渐开线起点纬度值，γ为球面渐开线锥角，ψ球面渐开线极角，L为锥顶到球心距离，Z为弧齿齿数，m为弧齿模数，u平面渐开线展角；

啮合传动时，球齿轮有多对齿参与啮合，其重合度计算为：

环形齿：