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带有被动滚轮的齿轮机构:驱动全向齿轮和蜗杆传动装置的输入机构
摘要:我们一直在研究全方位驾驶能够产生推力的齿轮机构曲面上的任意方向，可以是平的，也可以是弯的。这种全向齿轮是由正齿轮驱动的垂直的。当一个正齿轮转动时驱动全向齿轮，其他的在齿间滑动全向齿轮，反之亦然。在本文中，我们介绍齿轮采用无源滚轮，减少摩擦阻力一种包括圆锥形或扁平的平滑滚动运动的机构无源滚轮，可提高传动功率全向驱动齿轮系统的效率。我们也确定了该齿轮的另一个有用的功能与被动式滚轮作为蜗轮，从蜗轮上传送动力具有比普通蜗轮更高的能源效率。
1.介绍。
全向传动齿轮有两个垂直的齿轮齿轮列。在图1中，当左侧的正齿轮旋转时向所述方向驱动所述全向驱动齿轮x轴上，正齿轮在右齿间滑动该全向齿轮具有间隙为齿隙的特点渐开线曲线[1 - 3]。反之，如果正齿轮在右边的方向旋转以驱动全向齿轮y轴上，左侧的正齿轮在齿间滑动全向齿轮也是这样。通过结合这些正齿轮运动时，这种全向驱动齿轮可以在任何方向产生推力。第一个实验装置采用平面全向驱动齿轮如图2所示。我们还开发了实验装置与凸和凹版本的全向驱动齿轮和进行了各种实验，以测试他们的优点[4]。在驱动全向驱动齿轮的方法中，我们必须尽量减小正齿轮的摩擦阻力滑动齿间的全向传动齿轮到确保整个系统运行平稳。为了这个目的,我们采用了更薄的弯曲齿的“冠齿”正齿轮传动的全向齿轮在前向研究[4]。这一次，我们研究了被动滚轮齿轮驱动摩擦小的全向齿轮阻力比冠齿轮[5]。这个齿轮的外形是渐开线曲线，就像普通的正齿轮一样。我们研究了三种不同形状的齿轮被动辊。在接下来的章节中，我们将介绍这些被动滚轮齿轮的设计和特点。本文还介绍了齿轮的另一个功能是用被动滚轮作蜗杆实现蜗轮蜗杆传动具有很高的能源效率。
图1：全向驱动齿轮的基本结构
图2：全向驱动齿轮的首次实验装置
各种形状被动齿轮的设计辊
以实现直齿圆柱齿轮的平稳滑动运动为目的驱动全向齿轮，我们设计齿轮用各种形状的无源辊。原理图的带被动滚轮的齿轮如图3、4和5所示。当在设计这些齿轮时，我们主要考虑了以下几点两个点:
1小型化和齿轮的简化减小机构整体的尺寸和重量全向齿轮系统
2齿轮机构的制造成本
A:圆锥被动滚轮齿轮
首先，我们检查了圆锥被动滚轮齿轮如图3所示。在这种齿轮结构中，每个被动轴的旋转轴滚轮呈径向对齐。径向上的旋转轴方向在圆周方向上具有相同的偏移量整个齿轮结构的中心轴。它很容易小型化和减轻重量机制。通过调整包含多个层的结构渐开线曲线投影轮廓的无源滚子，被动滚轮的数量可以减少到至少六个如图3所示。
图3：总体视图和六档齿轮的横截面图锥形被动辊
带扁平被动滚轮的齿轮
带扁平被动滚轮的齿轮我们所研究的第二齿轮机构是扁平无源的如图4所示。在这种齿轮结构中，每个被动轴的旋转轴滚子沿圆周轨迹连续对齐整个齿轮机构的中心轴。每一个旋转被动滚子的轴是独立的。这个齿轮机构消除了对多层无源辊的需要齿轮与圆锥被动辊显示在前面章为滑动与全向齿轮与断断续续的轮齿结构。
图4:整体视图和齿轮横截面图与平面被动辊
不同被动辊形的齿轮
我们研究的第三个齿轮机构有一个结构像一个普通的商业全方位车轮与被动辊筒形状相同。一个示意图该齿轮如图5所示。在这种齿轮结构中，被动滚轮属于一组支承板之间有一个共同的旋转轴，而无源滚子的旋转轴是对齐的间歇地沿中心轴的圆周方向整个齿轮结构。因此，这种齿轮结构具有多层无源辊与一些偏置在一个圆内与被驱动体连续接触的方向全向装备。与采用平面被动滚轮的齿轮结构相比如图4所示，可以得到如图5所示的齿轮结构容易小型化，因为有较少的旋转轴对于被动辊。根据以上所示，每个齿轮结构都带有被动滚轮有缺点也有优点。因此,我们应该根据系统的应用，选择最优结构系统包括一个齿轮与被动滚轮和全向驱动齿轮机构。无源滚子齿轮机构具有较强的鲁棒性，并提出了一种与之前的研究完全不同的结构，其中无源转动轴的方向较小滚子与整体的主动旋转轴对齐齿轮结构[6]。在接下来的章节中，我们将介绍两个真正的原型齿轮与被动滚轮。这一次,我们制作了圆锥无源滚轮齿轮和平面无源滚轮齿轮无源辊，可以制造经济和用简单的机制。
图5：总体视图和不同被动辊型齿轮的横截面图
第一个真正的原型齿轮与被动辊
圆锥被动滚轮齿轮
为了测试无源滚轮齿轮的实际性能，本文对无源滚轮齿轮进行了研究初步制作了圆锥无源滚轮齿轮具有相当大的微型化空间。一个本设计的圆锥齿轮横截面图托辊如图6所示，而横截面图为一个圆锥被动滚子单元和它的爆炸视图组件如图7所示。实现全向平稳滑动运动传动齿轮，齿轮结构采用圆锥被动滚轮需要多个带有偏移量的层，因为全向驱动齿轮具有间歇结构多齿作为齿条齿轮。因此，在实际使用中，带锥形被动滚轮的齿轮应采用至少三层[4]。然而，在第一次试验中，我们做了该原型只有一层锥形无源辊，如如图6和图8所示，确定其基本可行性和机械的优势。
圆锥无源辊的外形由根据数控铣床的理论方程渐开线曲线如式(1)和式(2)所示方程显示了x和y坐标的描述图7中红色渐开线曲线。x-y坐标的原点是置于圆锥渐开线曲线的起始点上底部无源滚轮。这个初始的轮齿数目齿轮原型是32，因此A的值也是32。结合精确的数字制图技术利用上述方程建立了三维CAD系统和SolidWorks 2010的高制造功能数控铣床采用g代码控制SolidWorks的输出数据支持齿轮结构采用锥型和平面无源辊，如图8、11所示。该规格的初始齿轮原型与圆锥无源滚轮如表1所示。
表一：初始齿轮样机锥形被动辊规格
图9：初步制造平面被动滚轮齿轮原型的截面图和侧面图
图10：平面无源辊单元截面图及其组件的分解视图
图11：初始制造齿轮原型的透视图、前视图和侧视图与平板被动辊模型
4.圆锥无源齿轮辊的试验研究辊
在这项研究中，我们做了各种各样的实验确定两个原型的特性和优点。首先，我们进行了实验来分析锥形被动辊特征对齿轮的静摩擦阻力和动摩擦阻力性能的影响。
圆锥无源齿辊轮静摩擦阻力试验
在定量测定各种类型齿轮静摩擦阻力中，我们使用了所示的实验装置在图12。这里，恒压力力作用在右边，因为测量不同的设备类型之间的摩擦阻力差恒定的负载是必要的。压力从40增加了100 N，所有实验中都要测量静态和动态参数。本文介绍了齿轮的摩擦阻力，其中包括测量圆锥齿轮的静摩擦阻力。由于被动滚子、滚珠轴承用于支承中心轴的正齿轮或带被动滚轮的齿轮滑动已被淘汰，因此采用固定螺丝将齿轮和轴固定在支撑块上。精密稳定测量施加恒定压力时所需的平动力的部分在装置右侧。我们增加了滑轮上凯夫拉尔丝的重量。在图12的左边是连续驱动小齿轮和齿条齿轮滑动运动的正齿轮或带齿轮无源滚轮，并且在测量其在转动时的平动力时固定齿轮开始滑动。我们比较了带有凸齿轮(凸齿轮)[4]的齿轮，涂有聚四氟乙烯的正齿轮和圆锥齿轮被动辊的静摩擦阻力。在本文中，我们用“滚轮齿轮”这个术语来表示图中带圆锥或扁平被动滚轮的齿轮。齿宽的冠齿、直齿和聚四氟乙烯涂层正齿轮是3.85毫米，最大直径相同的圆锥被动辊在其底部。这些齿轮的模组是2，而不是全向齿轮，我们使用如图12所示的齿条齿轮是因为制造的圆锥无源初始齿轮样机滚轮只有一行无源滚轮，不能滑动轮齿之间不断地间断着全向装备。然而，齿条齿轮的模量轮齿和它的材料(SUS303)是一样的全向齿轮由该齿轮驱动，因此其无源滚轮机械滑动运动的特点几乎是与全向齿轮[7]相同。我们在每种条件下进行了十次实验，并绘制出图13所示的平均值图形。误差栏显示每个数据的标准差。如图13所示，圆锥齿轮无源辊的静摩擦阻力最小。即使聚四氟乙烯涂层的轮齿表面的正齿轮是被广泛认为是减少其滑动的有效手段摩擦，但实际效果不如滚动阻力圆锥被动滚轮齿轮。右边的压力计结果表明，在各种压力条件下，静摩擦阻力与圆锥被动滚轮齿轮类型等有关。静摩擦阻力实验显示这种圆锥无源辊的优点在于抗压。
图12：静摩擦阻力的实验装置
图13：每一种齿轮类型包括锥形被动辊的静摩擦阻力
圆锥被动滚轮的齿轮动摩擦阻力测定实验
本试验对圆锥无源滚轮齿轮和其他普通齿轮动摩擦阻力进行了研究。实验装置如图14所示。为了得到每个正齿轮和更宽齿条齿轮之间的滑动运动常数，我们使用如图12所示相同的普通齿条和小齿轮代替全向齿轮机构，用减速交流电机驱动，RSF-14B-100-F100-24B-C谐波制造驱动系统，我们使用齿条齿轮与宽齿下的正齿轮或被动滚轮的原因与静态滚轮摩擦阻力试验一章相同。我们使用与测量静摩擦阻力实验相同的马刺和冠齿轮。在这个滑动实验中，通过齿轮传动交流电机使输入转矩保持恒定(0.01 Nm)，各正齿轮滑动齿面较宽的齿条齿条间距相同，为70毫米。在这个滑动过程中消耗的时间取测量的平均值10倍[8-9]，进行实验结果如图15所示。误差栏显示每个数据的标准差。图14。测量动摩擦阻力的实验装置每一种齿轮类型，包括圆锥被动滚轮如图15所示，为动摩擦力在正齿轮和冠齿轮的情况下，阻力增加而压力则从40 N增加到80 N，但是在圆锥齿轮的情况下几乎保持不变，在所有齿轮类型中被动辊之间的阻力总是最小的。这意味着齿轮的特征确定了圆锥无源辊的尺寸动态摩擦阻力。
图14：测量动摩擦阻力的实验装置
图15：每一种齿轮类型的动摩擦阻力
4.无源平面齿轮辊试验
本实验是将滚轮齿轮与其它齿轮的静态和动态摩擦阻力进行比较。采用与前文几乎相同的程序和试验装置，如涉及齿轮的试验采用与圆锥被动辊及前一章相同特点的齿轮与平面被动滚轮。
带有扁平被动滚轮齿轮的静摩擦阻力测定的实验
测量静摩擦的实验装置如图16所示。在这些实验中，我们采用真正的平面全向驱动齿轮，因为全向驱动齿轮的齿轮与平面被动辊之间存在可连续滑动的间歇齿。该实验测量了静摩擦阻力，平动力作用于全向齿轮，左侧滑轮的重量增加使齿轮开始滑动时用左边的测力仪测量。全向齿轮与被动滚轮齿轮的相对齿宽为20mm，它们的模量和齿数与带被动滚轮的齿轮是相同的。如图17所示，x轴测量的压力值来自右边的压力计。重复10次实验后的时间平均值将绘制在图表上，误差条显示了标准差。时间检验在每个案例中都有显著差异，但平面被动滚轮齿轮具有良好的平顺性等滑动性能，并且其静摩擦阻力最小值在三种齿轮类型中最小。
图16：包括平被动辊齿轮的各类齿轮静摩擦阻力的实验（图为普通直齿圆柱齿轮，与滚子齿轮)
图17：包括平被动辊的各类齿轮静摩擦阻力
无源平辊齿轮动态摩擦阻力试验
在本实验中，图18中的全向齿轮为与第五章所述的同一齿轮。交流电机驱动扭矩保持不变(0.006 Nm)，齿轮滑上全向齿轮距为56毫米。实验结果如图19所示。紫色的水平线是重复自由滑动10次全向齿轮的摩擦阻力平均值，从右边的压力计上收集压力数据。尽管实验中，增大正齿轮和冠齿轮的动摩擦阻力，动态摩擦平面被动滚子齿轮的阻力几乎为零，或为与“自由滑动”的相等的较小的常数值，由此可确定平面被动滚轮齿轮的优点。
图18：包括平面被动辊的各类齿轮动摩擦阻力测量实验装置
在自由滑动状态下，全向齿轮不接触任何其他齿轮。即这样实验在与图15中相同的条件下进行。如图19,所示，我们在图中画了一条水平线来表示自由滑动。有效地展示一个典型而常见的例子。
图19：包括无源平辊的各类齿轮动摩擦阻力
5.如同蜗轮的无源滚轮齿轮的功能
在这项研究中，我们也检查了采用被动滚轮代替齿轮的优势。蜗轮的结构如图所示，通过蜗轮把动力传动到另一个垂直方向。以普通蠕虫车轮为例，由于蜗轮齿[10-12]滑动运动时的高摩擦阻力动力，传动效率往往较低，通过限制被动滚轮的滚动阻力以解决这个问题。我们使用如图20所示的实验装置比较蜗轮以及圆锥型齿轮和平面无源滚轮的输电效率，使用直径相同的滑轮作为输入和输出轴。带有凯夫拉尔纤维线的测力仪拉着钢瓶的一侧滑轮测量输入蜗轮上的扭矩。这个扭矩将传递到蜗轮上，另一个在凯夫拉尔丝上的固定力计测量输出皮带轮扭矩。第一个普通蠕虫的齿宽轮(螺旋轮)为3.85 mm，即与被动锥辊的最大直径尺寸相同。它的模数是2，它有32颗轮齿，由SUS304制成
图20：圆锥齿轮和平面无源齿轮蜗轮滚轮测试试验装置
第二种普通蜗轮的齿宽为20毫米。它的模数也是2，它有20颗由JIS CAC702(铝青铜铸件)制成的轮齿。对比实验结果如图21所示。在每次实验中输入和输出线的最大张力均用测力仪测量，功率传输效率计算式如式(3)所示;“A”为标准化与理论化蜗杆传动减速比。由于装备圆锥无源滚轮和普通蜗轮的齿面数为32，因此“A”取32，且平无源滚轮轮齿数为20。
图21中的点显示了10个实验的平均值，误差条和标准差。圆锥齿轮与被动滚轮的动力传动效率总是超过普通蜗杆与蜗轮，t检验也表明所有案例均有显著差异。该齿轮的电力传输的工作效率从0.8提高到1n ，在这一区域周围，由于被动滚轮齿轮的回驱动性能，蜗轮与蜗杆间的接触可能是间歇的。张力增加时，这种接触可能更恒定，这种方式可能方便电力传输，这解释了圆锥无源滚轮齿轮的效率增加的原因，而平齿轮被动辊效率不断增加也是同样的原因。同时，32齿面的普通蜗杆由于齿面增大而滑动摩擦减小从而效率增大，然而，普通蜗轮用20齿面旋转平稳，效率几乎恒定
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资料编号：[1295]
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