阅读说明：本技术 一种减速机的成型设计方法 (Forming design method of speed reducer ) 是由 刘慧泉 李彦铮 于 2020-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于减速器技术领域,尤其涉及一种减速机的成型设计方法,其中,利用该成型设计方法设计的减速机包括外齿圈、滚子和驱动轴,所述外齿圈为定子,所述驱动轴自转并带动所述滚子自转,且所述滚子绕所述驱动轴公转,所述驱动轴的横切面的轮廓线为等宽曲线,根据实际需要而自定义地确定好以上各个数据：m、n、r、R和Q,并且对格栅件上的多个滚子进行排布,然后利用以上参数进行设计计算,从而得到外齿圈的齿形轮廓线。应用本发明的技术方案能够设计获得一种新的行星齿轮减速机,从而解决了现有技术中还没有既能够满足设计结构简单、体积小型化,又能够实现减速比灵活匹配设计的减速机的问题。(The invention belongs to the technical field of speed reducers, and particularly relates to a forming design method of a speed reducer, wherein the speed reducer designed by the forming design method comprises an outer gear ring, a roller and a driving shaft, the outer gear ring is a stator, the driving shaft rotates and drives the roller to rotate, the roller revolves around the driving shaft, the contour line of the cross section of the driving shaft is an equal-width curve, and the above data are determined in a self-defining manner according to actual requirements: m, n, R, R and Q, and arranging a plurality of rollers on the grating piece, and then carrying out design calculation by using the parameters so as to obtain the tooth profile contour line of the outer gear ring. By applying the technical scheme of the invention, a new planetary gear speed reducer can be designed and obtained, so that the problem that the speed reducer which is simple in design structure, small in size and flexible in reduction ratio matching design cannot be realized in the prior art is solved.)

一种减速机的成型设计方法

技术领域

本发明属于减速器技术领域，尤其涉及一种减速机的成型设计方法。

背景技术

减速机是应用于动力源输出端的重要核心零部件之一。目前，应用于机器人的减速机主要为RV减速机、谐波减速机、行星减速机、蜗轮蜗杆减速机，以及同步带构成的减速机机构。减速机的主要目的是将动力源的高转速、小力矩进行转换，降低一定的转速，获得较大的输出力矩。

在现有技术中，传统减速机的其制造难度较大、制造精度较高，具有代表性的为RV减速机，谐波减速机；传统减速机对制造材料的依赖较大，如谐波减速机的柔轮变形材料；传统减速机存在传动间隙，如行星减速机；传统减速机构的设计复杂，如同步带减速机，需要多级嵌套，结构组织相对较大；传统减速机的体积设计受限，RV减速机和谐波减速机在原理上，具有得到更大减速比的优点，但是其无法做到小尺寸以及小减速比也是缺点。传统减速机中只有蜗轮蜗杆结构的减速机具备自锁能力，自锁能力可以使产品设计减少制动保持器的设计，以简化设计，减少和控制相应的成本。

可见，现有技术中还没有既能够满足设计结构简单、体积小型化，又能够实现减速比灵活匹配设计的减速机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减速机的成型设计方法，旨在解决现有技术中还没有既能够满足设计结构简单、体积小型化，又能够实现减速比灵活匹配设计的减速机的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种减速机的成型设计方法，该减速机包括外齿圈、滚子和驱动轴，所述外齿圈为定子，所述驱动轴自转并带动所述滚子自转，且所述滚子绕所述驱动轴公转，所述驱动轴的横切面的轮廓线为等宽曲线，所述减速机的成型设计方法包括以下步骤：

确定减速比m，m为大于等于4的偶数；

确定所述等宽曲线的分型数n，n为奇数且n＞1，确定所述等宽曲线的分型正n边形的外接圆的半径r，在该外接圆中画出所述分型正n边形，得到所述分型正n边形的边长R；

确定所述滚子的半径Q；

在同一横截面内，设相邻两个所述滚子的圆心与所述驱动轴的中心轴线在该横截面上的点形成的夹角为θ，以中心轴线在该横截面上的点为原点建立平面直角坐标系，设所述滚子的圆心绕所述驱动轴公转一周的运动轨迹线的点在平面直角坐标系中的坐标为(x，y)，设所述外齿圈的齿形轮廓线的点在平面直角坐标系的坐标为(X，Y)；

当所述滚子绕所述驱动轴公转的转动方向与所述驱动轴自转的转动方向同向时，通过公式：

X＝x+R*cos θ，

Y＝y+R*sin θ，

得到外齿圈的齿形轮廓线；

当所述滚子绕所述驱动轴公转的转动方向与所述驱动轴自转的转动方向反向时，通过公式：

X＝x+R*cos θ，

Y＝y+R*sin θ，

得到外齿圈的齿形轮廓线。

进一步地，所述减速机的成型设计方法还包括以下步骤：以所述分型正n边形的各个顶点为圆心作半径为R的所述分型圆，各个所述分型圆重叠部分的轮廓线为所述等宽曲线。

进一步地，当所述滚子绕所述驱动轴公转的转动方向与所述驱动轴自转的转动方向同向且当时，则x²+y²＝(R-r+Q)²；当所述滚子绕所述驱动轴公转的转动方向与所述驱动轴自转的转动方向反向且当时，则x²+y²＝(R-r+Q)²。

进一步地，当n不变时，并且减速机的体积不变，改变Q、R、r中的任意一个或任意组合，则能够改变减速比m，并且满足

其中T为所述滚子的数量。

进一步地，相邻两个所述滚子的球心之间的直线距离为L，则L＞2Q。

进一步地，当所述滚子绕所述驱动轴公转的转动方向与所述驱动轴自转的转动方向同向时，所述外齿圈的齿的数量为S，则S＝(m-1)*n；当所述滚子绕所述驱动轴公转的转动方向与所述驱动轴自转的转动方向反向时，所述外齿圈的齿的数量为S，则S＝(1+m)*n。

进一步地，所述减速机还包括格栅件，所述驱动轴、所述格栅件和所述外齿圈顺序且同轴地向外套设，所述格栅件上开有周向均布的用于容纳所述滚子的栅槽；在同一横截面内，作所述外接圆的圆心与所述驱动轴的轴面上的点的第一连线，以所述第一连线的最大距离值H₁为半径并以外接圆的圆心为圆心作格栅内圆，作所述外接圆的圆心与所述外齿圈的齿顶点的第二连线，以所述第二连线的最小距离值H₂为半径并以外接圆的圆心为圆心作格栅外圆；所述格栅件位于所述格栅内圆与所述格栅外圆之间，并且，所述格栅件的厚度为H₃，则H₃＜H₂-H₁。

进一步地，所述滚子采用钢制的滚珠装配；或者，所述滚子采用钢制的圆柱形的滚柱装配。

本发明至少具有以下有益效果：

根据本发明的减速机的成型设计方法设计制造得到了同向输出的减速机和反向输出的减速机两种，两种减速机均为行星齿轮减速器的一种，具备减速比可定制、减速机尺寸灵活、制造成本低、具备一定的自锁能力这些显著特点，并且装配完成的减速机减速性能相对于现有技术的减速机而言具备领先能力，具备传输效率高、传输扭矩大、输入转速高的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的减速机的装配示意图；

图2为本发明实施例的减速机的分解图；

图3为本发明实施例的减速机的结构原理示意图；

图4为本发明实施例的减速机的外齿圈的轮廓成型结构原理示意图；

图5为本发明实施例的减速机的输出转动方向与驱动转轮的转动方向同向时的动力原理示意图；

图6为本发明实施例的减速机的输出转动方向与驱动转轮的转动方向反向时的动力原理示意图；

图7为本发明实施例的减速机的简化外齿圈得到外齿轮廓的原理结构示意图。

其中，图中各附图标记：

10、外齿圈；11、装配空腔；12、外齿；13、弧形齿槽；20、滚动格栅组件；21、格栅件；22、滚子；212、栅槽；30、驱动转轮；31、弧形轴面；41、第一轴承；42、第二轴承；43、挡环；44、卡环；101、第一运动限制圆；102、第二运动限制圆。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明实施例设计的减速机包括外齿圈10、格栅件21、滚子22和驱动转轮30，格栅件21与滚子22组成了模块化的滚动格栅组件20，格栅件21上开有周向均布的用于容纳滚子22的栅槽212，外齿圈10为定子并形成了装配空腔11，驱动转轮30、滚动格栅组件20和外齿圈10顺序且同轴地向外套设并位于装配空腔11中，然后采用第一轴承41和第二轴承42装配在格栅件21的两端，第一轴承41和第二轴承42的外圈均支撑固定在外齿圈10上，并且采用挡环43将第一轴承41安装稳定，采用卡环44将第二轴承42安装稳定，如图2所示。驱动转轮30自转并带动滚子22自转，且滚子22绕驱动转轮30公转。驱动转轮30的横切面的轮廓线为等宽曲线(等宽曲线，是指将一个平面曲线图放在两条平行线之间，使该曲线与这两条平行线均相切，无论这个平面曲线图在平面内如何运动，只要其还是在这两条平行线内，则该平面曲线就始终与这两条平行线相切，这个平面曲线即是等宽曲线，并且，这两条平行线之间的距离称为该等宽曲线的宽度)。

结合参见图4所示，本发明提供的减速机的成型设计方法包括以下步骤：

确定减速比m，m为大于等于4的偶数；确定等宽曲线的分型数n，n为奇数且n＞1，确定等宽曲线的分型正n边形的外接圆的半径r，在该外接圆中画出分型正n边形，得到分型正n边形的边长R；确定滚子22的半径Q。在对减速机进行设计的过程中，首先则必须根据实际需要而自定义地确定好以上各个数据：m、n、r、R和Q，并且对格栅件21上的多个滚子22进行排布，此时，在同一横截面内，设相邻两个滚子22的圆心与驱动转轮30的中心轴线在该横截面上的点形成的夹角为θ，然后利用以上参数进行设计计算。

计算过程中，以中心轴线在该横截面上的点为原点建立平面直角坐标系，设滚子22的圆心绕驱动转轮30公转一周的运动轨迹线的点在平面直角坐标系中的坐标为(x，y)，设外齿圈10的齿形轮廓线的点在平面直角坐标系的坐标为(X，Y)。

当滚子22绕驱动转轮30公转的转动方向与驱动转轮30自转的转动方向同向时，通过公式：

X＝x+R*cos θ，

Y＝y+R*sin θ，

得到同向输出的减速机的外齿圈10的齿形轮廓线。

当滚子22绕驱动转轮30公转的转动方向与驱动转轮30自转的转动方向反向时，通过公式：

X＝x+R*cos θ，

Y＝y+R*sin θ，

得到反向输出的减速机的外齿圈10的齿形轮廓线。

根据本发明的减速机的成型设计方法设计制造得到了同向输出的减速机和反向输出的减速机两种，两种减速机均为行星齿轮减速器的一种，具备减速比可定制、减速机尺寸灵活、制造成本低、具备一定的自锁能力这些显著特点，并且装配完成的减速机减速性能相对于现有技术的减速机而言具备领先能力，具备传输效率高、传输扭矩大、输入转速高的特点。

在本发明的减速机的成型设计方法中，驱动转轮30的轮廓用作图法进行确定，也就是，以分型正n边形的各个顶点为圆心作半径为R的分型圆，各个分型圆重叠部分的轮廓线为等宽曲线。

在该减速机的成型设计方法中，为了进一步配合外齿圈10推动格栅件21运动，格栅件21通过滚子22与驱动转轮30之间实现驱动关联，格栅件21将动力减速增矩后输出。为了实现驱动转轮30对于格栅件21具有完善的驱动能力，因而需要所有的滚子22与驱动转轮30的轮面都有良好的接触，这样才能以稳定的转速传递稳定的驱动力矩。因此，滚子22的运动轨迹方程还需要满足以下条件：

当滚子22绕驱动转轮30公转的转动方向与驱动转轮30自转的转动方向同向且当

时，则x²+y²＝(R-r+Q)²；当滚子22绕驱动转轮30公转的转动方向与驱动转轮30自转的转动方向反向且当

时，则x²+y²＝(R-r+Q)²。

在结合实际应用该减速机的应用场景进行设计该减速机时，需要考虑但不限于实际应用中用于装配该减速机的装配空间大小、实际需要的减速比大小等，因此，当n不变时，并且减速机的体积不变，改变Q、R、r中的任意一个或任意组合，根据前述的确定外齿圈10的齿形轮廓线的方程式，则能够改变减速比m，并且满足

其中T为滚子22的数量。

例如，当选取确定m＝8，n＝3时，则滚子22的数量相应为T＝12。

又例如，当实际应用中用于安装减速机的装配空间大小是确定的，并且此时确定以分型数n进行设计制造该减速机，则此时R、r也随着装配空间大小确定不变而为确定值，而减速比m则可以任意选择，根据前述的确定外齿圈10的齿形轮廓线的方程式，则此时Q与m存在相互应影响关系，当选取确定Q之后，相应地减速比m也随之确定(当选用不同Q值，则相应地改变了减速机的减速比m)。并且，此时减速机设计制造满足前述的设计限制条件。

在实际设计本发明的减速机过程中，对于格栅件21，为了配合安装各个滚子22，在开设栅槽212时，必须满足设计条件：相邻两个滚子22的球心之间的直线距离为L，则L＞2Q，也就是，格栅件21中相邻的连个栅槽212之间要保留承载强度的间隔相连部分。

当确定了本发明设计的减速机的减速比m和分型数n之后，则可以得到相应设计的减速机中外齿圈10的外齿12的数量。即：当滚子22绕驱动转轮30公转的转动方向与驱动转轮30自转的转动方向同向时，外齿圈10的外齿12的数量为S，则S＝(m-1)*n；当滚子22绕驱动转轮30公转的转动方向与驱动转轮30自转的转动方向反向时，外齿圈10的外齿12的数量为S，则S＝(1+m)*n。

例如，当选取确定m＝8，n＝3时：当减速机为同向输出减速机时，则外齿12的数量S＝21；当减速机为反向输出减速机时，则外齿12的数量S＝27。

进一步地，在同一横截面内，作外接圆的圆心与驱动转轮30的轴面上的点的第一连线，以第一连线的最大距离值H₁为半径并以外接圆的圆心为圆心作格栅内圆，作外接圆的圆心与外齿圈10的齿顶点的第二连线，以第二连线的最小距离值H₂为半径并以外接圆的圆心为圆心作格栅外圆，格栅件21位于格栅内圆与格栅外圆之间，并且，格栅件21的厚度为H₃，则H₃＜H₂-H₁。这样，滚动格栅组件20装配至装配空腔11之，格栅件21与外齿圈10、驱动转轮30之间都不会发生运动干涉的情况，保证减速机正常、顺畅工作运行。

在本发明的减速机中，滚子22可以采用钢制的滚珠装配；或者，滚子22可以采用钢制的圆柱形的滚柱装配。为了保证减速机的减速增矩的动力传递稳定性，并且提高减速机的运动载荷强度，因此，本发明的减速机优选地普遍采用钢制的圆柱形的滚柱装配。

设计完成并装配完成后的减速机在工作过程中，外部动力由驱动转轮30输入，驱动转轮30转动(即太阳轮自转)。由于各个滚子22与驱动转轮30的弧形轴面31相切接触，在摩擦力作用下，各个滚子22也同时转动(即各个行星轮自转)。

由于驱动转轮30的轮面的横截面轮廓是等宽曲线(即轮面上的各个不同点到驱动转轮30中心轴线的距离不相等)，因此，驱动转轮30带动各个滚子22同时转动过程中，驱动转轮30向相应滚子22施加作用力F1以顶推相应滚子22沿径向远离运动(还有相应的滚子22则沿径向靠近运动)，如图4和图5所示，各个滚子沿径向往复运动的区域范围限制在第一运动限制圆101与第二运动限制圆102之间。如图5所示，在驱动转轮30顶推滚子22沿径向远离运动与弧形齿槽13的槽壁相抵而使得滚子22受到了反作用力F2，作用力F1和反作用力F2的合力F3则为驱动滚子22绕驱动转轮30公转(行星轮绕太阳轮公转)的驱动力。该合力F3作用于格栅件21形成驱动力F3′(F3＝F3′)以驱动格栅件21转动并对外输出。如图5所示，此时格栅件21输出的转动方向与驱动转轮30的转动方向同向(即为同向输出的减速机)。

由于驱动转轮30的轮面的横截面轮廓是等宽曲线(即轮面上的各个不同点到驱动转轮30中心轴线的距离不相等)，因此，驱动转轮30带动各个滚子22同时转动过程中，驱动转轮30向相应滚子22施加作用力ΔF1以顶推相应滚子22沿径向远离运动(还有相应的滚子22则沿径向靠近运动)，如图4和图6所示，各个滚子沿径向往复运动的区域范围限制在第一运动限制圆101与第二运动限制圆102之间。如图6所示，在驱动转轮30顶推滚子22沿径向远离运动与弧形齿槽13的槽壁相抵而使得滚子22受到了反作用力ΔF2，作用力ΔF1和反作用力ΔF2的合力ΔF3则为驱动滚子22绕驱动转轮30公转(行星轮绕太阳轮公转)的驱动力。该合力ΔF3作用于格栅件21形成驱动力ΔF3′

(ΔF3＝ΔF3′)以驱动格栅件21转动并对外输出。如图6所示，此时格栅件21输出的转动方向与驱动转轮30的转动方向反向(即为反向输出的减速机)。

本发明满足以上公式设计条件，则可以得到稳定的减速机的外齿圈10的轮廓曲线(即外齿圈10的齿形轮廓线)。此外，当减速机不需要精确的减速比时，可以简化地使用45°切线代替外齿圈10的轮廓曲线，简化外齿12的齿形的原理结构示意图如图7所示。也就是，在应用上述公式计算得到同向输出减速机的外齿圈10的外齿12的齿形轮廓线之后，在开模制造时，将弧形齿槽13的轮廓线中点与驱动转轮30的中心点连线，然后利用45°切线代替外齿圈10的轮廓曲线，并将同一个弧形齿槽13的两个切线利用圆弧相切连接，从而得到简化的外齿12的齿形轮廓线。使用此方式，可以更进一步的减少制造复杂程度，但是该方式设计制造的减速机在工作过程中会有较大的振动与噪音，因而适合一些低精度的使用场合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。