一種空間三軸交叉的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的通用設(shè)計(jì)

蔡仕哲

一種空間三軸交叉的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的通用設(shè)計(jì)

蔡仕哲

（驊星科技發(fā)展有限公司，廣東 汕頭 515800）

一種空間三軸六端交叉的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可應(yīng)用于多種不同領(lǐng)域的機(jī)械上。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用空間齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，將傳動(dòng)軸拆分為二節(jié)繞開三軸之間的交點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)同步等速旋轉(zhuǎn)；空間齒輪采用異向分組設(shè)計(jì)，使每對(duì)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向可控；每組齒輪組采用等比設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)共軸等速輸出；異組中相應(yīng)的同族齒輪體積存在一定比例差，避免齒輪干涉，使每組齒輪互不影響，實(shí)現(xiàn)空間同心的三個(gè)相交軸上每對(duì)輸出軸端的同步、同向的輸出并解決三軸相交所產(chǎn)生的干涉問題。

多軸傳動(dòng)；分軸器；機(jī)械傳動(dòng)

在機(jī)械設(shè)計(jì)上，有時(shí)需要多個(gè)部件同時(shí)運(yùn)作而設(shè)置多組傳動(dòng)裝置，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品繁復(fù)且制造成本較高。因此出現(xiàn)了如分軸器等同源多端的動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)，如砂輪機(jī)主軸或汽車的驅(qū)動(dòng)輪（忽略其差速結(jié)構(gòu)）等，在旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)軸兩端各設(shè)有一旋轉(zhuǎn)輸出端，將動(dòng)力傳動(dòng)給兩端工作部（旋轉(zhuǎn)方向一致），實(shí)現(xiàn)同軸兩端的動(dòng)力輸出。

將上述直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步拓展，設(shè)計(jì)了一種三軸六端傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 設(shè)計(jì)計(jì)劃

設(shè)計(jì)一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括三根傳動(dòng)軸，分別位于、、三軸方向上，每根傳動(dòng)軸兩端分別與外接件實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)聯(lián)接并輸出動(dòng)力，其中每一對(duì)對(duì)稱輸出軸端都作共軸同步同向旋轉(zhuǎn)，確保傳動(dòng)方向一致。在保證可行性的情況下，按最小體積及強(qiáng)度較差的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，以取得最大的拓展空間。

將該設(shè)計(jì)設(shè)定在小家電或玩具等領(lǐng)域的應(yīng)用上，該類產(chǎn)品體積較小、空間比較局限，多采用塑料材質(zhì)，強(qiáng)度較差，比較適合要求。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)分析

（1）機(jī)構(gòu)存在互相關(guān)聯(lián)的圓周運(yùn)動(dòng)，優(yōu)先考慮采用齒輪傳動(dòng)。

（3）三根傳動(dòng)軸互為直角，為改變傳動(dòng)角度，可優(yōu)先考慮采用錐齒輪傳動(dòng)。

（3）為使三軸相交于同一點(diǎn)而不互相干涉，三軸中只允許存在一根軸貫穿兩端輸出，其余兩軸的各自兩端分別拆分為兩根獨(dú)立的共軸傳動(dòng)軸，即機(jī)構(gòu)由一根雙輸出端的長(zhǎng)軸和四根單輸出端的短軸構(gòu)成。

（4）為使每對(duì)共軸短軸的旋轉(zhuǎn)方向一致，每對(duì)共軸短軸的動(dòng)力傳入方向必須可控。

2.2 方案選用

綜合前面分析：優(yōu)選以長(zhǎng)軸為主動(dòng)軸，受外力驅(qū)動(dòng)；短軸為從動(dòng)軸，受長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)。長(zhǎng)軸上設(shè)有主動(dòng)錐齒輪，每對(duì)共軸短軸各設(shè)有從動(dòng)錐齒輪，主動(dòng)輪與相應(yīng)從動(dòng)輪相噬合。

如圖1所示，軸設(shè)有長(zhǎng)軸、其上設(shè)有齒輪，受外力驅(qū)動(dòng)并帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，為主動(dòng)輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪和旋轉(zhuǎn)，分別帶動(dòng)短軸和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)軸驅(qū)動(dòng)軸及軸的單端動(dòng)力輸出。以軸為例，在的軸反方向再設(shè)一相同齒輪，即可實(shí)現(xiàn)軸另一端的短軸旋轉(zhuǎn)，但由于與的位置及朝向相反（圖2），與受到的切向力也相反，故與的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此軸兩端短軸輸出僅實(shí)現(xiàn)同步、而無法實(shí)現(xiàn)同向。

圖1 A組齒輪傳動(dòng)示意圖

圖2 錐齒輪傳動(dòng)方向示意圖

為解決上述問題，使與轉(zhuǎn)向一致，如圖3所示，在上另設(shè)一主動(dòng)齒輪，兩齒輪朝向相反、同時(shí)固定在上同步同向旋轉(zhuǎn)。在軸和軸另一方向各設(shè)齒輪、分別與噬合，同時(shí)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪和旋轉(zhuǎn)及分別帶動(dòng)輸出軸和旋轉(zhuǎn)，由軸驅(qū)動(dòng)軸與軸另一端單端動(dòng)力輸出，即根據(jù)傳動(dòng)方向不同將傳動(dòng)齒輪分為A、B兩組（圖4），兩組齒輪各自運(yùn)轉(zhuǎn)互不干擾。由于與朝向相反，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向也與驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向相反，反而使其輸出的轉(zhuǎn)向一致，因此與、與實(shí)現(xiàn)同步同向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 B組齒輪傳動(dòng)示意圖

如圖5所示，受外力驅(qū)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)短軸、、、運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)六端同時(shí)同向輸出。

圖4 異向分組傳動(dòng)示意圖（隱藏Y軸齒輪）

圖5 齒輪傳動(dòng)總示意圖

齒輪和共同由齒輪帶動(dòng)，因此該齒輪組所有齒輪模數(shù)應(yīng)為一致，即＝＝，而另一齒輪組必須令＝＝；為使軸與軸的軸心同處于平面，齒數(shù)須滿足＝及＝；為使短軸、、、實(shí)現(xiàn)同步等速旋轉(zhuǎn)，必須使傳動(dòng)比一致，即齒數(shù)須滿足/＝/＝/＝/。

A、B組之間相對(duì)應(yīng)的同族齒輪模數(shù)或齒數(shù)不宜太接近，應(yīng)存在一定體積差，否則兩組齒輪將產(chǎn)生碰撞干涉等現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)卡死?？紤]受力情況及材料強(qiáng)度一致性，A、B組之間相對(duì)應(yīng)的同族齒輪可考慮采用一致模數(shù)，因此可完全通過齒數(shù)差異來拉開同族齒輪的體積差。

當(dāng)主動(dòng)輪與從動(dòng)輪齒數(shù)相等時(shí)，即＝＝、＝＝時(shí)，與、與會(huì)噬合，導(dǎo)致由于每組齒輪傳動(dòng)中的三個(gè)齒輪之間兩兩噬合而產(chǎn)生的卡死現(xiàn)象，因此主動(dòng)輪的齒數(shù)必須大于從動(dòng)輪的齒數(shù)，才能避免從動(dòng)輪之間干涉，因此軸的轉(zhuǎn)速將慢于其他兩軸。

3 實(shí)例實(shí)施

3.1 定型

將該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成袖珍式，齒輪模數(shù)設(shè)定在1以下，為降低制造精度要求，齒輪模數(shù)設(shè)定在0.3以上，即0.3≤≤1，優(yōu)選＝0.5。則各齒輪齒數(shù)為：＝24；＝＝16；＝15；＝＝10。根據(jù)齒數(shù)，軸與軸或軸的轉(zhuǎn)速比為1:1.5。

采用工業(yè)塑料材料，考慮齒輪的剛性及耐磨性優(yōu)選聚甲醛（POM）為齒輪材料；根據(jù)強(qiáng)度及成本優(yōu)選丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（ABS）作為齒輪箱殼體。

因空間需要，機(jī)構(gòu)采用直流微電機(jī)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)選N20系列直流微電機(jī)作為動(dòng)力源；因負(fù)載較小，傳動(dòng)軸均采用鐵質(zhì)鍍鎳即可。

3.2 實(shí)例實(shí)施

所有錐齒輪均與之相應(yīng)的鐵軸實(shí)現(xiàn)固定連接。三軸交叉?zhèn)鲃?dòng)裝置如圖6所示。殼體由第一殼體及第二殼體組成，用于固定齒輪及鐵軸，起到支承整個(gè)齒輪組的作用。微電機(jī)位于軸與軸的角度平分線上，并盡可能靠近中心，以縮小機(jī)構(gòu)體積。微電機(jī)與軸之間采用直齒輪組減速傳動(dòng)。

（a）正面 （b）反面

4 小結(jié)

該三軸交叉同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)由一個(gè)動(dòng)力源分配出若干傳動(dòng)軸同時(shí)向若干外接件輸出動(dòng)力，根據(jù)不同外接件同步實(shí)現(xiàn)不同的功能。每個(gè)輸出端朝向都不一致，每對(duì)共軸輸出端轉(zhuǎn)向一致。這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)雖不常見，但在有特殊需要的場(chǎng)合卻非常實(shí)用，具有非常高的變通空間。除利用錐齒輪來實(shí)現(xiàn)折線傳動(dòng)外，該機(jī)構(gòu)在軸上設(shè)置的多個(gè)共軸驅(qū)動(dòng)齒輪，通過改變錐齒輪的配搭來改變傳動(dòng)方向，并利用等比傳動(dòng)在避開運(yùn)動(dòng)干涉的同時(shí)實(shí)現(xiàn)等速傳動(dòng)。

該機(jī)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際需要改動(dòng)，以滿足實(shí)際要求。當(dāng)需要三軸等速輸出，可在軸兩輸出端分別另設(shè)加速機(jī)構(gòu)使軸輸出端轉(zhuǎn)速軸、軸一致；當(dāng)僅需平面兩軸交叉?zhèn)鲃?dòng)，即取消軸或軸時(shí)，由于不存在從動(dòng)輪之間的干涉問題，則主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)可以相等，實(shí)現(xiàn)全部軸等速旋轉(zhuǎn)；當(dāng)需要改變軸或軸任一端旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，只需更換該端輸出齒輪及切換軸上與之噬合齒輪與即可；如需要使每對(duì)輸出端的轉(zhuǎn)向完全相反，可參考汽車后轎差速器結(jié)構(gòu)，將軸分為兩節(jié)短軸，各帶一齒輪分別與軸、軸的四個(gè)齒輪噬合，一齒輪為主動(dòng)輪，另一齒輪為末端從動(dòng)輪。該實(shí)例按小體積設(shè)計(jì)，若需應(yīng)用到更大型的機(jī)械上，可在將該機(jī)構(gòu)放大及更換更大功率的動(dòng)力源，必要時(shí)需增加潤(rùn)滑、軸承、鍵等細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1]黃勁枝，黃鎮(zhèn)昌，林世俊. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

Universal Design of Drive Mechanism with Spatial Three Axis Intersection

CAI Shizhe

( Huastar Technology Development Co., Ltd., Shantou 515800, China )

A design scheme of transmission mechanism with three axis and six ends of space，applied to machinery in many different fields. The drive mechanism adopts the design of space gear drive, split the drive shaft into two sections, bypassing the intersection among the three shafts, for synchronous same speed rotation; The spatial gear is designed by different direction grouping, make each pair of transmission shafts rotation direction controllable; Each gear set is designed with equal ratio, make each pair of transmission shafts have same speed output; There is a disparity of size of the corresponding gear in different groups, avoid gear interference, make each gear do not affect each other, for each synchronization have the same speed and the same direction , And solve the interference problem caused by the intersection of axes.

multi shaft drive；shaft transmission；mechanical drive

TH132

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.007

1006－0316 (2018) 03－0026－04

2017－07－11

蔡仕哲（1982－），男，廣東澄海人，研發(fā)工程師，主要從事玩具及其他工業(yè)產(chǎn)品的功能研究與開發(fā)工作。