蔡仕哲

一種空間三軸交叉的傳動機(jī)構(gòu)的通用設(shè)計

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機(jī)構(gòu)設(shè)計方案，可應(yīng)用于多種不同領(lǐng)域的機(jī)械上。傳動機(jī)構(gòu)采用空間齒輪傳動的設(shè)計，將傳動軸拆分為二節(jié)繞開三軸之間的交點，實現(xiàn)同步等速旋轉(zhuǎn)；空間齒輪采用異向分組設(shè)計，使每對傳動軸轉(zhuǎn)向可控；每組齒輪組采用等比設(shè)計，實現(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，實現(xiàn)空間同心的三個相交軸上每對輸出軸端的同步、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；分軸器；機(jī)械傳動

在機(jī)械設(shè)計上，有時需要多個部件同時運(yùn)作而設(shè)置多組傳動裝置，導(dǎo)致整個產(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力輸出機(jī)構(gòu)，如砂輪機(jī)主軸或汽車的驅(qū)動輪（忽略其差速結(jié)構(gòu)）等，在旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動軸兩端各設(shè)有一旋轉(zhuǎn)輸出端，將動力傳動給兩端工作部（旋轉(zhuǎn)方向一致），實現(xiàn)同軸兩端的動力輸出。

將上述直線傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)一步拓展，設(shè)計了一種三軸六端傳動的機(jī)構(gòu)設(shè)計方案。

1 設(shè)計計劃

設(shè)計一種傳動機(jī)構(gòu)，包括三根傳動軸，分別位于、、三軸方向上，每根傳動軸兩端分別與外接件實現(xiàn)傳動聯(lián)接并輸出動力，其中每一對對稱輸出軸端都作共軸同步同向旋轉(zhuǎn)，確保傳動方向一致。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，以取得最大的拓展空間。

將該設(shè)計設(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

2.1 設(shè)計重難點分析

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

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

（3）為使三軸相交于同一點而不互相干涉，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立的共軸傳動軸，即機(jī)構(gòu)由一根雙輸出端的長軸和四根單輸出端的短軸構(gòu)成。

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

2.2 方案選用

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

如圖1所示，軸設(shè)有長軸、其上設(shè)有齒輪，受外力驅(qū)動并帶動旋轉(zhuǎn)，為主動輪同時驅(qū)動從動輪和旋轉(zhuǎn)，分別帶動短軸和旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)軸驅(qū)動軸及軸的單端動力輸出。以軸為例，在的軸反方向再設(shè)一相同齒輪，即可實現(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現(xiàn)同步、而無法實現(xiàn)同向。

圖1 A組齒輪傳動示意圖

圖2 錐齒輪傳動方向示意圖

為解決上述問題，使與轉(zhuǎn)向一致，如圖3所示，在上另設(shè)一主動齒輪，兩齒輪朝向相反、同時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，同時驅(qū)動從動齒輪和旋轉(zhuǎn)及分別帶動輸出軸和旋轉(zhuǎn)，由軸驅(qū)動軸與軸另一端單端動力輸出，即根據(jù)傳動方向不同將傳動齒輪分為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)動從動輪的轉(zhuǎn)向也與驅(qū)動從動輪的轉(zhuǎn)向相反，反而使其輸出的轉(zhuǎn)向一致，因此與、與實現(xiàn)同步同向轉(zhuǎn)動。

圖3 B組齒輪傳動示意圖

如圖5所示，受外力驅(qū)動時，帶動短軸、、、運(yùn)作，實現(xiàn)六端同時同向輸出。

圖4 異向分組傳動示意圖（隱藏Y軸齒輪）

圖5 齒輪傳動總示意圖

齒輪和共同由齒輪帶動，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、、、實現(xiàn)同步等速旋轉(zhuǎn)，必須使傳動比一致，即齒數(shù)須滿足/＝/＝/＝/。

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

3 實例實施

3.1 定型

將該機(jī)構(gòu)設(shè)計成袖珍式，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，優(yōu)選N20系列直流微電機(jī)作為動力源；因負(fù)載較小，傳動軸均采用鐵質(zhì)鍍鎳即可。

3.2 實例實施

所有錐齒輪均與之相應(yīng)的鐵軸實現(xiàn)固定連接。三軸交叉?zhèn)鲃友b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。

（a）正面 （b）反面

4 小結(jié)

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

該機(jī)構(gòu)可根據(jù)實際需要改動，以滿足實際要求。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)鲃樱慈∠S或軸時，由于不存在從動輪之間的干涉問題，則主動輪與從動輪的齒數(shù)可以相等，實現(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，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、軸的四個齒輪噬合，一齒輪為主動輪，另一齒輪為末端從動輪。該實例按小體積設(shè)計，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力源，必要時需增加潤滑、軸承、鍵等細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計。

[1]黃勁枝，黃鎮(zhèn)昌，林世俊. 機(jī)械設(shè)計基礎(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。