面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构制造技术

本实用新型专利技术涉及面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构，该类线齿轮副包括一对主动线齿轮和从动线齿轮，其中主动线齿轮由主动线齿和主动轮体组成、从动线齿轮由从动线齿和从动轮体组成，主动轮轴线和从动轮轴线间交错角为0°～180°中的任意值，该实用新型专利技术的线齿轮的主动线齿轮的轮体结构为圆柱实体结构；而从动线齿轮的轮体结构为实体圆台型结构或者是肋板支撑式空心圆台型结构；主动线齿和从动线齿按线齿轮理论设计；本实用新型专利技术以轮体的强度和刚度为设计准则，以线齿轮副的实体体积最小为优化设计目标，设计出一对适用于转矩较大的传统机械传动领域的线齿轮副，该线齿轮副的设计在规定工况下能够满足指定材料的强度和刚度，可批量化生产。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及
为机械传动,具体是一种空间交错轴线齿轮的轮体结构。
技术介绍
线齿轮(LineGear,LG)是一种基于空间共轭曲线啮合原理的新型齿轮，它主要适用于微小空间传动，具有体积小，传动比大、占空比小，没有根切等优点。线齿轮由主动线齿轮和从动线齿轮构成，主动线齿(drivinglineteeth)和从动线齿(drivenlineteeth)分别均布于主动线齿轮和从动线齿轮的基体上。线齿轮按照空间分布可以分为垂直交叉轴空间曲线啮合齿轮，斜交轴空间曲线啮合齿轮和交错轴空间曲线啮合齿轮。前期的主要研究内容包括啮合理论、几何设计公式、制造技术基础、传动误差分析和强度分析等。由于前期所研究的线齿轮其线齿都是细长杆的形式，轮体只与线齿初始端固定，主要运用于传动力较小的情况下，并不适用于力矩很大的传递场合。结构的设计是任何机构设计中不可或缺的一部分，特别是对于齿轮来说。同理，对于线齿轮而言，如果想让线齿轮运用于传统机械中，现有的线齿形状在受到传统机械的大转矩时，很容易产生变形，因此需要提高齿轮的强度和整体刚度，因此对于线齿轮的结构优化，是必不可少的一部分。对于主动线齿数为1的线齿轮副，可以得到更大的传动比，应用于要求大传动比的场合。然而，当主动轮线齿数为1时，由于重合度要求大于1，则所需要的主、从动线齿的长度增长，线齿轮的强度和刚度则更加无法保证，因此对运用于较大转矩传动或者是主动线齿数为1的线齿轮，则需要对其进行轮体结构上的创新设计。3D打印制造技术，是新型发展的一种增材加工技术，其由于能制造形状各异的产品和加工方便而备受喜欢，由于线齿轮目前仍处于发展阶段，用如数控机床等加工工艺来加工线齿轮的方法仍在研究中，而3D打印能够满足线齿轮的加工要求，因此目前线齿轮的加工技术主要为3D打印制造技术。因此，线齿轮轮体结构上的创新，面向基于3D打印制造技术，对于线齿轮的研究是非常必要的。
技术实现思路
本技术针对现有线齿轮在传统机械传动领域应用中存在的问题，结合了3D打印制造技术的特点设计出能够运用于传统机械的交错轴线齿轮轮体。本技术的轮体结构以根据3D打印制造成本与实体重量成正比的特点以线齿轮实体体积最小为设计目标，其主动线齿轮轮体结构为圆柱实体结构，而其从动线齿轮轮体结构为圆台实体或者是由空心圆台结构、叶轮式肋板支撑结构、下底板、上底板和空心圆柱结构组成的肋板支撑式空心圆台型结构，而主动线齿和从动线齿则分别依附在圆柱和圆台的外壁上，该齿轮轮体结构能够让线齿轮运用于传统机械领域，本技术的主动主动线齿轮的线齿数为1。本技术主要通过如下技术方法实现。面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构，根据3D打印制造成本与实体重量成正比的特点使线齿轮实体体积最小，线齿轮副包括一对主动线齿轮和从动线齿轮，主动线齿轮由主动线齿和主动轮体组成、从动线齿轮由从动线齿和从动轮体组成，主动轮轴线和从动轮轴线间交错角为0°～180°中的任意值；主动线齿轮的轮体结构为圆柱实体型结构，而从动线齿轮的轮体结构为圆台实体型或是肋板支撑式空心圆台型结构，按线齿轮理论设计的主动线齿和从动线齿分别依附在主动线齿轮的圆柱和从动线齿轮的圆台的外壁上。上述面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构，具体限定如下：首先，给定线齿轮副基本尺寸参数，包括两交错轴夹角的补角θ，两轴间的距离c，传动比i，主动线齿轮啮合半径m，主动线齿轮螺距系数n；进一步的，根据齿轮副传动的扭矩T1和实际使用需要，选择齿轮副材料，并确定材料参数，包括弹性模量E，泊松比μ，材料的切变模量G，屈服强度σs，材料各个方向上许用的变形量[Δx]，[Δy]，[Δz]，[Δθ]。进一步的，通过给定线齿轮副基本参数，运用以下表格3，可以计算出线齿轮副的其他计算尺寸参数；表3线齿轮副基本参数计算公式其中：当0<θ<90°时，f(t(0))＝mi+mcosθ-ccosθ-msinθ(-m+c)/n，当90°<θ<180°时，f(t(0))＝mi-mcosθ+ccosθ+msinθ(-m+c)/n。进一步的，确定主动线齿轮的轮体结构尺寸，包括主动线齿轮轮体半径R1＝m-0.9r，主动线齿轮轮体宽度l1＝n(te-ts)，主动接触线螺旋升角进一步的，根据主动线齿轮强度计算准则，如下式方程(4)所示：σ1-σ3=22((Fy1zm1+Fz1|ym1|Ix1l1(l1-zm1)Rm1)2+(Fx1zm1+Fz1|xm1|Iy1l1(l1-zm1)Rm1)2+Fz1zm1Am1l1)24+(Fx12+Fy12x12+y12Ip12Rm12≤σs/ns---(4)]]>其中：由于主动线齿轮的最大强度发生在啮合点处，而在线齿轮副的中间啮合点时，主动线齿轮的变形最大，即当t＝tm，主动线齿轮的主应力需满足上述方程，当初设的m和n值能够使得主动线齿轮的主应力满足上述方程时，继续下一步设计，当不能满足时，则加大参数m和n值，重新计算线齿轮副的其他参数值，并计算主动线齿轮主应力，直至满足上述方程，确定下m和n的值；进一步的，利用上述所算得的参数，则可以得到线齿轮副的主动接触线和从动接触线方程，从而可以建立从动线齿轮的圆台外壁尺寸Rmax3和Rmin3，并通过输出轴的轴孔rz3判断从动轮采用实体型式还是采用肋板支撑型式：当rz3<(R31-s)-5时，则采用肋板支撑型式，当rz3≥(R31-s)-5时，采用实体型式；进一步的，若从动线齿轮采用肋板支撑型式，则首先要用如下刚度计算公式来确定空心圆台的壁厚δ，如下式(5)所示，δ=Rmin3-Rmin34-2(Fx32+Fy32)x3s2+y3s2(zm3)/(Gπ[Δθ])4---(5)]]>其中：：而和t的关系为：当t＝ts，zm3＝z3s，xm3＝x3s，ym3＝y3s，当t＝te，zm3＝z3e，当t＝tm，zm3＝zm3，当0°<θ<90°时，当90°≤θ<180°时，2((Fy3zm3+Fz3|ym3|Ix3l3(l3-zm3)Rm3)2+(Fx3zm3+Fz3|xm3|Iy3l3(l3-zm3)Rm3)2+Fz3zm3Am3l32)2+(Fx32+Fy32x32+y32Ip3Rm3≤σsns)2---(6)]]>进一步的，通过如下强度准则来确定叶轮肋板的厚度ζ，如式(6)所示：其中：Iy3=∫x32dA=π4δ2(R32+(R3-δ)2)+π4(Rz34-rz34)+ζ2((R3-δ)-Rz3)3,]]>Ix3=∫y32dA=π4δ2(R32+(R3-δ)2)+π4(Rz34-rz34)+ζ2((R3-δ)-Rz3)3,]]>当0°<θ<90°时，l3＝z3s-z3e，当90°≤θ<180°时，l3＝z3e-z3s；进一步的，通过η＝4ξ和l3＝60ξ来确定上底板厚度η和下底板厚度ξ，而空心圆柱的外径为本文档来自技高网...

【技术保护点】
面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构，其特征在于根据3D打印制造成本与实体重量成正比的特点使线齿轮实体体积最小，线齿轮副包括一对主动线齿轮和从动线齿轮，主动线齿轮由主动线齿和主动轮体组成、从动线齿轮由从动线齿和从动轮体组成，主动轮轴线和从动轮轴线间交错角为0°～180°中的任意值；主动线齿轮的轮体结构为圆柱实体型结构，而从动线齿轮的轮体结构为圆台实体型或是肋板支撑式空心圆台型结构，按线齿轮理论设计的主动线齿和从动线齿分别依附在主动线齿轮的圆柱和从动线齿轮的圆台的外壁上。

【技术特征摘要】
1.面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构，其特征在于根据3D打印制造成本与实体重量成正比的特点使线齿轮实体体积最小，线齿轮副包括一对主动线齿轮和从动线齿轮，主动线齿轮由主动线齿和主动轮体组成、从动线齿轮由从动线齿和从动轮体组成，主动轮轴线和从动轮轴线间交错角为0°～180°中的任意值；主动线齿轮的轮体结构为圆柱实体型结构，而从动线齿轮的轮体结构为圆台实体型或是肋板支撑式空心圆台型结构，按线齿轮理论设计的主动线齿和从动线齿分别依附在主动线齿轮的圆柱和从动线齿轮的圆台的外壁上。2.根据权利要求1所述的面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构，其特征在于所述肋板支撑式空心圆台型结构由空心圆台结构、上下底板、叶轮式肋板支撑结构和空心圆柱结构各部分组成，空心圆柱结构位于空心圆台结构内部且与空心圆台结构同轴线，叶轮式肋板支撑结构位于空心圆柱结构与空心圆台结构之间。3.根据权利要求1所述的面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构，其特征在于所述线齿轮副的主动线齿数为1。4.根据权利要求1所述的面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构，其特征在于线齿轮副的轮体结构的具体结构限定如下：1)给定线齿轮副基本尺寸参数，包括两交错轴夹角的补角θ，两轴间的距离c，传动比i，初设主动线齿轮啮合半径m，主动线齿轮螺距系数n；2)根据线齿轮副传动的扭矩T1和实际使用要求，选择线齿轮副材料，并确定材料参数，包括弹性模量E，泊松比μ，材料的切变模量G，屈服强度σs，材料在空间各个方向上许用的变形量[Δx]，[Δy]，[Δz]，[Δθ]；3)通过给定线齿轮副基本尺寸参数，运用以下表1计算公式，计算出线齿轮副的其他计算尺寸参数；表1其中：当0<θ<90°时，f(t(0))＝mi+mcosθ-ccosθ-msinθ(-m+c)/n，当90°<θ<180°时，f(t(0))＝mi-mcosθ+ccosθ+msinθ(-m+c)/n；4)确定主动线齿轮的轮体结构尺寸，包括主动线齿轮轮体半径R1＝m-0.9r，主动线齿轮轮体宽度l1＝n(te-ts)，主动接触线螺旋升角5)根据主动线齿轮强度计算准则，如下式方程(1)：σ1-σ3=2((Fy1zm1+Fz1|ym1|Ix1l1(l1-zm1)Rm1)2+(Fx1zm1+F...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈扬枝，吕月玲，陈汉飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44