一种空间三轴交叉的传动机构的通用设计

蔡仕哲

一种空间三轴交叉的传动机构的通用设计

蔡仕哲

（骅星科技发展有限公司，广东 汕头 515800）

一种空间三轴六端交叉的传动机构设计方案，可应用于多种不同领域的机械上。传动机构采用空间齿轮传动的设计，将传动轴拆分为二节绕开三轴之间的交点，实现同步等速旋转；空间齿轮采用异向分组设计，使每对传动轴转向可控；每组齿轮组采用等比设计，实现共轴等速输出；异组中相应的同族齿轮体积存在一定比例差，避免齿轮干涉，使每组齿轮互不影响，实现空间同心的三个相交轴上每对输出轴端的同步、同向的输出并解决三轴相交所产生的干涉问题。

多轴传动；分轴器；机械传动

在机械设计上，有时需要多个部件同时运作而设置多组传动装置，导致整个产品繁复且制造成本较高。因此出现了如分轴器等同源多端的动力输出机构，如砂轮机主轴或汽车的驱动轮（忽略其差速结构）等，在旋转的驱动轴两端各设有一旋转输出端，将动力传动给两端工作部（旋转方向一致），实现同轴两端的动力输出。

将上述直线传动机构进一步拓展，设计了一种三轴六端传动的机构设计方案。

1 设计计划

设计一种传动机构，包括三根传动轴，分别位于、、三轴方向上，每根传动轴两端分别与外接件实现传动联接并输出动力，其中每一对对称输出轴端都作共轴同步同向旋转，确保传动方向一致。在保证可行性的情况下，按最小体积及强度较差的材料进行设计，以取得最大的拓展空间。

将该设计设定在小家电或玩具等领域的应用上，该类产品体积较小、空间比较局限，多采用塑料材质，强度较差，比较适合要求。

2 方案设计

2.1 设计重难点分析

（1）机构存在互相关联的圆周运动，优先考虑采用齿轮传动。

（3）三根传动轴互为直角，为改变传动角度，可优先考虑采用锥齿轮传动。

（3）为使三轴相交于同一点而不互相干涉，三轴中只允许存在一根轴贯穿两端输出，其余两轴的各自两端分别拆分为两根独立的共轴传动轴，即机构由一根双输出端的长轴和四根单输出端的短轴构成。

（4）为使每对共轴短轴的旋转方向一致，每对共轴短轴的动力传入方向必须可控。

2.2 方案选用

综合前面分析：优选以长轴为主动轴，受外力驱动；短轴为从动轴，受长轴驱动。长轴上设有主动锥齿轮，每对共轴短轴各设有从动锥齿轮，主动轮与相应从动轮相噬合。

如图1所示，轴设有长轴、其上设有齿轮，受外力驱动并带动旋转，为主动轮同时驱动从动轮和旋转，分别带动短轴和旋转，实现轴驱动轴及轴的单端动力输出。以轴为例，在的轴反方向再设一相同齿轮，即可实现轴另一端的短轴旋转，但由于与的位置及朝向相反（图2），与受到的切向力也相反，故与的旋转方向相反，因此轴两端短轴输出仅实现同步、而无法实现同向。

图1 A组齿轮传动示意图

图2 锥齿轮传动方向示意图

为解决上述问题，使与转向一致，如图3所示，在上另设一主动齿轮，两齿轮朝向相反、同时固定在上同步同向旋转。在轴和轴另一方向各设齿轮、分别与噬合，同时驱动从动齿轮和旋转及分别带动输出轴和旋转，由轴驱动轴与轴另一端单端动力输出，即根据传动方向不同将传动齿轮分为A、B两组（图4），两组齿轮各自运转互不干扰。由于与朝向相反，驱动从动轮的转向也与驱动从动轮的转向相反，反而使其输出的转向一致，因此与、与实现同步同向转动。

图3 B组齿轮传动示意图

如图5所示，受外力驱动时，带动短轴、、、运作，实现六端同时同向输出。

图4 异向分组传动示意图（隐藏Y轴齿轮）

图5 齿轮传动总示意图

齿轮和共同由齿轮带动，因此该齿轮组所有齿轮模数应为一致，即＝＝，而另一齿轮组必须令＝＝；为使轴与轴的轴心同处于平面，齿数须满足＝及＝；为使短轴、、、实现同步等速旋转，必须使传动比一致，即齿数须满足/＝/＝/＝/。

A、B组之间相对应的同族齿轮模数或齿数不宜太接近，应存在一定体积差，否则两组齿轮将产生碰撞干涉等现象，导致机构卡死。考虑受力情况及材料强度一致性，A、B组之间相对应的同族齿轮可考虑采用一致模数，因此可完全通过齿数差异来拉开同族齿轮的体积差。

当主动轮与从动轮齿数相等时，即＝＝、＝＝时，与、与会噬合，导致由于每组齿轮传动中的三个齿轮之间两两噬合而产生的卡死现象，因此主动轮的齿数必须大于从动轮的齿数，才能避免从动轮之间干涉，因此轴的转速将慢于其他两轴。

3 实例实施

3.1 定型

将该机构设计成袖珍式，齿轮模数设定在1以下，为降低制造精度要求，齿轮模数设定在0.3以上，即0.3≤≤1，优选＝0.5。则各齿轮齿数为：＝24；＝＝16；＝15；＝＝10。根据齿数，轴与轴或轴的转速比为1:1.5。

采用工业塑料材料，考虑齿轮的刚性及耐磨性优选聚甲醛（POM）为齿轮材料；根据强度及成本优选丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（ABS）作为齿轮箱壳体。

因空间需要，机构采用直流微电机驱动，优选N20系列直流微电机作为动力源；因负载较小，传动轴均采用铁质镀镍即可。

3.2 实例实施

所有锥齿轮均与之相应的铁轴实现固定连接。三轴交叉传动装置如图6所示。壳体由第一壳体及第二壳体组成，用于固定齿轮及铁轴，起到支承整个齿轮组的作用。微电机位于轴与轴的角度平分线上，并尽可能靠近中心，以缩小机构体积。微电机与轴之间采用直齿轮组减速传动。

（a）正面 （b）反面

4 小结

该三轴交叉同步传动机构，实现由一个动力源分配出若干传动轴同时向若干外接件输出动力，根据不同外接件同步实现不同的功能。每个输出端朝向都不一致，每对共轴输出端转向一致。这种传动机构虽不常见，但在有特殊需要的场合却非常实用，具有非常高的变通空间。除利用锥齿轮来实现折线传动外，该机构在轴上设置的多个共轴驱动齿轮，通过改变锥齿轮的配搭来改变传动方向，并利用等比传动在避开运动干涉的同时实现等速传动。

该机构可根据实际需要改动，以满足实际要求。当需要三轴等速输出，可在轴两输出端分别另设加速机构使轴输出端转速轴、轴一致；当仅需平面两轴交叉传动，即取消轴或轴时，由于不存在从动轮之间的干涉问题，则主动轮与从动轮的齿数可以相等，实现全部轴等速旋转；当需要改变轴或轴任一端旋转方向时，只需更换该端输出齿轮及切换轴上与之噬合齿轮与即可；如需要使每对输出端的转向完全相反，可参考汽车后轿差速器结构，将轴分为两节短轴，各带一齿轮分别与轴、轴的四个齿轮噬合，一齿轮为主动轮，另一齿轮为末端从动轮。该实例按小体积设计，若需应用到更大型的机械上，可在将该机构放大及更换更大功率的动力源，必要时需增加润滑、轴承、键等细节优化设计。

[1]黄劲枝，黄镇昌，林世俊. 机械设计基础[M]. 北京：机械工业出版社，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，广东澄海人，研发工程师，主要从事玩具及其他工业产品的功能研究与开发工作。