一种电动舵机论文和设计

全文摘要

本实用新型实施例公开了一种电动舵机，包括：电机、传动机构和变速器机构；变速器机构包括：至少三个行星齿轮、第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮；第三中心齿轮为外齿轮，第二中心齿轮和第一中心齿轮为内齿轮；第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮为同轴设置，并且分别同时与至少三个行星齿轮相啮合；第三中心齿轮通过传动机构与电机的输出轴相连接；第二中心齿轮为静齿轮，第一中心齿轮的中心轴作为电动舵机的输出轴。本实用新型的电动舵机，提供一种大减速比齿轮传动式电动舵机，能显著提高传动刚度与承载能力，降低加工制造成本，降低产品重量，减少零件数量，提高使用寿命和可靠性，使用寿命更长、维护成本更低。

主设计要求

1.一种电动舵机，其特征在于，包括：电机、传动机构和变速器机构；所述变速器机构包括：至少三个行星齿轮、第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮；所述第三中心齿轮为外齿轮，所述第二中心齿轮和所述第一中心齿轮为内齿轮；所述第一中心齿轮、所述第二中心齿轮和所述第三中心齿轮为同轴设置，并且分别同时与所述至少三个行星齿轮相啮合；所述第三中心齿轮通过所述传动机构与所述电机的输出轴相连接；所述第二中心齿轮为静齿轮，所述第一中心齿轮的中心轴作为电动舵机的输出轴。

设计方案

1.一种电动舵机，其特征在于，包括：

电机、传动机构和变速器机构；所述变速器机构包括：至少三个行星齿轮、第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮；所述第三中心齿轮为外齿轮，所述第二中心齿轮和所述第一中心齿轮为内齿轮；所述第一中心齿轮、所述第二中心齿轮和所述第三中心齿轮为同轴设置，并且分别同时与所述至少三个行星齿轮相啮合；所述第三中心齿轮通过所述传动机构与所述电机的输出轴相连接；所述第二中心齿轮为静齿轮，所述第一中心齿轮的中心轴作为电动舵机的输出轴。

2.如权利要求1所述的电动舵机，其特征在于，还包括：

设置有第一空腔的前壳体；所述第二中心齿轮的结构为设置有第二空腔的壳体结构，在所述第二空腔的内壁上设置有用于与所述至少三个行星齿轮相啮合的内齿；所述前壳体与所述第二中心齿轮连接，所述第一空腔和所述第二空腔围成变速器空腔；其中，所述第一中心齿轮、第三中心齿轮以及所述至少三个行星齿轮设置在所述变速器空腔内。

3.如权利要求2所述的电动舵机，其特征在于，

所述第二中心齿轮的一端设置有与所述第二空腔相连通的第一安装通孔，所述前壳体的一端设置有与所述第一空腔相连通的第二安装通孔；所述第一中心齿轮包括：输出轴、连接轴和齿圈本体，所述齿圈本体位于所述输出轴和所述连接轴之间；所述齿圈本体设置有环形槽，在所述环形槽的侧壁上设置有用于与所述至少三个行星齿轮相啮合的内齿，所述齿圈本体位于所述第一空腔内；所述输出轴与所述第二安装通孔转动连接，所述输出轴作为电动舵机的输出轴；所述连接轴与所述第一安装通孔转动连接。

4.如权利要求3所述的电动舵机，其特征在于，

在所述连接轴的端部安装有角度传感器；

所述电机与所述第二中心齿轮固定连接。

5.如权利要求3所述的电动舵机，其特征在于，

在所述第一空腔内设置有齿轮安装孔，在所述齿轮安装孔内安装有第一衬套；在所述第二安装通孔内安装有第二衬套；所述齿圈本体的外壁与所述第一衬套间隙配合，所述输出轴与所述第二衬套间隙配合。

6.如权利要求3所述的电动舵机，其特征在于，

所述第三中心齿轮套接在所述连接轴上，并与所述连接轴间隙连接；

所述至少三个行星齿轮沿第三中心齿轮的周向均匀分布。

7.如权利要求6所述的电动舵机，其特征在于，

所述传动机构包括：相互啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮；所述第一锥齿轮套接在所述连接轴上，并与所述连接轴间隙配合；所述第一锥齿轮与所述第三中心齿轮连接，所述第二锥齿轮与所述电机的输出轴连接。

8.如权利要求7所述的电动舵机，其特征在于，

所述第一锥齿轮位于所述第二空腔内；所述第一锥齿轮与所述第三中心齿轮为一体成型。

9.如权利要求6所述的电动舵机，其特征在于，包括：

至少三个行星架组；每个行星架组都与一个所述行星齿轮对应设置；所述行星架组包括：第一行星架、第二行星架和销轴；所述销轴与所述行星齿轮的中心孔转动连接，所述第一行星架和所述第二行星架分别与所述销轴的两端连接；所述第一行星架的一端和所述第二行星架的一端分别与所述连接轴转动连接。

10.如权利要求1至9任一项所述的电动舵机，其特征在于，

所述至少三个行星齿轮、第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮都为变位齿轮；

所述变速器机构的减速比为50-300；

所述至少三个行星齿轮、第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮的模数为0.1-5、变位系数为0.01-3。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及齿轮传动技术领域，尤其涉及一种电动舵机。

背景技术

电动舵机作为伺服执行机构，具有结构简单，加工装配容易等特点，在无人机、导弹等飞行器中得到越来越广泛的应用。减速器作为电动舵机的重要部件，在舵机系统中多采用谐波减速模式。目前，谐波行星齿轮传动式电动舵机广泛应用于航天航空领域，实现飞行器舵面偏转。谐波齿轮传动依靠薄壁零件柔性的弹性变形来实现运动转换，主要零件为柔轮、刚轮和波发生器。但是，谐波齿轮传动的齿轮模数较小，机加工艺复杂效率低、对刀具要求较高；并且，柔性零件在使用过程中容易产生疲劳破坏，寿命有限。因此，这种谐波齿轮传动一般只能承受纯扭矩负载，复合负载能力差；当承受扭矩、弯矩和轴向力等的复合负载时，负载能力明显下降，甚至不能正常传动。并且，谐波行星齿轮传动式电动舵机中包含有凸轮、柔轮、定刚轮和各种支撑轴承等数量繁多的零件，这使得其重量较重。因此，需要一种新型的电动舵机。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种电动舵机。

根据本实用新型的一个方面，提供一种电动舵机，包括：电机、传动机构和变速器机构；所述变速器机构包括：至少三个行星齿轮、第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮；所述第三中心齿轮为外齿轮，所述第二中心齿轮和所述第一中心齿轮为内齿轮；所述第一中心齿轮、所述第二中心齿轮和所述第三中心齿轮为同轴设置，并且分别同时与所述至少三个行星齿轮相啮合；所述第三中心齿轮通过所述传动机构与所述电机的输出轴相连接；所述第二中心齿轮为静齿轮，所述第一中心齿轮的中心轴作为电动舵机的输出轴。

可选地，电动舵机还包括：设置有第一空腔的前壳体；所述第二中心齿轮的结构为设置有第二空腔的壳体结构，在所述第二空腔的内壁上设置有用于与所述至少三个行星齿轮相啮合的内齿；所述前壳体与所述第二中心齿轮连接，所述第一空腔和所述第二空腔围成变速器空腔；其中，所述第一中心齿轮、第三中心齿轮以及所述至少三个行星齿轮设置在所述变速器空腔内。

可选地，所述第二中心齿轮的一端设置有与所述第二空腔相连通的第一安装通孔，所述前壳体的一端设置有与所述第一空腔相连通的第二安装通孔；所述第一中心齿轮包括：输出轴、连接轴和齿圈本体，所述齿圈本体位于所述输出轴和所述连接轴之间；所述齿圈本体设置有环形槽，在所述环形槽的侧壁上设置有用于与所述至少三个行星齿轮相啮合的内齿，所述齿圈本体位于所述第一空腔内；所述输出轴与所述第二安装通孔转动连接，所述输出轴作为电动舵机的输出轴；所述连接轴与所述第一安装通孔转动连接。

可选地，在所述连接轴的端部安装有角度传感器；所述电机与所述第二中心齿轮固定连接。

可选地，在所述第一空腔内设置有齿轮安装孔，在所述齿轮安装孔内安装有第一衬套；在所述第二安装通孔内安装有第二衬套；所述齿圈本体的外壁与所述第一衬套间隙配合，所述输出轴与所述第二衬套间隙配合。

可选地，所述第三中心齿轮套接在所述连接轴上，并与所述连接轴间隙连接；所述至少三个行星齿轮沿第三中心齿轮的周向均匀分布。

可选地，所述传动机构包括：相互啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮；所述第一锥齿轮套接在所述连接轴上，并与所述连接轴间隙配合；所述第一锥齿轮与所述第三中心齿轮连接，所述第二锥齿轮与所述电机的输出轴连接。

可选地，所述第一锥齿轮位于所述第二空腔内；所述第一锥齿轮与所述第三中心齿轮为一体成型。

可选地，电动舵机还包括：至少三个行星架组；每个行星架组都与一个所述行星齿轮对应设置；所述行星架组包括：第一行星架、第二行星架和销轴；所述销轴与所述行星齿轮的中心孔转动连接，所述第一行星架和所述第二行星架分别与所述销轴的两端连接；所述第一行星架的一端和所述第二行星架的一端分别与所述连接轴转动连接。

可选地，所述至少三个行星齿轮、第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮都为变位齿轮；所述变速器机构的减速比为50至300；所述至少三个行星齿轮、第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮的模数为0.1-5、变位系数为0.01-3。

本实用新型的电动舵机，提供一种大减速比齿轮传动式电动舵机，能显著提高传动刚度与承载能力，降低加工制造成本，降低产品重量，减少零件数量，提高使用寿命和可靠性，使用寿命更长、维护成本更低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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它的附图：

图1为根据本实用新型的电动舵机的一个实施例的正面外观示意图；

图2为根据本实用新型的电动舵机的一个实施例的背面外观示意图；

图3为根据本实用新型的电动舵机的一个实施例的剖视示意图；

图4为根据本实用新型的电动舵机的一个实施例的行星齿轮的布置示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型进行更全面的描述，其中说明本实用新型的示例性实施例。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合图和实施例对本实用新型的技术方案进行多方面的描述。

下文中的“第一”、“第二”等为描述上相区别，并没有其它特殊的含义。

如图1-4所示，本实用新型提供一种电动舵机，包括：电机1、传动机构和变速器机构，传动机构和变速器机构可以有多种机构。例如，变速器机构包括：至少三个行星齿轮、第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮。行星齿轮是指除了能像定轴齿轮那样围绕着自己的转动轴转动之外，它们的转动轴还绕其它齿轮的轴线转动的齿轮，绕自己轴线的转动称为“自转”，绕其它齿轮轴线的转动称为“公转”。至少三个行星齿轮的数量可以为3、4、5个等。

第三中心齿轮为外齿轮，第二中心齿轮和第一中心齿轮为内齿轮。第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮为同轴设置，并且分别同时与至少三个行星齿轮相啮合。第三中心齿轮通过传动机构与电机1的输出轴相连接。第二中心齿轮为静齿轮，第一中心齿轮的中心轴作为电动舵机的输出轴。

第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮这三个中心轮同时与至少三个行星齿轮相啮合，至少三个行星齿轮为单排排列，第二中心齿轮固定，第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮旋转。本实用新型的电动舵机的变速器机构的传动比范围为50-300，传动效率可以达到0.70-0.85，可以在有限的空间提供更大的传动比和更多的选择范围，可以在同样体积下提供和谐波行星齿轮传动式电动舵机一致或更大的传动比，因此，在同样的电机力矩输入情况下，与谐波行星齿轮传动式电动舵机相比较，能够输出一致或更大的力矩。

在一个实施例中，可以根据传动比等参数设计第一中心齿轮6、第二中心齿轮3和第三中心齿轮18的齿数等。第一中心齿轮6、第二中心齿轮3和第三中心齿轮18可以有多种结构。例如，变速器机构包括第一中心齿轮6、第二中心齿轮3和第三中心齿轮18。电动舵机包括设置有第一空腔的前壳体5，第二中心齿轮3的结构为设置有第二空腔的壳体结构，在第二空腔的内壁上设置有用于与至少三个行星齿轮相啮合的内齿31。

前壳体5与第二中心齿轮3连接，可以采用螺纹连接、卡扣连接、焊接等连接方式。例如，第二中心齿轮3通过壳体后固定螺钉7和壳体侧固定螺钉4安装在前壳体5上。第一空腔和第二空腔围成变速器空腔，第一中心齿轮6、第三中心齿轮18以及至少三个行星齿轮设置在变速器空腔内。

第二中心齿轮3的一端设置有与第二空腔相连通的第一安装通孔，前壳体5的一端设置有与第一空腔相连通的第二安装通孔。第一中心齿轮6包括：输出轴61、连接轴62和齿圈本体63，齿圈本体63位于输出轴61和连接轴62之间。齿圈本体63设置有环形槽，在环形槽的侧壁上设置有用于与至少三个行星齿轮相啮合的内齿64，齿圈本体63位于第一空腔内。

输出轴61与第二安装通孔转动连接，输出轴61可以通过第Ⅱ轴承16与第二安装通孔转动连接，输出轴61作为电动舵机的输出轴。连接轴62与第一安装通孔转动连接，连接轴62可以通过第Ⅲ轴承20与第一安装通孔转动连接。在连接轴62的端部安装有角度传感器8，用于检测第一中心齿轮6的转速。例如，角度传感器8通过角度传感器安装螺钉9安装在第二中心齿轮3的后侧。电机1与第二中心齿轮3固定连接，可以为焊接、螺纹连接等。例如，电机1通过电机安装螺钉2安装在第二中心齿轮3上。

在第一空腔内设置有齿轮安装孔，在齿轮安装孔内安装有第一衬套11，在第二安装通孔内安装有第二衬套17。齿圈本体63的外壁与第一衬套11间隙配合，输出轴61与第二衬套17间隙配合。第一衬套11、第二衬套17的材质可以为多种，例如都为铜等。

在一个实施例中，在第二中心齿轮3上设有便于安装电机1的止口与螺纹孔、设有便于安装角度传感器8的止口与螺纹孔、设有便于第Ⅲ轴承20安装的轴承孔。前壳体5上过盈压入第一衬套11和第二衬套17，第一衬套11和第二衬套17起到滑动轴承的作用，用于支撑第一中心齿轮6旋转，并承担第一中心齿轮6可能承受的弯矩，可以实现减速器机构的输出齿轮(第一中心齿轮6)对外部较大弯矩的承载，避免外部弯矩对齿轮传动副工作时的影响。

第一中心齿轮6设有细长的连接轴62，第三中心齿轮18套接在连接轴62上，并与连接轴62间隙配合。连接轴62从第三中心齿轮18中穿过后与角度传感器8通过键槽配合连接，将第一中心齿轮6的转角位移传递给角度传感器。

在一个实施例中，传动机构可以为多种，可以为齿轮传动、带传动等机构。例如，传动机构包括：相互啮合的第一锥齿轮21和第二锥齿轮19；第一锥齿轮21套接在连接轴62上，并与连接轴62间隙配合；第一锥齿轮21与第三中心齿轮18连接，可以为焊接或螺纹连接等。第一锥齿轮21与第三中心齿轮18也可以为一体成型，第二锥齿轮19与电机1的输出轴连接。

一体成型的第一锥齿轮21与第三中心齿轮18的两端分别安装在第Ⅱ轴承16与第Ⅲ轴承20内。第二中心齿轮3与前壳体5通过固定螺钉4、7固定连接。第一中心齿轮6的输出轴61上设有键槽，便于向外部传递扭矩。第一锥齿轮21位于第二空腔内，第一锥齿轮21可以为大锥齿轮，第二锥齿轮19可以为小锥齿轮，通过第一锥齿轮21和第二锥齿轮19形成的锥齿轮传动副，将电机1产生的速度与力矩传递到第三中心齿轮18。第一锥齿轮21与第三中心齿轮18为一体成型，合为一体，形成了中心齿轮，避免了两者之间的连接环节，提高了承载能力与传动刚度。

本实用新型的电动舵机的零件种类与数量较少，并且例如第二中心齿轮3、前壳体5、第一中心齿轮6等零件大多为薄壁中空结构，因此可以在相同体积和性能的前提下，实现较轻的重量，电动舵机的减速器机构的行星齿轮的模数，是相同减速比与外形尺寸的谐波齿轮的2至3倍，较大的模数有利于提高传动副的传动刚度与承载能力，并且本实用新型的电动舵机中不存在谐波齿轮传动中的柔性元件，使用寿命更长、维护成本更低。

电动舵机的减速器机构的行星齿轮的模数相比谐波齿轮较大的模数，可以提高机加工艺性，不用采用特殊的小模数加工刀具。至少三个行星齿轮沿第三中心齿轮18的周向均匀分布。如图4所示，行星齿轮可以设置为三个，行星齿轮13、行星齿轮23和行星齿轮33可以实现三对齿轮副同时啮合，减小传动间隙，提高传动精度。

在一个实施例中，电动舵机还包括：至少三个行星架组；每个行星架组都与一个行星齿轮对应设置。行星架组包括：第一行星架10、第二行星架15和销轴12；销轴12与行星齿轮13的中心孔转动连接，第一行星架10和第二行星架15分别与销轴的两端连接；第一行星架10的一端和第二行星架15的一端分别与连接轴62转动连接。可以通过轴承进行转动连接，例如，行星齿轮13内装有第Ⅰ轴承14，第Ⅰ轴承14内装有销轴12，销轴12通过轴孔配合与螺纹连接与第Ⅰ行星架10和第Ⅱ行星架15连接。

本实用新型的电动舵机为一种大减速比行星行星齿轮传动式电动舵机，变速器机构的减速比为50至300；第一中心齿轮6、第二中心齿轮3和第三中心齿轮18以及至少三个行星齿轮组成齿轮传动副，第一中心齿轮6、第二中心齿轮3和第三中心齿轮18以及至少三个行星齿轮都为变位齿轮，采取变位以保证各齿轮副中心距匹配。

采用改变刀具与被加工齿轮相对位置来加工齿轮的方法称为变位修正法，采用变位修正法加工的齿轮称为变位齿轮，包括切向变位、径向变位等变位。至少三个行星齿轮、第一中心齿轮6、第二中心齿轮3和第三中心齿轮18的模数为0.1-5、变位系数为0.01-3。例如，行星齿轮13模数为0.5、齿数为25、变位系数为0.577；第三中心齿轮18的模数为0.5、齿数为20、变位系数为0.55；第二中心齿轮3的模数为0.5、齿数为77、变位系数为2.353；第一中心齿轮6的模数为0.5、齿数为80、变位系数为0.577。

第一中心齿轮6、第二中心齿轮3和第三中心齿轮18以及至少三个行星齿轮的表面可以涂有航空润滑脂，例如为宽温航空润滑脂等。第一铜衬套11与第二铜套17通过过盈配合压装在前壳体5中，第一中心齿轮6与第一铜衬套11、第二铜套17形成小间隙配合，间隙中涂抹航空润滑脂，例如为宽温航空润滑脂等。

上述实施例中提供的电动舵机，提供一种大减速比齿轮传动式电动舵机，可同体积替代谐波行星齿轮传动式电动舵机，能显著提高传动刚度与承载能力，降低加工制造成本，降低产品重量，减少零件数量，提高使用寿命和可靠性，使用寿命更长、维护成本更低。

上述本实用新型所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本实用新型才公开部分数值以举例说明本实用新型的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本实用新型创造保护范围的限制。

同时，上述本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

设计图

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