本发明涉及齿轮传动，具体涉及一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构及其设计方法。
背景技术：
1、齿轮齿条传动结构是由齿轮和齿条组成的，齿条也分为直齿和斜齿，在工厂自动化中均有广泛应用。其中，激光切割机、龙门桁架、第七轴等是我们应用比较多的，技术完善，选型经验丰富。
2、齿轮齿条在传动中会有自己的优点。齿轮是通过齿面啮合来传递运动与动力的一种基础零部件。在各类齿轮啮合副中，渐开线齿轮因具有加工制造方便、中心距可分性等特点而被广泛应用。
3、例如，现有技术中的专利（cn202010724174.8），公开了一种侧隙可调式蜗杆斜齿轮传动装置，包括双侧异形蜗杆和变齿厚渐开线齿轮，双侧异形蜗杆和变齿厚渐开线齿轮两侧齿面的法向模数相等且端面模数不等，双侧异形蜗杆两侧齿面为导程角不同且导程相同的渐开线螺旋面，变齿厚渐开线齿轮两侧齿面螺旋角不等且同为正值，以产生渐变的齿厚并满足双侧异形蜗杆导程角的设计。
4、但，现有技术中的，渐开线齿轮的轮齿偏瘦高型，齿根弯曲强度较差、齿面承载能力低，且为防止渐开线齿轮在加工过程中出现根切，其齿数至少为17个齿；因此，在同样中心距与体积的情况下，现有的渐开线齿轮传动机构不能实现大传动比；同时在节圆附近靠近齿根部分的啮合齿面间，相对滑动速度过大，导致这一区域易发生严重磨损，无法满足高速、重载及高功率齿轮传动的要求。
技术实现思路
1、本发明克服了现有技术的不足，提供了一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构及其设计方法，具有齿轮承载能力大，传动精度高，工作平稳，可靠性高的特性；能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动，并且可延伸性强，传动速度高。
2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构，包括螺柱形人字齿轮和共轭齿条，所述螺柱形人字齿轮和所述共轭齿条相啮合，螺柱形人字齿轮的曲面和所述共轭齿条的曲面为共轭曲面；所述螺柱形人字齿轮和共轭齿条至少一部分的轮齿对存在双线接触；所述共轭齿条的齿面能与所述螺柱形人字齿轮的齿面呈包络啮合；所述螺柱形人字齿轮和共轭齿条均具有连续曲面，且均能参与啮合。
3、本发明一个优选的实施方案中，螺柱形人字齿轮的几何结构为螺柱形；
4、螺柱形人字齿轮的齿面方程为：
5、；
6、；
7、其中，x1、y1、z1分别表示螺柱形人字齿轮的齿面的x、y、z方向的坐标，为螺柱形人字齿轮的法向齿廓的分布圆半径，ρ为螺柱形人字齿轮的法向齿廓的圆弧半径，为螺柱形人字齿轮的齿高夹角，为螺柱形人字齿轮的螺距，为螺柱形人字齿轮的齿宽，为螺柱形人字齿轮的齿廓角参量，为螺柱形人字齿轮的齿廓角参量最大值，为螺柱形人字齿轮的螺旋转角变量，为螺柱形人字齿轮的螺旋角变量最小值，为螺柱形人字齿轮的螺旋角变量最大值。
8、本发明一个优选的实施方案中，共轭齿条的齿面由所述螺柱形人字齿轮的齿面一次包络形成，共轭齿条的齿面方程为：
9、；
10、；
11、其中，x2、y2、z2分别表示共轭齿条的x、y、z方向的坐标，为螺柱形人字齿轮的法向齿廓的分布圆半径，为螺柱形人字齿轮的法向齿廓的圆弧半径，为螺柱形人字齿轮的齿高夹角，为螺柱形人字齿轮的螺距，为螺柱形人字齿轮的齿宽，为螺柱形人字齿轮的齿廓角参量，为螺柱形人字齿轮的齿廓角参量最大值，为螺柱形人字齿轮的螺旋转角变量，为螺柱形人字齿轮的螺旋角变量最小值，为螺柱形人字齿轮的螺旋角变量最大值；与为螺柱形人字齿轮的旋转角度，为螺柱形人字齿轮的节圆半径。
12、本发明一个优选的实施方案中，螺柱形人字齿轮为多齿；和/或，所述螺柱形人字齿轮与共轭齿条的啮合线为空间曲线。
13、具体的，螺柱形人字齿轮为多齿时，螺柱形人字齿轮齿条传动机构能在相同中心距和体积的情况下获得较大传动比。
14、本发明一个优选的实施方案中，螺柱形人字齿轮和共轭齿条的齿面均为成轴向对称且螺旋方向相反的人字形结构，用于消除齿轮对中心轴的横向力。
15、本发明一个优选的实施方案中，螺柱形人字齿轮的齿高夹角取值为0时，且参数z1、参数z2进行关于x-y平面的对称时，螺柱形人字齿轮和共轭齿条为等截面的螺柱形人字齿轮齿条传动机构。
16、本发明一个优选的实施方案中，等截面的所述螺柱形人字齿轮的齿高夹角取值为0时，且参数z1、参数z2不进行关于x-y平面的对称时，则等截面的螺柱形人字齿轮和共轭齿条为等截面的螺柱形非人字齿轮齿条传动机构。
17、具体的，齿高夹角取值为0时，螺柱形人字齿轮为等截面的螺柱形人字齿轮。参数z1、参数z2不进行关于x-y平面的对称，则限定为非人字齿的结构。
18、本发明一个优选的实施方案中，螺柱形人字齿轮的齿高夹角取值为0.12，且参数z1、参数z2不进行关于x-y平面的对称时，则螺柱形人字齿轮和共轭齿条为变截面螺柱形非人字齿轮齿条传动机构。
19、具体的，齿高夹角取值为0.12时，螺柱形人字齿轮为变截面的螺柱形人字齿轮。参数z1、参数z2不进行关于x-y平面的对称，则限定为非人字齿的结构。
20、本发明一个优选的实施方案中，螺柱形人字齿轮的齿数为1时，所述螺柱形人字齿轮和共轭齿条为单齿螺柱形人字齿轮齿条传动机构。
21、本发明一个优选的实施方案中，一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构的设计方法，包括以下步骤：
22、根据螺柱形人字齿轮的齿面方程将螺柱形人字齿轮制备为螺柱形人字齿轮；
23、螺柱形人字齿轮的齿面方程为：
24、；
25、；
26、根据共轭齿条的齿面方程将共轭齿条的齿面制备为由所述螺柱形人字齿轮的齿面一次包络形成的共轭齿条；
27、共轭齿条的齿面方程为：
28、；
29、；
30、其中，x1、y1、z1分别表示螺柱形人字齿轮的齿面的x、y、z方向的坐标，x2、y2、z2分别表示共轭齿条的x、y、z方向的坐标，为螺柱形人字齿轮的法向齿廓的分布圆半径，为螺柱形人字齿轮1的法向齿廓的圆弧半径，为螺柱形人字齿轮的齿高夹角，为螺柱形人字齿轮的螺距，为螺柱形人字齿轮的齿宽，为螺柱形人字齿轮的齿廓角参量，为螺柱形人字齿轮的齿廓角参量最大值，为螺柱形人字齿轮的螺旋转角变量，为螺柱形人字齿轮的螺旋角变量最小值，为螺柱形人字齿轮的螺旋角变量最大值；与为螺柱形人字齿轮的旋转角度，为螺柱形人字齿轮的节圆半径。
31、本发明解决了技术背景中存在的缺陷，本发明有益的技术效果是：
32、本发明的一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构及其设计方法，具有齿轮承载能力大，传动精度高，工作平稳，可靠性高的特性；能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动，并且可延伸性强，传动速度高。
33、1、本发明的螺柱形齿轮和共轭齿条的齿面均设计成轴向对称且螺旋方向相反的人字形结构，能有效消除齿轮对中心轴的横向力。
34、2、本发明的螺柱形人字齿轮齿条传动机构提高了传动过程中齿轮的承载能力和传动精度，并且工作平稳，可靠性高；能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动，并且提升了无限长延伸的性能，且传动速度高。
35、3、本发明的螺柱形人字齿轮齿条传动机构，所述螺柱形人字齿轮为多齿，能够在较小的体积下获得较大传动比。
36、4、本发明的螺柱形人字齿轮和共轭齿条均具有连续曲面，且均能参与啮合；
37、降低齿面磨损，易于在齿面形成润滑油膜，能够提高齿轮传动的效率。
1.一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构，包括螺柱形人字齿轮（1）和共轭齿条（2），所述螺柱形人字齿轮（1）和所述共轭齿条（2）相啮合，其特征在于：螺柱形人字齿轮（1）的曲面和所述共轭齿条（2）的曲面为共轭曲面；
2.根据权利要求1所述的一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构，其特征在于：螺柱形人字齿轮（1）的几何结构为螺柱形；
3.根据权利要求2所述的一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构，其特征在于：共轭齿条（2）的齿面方程为：
4.根据权利要求3所述的一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构，其特征在于：所述螺柱形人字齿轮（1）为多齿；
5.根据权利要求4所述的一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构，其特征在于：螺柱形人字齿轮（1）和共轭齿条（2）的齿面均为成轴向对称且螺旋方向相反的人字形结构，用于消除齿轮对中心轴的横向力。
6.根据权利要求5所述的一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构，其特征在于：所述螺柱形人字齿轮（1）的齿高夹角取值为0，且参数z1、参数z2进行关于x-y平面的对称时，螺柱形人字齿轮（1）和共轭齿条（2）为等截面的螺柱形人字齿轮齿条传动机构。
7.根据权利要求5所述的一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构，其特征在于：所述螺柱形人字齿轮（1）的齿高夹角取值为0，且参数z1、参数z2不进行关于x-y平面的对称时，则等截面的螺柱形人字齿轮（1）和共轭齿条（2）为等截面的螺柱形非人字齿轮齿条传动机构。
8.根据权利要求5所述的一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构，其特征在于：所述螺柱形人字齿轮（1）的齿高夹角取值为0.12时，且参数z1、参数z2不进行关于x-y平面的对称时，所述螺柱形人字齿轮（1）和共轭齿条（2）为变截面螺柱形非人字齿轮齿条传动机构。
9.根据权利要求3所述的一种螺柱形人字齿轮齿条传动机构，其特征在于：所述螺柱形人字齿轮（1）的齿数为1时，所述螺柱形人字齿轮（1）和共轭齿条（2）为单齿螺柱形人字齿轮齿条传动机构。
10.一种用于设计权利要求3-9中任一项权利要求所述的螺柱形人字齿轮齿条传动机构的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
