CN101016945B - 宽齿形接力传动齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械内部动力变速传动装置用的宽齿形接力传动齿轮和制造方法。根据接力传动方式不同分为宽齿形叠合齿轮、宽齿形组合行星齿轮和宽齿形斜齿齿轮。它们与现有的齿轮相比，其特征是齿形宽度是现有的1.2倍以上，单个轮齿所能承受的力矩强度是现有的1.5倍以上。齿形轮廓线的设计加工工艺简单，制造成本低廉，耐磨损、寿命长。将它用于机械动力传动装置的变速箱中，可节省原材料40％以上。

Description

宽齿形接力传动齿轮

技术领域

各种机械设备内部的动力变速传动齿轮。 

背景技术

现有国内外齿轮行业设计、制造的齿轮齿形，其轮廓线主要有渐开线、圆弧及双圆弧齿轮。近年我国从欧美引进的摆线齿锥齿轮和准双曲线齿轮，还有前苏联曾设计过的谐波齿轮。查看近期进口和国产高档汽车的齿轮零件，从互联网上检索中国F16H类1985年以来的发明和实用新型专利公告，都属上述轮廓线齿形的齿轮。 

上述各类齿形的齿轮，均有如下不足： 

(1)齿形较窄，使齿轮能够承受的力矩强度难以再成倍提高。 

(2)齿形轮廓线的精确设计和制造工艺都较复杂。 

(3)齿间传动时，齿面的磨损难免，尤其是接近齿根部的磨损尤甚。 

自齿轮问世数百年以来，国内外科技界曾对齿轮的齿形轮廓线的设计和精确加工方面做过大量的研究实验，虽然使齿轮传动性能不断提高，并趋于理想极限，但均未再取得重大突破。 

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的宽齿形叠合齿轮、宽齿形组合行星齿轮和宽齿形斜齿齿轮具有如下特征和实用效果： 

(1)在自动满足连续平稳传动的前提下，宽齿形齿轮的齿形宽度是现有各种齿轮的1.2倍以上。应力接触点均在两个基准圆之间，所以，从材料力学的相关公式就可估算出：宽齿形齿轮的轮齿能够承受的力矩强度是现有齿轮的1.5倍以上。使齿轮有利于小型化和薄型化，这对动力传动的齿轮，尤其是对目前已经广泛应用的大力矩高功率的动力传动齿轮，更为重要，详见说明书和附图1～10。 

(2)宽齿形齿轮的齿形轮廓线由半径线、折线和圆弧线段拼接而成。拐角点连接处可以自动跑合磨损成弧形，也可以预先切削研磨成光滑的弧线形。它具有设计方便、外形简单齿端部和齿根部凹凸不显著，对齿形轮廓线精度要求低，采用锻压-整修-表面处理的连续工艺流程制造就更容易了。 

(3)宽齿形齿轮的齿间传动接触面与应力方向大部分都接近垂直，接触面上的节点切向滑动的速度和行程均很小，齿面之间的磨损小。而且，齿形宽度是现有的1.2倍以上(般情况下齿形宽度是现有的2～4倍)，所以，就是出现相当的磨损也无关紧要，这样就可以大大延长齿轮的使用寿命。 

(4)齿轮是现代和未来大多数机械设备的内部传动零件，尤其是动力传动的变速箱，主要由齿轮组成。因为宽齿形齿轮的生产成本低廉，有利于小型化和薄型化，重量轻、耐磨损，寿命长，又能节约原材料40％以上，所以应用领域广阔，整体经济效果可观。 

(5)为了满足宽齿形齿轮必须实行连续接力啮合传动的特点，笔者分别发明了沿固定轴啮合传动的宽齿形叠合齿轮，见图1。全部由单片宽齿形齿轮组合的宽齿形组合行星齿轮， 见图7。宽齿形斜齿齿轮，见图8。这3项发明几乎垄断了未来国际大～中～小～微型齿轮行业的所有原始创新技术领域。下面，先由宽齿形齿轮的传动特征开始说明。 

附图说明

图1是宽齿形叠合齿轮齿形和叠合方式示意图； 

图2是宽齿形齿轮齿形轮廓线设计原理示意图； 

图3是宽齿形齿轮啮合传动时节点位置变化示意图； 

图4是宽齿形齿轮未啮合传动时节点位置变化示意图； 

图5是宽齿形齿轮啮合传动时轮齿受力位置变化图； 

图6是宽齿形行星齿轮齿形轮廓线设计原理示意图； 

图7是宽齿形组合行星齿轮组合原理示意图； 

图8是宽齿形斜齿齿轮设计原理示意图； 

图9是宽齿形组合行星齿轮的内齿圈齿端部齿形特征图； 

图10是宽齿形叠合齿轮齿形面之间对加工死角区的齿面整修研磨的高强度合金钢轮片结构原理示意图。 

图中：1.齿端部、2.齿根部、3.叠合齿轮的轮齿旋转角、4.齿顶圆、5.齿根圆、6.齿端部外增部分、7.齿根部内留部分、8.转动方向、9.主动轮、10.从动轮、11.啮合受力时节点起点、12.啮合受力时节点终点、13.未啮合受力时节点位置、14.太阳轮、15.行星轮、16.内齿圈、17.轮齿旋转倾斜的斜角、18.短柱状斜齿齿轮的轴向长度、19.高强度合金钢轮片、20.转动轴、21.合金钢轮片两侧粘镀的磨料层。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式进行说明： 

(1)参见图2，先根据齿轮直径大小估计值和传动比，确定两个齿轮齿数z₁、z₂及主动轮或从动轮齿顶圆4的半径R_d1或R_d2值。 

(2)由齿数z₁、z₂直接计算齿端部1或齿根部2所对应的圆心角3，即宽齿形叠合齿轮中各为两片齿轮同轴叠合时的轮齿应错开的旋转角θ₁、θ₂。或者是行星齿轮接力连续啮合传动时行星齿轮应错开的最大圆心角。也是宽齿形斜齿齿轮的轮齿必须旋转倾斜的最小圆心角。 

(3)由主动轮9或从动轮10的齿顶圆4半径R_d1或R_d2值，导出两个齿顶圆4相交的弦长AB： 

由图2、(1.1)式，可求出另一个齿顶圆4半径R_d2和节点最大的间距CD分别为： 

(4)根据齿轮啮合传动连续稳定性要求，确定齿端部1外增部分6和齿根部2内留部分7的厚度值△H。 

(5)由图2即可看出齿轮各参数分别为： 

全齿高：    II=CD+2△II 

齿形宽度最大处： $\frac{P}{2}=\mathrm{AB}$

齿轮外轮廓线的实际半径： $\left\{\begin{array}{c}{R}_1=R_{d1}+\mathrm{\ΔH}\\ R_2=R_{d2}+\mathrm{\ΔH}\end{array}\right.$

因为齿形两侧的轮廓线都是半径线段，齿端部1和齿根部2均为圆弧线段拼接而成。连接拐弯处可直接切削成小圆弧形。图2、图3、图4的A、B位置及整个齿根部2都应略为扩大，留下啮合传动的适当间隙即可。齿形轮廓线和节点运动轨迹的设计，由齿数z和斗相交的齿顶圆半径确定，齿形轮廓线直接由半径线段和圆弧线段连接而成，节点运动轨迹就是两个齿顶圆相交的圆弧线段的各一半。在齿端部有外增部分，在齿根部有内留部分，拐角点处预先切削磨成光滑的弧线形，以增大齿轮连续接力啮合传动的稳定性，齿根部略大于齿端部，在啮合传动中留有一定的间隙。 

(6)由图3、图4、图5看出：在啮合传动中，只有主动轮9为齿根部2、从动轮10为齿端部1时，从节点11处沿齿顶圆4圆弧线AD和CB轨迹至节点12处，啮合传动才能成立；当主动轮9为齿端部1、从动轮10为齿根部2时，节点12处已经是啮合传动的终点随后齿轮将处于未啮合传动的滑动状态。所以，对固定轴宽齿形叠合齿轮，由2片或2片以上齿轮，轮齿错开同轴叠合，实行接力连续啮合传动是必要的选择。对宽齿形组合行星齿轮，刚好可以利用2～6个行星齿轮与太阳轮和内齿圈之间错开的啮合传动关系才能实现连续接力啮合传动。对宽齿形斜齿齿轮，轮齿应倾斜错开一定的角度，才能实现连续接力啮合传动。 

(7)对行星齿轮，(1.3)式中的节点间距CD，见图6，应改为： 

它将使节点上的齿面滑动距离和磨损更小 

(8)现有的齿形为渐开线、圆弧及双圆弧......的各类齿轮，在每个啮合传动区段必须同时存在两个以上的轮齿啮合接触点，传动才能连续。为了使两个以上的啮合接触点沿轨迹运动时保持相同的角速度 

，达到平稳传动的目的，对齿形轮廓线的设计、加工的精度要求就非常高。由本发明的图1～9可以看出：宽齿形叠合齿轮、宽齿形组合行星齿轮和宽齿形斜齿齿轮的连续啮合传动全过程，每个啮合传动区段始终只有一个应力接触点，(在中心线处为半径线段组成的整合面)。这个应力接触点分别固定在两个齿轮的齿端部1拐角点A处，并沿着另一侧齿端部的整个侧面滑动。由此可知：它不同时存在两个以上的啮合应力接触点， 因角速度 

的微小差异发生互相干扰现象，齿形轮廓线的设计加工精度和磨损产生的误差也不影响该齿轮啮合传动原有的平稳性能。 

下面以具体实施例子进行优化选择： 

宽齿形叠合齿轮 

(1)先由传动比和主动轮的半径预计值，分别带入(1.1)、(1.2)、(1.3)式，可以计算出齿轮半径、圆心角、节点间距值。再由齿端部的外增部分和齿根部的内留部分ΔH值，就可确定齿轮的全部参数值。 

(2)对宽齿形叠合齿轮，虽然可以由两片加工好的齿轮再用紧固零件叠合在一起，这样做的好处是单片齿轮容易加工，不存在切削的“死角”，但并不是最理想的选择。应提倡尽量采用热轧-冷轧连续工艺一次性完成两片叠合齿轮整体锻造，再进行必要的整修和表面处理，这样的制造工艺流程能够进一步提高齿轮的整体强度。 

(3)叠合锻造形成齿面之间的加工死角区的整修和研磨加工，对如图1所示的齿根部2处死角区的齿面整修、研磨的技术工艺。我们可采用如图10所示的方法：利用齿根部略大于齿端部时留下的齿面间隙，设计一个高强度的合金钢轮片，轮片两侧粘镀上磨料制成薄砂轮(切割片)。高速转动薄砂轮(切割片)，顺着齿面间隙进行切割扩张式的两侧整修及研磨加工，同时整修及研磨齿面的加工死角区。 

宽齿形组合行星齿轮 

(1)设中心太阳轮齿顶圆半径R_da＝5cm，齿数z_a＝5，行星轮为2个，齿数z_c＝3。太阳轮和行星轮的凹凸内留和外增部分ΔH_ac＝0.1cm，内齿圈齿顶端的外增部分预设ΔH_b＝0.3cm，齿根部凹部内留部分也为ΔH_acb＝0.1cm。 

(请注意：为了实现连续接力啮合传动，2个行星轮与太阳轮和内齿圈之间的轮齿啮合传动的圆心角应适当错开。太阳轮和内齿圈的齿数不等于行星轮个数2的倍数，行星轮的齿数应取奇数，这样才能在太阳轮和内齿圈之间有效地连续接力啮合传递力矩。) 

(2)由(1.2)(1.3)式和附图7可得，行星轮和内齿圈的齿顶圆半径R_dc、R_db，太阳轮与行星轮的节点间距CD_ac分别为： 

由图7所示，在ΔAO₁O₂中，O₁O₂＝R_da+R_dc-CD_ac＝7.4315(cm)，由任意三角形余弦定理： 

将相关数据代入(1.5)式得：R_db＝10.2251(cm)。 

(3)由(1.2)、(1.4)式，内齿圈的齿数z_b、行星轮与内齿圈的节点间距CD_cb、内齿圈每个内齿所对应的圆心角θ_b分别为： 

z_b＝90°÷(arcsin0.1511)＝10.356，(z_b取整数＝11) 

因为节点间距CD_ac＞CD_cb，我们可以取CD_ac+ΔH_ac≥CD_cb+ΔH_b，这样可以提高行星齿轮啮合传动的稳定性。 

由上述计算结果可以看出，齿顶圆半径R_db＝10.2251(cm)，内齿圈的齿根部圆心角θ_b＝17.381°都是定值，我们无法更改。对内齿圈，齿数必须是自然数，所以，z_b应取大值11，θ_b＝16.364°(也是定值)。为了使行星轮和太阳轮之间的啮合传动能够进行，见图9，我们必须将内齿圈的齿根部适当放宽，对应的圆心角θ_b值由16.364°放宽至17.381°。同理，内齿圈的齿端部宽度对应的圆心角就必须由16.364°收缩至16.364°×2-17.381°＝15.347°。所以必须重新令调整后的内齿圈的齿根圆半径R_dbg＝R_db，齿顶圆的半径R_dbd为： 

R_dbd＝R_dbg-CD_ac＝10.2251-0.6587＝9.5664(cm) 

取消内齿圈齿端部外增部分ΔH_b＝0.3cm，见图9，此时，内齿圈齿顶圆在中心线上能占据行星轮齿根部内凹处的最大值ΔH_acb为： 

显然，ΔH_acb的设计值是成立的。根据行星轮齿根圆与内齿圈齿顶圆的啮合关系，见图9，由(1.1)式，可以推导出内齿圈齿顶圆对应的圆心角θ_bd为： 

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{bd}}=2\arcsin \left(\frac{R_{\mathrm{dcd}}-{\mathrm{CD}}_{\mathrm{ac}}}{R_{\mathrm{db}d}}\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_c}{2}\right)---\left(1.6\right)$

将相关数据带入(1.6)式得：θ_bd＝14.602°。由图9，我们还可以进一步推导出内齿圈齿端部侧面齿形斜角β为： 

由上述计算结果，绘出宽齿形组合行星齿轮见图7。由图9所示，必要时，我们还可以将内齿圈齿端部的棱角预先磨钝，避免啮合传动中在行星轮齿根部被卡住。由图7可以看出：假设太阳轮14为主动轮，内齿圈16为从动轮，行星架固定，则下行星轮15处于啮合传动力矩状态，而上行星轮15则由内齿圈16将力矩回传给太阳轮14。只要有2个或2个以上的行星轮，就能在太阳轮和内齿圈之间有效地实现连续接力啮合传递力矩。 

宽齿形斜齿齿轮 

(1)见附图8，设宽齿形斜齿齿轮的轴向长度(也就是两齿轮圆平面S₁、S₂之间的垂直距离)为L，L≥2A₁B₁。 

(2)如果宽齿形齿轮为单个直齿时，图8所示的节点S₁圆平面上的A₁点与S₂圆半面上的B₄点的连接直线应与短柱状的齿轮中轴线平行。如果令该齿轮位于下方为从动轮10，A₁B₁属齿端部位置。主动轮位于上方，刚好属齿根部位置。则由图2～4的宽齿形齿轮啮合传动原理即可看出：此时A₁B₄直线段刚好处于啮合受力传动的起始点。当齿轮转动θ₁圆心角后至B₁A₃节点位置时，则整个主动齿轮到达啮合受力传动的终点，随后就开始转入滑动状态。连续啮合接力传动就无法实现。 

(3)当我们将轮齿倾斜旋转θ₂角度时，见图8的S₂圆平面。其中：A₁B₁是齿形宽度，L是齿轮(齿形)转动的轴向长度。轮齿倾斜角γ值为： 

$\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\frac{A_1{B}_1}{L}---\left(1.7\right)$

设L＝2A₁B₁，则γ＝26.565°。 

这时，如果也令该齿轮位于下方为从动轮，S₁圆平面上A₁节点处于主动轮啮合受力传动的起始点上，S₂圆平面上A₃节点处则是终止点。沿A₁A₃整条弧线段是节点受力接触线，并随着齿轮的转动θ₁角度，S₁圆平面上A₁节点到达终止点。A₁A₃整条弧线段节点受力接触轨迹线逐渐向A₁点收缩，由线接触变为点接触。而这时，S₂圆平面上的齿端部A₄B₄点则向前旋转到B₄A₃点，主动轮又可以连续从B₄点开始对从动轮10进行连续接力啮合传动了。 

(4)从宽齿形斜齿齿轮的连续接力啮合传动过程的分析可以看出：如果轮齿的倾斜角γ值由(1.7)式决定时，虽然节点受力接触轨迹线A₁A₃弧线可达到最大值，但在S₁、S₂的啮合受力起始点和终止点，都只是点接触。所以，为了增大宽齿形斜齿齿轮连续啮合传动的半稳性，(1.7)式中的γ倾斜角度应适当增大，一般应扩大1.25～2倍。为便于加工切削，可以在合适范围内取整度数值。 

当然，对本人前期发明的宽齿形组合行星齿轮，采用适当的轮齿倾斜角同样也具有增大平稳接力啮合传动的效果。 

Claims (3)

1.一种用于机械动力传动装置的宽齿形接力传动齿轮，与现有的齿形轮廓线为渐开线、圆弧形、双圆弧形的齿轮比较，其特征是：齿形宽度是现有齿轮的1.2倍以上，根据不同的接力传动方式，分为宽齿形组合行星齿轮和宽齿形斜齿齿轮两个亚类，其中宽齿形组合行星齿轮亚类，由2个或2个以上的行星轮，轮齿适当错开，与太阳轮和内齿圈共同组成连续接力啮合传动装置。

2.如权利要求1所述的宽齿形接力传动齿轮的宽齿形组合行星齿轮亚类，其特征在于：行星轮的齿数必须是奇数，太阳轮和内齿圈的齿数都是不等于行星轮个数的倍数。

3.如权利要求1所述的宽齿形接力传动齿轮的宽齿形组合行星齿轮亚类，其特征在于：如果是2个以上的行星轮组合，则各个行星轮相对太阳轮和内齿圈的轮齿啮合位置，应错开的圆心角θ，可以有多种选择，若行星轮是奇数个，则轮齿圆心角θ可以均匀错开；若是偶数个，则轮齿圆心角θ可以均匀错开，也可以成对以适当的圆心角θ值错开。

Images