環形齒輪/小齒輪設計的製作方法

2023-06-09 06:57:46

專利名稱:環形齒輪/小齒輪設計的製作方法
本發明涉及重載傳動軸用環形齒輪/小齒輪的傳動齒輪組設計，更具體地說，涉及到一族或一列這樣的齒輪組設計，其中所包括的唯一的一個環形齒輪裝置可同特殊設計的小齒輪系列中的任何一個結合使用，而此系列中的每個部件都採用一個具有不同齒數的小齒輪。
在既有工藝中，利用小齒輪/環形齒輪的齒輪組之重載傳動軸的直角傳動系列已屬周知，例如可以參看美國專利號3265173、4018097、4046210、4050534和4263834、其中所公開的內容已吸收入本書中作為參考。這類齒輪組通常為熟知的螺旋傘齒輪或準雙曲面齒輪型。
對於設計出具有相似的最大轉矩但有不同傳動比的一系列或一族齒輪組也已經充分公知。例如，既有工藝中周知的一系列傳動軸利用了齒數各不相同(即6、7、8與9)的一系列小齒輪，以嚙合節徑(即16-1/2英寸)與齒數(即39)已給定的一系列環形齒輪，用來提供多種輸入軸對輸出軸之比(6.50∶1;5.57∶1;4.88∶1以及4.33∶1)。
在設計這樣的一系列或一族齒輪組時，每種比值都用到了唯一的一個經特殊設計而有同一特定結構的小齒輪恰當嚙合的環形齒輪。恰當地嚙合就是說，要在傳動與從動(即傳動與惰力運動)兩種運行方式中，於額定載荷下的一段允許時間內以最低噪聲工作。例如，設計成與7齒小齒輪恰當嚙合的39齒環形齒輪(即「7/39」環形齒輪)，就不同於設計成與8齒小齒輪恰當嚙合的39齒環形齒輪(即「8/39」，環形齒輪)，而且也不會恰當地嚙合6、8或9齒的小齒輪。
儘管既有工藝的環形齒輪/小齒輪之齒輪組族或系列中各齒輪組是以一種非常滿意的方式運行，但這種設計與製造齒輪組的方法從經濟上看是不合算的，特別是對於那些較大型而製造成本又較高的環形齒輪，這種不合算反映在與重載傳動軸有關的體積、各種尺寸與比例上(這就是說，傳動軸用到了重型運貨車、不在公路上運輸的施工運載工具等等)。
本發明通過下述措施使既有工藝的上述缺點得以克服或最小化，即提供一族或一系列環形齒輪/小齒輪之齒輪組的齒輪齒設計，可使一公用的例如一種16-1/2英寸39齒的環形齒輪，恰當地嚙合例如從6齒、7齒、8齒和9齒的小齒輪中任選的一種，而給出一族或一系列只需要一個環形齒輪和一批小齒輪的齒輪組(即6/39、7/39、8/39與9/39)。
上述目的是依下述方法實現的，即選取一族環形齒輪/小齒輪的齒輪組，其中包括一尺寸(例如16-1/2英寸節徑)與齒數(例如39)經選定的環形齒輪，以及一批(通常為3或4個)不同齒數，例如6、7、8與9)的小齒輪，後者與前者嚙合並確定出可選擇的一列比值(分別為6/39，7/39，8/39與9/39或6.50∶1，5.57∶1，4.88∶1與4.33∶1)。然後選擇一基本比齒輪組，例如可選7/39或6/39的齒輪組。如下面將會討論到的，在從優選定的實施例中，採用了具有齒數最少或齒數與最少者緊鄰的小齒輪的齒輪組。常規設計的或基本是常規設計的基本比環形齒輪，此時將用作為這族齒輪組的公用環形齒輪。也將用到常規設計的基本比小齒輪。這一族中的其餘小齒輪然後將按照特定的方式，通過修正基圓錐直徑(以獲得一恆定系列的壓力角，傳動的與惰力運動的)、齒根錐角和/或齒面角，而據傳統設計加以修正。如所周知，基圓錐直徑等於節徑乘以壓力角的餘弦。
在非真實漸開線型齒輪裝置，例如Formate型齒輪裝置中，對刀片的幾何構型和/或切削機械裝置作了調整，以便獲得所需的壓力角。
因此，本發明的一個目的即在於提供一種重載傳動軸的環形齒輪/小齒輪之齒輪組的輪齒設計準則，允許將一個公用環形齒輪與一系列不同齒數的小齒輪結合使用，便於較經濟地生產齒輪組系列。
本發明之上述目的和其他之目的與優點，可通過對照附圖來詳細閱讀本說明書而弄清。
圖1為採用了環形齒輪/小齒輪傳動齒輪組的，一種典型的既有工藝中重載傳動軸的部分剖面圖。
圖2A與2B分別說明既有工藝中螺旋傘與準雙曲面環形齒輪/小齒輪的傳動齒輪組。
圖3示明了一種典型的傘形齒輪組，並指出了參數名稱。
圖4示明了一組典型的相嚙合的齒輪齒，並說明了另一些參數名稱。
圖5是本發明中的環形齒輪/小齒輪的齒輪組系列之示意圖。
在下面對本發明的描述中將用到某些詞，但這些詞僅僅是用作為參考而不帶限定意義。「向上」、「向下」、「向右」與「向左」等詞是指參看附圖時相對於圖中的方向。「向內」與「向外」等詞則分別指朝向與離開所述裝置之幾何中心的方向。所說及的術語將包括上面特別提到的詞、由它們派生的詞以及類似的移入詞。
在重載傳動軸的傳動系中採用環形齒輪/小齒輪的直角齒輪組，對既有工藝來說已是周知的了。參看圖1，其中示明了採用著上述齒輪組11的一種減速傳動軸10，此齒輪組包括一與環形齒輪14嚙合的小齒輪12。在上述環形齒輪上安置有一差動裝置16，用來傳動兩根主動軸18與20。小齒輪12的旋轉軸線22大致垂直於環形齒輪的旋轉軸線24(以及差動裝置16與主動軸18與20的軸線)。這種類型的以及雙速的行星式兩級減速型的重載傳動軸是既有工藝中所熟知的。
大多數重載傳動軸利用直角環形齒輪/小齒輪的齒輪組，它們為螺旋傘型或準雙曲面型的，分別如圖2A與2B中所示。可以看到，在圖2A的螺旋傘齒輪組中，旋轉軸線22與24是垂直並相交的，而在圖2B的準雙曲面齒輪組中，雙曲線齒輪傳動的偏心距在一具有-16-1/2英寸節徑的環形齒輪中，通常約為1.00至2.00英寸。
業已知道，理論上螺旋傘齒輪在節線處提供了完全滾動而無滑動的齒輪接觸，與此相反，準雙曲面的齒輪組在節線處雖可使滑動接觸較少，但總還存在一定程度的滑動接觸。近年來，隨著齒輪設計與潤滑措施的改進，滑動接觸已不似它過去那樣成為一個主要問題，而且準雙曲面的齒輪組用於重載傳動軸已日益為人們所認可。為便於解釋，本發明將結合螺旋傘齒輪組闡述，但應理解到，本發明對於螺旋傘型和準雙曲面型的齒輪組以及它們的改進型式是完全同等適用的。螺旋傘型與準雙曲面型環形齒輪/小齒輪的齒輪組在既有工藝中已是周知的，例如可參看SAE(美國汽車工程師學會)論文集NO.841085，其中披露的內容已納入本說明書中作為參考。
在過去，一種環形齒輪/小齒輪的齒輪組11的系列，例如包括著如下各組的系列-16-1/2英寸節徑39齒的環形齒輪以及-6齒的小齒輪，-16-1/2英寸節徑39齒的環形齒輪以及-7齒的小齒輪，-16-1/2英寸節徑的環形齒輪以及-8齒輪的小齒輪，-16-1/2英寸節徑的環形齒輪以及-9齒的小齒輪，其中涉及到四種不同的16-1/2英寸節徑39齒的環形齒輪與四種不同的小齒輪。這些不同的16-1/2英寸節徑39齒的環形齒輪在齒頂高與齒根高、節頂(限於準雙曲面型)、面頂、根頂、節面角與齒根錐角上都是不同的。這些齒輪組的壓力角通常也是不同的。
環形齒輪/小齒輪的齒輪組之術語與幾何結構也是周知的，上面提到的各種參數示明於圖3和4中。
用常規設計的39齒環形齒輪來恰當地嚙合常規設計的7齒小齒輪(通常稱為「7/39」環形齒輪)這種結構，是不同於常規設計的具有同樣節徑之「6/39」、「8/39」以及「9/39」環形齒輪的，而且也不能恰當地與常規設計的6、8或9齒的小齒輪嚙合。
業已意識到，提供這樣一種公用或通用的環形齒輪14，它的節徑與齒數能與多種齒數的小齒輪嚙合，即提供一種「(6、7、8與9)/39」的環形齒輪時，無論是從製造、刀具加工與編制商品目錄來說，在經濟上都是有利的。這對於體積較小而相應的環形齒輪又有較大的實際尺寸之重載傳動軸來說，尤其如此。
上述這種公用的或通用的環形齒輪和/或經修正與此種通用型環形齒輪相嚙合的小齒輪，在此之前所以未設計出來，據信至少有以下三個理由;不認為有可能利用一種公用的環形齒輪和一批不同齒數的小齒輪，來設計出具有合格的壽命與性能的齒輪組系列;在現代化的計算設備能加以利用之前，設計一組基本上達到最佳性能的齒輪組是很難而且極為耗時的，因而對於打算設計出基本上屬最優化的齒輪組系列時所遇到的這種額外複雜情形失去了信心;對於提供一用到公用環形齒輪14的齒輪組11的系列，不認為存在可以接受的互換性與兼顧性。常規齒輪組的設計涉及到一些已知的經驗方法，通常涉及到電腦程式，例如在前面提到的SAE論文集NO.841085以及№841091中所討論到的，有關的內容已吸收於本說明書中作為參考。
依據本發明，所選擇的環形齒輪/小齒輪的齒輪組11系列中某些部件的常規設計方法已加以改進，由之給出了齒輪組系列100，其中包括有節徑和齒數已給的一種通用環形齒輪114，以及一批齒輪數不同的小齒輪112A、112B、112C與112D，每個這樣的小齒輪都將恰當地嚙合該公用的環形齒輪，以確定該齒輪組系列100中的一個齒輪組11。
第一步是選擇一系列將根據本發明加以設計的環形齒輪114/小齒輪12的齒輪組11。這個系列的選擇是根據環形齒輪的一定節徑(例如16-1/2英寸)與齒數(例如39)，使之能與齒數不同的一批小齒輪相嚙合為基礎的。此例中的特定系列示意於圖5。根據本發明，當前僅僅設計和製造出具有連續齒數的4個小齒輪系，然而並非局限於此。
在選定了齒輪組系列後，就來選擇一具有常規齒輪設計的基本齒輪組11。如所周知，重載傳動軸齒輪組的常規齒輪設計，在於設計出環形齒輪與小齒輪的齒數使之能接近這個組的最佳性能，但卻絲毫未考慮到去設計用來同那種可與不同齒數之小齒輪相匹配的公用環形齒輪嚙合的小齒輪。一般地說，常規的設計涉及到選定輪齒的各種參數，能夠以最佳方式兼顧到使根切最小、使從頂端至根底以及從頭部至趾部的負荷分布均衡與最大化、使傳動與惰力運動中的接觸比平均化等等，這是因為要考慮到運載工具類型、原動機類型、使用條件以及其它傳動線路變量(例如傳輸型)等一類因素的緣故。上述這些和其它一些設計規則與因素是通過多年的經驗而發展成的。
取定齒輪組的一個系列，這些齒輪組中包括有齒數連續(即A、A+1、A+2、……個齒)的小齒輪，選擇包含常規設計的A或A+1個齒數之小齒輪以及常規設計的具有Z個齒且能與上述常規設計之小齒輪嚙合的環形齒輪，來作為基本比齒輪組(即「A/Z」或「A+1/Z」的環形齒輪與齒數相應為A或A+1的小齒輪)。選取最低齒數或齒數緊鄰此最低值的小齒輪之齒輪組作為基本系列。在本例中，將選擇6或7齒的小齒輪以及相應的「6/39」或「7/39」的環形齒輪這種常規設計的或基本上屬常規設計的齒輪組，來作為該系列的基本比齒輪組。為了方便起見，具體到這個例子中，將取7齒的小齒輪和7/39的環形齒輪作為基本比齒輪組。
業已發現，為了改進小齒輪與公用(即7/39)環形齒輪恰當的嚙合接觸(使滾動接觸最大，滑動接觸最小，讓接觸比最大化，並在負荷下合適地分布接觸方式等)，就必須改進非基本比之齒輪組的小齒輪(即6、8與9齒的小齒輪)，而這就需要讓那些齒數少於基本比小齒輪之齒數的小齒輪作出更難令人接受的折衷處理。這樣一類小齒輪當其齒數按照需要加以修正時，常常變得較弱，而在按常規方法製造時還會有較大的根切。
上述現象因大多數重載傳動軸齒輪組是以下述製造方法生產而變得特別實際，在這類製造方法中，並沒有形成真正的漸開線齒輪齒廓，為使製造簡便和經濟，所生產出的是具有較直側面的環形齒輪齒廓，而且比漸開線的小齒輪齒廓更為凸出。這種「改進的漸開線」齒輪是普遍熟悉的，而作為此種既有工藝中的一個周知例子乃是Gleason工廠的Formate齒輪系。
一旦選定了基本比齒輪組後，在此種比例之下基本上按照常規方法設計的小齒輪12以及環形齒輪114，就將用於這種齒輪組系。對於螺旋傘齒輪，採用常規設計的基本比環形齒輪設計;而對於準雙曲面齒輪，則可能要求平均螺旋角略低的環形齒輪。
此時，齒輪組系中非基本比齒輪組的小齒輪12需加以調整，使之能恰當地嚙合公用的或基本比的環形齒輪，而只對最佳設計作出儘可能小的折衷處理。對於非基本比小齒輪組所作的主要改進如下述。最關鍵的改進(在傳動與惰力運動之接觸比相等條件下，同常規設計相比較)是在壓力角上，在整個系列中保持著恆定的壓力角，使之等於基本比的壓力角、齒根錐角與齒面角。
下面的表列出了小齒輪的各種參數，其中的一個或多個如表中所指出的，一般已據常規的齒輪設計作了改進，得以提供能恰當地同公用環形齒輪嚙合的小齒輪。
小齒輪的齒數小齒輪參數 (具有A個齒的基本比)A-1 A+1 A+2傳動的基圓錐直徑(60) + - --惰力運動的基圓錐直徑((60) - + ++(齒輪組的)傳動壓力角 - + --(齒輪組的)惰力運動壓力角 + - --齒根錐角(62) + - --齒面角(64) + - --外徑(66) + - --面頂(68) - + ++根頂(70) - + ++從齒冠至交叉點(72) - + ++上表中，加號(+)指增加，雙加號(++)指較大的增加(相對於常規設計);減號(-)指減小，雙減號(--)常更多的減小(相對於標準的或常規的設計)。
已知有多種市售的螺旋傘型和/或準雙曲面型的齒輪組，例如Formate齒輪之類，並不採用真實漸開線型的齒輪，因而此類小齒輪並不具有真實的基圓錐或基圓錐直徑。但是，為了明確表述本發明，將把小齒輪的節徑與齒輪組(或齒輪組系列)的壓力角(對於這一齒輪組系列保持為常數)之乘積視作為基圓錐直徑。
權利要求
1.重載傳動軸用基本上為螺旋傘形或基本上為準雙曲面型之齒輪裝置的，大致成直角的環形齒輪/小齒輪之齒輪組(100)系列，其特徵為齒數為Z的公用環形齒輪(114)和節徑一定而齒數分別為A、B與C的第一、第二與第三(112A、112B與112C)小齒輪，每個小齒輪能可換地與上述環形齒輪嚙合，相應地規定出Z/A、Z/B與Z/C比的齒輪組，選定好每一個此種小齒輪的齒輪齒幾何結構，以為每一個上述的齒輪組提供大致相等的傳動壓力角，同時為每一個上述的齒輪組提供大致相等的惰力運動壓力角，其中的A、B、C與Z均為正整數，且A+B+C=Z。
2.權利要求
1的系列，其中述及的小齒輪(112B)具有齒數B，而其中述及的環形齒輪對於一種「B/Z」環形齒輪/B齒的小齒輪之齒輪組基本上取常規設計。
3.權利要求
2的系列，其中述及的齒數為A的小齒輪(112A);比起對於一A/Z環形齒輪/A齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計具A齒的小齒輪，具有較大的齒根錐角(62)與較大的齒面角(64)，而所說的具有齒數C的小齒輪(112C)，比起對於-C/Z環形齒輪/C齒的小齒輪之齒輪中按常規設計具齒數C的小齒輪，具有較小的齒根錐角與較小的齒面角。
4.權利要求
3的系列，其中還包含有第四個齒數為D且能可換地同所說公用環形齒輪相嚙合的小齒輪(112D)，此齒數為D的小齒輪的輪齒幾何結構，經選定好能為該環形齒輪/第四小齒輪之齒輪組提供這樣一個壓力角，使之基本上等於上述環形齒輪/第三小齒輪的齒輪組之壓力角，其中的D為正整數，且C+1＝D。
5.權利要求
2中的系列，其中B＝A+1，而C＝A+2。
6.權利要求
4中的系列，其中B＝A+1，而C＝A+2。
7.權利要求
6中的系列，其中D＝A+3。
8.權利要求
1中的系列，其中所說的齒數為A的小齒輪以及所說的環形齒輪，對於一種「A/Z的環形齒輪/A齒的小齒輪之齒輪組，基本上取常規設計。
9.權利要求
8中的系列，其中所說的齒數為A的小齒輪，比起對於-A/Z環形齒輪/A齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計具齒數A的小齒輪，具有較小的齒根錐角與較大的齒面角，而所說的齒數為C的小齒輪，比起對於-C/Z環形齒輪/C齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計具齒數A的小齒輪，則具有較小的齒根錐角與較小的齒面角。
10.權利要求
2中的系列，其中述及的齒數為A之小齒輪的傳動基圓錐直徑與齒數為A之小齒輪的惰力運動基圓錐直徑，分別小於和大於對於-A/Z環形齒輪/A齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計，且具齒數A之小齒輪的相應之傳動的與惰力運動的基圓錐直徑，而其中敘及的齒數為C之小齒輪的傳動基圓錐直徑與惰力運動基圓錐直徑，則分別大於和小於對於-C/Z環形齒輪/C齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計，且具齒數C之小齒輪的相應之傳動的與惰力運動的基圓錐直徑。
11.權利要求
3中的系列，其中敘及的齒數為A之小齒輪的傳動基圓錐直徑與齒數為A之小齒輪的惰力運動基圓錐直徑，分別小於和大於對於-A/Z環形齒輪/A齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計，且具齒數A之小齒輪的相應之傳動的與惰力運動的基圓錐直徑，而其中敘及的齒數為C之小齒輪的傳動基圓錐直徑與惰力運動基圓錐直徑，則分別大於和小於對於-C/Z環形齒輪/C齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計，且具齒數C之小齒輪的相應之傳動的與惰力運動的基圓錐直徑。
12.權利要求
5中的系列，其中敘及的齒數為A之小齒輪的傳動基圓錐直徑與齒數為A之小齒輪的惰力運動基圓錐直徑，分別小於和大於對於-A/Z環形齒輪/A齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計，且具齒數A之小齒輪的相應之傳動的與惰力運動的基圓錐直徑，而其中敘及的齒數為C之小齒輪的傳動基圓錐直徑與惰力運動基圓錐直徑，則分別大於和小於對於-C/Z環形齒輪/C齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計，且具齒輪C之小齒輪的相應之傳動的與惰力運動的基圓錐直徑。
13.權利要求
8中的系列，其中敘及的齒數為B之小齒輪的傳動基圓錐直徑與齒數為B之小齒輪的惰力運動基圓錐直徑，分別大於和小於對於-B/Z環形齒輪/B齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計，且具齒數B之小齒輪的相應之傳動的與惰力運動的基圓錐直徑，而其中敘及的齒數為C之小齒輪的傳動基圓錐直徑與惰力運動基圓錐直徑，則分別大於和小於對於-C/Z環形齒輪/C齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計，且具齒數C之小齒輪的相應之傳動的與惰力運動的基圓錐直徑。
14.權利要求
9中的系列，其中敘及的齒數為B之小齒輪的傳動基圓錐直徑與齒數為B之小齒輪的惰力運動基圓錐直徑，分別大於和小於對於-B/Z環形齒輪/B齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計，且具齒數B之小齒輪的相應之傳動的與惰力運動的基圓錐直徑，而其中敘及的齒數為C之小齒輪的傳動基圓錐直徑與惰力運動基圓錐直徑，則分別大於和小於對於-C/Z環形齒輪/C齒的小齒輪之齒輪組中按常規設計，且具齒數C之小齒輪的相應之傳動的與惰力運動的基圓錐直徑。
15.權利要求
14中的系列，其中B＝A+1，而C＝A+2。
16.權利要求
1中的系列，其中所說第一小齒輪的傳動基圓錐直徑小於所說第二小齒輪的傳動基圓錐直徑，而所說第二小齒輪的傳動基圓錐直徑則小於所說第三小齒輪的傳動基圓錐直徑;同時，所說第一小齒輪的惰力運動基圓錐直徑小於所說第二小齒輪的惰力運動基圓錐直徑，而所說第二小齒輪的惰力運動基圓錐直徑則小於所說第三小齒輪的惰力運動基圓錐直徑。
17.權利要求
10中的系列，其中所說第一小齒輪的傳動基圓錐直徑小於所說第二小齒輪的傳動基圓錐直徑，而所說第二小齒輪的傳動基圓錐直徑則小於所說第三小齒輪的傳動基圓錐直徑;同時，所說第一小齒輪的惰力運動基圓錐直徑小於所說第二小齒輪的惰力運動基圓錐直徑，而所說第二小齒輪的惰力運動基圓錐直徑則小於所說第三小齒輪的惰力運動基圓錐直徑。
18.權利要求
11中的系列，其中所說第一小齒輪的傳動基圓錐直徑小於所說第二小齒輪的傳動基圓錐直徑，而所說第二小齒輪的傳動基圓錐直徑則小於所說第三小齒輪的傳動基圓錐直徑;同時，所說第一小齒輪的惰力運動基圓錐直徑小於所說第二小齒輪的惰力運動基圓錐直徑，而所說第二小齒輪的惰力運動基圓錐直徑則小於所說第三小齒輪的惰力運動基圓錐直徑。
19.權利要求
8中的系列，其中所說第一小齒輪的傳動基圓錐直徑小於所說第二小齒輪的傳動基圓錐直徑，而所說第二小齒輪的傳動基圓錐直徑則小於所說第三小齒輪的傳動基圓錐直徑;同時，所說第一小齒輪的惰力運動基圓錐直徑小於所說第二小齒輪的惰力運動基圓錐直徑，而所說第二小齒輪的惰力運動基圓錐直徑則小於所說第三小齒輪的惰力運動基圓錐直徑。
20.權利要求
9中的系列，其中所說第一小齒輪的傳動基圓錐直徑小於所說第二小齒輪的傳動基圓錐直徑，而所說第二小齒輪的傳動基圓錐直徑則小於所說第三小齒輪的傳動基圓錐直徑;同時，所說第一小齒輪的惰力運動基圓錐直徑小於所說第二小齒輪的惰力運動基圓錐直徑，而所說第二小齒輪的惰力運動基圓錐直徑則小於所說第三小齒輪的惰力運動基圓錐直徑。
專利摘要
本發明是關於一個公用環形齒輪(114)與一批具不同齒數之小齒輪(112A—D)構成的，環形齒輪與小齒輪之直角齒輪組(100)系列的設計。
文檔編號F16H1/12GK86105601SQ86105601
公開日1987年11月11日 申請日期1986年7月28日
發明者克拉格·布裡恩·安德森, 喬治·溫費爾德·沃爾默 申請人:伊頓公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan