齒輪副的傳動側隙與齒頂高的製作方法

2023-10-06 09:17:39

專利名稱：：齒輪副的傳動側隙與齒頂高的製作方法這是機械傳動領域內關於齒輪傳動的發明，是在美國發明專利第5232412號基礎之上做出的發展，提出了新的齒輪嚙合理論，本發明人深入研究少齒數差內嚙合齒輪付得出下列結論1.對於齒數差很小的內嚙合齒輪付，位於理論接觸齒對(例如漸開線內齒輪付位於節園相切處的齒對)的兩側的鄰近齒對(以下簡稱「鄰近齒對」)其法向間隙即側隙極其微小，常以微米計算，可以小於或相當於潤滑油膜的厚度，使得這些鄰近齒對處於可以傳動的接觸狀態。此外，行星傳動時行星齒輪在離心力及行星軸承間隙作用下向內齒輪靠緊、齒面微量凸起的粗糙紋路以及形位加工誤差的存在，也都使得鄰近齒對的實際間隙，小於理論間隙，使鄰近齒對處於可以傳動的接觸狀態，這時處於傳動接觸狀態的鄰近齒對的理論側隙叫「傳動側隙」。2.加上負荷後，輪齒受力彎曲、輪齒發熱膨脹以及嚙合力徑向分力，使得行星齒輪軸彎曲，從而減少齒輪付偏心距，因而造成離理論嚙合齒對更遠的鄰近齒對進入接觸狀態，這些因素使負荷狀況下同時接觸齒對數目更大，整個齒輪機構實際工作於彈性狀態。3.由上述可進一步研究得到少齒差付有負荷重合度略大於無負荷重合度，而無負荷重合度遠大於現行理論計算出的理論重合度。其有負荷嚙合軌跡不同於無負荷嚙合軌跡，二者都不同於現行理論的嚙合軌跡，齒面摩擦及相對滑動、齒輪強度計算都與現行理論的計算方法有很大不同。4.從工程實用角度出發，首先要將上述新的結論用於解決少齒差付的齒廓幹涉與重合度兩個主要指標的矛盾。本發明茲提出，在計算得出的相當大的範圍內，只驗算滿足無齒廓幹涉指標，而不必理會現行理論的理論重合度指標，這可用大大縮小齒高來做到。設少齒數差內嚙合齒輪付依順時針順序之各齒對的依次標號為Zn-jZn-j+1，Zn-j+2，…，Zn-1，Zn，Zn+1，Zn+2，…，Zn+k當Zn齒對處於理論嚙合位置，令Ci表示標號為Zi齒對該時的理論側隙，則有(i，n，k為正整數)。Cn-j＞Cn-j+1＞…＞Cn-1＞Cn＜Cn+1＜Cn+2＜…＜Cn+k……(1)上述結論1.所述由油膜、齒面粗糙、加工誤差及離心力形成的處於傳動接觸狀態的鄰近齒對的理論側隙——傳動側隙，設各傳動側隙中的最大值為Co，而第(1)中當Cn-p≤Co和Cn+m≤Co，則本發明之無負荷重合度εzy≥p+m+1(p和m為正整數)……(2)並且通常情形下，εzy≤p+m+2……(3)只要εzy＞1，齒輪付的傳動連續性條件即獲滿足。設傳動油膜厚度為Bf，影響側隙的各項形位誤差(如周節偏差、齒厚偏差、齒向誤差、齒形誤差等)的平均值為F，齒面的粗糙度評定參數(凹凸紋輪廓的算術平均偏差)Ra，行星軸承間隙Cpb，行星齒輪之離心力方向與傳動側隙法向間之夾角為αp，可以保守地計算最大傳動側隙CoBf+F+Ra+CpbCosp2(4)]]>這樣計算得到本發明的無負荷重合度εzy＞1，可在滿足齒廓幹涉指標下大大減少齒高，這對減少齒面相對滑動及提高輪齒彎曲強度都是極為有利的，有負荷重合度略大於εzy，當齒數差加大時，大於的值也升高。5.關於本發明的齒輪強度計算，可在現行理論的基礎上加以修正得到。其要點為，彎曲強度要考慮齒高大大縮短對單齒彎曲力臂的縮小，並考慮εzy的對彎曲強度的放大倍數，接觸強度、抗膠合強度要考慮εzy對二者的放大倍數。因此，使用本發明齒輪的強度設計非常寬鬆，可以考慮使用較小的模數(或相應指標)，使用普通材料及省去齒面熱處理。以上結論對任何一種齒廓曲線(漸開線、擺線、拋物線、圓弧線、直線及直線共軛……)的少齒數差內齒輪付都是適用的。各種齒廓曲線的齒輪付有各自的側隙、幹涉指標、其它指標及強調的計算公式，在各教科書中都有論述，這裡不一一複述。上述結論主要用於直齒內嚙合傳動，以避免使用非直齒內齒輪帶來的加工不便。製造本發明齒輪的技術要點，在於大幅度縮減齒高。設按現行理論計算得到的保證傳動連續平穩的最小嚙合齒高(齒高扣掉底隙，為齒全高中參與嚙合的高度部分)為Fmin，而用以替代該對現行齒輪的本發明齒輪的嚙合齒高(同上，齒全高中參與嚙合的部分)為Fzy，則廣義的齒高縮減係數Kzy＝Fzy/Fmin…………(5)而Kzy的取值應符合表1的範圍，表中齒數總Zd＝內齒輪齒數Z2-外齒輪數Z1。當然，如將本發明用於非直齒內嚙合傳動，當齒數差很小(小於10)時，也是適用的。下面以漸開線內嚙合少齒數差直齒齒輪付為實施例，予以進一步說明。所提到各指標、參數、教科書中均早予以大量說明，除特別指出者外，不再一一複述。首先，端面理論重合度εα盡可以小於0.7，而軸向重合度εβ＝0。為了減輕行星軸承負荷(參見本說明書開頭所列專利文獻)，第一個設計優化指標為儘量減少嚙合角w，因為行星軸承負荷與tgαw密切正相關。第二個設計優化指標為儘量在無齒廓幹涉的前提下加大齒頂高，以滿足工藝條件和齒頂強度要求。在保證εzy≥1，以及無齒廓幹涉、無範成頂切、無徑向切入頂切、無過渡曲線幹涉等約束條件下，齒數差Zd、嚙合角αw、齒頂高係數ha*三者的關係數值按表2所列範圍選取。同一列內，若w取值較高，則ha*也可取較高，一般取αw＝7°～20°，而ha*≥0.06，齒數Z1、Z2則可取得較大，因為強度條件放寬，模數m可以取得較小，實際上模數取小已不受強度限制，只是受到製造工藝之限制，特別情形下受到齒頂強度限制。對於本發明之齒輪，當模數取得很小且齒頂高係數ha*取得很小時，會出現齒頂強度低於齒根強度的情形。分度圓壓力角αn與嚙合角αw的關係，以比值αn/αw表示，列於表3。當αw＝7°～15°時，以式(6)表示的αn的範圍取值較好。αn＝(0.9～1.4)αw…………(6)外齒輪變位係數X1，一般在下列範圍選取，見表4所述。內齒輪變位係數為X2，當嚙合角αw及X1確定後，X2即被確定。為改進前述的兩個優化設計指標，本發明之內嚙合齒輪付，其外齒輪之齒頂高係數可以不等於內齒輪之齒頂高係數，對於本發明之漸開線內嚙合少齒數差齒輪付，令外齒輪齒頂高係數為ha*1，內齒輪齒頂高係數為ha*2，外齒輪齒頂圓直徑Da1和內齒輪齒頂圓直徑Da2分別為Da1=m[Z1+2(ha1*+x1-V)](7)]]>Da2=m[Z2-2(ha2*-x2-V)](8)]]>式中之位移係數V為V=mzd2(cosncosw-1)-x2+x1(9)]]>計算可分兩步，第一步按表2及幹涉條件等選定ha*，第二步按…………(10)在各約束條件滿足之下，選定ha*1及ha*2，使優化設計指標達到最優值。以上式(6)～式(10)是指對於直齒的情形，當用於非直齒例如螺旋齒輪時，分度圓柱螺旋角β＞o，各式中之端面參數改為相應的法面參數，如各教科書中所述，而式(7)、(8)、(10)中的ha*1、ha*2仍是指外齒輪和內齒輪的端面的齒頂高係數。本發明齒輪的製造所用的齒輪刀具具有相當短的齒頂高，一般小於現行理論值的一半，對於漸開線插齒刀或滾齒刀，刀具齒頂高係數應包括進被加工齒輪的齒頂高係數及根隙係數C*，與現行計算方法並無兩樣，但由於被加工齒輪的齒頂高及齒根高都很短，所以刀具的齒頂高係數ha*0也很小，可在表5所列範圍取值，表中αo為刀具的齒形角，表列刀具用於製造齒數差Zd為1～5的內齒輪付，插齒刀或滾齒刀的刀頂圓角PaO＝Pa*o.m，Pa*o為刀頂圓角係數，如附1和圖2所示(圖中顯示刀具的1個刀齒)。眾所周知，刀頂圓角切削出齒輪根部的過渡曲線，如延伸漸開線等距曲線、圓弧線、延伸外擺線等距曲線等，對齒根強度有相當敏感的作用，為了加強齒根強度，刀頂圓角儘可能做大一些，希望採用圖2那樣刀齒頂部只被一個半徑很大的刀頂圓角復蓋，其強度效果要優於圖1所示的刀齒頂部有兩個半徑較小的刀頂圓角的情形。此外，為了增加有負荷下齒輪同時接觸齒對的均載作用，本發明齒輪的根隙係數C*可取得較大。這也允許刀具的刀頂圓角取較大的數值，推薦取值為Pao≥0.5m。進一步的改進，是考慮到輪齒受負荷變形後，在彈性工況下的減少相對滑對摩擦及改善強度的嚙合軌跡，因而要對刀具和齒輪做出非漸開線齒廓修正。表1表2表3表4表5權利要求1.一種內嚙合少齒數差齒輪付，其特徵是，位於理論接觸齒對兩側的鄰近齒對的側隙非常微小，由於油膜厚度、齒面粗糙、加工誤差、離心力、發熱膨脹等因素而使得這些齒對處於實際的可以傳動的接觸狀態，形成傳動側隙，使無負荷重合度∑zy遠大於理論重合度，因而允許大幅度縮減齒高到當齒數差zd為1時，齒高縮減係數Kzy＝0.09～0.6；當zd＝2時．Kzy＝0.15～0.6，當zd＝3時，Kzy＝0.3～0.6；當zd＝4時，Kzy＝0.4～0.6；當zd＝5時，kzy＝0.5～1；當zd＝6時，Kzy≥0.5。2.權利要求1所述的齒輪付，其特徵是，它是漸開線內嚙合少齒數差齒輪付，齒輪差zd、嚙合角w及齒頂高係數ha符合下列關係當齒數差zd為8到10，嚙合角αw為6°～7°，＝0.06～0.21，αw＝7°～1O°。則為0.07～0.37；αw＝10°～15°則為0.15～0.72；αw＝15°～20°，則為大於或等於0.35．當zd＝7時，αw＝6°～7°，則＝0.06～0.16；αw＝7°～10°，則＝0.07～0.3；αw＝10°～15°，則＝0.11～0.70αw＝15°～20°，則≥0.35。當zd＝6時，αw＝6°～7°，則＝0.053～0.14；αw＝7°～10°則＝0.06～0.24；αw＝10°～15°，則＝0.09～0.55；αw＝15°～20°，則≥0.3。當zd＝5時，αw＝6°～7°，則＝0.05～0.12；αw＝7°～10°，則＝0.06～0.21；αw＝10°～15°，則＝0.09～0.44；αw＝15°～20°，則＝0.23～0.68。當zd＝4時，αw＝6°～7°，則＝0.035～0.10；αw＝7°～10°，則＝0.05～0.17；αw＝10°～15°，則＝0.08～0.38；αw＝15°～20°，則＝0.20～0.58。當zd＝3時，αw＝6°～7°，則＝0.03～0.07；αw＝7°～10°，則＝0.035～0.15；αw＝10°～15°，則＝0.06～0.28；αw＝15°～20°，則＝0.14～0.45；αw＝20°～25°，則≥0.27。當zd＝2時，αw＝6°～7°，則＝0.02～0.053；αw＝7°～10°，則＝0.025～0.12；αw＝10°～15°則＝0.05～0.25；αw＝15°～20°，則＝0.10～0.35；αw＝20°～25°，則＝0.19～0.48。當zd＝1時，αw＝7°～10°，則＝0.012～0.043；αw＝10～15°，則＝0.02～0.123；αw＝15°～20°，則＝0.035～0.17，αw＝20～25°，則＝0.09～0.25。3.權利要求2所述的齒輪付，其特徵是，分度圓壓力角αn與嚙合角αw的關係，以及齒數差zd與外齒輪變位係數x1的關係，符合當αw=6°～10°，比值αn/αw＝0.5～2，αw＝10°～15°，則αn/αw＝0.5～1.6，αw＝15°～20°，則αn/αw＝0.6～1.4；αw＝20°～25°，則αn/αw＝0.8～1，當zd＝1～3，則x1＝-1.5～0.5；zd＝4～5，則x1＝-1～0.5；zd＝6～10，則x1＝-0.75～0.5。4.權利要求3所述的齒輪付，其特徵是，是直齒齒輪付，其端面理論重合度εα≤0.7．嚙合角αw=7°～15°，而αn=(0.9～1.4)αw。5.權利要求2、3、4所述的齒輪付。其特徵是，內齒輪齒頂高係數ha*2不等於外齒輪齒頂高係數ha*1。與其它參數的關係及二者相互關係為(式(7))Da1＝m[z1+2(ha*1+X1-V)](式(8))Da2＝m[z1-2(ha*2-X2-V)]6.一種齒輪刀具，用來製造齒高很小的齒輪，其特徵是，其齒頂高小於現行理論刀具齒頂高數值的一半。7.權利要求6所述的刀具，其特徵是，它是製造漸開線齒輪的插齒刀或滾齒刀，刀具齒頂高係數ha*o與齒形角αo之關係符合，當αo=6°～10°，則ha*o＝0.25～0.45；αo=10°～15°，則ha*o＝0.30～0.66；αo(0=15°～20°，則ha*o＝0.30～0.85；而刀頂圓角Pao≥0.5m。8．權利要求7所述的齒輪刀具，其特徵是，其刀齒頂部只被1個半徑較大的刀頂圓角覆蓋。全文摘要由於少齒數差內齒輪副鄰近齒對間隙非常小，由油膜、誤差、粗糙、離心力及發熱等原因形成傳動側隙，從而解決齒廓幹涉與理論重合度的矛盾，造出無負荷重合度遠大於理論重合度的齒高很小的齒輪副。文檔編號F16H55/17GK1132324SQ9511481公開日1996年10月2日申請日期1995年3月30日優先權日1995年3月30日發明者鄭悅申請人:鄭悅,李斕,李蘊藻