CN100595013C - 双圆弧谐波齿轮插齿刀 - Google Patents

Abstract

本发明双圆弧谐波齿轮插齿刀，其基本齿廓参数为：齿顶圆弧半径系数r^* _a＝0.2-0.9，齿顶高系数h^* _a＝0.7-1.2，齿根高系数h^* _f＝0.7-1.2，根隙系数c^* _a＝0.2-0.3，齿全高系数h^*＝1.4-2.4，凸齿廓圆弧半径系数p^* _a＝1.4-2.0，凸齿廓圆心移距量系数x^* _a＝0-0.5，凸齿廓圆心偏移量系数l^* _a＝0.4-1.2，凹齿廓圆弧半径系数p^* _f＝1.4-2.0，凹齿廓圆心移距量系数x^* _f＝0-0.8，凹齿廓圆心偏移量系数l^* _f＝0.4-1.2，工艺角γ＝6°-12°，齿根圆弧半径系数r^* _f＝0.1-0.4。

Description

双圆弧谐波齿轮插齿刀

技术领域

本发明涉及一种插齿刀，特别是一种用于双圆弧谐波齿轮传动齿轮加工用插齿刀。

背景技术

谐波传动技术是二十世纪中期随着空间科学、宇航技术的发展，在弹性薄壳理论的基础上出现的一种新型的传动技术。它具有运动精度高、传动比大、重量轻、体积小、承载能力大、并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作等优点，已经成功应用于空间技术、仪器仪表、机器人、印刷机械及医疗器械等领域中。

谐波齿轮传动工作能力的主要准则，可以列为以下几个方面：柔轮的疲劳强度，轮齿的磨损，轮齿或波发生器产生滑移，柔性轴承的强度以及发热问题等，而柔轮的疲劳断裂是造成谐波齿轮传动失效的主要原因。

柔轮齿圈影响系数和柔轮齿根理论应力集中系数是影响柔轮疲劳断裂的主要因素。

柔轮齿圈的刚度不连续使柔轮齿圈的周向应力是光壳的k_t倍，因此称k_t为轮齿影响系数。由于实际渐开线齿形方程很复杂，所以将轮齿简化为具有节圆齿厚和节圆压力角的梯形。实际上，轮齿影响系数是随齿高厚度比(h/t)、柔轮变位系数和齿数而变化的。计算表明，随着h/t增大和齿数的增多，k_t呈上升趋势，其中以齿高壁厚比的影响最显著。因为随着变位系数的增加，节圆处压力角增大，齿厚系数有所减小，导致齿槽与齿根惯性矩的比值上升，所以k_t随着变位系数的增加而减小。

由于齿根圆角的存在，在齿根部分实际上存在着应力集中，在光弹实验和齿条试验的基础上，获得的应力集中系数的近似值为1.8～2.0^[1]。为了定量地描述齿根圆角半径的影响，可以利用Shuwalov计算公式：

$k_{\mathrm{\σ}}=1+0.5(1-\frac{0.1}{r_0+0.2})\sqrt{\frac{h}{r_0}}---\left(1\right)$

$r_0=\frac{[m(h_a^{*}+c^{*}-x_f)-r_t{]}^2}{m(h_a^{*}+c^{*}-x_f)-r_t+{0.5\mathrm{mz}}_f}+r_t---\left(2\right)$

式中k_σ为齿根有效应力集中系数，h为齿高，mm，r₀为齿根圆角半径，mm，r_t为刀具齿顶圆半径，mm，m为模数，mm，对于模数m≤1mm情况，r_t可取为0.4m。

目前国内谐波齿轮传动主要采用渐开线齿廓，具有渐开线齿廓的柔轮齿根圆角半径可由式(2)计算，但齿根圆弧半径较小。

对于主要设计参数相同，并且具有相同齿高厚度比(h/t)和柔轮齿数的谐波传动而言，其轮齿影响系数相差不多。但是由于齿廓不同，齿根过渡圆角半径的不同，具有较大齿根圆角半径者，其理论应力集中系数降低不少，因此提高了谐波传动的承载能力，或者可以降低谐波传动的最小速比。例如速比为100，柔轮变位系数为3的渐开线齿廓的齿根圆角半径约为0.4m，柔轮齿根理论应力集中系数为1.7795，对于同一柔轮，采用双圆弧齿廓，齿根圆角半径为0.7498m，此时柔轮齿根理论应力集中系数为1.6113，比渐开线齿廓降低了9.45％。对于谐波传动而言，具有双圆弧齿廓的优点不仅于此。

对于具有单圆弧齿的柔轮的理论啮合计算表明^[2]，在从0°开始在一个较宽的区间内，都有共轭齿廓存在。这说明，不同于渐开线齿廓谐波传动的“有限共轭运动”，即只在很小的啮合区内存在共轭运动，在其它位置齿廓并不接触，因此在低载荷下，传动刚度较低。

在圆弧齿廓谐波齿轮传动轮齿的整个过程中，轮齿之间可以始终处于共轭运动状态，这种结果导致轮齿在整个啮合弧上接触，传动的啮合刚度得到提高，同时由于载荷同时作用在所有的啮合齿对上，这使作用到柔轮和柔性轴承上的载荷分布均匀，柔轮和柔性轴承的寿命得到提高，再考虑到由于圆弧齿形的齿根过渡圆角半径较大，柔轮的强度得到进一步提高。这就为提高谐波传动的承载能力和降低其能够实现的最小传动比提供了有力保障。

因为不可能通过圆弧齿轮的变位来适应不同形式的波发生器和柔轮径向变形量系数，以改善齿轮的啮合性能，所以从减少圆弧齿轮的刀具数目出发，在开发圆弧谐波齿轮传动基准齿形以前，必须限定波发生器形式和柔轮径向变形量系数。例如苏联对四滚子波发生器，限定了滚子夹角β＝25°和β＝35°，而日本则主要采用余弦凸轮波发生器。在此基础上，他们开发了自己的双圆弧齿廓，但如前述原因，这些齿廓并不能够用于具有椭圆波发生器的谐波齿轮传动。

对于柔轮具有强制变形形状的双波谐波齿轮传动，国内目前采用椭圆波发生器日本则采用余弦波发生器。

本发明涉及的是采用椭圆波发生器的双圆弧齿廓谐波齿轮传动齿轮插刀。

发明内容

本发明的目的是提供一种双圆弧谐波齿轮插齿刀，具有双圆弧谐波齿轮基本齿廓。

附图说明

图1是双圆弧谐波齿轮插齿刀的结构简图。

图2是双圆弧谐波齿轮插齿刀的基本齿廓。

具体实施方式

如图1所示，插齿刀主要结构尺寸有外径De，刀具安装内孔d，直径d₁，d₂，节圆直径do，刀齿数，厚度H，齿顶后角α_p及齿顶前角γ₀等，其结构设计与一般渐开线齿轮插齿刀相似。齿顶后角α_p一般为6°，齿顶前角γ₀为0°-5°。插齿刀齿可以是直齿、斜齿或具有多个前刀面的分阶式结构，插齿刀可以为盘型、碗型或带柄型结构。

双圆弧谐波齿轮插齿刀与一般渐开线齿轮插齿刀的主要差异在于其基本齿廓不同。

如图2所示，带星号者为相应参数除以模数m的系数，例如凸齿廓圆弧半径系数其余类同。双圆弧谐波齿轮基本齿廓参数为：

齿顶圆弧半径系数

齿顶高系数

齿根高系数

根隙系数

齿全高系数h^*＝1.4-2.4，凸齿廓圆弧半径系数

凸齿廓圆心移距量系数

凸齿廓圆心偏移量系数

凹齿廓圆弧半径系数

凹齿廓圆心移距量系数

凹齿廓圆心偏移量系数

工艺角γ＝6°-12°，齿根圆弧半径系数

本发明有益效果

本发明双圆弧谐波齿轮插齿刀加工的柔轮或刚轮可以保证双圆弧谐波齿轮传动具有良好的综合性能。其中柔轮具有较大的齿根圆角半径和合理的齿高齿厚比，可以有效地改善柔轮齿根的应力状况和传动的啮合质量，提高谐波传动承载能力和扭转刚度，并可进一步降低谐波传动的最小传动比。

双圆弧谐波齿轮插齿刀的结构设计与一般渐开线齿轮插刀的设计相似。其主要差异在于刀具基本齿廓部分的设计不同。

双圆弧谐波齿轮插齿刀齿可以是直齿、斜齿或具有多个前刀面的分阶结构，插齿刀可以为盘型、碗型或带柄型结构。

参考文献

1.[苏]M.N.伊万诺大.谐波齿轮传动.沈允文、李克美译.北京：国防工业出版社，1987

2.辛洪兵.圆弧齿廓谐波齿轮传动齿形设计中的几个问题.机械传动1999，23(2)：11～12

Claims (4)

1.一种谐波齿轮插齿刀，它包括齿圈(1)，刀体(2)，内孔(3)，齿圈齿顶后角α_p及齿顶前角γ₀，其特征在于：具有双圆弧谐波齿轮基本齿廓，该基本齿廓包括齿廓形状和参数，所述齿廓形状由齿顶圆弧、凸齿廓圆弧、凹齿廓圆弧、以及齿根圆弧构成，所述参数为：齿顶圆弧半径系数

齿顶高系数

齿根高系数

根隙系数

齿全高系数h^*＝1.4-2.4，凸齿廓圆弧半径系数

凸齿廓圆心移距量系数

凸齿廓圆心偏移量系数

凹齿廓圆弧半径系数

凹齿廓圆心移距量系数

凹齿廓圆心偏移量系数

工艺角γ＝6°-12°，齿根圆弧半径系数

2.根据权利要求1所述的谐波齿轮插齿刀，其特征在于：齿顶前角γ₀为0°-5°。

3.根据权利要求1所述的谐波齿轮插齿刀，其特征在于：刀齿是直齿、斜齿或具有多个前刀面的分阶结构。

4.根据权利要求1所述的谐波齿轮插齿刀，其特征在于：插齿刀为盘型、碗型或带柄型结构。

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