CN101149104A - 弧螺旋圆柱齿轮及弧齿条 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弧螺旋圆柱齿轮及弧螺旋齿条，弧螺旋圆柱齿轮由凸齿面(1)、凹齿面(2)、齿根(3)和齿顶(4)组成，轮齿齿长的中点截面轮廓线(13)、(14)为正齿轮的渐开线齿形，分别向两端沿凸齿面(1)上的凸面弧线(9)、(10)和凹齿面(2)上的凹面弧线(11)、(12)螺旋至轮齿两端面的轮廓渐开线(5)、(6)、(7)、(8)位置，形成一端右旋弧形斜齿，另一端左旋弧形斜齿的双向螺旋齿线构成的双向弧螺旋齿。弧齿条的齿牙由凸齿面(1－1)、凹齿面(2－1)、齿根(3－1)、齿顶(4－1)组成，渐开线呈直线，齿牙分度圆展开剖面中齿和齿沟的形状大小完全相同，相间排列，齿牙(L)中点齿厚(c)和齿沟宽(d)，分别向两端沿分度圆(R)渐缩。该齿轮和齿条分度圆等曲弧螺旋啮合轨迹严密精确，形成了100％接触面，接触面积高于同比齿面宽的任何齿轮和齿条，所以其承载能力和使用寿命高于现有的齿轮齿条。

Description

弧螺旋圆柱齿轮及弧齿条

技术领域

本发明涉及一种传动齿轮，尤其是一种弧螺旋圆柱齿轮及弧螺旋齿条。

背景技术

齿轮传动是应用最广泛的一种传动形式，目前圆柱齿轮“齿线”有三种形式：直齿轮(正齿轮)，斜齿轮(螺旋齿轮)，人字齿轮(双螺旋齿轮)第四种形式“圆弧齿线圆柱齿轮”是1975年由美国发表的“曲齿线啮合形式”研究课题。1986年国际新技术展览会展出样品在齿宽中央截面为渐开线齿形，离开中央为形位近似值，“齿线”接触面局部不产生载荷，三项精度与理想形态不符。因此国内从1990年至今出现了许多该课题的专利申请名称：“圆柱弧齿轮”，“弧齿圆柱齿轮”，“弧齿面圆柱齿轮”，“拱弧圆柱齿轮”，“渐开线-圆弧齿轮”“双向圆弧齿轮”等等，通过检索信息，研究后发现该齿轮的啮合理论还缺乏系统性研究，运动精度，传动平稳性，接触精度，以及各种设计参数缺乏论证依据。迄今为止，都不能得到很好的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种传动平稳，体积小、重量轻、扭矩大、寿命长的高精度高强度弧螺旋圆柱齿轮及弧螺旋齿条。

本发明的技术方案是：一种弧螺旋圆柱齿轮，轮齿由凸齿面(1)、凹齿面(2)、齿根(3)和齿顶(4)组成，轮齿齿长的中点截面轮廓线(13)、(14)为正齿轮的渐开线齿形，分别向两端沿凸齿面(1)上的凸面弧线(9)、(10)和凹齿面(2)上的凹面弧线(11)、(12)螺旋至轮齿两端面的轮廓渐开线(5)、(6)、(7)、(8)位置，形成一端右旋弧形斜齿，另一端左旋弧形斜齿的双向螺旋齿线构成的双向弧螺旋齿；两端斜齿(5)、(6)、(7)、(8)法向渐开线的曲率半径大于中点(13)、(14)渐开线的曲率半径，即r₂＞r₁，且轮齿分度圆展开剖面中齿和齿沟的形状大小完全相同，即a＝b＝c＝d，R₁＝R₂＝R₃……R_n。双向弧螺旋齿的齿宽(L)中点齿厚(c)和齿沟宽(d)，分别向两端沿分度圆(R)渐缩，当L/R＝2时两端齿厚和齿沟宽缩为零，两端渐开线曲率半径扭曲延展呈直线，即r₂＝∞。

弧线(9)、(10)、(11)、(12)的曲率半径与分度圆的R值相关式：(10)＝(12)＞R＞(9)＝(11)。

双向弧螺旋齿任意端截剖面都呈现规矩的正齿轮渐开线齿形。

双向弧螺旋齿的齿宽(L)中点正齿轮模数恒等于两端弧形斜齿的端面模数。

一种弧齿条，齿牙由凸齿面(1-1)、凹齿面(2-1)、齿根(3-1)、齿顶(4-1)组成，渐开线呈直线，其特征是：齿牙分度圆展开剖面中齿和齿沟的形状大小完全相同，相间排列，即a＝b＝c＝d，R₁＝R₂＝R₃……R_n；齿牙(L)中点齿厚(c)和齿沟宽(d)，分别向两端沿分度圆(R)渐缩，当L/R＝2时两端齿厚和齿沟宽缩为零。

弧线(9-1)、(10-1)、(11-1)、(12-1)的曲率半径与分度圆的R值相关式：(12-1)＝(10-1)＞R＞(9-1)＝(11-1)。

齿牙端面模数恒等于中点齿轮模数。

本发明的优点：

1、该齿轮和齿条分度圆等曲弧螺旋啮合轨迹严密精确，以及凹齿面顶弧等于凸齿面根弧，大于凸齿面顶弧和凹齿面根弧，形成了100％接触面，完善了啮合理论。齿轮任意端截面都呈现规矩的渐开线齿形。使轮副在啮入和脱离的重叠系数内齿面上任意点都能产生载荷，接触面积高于同比齿面宽的任何齿轮和齿条。所以其承载能力和使用寿命高于现有的齿轮齿条。

2、该齿轮和齿条三项精度高于同类其它产品。弯曲的齿长中点齿最厚，是全齿强度的最高点，无论正转反转，啮入过程中产生了螺旋延续接替，保持了传动平稳，且由于运动轨迹严密精确无间隙而无噪音(公理：运动精度和噪音是由于啮合间隙与渐开线误差造成的，严重影响高速传动；齿轮的强度和寿命除材料外，与形状和三项精度都有关，形状和三项精度与制造技术有关，制造技术是依据啮合理论进行的。)；30多年来，这个啮合理论理想形状不完善，在使用中由于曲齿面物理形状坚固而比人字齿轮强度高，但三项精度受理论限制，没有100％接触面的论证依据，虽然能用，但高速不过关，低速不理想，制造成本高。遏制了该齿种的普及应用。本发明在理论与实践上完成了这个理想形态的制造，使轮副在啮入和脱离的过程中，重叠系数内所有齿面上的任意点都能产生载荷，受力点分布均匀。

3、由于端面模数恒等于中点正齿轮模数，可以实现高度和角度变位，拓宽了中心距和模数选择自由度，为普及应用提供了设计和检验参数依据。

4、由于齿向为圆弧齿线，可以延齿线旋转一个角度(±2.5°)不影响传动。所以轮副安装平行度误差适应性强，能自找最佳接触位置，实现在0°～5°以内负载自由轴交传动。也就是说，不怕主动与从动机架之间发生振摆。例如：重载回转设备，驱动机架于筒体从动轮分体安装，工作振动对直齿或斜齿轮使用寿命影响极大。若采用本发明即可解决上述问题。在齿轮应用范围能引发设计新突破，比如：上下、左右、前后0°～5°以内的摇摆式传动机构，或应用在0°～5°以内的轴交传动。

5、本发明齿形结构类似于人字齿轮，无轴向力，解决了微型人字齿轮的制造难题。可替代人字齿轮在某些领域的应用，填补了微型无空刀槽人字齿轮的空白。制造成本低于人字齿轮，相当于斜齿轮。批量大的齿轮能形成自动化生产，成本相当于直齿轮。

6、本发明中的弧齿条象弯曲的无空刀槽人字齿条，无轴向力，填补了人字齿条的空白。

7、本发明应用在各种减速机上，在同比扭矩相同前提下能使外形体积缩小，起到了节能节时节料的连锁效应。若重载大齿圈采用本发明效果则更显著，能使同比扭矩的齿圈减轻成倍的重量，节约大量合金钢材。

它能使各种庞大的机械传动机构缩小体积，和集成块发明的效果异曲同工，可在有限的空间内传递极大的扭矩，不打牙。抗击突然停转或反转造成的瞬间巨大冲击力，比相同齿面宽的人字齿轮大数倍。人字齿轮的空刀槽把最强有力的齿中角钢连体断开，失去了相互的支撑力，占用了有用的空间，这就是为什么本发明能使机械传动缩小体积的论点之一。

8、本发明可应用于圆柱齿轮应用的各种行业领域，是直齿、斜齿、人字齿轮的更新换代产品。由于接触面是弧线全齿受力，所以可代替硬齿面减速齿轮(硬齿面斜齿轮是螺旋点接触，局部重叠系数的受力点压强很大，才采用硬齿面齿轮)。

9、该齿轮能实现铣齿、磨齿、剃齿、珩齿工艺，制造体积小、重量轻、扭矩大、寿命长的高精度高强度齿轮，是航空航天最好的传动齿轮。

附图说明

图1为弧螺旋圆柱齿轮单齿立体图；

图2为图1的端面主视图；

图3为图2的A-A分度圆展开剖面图；

图4为弧螺旋齿条立体图。

具体实施方式

本发明齿轮主要结构轮齿如图1所示：由凸齿面1、凹齿面2、齿根3、齿顶4组成。齿长L的中点截面轮廓线13、14为正齿轮的渐开线齿形，分别向两端沿凸齿面1上的凸面弧线9、10和凹齿面2上的凹面11、12螺旋至轮齿两端面的轮廓渐开线5、6、7、8位置，形成一端右旋弧形斜齿，另一端左旋弧形斜齿的双向螺旋齿线构成的双向螺旋齿。两端弧形斜齿5、6、7、8渐开线的曲率半径大于齿长中点13、14渐开线的曲率半径，(如图2)中r₂＞r₁，当L/R＝2时两端渐开线曲率半径扭曲延展呈直线，即r₂＝∞，(图3)中分度圆展开剖面，齿和齿沟的形状大小完全相同，即a＝b＝c＝d，R₁＝R₂＝R₃……R_n。(c)(d)为(L)中点齿厚和齿沟宽，分别向两端沿(R)渐缩，当L/R＝2时两端齿厚和齿沟宽消失为零。轮副啮合条件：分度圆展开剖面等曲式R₁＝R₂＝R₃……R_n。(图1)弧线9、10、11、12的曲率半径与(图3)的R值相关式：R₁₀＝R₁₂＞R＞R₉＝R₁₁。双向弧螺旋齿任意端截剖面都呈现规矩的正齿轮渐开线齿形。齿长L中点正齿轮模数恒等于两端弧形斜齿的端面模数。

弧螺旋圆柱齿轮特点：

1、由于端面模数恒等于中点正齿轮模数，可以实现高度和角度变位，拓宽了中心距和模数选择自由度。对轮辐安装平行度适应性强，沿齿线可以在0度-5度以内负载自由轴交传动，就是说不怕主动与从动轮机架之间发生振摆。例如：重载回转设备驱动机架与筒体从动轮分体安装，工作振动对直齿或斜齿轮使用寿命影响极大。如采用本发明就可以解决上述问题。

2、形状验证：将两根齿条啮合对扣在一起，齿面接触率100％全啮合。导论：当弧螺旋圆柱齿轮直径无限大时变成了弧齿条。该齿轮和齿条无论正转反转都能够100％齿面接触。任意端截面都呈现规矩的渐开线齿形。使轮副在啮入和脱离的重叠系数内齿面上任意点都能产生载荷，接触面积高于同比齿面宽的任何齿轮和齿条。

3、弯曲的齿面中点齿最厚是全齿长强度最高点，往两端啮入过程中产生了螺旋延续接替保持传动平稳，且由于运动轨迹严密精确无间隙而无噪音，现有齿轮传动精度欠佳和噪音是啮合间隙与渐开线误差造成的。本发明结构可使齿面在啮入和脱离过程，重迭系数内齿面长的任意点都能接触到产生的载荷，受力点分布均匀。

弧齿条，是和弧螺旋圆柱齿轮啮合的配副齿条。(如图4)齿牙由凸齿面1-1、凹齿面2-1、齿根3-1、齿顶4-1组成。渐开线呈直线。上述(图3)中分度圆展开剖面为该齿条分度线剖面形状。齿和齿沟的形状大小完全相同，相间排列。等曲式：R₁＝R₂＝R₃……R_n，等形式a＝b＝c＝d。c、d为齿长L中点齿厚和齿沟宽，分别向两端沿分度圆R渐缩，当L/R＝2时两端齿厚和齿沟宽缩为零。

齿条与齿轮啮合条件：图4中弧线9-1、12-1、11-1、10-1的曲率半径与(图3)的R值相关式：R_12-1＝R_10-1＞R＞R_9-1＝R_11-1。端面模数恒等于中点正齿轮模数。

本发明与现有技术数据对比如下表：

序号	渐开线-圆弧齿轮		本发明：弧螺旋圆柱齿轮
					内容	不同点比较说明	内容	不同点比较说明
	1	凸齿面齿廓是由渐开线(6)沿着圆弧(9)和(10)平行移动到渐开线(8)的位置而形成。凹面轮廓是由渐开线(5)沿着圆弧(11)和(12)平行移动至渐开线(7)的位置而形成。	这个平行线移动过程渐开线曲率没有丝毫变化，是处处相等的概念。	轮齿齿长的中点截面轮廓线(13)、(14)为正齿轮的渐开线齿形，分别向两端沿凸齿面(1)上的凸面弧线(9)、(10)和凹齿面(2)上的凹面弧线(11)、(12)螺旋至轮齿两端面的轮廓渐开线(5)、(6)、(7)、(8)位置，形成一端右旋弧形斜齿，另一端左旋弧形斜齿的双向螺旋齿线构成的双向弧螺旋齿。					本发明双螺旋过程渐开线曲率发生了扭曲。两端“斜齿”(5)、(6)、(7)、(8)渐开线法向曲率半径大于中点(13)、(14)渐开线的曲率半径。当L/R＝2时两端法向渐开线曲率扭曲延展呈直线。
2					啮合条件：(9)、(10)、(11)、(12)为四条曲率半径相等的弧。	四条弧线曲率半径相等	(图1)弧线(9)、(10)、(11)、(12)的曲率半径与(图3)的R值相关式：(10)＝(12)＞R＞(9)＝(11)。	四条弧线曲率半径不等
	3	设计及检验参数	空白	中点正齿轮模数恒等于两端弧形斜齿的端面模数。					有论证参数
4					齿沟形状	空白	(图3)中分度圆展开剖面，齿和齿沟的形状大小完全相同，即a＝b＝c＝d。从齿牙(L)中点分别向两端沿(R)渐缩，当L/R＝2时两端缩为零。	有具体说明
	5	齿面接触精度	空白	推导该齿轮直径无限大时变成了弧齿条，将两根弧齿条啮合对扣在一起，凹凸齿面100％全啮合，严丝合缝。					形状验证100％全啮合接触。

Claims (7)

1.一种弧螺旋圆柱齿轮，轮齿由凸齿面(1)、凹齿面(2)、齿根(3)和齿顶(4)组成，其特征是：轮齿齿长的中点截面轮廓线(13)、(14)为正齿轮的渐开线齿形，分别向两端沿凸齿面(1)上的凸面弧线(9)、(10)和凹齿面(2)上的凹面弧线(11)、(12)螺旋至轮齿两端面的轮廓渐开线(5)、(6)、(7)、(8)位置，形成一端右旋弧形斜齿，另一端左旋弧形斜齿的双向螺旋齿线构成的双向弧螺旋齿；两端斜齿(5)、(6)、(7)、(8)法向渐开线的曲率半径大于中点(13)、(14)渐开线的曲率半径，即r₂＞r₁，且轮齿分度圆展开剖面中齿和齿沟的形状大小完全相同，即a＝b＝c＝d，R₁＝R₂＝R₃……R_n；双向弧螺旋齿的齿宽(L)中点齿厚(c)和齿沟宽(d)，分别向两端沿分度圆(R)渐缩，当L/R＝2时两端齿厚和齿沟宽缩为零，两端渐开线曲率半径扭曲延展呈直线，即r₂＝∞。

2.根据权利要求1所述的弧螺旋圆柱齿轮，其特征是：弧线(9)、(10)、(11)、(12)的曲率半径与分度圆的R值相关式：(10)＝(12)＞R＞(9)＝(11)。

3.根据权利要求1所述的弧螺旋圆柱齿轮，其特征是：双向弧螺旋齿任意端截剖面都呈现规矩的正齿轮渐开线齿形。

4.根据权利要求1所述的弧螺旋圆柱齿轮，其特征是：双向弧螺旋齿的齿宽(L)中点正齿轮模数恒等于两端弧形斜齿的端面模数。

5.一种弧齿条，齿牙由凸齿面(1-1)、凹齿面(2-1)、齿根(3-1)、齿顶(4-1)组成，渐开线呈直线，其特征是：齿牙分度圆展开剖面中齿和齿沟的形状大小完全相同，相间排列，即a＝b＝c＝d，R₁＝R₂＝R₃……R_n；齿牙(L)中点齿厚(c)和齿沟宽(d)，分别向两端沿分度圆(R)渐缩，当L/R＝2时两端齿厚和齿沟宽缩为零。

6.根据权利要求5述的弧齿条，其特征是：弧线(9-1)、(10-1)、(11-1)、(12-1)的曲率半径与分度圆的R值相关式：(12-1)＝(10-1)＞R＞(9-1)＝(11-1)。

7.根据权利要求5述的弧齿条，其特征是：齿牙端面模数恒等于中点齿轮模数。

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