CN101203699B - 齿轮传动结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮传动结构，其通过具有与单流元件或多流元件相互作用的齿圈轮齿(3)和(4)或(5)和(6)的齿轮(1)和(2)构成。相互作用轮齿的工作型面包括极点外弧形段(8)和(10)或者(9)和(7)，这些面相互间平滑连接或与渐开线段(12)和(11)平滑连接，这些极点外弧形段在其齿顶呈凸出状，在其齿根呈凹入状。相互作用的齿圈通过轮齿端面相互连接相中断形成不连续相互连接角(从轮齿(5)和(6)端面齿形相互作用终点到连续轮对端面齿形相互作用始点)而形成，例如上述齿圈或轮齿(17)的(3)和(4)。

Description

齿轮传动结构

技术领域

本发明涉及机械制造业，具体地说，涉及齿轮传动。该发明可成功地用于各种重负荷齿轮结构中。

背景技术

渐开线齿轮传动(里特维Ф.Л.，齿轮啮合理论，M.，科学出版社，1968年，584pp.)是人们所熟知的。在端面重叠率(ε_α)和总重叠率(ε_γ)为ε_α≥1且ε_γ≥1时，通过成对齿轮的相互接合的端面齿形，渐开线齿轮传动可以满足啮合基本定律。渐开线齿轮传动的不足之处是端面齿形的结构挠度低(啮合边缘相具有危险性、在极点存在啮合相、各齿的接触密度低)以及沿各齿线各齿接触对工艺损坏和应力损坏的敏感度高。

诺维科夫的空间极点外(extra-pole)齿轮传动(诺维科夫M.Л.，新啮合齿轮传动，H.E.朱可夫斯基，BBИA出版社，M.，1958年，186pp.)是人们熟知的。当各端面齿形(在其齿顶为凸出的半径ρ_α且在其齿根为凹入的半径ρ_f，Δρ＝ρ_f-ρ_α＞0)为点连接(ε_α＝0)时，其以轮齿轴向相互连接(intermate)为基础，则空间极点外齿轮传动可以满足啮合基本定律。诺维科夫传动的不足之处是传动的结构挠度低(即根本不可能做直齿和/或者窄齿圈传动)，必须选择Δρ＞＞0的值，各齿的接触密度(contact tightness)低以及齿对工艺和应力的几何偏差的敏感度太高。

具有轴向相互连接齿的混合啮合空间齿轮传动(茹拉夫列夫Г.А.齿轮传动，№1185942苏联发明证书，МПК F16H1/08，1975年05月20日，2004年第15期公报)是人们所熟知的。在这种齿轮传动中，端面齿形的极点外点连接段被齿顶半径ρ_ass的凹入线以及齿根半径ρ_fss的凸出线外切(ρ_ass-ρ_fss＞0)，这两个凹入和凸出的线段之间通过渐开线段而连接，该渐开线段具有初始轮廓截面角α＞＞α_k，其中α＝α_1a且α_k＜α_1a(α_k-极点外弧形段的理论压力角；α_1a-在齿顶的基本弧形段的下部分界点的截面角)和被增大的啮合角α_tw。由于在这样的传动中实现两种效应(Zhuravlev G.A.TheMixed Cearing Engagement System.Proceedings of Ninth WorldGongress on the Theory of Machines and Machinisms.Vol.1，Italy，Milano，1995，p.p.433-437)，即IP运动原理的超加和性效应(与加和性效应不同的是，在混合啮合中，加和性效应为只是啮合各组成部分的简单的总和)和接触曲率(弧度)效应(弹性物体接触密度增大，对降低接触应力的影响，揭示了可以在极点内和极点外大大的改善啮合相)，在这样的传动中，没有各齿的接触面积损失、啮合极点的接触强度得到最大限度的提高，在传动时啮合相的接触持久性方面(在极点和极点外)具有高平稳性和低弯曲应力。

已知齿轮传动的缺点在于，在极点外啮合相和在各齿纵向(ε_β≥1)形状参数选择中，在提高接触密度和实现曲率效应方面，传动的结构挠度受到限制。

已知的是，混合啮合的空间齿轮传动(G.A.Zhuravlev.Mixed-Engagement Gearing.EUROPEAN PATENT №0293473，F16H55/08，29.07.92和俄罗斯专利№1075041，国际专利分类(МПК)F16H55/08，1984年第7期公报)是以混合IP运动原理为基础的。端面齿形是由渐开线段和主要点连接的弧形段形成(弧形段为在其齿顶是凸出的且在其齿根为凹入的，各参数与符号及轴间距偏差的绝对值Δa_w＞0或Δa_w＜0有关)，这两个线段之间通过小尺寸工艺补充弧形段(在曲率效应的基础上，即按照横向弯曲图，在一定的载荷参数下，几何曲率的增大对降低弯曲应力的影响的效应)平滑地连接，这种补充弧形段在其齿顶凹入段的半径为ρ_pa且在其齿根凸出段的半径为ρ_pf(Zhuravlev G.A.The Principle of the Kinematicalindependence to the Mixed Toothed Engagemens.Proceedings ofISMM′97 International Symposium《MACHINES andMECHANISMS》，YUGOSLAVIA，AELGRADE，1997 09，1-3)。采用这样的措施，建立了独立的运动学原理，即渐开线段形成得α＞＞α_1a。由于增大了各齿的重叠并且减小了传动对轴心距偏差的敏感度，齿圈(toothed crown)的有效宽度b_w可减小到b_w≈0.7p_x(其中，p_x-轴向节距)，因而其弯曲疲劳强度指标，振动声学和工作寿命得以大大改善。已知解决方法的不足是在所有啮合相(phase)期间以及在实现弯曲度效率和增大接触密度期间结构挠度是受限制的。

混合啮合齿轮传动(茹拉夫列夫Г.А.苏联专利№ 1839700，国际专利分类(МПК)5F16H 1/20，55/08，(优先权)Приор.1986年09月24日，1993年第48-47期公报)是人们所熟识的。它由具有各种相互作用的成对齿圈(例如，组合轮)的轮齿端面齿形啮合相的IP型多流(multi-flow)元件构成。在每个单独地相互作用的成对齿圈内，渐开线段(α＞＞α_1a时)和齿的端面齿形的点-连接段形成了独立的啮合相，该啮合相运动啮合连续性中断，啮合轮齿触位置处的公切面产生间断(只对于单个点和齿形的局部部分)，能够达到端面重叠系数ε_α≥1和齿轮对相互连接(由于不连续啮合相的相对偏移)。各齿形的凸凹段的点共轭的组元不能满足轴向重叠条件的要求，从而形成各齿的初始线性接触，在所有啮合相中具有提高的接触密度，并且在啮合中不存在轴向作用力。同时，要满足ε_α≥1条件，在IP多流传动中，当实施曲率效应和提高接触密度时会限制结构挠度。

这里作为样机所采用的轮齿端面连接的混合啮合齿轮传动(茹拉弗列夫Г.А.俄罗斯专利№ 1571330，国际专利分类(МПК)F16H55/08，1988年04月25日，1990年第22期公报)是人们所熟知的。该齿轮传动建立在以混合IP运动学原理和接触弯曲率效应的基础上。IP传动的各端面齿形具有渐开线(准渐开线)段和极点外片状和/或点状连接弧形段(齿顶为凸出的和齿根为凹入的)，而且，段和段之间在极点外线段(α＝α_k＝α_1a)的各理论接触点上互相连接并在齿根的理论接触点上形成拐点。渐开线段建立啮合独立相，其端面重叠系数为ε_α≥1，而在各交界点上(在拐点两侧)具有不同的齿形接触形状(由凸凹形到双重凸出形)。

该传动在整体上具有不存在轴向重叠条件的初始线性接触(НЛК)型接触，其特点是实现了弯曲率效应，接触密度得到增长(达到在极点外啮合相期间达到初始线性接触(НЛК))，混合啮合以及轮齿端面和纵向形状的结构挠度的超加和性水平也得到了提高，改善了啮合动力学指标、磨合性、耐磨性与振动声学的配合，并且改善了负载能力，提高了齿轮传动的工作寿命。

已知传动结构挠度的局限性(轮齿端面和总重叠的条件为ε_α＞1且ε_γ＞1)阻碍了在各种啮合相期间接触密度(啮合角α_tw和/或极点外点状连接段的高度值)的增加并阻碍了混合啮合超加和性水平的提高。

发明内容

本发明的基本目的是采用最大程度地适应在不同啮合相期间的接触曲率效应的一系列运动学原理来增加齿轮传动的结构挠度和各齿的接触密度，以便提高齿轮传动的质量指标。

采用下列办法可以解决所提出的任务，即端面齿形具有高接触密度的片状和/或点状连接极点外的弧形段(其中，齿顶凸出半为径ρ_a且齿底凹入半径为ρ_f，理论压力角为α_κ)。这些弧形段与其他段(例如，渐开线段)平滑连接，并在不连续相互连接角方向存在轮齿端面齿形相互连接相的间断。在此情况下，一对端面齿形的至少一个不连续相互连接的相是借助极点外凸凹线段的接触而形成的。这里和以下的齿轮传动沿各齿凸凹线段相互作用的各端面齿形具有不连续相互连接相。具有这种相的各齿轮传动被称为不连续传动，这种齿轮传动只有在一些个别的啮合相中或者是呈片状线段的啮合相中，成对轮中的每个轮所具有的端面重叠角小于角距的情况下，可以满足运动学上的端面齿形的正确啮合。对齿的端面的和纵向的形状不用形成齿轮共轭的传统原理的叠加限制时，会产生回转传动中的构造不均匀性，但是在各齿的端面相互连接相中，通过各齿形形状的特殊性，可以补偿这种不均匀性。首先，传动的周期偏差和运动偏差可与实际的渐开线传动的允许错误在程度上相当。其次，由于沿极点外弧形段处的各齿的端面相互连接并且由于在动力啮合中接触曲率各效应的影响，一方面，得以在运动准确性方面、在各齿接触(传动轴线位置)方面以及在操作平稳性(齿啮合频率的周期误差)方面降低对传动的要求；另一方面达到了平稳工作、良好的接触斑点、降低齿撞击速度、降低动态载荷和声振动效力、增加载荷能力和使用寿命的效果。对于具有任意纵向形状的各个齿，在端面齿形重新连接段接触的交界点或者理论点上各啮合相之间，被引入的间距越大，则相互作用的齿轮圆周速度有可能就越低，并且各点状连接段的高度尺寸也越大。

可以在混合啮合的超加和性效应的基础上，用渐开线段参数不同的变化来增加极点外线段的接触尺寸和接触密度(借助于降低渐开线段尺寸，但不增加的值)。但是，重要的是，这个任务可以通过改变齿圈的各同名啮合相(改变角度为τ_p1，2，直到渐开线段完全去除)来解决。做法是，对具有多流单元的不连续齿轮传动而言，具体讲，对呈捆绑状相互连接的各组合轮，在圆周方向上的两个或者更多个的直齿、斜齿等同轴齿圈端面齿形啮合的各同名相，进行相对改变，不连续齿轮传动，包括按照不同成对相互作用的齿圈各齿。做不连续相互连接的组合和带有相邻各点之间大约有相同的角距，该齿轮传动还具有每个轮的所有齿圈的端面齿形的垂线(在各有效段的理论触点K或者在区别性线段处，例如，各中间点或者各交界点上)对该轮端面的投影，该投影的初始线与上述的相邻各点相交。也就是说，不连续齿轮传动还具有各相邻点之间具有大约相等的角距与对每个轮的所有齿圈的端面齿形的垂线(在有效段的理论接触点K或者有代表性的点处，例如，中部点或者交界点上)对端面投影的初始线相交。各齿不连续端面相互连接的角度值由关系式选取。各齿的运动理想接触线在组合轮宽度和在其各齿的高度方面，在各种线段上和不同的啮合相中，断续地显现出来。这与各传统传动，在各齿的各表面上的接触线或者各接触点处，在齿高(在渐开线直齿传动中)或者在齿宽方面(在诺维克夫传动中)的连续位移是有区别的。

提高相互连接相分配的均匀性会增加不连续传动工作的平稳度，包括在齿轮被制成为双齿圈轮时。改进的各齿的整体形状(端面与纵向形状的组合)可以达到任何其他啮合都达不到的高水平的接触密度，而且在啮合中不存在轴向作用力。这充分体现了各齿线性接触的优越性和极点外啮合的动态潜力，最大地体现了不连续啮合的优越性。每对齿在啮合过程中，运动接触参数关系变化小，不存在具有比较低的结构挠度端面齿形的渐开线段、不存在各齿纯滚动的极点相，并且由于具有高接触密度，因而改善了传动的抗磨损性和磨合性能、降低了传动的声振能力、降低了对工艺和刚度的几何偏差的敏感度。类似的不连续啮合的做法，适用于各种多流结构，包括适用于行星齿轮机构。在任意总重叠系数条件ε_γ＝ε_α+ε_β(式中，ε_α和ε_β-各齿的端面重叠系数和轴向重叠系数)下，要将传动设计成各齿端面重叠系数小于1或者等于零。

推荐使用不连续传动的极点外方案IP(例如，圆柱形的、圆锥形的或者蜗杆式的)，即端面齿形要具有小尺寸的工艺线段，而且成对轮的一个轮的齿形的小尺寸凸出的工艺线段的上部交界点位于各齿顶，而相互作用齿形的渐开线(准渐开线)段形成极点外或者极点内的啮合。在IP极点外传动中，消除了弱极点线段，保留了IP不连续传动的主要优点，从而传动工作的磨合性和可靠性得以增加(尤其当ε_β＝0时)。另外，在极点外不连续IP传动中，达到了各齿的齿顶和齿根接触强度的修平效应和所谓的“齿顶”效应。当ε_β≥0.5时，通过各角的关系式

确定啮合条件，而当ε_β＜0.5时，应将上述关系式相应降低到≤0.2。

特别是对于锥形传动和准双曲线传动以及其他传动(在运行过程中，具有变化轮轴线相对位置的传动)，要这样设计不连续传动，以使各相同的初始轮廓的每个极点外弧形线段根据不同的定律混合并相切，并在各理论接触点上形成拐点，而且齿根和齿顶的极点外线段互相平滑地连接(例如通过渐开线段)，或者在具有断面角α_c的点上共轭。传动可以形成为在各理论接触点上具有不连续相互连接并且具有减少的总重叠系数ε_γ(例如，当ε_γ＝0时)。不连续端面相互连接的各角度值可以由关系式选择。由于理论接触点两侧的各线段曲率具有相反符号的传动，因此这样的传动实际上对于轴间距偏差(Δα_w＞0)是不敏感的。

在不同的不连续传动中，成对齿形点连接的极点外线段在各压力角超过理论压力值α_κ的区域有可能被平滑的曲线外切，这些曲线靠近圆周弧线，该弧线接近曲率半径值(如果各几何参数和安装参数的允许偏差取为相当于圆柱形轮或者锥形轮的轴向装置轴心线间距的增加)。用这种做法，一方面，可以在选择端面齿形点连接极点外线段曲率半径值时运用运动原理，而且这种选择具有独立性，即在传动中与相当于轴线间距变化(量)的几何偏差(量)无关；另一方面，对于α≥α_k的各齿段，这些偏差只确定实际的(最大限度达到的)接触密度(直至表面接触)(即在各齿最重要的相互连接相期间)，该接触密度等于每个随机显示的偏差水平和等于啮合时实际的侧面间隙值。为了增加点连接段的高度尺寸，例如，在一个转动方向上增加，必须将不连续转动的齿形形成为不对称的端面齿形。

本发明提高了轮齿接触的结构挠度和密度，降低了啮合对几何偏差的敏感度，因此可以得到以下优点：低水平的接触(表面和深度)和弯曲应力及接触温度；最少的轮齿数量和更为完善的齿轮组合条件；降低支撑载荷的轮齿形状；特别轻便的齿轮结构；降低的声振效力(1-4dBA)，减少的外形尺寸、重量、金属耗用量和成本，对润滑油、齿轮强力传动的导热要求程度的降低；制造工艺的简化；磨合性能，有效系数

，高速性，载荷和过载性能(提高到2倍)和寿命(提高到10倍)的提高。该要求保护的技术方案符合“新颖性”标准(N)，其中引用了产生不连续齿轮啮合的独创的运动学原理。本发明符合《发明水平》标准(IS)：它的规则不明显但也未陷入传统方法之中，包含了啮合基本定律。该要求保护的技术方案符合《工业可行性标准》(IA)，因此可以更广阔地使用，而它的开发也不要求制造结构工艺根本上的改变。

附图说明

本发明的其他目的和优点将从下面的具体实施例和附图中而变得更明了：

图1概括地描述了根据发明而做出的单个流(flow)齿轮传动，其中，其截面以端面平面示出的齿轮在轮齿端面齿形的渐远(recess)相期间相互作用处于运动啮合中。

图2概括地描述了根据发明而做出的处于运动啮合中的多流齿轮传动，其中，齿轮沿三个啮合区域(C，D和E)相互作用。

图3概括地描述了根据发明而做出的处于运动啮合中的多流齿轮传动，这些齿轮沿三个啮合区域(C，D和E)相互作用，这些齿轮通常由具有三个共轴齿圈(它们的截面以不同的端面平面示出)的组合轮表示。

图4概括地描述了具有成对轮的单个流齿轮传动在轮齿端面齿形的渐远相期间处于动力啮合。

图5示出了具有整个轮圆柱体的单个流圆柱形齿轮传动的轮齿动力相互连接相。

图6描述了具有组合轮的传动，每个组合轮包括四个齿圈并且它们具有相对不一致的位移。

图7示出了具有组合轮的圆柱体多流传动的轮齿动力相互连接相。

图8示出了在轮齿侧表面上具有积分接触斑点的极点外传动三齿圈组合齿轮的部分图。

图9示出了在一个点上(例如，用于啮合渐近段)通过小尺寸工艺段(例如，用于啮合渐远段)与渐开线段连接时的具有两个类型的点-连接弧形段轮齿传动的一对不相同的初始轮廓。

图10示出了具有点-连接弧形段的极点外传动轮齿的一对不相同的初始轮廓，该弧形段通过小尺寸工艺段同极点外渐开线段连接。

图11示出了具有点-连接弧形段的极点外传动轮齿的一对不相同的初始轮廓，该弧形段直接(在接触处)同极点外渐开线段连接。

图12示出了具有曲率交变符号的点连接段传动的一对初始齿廓。

具体实施方式

根据发明而形成并在重载荷驱动中使用的圆柱形齿轮传动(图1)是由以角速度ω₁和ω₂转动的齿轮1和2(其中，轴O_1，2和圆周满足：节距、齿顶和齿根的相应的半径分别为r_w1，2、r_a1，2和r_f1，2)组成的。以下，参数符号标记1和2分别表示成对的轮1和2。

齿圈1°和2°上的相互作用的轮齿3-4和5-6的端齿形面的侧面包括极点外点-连接弧形段8和7，9和10(其中，齿顶凸出半径为ρ_a且齿底凹入半径为ρ_f，理论接触点为K₁、K₂、...，K₈且压力角α_k＝α_tw)，以及在图中用虚线表示的能在点K_{3，4，5，6}处相互平滑连接的渐开线段(其中，半径r_b1，2主要圆周和啮合角α_tw)11和12(分别位于圆周的下边界点和上边界点之间，半径为r_ep1，2和r_eg1，2)。在图1中表示的来自啮合相的轮齿5和6在点N2处接触，该点与7和8型极点外段的理论接触点K₁和K₂相吻合，还与11和12型渐开线段限制点相吻合。在进行单流传动且具有齿圈1°和2°的轮1和2为整体式时，轮齿端面重叠角数值上要小于角距τ_1，2，该轮齿端面重叠角

是从啮合线L₁L₂的点N₁处的轮齿5-6(在点K₇-K₈处)的啮合相(通常在图1和图4上通过型面13-14和15-16段示出)到点N₂处的未啮合相之间的角。此时，下一对轮齿3和4的端面齿形没有互相接触且形成端面相互连接(具有相间断)的不连续相(只有在个别的点N₁和N₂上相互连接)，例如角

在轮齿具有任意纵向形状的情况下，当端面重叠率ε_γ＝ε_α+ε_β＜1时，轮齿端面重叠系数ε_α＜1。由于不再采用重叠(诸如ε_α≥1或ε_γ≥1)的传统条件，在这样的传动里，点-连接段7-8和9-10的高度尺寸和/或渐开线段啮合角α_tw数值增加，从而导致了在所有(或最主要的)啮合相期间，轮齿接触密度提高，接触弯曲率的增大且混合啮合超加和性提高，结构挠度和传动载荷性能增强。例如，在混合啮合的IP圆柱形直齿传动中，ε_α从ε_α＝1.2减小到ε_α＝0.944，致使啮合角α_tw从α_tw＝23°增加到α_tw＝27°，而齿轮z₁＝11的齿顶点-连接段高度允许从0.116m增加到0.387m(其中，m-轮齿模数)。

当极点外点-连接段的尺寸和作用继续增加同时通过降低结构挠度而使端面齿形渐开线段的尺寸减小(或完全取消)时，导致形成具有轴O₁的中心轮1和与三个轮2(2′，2″和2″′)作用的同轴冠状轮1c(为清楚起见，未示出其轮齿)的多流(图2)不连续传动，轮2(2′，2″和2″′)安装在不同的轴上(O₂′，O₂″和O₂″′)并形成三个动力流(沿C，D，E区域)，其中轮1与轮2′，2″和2″′的啮合相具有相对位移(shift)。为了方便分析啮合位移相，在图3中概括示出了具有在三个啮合区域(C，D和E区域)相互作用的齿轮的多流传动，齿轮以具有同轴齿圈1′、1″、1″′和2′、2″、2″′(它们的截面在不同端面平面上示出)的三齿圈组合轮1和2标示出，而且齿轮相对位移角τ_p1，2均等。当基准线在理论接触点K′_1，2处的端面法线经过啮合极点P时，齿圈1′和2′(接触点K′_1，2)的轮齿5和6在点N₂上相接触(图3)。轮齿的端面齿形沿点-连接(一个轮的轮齿齿顶凸出，并且与它成对的另一个轮的轮齿根部凹入)段23和26，25和24不连续(当

时)形成极点外啮合相。随着这些点与啮合极性点P(例如，对于轮2的轮齿而言的点P¹，P²...，P⁷)依次重合，不连续端面相互连接角仍然交替：

(从齿圈2″′的轮齿22的齿根到齿圈2″的轮齿20的齿顶)，

(从齿圈2″的轮齿20的齿顶到齿圈2″的轮齿18的齿根)，(从齿圈2″的轮齿18齿底到齿圈2′的轮齿齿顶)等。

在轮齿的工作形面之间产生的运动学啮合间隙在动力啮合(当转动力矩T_1，2≠0时)中进行部分(或全部)选择。在单流传动(图4中描述了啮合渐远相期间的变形轮齿5和6)中，主动轮的齿距减小(τ′₁＜τ₁)，而从动轮的齿距增加(τ′₂＞τ₂)，因此可能产生轮齿3和4在点K_t的初始切线的边缘(或接近边缘)产生接触。根据极点外的点-连接段的几何参数和传动载荷水平点K_t可以落在轮齿3(图4中示出)端面齿形的渐开线段12上或其凹入段10上。在任何情况下，点K_t都沿轮齿3端面齿形向下移动(轮齿轮转动和轮齿3-4载荷水平的增加)，而在凸出段9和凹入段10形成紧密接触，直到切点运动方向改变为相反方向(沿齿3端面齿形向上)并使它同理论接触K_3，4和啮合线L₁L₂(从轮齿3端面齿形的拐点K₃各个面形成凸出-凹下和双凸出接触)工作段N₁N₂的初始点N₁相吻合，再接下来移动到渐开线段8和9接触上限点K₅和K₆。齿轮接触的密度在进入啮合过程中增加(其中，载荷水平增加到最大)，在脱离啮合过程中(其中，载荷水平减小到0)减小。

当轮齿3和4处于动力啮合相时，在点N₁处的轮齿5-6的工作型面之间形成间隙。在载荷作用情况下变形轮齿3-4和5-6的齿距增加(τ′₁＞τ₁)或减少(τ′₂＜τ₂)，以此来补偿这个间隙，而在轮齿5和6之间产生紧密接触。轮齿5-6的动力啮合过程(在点N₂运动相互连接之后)与轮齿3-4的啮合渐近过程相似，但进行次序相反。增大了接触密度的轮齿工作型面段(图5)产生平滑的不连续相互连接(啮合刚度没有急剧变化)。应力线27和28示出轮齿3和4，5和6的标准接触应力与应力线29和30的比较，正常的接触应力对轮齿齿顶工作型面点-连接段的小高度尺寸的轮齿边缘接触而言则是典型应力。该应力线很高质量地指出了轮齿接触中闪燃点的比值。当两轮对的轮齿具有凸出-凹下接触而没有渐开线段时，载荷重新配置的基本周期与最佳相相吻合。利用端面齿形的极点外点连接段在动力(多对的和单对的)咬合啮合相中具有初始线性接触(当β＝0时)或者具有IP混合咬合啮合范围内的初始线性接触(当β≠0时)，，从而提高了效率，有效系数

和磨合性能，降低了传动声振效力水平、接触几何偏差的敏感度和传动滞动的风险。

在多流传动中轮齿端面相互连接参数的改善，降低了频率振动激励zNP(其中，z-齿圈里的轮齿数；P-在成对的多齿圈组合轮中同齿圈啮合相的位移相互作用的对数；N-轮齿工作型面上的弧形段数量)，轮齿(33-34，35-36，37-38，39-40，41-42，43-44等)沿着各成对相互作用的齿圈达到了轮齿的不连续相互连接的组合(图6中看不到的轮齿型面段只在4齿圈齿轮2的左部分用虚线引出)，并且在从每个轮的初始线到端面平面的所有齿圈的理论接触K′_1，2...K″″_1，2里在工作型面标准线投射的交叉相邻点之间有相同的角距离

而且总重叠系数ε_γ＝0；此时，工作型面45包括两个极点外的弧形段46和47，而依次相互作用的一对齿圈τ_p1，2的轮齿端面齿形啮合同名相的相对位移角数值的选择(如 ${\mathrm{\τ}}_{p\mathrm{1,2}}^{1-2}={\mathrm{\τ}}_{p\mathrm{1,2}}^{3-4}=0.5{\mathrm{\τ}}_{q\min \mathrm{1,2}}$ 和 ${\mathrm{\τ}}_{p\mathrm{1,2}}^{2-3}={\mathrm{\τ}}_{p\mathrm{1,2}}^{4-1}=0.5{\mathrm{\τ}}_{q\max \mathrm{1,2}}$ )取决于在具有初始线理论接触(图中一些点K″″₂标定为K₂)中的单独齿的齿圈工作型面标准线交叉连接点ρ_a和ρ之间的角距离数值的最大参数τ_qmax1，2＝3/4τ_1，2和最小参数τ_qmin1，2＝1/4τ_1，2，并从如下关系式中确定：

(τ_pmax1，2-τ_pmin1，2)/τ_qmin1，2＝1，若τ_1，2/(Pτ_qmin1，2)≤1；(1)

τ_pmax1，2≈τ_pmin1，2，若τ_1，2/(Pτ_qmin1，2)＞1；(2)

而轮齿不连续端面相互连接角数值从下面关系式中选择：

组合多齿圈齿轮(具有点K′₂和K″′₂处工作型面标准线投射的与极性点P不吻合的初始圆周交叉点P₀和P₁)的轮齿33-34和35-36的动力相互连接(图7)齿圈1′-1″和2′-2″相对位移数值发生变形变化时产生，该变化指从点K′₁和K′₂( ${\mathrm{\&tau;}}_{p1}<{\mathrm{\&tau;}}_{p1}^{1-2}$ 且 ${\mathrm{\&tau;}}_{p2}>{\mathrm{\&tau;}}_{p2}^{1-2}$ )的重合相(图6)到图7中表示的齿轮1和2的位置，并且 ${\mathrm{\&tau;}}_{p1}>{\mathrm{\&tau;}}_{p1}^{1-2},$ ${\mathrm{\&tau;}}_{p2}<{\mathrm{\&tau;}}_{p2}^{1-2}$ -从这个位置到点K″₁和K″₂的重合相。因此，轮齿33-34(离开运动啮合相后)和轮齿35-36(还未达到运动啮合相)仍保持动力接触。接触应力线31和32的应力线说明了线29和30底面上接触相对于小高度尺寸的极点外点-连接段接触而言密度增加。通过从公式(1)中求得的四个圆盘(每个圆盘具有成对组合轮)借助轮齿的接触的不均匀(匀速)位移 ${\mathrm{\&tau;}}_{p\mathrm{1,2}}^{1-2}={\mathrm{\&tau;}}_{p\mathrm{1,2}}^{3-4}=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{1,2}}}{8}$ 和 ${\mathrm{\&tau;}}_{p\mathrm{1,2}}^{2-3}={\mathrm{\&tau;}}_{p\mathrm{1,2}}^{4-1}=\frac{3}{8}{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{1,2}}$ 提供了与表面分配相近的初始线轮齿的不连续相互连接相的均匀(匀速)分配

具有三齿圈组合轮的圆盘型齿圈的齿圈48，49和50(图8)通过库尔维克端面联轴器元件51相互位移并相互连接。销钉52用于将轮固定轴上。在各种齿圈轮齿53，54和55的侧表面上可以看见具有按轮齿齿根和齿顶56和57，58和59，60和61划分的整个接触斑点(在成对轮短时动力转动之后)。

由于上述工作的完成消除了极性相和渐开线啮合段，因此明显增大了端面齿形点-连接段的尺寸，并提高了传动载荷性能。

为了提高IP型不连续传动的耐磨损性，轮齿62和63的成对初始轮廓侧面型面(图9，其中：m-轮齿模数；j_n-侧间隙系数)包括了具有与两个主要极点外弧形段66-67(当α′_k＝α′_1a＝α时)和68-69(当α_1a＜α_k，α_1a＜α时)平滑连接的型面角α直线形(渐开线)段64和65。通过小尺寸工艺段70(轮齿62的齿根)和71(轮齿63的齿顶)实现连接。在点K₁和K₂处沿渐开线段的轮齿相互连接相被具有点-连接段68-69接触K₀的两段间隔q_min和q_max分开。

根据成对初始轮廓72-73(图10)通过渐开线(直线形)段74和点-连接段75和76(其中，理论角α_k＞α_1a)完成极点外传动IP，段相互间通过轮齿型面的小尺寸工艺段77和78连接，以便相互作用的轮齿型面的渐开线段74形成极点或极点外啮合相，在K1点(与实际齿轮型面上限点a相一致)上和K₂上，用具有点-连接段接触的两个间隔q_min和q_max分开相互连接相)。这样，提高了啮合IP的结构挠度-从操作中按接触相互作用运动学除去减弱的极性段，以便在保留ε_α＜1传动IP的主要优点的同时，增加其工作的可靠性和磨合性能。除此之外，在极点外传动IP中，显现出成对轮的一个轮对中的齿72型轮齿齿顶和齿根的接触强度效应，所谓的“齿顶效应”也更完整地得以实现，即，具有任意纵向形状的轮齿成对轮可以通过啮合加强(根据轮齿接触弯曲率)极性内(或极点外)来形成，甚至还可具有更大硬度差的轮齿。

具有小尺寸工艺段C₁C₂和C₃C₄的IP型极点外不连续传动的轮齿断面80和79(图11)的型面形成方法是，让一个轮对的轮齿型面的小尺寸凸出工艺段的上限点C₂位于齿顶，而相互作用轮齿型面的渐开线段81和82形成具有部分两对啮合和具有沿点-连接段83-84(相K₀)和85-86(相K₁)相互连接的极点和极点外啮合相。这样，部分双对传动IP具有三个最有特点的啮合周期，即一对啮合，双对啮合和啮合重叠不足Δε。点K₁中的点-连接段端面啮合相位于相邻轮对的渐开线段K₃和K₂啮合限制点之间，即在一个轮对渐开线段啮合K₃出口到顺次轮对渐开线段啮合K₂入口处。各齿的不连续相互连接与渐开线的极点内啮合和极点外啮合以不同的运动方式相配合，改善了声振指标，特别在高速度传动中提高了IP型极点外啮合效应。

对于在使用过程中具有变化的轮轴相对位置的极点外不连续传动形成没有啮合的渐开线相，而相同初始轮廓87-88的成对型面(图12)的每个主要段按各种定律外切线段89-90和91-92，93-94和95-96描述了形成与齿根和齿顶端面齿形主要弧形段理论接触K相吻合的拐点，齿根和齿顶在带有型面角α_c的点C中连接。在具有双弯曲形状轮齿端面型面的啮合极点在运动减弱区内具有增大的相互出口，而具有间隔q_min的段89-90和95-96在点O₁和O₂中的轮齿相互连接相的特点是具有良好的型面形状。间隔q_max包括啮合极性相附近的相互连接段91-92和93-94。从运动学上来讲，这样的传动具有在具有总重叠系数ε_γ＝0的在理论点K中的正确的啮合。

在不同的非连续传动中，原始齿形对的型面在大于理论压力角值α_k的压力角范围内点连接的极点外段(比如89-90和95-96)，其理论参数误差等于轴间距的增加量Δα_w＞0，而型面在大于理论压力角α_k的压力角范围内的主要极点外弧形工段可以用曲率半径近似于工艺值的平稳圆弧曲线来描述如下：

$\mathrm{\&Delta;\&rho;}=\frac{f_f}{\sin ({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }-{\mathrm{\&alpha;}}_k)},$

其中，f_f-齿廓公差；Δρ＝ρ_f-ρ_a；ρ_a，f-型面的曲率半径，分别对应于相互作用的齿的成对原始齿形凸凹接触工段；α_max-齿尖型面的最大角。由于此种非连续传动，因此能够提高齿在重接阶段内的接触密度以及降低啮合对几何偏差的灵敏度。比如，在图12的锥形(或圆柱形)传动中，这就使接触在端部型面高度上的位置完全取决于轮轴向安装位置(轴间距)的实际变化，若其中心在齿高度上的初始位置不变，轮轴向安装位置(轴间距)的实际变化越大，整体接触就越多地处在K点处(在图12中，用箭头S来标出)。在这样的传动中，齿的实际接触紧密性是随机误差(等于轴间距变化)的函数可以达到极限高(直至达到初始面接触)。利用推导公式选择Δρ值，91-92和93-94工艺段的接触紧密性可以得到稍微提高，但其接触紧密性的实际增长完全是有限的，因此这些工段参数的选择更应该考虑到齿在啮合极点啮合阶段不能出现接触破坏(在间隙双面凹的情况下)或者啮合角的增大(当极点内是渐开线啮合时)。

圆柱形(直齿形、拱形和斜齿形)的、螺旋形及锥形(具有圆齿)的传动试验表明，可以明显降低产品的成本(依靠降低对轮齿材料合金度、化学热处理和精处理的要求来实现)，其中包括，对于m＝2.5-10mm模件的圆柱传动(整轮和组装钢轮)而言，降低成本，同时：扩大负载能力(当H_surf≥HRC57，

ε_β＝0，ε_γ＝0.915，时，增大1倍；当三齿圈组合轮H_surf≈HB320，z_1，2＝29，ε_γ＝0时，增大0.9倍)；延长无故障工作时间(当H_surf≤HB320，

ε_β＝1.96，ε_α＝0.865时，是原来的10倍以上)；降低噪声级(当H_surf≥HRC58，

ε_β＝0，ε_γ＝0.914时，减小3-4dBA)；对于无间隙啮合和具有轮对轴线偏斜的γ＝1.45·10^-3的径向结合极限条件下，不发生传动抱死现象(H_surf≈HB320，

ε_β＝1.429，ε_γ＝2.367)；降低宽齿圈斜齿传动的轴线尺寸，当H_surf≤HB320，

ε_β＝1.176，ε_α＝0.865时，从150毫米降至90毫米，降低了1.67倍。

该齿轮传动可以用于各种技术工程项目，也可以应用于各种人类活动范围。它可以制成圆柱形、锥形、双曲面、螺旋形、蜗杆传动，而它的齿轮可以制成整体的或者是组合的，具有任意纵向齿形。

该项发明解决了改善动力传动指标的实际问题，提高负载能力(可达到原来的2倍)、寿命(可达到原来的10倍)、高速性、效率和耐磨性；降低啮合的动态(振动噪声)活性(1-4dBa)，降低对几何形状工艺和失真偏差的敏感性；简化生产制造工艺；降低外形尺寸、重量、金属用量及成本；减小运营费用(其中包括，对润滑和导热的要求等级)和传动卡住的风险。本发明提高齿轮啮合的结构挠性，并具有广泛的使用范围，适用于各种运输机械、机床制造、减速器制造及其他机械制造领域。

Claims (4)

1.一种齿轮传动结构，由齿轮对(1，2)构成，其中，相互作用的齿圈(1°、2°；1′-2′，1″-2″)的轮齿节距角为τ_1，2，依次相互作用成对的齿圈(1′-2′，1″-2″)的同名啮合相的相对角位移为

所述齿圈的端面齿形包括在齿顶凸出并在齿根凹入的点共轭的极点外弧形线段(8、10；9、7)，所述极点外弧形线段互相平滑连接或者与其他渐开线段(12、11)平滑连接，所述极点外弧形线段的理论接触点为K_3，5和K_4，6，K₁和K₂，

其特征在于，相互作用的齿圈形成为在齿相互连接相之间产生间隙，所述间隙等于从轮齿端型面(5，6)相互作用结束点N₂至下一轮齿对(3，4)的端型面相互作用开始点N₁的不连续相互连接角，当

时，不连续相互连接角为

当时，不连续相互连接角为

端重叠角

小于节距角τ_1，2或相对角位移此种情况下，至少，通过在轮齿齿顶处凸出而在齿根处凹入的极点外弧形线段(9，10)形成所述轮齿对端部不连续相互连接的至少一个相，且所述齿轮传动结构具有的轮齿端部重叠系数为ε_α＜1，总重叠系数ε_γ＜1。

2.根据权利要求1所述的齿轮传动结构，所述齿轮传动结构由包括有相互连接的组合轮的多流元件形成，所述组合轮具有两个或更多个同轴齿圈，所述同轴齿圈可为直齿齿圈(1′、1″、1″′、1″″，2′、2″、2″′、2″″)，其中端面齿形同名啮合相沿圆周方向产生相对位移；

其特征在于，所述齿轮传动结构具有不同成对相互作用齿圈的各齿(33-34，35-36，37-38，39-40，41-42，43-44)进行不连续相互连接的组合，并且每个齿轮的起点线至其端面所有齿圈在理论接触点K处或在有效线段的有代表性的各点处的端面齿形法线投影与所述齿轮端面相邻交点之间的角距近似相等，总重叠系数ε_γ＝0；而各齿不连续端面相互连接角度值由关系式

确定。

3.根据权利要求1所述的齿轮传动结构，为圆柱形，锥形或蜗轮传动，所述齿轮传动结构基于具有轮齿端面齿形渐开线段(74)的一对不同初始轮廓(72、73)，所述初始轮廓的每一个通过附加小尺寸工艺段(77、78)与至少一个极点外弧段连接((76，75)；

其特征在于，所述齿轮传动结构被设计成极点外式齿轮传动，其中，所述成对齿轮之一的轮齿端面齿形的小尺寸凸出工艺段(78)的上限点位于齿顶，渐开线段形成啮合的渐远或渐近相，而不连续端部相互连接的角度值由关系式

来确定。

4.根据权利要求1所述的齿轮传动结构，为圆柱形或者准双曲线弧形传动，所述齿轮传动结构基于初始齿型对(87-88)，所述初始齿型对的轮齿端面齿形包含有弧形段(91、92、93、94)，所述弧形段在齿顶处凹入而在齿根处凸出并被所述混合曲线外切，在极点外段的理论接触点K处形成拐点，

其特征在于，所述齿轮传动结构被设计成极点外式齿轮传动，其中，齿顶和齿根的弧形段(89、91，90、92，93、95，94、96)在具有齿型角α_c的分度齿根的中间拐点“c”处平稳连接，而不连续端面相互连接角度值由关系式

来确定。

Images