CN101225878A - 弧线齿面齿轮副及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种弧线齿面齿轮副，由弧线齿面齿轮(9)和对称弧线圆柱齿轮(8)相啮合而成，弧线齿面齿轮(9)和对称弧线圆柱齿轮(8)的几何外形沿齿长方向均为弧线齿形，并且两轮的弧线方向相同；弧线齿面齿轮(9)的齿形螺旋角在齿宽中点处为零度，沿齿长向两端逐渐加大，压力角在齿宽中点处等于刀具齿形角，其大小随截面位置的变化而略有不同；对称弧线圆柱齿轮(8)的齿形是沿齿宽方向的中央对称截面上保留了渐开线齿形，且螺旋角为零度，压力角等于刀具齿形角。传动中两轮的凹面与凸面相接触，保证了两齿面在齿宽中间为点接触，具有承载能力大、传动效率高、啮合性能良好、运转平稳和加工方便的特点，具有广泛的应用前景。

Description

弧线齿面齿轮副及其加工方法

(一)技术领域

本发明涉及传动机械领域，具体是一种弧线齿面齿轮副及其加工方法。

(二)背景技术

面齿轮传动副(Face Gear Drive)是一种圆柱齿轮与圆锥齿轮相啮合的齿轮传动，可以应用于两轮轴线正交与非正交的场合。当两轮轴线正交，即轴夹角γ＝90°时，圆锥齿轮的轮齿将分布在一个圆平面上，锥齿轮即成为面齿轮，从而泛称为面齿轮传动。由于面齿轮副在分流-汇流传动中的独特性，使其在航空领域的应用表现出了潜在的优势。面齿轮的分流-汇流装置与传统的弧齿锥齿轮分流-汇流传动装置相比较，结构简化，重量减轻22％，动力传输密度(单位重量所传输的动力)提高35％。目前，面齿轮传动主要集中于两种齿形的应用和研究：一是小齿轮是渐开线圆柱直齿轮，另一种是小齿轮是渐开线圆柱斜齿轮。

直齿面齿轮传动副结构相对紧凑，齿轮副的加工易于在经过改造的普通插齿机或滚齿机上实现，具有低成本的特性。其优点是直齿面齿轮传动不但可以应用于玩具、仪表、手工工具等低速轻载的场合，而且还可应用于高速重载条件下的航空动力传动装置的分流传动结构。此外，面齿轮传动工作过程中轮系振动小、噪音低、使用寿命长，由于在分流装置中小轮浮动安装，能够自定心，消除了轴向力，保证了对安装误差的低敏感性。具有螺旋角的斜齿面齿轮传动是在直齿面齿轮传动理论的基础上发展起来的，目前国外的研究还仅仅是处于理论探讨阶段，国内的相关研究工作也已经起步。与直齿面齿轮传动相比较，斜齿面齿轮传动的优点是接触齿面宽度较大、承载能力较高，接触线的长度从小到大逐渐接触，然后又逐渐分开，因此，运转较平稳，噪声较小。经过沿齿廓方向抛物线修形的面齿轮可以吸收由于安装误差所产生的线性不连续传动误差，减小振动和噪声。

直齿面齿轮接触迹线沿齿面的齿廓方向分布，边缘接触往往是不可避免的，在某一区域导致接触应力过于集中，齿面抗接触疲劳较差是其明显的缺点。斜齿面齿轮传动在一定程度上可以避免由于边沿接触而引起应力过于集中现象，但直齿面齿轮和斜齿面齿轮对于安装中的轴线误差比较敏感，理论上很小的轴线误差就能引起接触区转移到边缘，产生应力集中和啮合冲击，使齿轮迅速损坏。

斜齿面齿轮的加工往往需要对现有的斜齿轮加工机床进行改造，重新设计滚刀，研究加工工艺，其加工复杂是其明显的不足。另外，由于附加在轴承和机体上的较大轴向力，在许多情况下使斜齿面齿轮的应用还存在一定的困难。因此目前仍停留在研究阶段，商品化尚需较长的时间。

直齿面齿轮和斜齿面齿轮至今在国内尚未解决磨齿问题，因此硬齿面热后加工并达到航空齿轮的精度要求还有很长的一段路要走。

美国格里森公司在专利号为3915060的发明专利中(Method for cutting pairedof gears having arcuate tooth traces)首先提出采用大刀盘拉切齿法加工弧形齿线圆柱齿轮的方法，西安交通大学马振群在其博士学位论文《对称弧线圆柱齿轮的设计制造及关键技术研究》中提出利用具有刀倾角的双面刀盘展成法在多轴联动数控机床上切制对称弧线圆柱齿轮的思想，并对对称弧线圆柱齿轮副的啮合理论进行了详细的分析。

(三)发明内容

为了克服直齿面齿轮传动和斜齿面齿轮传动边缘接触，接触应力过于集中，加工成本高，普通机床与刀具难以实现加工以及磨齿等难以解决的问题，基于面齿轮啮合传动理论，本发明提出了一种弧线齿面齿轮传动副及其加工方法。

本发明是由大轮和小轮啮合而成的齿轮副，其大轮是弧线齿面齿轮，小轮是对称弧线圆柱齿轮。本发明中的弧线齿面齿轮和与之啮合的对称弧线圆柱齿轮的几何外形沿齿长方向均为弧线齿形，并且两轮的弧线方向相同。

弧线齿面齿轮齿面结构比较复杂，弧线齿形螺旋角在齿宽中点处为零度，沿齿长向两端逐渐加大，压力角在齿宽中点处等于刀具齿形角，其大小随截面位置的变化而略有不同；考虑到在加工过程中根切及齿顶变尖等问题，齿厚随截面位置的不同而变化，由小端到大端逐渐变大；齿顶高系数h_a ^*和顶隙系数c^*均取国家规定的标准值。对称弧线圆柱齿轮的特点是沿齿宽方向的中央对称截面上保留了渐开线齿形，且螺旋角为零度，压力角等于刀具齿形角。其它端截面处为近似渐开线齿形，螺旋角沿齿线向两端逐渐加大，压力角的大小随截面位置的变化而略有不同。

弧线齿面齿轮副在啮合传动过程中，两轮的齿面为凹面与凸面相接触，并且由于凹面的曲率半径略大于凸面的曲率半径，形成了实际上的凹-凸面之间的包容关系，保证了两齿面在齿宽中间为点接触，因此弧线齿面齿轮副啮合传动平稳，噪音小，并可以用点接触齿面的啮合理论进行分析和调整。这种齿轮啮合对于安装中的轴线误差比较不敏感，引起的接触区转移较小，不易产生边缘接触。

大小轮的凸-凹两啮合齿面为点接触，由于齿面在负载作用下产生弹性变形，使实际接触部分形成一定区域的面接触，载荷加大，则接触区沿齿线方向加长，而且由于凸、凹两啮合齿面曲率差较小，可相互包容，因而重合系数较大。同时，轮齿齿线曲率不为零，产生拱形效应，抗弯截面模量因此而增加，抗弯强度也随之增加。弧线齿的齿线为非测地线，在受弯曲应力时，可将部分弯曲应力转化为沿齿长方向的拉压应力，从而可使弯曲强度大大提高。由于齿轮副具有以上的啮合特性，所以在一定范围的安装误差或制造误差情况下，不会造成大的应力集中，因此弧线齿面齿轮有较高的接触疲劳强度。

小轮和大轮切齿均采用具有刀倾角的刀盘展成法。采用刀倾可以调整凸、凹两齿面的曲率，并且防止盘形端铣刀在加工过程中与面齿轮的轮齿发生干涉。弧线齿面齿轮加工步骤如是：

1.具有刀倾机构的数控齿轮加工机床或多轴联动数控加工中心上安装格里森刀盘，梯形状端铣刀固定在刀盘上，铣刀的内刀刃和外刀刃为直线。

2.面齿轮齿坯装夹，即将面齿轮齿坯水平或竖直装配在多轴联动数控机床的工作台上，并且可以绕自身的轴线作自由回转运动。

3.调整格里森刀盘的位姿，保证格里森刀盘的回转轴线与面齿轮齿坯的回转轴线有一夹角γ，此γ即为刀盘的刀倾角。

4.调整刀倾角，使γ，确定弧线齿面齿轮齿槽两侧凸面和凹面两齿面的曲率差。

5.编制数控加工程序。

6.以回转刀盘做平移运动时形成的弧线齿条与工件做展成运动，在齿坯与弧线齿条齿面相啮合过程中，内刃和外刃分别加工出面齿轮的两相邻凸齿面和凹齿面。

7.重复第6步，完成整个面齿轮齿面的加工。

作为本发明的一项优选方案，所述的大齿轮-弧线面齿轮可以是沿齿廓或齿形方向修形的。

由于本发明所采用的技术方案，使弧线齿面齿轮副传动比较其它齿面齿轮副传动动态啮合性能良好，齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度显著提高，使用寿命增长。同时，本发明中两齿面啮合为点接触，可以应用局部共轭理论方便地调整啮合特性(印痕)和动态特性(传动误差)。本发明可在具有刀倾机构的数控齿轮加工机床或多轴以上联动数控加工中心上用格里森刀盘进行切齿或磨齿，具有加工方便的特点。

本发明提供了一种采用弧线齿的面齿轮副的传动系统，承载能力大，传动效率高，啮合性能良好，运转平稳，既具有直齿\斜齿面齿轮传动的特点，同时考虑到加工方法的可行性和我国国防装备的需要的迫切性，因而具有广泛的应用前景。

(四)附图说明

图1弧线齿面齿轮几何结构。

图2弧线齿面齿轮副啮合示意图。

图3对称弧线圆柱齿轮展成原理图。

图4弧线齿面齿轮的展成原理图。其中：

1.弧线齿面齿轮小端    2.弧线齿面齿轮齿槽        3.轮齿凹面       4.轮齿凸面

5.弧线齿面齿轮大端    6.对称弧线圆柱齿轮凹面    7.对称弧线圆柱齿轮凸面

8.对称弧线圆柱齿轮    9.弧线齿面齿轮            10.刀盘          11.工件

12.工件回转运动       13.产形齿条移动           14.刀盘          15.工件

16.工件回转运动       17.产形齿条移动           18.端铣刀外刃    19.端铣刀内刃

(五)具体实施方式

本实施例的弧线齿面齿轮副主要是由一对相互啮合的弧线齿面齿轮(9)与对称弧线圆柱齿轮(8)组成。这里给出该传动系统的二种设计方案及其加工时的装配方案供参考。

实施方案一

设计条件：弧线齿面齿轮(9)与对称弧线圆柱齿轮(8)轴交角γ＝80°，模数m＝3.715mm，压力角α＝25°，传动比i₁₂＝3.821。两轴线偏置距离E＝0。

一、参考设计方案

本实施例是在空载条件下对弧线齿面齿轮传动副进行设计。经过计算，其中的小轮，即对称弧线圆柱齿轮(8)在对称中央截面处几何参数如下：模数m＝3.715mm，压力角α＝25°，螺旋角最大值β＝25°，齿数z₁＝28，分度圆直径d₁＝104.02mm，齿顶高系数 $h_a^{*}=1,$ 顶隙系数c^*＝0.25，齿顶高h_a＝3.715mm，齿根高h_f＝4.644mm，齿全高h＝8.359mm，齿顶圆直径d_a＝111.45mm，齿根圆直径d_f＝94.7325mm，基圆直径d_b＝94.274mm，齿宽b₁＝107.6mm。大轮，即弧线齿面齿轮(9)在中央截面处的几何参数如下：模数m＝3.715mm，中央截面处压力角α＝25°，螺旋角最大值β＝25°，齿数z₂＝107，齿顶高系数 $h_a^{*}=1,$ 顶隙系数c^*＝0.25，齿顶高h_a＝3.715mm，齿根高h_f＝4.644mm，齿全高h＝8.359mm，内径R₁＝91.34mm，外径R₂＝194.0mm，齿宽b₂＝102.6mm。弧线齿面齿轮9部分参数是以中央截面处为参考。

二、弧线齿面齿轮(9)加工

本实施例的加工过程是：

1.具有刀倾机构的数控齿轮加工机床或多轴联动数控加工中心上安装格里森刀盘(14)，梯形状端铣刀固定在刀盘上，铣刀的内刀刃(19)和外刀刃(18)为直线。

2.面齿轮齿坯装夹，即将面齿轮齿坯水平或竖直装配在多轴联动数控机床的工作台上，并且可以绕自身的轴线作自由回转运动(16)。

3.调整格里森刀盘(14)的位姿，保证格里森刀盘(14)的回转轴线与面齿轮齿坯的回转轴线有一夹角γ，此γ即为刀盘的刀倾角。

4.调整刀倾角γ＝10°，保证弧线齿面齿轮齿槽(2)两侧凸齿面(4)的法方向曲率为0.00781，凹齿面(3)的法方向曲率为0.00749，两齿面的曲率差为0.000321。

5.编制数控加工程序。

6.以回转刀盘做平移运动(17)时形成的弧线齿条与工件做展成运动，在齿坯与弧线齿条齿面相啮合过程中，内刃(19)和外刃(18)分别加工出面齿轮的两相邻凸齿面(4)和凹齿面(3)。

7.重复第6步，完成整个面齿轮齿面的加工。

本实施例中，弧线齿面齿轮沿齿廓或齿形方向修形。

三、弧线齿面齿轮通过键或胀紧联结方式与输出轴联结，两端轴承关于面齿轮对称布置。小轮与动力轴相联，悬臂浮动与大轮啮合。两轴线可正交，也可以非正交，可偏置，也可非偏置。小轮在动力轴的带动下绕自身轴线做回转运动，通过啮合作用，将动力或运动传递给弧线齿面齿轮，经输出轴输出。

实施方案二

设计条件：弧线齿面齿轮与对称弧线圆柱齿轮安装的轴交角γ＝90°，模数m＝2.54mm，压力角α＝25°，传动比i₁₂＝5，两轴线偏置距离E＝0。

一、设计方案

设计两轮安装轴线偏置距离E＝0。其中的小轮，即对称弧线圆柱齿轮(8)在对称中央截面处几何参数设计如下：模数m＝2.54mm，压力角α＝25°，螺旋角最大值β＝25°，选择齿数z₁＝20，分度圆直径d₁＝50.8mm，齿顶高系数 $h_a^{*}=1,$ 顶隙系数c^*＝0.25，齿顶高h_a＝2.54mm，齿根高h_f＝3.175mm，齿全高h＝5.715mm，齿顶圆直径d_a＝55.88mm，齿根圆直径d_f＝44.45mm，基圆直径d_b＝46.04mm，齿宽b₁＝50.1mm。大轮即弧线齿面齿轮(9)以中央截面处为参考几何参数如下：模数m＝2.54mm，沿齿向中央截面处压力角α＝25°，螺旋角最大值β＝25°，齿数z₂＝100，齿顶高系数 $h_a^{*}=1,$ 顶隙系数c^*＝0.25，齿顶高h_a＝2.54mm，齿根高h_f＝3.175mm，齿全高h＝5.715mm，内径R₁＝116.9mm，外径R₂＝162.0mm，齿宽b₂＝45.1mm。

二、面齿轮加工

1.具有刀倾机构的数控齿轮加工机床或多轴联动数控加工中心上安装格里森刀盘(14)，梯形状端铣刀固定在刀盘上，铣刀的内刀刃(19)和外刀刃(18)为直线。

2.面齿轮齿坯装夹，即将面齿轮齿坯水平或竖直装配在多轴联动数控机床的工作台上，并且可以绕自身的轴线作自由回转运动(16)。

3.调整格里森刀盘(14)的位姿，保证格里森刀盘(14)的回转轴线与面齿轮齿坯的回转轴线有一夹角γ，此γ即为刀盘的刀倾角。

4.调整刀倾角，使γ＝15°，保证弧线齿面齿轮齿槽(2)两侧凸齿面(4)的法方向曲率为0.0079，凹齿面(3)的法方向曲率为0.0076，两齿面的曲率差为0.0003。

5.编制数控加工程序。

6.以回转刀盘做平移运动(17)时形成的弧线齿条与工件做展成运动，在齿坯与弧线齿条齿面相啮合过程中，内刃(19)和外刃(18)分别加工出面齿轮的两相邻凸齿面(4)和凹齿面(3)。

7.重复第6步，完成整个面齿轮齿面的加工。

三、弧线齿面齿轮(9)通过键或胀紧联结方式与输出轴联结，两端轴承关于面齿轮对称布置。对称弧线圆柱齿轮(8)与动力轴相联，悬臂浮动与大轮啮合。两轴线可正交，也可以非正交，可偏置，也可非偏置。小轮在动力轴的带动下绕自身轴线做回转运动，通过啮合作用，将动力或运动传递给弧线齿面齿轮(9)，经输出轴输出。

弧线齿面齿轮副的二种参考设计方案所设计的齿轮副为点接触，可由局部综合啮合理论进行分析、验证，并可在具有刀倾机构的数控齿轮加工机床或多轴以上联动数控加工中心上进行加工，然后按照以上所述的装配方法进行齿轮副的安装，从而最终实现基于弧线齿面齿轮副的传动。

Claims (5)

1.一种弧线齿面齿轮副，其特征在于该齿轮副是由弧线齿面齿轮(9)和对称弧线圆柱齿轮(8)相啮合而构成，并且弧线齿面齿轮(9)和与之啮合的对称弧线圆柱齿轮(8)的几何外形沿齿长方向均为弧线齿形，并且两轮的弧线方向相同，其中弧线齿面齿轮(9)的齿形螺旋角在齿宽中点处为零度，沿齿长向两端逐渐加大，压力角在齿宽中点处等于刀具齿形角，其大小随截面位置的变化而略有不同；对称弧线圆柱齿轮(8)的齿形是沿齿宽方向的中央对称截面上保留了渐开线齿形，且螺旋角为零度，压力角等于刀具齿形角。

2.如权利要求1所述弧线齿面齿轮副，其特征在于弧线齿面齿轮(9)的齿厚随截面位置的不同而变化，由弧线齿面齿轮小端(1)到弧线齿面齿轮大端(5)逐渐变大。

3.如权利要求1所述弧线齿面齿轮副，其特征在于弧线齿面齿轮副在啮合传动过程中，两轮的齿面为凹面与凸面相接触，并且由于凹面的曲率半径略大于凸面的曲率半径，形成了实际上的凹-凸面之间的包容关系。

4.一种加工如权利要求1所述弧线齿面齿轮副的方法，其特征在于采用具有刀倾角的刀盘展成法，具体加工步骤是：

a.在具有刀倾机构的数控齿轮加工机床或多轴联动数控加工中心上安装格里森刀盘(14)，梯形状端铣刀固定在刀盘上，铣刀的内刀刃(19)外刀刃(18)为直线；

b.弧线齿面齿轮齿坯装夹，即将面齿轮齿坯水平或竖直装配在多轴联动数控机床的工作台上，并且可以绕自身的轴线作自由回转运动(16)；

c.调整格里森刀盘(14)的位姿，保证格里森刀盘(14)的回转轴线与面齿轮齿坯的回转轴线有一夹角γ，此γ即为刀盘的刀倾角；

d.调整刀倾角γ的大小以改变弧线齿面齿轮齿槽(2)两侧凸面(4)和凹面(3)两齿面的曲率差；

e.编制数控加工程序；

f.以回转刀盘做平移运动(17)时形成的弧线齿条与工件做展成运动，在齿坯与弧线齿条齿面相啮合过程中，内刃(18)和外刃(19)分别加工出面齿轮的两相邻凸齿面(4)和凹齿面(3)；

g.重复第f步，完成整个面齿轮齿面的加工。

6.如权利要求5所述加工弧线齿面齿轮副的方法，其特征在于弧线面齿轮沿齿廓或齿形方向修形。

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