CN1020300C

CN1020300C - 双向圆弧齿轮

Info

Publication number: CN1020300C
Application number: CN 91108062
Authority: CN
Inventors: 贾毅; 邵家辉; 毋荣亮; 田虹
Original assignee: TAIYUAN POLYTECHNIC UNIVERSITY
Current assignee: TAIYUAN POLYTECHNIC UNIVERSITY
Priority date: 1991-10-24
Filing date: 1991-10-24
Publication date: 1993-04-14
Anticipated expiration: 2006-10-24
Also published as: CN1060343A

Abstract

双向圆弧齿轮是一种动力传动用的分阶式双圆弧圆柱齿轮，特别适用于石油、冶金、煤矿、化工机械等中低速重载有冲击载荷的动力传动装置中，特征在于该齿轮在法截面内的齿廓为双圆弧齿廓，而在节圆展开后的节平面内齿线形状为圆弧曲线，在齿高和齿线两个方向双重凸-凹啮合，改善了齿面接触点领域附近的齿面结构，使接触面变的更宽，载荷分布面更大，大大降低了齿面接触应力和齿根弯曲应力，减少了震动和偏载，使齿轮寿命显著提高。

Description

本发明双向圆弧齿轮涉及一种动力传动用的分阶式双圆弧圆柱齿轮，是一种适用于工业应用的平行轴齿轮传动，特别适用于石油、冶金、煤矿、化工机械等中低速重载有冲击载荷的动力传动装置中。

根据齿轮啮合理论，符合要求的共轮齿面有相当的任意性，这就给齿轮齿形的不断发展提供了理论依据。单圆弧齿轮从1926年问世，直到1956年才开始在工业生产中得到应用，在1970年美国专利US.PNO.3533300又进而公布了一种分阶式双圆弧齿轮，保留并发展了单圆弧齿轮凸面对凹面接触，使接触应力比凸面对凸面啮合时大大降低并且易于保留润滑油形成齿面间油膜润滑的优点。另一方面使工作圆弧面成为齿顶高部分和齿根高部分具有反对称的两个圆弧工作面，双齿面接触的啮合过程中至少轮齿有两部分处于传递动力的状态中，负荷分担在两个齿面接触点上，因而提高了弯曲强度，两齿面的曲率半径差、允许齿轮中心距有较大的变动量，减小了对中心距的敏感性，在工业实践中得到了广泛的应用。但是在对该齿轮的研究，推广和应用过程中，人们逐步认识到双圆弧齿轮仍然存在着一定的缺陷。第一：双圆弧齿轮的弯曲强度低于接触强度，二者不相互匹配，影响双圆弧齿轮潜在能力的充分发挥。第二：双圆弧齿轮大多用于石油、冶金、煤矿机械等重载传动，采用单斜齿圆弧齿轮传动时，有较大的轴向力，因而通常采用人字齿圆弧齿轮传动，仅在齿廓方向呈圆弧曲线，由工艺要求退刀槽常常占整个齿宽的1/3～1/5，不仅增加了整个传动装置的总体尺寸和金属消耗量，而且使轴系跨度增加，刚度下降，一方面引起偏载使轮齿单边受力，另一方面啮合振动增加，从而加速了齿轮的失效。第三：按双圆弧齿轮啮合分析，啮合点沿轴向以较大的恒速滚动，啮入端引起很大的冲击，成为圆弧齿轮传动中的噪声源。

从描述轮齿形状来分析，齿形可以由两个方向截面中的曲线来描述，其一、用轮齿的法截面与齿面的交线描述齿廓形状;如渐开线、摆线、圆弧等齿廓形状。其二、用分度圆柱面和齿面的交线来描述轮齿在齿长方向的齿线形状。美国专利US.PNO3533300只是在齿廓形状上由单圆弧改为分阶式双圆弧齿廓，代替原来的渐开线齿廓，变凸面对凸面啮合为凸面对凹面啮合，虽然使接触强度有了很大提高和综合性能有了一定改善，但在齿线方向仍保留了单圆弧齿轮和渐开线齿轮的凸面对凸面接触的原有齿线特征，故影响了轮齿承载能力和传动特性的进一步发挥。

本发明双向圆弧齿轮的目的，就是着眼于通过改变双圆弧齿轮齿线形状，达到改善齿面几何结构和齿根截面形状，挖掘双圆弧齿轮在齿线方面的潜力，进一步提高承载能力，延长寿命和改善传动的动力学特性，降低金属材料的消耗、减小传动的总体尺寸。

本发明双向圆弧齿轮附图说明：

图1、本发明一对双向圆弧齿轮传动立体图。

图2、本发明双向圆弧齿轮节平面内展开图。

图中标号：1、齿廓 2、齿线 3、齿高 4、凸齿凸面、

5、凹齿凹面 6、凸齿凹面 7、凹齿凸面

图3、双向圆弧齿轮三维有限元分析网格剖分图。

图4、右旋内切刀片轴截面图。

图5、右旋外切刀片轴截面图。

图4、图5符号标注说明：

ρ₁-凹刃圆弧半径、ρ₂-过渡圆弧半径、

ρ₃-凸刃圆弧半径、ρ₄-刀顶圆弧半径、

r_c-连接圆弧半径、E₁-凹刃圆弧中心移距量、

E₂-凸刃圆弧中心移距量、F₁-凹刃圆弧中心偏移量、

F₂-凸刃圆弧中心偏移量、ha-刀齿齿顶高、

h_f-刀齿齿根高、

a-节线上刀刃点离刀齿中线距离、

b-工作刃部分刀齿宽度、B-刀齿宽度、

α_o-名义压力角、Φ-非工作面与刀齿中线间夹角、

D_o-刀盘公称直径、δ-工艺角。

本发明双向圆弧齿轮是一种传动用的分阶式双圆弧圆柱齿轮，其特征在于，该齿轮在法截面内的齿廓（1）为双圆弧齿廓，而在节圆展开后的节平面内齿线（2）形状为圆弧曲线，在齿高（3）和齿线（2）两个方向双重凸-凹啮合，凸齿凸面（4）与凹齿凹面（5）啮合呈椭圆一椭圆型啮合，凸齿凹面（6）与凹齿凸面（7）啮合呈双曲-双曲型啮合。

本发明双向圆弧齿轮其齿廓曲面由下列方程所确定：

x＝（ρsinα+E+r）cosφ+（Ectgαcosβ+ρcosαcosβ）sinφ

y＝（ρsinα+E+r）sinφ+（Ectgαcosβ+ρcosαcosρ）cosφ

z＝-（ρcosα+F-R）sinβ

φ＝1/r（Ectgαcosβ-Fcosρ+Rcosρ-R）

其中：α-工作齿面上点的压力角，E-齿廓圆心移距量，F-齿廓圆心偏移量，r-齿轮的节圆半径，r＝m_nz/2，ρ-齿廓圆弧半径，β-螺旋角，R-刀盘半径。

本发明双向圆弧齿轮，对于齿面硬度HB≥320时，接触强度和弯曲强度等强度的齿轮，其齿高系数可取值为1.40～1.60。

本发明双向圆弧齿轮，对于齿面硬度HB＜320时，接触强度和弯曲强度等强度的齿轮，其齿高系数可取值为1.80～2.00。

本发明双向圆弧齿轮，是应用数个具有圆弧刃形曲线的内切刀片和外切刀片，分别相间安装在格里森铣刀盘圆周上，使内切刀片和外切刀片在轴截面的迭合齿形为双圆弧齿轮基准齿形，刀盘旋转时，内外刀片刃形曲线形成圆弧齿条的一个完整产形面，采用双面精切方法，以单齿展成原理加工而成的。

按照附图3三维有限元分析计算和齿面曲率分析，当齿面硬度为HB≥320中硬齿面时，全齿高系数设计为近似1.45～1.60，当齿面硬度为HB＜320的软齿面时，全齿高系数设计为近似1.80～2.0，的齿形能实现接触强度和弯曲强度等强度传动，可充分发挥双向圆弧齿轮的承载能力。

最佳实施例1：

按照上述本发明双向圆弧齿轮设计一对双向圆弧齿轮传动，模数为Mn＝5.5mm，齿面硬度为HB＝255～280，齿高系数ha^＊＝1.80，在齿面描述方程中令r→∞可得到产形面圆弧齿条法截面的齿廓方程，即铣刀盘内、外切刀刃形曲线方程为：

x₁＝ρ₁Sinα₁+E₄

y₁＝ρ₁cosα₁+F₁i＝1，2，……8

E₄-第i段圆弧中心O₁的x坐标

F₁-第i段圆弧中心O₁的y坐标

α₁-圆弧任一点向径与y轴正向的夹角。

如附图4、图5所示，左侧齿形按照对称性可得。

图中参数列表如下：

ρ₁ρ₂ρ₃ρ₄r_LE₁E₂F₁D^o

6.94 2.365 7.15 2.542 1.5 0 0.279 11.457 228.6

F₂h_ah_fa b B α_oΦ δ

3.28 5.5 4.4 4.753 8 13.5 25° 25° 7°18″54

按照上述参数铲磨成的铣刀盘切出M_n＝5.5、Z＝25的双向圆弧齿轮综合性能良好。

最佳实施例2：

按照上述本发明双向圆弧齿轮，设计一对双向圆弧齿轮传动，齿面硬度HB＝320～340时，齿高系数h^＊ _a＝1.45模数Mn＝4mm。采用与实施例1相同的方法参数取值列表如下：

ρ₁ρ₂ρ₃ρ₄r_CE₁E₂F₁D₀

3 1.109 3.6 2.230 1.5 0.14 0.16 6.658 228.6

F₂h_ah_fa b B α₀Φ δ

0.774 3.2 2.6 3.505 8 13.5 30° 25° 6°30′

按照上述参数铲磨成的铣刀盘即可切出M_n＝4mm，z＝50的双向圆弧齿轮，综合性能良好。

本发明双向圆弧齿轮具有如下优点：

第一：双向圆弧齿轮改变原有齿轮在一个方向（齿高或齿长）为凸-凹啮合，成为在齿高和齿长两个方向双重凸-凹啮合，使齿面在齿顶凸齿部分呈椭圆-椭圆型啮合，在齿根凹齿部分呈双曲-双曲型啮合，改善了齿面接触点领域附近的齿面结构，使接触面变的更宽，载荷分布面更大，大大降低了齿面接触应力和齿根弯曲应力。

第二：由于本发明轮齿形状有“拱形”圆弧凸出部分，齿根截面沿齿长向外逐步增大，也显著地提高了弯曲强度，上述效应随着刀盘半径减小和齿宽增加而更为显著。

第三：本发明去掉了人字齿双圆弧齿轮中间的退刀槽，减小了齿轮传动装置的轴向尺寸，提高了轴系刚度，减少了振动和偏载，使齿轮寿命进一步提高。

第四：本发明双向圆弧齿轮啮入端接触点移动速度随着螺旋角变化而变化。随着齿宽增加或刀盘半径减小，啮入端螺旋角增加、啮合点进入啮合时的移动速度明显下降，改善了传动的动力学特性，降低了啮入冲击和噪声。

第五：具有人字齿轮传动的受力特点，轮齿间的轴向力可相互抵消，增大圆弧齿线的曲率，可更充分发挥双向圆弧齿轮齿线的优越性。

第六：采用单分度方法切齿，能够切出非标准模数的齿轮，扩大了双向圆弧齿轮的使用范围。

第七：可以代替硬齿面圆弧齿轮传动，降低生产成本。

Claims

1、双向圆弧齿轮是一种传动用的分阶式双圆弧圆柱齿轮，该齿轮在法截面内的齿廓(1)为双圆弧齿廓，其特征在于节圆展开后的节平面内齿线(2)形状为圆弧曲线，在齿高(3)和齿线(2)两个方向双重凸-凹啮合，凸齿凸面(4)与凹齿凹面(5)啮合是椭圆-椭圆型啮合，凸齿凹面(6)与凹齿凸面(7)啮合是双曲-双曲型啮合。

2、根据权利要求1所述的双向圆弧齿轮，其特征在于，其齿廓曲面是由下列方程所确定：

x＝（ρ/sinα+E+r）cosφ+（Ectgαcosβ+ρcosαcosβ）sinφ

y＝（ρsinα+E+r）sinφ+（Ectgaαcosβ+ρcosαcosρ）cosφ

z＝-（ρcosα+F-R）sinβ

φ＝1/r（Ectgαcosβ-Fcosρ+Rcosρ-R）

3、根据权利要求1和2所述的双向圆弧齿轮，其特征在于，对于齿面硬度HB≥320时，接触强度和弯曲强度等强度的齿轮，其齿高系数可取值为1.4～1.6。

4、根据权利要求1和2所述的双向圆弧齿轮，其特征在于，对于齿面硬度HB＜320时，接触强度和弯曲强度等强度的齿轮，其齿高系数可取值为1.80～2.00。