CN102207185B - 变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮及加工方法 - Google Patents

变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮及加工方法 Download PDF

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Abstract

一种变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮及加工方法，该变位齿轮的变位系数沿轴向线性变化，该变位齿轮沿轴向具有一致的基圆、一致的分度圆和渐变的变位系数、渐变的齿顶高系数、渐变的齿根高系数，所述变位系数的变化量乘以该变位齿轮的模数与该变化量所对应的截面离端面的轴向距离之比为一渐变系数，所述齿顶高系数和齿根高系数也沿轴向一致渐变，且齿顶高系数或齿根高系数的变化量乘以该变位齿轮模数与该变化量所对应的轴向距离之比也等于所述的渐变系数，它可采用普通滚切加工方法加上径向插补并使径向插补速度与横向插补速度之比等于渐变系数的方法加以实现。本发明解决了渐开线直齿圆柱齿轮副啮合过程中间隙调整的难题。

Description

变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮及加工方法
技术领域
本发明涉及一种变位齿轮及其加工方法，尤其是一种一种基于渐开线直齿圆柱齿轮的变位系数沿轴向渐变的变位齿轮及加工方法。这种变位齿轮可用于平行轴传动，齿隙调整方便，可以在数控滚齿机上用标准滚刀进行滚齿加工，具体地说是一种变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮及加工方法。
背景技术
众所周知，渐开线齿轮可以变位。现有的变位齿轮的变位系数沿齿轮轴向是不变的。
现有的齿轮箱，要想精确控制齿轮啮合间隙是非常困难的。其误差链非常长，包括轴间距，轴承，轴，齿轮等等所有零件的制造误差。要想制造一个“零”齿隙的精密齿轮箱几乎是不可能的。而对于那些负载变化较大的、高速的、精密的传动，“零”齿隙又是非常必要的。
 公开号为CN1858466和CN101285520A的中国专利申请书公开的均是沿切向渐变变位的变齿厚齿轮及其使用装置，此类变位齿轮虽然从一定程度上解决了齿轮的啮合间隙问题，但其加工复杂，精度难以保证，制造成本高。
发明内容
本发明的目的是针对现有的渐开线直齿圆柱齿轮啮合时难以精确控制啮合间隙的问题，设计一种啮合间隙调整和控制均十分方便，可实现零间隙传动的变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮，同时提供了这种变位齿轮的加工方法。
本发明的技术方案之一是：
一种变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮，其特征是该变位齿轮的变位系数沿轴向线性变化，该变位齿轮沿轴向具有一致的基圆、一致的分度圆和线性渐变的变位系数、线性渐变的齿顶高系数、线性渐变的齿根高系数，所述变位系数的变化量乘以该变位齿轮的模数与该变化量所对应的截面离端面的轴向距离之比为一渐变系数，所述齿顶高系数和齿根高系数也沿轴向一致线性渐变，且齿顶高系数或齿根高系数的变化量乘以该变位齿轮模数与该变化量所对应的轴向距离之比也等于所述的渐变系数；渐变系数等于齿顶圆锥半顶角θ的正切值,0<kj≤1；位于该变位齿轮齿宽中间垂直于齿轮轴的截面称为基本面；基本面的变位系数等于该变位齿轮的平均变位系数；对于一对啮合的沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮，在参与啮合的齿宽范围内，任一垂直于齿轮轴的截面上的两齿轮的变位系数之和相等。所述变位齿轮的平均变位系数为零、为正或为负，相互啮合的两个变位齿轮的平均变位系数之和为零、为正、为负。
所述的相互啮合的两个变位齿轮的渐变系数相等，渐变方向相反，在参与啮合的齿宽范围内，任一垂直于齿轮轴的截面上的两齿轮的变位系数之和相等。
所述的变位齿轮参数有：渐变系数kj，齿轮基本面的齿顶圆直径Dj，齿轮大端面的齿顶圆直径Dd，齿顶圆锥半顶角θ，滚刀压力角αg，法向压力角αn，端面压力角αp以及与普通渐开线齿轮相同的其它参数；基本面的端面齿顶高系数                                                
Figure 361961DEST_PATH_IMAGE001
，基本面的端面齿根高系数
Figure 786382DEST_PATH_IMAGE002
，轮齿的左、右齿面由于渐变变位而产生的螺旋角
Figure 96141DEST_PATH_IMAGE003
大小相等，方向相反。
本发明的技术方案之二是：
一种变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮加工方法，其特征是在滚切加工时滚刀沿齿轮轴向与径向的斜向作进给加工运动，该斜向的斜率等于该变位齿轮的渐变系数，并使法向压力角、基本面上的端面压力角
Figure 157955DEST_PATH_IMAGE005
、分度圆上的螺旋角
Figure 997735DEST_PATH_IMAGE003
与滚刀的法向压力角
Figure 478395DEST_PATH_IMAGE006
、渐变系数kj满足如下关系：
Figure 708519DEST_PATH_IMAGE007
Figure 565617DEST_PATH_IMAGE008
Figure 197586DEST_PATH_IMAGE009
Figure 849147DEST_PATH_IMAGE010
Figure 894464DEST_PATH_IMAGE011
Figure 725891DEST_PATH_IMAGE012
。
本发明的技术方案之三是：
一种变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮加工方法，其特征是滚刀沿齿轮轴向作进给运动的导轨可以向齿轮径向旋转并可以固定在斜率等于渐变系数的方向上，滚刀斜向插补运动时应使其轴向分速度、插补关系与滚刀按普通圆柱齿轮滚齿沿齿轮轴向作插补运动时相同，并使法向压力角
Figure 274684DEST_PATH_IMAGE004
、基本面上的端面压力角
Figure 300409DEST_PATH_IMAGE005
、分度圆上的螺旋角
Figure 567442DEST_PATH_IMAGE003
与滚刀的法向压力角、渐变系数kj满足如下关系：
Figure 107325DEST_PATH_IMAGE007
Figure 120598DEST_PATH_IMAGE009
Figure 795293DEST_PATH_IMAGE010
Figure 318678DEST_PATH_IMAGE011
Figure 748522DEST_PATH_IMAGE012
。
本发明的技术方案之四是：
一种变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮加工方法，其特征是使用数控滚齿机加工该渐变变位齿轮，在滚刀按普通直齿圆柱齿轮滚齿沿齿轮作轴向插补运动且插补关系不变的同时也作径向插补运动，径向插补运动与沿齿轮轴向插补运动速度之比等于渐变系数，且使法向压力角
Figure 151998DEST_PATH_IMAGE004
、基本面上的端面压力角
Figure 692700DEST_PATH_IMAGE005
、分度圆上的螺旋角
Figure 336171DEST_PATH_IMAGE003
与滚刀的法向压力角
Figure 609021DEST_PATH_IMAGE006
、渐变系数kj满足如下关系：
Figure 337942DEST_PATH_IMAGE007
Figure 354440DEST_PATH_IMAGE008
Figure 852417DEST_PATH_IMAGE009
Figure 358485DEST_PATH_IMAGE010
Figure 512386DEST_PATH_IMAGE011
Figure 394891DEST_PATH_IMAGE012
。
本发明的有益效果：
本发明的两个相互啮合的渐变变位齿轮，沿轴向的相互移动会使两个渐变变位齿轮垂直于齿轮轴的截面上的变位系数之和产生变化，当轴间距已经固定时也就使齿轮啮合间隙发生了变化。由此就可以通过调整相互啮合的两个渐变变位齿轮的轴向位置（如采用弹性元件调整齿轮的轴向位置可以在正常负载下实现“零”齿隙传动，而当齿隙中出现碎屑时，齿轮可自动避让，避免齿面受伤）达到调整齿轮啮合间隙的目的。
渐变变位齿轮使得实现“零”齿隙传动齿轮箱变得很简单。这对于那些负载变动剧烈的、或高速的、或精密的齿轮传动的平稳性有很大好处，可以有效降低噪音。
本发明的变位齿轮可以滚齿加工，也可以展成磨削加工，因此加工工艺较为简单，借助于数控技术完全无需专门的技术即可加工出理想的渐变变位齿轮。
附图说明
图1是本发明的变位齿轮齿轮副啮合时的剖面示意图。
图2是本发明的变位齿轮的变位系数沿轴向渐变的渐开线齿轮的基齿条倾斜一个角度示意图。
图3是本发明的基齿条倾斜一个角度后各参数的变换关系示意图。
图4所示为渐变变位齿轮副啮合状况示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1-4所示。
一种变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮（下称渐变变位齿轮）的变位系数不是一个常数，而是沿轴向线性变化的，该齿轮沿轴向具有一致的基圆、一致的分度圆和渐变的变位系数、渐变的齿顶高系数、渐变的齿根高系数，其变位系数的变化量乘以齿轮模数与该变化量所对应的轴向距离（即任一截面离端面的距离）之比等于一个渐变系数，渐变系数等于齿顶圆锥半顶角θ的正切值, 建议:0<kj≤1,相互啮合的2个渐变变位齿轮的渐变系数必须相等，渐变方向相反，该变位齿轮的齿顶高系数和齿根高系数与变位系数一样也是沿轴向一致渐变的，其齿顶高系数或齿根高系数的变化量乘以齿轮模数与该变化量所对应的轴向距离之比也等于一个渐变系数，因此其齿顶圆是一个圆锥面，而不是圆柱面，但其本质上仍然是圆柱齿轮，而不是圆锥齿轮。位于该齿轮齿宽中间的垂直于齿轮轴的截面称为基本面。基本面的变位系数等于齿轮的平均变位系数。与通常的变位齿轮一样，渐变变位齿轮的平均变位系数可以为零，为正，为负，相互啮合的两个渐变变位齿轮的平均变位系数之和可以为零，为正，为负。
描述该齿轮的主要参数有：渐变系数kj，齿轮基本面的齿顶圆直径Dj，齿轮大端面的齿顶圆直径Dd，齿顶圆锥半顶角θ，滚刀压力角αg，法向压力角αn，端面压力角αp以及与普通渐开线齿轮相同的其它参数；基本面的端面齿顶高系数
Figure 747375DEST_PATH_IMAGE001
，基本面的端面齿根高系数
Figure 126142DEST_PATH_IMAGE002
，轮齿的左、右齿面由于渐变变位而产生的螺旋角
Figure 564076DEST_PATH_IMAGE003
大小相等，方向相反，其它参数可参照普通渐开线齿轮确定。
由于相互啮合的两个渐变变位齿轮的渐变系数相等，渐变方向相反，因此在任何一个垂直于齿轮轴的截面上，相互啮合的两个渐变变位齿轮的变位系数之和都是相等的，基圆和分度圆都是一致的，任何一个垂直于齿轮轴的截面上的轴间距也都是一致的。所以任何一个垂直于齿轮轴的截面上的传动也都是一致的。
相互啮合的两个渐变变位齿轮沿轴向的相互移动会使两个渐变变位齿轮垂直于齿轮轴的截面上的变位系数之和产生变化，也就使齿轮啮合间隙发生了变化。由此就可以通过调整相互啮合的两个渐变变位齿轮的轴向位置达到调整齿轮啮合间隙的目的。
实施例二。
一种基于渐开线直齿圆柱齿轮的变位系数沿轴向渐变的变位齿轮的加工方法，它与普通圆柱齿轮滚齿加工方法的区别是：在滚切时滚刀沿齿轮轴向与径向的斜向作进给加工运动，该斜向的斜率等于该渐变变位齿轮的渐变系数。
实施例三。
一种基于渐开线直齿圆柱齿轮的变位系数沿轴向渐变的变位齿轮的加工方法，它采用数控滚齿机加工该渐变变位齿轮，当滚刀按普通直齿圆柱齿轮滚齿沿齿轮轴向作插补运动且插补关系不变的同时也作径向插补运动，径向插补运动速度与沿齿轮轴向插补运动速度之比等于渐变系数。
实施例四。
一种基于渐开线直齿圆柱齿轮的变位系数沿轴向渐变的变位齿轮的加工方法，它使用专用滚齿机加工该渐变变位齿轮，其与普通滚齿机的不同之处在于滚刀沿齿轮轴向作进给运动的导轨可以向齿轮径向方向旋转并可以固定在任何所需的斜率上，所需斜率即为渐变系数，滚刀斜向插补运动时应使其轴向分速度、插补关系与滚刀按普通圆柱齿轮滚齿沿齿轮轴向作插补运动时相同。
按照实施例二、三、四所述方法加工出来的渐变变位齿轮，其法向压力角、基本面上的端面压力角
Figure 394946DEST_PATH_IMAGE005
、分度圆上的螺旋角
Figure 242816DEST_PATH_IMAGE003
与滚刀的法向压力角
Figure 168047DEST_PATH_IMAGE006
、渐变系数kj必须满足以下关系：
Figure 330038DEST_PATH_IMAGE007
Figure 657114DEST_PATH_IMAGE008
Figure 879148DEST_PATH_IMAGE009
Figure 291675DEST_PATH_IMAGE010
Figure 54095DEST_PATH_IMAGE011
Figure 674825DEST_PATH_IMAGE012
由此可见，两个相互啮合的渐变变位齿轮齿面的啮合类似于斜齿轮齿面啮合。从而使渐变变位齿轮的加工变得简单易行。
实施例五。
一对相互啮合的渐变变位齿轮副。Z1=30，Z2=40，m=2mm，齿顶圆锥半顶角θ=11.31°，基本面与齿轮大端面的距离Lj=10mm，齿轮宽度L=2Lj=20mm，加工所用滚刀为标准滚刀，滚刀压力角=20°，滚刀齿顶高系数=1，滚刀齿根高系数=1.25，则按照实施例二的方法加工出的两个渐变变位齿轮，该变位齿轮的渐变系数kj=0.2，基本面的法向压力角=19.60°，基本面的端面压力角=19.64°，齿面螺旋角=4.083°，齿轮大端面相对于基本面的变位系数的变化量=Lj×kj/m=10×0.2/2=1。变位系数的确定主要考虑以下两方面：
① 为防止齿轮根切，齿轮小端面变位系数要满足：
Figure 130077DEST_PATH_IMAGE013
；② 为防止齿顶变尖，大端齿顶齿厚需要满足：
Figure 29900DEST_PATH_IMAGE014
由此可得，齿轮基本面的齿顶圆直径Dj1 =64.08mm，Dj2=88.08mm，齿轮大端面的齿顶圆直径Dd1 =68.08mm，Dd2 =92.08mm。从图3可以看出：
一个直齿条的齿槽如果绕水平轴AB旋转一个角度θ，其齿面的法线BC就转向为BD。滚刀的法向压力角∠ABC旋转一个角度θ后
Figure 533694DEST_PATH_IMAGE015
就不再是齿轮的法向压力角了。而∠FBD变成了新的法向压力角αn。 对于齿面的法线BD，∠ABE就是其端面压力角αp，∠ABF就是其螺旋角γ。它们有如下关系：
Figure 569783DEST_PATH_IMAGE016
Figure 195936DEST_PATH_IMAGE017
Figure 520738DEST_PATH_IMAGE018
Figure 624961DEST_PATH_IMAGE011
Figure 781135DEST_PATH_IMAGE019
如果两个齿轮轴向位置相对变动1mm，齿隙变动0.0671mm。因此只需调整啮合的渐变变位齿轮的轴向位置即可实现啮合间隙的调整。
 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮，其特征是该变位齿轮的变位系数沿轴向线性变化，该变位齿轮沿轴向具有一致的基圆、一致的分度圆和线性渐变的变位系数、线性渐变的齿顶高系数、线性渐变的齿根高系数，所述变位系数的变化量乘以该变位齿轮的模数与该变化量所对应的截面离端面的轴向距离之比为一渐变系数，所述齿顶高系数和齿根高系数也沿轴向一致线性渐变，且齿顶高系数或齿根高系数的变化量乘以该变位齿轮模数与该变化量所对应的轴向距离之比也等于所述的渐变系数；渐变系数等于齿顶圆锥半顶角θ的正切值,0<kj≤1, kj为渐变系数；位于该变位齿轮齿宽中间垂直于齿轮轴的截面称为基本面；基本面的变位系数等于该变位齿轮的平均变位系数；对于一对啮合的沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮，在参与啮合的齿宽范围内，任一垂直于齿轮轴的截面上的两齿轮的变位系数之和相等。
2.根据权利要求1所述的变位系数沿轴向渐变的渐开线直齿圆柱变位齿轮，其特征是所述的变位齿轮基本面的端面齿顶高系数                                                
Figure 2011101508046100001DEST_PATH_IMAGE001
，基本面的端面齿根高系数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，轮齿的左、右齿面由于渐变变位而产生的螺旋角
Figure DEST_PATH_IMAGE003
大小相等，方向相反。
3.一种权利要求1所述的变位齿轮的加工方法，其特征是在滚切加工时滚刀沿齿轮轴向与径向的斜向作进给加工运动，该斜向的斜率即齿顶圆锥半顶角θ的正切值，等于该变位齿轮的渐变系数，并使法向压力角
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、基本面上的端面压力角
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、分度圆上的螺旋角
Figure 640515DEST_PATH_IMAGE003
与滚刀的法向压力角
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、渐变系数kj满足如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE009
Figure DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE011
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
4.一种权利要求1所述的变位齿轮的加工方法，其特征是使用数控滚齿机或用普通滚齿机在轴向进给丝杆与径向进给丝杆之间加装挂轮机构加工该渐变变位齿轮，在滚刀按普通直齿圆柱齿轮滚齿沿齿轮作轴向插补运动且插补关系不变的同时也作径向插补运动，径向插补运动与沿齿轮轴向插补运动速度之比等于渐变系数，且使法向压力角
Figure 682289DEST_PATH_IMAGE004
、基本面上的端面压力角、分度圆上的螺旋角与滚刀的法向压力角
Figure 733924DEST_PATH_IMAGE006
、渐变系数kj满足如下关系：
Figure 556387DEST_PATH_IMAGE008
Figure 823420DEST_PATH_IMAGE009
Figure 254981DEST_PATH_IMAGE011
Figure 248345DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Nanjing Kingdom Heavy Duty Gear Box Co., Ltd.

Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Contract record no.: 2012320000266

Denomination of invention: Involute straight tooth cylinder profile shifted gear with modification coefficient changing gradually and axially and manufacturing method

License type: Common License

Open date: 20111005

Record date: 20120321

C14 Grant of patent or utility model
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130410

Termination date: 20150607

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