CN102224360B - 具有小轴间角的准双曲面齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种包括小轴间角和偏置的锥齿轮的齿轮对组，以及用于制造齿轮组的方法，包括确定适当的齿轮和小齿轮齿侧和用于其制造的基本的机床设定。锥齿轮对包括第一构件和第二构件，其中该齿轮对中的构件的轴间角范围为从大于0°至30°，较佳地从大于0°至20°，且偏置范围为从大于0至锥齿轮对中两个构件的平均节圆直径一半的总和。

Description

具有小轴间角的准双曲面齿轮

技术领域

本申请涉及锥齿轮，且具体涉及小轴间角偏置锥齿轮。

发明背景

如果两轴既不平行也不垂直，而是在由转动轴线限定的平面内包括较小角度，则已知有两种可能的齿轮装置方案来实现传动。

一种可能的方案称为锥形渐开线法(Beve-loid)。锥形渐开线法类似于使用例如用于软制造的滚齿工艺和用于硬精加工的螺纹磨削轮磨削来制造圆柱齿轮。根据锥形渐开线法，可实现0°至约15°之间的轴间角，该方法根据比值可形成0°至约7.5°之间的齿轮节锥角，或在一圆锥齿轮与一常规圆柱齿轮组合的情况下，所需的最大节锥角可能高达约15°。

第二种可能性是应用斜交螺旋锥齿轮。大多数实际应用中的比值接近产生0°至约7.5°之间的节锥角的斜接(miter)。

所述斜交螺旋锥齿轮组主要用在汽车传动情况中，以将转动和扭矩从传动装置的输出轴传递到全轮驱动车辆的前轴。

锥形圆柱齿轮(锥形渐开线法)或斜交螺旋锥齿轮的机械功能都是在两轴的轴线限定的平面内提供两轴之间的角度。在关于全轮驱动车辆的大多数情况下，仍然需要两个恒速接头或两个万向接头(驱动轴的每端有一个)，从而将齿轮箱的输出轴与前轴的通常具有不同垂向位置的输入轴连接。

为了连接空间中的两点，就像传动箱的输出与前轴输入之间的推进轴的情况那样，必需提供一个角度和线性偏置或垂直平面内的两个角度。准双曲面锥齿轮提供了这种在三维空间内输入/输出轴定向的常规有效的技术方案。但是，迄今已知的准双曲面齿轮的特征并未覆盖小轴间角且高偏置量的情况。目前应用的不同的准双曲面理论不允许设计具有任何偏置量的小轴间角锥齿轮。准双曲面理论基于作为基本设定和刀具参数计算基础的平坦或圆锥产形齿轮。接近且包括90°的轴间角与2.5及2.5以上的比值组合产生约68°及68°以上的齿轮节锥角和约22°及22°以下的小齿轮节锥角。这产生锥度接近平面的典型环齿轮，节锥的切平面非常接近与接触线相邻的节锥。这种结构允许应用根据常规准双曲面理论在节锥切平面内产生的一定量的准双曲面偏置量。

但是，常规理论不适用高准双曲面偏置量(接近或等于环齿轮直径的一半)的情况。常规准双曲面理论也不适用于低比值(接近于1.0)的情况。在高偏置量的情况下，蜗轮驱动可用于实现90°的轴间角和一半的齿轮直径加上一半的蜗轮直径的偏置量(类似于圆柱齿轮装置的中心矩)。在低比值的情况下，相交的斜齿轮可用于实现任何所要求的轴间角与等于这些相交斜齿轮的中心矩的偏置量的组合。

在本发明方法的教示下能够实现任何小轴间角(例如大于0°至30°)与零至两构件平均节圆直径一半的总和的任何偏置量组合的自由度。

发明内容

本发明涉及一种包括小轴间角和偏置的锥齿轮的齿轮组，以及用于齿轮组制造的方法，该方法包括确定适当的齿轮和小齿轮齿侧和用于其制造的基本的机床设定。

附图说明

图1示出包括小齿轮件和齿轮件的螺旋锥齿轮组，示出本发明的步骤1和2。

图2是图1的齿轮组的侧视图，示出节锥角、轴间角和交点。

图3示出由于沿图1的步骤1方向移动造成的扩大的小齿轮直径而产生的新交点R2。

图4示出由于沿图1的步骤1方向移动产生的齿轮的变化的节锥角而产生的分锥顶的位置的位移。

图5示出由于图1中小齿轮轴线(步骤2)的移动产生的新交点R3。

图6是偏置齿轮对构件的三维示意图。

图7示出用于定义制造机床设置和齿轮组的非展成齿轮件的运动学的基本机床设置。

图8示出用于定义制造机床设置和齿轮组的展成小齿轮件的运动学的基本机床设置。

图9示出对小齿轮件的切削刃压力角的调节以消除不合要求的小齿轮与齿轮齿之间的不匹配。

具体实施方式

本发明现将参照仅用于示例地表示本发明的附图进行讨论。在本申请的上下文中，术语“小齿轮”和“齿轮”用于表示齿轮组或齿轮对的匹配构件。还应当指出，记载的诸如“水平”、“垂向”、“向下”、“右”和“左”仅用于参考目的，且这些方向是相对于呈现各图的纸页的方向。

在齿轮的生产，尤其是包括准双曲面齿轮在内的锥齿轮的生产中，通常采用两种工艺，展成工艺和非展成工艺。

展成工艺可分成两类，端面铣齿(间歇分度)和端面滚齿(连续分度)。在展成端面铣齿工艺中，将转动工具进给入工件至预定深度。一旦达到该深度，工具和工件就以预定的相对滚动一起滚动，称作展成滚动，如同工件与理论产形齿轮啮合地转动那样，该理论产形齿轮的齿由工具的切削表面来表示。齿的齿廓形状通过展成滚动过程中工具与工件的相对运动来形成。在展成端面滚齿工艺中，工具和工件以同步关系转动，将工具进给至一深度，由此在工具的单次插入中就形成所有齿槽。在达到完全深度之后，开始展成滚动。

在非展成工艺中，无论是间歇分度还是连续分度，工件上齿的齿廓形状由工具上的齿廓形状直接形成。将工具进给入工件，并将工具上的齿廓形状赋予工件。尽管没有采用展成滚动，但是呈理论“冠齿轮”形式的理论产形齿轮的概念也可应用于非展成工艺中。该冠齿轮是如下的理论齿轮：在非展成工艺中，其齿面与工件的齿面互补。因此，当在非展成工件上形成齿面时，工具上的切削刀片表示理论冠齿轮的齿。

工件与理论产形齿轮之间的关系可通过称为“基本机床设定”的一组参数来定义。这些基本设定表示关于产形齿轮与工件的尺寸和比例的意义，且提供用于齿轮设计的通用起始点，且因此在多种型号的机床中统一设计程序。基本设定总地描述在任何瞬时工具与工件之间的相对定位。用于形成齿轮的基本机床设定是本领域已知的，且例如在第4,981,402号、第5,580,298号、第6,669,415号和第6,712,566号美国专利中可发现其公开内容，且其公开内容以参见的方式纳入本文。

用于生产锥齿轮和准双曲面齿轮的常规机械齿轮展成机床包括工件支承机构和托架机构，该托架机构在展成工艺中绕称为托架轴线的轴线沿圆形路径运载圆形工具。托架表示理论产形齿轮的本体，且托架轴线对应于理论产形齿轮的轴线。工具表示产形齿轮上一个或多个齿。常规机械机床符合理论基本机床的概念，因为几乎所有的机床设定对应于各理论基本设定。在例如上述各美国专利中示出这种机床。

已经开发出减少将工具相对于工件定位所必需的机床设定数量的齿轮生产机床。这些机床将常规机械机床的设定和运动转换成直线、转动和枢转轴线的系统，这形成更通用且简化的机床。在先前引用的第4,981,402号、第6,669,415号和第6,712,566号美国专利中可发现这些通用机床和轴线转换的实例。

展成原理应用在小齿轮(通常是驱动件)和齿轮(通常是从动件)之间。尽管在大多数情况下，小齿轮和齿轮可能具有相同或几乎相同的齿数，但齿轮较佳地用作产形齿轮。本发明的方法较佳地使用具有直齿廓或圆弧齿廓的非展成齿轮件作为产形齿轮。在常规锥齿轮和准双曲面齿轮中，非展成原理通常仅用在齿轮节锥角约为68°及68°以上的情况。但是，在第一步骤中，本发明的方法得出用于非展成齿轮件的锥齿轮机床基本设定。这些设定用于在第二步骤中得出用于锥齿轮展齿机的基本设定，从而制造小齿轮。用于小齿轮切削的切削头(通过基本设定定位并绕托架轴线转动)表示在展成滚动过程中非展成齿轮件的其上有小齿轮在滚动的一个齿。

应用非展成齿轮件以产生匹配的小齿轮的原理是递送小齿轮与齿轮之间精确共轭关系的唯一技术，即使两构件的轴线不在同一平面内也是如此。共轭基本几何形状还要求节锥平行于齿根锥。已经发现，在小轴间角螺旋锥齿轮组的情况下，计算出齿高在齿小端处较高(相反的齿锥度)，从而满足全工序(completing)(匹配齿厚和相对构件的齿槽宽度)的要求。本发明方法的一个要素是平行深度齿设计，这会产生比相反锥度更优化的齿比例，并也满足节线与齿根线之间的平行要求。如果两个构件的轴线在两个平行平面内，则两平面之间的距离定义为偏置量。在两构件为锥形节圆构件的情况下，该偏置量通常称为准双曲面偏置量。

本发明的方法将一个构件定义为小齿轮(较佳地为展成构件)，一个构件定义为齿轮(较佳地为非展成构件)。无论常规定义如何，本发明方法中的齿轮和小齿轮可具有相同或类似的齿数，甚至可能小齿轮具有比齿轮多的齿数。本发明方法形成包括第一构件和第二构件的一对锥齿轮，其中齿轮对中各构件的轴间角范围为从大于0°至30°，较佳地为从大于0°至20°，且准双曲面偏置量范围为零至锥齿轮对中两构件的平均节圆直径的一半的总和，较佳地从大于零至锥齿轮对中两构件的平均节圆直径的一半的总和(通常以毫米或英寸来表示)。

两构件之间的共轭仅是展成原理的基础。为了使齿轮组对制造和组装公差不敏感，使用沿齿廓、齿长度和接触路径方向呈冠状的齿侧表面实现局部接触。

如果用直切削刃进行齿轮件的非展成过程，则小齿轮齿的展成会产生相对于渐开线的附加齿廓曲率(或更精确地定义为球面渐开线或“8”字形)。附加小齿轮齿廓曲率会引起小齿轮齿根区域的底切和突出的齿顶面。为了减小展成小齿轮中的附加齿廓曲率，能够用弯曲刀片制造非展成齿轮齿。如果齿轮切削刀片形成像类似展成齿轮的渐开线，则小齿轮齿廓将是没有附加齿廓曲率的规则渐开线且在齿根区域没有附加底切且没有相对于基准齿廓的突出齿顶面。也能够用圆形或抛物线形函数逼近齿刀轮廓的渐开线函数。这将实现类似效果并降低刀片磨削或磨削轮修整运动学的复杂度。

从螺旋锥形非展成齿轮设计开始，以两个步骤进行偏置量的调整。在图1中，示出包括小齿轮件10和齿轮件12的螺旋锥齿轮组，示出齿轮组构件的轴线位于水平面内。使小齿轮10相对于齿轮12偏置的第一步骤是沿垂向方向移动小齿轮轴线(步骤1)。如图1所示如果视图是朝向小齿轮的前部且如果小齿轮位于右侧(齿轮在左侧)，则小齿轮的左旋方向的正偏置意味着小齿轮的向下运动。正偏置的规则与准双曲面齿轮组相同。向下运动的量等于偏置量。但是，该垂向运动会增加中心矩(例如在齿宽的中心处)以及小齿轮的直径(具有与中心矩的增加量相同的量)。与在直径也增加的情况下(正偏置情况下)的规则准双曲面小齿轮相反，本发明小齿轮的直径增加会比补偿增加的小齿轮螺旋角所需的大。这就是通过小齿轮轴线沿水平面朝向齿轮第二次运动来实现本发明对小齿轮的直径矫正(步骤2)的理由。确定该运动的量以重新建立初始中心矩。由于偏置而引起螺旋角增加从而导致的小齿轮直径增加是不要求的(将引起小的齿高修整)，但可引入小齿轮直径增加来实现准双曲面偏置对小齿轮齿廓的最低限度的影响。

为了沿齿宽优化展成小齿轮的齿廓，建议增加或减小小齿轮直径(致使齿廓变位或齿高修整)。用于该小齿轮直径增加的程序必须确保偏置量保持恒定。如果中心矩和偏置角计算如下就可实现：

A＝(DOMR2*Z2+DOMR2*Z1)/2                   (1)

λ＝asin(TTX/A)                            (2)

A^*＝A+ΔDm/2＝(DOMR2*Z2+DOMR2*Z1+ΔDM)/2   (3)

${\underset{\·}{\mathrm{\λ}}}^{*}=a\sin (\mathrm{TTX}/A^{*})---\left(4\right)$

其中：A＝中心矩，在圆锥齿轮的中心齿宽处计算得到

λ＝偏置角

λ^*＝小齿轮直径增加情况下的偏置角

TTX＝准双曲面偏置

A^*＝小齿轮直径增加情况下的中心矩

ΔDM＝小齿轮直径增加量

DOMR2＝齿轮的齿面模数

Z1＝小齿轮齿数

Z2＝齿轮齿数

计算水平运动以重建小齿轮直径：

$\mathrm{\Δs}=\underset{\·}{A}*(1-\cos \mathrm{\λ})---\left(5\right)$

或在小齿轮直径增加的情况下：

${\mathrm{\Δs}}^{*}=\underset{\·}{A}*(1-\cos {\mathrm{\λ}}^{*})---\left(6\right)$

其中：Δs＝小齿轮轴线朝向齿轮轴线的水平运动量

Δs^*＝小齿轮直径增加的情况下小齿轮轴线的水平运动量

首先使用以下方程用迭代法求解计算螺旋锥齿轮的节锥角：

sinγ_gear-spiral/sinγ_{pinion-spiral}＝Z2/Z1    (7)

其中：γ_{pinion-spiral}＝引入偏置量之前螺旋小锥齿轮的节锥角

γ_gear-spiral＝引入偏置量之前螺旋锥齿轮的节锥角

发明人发现该偏置量将显著改变小齿轮的锥角而不是螺旋角(如准双曲面齿轮中通常预期的那样)。为了保持小齿轮和齿轮的锥角类似(类似于螺旋锥齿轮设计)并避免异形小齿轮齿廓，即在齿根圆角或底切区域内的异形齿廓，提出根据偏置量改变齿轮锥角：

γ_gear-hypoid＝γ_gear-spiralcos(λ)  (8)

或者

γ_gear-hypoid＝γ_gear-spiralcos(λ^*) (9)

其中：γ_gear-hypoid＝准双曲面齿轮构件的节锥角

以四个步骤(A-D)的方法解释齿轮坯料尺寸的建立。

步骤A-螺旋锥齿轮的节锥角为γ_gear-spiral且交点到节锥的距离(ZTKR2)为零(图2)。R₁是齿轮坐标系的径向坐标方向，Z_Gear是齿轮的转动轴线，且Z_pin是小齿轮的转动轴线。AWI是小齿轮与齿轮之间的轴间角。

步骤B-在小齿轮直径增加ΔDM的情况下，交点沿负Z_Gear轴线方向移动并建立以R₂为原点的新坐标系(图3)。

${\mathrm{ZTKR}2}^{*}=\frac{\mathrm{\ΔDM}}{2\sin \left(\mathrm{AWI}\right)}---\left(10\right)$

其中：ZTKR2^*＝交点到分锥顶的距离

步骤C-准双曲面齿轮对的齿轮的改变的节锥角使得分锥顶的位置位移(而齿宽中心处的节点P和坐标原点R₂-Z_Gear保持不变)，如图4所示：

ZTKR2^**＝ΔDM/(2sin(AWI))+RPO/tanγ_gear-spiral-RPO/tanγ_gear-hypoid(11)

其中：RPO＝齿轮节圆半径

步骤D-ΔS(或ΔS^*)的水平运动(图1)将使在正ΔS值的情况下的小齿轮轴线朝向齿轮轴线移动( )并将交点沿正Z-轴线方向移动ΔS/sin(AWI)，这将形成交点R₃-Z_Gear的新位置和交点到分锥顶的最终距离ZTKR2^***(图5)：

ZTKR2^***＝ΔDM/(2sin(AWI))+RPO/tanγ_gear-spiral-RPO/tanγ_gear-hypoid-ΔS/sin(AWI)  (12)

使用在空间内总体三维布置中两轴线之间的已知三维点展成原理计算小齿轮锥角(图6)。

为了实现小齿轮齿侧与齿轮齿侧之间的正确压力角，齿侧点或表面元素较佳地展成在表面线上同时它们经过展成平面(或更正确的展成表面)。齿轮齿的梯形轮廓围绕齿根锥定向(不绕着弯曲)。齿轮齿廓，而非齿槽廓用于限定进行小齿轮切削的刀片压力角，从而对于刀片和基本设定布置来说在展成小齿轮齿槽的同时复制非展成齿轮。

基本机床设置是用于定义加工机床设置和动力学的较佳方法。这也将间接地定义两构件的齿侧表面以及齿根几何形状。图7示出非展成齿轮，其轴线Z3在水平基本机床平面Y4-Z4上。齿轮轴线上的交点位于机床中心(坐标系Y4-Z4的原点)。轴线Y4是托架轴线。齿轮以角度γ_gear-hypoid定位，使得节线以及齿根线平行于轴线Z4。刀具半径矢量调节成在中心齿宽(平均锥距)处实现所要求的螺旋角。用于非展成齿轮基本机床设置的所有相关公式可源自图7中的图形表示。

为了建立展成小齿轮基本机床设置，三角形矢量RM₂、RW₂以及EX₂(图7)必须绕X4-轴线转动γ_gear-hypoid。然后三个矢量绕Y4-轴线转动180°并在第三次转动中绕X4-轴线转动90°，从而使小齿轮轴线与Y4-轴线成直线(如图8所示)。刀具轴线矢量Y_cut2必须也进行所有这些转动，并然后反向以限定正确的刀具或研磨轮定向(Y_cut1)。

一旦对齿轮和/或小齿轮建立基本机床设定，就将基本机床设定运动转换成通用且简单机床的直线、转动和枢转轴线的系统。以上在例如先前引用的第4,981,402号、第6,669,415号和第6,712,566号美国专利中讨论了这些通用机床。

诸如齿顶半径、用于小齿轮和齿轮的内侧和外侧切削刀片的刀片角之类的刀具定义使用用于在全工序过程中制造锥齿轮和准双曲面齿轮组的通用规则来计算。在首先定义齿轮工具的压力角之后，小齿轮工具压力角必须以与锥齿轮和准双曲面齿轮中已知方式(源自产形平齿轮)不同的方式进行计算，如下段所讨论的那样。

本发明方法提出新方案以消除小齿轮齿与齿轮齿(用相同的相应刀片角切削而成)之间不合要求地不匹配。绕圆柱或细锥旋绕的梯形齿槽的效果要求修整和调整小齿轮刀片压力角(图9)：

其中：Δα＝由于非展成齿轮件产生的小齿轮压力角的变化

Z₂＝齿轮齿数

在齿以相对于轴向平面呈螺旋角定向的情况下，除了沿纵向方向的弯曲形状，角度Δα计算为：

其中：Δα_F＝端面截面内压力角的变化

Δα_F·＝法向截面内压力角的变化

β

齿轮的中心齿宽处的螺旋角。

全工序工具的选择将在匹配的小齿轮齿侧与齿轮齿侧之间产生一定量长度的鼓形。可通过刀具斜度调整和因此带来的刀片角调整来减小或增加该长度鼓形(本领域已知的)。可对发明的齿轮组应用诸如齿廓鼓形之类的其它鼓形元素、齿侧扭曲或一般而言的一阶、二阶或更高阶齿侧改形以优化其物理特性。对于这些改形，本领域已知的用于锥齿轮和准双曲面齿轮的技术(例如US5,580,298)也很合适。

尽管参照具有直齿廓或圆弧齿廓的非展成齿轮作为产形齿轮讨论了本发明，但本发明并不限于此。平的或大致平的理论产形齿轮也可用作得到都通过展成形成的齿轮和小齿轮构件的基础。此外，尽管按照矢量关系描述了本发明的较佳实施例，但也可利用诸如三角函数表达或矩阵变换之类的其它数学方法。

此外，应当注意，尽管以上已经参照小轴间角范围为从大于0°至30°较佳地大于0°至20°且准双曲面偏置范围为零至锥齿轮对的两构件的平均节圆直径的一半的总和的锥齿轮对讨论了本发明，但对于具有准双曲面零偏移的锥齿轮对，尤其应当注意这些锥齿轮对最佳地还包括第一齿轮对构件和第二齿轮对构件中的每一个具有平行的齿高，且第一齿轮对构件和第二齿轮对构件中的至少一个为展成构件。

尽管参照较佳实施例对本发明进行了描述，但应当理解，本发明并不限于其特定形式。本发明旨在包括对本主题所属领域的技术人员显而易见的各种改型，而不偏离所附权利要求书的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于提供锥齿轮对的方法，所述锥齿轮对包括第一锥齿轮构件和第二锥齿轮构件，所述锥齿轮对还包括：

所述第一和第二构件之间的轴间角（AWI）范围为从大于0°至30°，以及

所述第一和第二构件之间的准双曲面偏置（TTX）范围为从大于0至所述第一和第二构件的平均节圆直径一半的总和，

其特征在于，所述方法包括如下步骤：

为所述第一构件提供节锥角（γ_gear-hypoid），所述节锥角根据所述准双曲面偏置（TTX）相对于参考锥齿轮对（10，12）的节锥角变化，所述参考锥齿轮对具有所提供的第二构件的相同的平均节圆直径以及相同的轴间角（AWI），但没有偏置，

其中，所提供的第一构件的轴线（Z_pin）与所提供的第二构件的轴线（Z_Gear）的交点（R₃-Z_Gear）设定在离所提供的第二构件的分锥顶的距离（ZTKR2^***）处，所述距离（ZTKR2^***）基于变化的节锥角（γ_gear-hypoid）以及所述第一构件的轴线的位移（Δs；Δs^*），所述位移（Δs；Δs^*）与偏置方向垂直，并且重新建立所述参考锥齿轮对的中心矩。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轴间角范围为从大于0°至20°。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一构件和第二构件具有相同的齿数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一构件和第二构件中的至少一个是展成构件。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一构件和第二构件中的至少一个包括呈渐开线形式的齿廓形状。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一构件和第二构件各具有平行的齿高。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一构件是小齿轮构件，且第二构件是齿轮构件，所述小齿轮构件的齿数比所述齿轮构件的齿数大。

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