CN102918304B - 锥齿轮传动装置的锥齿轮中优化的凸度 - Google Patents

Abstract

用来制造尤其是用于螺旋桨舵的锥齿轮的方法，该锥齿轮的齿具有齿轮特定的宏观几何形状，该锥齿轮的齿能通过齿面线和轮廓线来描述，该锥齿轮的齿面具有齿面微观形貌以及该锥齿轮的承载区是处于啮合的齿的接触区域。齿面的凸度相当于齿面中央相对于齿面边缘的加高，其中齿面的高度凸度和宽度凸度的走势基本上是圆弧形的。通过非常精确的材料切除以下述方式优化齿面的微观形貌和因此优化承载区：第一，实施材料切除，使得在齿面上的端部回缩部朝向齿跟侧和齿趾侧减少、在齿面上带有更大长度和宽度的表面进行啮合并且因此存在增大的承载区；第二，齿面凸度的走势在无负荷地考虑气隙（EASE-OFF）时在齿面剖面内的纵剖面图中和/或在轮廓剖面内的轮廓剖面图中遵循近似对数、椭圆和/或指数曲线形状，该曲线形状经过接触点。

Description

锥齿轮传动装置的锥齿轮中优化的凸度

技术领域

本发明涉及一种用来制造尤其是用于螺旋桨舵的锥齿轮的方法，该锥齿轮的齿具有齿轮特定的宏观几何形状，该锥齿轮的齿可通过齿面线和轮廓线来描述，该锥齿轮的齿面具有齿面微观形貌并且该锥齿轮的承载区是处于啮合的齿的接触区域，其中，齿面的凸度相当于齿面中央相对于齿面边缘的加高，并且齿面的高度凸度和宽度凸度的走势基本上是圆弧形的。

背景技术

锥齿轮用于在滚动传动装置中传递转矩和旋转运动。单级锥齿轮传动装置的结构包括盘形齿轮和小齿轮。盘形齿轮和小齿轮与所属的各轴力锁合、形锁合或材料锁合地连接。在各轴的延长线中找到轴心线的交点或交叉点。两个彼此啮合的锥齿轮的运动过程被称为滚切在此，齿和对应齿的各自的齿面处于啮合。

下述齿部被称为共轭齿部，即，在这些齿部中齿和对应齿的齿面在运动学上精确滚切。在此，齿面在每个滚动位置中都在一条线上接触。但为了达到更好的偏移特性，人们通过引入凸度来偏离这种形状。

因此，锥齿轮的齿几何形状一般在齿面上具有凸度，这是因为在大的负荷传递时不允许齿面在其整个宽度和高度上处于啮合，因为否则出现在各边缘上的应力过高会导致齿损坏。齿面的凸度是指齿面中央相对于齿面边缘的加高。在此，两个处于啮合的齿轮不完全相互贴靠。在两个齿面之间尤其是在无负荷的状态中存在不同大小的空气隙。在两个齿轮之间的距离也称为气隙（Lüftung）或间隙尺寸。

在此，在高度凸度或宽度凸度之间有所区分。在宽度凸度中，该走势通过磨削刀具的修圆半径（Flugkreisradius）或直径的相应减小来实现。高度凸度的走势由刀具的轮廓通过给基准齿部叠加圆形凸度来决定。在实践中出于经济原因不使用其它形状。

在锥齿轮中凸度的走势通常由加工方法决定。尤其是在已知的摆线-准渐开线-锥齿轮和为此应用的精加工方法（HPG方法/磨削）中，凸度的走势近似是圆弧形的。

齿轮的在承受负荷、亦即传递转矩时处于啮合的表面被称为承载区。由于齿和对应齿基本上不完全处于啮合，所以承载区的面积大小始终小于整个齿面的面积大小。承载区的当前占多数的形状可以用椭圆的形状近似地描述。

实际处于啮合的区域以及在齿和所属的对应齿之间的通过齿面的相应回缩部（Rücknahme）而存在的距离可通过所谓的“EASE-OFF”（齿侧间隙展开图）显示（图1）。在此，在小齿轮齿面和盘形齿轮齿面之间的通过凸度产生的距离在平坦的参考面上方被绘出。该参考面在整个齿面宽度和齿面高度上延伸。在齿侧间隙展开图中，齿面在一个接触点（在细栅格中的两条粗线的交点）中接触参考面。

为了描述齿面的凸度走势，在一个图中示出附属的曲线，在该图中在齿宽或齿高范围上绘出气隙亦或凸度C。在这样的图中，从接触点直到齿面的齿面边缘（跟、趾、根和顶）绘出长度L。通过归一化，对L和C的定义与绝对值无关，从而该曲线适用于所有常见的凸度和齿宽。在点L^*（相应齿面边缘的长度）上，该曲线达到归一化的凸度C^*的值（图2）。

但长度L^*在此并非必须为齿宽（一般为b）的一半、亦即b/2，或者并非必须为齿高（一般为h=2*m）的一半、即h/2，因为接触点并非必须正好位于齿中央。接触点也可以偏心地位于齿面上（图3）。由此产生所谓的偏移的承载区。在偏移的承载区中，圆弧朝向一个边缘移动，从而在相同的半径时齿面的距离在边缘上不再相当于凸度（图4和5）。因此，归一化的凸度C^*涉及在相应齿面边缘上修正过的齿面到未修正的齿面的实际距离，而不涉及名义上的凸度。

为了说明圆弧形的“正常的”凸度，定义两个特征。

1．曲线下方的面积的值（图6a）

在正常的凸度走势中，对于常见的标准凸度（b/500..b/1500，或0.003m₀..0.006m₀）的曲线下方的面积A_B通常为总面积A_Ges=L^*×C^*的约33.4%、但至少为31%。

2．曲线在长度L^*中央的值（图6b）

在L^*/2处，正常凸度的函数值约为C^*的25%。

最高允许的表面压力被视为在力矩传递时的限制因素。在软啮合时该表面压力低，从而在此借助标准加工方法低成本地制造共轭齿部。在硬啮合时出现高的表面压力。如果超过允许的极限值的表面压力出现，则会发生齿损坏。为了进一步提高力矩传递且达到更高的极限值，遵循不同的方案：

●使用承载能力更高的材料、尤其是高调质的钢；

●进行表面淬火；

●制造具有高表面质量的齿面。

使用高调质的钢由于昂贵的原材料和高的加工成本而成本密集。加工高调质的钢产品或在接下来的加工步骤中继续加工已精炼的表面由于材料硬度是耗费且昂贵的。

同时，精炼方法在涉及传动装置的特殊结构空间时在相应要求的待传递的转矩时遇到材料特定的允许的表面压力的极限。

尤其是当前的齿面形状并非利用齿面的最大可能的表面用来力传递，因为至今重要的椭圆的承载区不覆盖齿面的可能的可利用的局部区域。由于至今使用的标准加工方法无法制造出齿面的最大允许的承载区。

最后，至今仅在降低噪音的方面下分析和优化齿面轮廓的匹配。在此，利用特殊加工机械或在单件加工中来进行优化。

发明内容

本发明的任务是这样改进开头所述类型的锥齿轮传动装置的锥齿轮，使得这些锥齿轮具有更大的优化的承载区，以便可以传递更大的转矩。

根据本发明，该任务通过下述方式来解决，即，通过非常精确的材料切除以下述方式优化齿面的微观形貌和因此优化承载区：

●实施材料切除，使得在齿面上的端部回缩部朝向齿跟侧和齿趾侧减少、在齿面上带有更大的长度和宽度的表面进行啮合并且因此存在增大的承载区；以及

●齿面的凸度的走势在无负荷地考虑气隙（EASE-OFF）时在齿面剖面内的纵剖面图中和/或在轮廓剖面内的轮廓剖面图中遵循近似对数、椭圆或指数曲线形状，该曲线形状经过接触点。

这可通过新的加工方法、优选借助切除材料的多轴加工方法、尤其是五轴铣削方法来进行。在此，齿面凸度的形状可以任意修改，并且因此可以优化。在此目标是增大齿面的承载的总面积并且同时优化偏移特性。因此，尤其是在硬啮合时通过多轴铣床加工优化的逐点的凸度走势是一种新的加工方法。

沿对数、椭圆或指数曲线或者上述形状的组合的优化凸度走势的制造能实现在下述齿轮中的齿面，这些齿轮在相同的几何基本数据且相同的材料特性值时可以传递更大的功率。

“新”的优化的凸度与圆弧形的“正常的”凸度通过定义曲线的下面两个特征来区别：

1．曲线下方的面积的值（图8a）

通过曲线在齿面中央更平坦的走势，在优化的凸度中达到比例A_B/A_Ges＝10至30%。

2．曲线在长度L^*中央的值（图8b）

对于新的凸度的第二个特征，曲线在分布L^*的中央、亦即在50%处的函数值为对于上极限和下极限的C^*的参考数据。对于上极限，参考值定义为由L^*和C^*展开的整个矩形的面积的20%。对于下极限，参考值C^*定义为5%。

这两个边界线如下定义：

$f\left(x\right)=C^{*}\·\frac{\log (1-{\left(\frac{x}{1.5\·L^{*}}\right)}^2)}{\log (1-{\left(\frac{1}{1.5}\right)}^2)}$

上极限曲线的公式（图8a）

$f\left(x\right)=C^{*}\·\frac{\log (1-{\left(\frac{x}{1.001\·L^{*}}\right)}^2)}{\log (1-{\left(\frac{1}{1.001}\right)}^2)}$

下极限曲线的公式（图8a）

由上边界线和下边界线包围一个对于优化的齿面轮廓的区域（图8a、8b和9）。在该区域中，齿的优选的优化的齿面轮廓走势根据下述标准延伸，这些标准影响在受负荷时齿内和齿表面上的应力分布。这些标准主要取决于结构的预定规定并且由于对应用情况的考虑或选择是特定的而并不重要。

锥齿轮的这样的齿面的优点为最大化的用来转矩传递的潜能。

在此特别有利的是减少的材料（材料切除）量，该材料量必须在粗加工之后在各单个的齿上被切除。

有利的是，在此沿齿面出现齿的更均匀的负荷。这导致在齿的关键位置上减小的点状峰值负荷并且因此增大了寿命。

也有利的是，增大的承载区具有更大的滚切面。因此，在负荷时在保持不变的负荷中达到更低的表面压力，这减小了接触面的损耗。这降低了磨损且因此提高了传动装置的使用寿命。同时可以因此安排更长的维修间隔期，这不只在螺旋桨舵驱动装置的使用范围中是重要的。

在此也特别有利的是，至今已知的用于在生产中最大化齿的转矩传递能力的方法和优选使用的材料副可与这里所示的新构思相组合。

附图说明

下面借助附图说明本发明的实施例。

图1示出两个处于啮合的齿轮的“齿侧间隙展开（EASE-OFF）”图；

图2示出关于齿轮齿面的正常的承载区；

图3示出沿齿宽b偏移的承载区；

图4示出沿齿宽的宽度凸度；

图5示出沿齿高的高度凸度；

图6a示出圆弧形的正常的凸度、亦即相对于凸度C^*的走势；

图6b示出在“正常的”圆弧形的凸度中相应的参考点；

图7a和7b以齿侧间隙展开图使凸度的“正常的”圆弧形的走势和优化的齿面的凸度的走势对比；

图8a对于优化的凸度示出极限和对于优选走势的区域；

图8b对于优化的凸度示出用于上极限曲线和下极限曲线的参考点；

图9对比不同的凸度走势；

图10a示出一个锥齿轮，其中，示出承载的带有高的压力的以“正常的”圆弧形的凸度延伸的表面的承载区；

图10b示出一个锥齿轮，其中，齿轮齿面的齿面形貌被优化，该齿轮齿面因此具有更大的承载区。

具体实施方式

因为按本发明的观点，下面对凸度的考虑对于高度凸度和宽度凸度而言是相同的，所以普遍使用概念凸度。如需要，则在相应位置上特别在宽度凸度和高度凸度之间有所区分。

图1在此示出“齿侧间隙展开”图，在该图中示出在无负荷的情况下两个彼此啮合的齿面。第一齿面1在此变形为一个平面。第二齿面2因此表示一个加高弯曲的齿面。由此可看出在两个齿面的两个相对置的点之间的间隙尺寸或气隙的值。可以借助该三维图重测两个齿面之间的距离。图1在此示出宽度凸度和高度凸度沿三维网栅的相应走势。图1在此已经示出偏移的承载区，亦即，两个齿面之间的接触点并不是位于沿齿宽和齿高对中的中心，而是在此沿齿宽移动过。这可从沿齿宽的不同长度b1和b2看出。

图2一般示出凸度3沿齿宽b的走势以及示例性的承载区与典范参考面的接触点4。该走势为从三维“齿侧间隙展开”图中的示例性截面。接触点位于L^*中，其为齿面宽度的中点b/2。C在此表示间隙尺寸亦或气隙。

图3与图2类似地示出凸度5的走势，但这里其带有沿齿宽b位错的偏移的承载区。平面的齿面和相对置的齿面的接触点的亦或触及点6的位置通过参量L^* ₁和L^* ₂来说明。由于偏移的承载区在齿轮左端侧上存在比较大的气隙C^* ₁，其中，在齿轮的右侧上可找到比较小的气隙C^* ₂。

图4特别借助图1的三维“齿侧间隙展开”图中的二维截面示出沿齿宽b的带有齿面的偏移的承载区的宽度凸度。与气隙C^* ₂相比，气隙C^* ₁是其两倍大。

图5示出带有相应的各气隙C^* ₃和C^* ₄的齿面的高度凸度。该高度凸度在此是对称的（可从h1和h2的相同大的长度看出）。但也可以构造成不对称的高度凸度。

图6a说明对于“正常的”圆弧形的凸度的齿面凸度的走势，该齿面凸度也被称为标准凸度。在此横坐标和纵坐标展开一个具有面积A_Ges7的矩形。在标准凸度中通常适用，面积A_B8a除以A_Ges7大于31%。圆弧形的标准凸度曲线上方的剩余面积8b表示齿侧间隙展开图的加高地表示的齿。对于圆弧形的标准凸度的下极限曲线9下方的画阴影线的面积8a表示在齿轮加工中例如被切削地去除的面积。在此，对于这些“正常的”圆弧形凸度走势而言，宽度凸度位于b/500至b/1500的值域中并且高度凸度位于0.003m₀至0.006m₀的值域中。以A_B除以A_Ges等于33.4%的面积所给出的曲线示出至今常常使用的可能的圆弧形标准曲线之一。

图6b示出在一个“正常的”圆弧形的凸度走势中在长度分布L^*=50%处相应的百分比参考点为C^*=25%。

图7a示出圆弧形凸度的三维“齿侧间隙展开”图。

图7b与图7a对比并且示出新的优化的承载区的三维“齿侧间隙展开”图。在此可看出在变形成平面的齿面1和加高弯曲的齿面2之间的不同大小的气隙。由对比同样可看出，在优化的齿面形状中必须切除比较少的材料。

图8a说明对于优化的增大的承载区的走势的上极限11和下极限12的走势。这些极限包围下述区域，在该区域中定义优化的承载区的优选的走势。可清楚地看到，优化的承载区的上极限明显在限制“正常的”圆弧形的标准凸度的下极限的极限曲线13下方延伸。

图8b借助百分比数据说明凸度走势的沿齿面宽度的各参考点并且在此对比了用于“正常的”圆弧形凸度的下极限曲线13与用于优化的凸度的区域14。在沿齿宽L^*分布的50%处，对于上极限曲线的参考点位于20%并且对于下极限曲线的参考点位于5%。

图9对比了至今考虑的不同曲线。

这些曲线是：

“正常的”圆弧形的标准凸度13，该凸度一般是A_B/A_Ges大于31%；

优化的凸度的上极限12；

优化的凸度的下极限11；

在位于优化的凸度的上极限和下极限之间的对于特殊齿轮的齿面走势的优选的修正曲线15。

在优选的修正曲线下方，通过阴影线强调一个面积16。该面积表示必须借助所应用的加工方法去除、例如铣去的区域。与标准凸度相比可清楚地看出，在优化的齿面形状中从锥齿轮的坯件出发，与在圆弧形标准凸度中相比必须去除明显比较少的材料。

图10a示出作为整体的一个锥齿轮17，该齿轮具有带有典型的圆弧形的凸度的齿面。这里可见承载表面18，在图中以高的压力进一步实施以小的承载表面，如其在高调质的齿轮的使用中可找到。该表面的椭圆形的显示是清楚的。

图10b示出一个带有改变的齿面形貌的齿轮19。该齿轮由于优化的增大的承载区具有改变的接触面20。该接触面可用具有倒圆的角的矩形描述。

Claims (22)

1.用来制造锥齿轮的方法，该锥齿轮的齿具有齿轮特定的宏观几何形状，该锥齿轮的齿能通过齿面线和轮廓线来描述，该锥齿轮的齿面具有齿面微观形貌以及该锥齿轮的承载区是处于啮合的齿的接触区域，其中，齿面的凸度相当于齿面中央相对于齿面边缘的加高，其特征在于，通过非常精确的材料切除以下述方式优化齿面的微观形貌和因此优化承载区：

实施材料切除，使得在齿面上的端部回缩部朝向齿跟侧和齿趾侧减少、在齿面上带有更大长度和宽度的表面进行啮合并且因此存在增大的承载区；

齿面凸度的走势在无负荷地考虑气隙时在齿面剖面内的纵剖面图中和/或在轮廓剖面内的轮廓剖面图中遵循曲线形状，该曲线形状经过接触点；

铣刀沿着加工曲线移动，该加工曲线与用于产生优化的承载区的修正曲线叠加以及该加工曲线形成沿相应数学修正曲线的整个齿宽和齿高的轮廓线和/或齿面线，其中，该修正曲线位于上极限曲线和下极限曲线之间；

所述锥齿轮是具有螺旋形齿部或弧形齿部的锥齿轮。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，位于齿面剖面中的齿面轮廓将齿面剖面分为一个与齿相切的面和一个剩余面并且该剩余面的大小占总面积的10％至30％，其中，“齿面剖面”是指下述表面，该表面在无负荷地考虑气隙中沿齿纵向方向延伸经过在齿和对应齿之间的接触点以及在此垂直于参考面，该参考面由对应齿的恰好弯曲成一个平坦表面的齿面构成。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，位于齿面剖面中的齿面轮廓将齿面剖面分为一个与齿相切的面和一个剩余面，其中，该剩余面的大小定义为在接触点和齿面端部之间的整体部分。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其特征在于，在偏移的承载区中，齿面剖面的总面积由气隙的数值和从接触点直到齿面端部的距离的数值确定。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非常精确切除的刀具的控制通过程序进行，该程序导致对数、椭圆或指数的齿面线和/或轮廓线走势。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于用于产生优化的承载区的修正的、带有剩余面为10％的下极限曲线如下定义：

$f\left(x\right)=C^{*}\·\frac{log(1-{\left(\frac{x}{1.001\·L^{*}}\right)}^2)}{log(1-{\left(\frac{1}{1.001}\right)}^2)}$

其中，L^*是从接触点直到齿面端部的距离，并且x是在接触点和齿面端部之间的可变距离值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于用于产生优化的承载区的修正的、带有剩余面为30％的上极限曲线如下定义：

$f\left(x\right)=C^{*}\·\frac{log(1-{\left(\frac{x}{1.5\·L^{*}}\right)}^2)}{log(1-{\left(\frac{1}{1.5}\right)}^2)}$

其中，L^*是从接触点直到齿面端部的距离，并且x是在接触点和齿面端部之间的可变距离值。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加工两个相接触的齿面的铣刀沿着宏观几何形状曲线移动，该宏观几何形状曲线相当于未优化的齿形，给其叠加修正曲线，其产生带有处于啮合的齿面的优化的气隙的微观几何形状。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在加工过程中首先通过加工机床制造齿轮的共轭齿部以及在接下来的步骤中同时在宏观几何形状的区域中制造齿轮齿面的基本形状并且在微观几何形状的区域中制造对于优化的气隙的凸度的特殊形状。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，承载区以这样的方式偏移，使得滚切面的中点位于齿面的中点之外。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述承载区具有带有倒圆的角的在最大程度上四边形的形状。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述带有倒圆的角的四边形或矩形的承载区按照啮合尺寸至少相当于基本上椭圆形的承载区的尺寸。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，为了在淬火后硬精细加工锥齿轮的齿，通过在齿面上的非常精确的材料切除代替研磨接触面，通过用四轴或更多轴方法的铣削或磨削来制造承载区的光滑的接触面。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于制造船舶动力传动装置的锥齿轮。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法用于制造功率谱为100kW至10000kW的船舶动力传动装置。

16.根据权利要求1所述的方法，该方法用于制造锥齿轮传动装置的锥齿轮，这些锥齿轮沿齿面的走势相当于圆弧形、外摆线或渐开线曲线。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述齿面的高度凸度和宽度凸度的走势基本上是圆弧形的。

18.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述剩余面占总面积的20％至28％。

19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述齿面凸度的走势在无负荷地考虑气隙时在齿面剖面内的纵剖面图中和/或在轮廓剖面内的轮廓剖面图中遵循对数、椭圆和/或指数曲线形状，该曲线形状经过接触点。

20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述船舶动力传动装置是螺旋桨舵船舶动力传动装置。

21.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述程序导致在接触点中在纵剖面和/或轮廓剖面中的齿面线和/或轮廓线走势。

22.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，相应的数学修正曲线是对数、椭圆或指数类型的修正曲线。