CN104500693A - 刚柔复合滤波齿轮 - Google Patents

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Abstract

本发明首先公开了一种刚柔复合滤波外齿轮，包括外齿圈和间隙配合套装在外齿圈内的轮毂，外齿圈与轮毂之间环形均布设有弹性体填充孔Ⅰ，弹性体填充孔Ⅰ内设有高阻尼弹性体Ⅰ。本发明其次公开了一种刚柔复合滤波内齿轮，包括内齿圈和间隙配合套装在内齿圈外的齿座，内齿圈的内周壁上设有轮齿，内齿圈与齿座之间环形均布设有弹性体填充孔Ⅱ，弹性体填充孔Ⅱ内设有高阻尼弹性体Ⅱ。本发明还公开了一种刚柔复合滤波齿轮啮合副，包括相互啮合的两个齿轮；两个齿轮均为外齿轮，且两个齿轮中，至少一个齿轮为刚柔复合滤波外齿轮；或，两个齿轮中，其中一个为外齿轮、另一个为内齿轮，且外齿轮为如刚柔复合滤波外齿轮和/或内齿轮为刚柔复合滤波内齿轮。

Description

刚柔复合滤波齿轮
技术领域
本发明属于齿轮传动技术领域，具体的涉及一种能够过滤掉传动过程中产生的波动的刚柔复合滤波外齿轮、内齿轮及其啮合副。
背景技术
齿轮作为机械传动装置中最基础的零件，在机械传动领域中得到了广泛应用和发展。随着船舶、车辆、石油、水利、航空航天和国防武器等工程领域事业的迅速发展，对齿轮传动的精度、可靠性及减振、降噪等性能提出了新的要求。回差是减速器传动精度的重要指标，回差主要是由啮合齿轮的齿侧间隙决定的。侧隙小虽然传动精度高，但是齿轮在啮合时容易产生各种干涉。轮齿啮合时的啮入、啮出冲击，及运行过程中零部件的损耗等因素都将加大齿轮传动机构在运行过程中的振动、噪声，并影响齿轮寿命。特别是在极端工况与特殊环境（如振动、高低温交变）下，齿轮的体积热膨胀及外界恶劣的力学环境，将使驱动机构产生非线性耦合振动并导致齿廓干涉、润滑失效，甚至是齿与齿之间的“卡涩”或“卡死”现象，从而影响齿轮传动的可靠性。另一方面电机作为传动装置的源头，电机产生的机械能处于高转速低转矩状态，通过减速器输出时变为低转速大转矩状态，期间由于零部件自身的制造装配误差，齿轮啮合冲击不可避免的将使力矩与转速的传递产生波动。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种刚柔复合滤波外齿轮、内齿轮及其啮合副，能够有效过滤掉由于电机产生的机械能形态改变、装配制造误差和啮合冲击以及热变形等因素产生的啮合干涉、齿面疲劳磨损、振动和噪声，保证传动装置在所设计的传动精度和承载能力范围内工作，有效防止极端工况与特殊环境影响下齿轮传动装置的“卡涩”、“卡死”等问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提出了一种刚柔复合滤波外齿轮，包括外齿圈和间隙配合套装在所述外齿圈内的轮毂，所述外齿圈的外周壁上设有轮齿，所述外齿圈与所述轮毂之间环形均布设有弹性体填充孔Ⅰ，所述弹性体填充孔Ⅰ内设有高阻尼弹性体Ⅰ。
进一步，还包括分别盖装在所述外齿圈两端面上用于防止所述轮毂相对于所述外齿圈轴向移动的挡圈Ⅰ。
进一步，所述高阻尼弹性体Ⅰ与所述弹性体填充孔Ⅰ之间过盈配合。
进一步，所述高阻尼弹性体Ⅰ采用金属橡胶材料制成，所述高阻尼弹性体Ⅰ的制造方法如下：
将奥氏体不锈钢金属丝制成螺旋卷后冲压成型，所述螺旋卷的直径为所述金属丝直径的10-15倍，所述冲压成型时采用外制模具冲压成型或直接在所述弹性体填充孔Ⅰ内冲压成型。
本发明其次提出了一种刚柔复合滤波内齿轮，包括内齿圈和间隙配合套装在所述内齿圈外的齿座，所述内齿圈的内周壁上设有轮齿，所述内齿圈与所述齿座之间环形均布设有弹性体填充孔Ⅱ，所述弹性体填充孔Ⅱ内设有高阻尼弹性体Ⅱ。
进一步，还包括分别盖装在所述内齿圈两端面上用于防止所述齿座相对于所述内齿圈轴向移动的挡圈Ⅱ。
进一步，所述高阻尼弹性体Ⅱ与所述弹性体填充孔Ⅱ之间过盈配合。
进一步，所述高阻尼弹性体Ⅱ采用金属橡胶材料制成，所述高阻尼弹性体Ⅱ的制造方法如下：
将奥氏体不锈钢金属丝制成螺旋卷后冲压成型，所述螺旋卷的直径为所述金属丝直径的10-15倍，所述冲压成型时采用外制模具冲压成型或直接在所述弹性体填充孔Ⅱ内冲压成型。
本发明还提出了一种刚柔复合滤波齿轮啮合副，包括相互啮合的两个齿轮；
两个所述齿轮均为外齿轮，且两个所述齿轮中，至少一个所述齿轮为如权利要求1-4所述的刚柔复合滤波外齿轮；或，
两个所述齿轮中，其中一个为外齿轮、另一个为内齿轮，且所述外齿轮为如权利要求1-4所述的刚柔复合滤波外齿轮和/或所述内齿轮为如权利要求5-8所述的刚柔复合滤波内齿轮。
进一步，两个所述齿轮的轴线相互平行或相交。
本发明的有益效果在于：
本发明的刚柔复合滤波内/外齿轮，通过将其分体设置为轮毂和外齿圈两个零件，并在两者间紧密填充高阻尼弹性体Ⅰ，从而明显增强了齿轮及整个传动系统的抗振能力。轮毂与齿圈之间存在的配合间隙用于限制高阻尼弹性体Ⅰ的最大弹性变形量，以保证齿轮的传动精度与扭转刚度。通过可控的弹性变形量过滤掉由于电机产生的机械能形态改变、装配制造误差和啮合冲击等产生的啮合干涉、齿面疲劳磨损、振动和噪声，保证采用本发明刚柔复合滤波齿轮的传动装置在所设计的传动精度和承载能力范围内工作，能够有效防止齿轮传动装置在极端工况与特殊环境影响下出现的“卡涩”、“卡死”等问题。
另外，本发明的刚柔复合滤波外齿轮、内齿轮及其啮合副具有适用范围广、可广泛应用于多种齿轮传动装置中的优点，适合大范围推广使用。
本发明中，高阻尼弹性体Ⅰ和高阻尼弹性体Ⅱ采用的金属橡胶材料，其本质仍是一种金属材料，相比其他非金属类的阻尼材料，具有更好的耐油、耐高低温、耐腐蚀的性能，因此，本发明的刚柔复合滤波外齿轮、内齿轮及其啮合副的使用寿命高于其他类型的柔性齿轮副。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明刚柔复合滤波外齿轮实施例的结构示意图；
图2为图1的C-C剖面视图；
图3为本实施例刚柔复合滤波外齿轮的轴向爆炸图；
图4为本发明刚柔复合滤波内齿轮实施例的结构示意图；
图5为本发明刚柔复合滤波齿轮啮合副实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
第一实施例
如图1所示，为本发明刚柔复合滤波外齿轮实施例的结构示意图。本实施例的刚柔复合滤波外齿轮，包括外齿圈1和间隙配合套装在外齿圈1内的轮毂2，外齿圈1的外周壁上设有轮齿Ⅰ3，外齿圈1与轮毂2之间环形均布设有弹性体填充孔Ⅰ，所述弹性体填充孔Ⅰ内设有高阻尼弹性体Ⅰ4，具体的，外齿圈1的内孔壁上设有弧形凹槽Ⅰ，轮毂2的外周壁上设有弧形凹槽Ⅱ，弧形凹槽Ⅰ和弧形凹槽Ⅱ配合构成弹性体填充孔Ⅰ。轮毂2的中心设有中心通孔5，能够方便地与齿轮轴配合。外齿圈1与轮毂2之间的配合间隙的大小应根据载荷大小计算而定，要求在齿轮副承受额定径向载荷时，高阻尼弹性体Ⅰ4的径向变形使外齿圈1 和轮毂2 之间的配合面正好接触。本实施例的轮齿Ⅰ3的齿形可以为渐开线的直齿、斜齿、锥齿、螺旋齿或摆线齿，以上齿形的选择并不妨碍本发明在结构上的实质性改进。
优选的，本实施例的刚柔复合滤波外齿轮还包括分别盖装在外齿圈1两端面上用于防止轮毂2相对于外齿圈1轴向移动的挡圈Ⅰ6，本实施例的挡圈Ⅰ6采用螺钉7安装在外齿圈1上，挡圈Ⅰ6的平面与轮毂2亦有接触，但挡圈Ⅰ6内径稍大于轮毂2 的凸台外径，以保证轮毂2可以沿径向产生微小移动。
进一步，高阻尼弹性体Ⅰ4与弹性体填充孔Ⅰ之间过盈配合。本实施例的高阻尼弹性体Ⅰ4采用金属橡胶材料制成，且高阻尼弹性体Ⅰ4的制造方法如下：将奥氏体不锈钢金属丝制成螺旋卷后冲压成型，所述螺旋卷的直径为所述金属丝直径的10-15倍，冲压成型时采用外制模具冲压成型或直接在弹性体填充孔Ⅰ内冲压成型。具体的，奥氏体不锈钢金属丝的牌号为 0Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni9Ti 等，金属丝直径范围为0.05~0.5mm，螺旋卷直径为金属丝直径的10-15 倍，螺旋卷拉伸后的螺距与螺旋卷直径大致相等，最终金属橡胶成品的相对密度为0.1~0.4，压缩弹性模量≥10MPa。本实施例的金属丝直径范围为0.1mm，螺旋卷直径为金属丝直径的14 倍。另外，环形均布的所有圆柱状高阻尼弹性体Ⅰ4的性能应一致，以保证刚柔复合滤波齿轮传动性能的稳定性。建议所有圆柱状高阻尼弹性体Ⅰ4同时进行模压成型生产，且其毛坯的重量差距不超过正±1%。可直接利用外齿圈1 和轮毂2作为模具的一部分，恰当的定位后，以弹性体填充孔Ⅰ作为模压的型腔直接冲压成型。
本实施例中，外齿圈1的内径为84.0mm，轮毂2的外径为83.9mm，即外齿圈1和轮毂2之间的配合间隙值为0.05mm。高阻尼弹性体Ⅰ4为6 个均布的直径为25.0mm的金属橡胶圆柱体。
本实施例的刚柔复合滤波外齿轮，通过将其分体设置为轮毂2和外齿圈1两个零件，并在两者间紧密填充高阻尼弹性体Ⅰ4，从而明显增强了齿轮及整个传动系统的抗振能力。轮毂与齿圈之间存在的配合间隙用于限制高阻尼弹性体Ⅰ4的最大弹性变形量，以保证齿轮的传动精度与扭转刚度。通过可控的弹性变形量过滤掉由于电机产生的机械能形态改变、装配制造误差和啮合冲击等产生的啮合干涉、齿面疲劳磨损、振动和噪声，保证采用本发明刚柔复合滤波外齿轮的传动装置在所设计的传动精度和承载能力范围内工作，能够有效防止齿轮传动装置在极端工况与特殊环境影响下出现的“卡涩”、“卡死”等问题。
第二实施例
如图4所示，为本发明刚柔复合滤波内齿轮实施例的结构示意图。本实施例的刚柔复合滤波内齿轮，包括内齿圈8和间隙配合套装在内齿圈8外的齿座9，内齿圈8的内周壁上设有轮齿Ⅱ10，内齿圈8与齿座9之间环形均布设有弹性体填充孔Ⅱ，弹性体填充孔Ⅱ内设有高阻尼弹性体Ⅱ11。具体的，内齿圈8的内孔壁上设有弧形凹槽Ⅲ，齿座9的外周壁上设有弧形凹槽Ⅳ，弧形凹槽Ⅲ和弧形凹槽Ⅳ配合构成弹性体填充孔Ⅱ。内齿圈8与齿座9之间的配合间隙的大小应根据载荷大小计算而定，要求在齿轮副承受额定径向载荷时，高阻尼弹性体Ⅱ11的径向变形使内齿圈8 和齿座9之间的配合面正好接触。本实施例的轮齿Ⅱ10的齿形可以为渐开线的直齿、斜齿、锥齿、螺旋齿或摆线齿，以上齿形的选择并不妨碍本发明在结构上的实质性改进。
优选的，本实施例的刚柔复合滤波内齿轮还包括分别盖装在内齿圈8两端面上用于防止齿座9相对于内齿圈8轴向移动的挡圈Ⅱ12，本实施例的挡圈Ⅱ12采用螺钉13安装在内齿圈8上，挡圈Ⅱ12的平面与齿座9亦有接触，但挡圈Ⅱ12内径稍小于齿座9的凸台外径，以保证齿座9可以沿径向产生微小移动。
进一步，高阻尼弹性体Ⅱ11与弹性体填充孔Ⅱ之间过盈配合。本实施例的高阻尼弹性体Ⅱ11采用金属橡胶材料制成，且高阻尼弹性体Ⅱ11的制造方法如下：将奥氏体不锈钢金属丝制成螺旋卷后冲压成型，螺旋卷的直径为金属丝直径的10-15倍，冲压成型时采用外制模具冲压成型或直接在弹性体填充孔Ⅱ内冲压成型。具体的，奥氏体不锈钢金属丝的牌号为 0Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni9Ti 等，金属丝直径范围为0.05~0.5mm，螺旋卷直径为金属丝直径的10-15 倍，螺旋卷拉伸后的螺距与螺旋卷直径大致相等，最终金属橡胶成品的相对密度为0.1~0.4，压缩弹性模量≥10MPa。本实施例的金属丝直径范围为0.2mm，螺旋卷直径为金属丝直径的12 倍。另外，环形均布的所有圆柱状高阻尼弹性体Ⅱ11的性能应一致，以保证刚柔复合滤波齿轮传动性能的稳定性。建议所有圆柱状高阻尼弹性体Ⅱ11同时进行模压成型生产，且其毛坯的重量差距不超过正±1%。可直接利用内齿圈8 和齿座9作为模具的一部分，恰当的定位后，以弹性体填充孔Ⅱ作为模压的型腔直接冲压成型。
本实施例中，内齿圈8和齿座9之间的配合间隙值为0.05mm。高阻尼弹性体Ⅰ4为6 个均布的直径为25.0mm的金属橡胶圆柱体。
第三实施例
如图5所示，为本发明刚柔复合滤波齿轮啮合副实施例的结构示意图。本实施例的刚柔复合滤波齿轮啮合副，包括相互啮合的两个齿轮。本实施例的两个齿轮中，其中一个为外齿轮14、另一个为内齿轮15，且外齿轮14采用如第一实施例所述刚柔复合滤波外齿轮，内齿轮为普通齿轮。本实施例的内齿轮15的轮毂2中心通孔内安装有偏心轴16，偏心轴16与中心通孔之间设有轴承17，外齿轮14和内齿轮15之间设有偏心距e。进一步，两个齿轮的轴线相互平行或相交，本实施例的两个齿轮的轴线平行。
同理，两个齿轮中，还可为外齿轮为普通齿轮，内齿轮采用如第二实施例所述的刚柔复合滤波内齿轮，或外齿轮14采用如第一实施例所述刚柔复合滤波外齿轮，同时内齿轮采用如第二实施例所述的刚柔复合滤波内齿轮。当然，刚柔复合滤波齿轮啮合副的两个齿轮还可以均为外齿轮，且两个齿轮中，其中一个外齿轮采用如第一实施例所述的刚柔复合滤波外齿轮；或两个外齿轮均采用如第一实施例所述的刚柔复合滤波外齿轮。不再累述。
本实施例中，影响本实施例刚柔复合滤波齿轮啮合副的制造装配误差主要包括内齿轮15和外齿轮14的齿廓齿距偏差、齿轮的形状位置偏差如径向跳动及两齿轮间中心距和轴线平行度的偏差。这些因素都会影响传动的平稳性，从而产生振动、噪声。外齿轮14与轮毂2之间填充的高阻尼弹性体Ⅰ4通过往复的弹性变形可以吸收能量从而减小振动、噪声，同时可以容许两齿轮轴线之间平行度存在一定偏差起到弹性联轴器的作用。轮毂2和外齿圈1之间存在配合间隙用于限制金属橡胶的最大弹性变形量以保证齿轮的传动精度与扭转刚度。
一对齿轮副之间的回差是影响齿轮传动精度的重要指标，内齿轮15与外齿轮14之间回差的大小主要由两个齿轮的齿距偏差及中心距e决定，对于图4所示的内啮合齿轮副，通过适当地增加中心距e 贴紧内齿轮15与外齿圈1的齿面能减小回差提高传动精度，并增加啮合齿对提高承载能力。但是回差过小时，齿廓及径向偏差较大处的啮合就容易产生齿廓干涉从而加剧齿面疲劳及磨损，特殊与极端环境如高低温交变引起的齿轮变形也会出现类似问题。外齿轮14与轮毂2之间填充的高阻尼弹性体Ⅰ4 后，可以适当的增加中心距e 以减小回差，在误差较大有可能发生齿廓干涉的部位，高阻尼弹性体Ⅰ4发生适当的压缩变形使两齿轮的中心距减小以增加齿侧间隙使啮合顺利过渡并减少齿面磨损。同理在高低温交变情况下，若温度升高齿轮体积膨胀，在齿廓产生干涉部位高阻尼弹性体Ⅰ4 的压缩变形两齿轮的中心距减小适当增加了轮齿之间的侧隙，以避免“卡涩”、“卡死”现象以及热应力引起的润滑失效、摩擦磨损。当温度降低后高阻尼弹性体Ⅰ4压缩变形释放，使两齿轮的中心距增加以减小回差保证传动精度，从而使整个传动装置具有自适应和实时调整的功能。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种刚柔复合滤波外齿轮，其特征在于：包括外齿圈和间隙配合套装在所述外齿圈内的轮毂，所述外齿圈的外周壁上设有轮齿，所述外齿圈与所述轮毂之间环形均布设有弹性体填充孔Ⅰ，所述弹性体填充孔Ⅰ内设有高阻尼弹性体Ⅰ。
2.根据权利要求1所述的刚柔复合滤波外齿轮，其特征在于：还包括分别盖装在所述外齿圈两端面上用于防止所述轮毂相对于所述外齿圈轴向移动的挡圈Ⅰ。
3.根据权利要求1所述的刚柔复合滤波外齿轮，其特征在于：所述高阻尼弹性体Ⅰ与所述弹性体填充孔Ⅰ之间过盈配合。
4.根据权利要求1所述的刚柔复合滤波外齿轮，其特征在于：所述高阻尼弹性体Ⅰ采用金属橡胶材料制成，所述高阻尼弹性体Ⅰ的制造方法如下：
   将奥氏体不锈钢金属丝制成螺旋卷后冲压成型，所述螺旋卷的直径为所述金属丝直径的10-15倍，所述冲压成型时采用外制模具冲压成型或直接在所述弹性体填充孔Ⅰ内冲压成型。
5.一种刚柔复合滤波内齿轮，其特征在于：包括内齿圈和间隙配合套装在所述内齿圈外的齿座，所述内齿圈的内周壁上设有轮齿，所述内齿圈与所述齿座之间环形均布设有弹性体填充孔Ⅱ，所述弹性体填充孔Ⅱ内设有高阻尼弹性体Ⅱ。
6.根据权利要求5所述的刚柔复合滤波内齿轮，其特征在于：还包括分别盖装在所述内齿圈两端面上用于防止所述齿座相对于所述内齿圈轴向移动的挡圈Ⅱ。
7.根据权利要求5所述的刚柔复合滤波内齿轮，其特征在于：所述高阻尼弹性体Ⅱ与所述弹性体填充孔Ⅱ之间过盈配合。
8.根据权利要求5所述的刚柔复合滤波内齿轮，其特征在于：所述高阻尼弹性体Ⅱ采用金属橡胶材料制成，所述高阻尼弹性体Ⅱ的制造方法如下：
将奥氏体不锈钢金属丝制成螺旋卷后冲压成型，所述螺旋卷的直径为所述金属丝直径的10-15倍，所述冲压成型时采用外制模具冲压成型或直接在所述弹性体填充孔Ⅱ内冲压成型。
9.一种刚柔复合滤波齿轮啮合副，其特征在于：包括相互啮合的两个齿轮；
两个所述齿轮均为外齿轮，且两个所述齿轮中，至少一个所述齿轮为如权利要求1-4所述的刚柔复合滤波外齿轮；或，
两个所述齿轮中，其中一个为外齿轮、另一个为内齿轮，且所述外齿轮为如权利要求1-4所述的刚柔复合滤波外齿轮和/或所述内齿轮为如权利要求5-8所述的刚柔复合滤波内齿轮。
10.根据权利要求9所述的刚柔复合滤波齿轮啮合副，其特征在于：两个所述齿轮的轴线相互平行或相交。
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