CN106321776A - 具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，所述斜齿轮的法面齿廓曲线包括凸圆弧曲线段、渐开线曲线段和凹圆弧曲线段，所述渐开线曲线段外端与凸圆弧曲线段起始端光滑相切连接，所述渐开线曲线段起始端与凹圆弧曲线段外端光滑相切连接，本发明新型斜齿轮传动过程可具有渐开线齿轮中心距可分性、制造简单、测量方便和圆弧齿轮接触强度大、跑合性好等优点，传动性能较现有渐开线齿轮预期有较大提高，对于实现齿轮及其传动装置的轻量化具有重要意义。

Description

具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮

技术领域

本发明涉及一种齿轮，特别涉及一种具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮。

背景技术

渐开线齿轮传动由于其中心距的可分性以及制造、测量方便等特点，具有广泛的工业应用。鉴于渐开线齿轮有啮合齿面存在相对滑动、承载能力较差等问题，众多学者开展新型齿轮传动研发。专利ZL201010508097.9公开了一种渐开弧面齿廓的斜齿轮及其啮合副，其齿廓曲线为圆弧形式，轮齿曲面是由圆弧曲线沿渐开螺旋面上的齿面接触线做螺旋运动形成；专利ZL97109330.X公开了一种啮合齿轮，其凸齿齿廓曲线为渐开线，凹齿齿廓曲线为过渡曲线，即齿高的一半为渐开线，另一半为过渡曲线，啮合方式为点线啮合；专利ZL99114349.3公开了一种保持纯滚动接触的齿轮啮合齿廓形式，齿廓的齿顶部分、或齿根部分、或全部齿廓用与之仅切于节点且位于共轭曲线齿的实体内的一条光滑曲线齿廓代替，然而上述公开的齿轮副不能兼具渐开线齿轮和圆弧齿轮的优点，无法满足当前社会生产对高承载、高效率、轻量化齿轮的要求。

因此，需要一种双点接触齿廓曲线的斜齿轮，其齿廓曲线由凸圆弧曲线段、渐开线曲线段和凹圆弧曲线段三部分光滑相切连接组成，啮合过程中齿面在连接点处呈双点接触，由于齿廓曲线不同，齿轮啮合特性兼具渐开线齿轮和圆弧齿轮的优点，来满足当前社会生产对高承载、高效率、轻量化齿轮的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种双点接触齿廓曲线的斜齿轮，其齿廓曲线由凸圆弧曲线段、渐开线曲线段和凹圆弧曲线段三部分光滑相切连接组成，啮合过程中齿面在连接点处呈双点接触，由于齿廓曲线不同，齿轮啮合特性兼具渐开线齿轮和圆弧齿轮的优点，来满足当前社会生产对高承载、高效率、轻量化齿轮的要求。

本发明公开的一种具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，所述斜齿轮的法面齿廓曲线包括凸圆弧曲线段、渐开线曲线段和凹圆弧曲线段，所述渐开线曲线段外端与凸圆弧曲线段起始端光滑相切连接，所述渐开线曲线段起始端与凹圆弧曲线段外端光滑相切连接；

进一步，所述斜齿轮啮合过程中，其齿面在所述渐开线曲线段与凸圆弧曲线段的连接点处或渐开线曲线段与凹圆弧曲线段的连接点处呈双点接触；

进一步，所述渐开线曲线段的外端位于节圆外侧并距离节圆0.2～0.5倍齿轮模数；所述渐开线曲线内端位于节圆内并距离节圆0.2～0.5倍齿轮模数；

进一步，所述凸圆弧曲线段的内端与渐开线曲线段的外端重合，凸圆弧曲线段的外端位于所述斜齿轮的齿顶圆上，所述凹圆弧曲线段的外端与渐开线曲线段的内端重合，凹圆弧曲线段的内端位于所述斜齿轮的齿根圆上；

进一步，所述凹圆弧曲线段的半径大于所述凸圆弧曲线段的半径；

进一步，所述法面齿廓内凸圆弧曲线段的方程Γ₁、渐开线曲线段的方程Γ₂和凹圆弧曲线段的方程Γ分别为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Gamma;}}_1:\left\{\begin{array}{c}x=sin(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)({\mathrm{\&rho;}}_{1}sin\mathrm{\&gamma;}+r_b)-cos(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)({\mathrm{\&rho;}}_{1}cos\mathrm{\&gamma;}+{\mathrm{\&rho;}}_1+\sqrt{{r_1}^2-{r_b}^2})\\ y=\cos (co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)({\mathrm{\&rho;}}_{1}sin\mathrm{\&gamma;}+r_b)+\sin (co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)({\mathrm{\&rho;}}_{1}cos\mathrm{\&gamma;}+{\mathrm{\&rho;}}_1+\sqrt{{r_1}^2-{r_b}^2})\\ z=0\end{array}\right.\\ {\mathrm{\&gamma;}}_1<\mathrm{\&gamma;}<{\mathrm{\&gamma;}}_2\end{array};$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Gamma;}}_2:\left\{\begin{array}{c}x=r_b\&lsqb;\sin (\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;})-\mathrm{\&gamma;}\cos (\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;})\&rsqb;\\ y=r_b\&lsqb;\cos (\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;})+\mathrm{\&gamma;}\sin (\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;})\&rsqb;\\ z=0\end{array}\right.\\ {\mathrm{\&gamma;}}_2<\mathrm{\&gamma;}<{\mathrm{\&gamma;}}_3\end{array};$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Gamma;}}_3:\left\{\begin{array}{c}x=sin(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_2}+{\mathrm{\&theta;}}_2)({\mathrm{\&rho;}}_{2}sin\mathrm{\&gamma;}+r_b)-cos(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_2}+{\mathrm{\&theta;}}_2)({\mathrm{\&rho;}}_{2}cos\mathrm{\&gamma;}-{\mathrm{\&rho;}}_2+\sqrt{{r_2}^2-{r_b}^2})\\ y=\cos (co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_2}+{\mathrm{\&theta;}}_2)({\mathrm{\&rho;}}_{2}sin\mathrm{\&gamma;}+r_b)+\sin (co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_2}+{\mathrm{\&theta;}}_2)({\mathrm{\&rho;}}_{2}cos\mathrm{\&gamma;}-{\mathrm{\&rho;}}_2+\sqrt{{r_2}^2-{r_b}^2})\\ z=0\end{array}\right.\\ {\mathrm{\&gamma;}}_3<\mathrm{\&gamma;}<{\mathrm{\&gamma;}}_4;\end{array}$

式中，r_b是斜齿轮的基圆半径；r₁是凸圆弧曲线段与渐开线曲线段的连接点至节点的距离；r₂是凹圆弧曲线段与渐开线曲线段的连接点至节点的距离；ρ₁是凸圆弧曲线段的半径；ρ₂是凹圆弧曲线段的半径；θ₁和θ₂分别为渐开线曲线段两端点的展角；α为渐开线曲线段相对于齿轮中心的旋转角度；γ是曲线参数。

进一步，所述斜齿轮的齿面包括与凸圆弧曲线段、渐开线曲线段和凹圆弧曲线段一一对应的第一齿面∑₁、第二齿面∑₂和第三齿面∑，所述第一齿面∑₁、第二齿面∑₂和第三齿面∑的方程分别为：

基于齿轮几何学原理，利用坐标变换关系可分别得到与凸圆弧曲线段、渐开线曲线段和凹圆弧曲线段一一对应的第一齿面∑₁、第二齿面∑₂和第三齿面∑

式中，β是齿轮螺旋角；p是螺旋参数；是齿轮运动旋转过的角度。

本发明的有益效果为：本发明提出的具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，具有中心距可分性、高弯曲和接触强度、高传动效率、低振动噪声、高可靠性等特点；并且本发明的齿轮加工制造方便；其特殊的齿形曲线也避免了标准齿轮的根切现象，使该齿轮的最小齿数能够达到1，与同等条件下的其他齿轮相比，大大减小了重量和尺寸。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明斜齿轮的法向截面齿廓曲线示意图；

图2为本发明斜齿轮齿面的空间示意图。

图3为本发明斜齿轮啮合时双点接触示意图。

具体实施方式

图1为本发明齿轮具体实施例的法向截面齿廓曲线示意图，本发明的具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，所述斜齿轮的法面内齿廓曲线包括凸圆弧曲线段1、渐开线曲线段2和凹圆弧曲线段3，所述渐开线曲线段2外端与凸圆弧曲线段1起始端光滑相切连接，所述渐开线曲线段2内端与凹圆弧曲线段3外端光滑相切连接，本发明的具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，具有中心距可分性、高弯曲和接触强度、高传动效率、低振动噪声、高可靠性等特点；并且本发明的齿轮加工制造方便；其特殊的齿形曲线也避免了标准齿轮的根切现象，使该齿轮的最小齿数能够达到1，与同等条件下的其他齿轮相比，大大减小了重量和尺寸。

本实施例中，所述斜齿轮啮合过程中，其齿面在所述渐开线曲线段与凸圆弧曲线段的连接点处或渐开线曲线段与凹圆弧曲线段的连接点处呈双点接触。

本实施例中，所述渐开线曲线段的外端位于节圆外侧并距离节圆0.2倍齿轮模数；所述渐开线曲线内端位于节圆内并距离节圆0.2倍齿轮模数。

本实施例中，所述凸圆弧曲线段的内端与渐开线曲线段的外端重合，凸圆弧曲线段的外端位于所述斜齿轮的齿顶圆上，所述凹圆弧曲线段的外端与渐开线曲线段的内端重合，凹圆弧曲线段的内端位于所述斜齿轮的齿根圆上，所述凹圆弧曲线段的半径大于所述凸圆弧曲线段的半径，本实施例选取齿轮Ⅰ齿数为6，齿轮Ⅱ齿数为30，齿宽为50mm，齿顶高为2.4mm，齿根高为4mm，凸圆弧半径为10mm，凹圆弧半径为12mm，齿轮模数为8mm，螺旋角为26.6866度，计算得螺旋参数为47.7465，节圆压力角为25度，节圆半径为24mm，基圆半径为21.7514mm，中心距为144mm。

本实施例中，凸圆弧曲线段与渐开线曲线段的连接点至节点的距离为25.6mm，凹圆弧曲线段与渐开线曲线段的连接点至节点的距离为22.4mm。渐开线曲线起始端展角为3.734度，渐开线曲线末端展角为1.719度，进一步可以计算得到相关参数，代入齿廓曲线方程为

本实施例中，根据方程Γ₁、Γ₂和Γ求得轮齿齿面方程∑₁、∑₂和∑(此处取齿轮运动旋转过的角度)

根据上述方程，进一步得到如图2所示本发明斜齿轮齿面的空间示意图，本实施例的斜齿轮的齿面包括凸圆弧齿廓曲线形成的第一齿面4，渐开线齿廓曲线形成的第二齿面5和凹圆弧齿廓曲线形成第三齿面6，图3为本发明采用上述齿面斜齿轮啮合时双点接触示意图，齿廓接触点为两个并分别为第一接触点7和第二接触点8。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，其特征在于：所述斜齿轮的法面齿廓曲线包括凸圆弧曲线段、渐开线曲线段和凹圆弧曲线段，所述渐开线曲线段外端与凸圆弧曲线段内光滑相切连接，所述渐开线曲线段内端与凹圆弧曲线段外端光滑相切连接。

2.根据权利要求1所述具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，其特征在于：所述斜齿轮啮合过程中，其齿面在所述渐开线曲线段与凸圆弧曲线段的连接点处以及渐开线曲线段与凹圆弧曲线段的连接点为齿轮啮合的两个接触点。

3.根据权利要求1所述具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，其特征在于：所述渐开线曲线段的外端位于节圆外侧并距离节圆0.2～0.5倍齿轮模数；所述渐开线曲线内端位于节圆内并距离节圆0.2～0.5倍齿轮模数。

4.根据权利要求1所述具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，其特征在于：所述凸圆弧曲线段的内端与渐开线曲线段的外端重合，凸圆弧曲线段的外端位于所述斜齿轮的齿顶圆上，所述凹圆弧曲线段的外端与渐开线曲线段的内端重合，凹圆弧曲线段的内端位于所述斜齿轮的齿根圆上。

5.根据权利要求4所述具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，其特征在于：所述凹圆弧曲线段的半径大于所述凸圆弧曲线段的半径。

6.根据权利要求1所述具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，其特征在于：所述法面齿廓内凸圆弧曲线段的方程Γ₁、渐开线曲线段的方程Γ和凹圆弧曲线段的方程Γ分别为：

${\mathrm{\&Gamma;}}_1:\left\{\begin{array}{c}x=sin(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)({\mathrm{\&rho;}}_{1}sin\mathrm{\&gamma;}+r_b)-cos(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)({\mathrm{\&rho;}}_{1}cos\mathrm{\&gamma;}+{\mathrm{\&rho;}}_1+\sqrt{{r_1}^2-{r_b}^2})\\ y=cos(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)({\mathrm{\&rho;}}_{1}sin\mathrm{\&gamma;}+r_b)+sin(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)({\mathrm{\&rho;}}_{1}cos\mathrm{\&gamma;}+{\mathrm{\&rho;}}_1+\sqrt{{r_1}^2-{r_b}^2})\\ z=0\end{array}\right.;$

其中，γ₁<γ<γ₂；

${\mathrm{\&Gamma;}}_2:\left\{\begin{array}{c}x=r_b\&lsqb;\sin (\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;})-\mathrm{\&gamma;}cos(\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;})\&rsqb;\\ y=r_b\&lsqb;\cos (\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;})+\mathrm{\&gamma;}sin(\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;})\&rsqb;\\ z=0\end{array}\right.;$

其中，γ₂<γ<γ₃；

${\mathrm{\&Gamma;}}_3:\left\{\begin{array}{c}x=sin(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_2}+{\mathrm{\&theta;}}_2)({\mathrm{\&rho;}}_{2}sin\mathrm{\&gamma;}+r_b)-cos(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_2}+{\mathrm{\&theta;}}_2)({\mathrm{\&rho;}}_{2}cos\mathrm{\&gamma;}-{\mathrm{\&rho;}}_2+\sqrt{{r_2}^2-{r_b}^2})\\ y=cos(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_2}+{\mathrm{\&theta;}}_2)({\mathrm{\&rho;}}_{2}sin\mathrm{\&gamma;}+r_b)+sin(co{s}^{-1}\frac{r_b}{r_2}+{\mathrm{\&theta;}}_2)({\mathrm{\&rho;}}_{2}cos\mathrm{\&gamma;}-{\mathrm{\&rho;}}_2+\sqrt{{r_2}^2-{r_b}^2})\\ z=0\end{array}\right.;$

其中，γ₃<γ<γ₄；

方程Γ₁、Γ、Γ中，r_b是斜齿轮的基圆半径；r₁是凸圆弧曲线段与渐开线曲线段的连接点至节点的距离；r₂是凹圆弧曲线段与渐开线曲线段的连接点至节点的距离；ρ₁是凸圆弧曲线段的半径；ρ₂是凹圆弧曲线段的半径；θ₁和θ₂分别为渐开线曲线段两端点的展角；α为渐开线曲线段相对于齿轮中心的旋转角度；γ是曲线参数。

7.根据权利要求6所述具有双点接触齿廓曲线的斜齿轮，其特征在于：所述斜齿轮的齿面包括与凸圆弧曲线段、渐开线曲线段和凹圆弧曲线段一一对应的第一齿面∑₁、第二齿面∑和第三齿面∑，所述第一齿面∑₁、第二齿面∑和第三齿面∑的方程分别为：

方程∑₁、∑和∑中，β是齿轮螺旋角；p是螺旋参数；是齿轮运动旋转过的角度。