CN109931367B - 一种直线型伞齿轮的啮合结构、减速机及该齿轮的制造方法 - Google Patents
一种直线型伞齿轮的啮合结构、减速机及该齿轮的制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种直线型伞齿轮的啮合结构，包括主齿轮和副齿轮，主齿轮包括主基体和沿圆周方向均匀分布于主基体上的若干主齿，每个主齿的啮合面均为平面，每两个相邻的主齿之间构成主齿槽；副齿轮包括副基体和沿圆周方向均匀分布于主基体上的若干副齿，每个副齿的啮合面均为平面，两个相邻的副齿之间构成副齿槽；当主齿进入副齿槽直至主齿的啮合面和副齿的啮合面相互接触的过程中，主齿的齿顶与副齿的齿根、副齿的齿顶与主齿的齿根始终处于平行状态。两个齿轮的啮合位置从预备接触至完全接触的过程中始终是平行状态，从而开始接触后至传动的过程中，是面与面的接触；从而齿轮在啮合过程中实现振动幅度小、低噪音、传动平稳等效果。
Description
技术领域
本发明涉及机械传动部件加工制造技术领域，更具体地说，本发明涉及一种直线型伞齿轮的啮合结构、带有该直线型伞齿轮的啮合结构的减速机、该直线型伞齿轮的制造方法。
背景技术
两个齿轮相互啮合分为以下过程：一个齿轮的齿刚刚进入另一个齿轮的齿槽，称之为预啮合；一个齿轮的啮合面与另一个齿轮的啮合面相互啮合，称之为初始啮合；一个齿轮的啮合面与另一个齿轮的啮合面逐步分离并准备进入下一个齿的传动，称之为传动啮合。
当一个齿轮的齿在与另一个齿轮的齿处于初始啮合以及传动啮合的阶段时，不可避免的最终发生由于齿与齿之间的滑移或接触所导致的动力损失或振动和噪音。
专利号为CN104204617A的中国专利就提到了此问题，在其背景技术部分引用了多篇论述该问题的日本文件，如日本专利申请公报No.2008-275060（JP 2008-275060 A）说明了一种齿轮已经经受了沿着齿面的啮合接触线的方向的鼓形修正处理和对齿顶和齿根的鼓形修整处理，以校正齿廓和齿线二者，从而传输转矩时抑制通过啮合产生噪音。日本专利申请公报No.2003-184995（JP 2003-184995 A）说明了一种齿轮，所述齿轮形成为使得节圆附近的曲率半径或更具体地在与转动轴线垂直的平面上的齿廓的曲率半径小于在典型的基准齿廓的齿顶侧和齿根侧上的曲率半径，并且形成沿着齿宽方向延伸贯通的空间，以便一直与蜗轮啮合的齿轮由于齿隙而产生噪音。日本专利申请公报No.2011-122617（JP2011-122617 A）则是通过对齿轮的接触部位进行润滑而在接触面上形成润滑膜，来抑制动力传输效率和由于接触面的摩擦系数降低所导致的摩擦损失的降低。
而专利号为CN104204617A的中国专利本身，是通过沿着位于接触线不与节圆相交的啮合位置处的第一接触线的第一曲率半径大于沿着位于接触线与节圆相交的啮合位置的第二接触线的第二曲率半径，来实现抑制或防止由于齿面之间的滑移所导致的摩擦损失增大。
现有技术公开的几种方案，解决的都是两个齿轮的在传动啮合时的磨损和振动的问题，即便采用这些方案，虽然能够一定程度上减轻两个直线型伞齿轮于传动啮合阶段产生的磨损和振动，但仍然解决不了在初始啮合阶段因磨损引起的问题。
在直线型伞齿轮中，初始啮合的啮合斑点通常位于小端部靠前的位置，长期工作后，最初始的啮合斑点会受到磨损，然后啮合斑点会逐渐往后移。此时，在两个齿轮进行啮合和传动时，会导致振动过大、噪音过高、传动不够平稳等问题产生。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种振动幅度小、低噪音、传动平稳的直线型伞齿轮。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种直线型伞齿轮的啮合结构，包括相互啮合的主齿轮和副齿轮，主齿轮包括主基体和沿圆周方向均匀分布于主基体上的若干主齿，每个主齿的啮合面均为平面，每两个相邻的主齿之间构成主齿槽；副齿轮包括副基体和沿圆周方向均匀分布于主基体上的若干副齿，每个副齿的啮合面均为平面，两个相邻的副齿之间构成副齿槽；当主齿进入副齿槽直至主齿的啮合面和副齿的啮合面相互接触的过程中，主齿的齿顶与副齿的齿根、副齿的齿顶与主齿的齿根始终处于平行状态。
通过采用上述技术方案，摒弃了传统两个待啮合的齿在初始啮合时先在小端部接触后运动至啮合面与啮合面的整体接触的动作方式，更改为两个齿轮的啮合位置从预备接触至完全接触的过程中始终是平行状态，即本发明是从现有技术中两个齿轮啮合从局部啮合——完全啮合——逐步分离——完全分离的四个动作，更改为完全啮合——逐步分离——完全分离的三个动作；从初始啮合至传动啮合阶段，均是面与面的接触，且整个传动过程中接触区域面积逐渐减小但并不会发生区域移动；从而齿轮在啮合过程中实现振动幅度小、低噪音、传动平稳等效果。
优选的，主齿轮和副齿轮在初始啮合时，沿齿宽方向，二者的接触区域的长度始终占整个齿宽的95%-100%；沿齿高方向，二者的接触区域的高度始终占整个齿高的70%-90%。
通过采用上述技术方案，使得两个齿处于一开始啮合就有最大的接触面积，传动就足够平稳、振动幅度就会足够小，从而也就降低了在初始啮合时的噪音。
优选的，所述主齿轮的主根锥角为29°±1°，所述副齿轮的副根锥角为48°±1°；所述主齿轮的主顶锥角为41°±1°，所述副齿轮的副顶锥角为60°±1°；所述主齿轮的主分度圆锥角为34°±1°，所述副齿轮的副分度圆锥角为55°±1°，且两个齿轮的分度圆锥角之和为90°。
通过采用上述技术方案，限定了主、副齿轮的根锥角、顶锥角、分度圆锥角，确保两个齿轮能够有效啮合传动，且从预啮合、初始啮合、传动啮合的三个阶段均可以处于平行的状态。
本发明的第二目的在于提供一种振动幅度小、低噪音、传动平稳的减速机。
一种减速机，包括箱体，箱体内至少带有相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮的啮合结构为本发明的直线型伞齿轮的啮合结构。
直线型伞齿轮一般应用于轻载、低速场合，如减速箱和汽车、机床的传动机构，而减速机的工作主要就是依靠伞齿轮传动，减速机应用的领域非常广泛，每个使用减速机的设备上，都是要求尽可能降低噪音、提高传动的稳定性和降低振动幅度，所以将该啮合结构应用在减速机上，能够产生最大的经济价值。
本发明的第三目的在于提供一种可快速批量生产、生产精度高、机械强度大的伞齿轮制造方法。
一种齿轮的制造方法，
第一步，电脑制图制成本发明的直线型伞齿轮形状,；
第二步，根据生成的齿轮图加工出与齿轮形状一致的电极；
第三步，校对初始啮合位置；
第四步，利用电极加工模具腔；
第五步，将齿轮毛坯件放入模具中，加热到800℃-900℃，进行初锻；第六步，切飞边后进行自然冷却；
第七步，喷砂清理；
第八步，将齿轮毛坯件放入模具中，加热到800℃-900℃，进行终锻；第九步，切飞边后进行自然冷却成型。
优选的，所述电极为紫铜电极。
通过采用上述技术方案，紫铜电极相对比石墨电极而言，在应用在精加工时，电极损耗小、铜蚀出来的纹路均匀；而当紫铜电极长期使用导致变形后，可以经过改制后再次利用，材料利用率高。
综上所述，本发明的有益效果如下：
1.因为本齿轮的将初始啮合的位置从靠近小端部的位置移动到了中部位置，即初始接触就是啮合面和啮合面的接触，提高了初始啮合时的传动稳定性、降低了初始啮合时的振动幅度和噪音；
2.带有该啮合结构的直线型伞齿轮可以应用在众多需要齿轮啮合传动的场合，而减速机的工作主要就是依靠伞齿轮传动，减速机应用的领域非常广泛，每个使用减速机的设备上，都是要求尽可能降低噪音、提高传动的稳定性和降低振动幅度，所以将该啮合结构应用在减速机上，能够产生最大的经济价值；
3.齿轮摒弃了传统的数控切削加工的方式，而是采用了先由紫铜电极加工，后采用锻造的加工工艺，能够有效避免齿轮产生裂纹，降低次品率，同时由紫铜电极来加工啮合面的形状，可以大大提高加工精度；同时锻造的生产效率远远高于车削的生产效率，因而可以快速高效地批量生产本发明的直线型伞齿轮。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
主齿轮和副齿轮的各个参数如下表所示：
| 参数名称 | 主齿轮 | 副齿轮 |
| 齿数 | 13 | 19 |
| 模数 | 5mm | 5mm |
| 齿宽 | 18mm | 18mm |
| 法向压力角 | 22.5° | 22.5° |
| 分度圆直径 | 65mm | 95mm |
| 外锥距 | 57.5543mm | 57.5543mm |
| 分度圆锥角 | 34°22′49″ | 55°37′11″ |
| 顶锥角 | 41°32′02″ | 60°21′50″ |
| 根锥角 | 29°38′10″ | 48°27′58″ |
| 齿顶高 | 6.224mm | 3.777mm |
| 齿根高 | 4.777mm | 7.224mm |
| 全齿高 | 11mm | 11mm |
| 工作齿高 | 10mm | 10mm |
| 大端顶圆直径 | 75.273mm | 99.265mm |
| 大端法向弦齿厚 | 8.793mm | 6.833mm |
| 大端法向弦齿高 | 6.473mm | 3.846mm |
| 齿角 | 6°23′ | 6°23′ |
按照上述参数加工出来的主、副齿轮，当主齿进入副齿槽直至主齿的啮合面和副齿的啮合面相互接触的过程中，主齿的齿顶与副齿的齿根、副齿的齿顶与主齿的齿根始终处于平行状态。主齿轮和副齿轮在初始啮合时，沿齿宽方向，二者的接触区域的长度始终占整个齿宽的100%；沿齿高方向，二者的接触区域的高度始终占整个齿高的90%。
在540转/分输入转速下，距齿轮箱正中0.3米处用分贝仪测试噪音，所测得的声音为50分贝，而国家标准GB11365--89规定的合格音量是90分贝，所以相对国家标准，噪音已经大幅度降低；主齿轮和副齿轮啮合时，二者的分度圆齿侧间隙为0.1mm，即二者产生的振动幅度很低，传动足够平稳，主齿轮和副齿轮在初始啮合时具有最大的接触面，此实施例为最佳实施方式。
实施例二
主齿轮和副齿轮的各个参数如下表所示：
| 参数名称 | 主齿轮 | 副齿轮 |
| 齿数 | 13 | 19 |
| 模数 | 5mm | 5mm |
| 齿宽 | 18mm | 18mm |
| 法向压力角 | 22.5° | 22.5° |
| 分度圆直径 | 65mm | 95mm |
| 外锥距 | 57mm | 57mm |
| 分度圆锥角 | 35° | 55° |
| 顶锥角 | 42° | 60° |
| 根锥角 | 30° | 48° |
| 齿顶高 | 6mm | 3mm |
| 齿根高 | 4mm | 7mm |
| 全齿高 | 11mm | 11mm |
| 工作齿高 | 10mm | 10mm |
| 大端顶圆直径 | 75mm | 99mm |
| 大端法向弦齿厚 | 9mm | 7mm |
| 大端法向弦齿高 | 6.5mm | 4mm |
| 齿角 | 6° | 6° |
按照上述参数加工出来的主齿轮、副齿轮，当主齿进入副齿槽直至主齿的啮合面和副齿的啮合面相互接触的过程中，主齿的齿顶与副齿的齿根、副齿的齿顶与主齿的齿根始终处于平行状态。主齿轮和副齿轮在初始啮合时，沿齿宽方向，二者的接触区域的长度始终占整个齿宽的95%；沿齿高方向，二者的接触区域的高度始终占整个齿高的70%。
在540转/分输入转速下，距齿轮箱正中0.3米处用分贝仪测试噪音，所测得的声音为80分贝，而国家标准GB11365--89规定的合格音量是90分贝，所以相对国家标准，噪音已经有所降低；主齿轮和副齿轮啮合时，二者的分度圆齿侧间隙为0.3mm，即二者产生的振动幅度仍旧比较低，主齿轮和副齿轮在初始啮合时的接触面仍旧足以使传动平稳。
实施例三
主齿轮和副齿轮的各个参数如下表所示：
| 参数名称 | 主齿轮 | 副齿轮 |
| 齿数 | 13 | 19 |
| 模数 | 5mm | 5mm |
| 齿宽 | 18mm | 18mm |
| 法向压力角 | 22.5° | 22.5° |
| 分度圆直径 | 65mm | 95mm |
| 外锥距 | 57mm | 57mm |
| 分度圆锥角 | 34° | 56° |
| 顶锥角 | 41° | 59° |
| 根锥角 | 29° | 49° |
| 齿顶高 | 6mm | 3mm |
| 齿根高 | 4mm | 7mm |
| 全齿高 | 11mm | 11mm |
| 工作齿高 | 10mm | 10mm |
| 大端顶圆直径 | 75mm | 99mm |
| 大端法向弦齿厚 | 9mm | 7mm |
| 大端法向弦齿高 | 7mm | 5mm |
| 齿角 | 6° | 6° |
按照上述参数加工出来的主、副齿轮，当主齿进入副齿槽直至主齿的啮合面和副齿的啮合面相互接触的过程中，主齿的齿顶与副齿的齿根、副齿的齿顶与主齿的齿根始终处于平行状态。主齿轮和副齿轮在初始啮合时，沿齿宽方向，二者的接触区域的长度始终占整个齿宽的95%；沿齿高方向，二者的接触区域的高度始终占整个齿高的70%。
在540转/分输入转速下，距齿轮箱正中0.3米处用分贝仪测试噪音，所测得的声音为80分贝，而国家标准GB11365--89规定的合格音量是90分贝，所以相对国家标准，噪音已经有所降低；主齿轮1和副齿轮2啮合时，二者的分度圆齿侧间隙为0.4mm，即二者产生的振动幅度仍旧比较低，主齿轮和副齿轮在初始啮合时的接触面仍旧足以使传动平稳。
此外，关于压力角，压力角越小对传力越有利。对于齿轮的压力角来说，是可以取很多数值的，大致来说从14.5°到25°左右的都有使用。齿轮的压力角越小，传动效率越高，齿部的机械强度越差；齿轮压力角越大，传动效率越低，但齿部的机械强度越高。英制齿轮采用14.5°压力角，公制齿轮采用20°压力角主要是从互换性和通用性来考虑的。
而本发明的齿轮压力角采用22.5°，是基于本发明的齿轮修整了齿形，其为保证两个齿轮的啮合位置从预备接触至完全接触的过程中始终是平行状态，是面与面的接触，且整个传动过程中接触区域面积逐渐减小但并不会发生区域移动，其分度圆锥角、根锥角和顶锥角得按要求设置，所以对应的，压力角的角度也会发生变化。
传统两个待啮合的齿在初始啮合时先在小端部接触后运动至啮合面与啮合面的整体接触，其啮合过程分为局部啮合——完全啮合——逐步分离——完全分离的四个动作，所形成的啮合斑点会主要集中在小端部靠前的位置，长期工作后，该部位的磨损程度逐步加大，导致啮合时，两个齿的啮合面存在间隙，传动过程中振动幅度加大、噪音加强、传动平稳度下降。
本发明的整个传动过程就变成了完全啮合——逐步分离——完全分离的三个动作，两个齿处于一开始啮合就有最大的接触面积，其齿面接触运动时就不会在齿轮端部形成啮合斑痕，啮合区域足够大，传动就足够平稳、振动幅度就会足够小，从而也就降低了在初始啮合时的噪音。
一种减速机，包括箱体，箱体内至少带有相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮的啮合结构为本发明的直线型伞齿轮的啮合结构。
直线型伞齿轮一般应用于轻载、低速场合，如减速箱和汽车、机床的传动机构，而减速机的工作主要就是依靠伞齿轮传动，减速机应用的领域非常广泛，每个使用减速机的设备上，都是要求尽可能降低噪音、提高传动的稳定性和降低振动幅度，所以将该啮合结构应用在减速机上，能够产生最大的经济价值。
一种齿轮的制造方法，
第一步，利用电脑制图软件（比如CAD、UG、CATIA、SolidWorks等）制成本发明所需要的直线型伞齿轮形状（优选按最佳实施例的参数来设计制造）；
第二步，根据生成的齿轮图加工出与齿轮形状一致的紫铜电极（也可以采用石墨电极，但考虑到紫铜电极相对比石墨电极而言，在应用在精加工时，电极损耗小、铜蚀出来的纹路均匀；而当紫铜电极长期使用导致变形后，可以经过改制后再次利用，材料利用率高。所以优选紫铜电极）；
第三步，校对初始啮合位置；
第四步，利用紫铜电极加工模具腔；
第五步，将齿轮毛坯件放入模具中，加热到800℃-900℃，进行初锻；第六步，切飞边后进行自然冷却；
第七步，喷砂清理；
第八步，将齿轮毛坯件放入模具中，加热到800℃-900℃，进行终锻；第九步，切飞边后进行自然冷却成型。
在锻造过程中，始锻温度优选控制在800℃左右，终锻温度优选控制在900℃左右，即锻造温度范围优选控制在100℃左右，并得到如下所要求的组织和性能：
| 主齿轮 | 副齿轮 | |
| 名义转矩 | 267 N.m | 390 N.m |
| 名义功率 | 22 KW | 32 KW |
| 小轮转矩 | 790 R/min | 540 R/min |
| 许用接触应力 | 1235 N/mm<sup>2</sup> | 1235 N/mm<sup>2</sup> |
| 计算接触应力 | 1521N/mm<sup>2</sup> | 1521N/mm<sup>2</sup> |
| 接触强度安全系数 | 1.01 | 1.01 |
| 许用齿根应力 | 790N/mm<sup>2</sup> | 790N/mm<sup>2</sup> |
| 计算齿根应力 | 1145N/mm<sup>2</sup> | 1145N/mm<sup>2</sup> |
| 弯曲强度安全系数 | 0.52 | 0.52 |
在该锻造温度范围内所锻造加工出的齿轮具有较高的塑形和较小的变形抗力，最不易因相变产生裂纹。
此外，在齿轮生产加工的过程中，有诸多参数需要符合生产标准，下表所示参数是国家标准的规定准许的最大公差、按本发明的加工方法所存在的最大公差，其示出的余参数与国家标准GB11365--89一致，不再累赘说明，具体存在差异的参数参见下列表格：
| 采用紫铜电极 | 采用石墨电极 | 国家标准 | |
| 齿厚上偏差 | -0.06mm | -0.065mm | -0.066mm |
| 齿厚下偏差 | -0.14mm | -0.145mm | -0.146mm |
| 齿厚公差 | 0.08mm | 0.08mm | 0.08mm |
| 齿坯顶锥角极限偏差 | 7′ | 8′ | 8′ |
| 齿坯轮冠距极限偏差 | -0.07mm | -0.075mm | -0.075mm |
| 基准端面直径 | 25mm | 300mm | 320mm |
传统的齿轮通常采用车削的方式进行加工，车削加工出来的齿轮，存在的误差比较大，同时也比较容易产生裂纹，从而导致次品率增加，本法摒弃了传统的数控切削加工的方式，改用先由紫铜电极加工，后采用锻造的加工工艺，能够有效避免齿轮产生裂纹，从而降低次品率，同时由紫铜电极来加工啮合面的形状，可以大大提高加工精度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种直线型伞齿轮的啮合结构，包括相互啮合的主齿轮和副齿轮，主齿轮包括主基体和沿圆周方向均匀分布于主基体上的若干主齿，每个主齿的啮合面均为平面，每两个相邻的主齿之间构成主齿槽；副齿轮包括副基体和沿圆周方向均匀分布于副基体上的若干副齿，每个副齿的啮合面均为平面，两个相邻的副齿之间构成副齿槽，其特征在于：当主齿进入副齿槽直至主齿的啮合面和副齿的啮合面相互接触的过程中，主齿的齿顶与副齿的齿根、副齿的齿顶与主齿的齿根始终处于平行状态。
2.根据权利要求1所述的直线型伞齿轮的啮合结构，其特征在于：主齿轮和副齿轮在初始啮合时，沿齿宽方向，二者的接触区域的长度始终占整个齿宽的95%-100%；沿齿高方向，二者的接触区域的高度始终占整个齿高的70%-90%。
3.根据权利要求1所述的直线型伞齿轮的啮合结构，其特征在于：所述主齿轮的主根锥角为29°±1°，所述副齿轮的副根锥角为48°±1°；所述主齿轮的主顶锥角为41°±1°，所述副齿轮的副顶锥角为60°±1°；所述主齿轮的主分度圆锥角为34°～35°，所述副齿轮的副分度圆锥角为55°～56°，且两个齿轮的分度圆锥角之和为90°。
4.根据权利要求3所述的直线型伞齿轮的啮合结构，其特征在于：所述主齿轮的主根锥角为29°38′10″，所述副齿轮的副根锥角为48°27′58″；所述主齿轮的主顶锥角为41°32′02″，所述副齿轮的副顶锥角为60°21′50″；所述主齿轮的主分度圆锥角为34°22′49″，所述副齿轮的副分度圆锥角为55°37′11″，且两个齿轮的分度圆锥角之和为90°。
5.一种减速机，其特征在于：包括箱体，箱体内至少带有相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮的啮合结构如权利要求1或2或3或4所述。
6.一种齿轮的制造方法，其所制造的齿轮相互啮合的啮合结构如其权利要求1或2或3或4所述，制造步骤如下：
第一步，电脑制图制成直线型伞齿轮形状；
第二步，根据生成的齿轮图加工出与齿轮形状一致的电极；
第三步，校对初始啮合位置；
第四步，利用电极加工模具腔；
第五步，将齿轮毛坯件放入模具中，加热到800℃-900℃，进行初锻；第六步，切飞边后进行自然冷却；
第七步，喷砂清理；
第八步，将齿轮毛坯件放入模具中，加热到800℃-900℃，进行终锻；第九步，切飞边后进行自然冷却成型。
7.根据权利要求6所述的齿轮的制造方法，其特征在于，所述电极为紫铜电极。
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