CN110081148B - 一种基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮 - Google Patents
一种基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮 Download PDFInfo
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及齿轮技术领域,具体而言,涉及一种基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮。
背景技术
齿轮传动作为一种最常见的传动形式,其核心的组件就是齿轮,关于齿轮的研究早在上个世纪末就已经开始了,因此对其的研究设计具有十分重要的意义和实用价值。发展到今天,高性能齿轮传动元件的设计越来越受到人们的重视,因为其可以有效的提高齿轮的转速、承载能力、可靠性和寿命等关键技术特征。
最常见的齿轮一般为渐开线齿形的齿轮和圆弧齿形的齿轮,随着科技的发展和生产的需要,在渐开线齿形的齿轮得到了长足发展的同时,圆弧齿形齿轮的研究也取得了较大的进步。但是现有齿轮中,齿轮副接触面的形式单一,多为凸-凹单点接触、凸-凹多点接触或者凸-凸线接触,难以满足齿轮副的多样化需求。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述现有技术中的不足,提供一种基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮,以解决现有技术中齿轮副接触面形式单一,无法满足齿轮副多样化需求的问题。
为实现上述目的,本发明实施例采用的技术方案如下:
本发明实施例的一方面,提供一种基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮,包括由第一齿轮和第二齿轮组成一对传动副,第一齿轮和第二齿轮采用凸-凸啮合点接触的方式,且第一齿轮的轴线和第二齿轮的轴线相互平行,传动副传动过程中第一齿轮齿面上的接触迹线(Г1)与第二齿轮齿面上的接触迹线(Г2)均为圆柱螺旋线;以第一齿轮齿面上的接触迹线(Г1)为参考线,其参数方程式为:式中t为空间曲线的参数,参数t的取值范围为齿面上接触迹线的参数范围;
第二齿轮齿面上的接触迹线(Г2)的方程式为:式中为第一齿轮的转角参数,i21为第一齿轮与第二齿轮的传动比,a为第一齿轮与第二齿轮轴线之间的距离,u为主法矢系数,v为副法矢系数,为第一齿轮齿面上接触迹线的主法矢在y轴方向的分量,为第一齿轮齿面上接触迹线的副法矢在y轴方向的分量,为第一齿轮齿面上接触迹线的主法矢在x轴方向的分量,为第一齿轮齿面上接触迹线的副法矢在x轴方向的分量,
第一齿轮和第二齿轮的齿面方程式为:式中dl为齿面上接触迹线等距距离,分别为齿面上接触迹线的单位法矢量在x,y,z上的投影,θ为空间圆柱螺旋线参变量,α,为球面参数,取值范围是0≤α≤2π,rα,rθ分别表示球面族方程对a,φ,θ的一次偏导,当l=1为第一齿轮的齿面方程,当l=2为第二齿轮的齿面方程。
进一步的,第二齿轮的齿面方程(∑2)式为:
进一步的,第一齿轮与第二齿轮的参考线等距、方向相反。
进一步的,第一齿轮的齿面与第一齿轮的圆柱体外表面之间存在过渡圆角,第二齿轮的齿面与第二齿轮的圆柱体外表面之间存在过渡圆角。
进一步的,第一齿轮为主动轮,第二齿轮为从动轮;或,第一齿轮为从动轮,第二齿轮为主动轮。
本发明的有益效果包括:
本发明提供了一种基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮,包括由第一齿轮和第二齿轮组成一对传动副,其中第一齿轮和第二齿轮接触的方式采用凸-凸啮合点接触,且第一齿轮的轴线和第二齿轮的轴线相互平行,传动副传动过程中第一齿轮齿面上的接触迹线(Г1)与第二齿轮齿面上的接触迹线(Г2)均为圆柱螺旋线。根据圆柱螺旋线的表达式以及给定第一齿轮的具体形态,则第一齿轮齿面上的接触迹线(Г1)的参数方程式为:式中t为空间曲线的参数,参数t的取值范围为齿面上接触迹线的参数范围。根据第一齿轮给定已知的参数方程式,基于共轭曲线原理,推导得出第二齿轮齿面上的接触迹线(Г2)的参数方程式为:式中为第一齿轮的转角参数,i21为第一齿轮与第二齿轮的传动比,a为第一齿轮与第二齿轮轴线之间的距离,u为主法矢系数,v为副法矢系数,为第一齿轮齿面上接触迹线的主法矢在y轴方向的分量,为第一齿轮齿面上接触迹线的副法矢在y轴方向的分量,为第一齿轮齿面上接触迹线的主法矢在x轴方向的分量,为第一齿轮齿面上接触迹线的副法矢在x轴方向的分量, 基于上述第一齿轮和第二齿轮的接触迹线方程式以及单参数球面族包络面成形原理,推导得出第一齿轮和第二齿轮的齿面方程为:式中dl为齿面上接触迹线等距距离,分别为齿面上接触迹线的单位法矢量在x,y,z上的投影,θ为空间圆柱螺旋线参变量,α,为球面参数,取值范围是0≤α≤2π,rα,rθ分别表示球面族方程对a,φ,θ的一次偏导,当l=1为所述第一齿轮齿面方程,当l=2为所述第二齿轮齿面方程。由此确定具体的第一齿轮和第二齿轮以及第一齿轮和第二齿轮的接触方式为点接触的凸对凸啮合方式,接触点在第一齿轮齿面和第二齿轮齿面的接触轨迹均为光滑的空间曲线,该传动副兼具共轭曲线啮合特点,且由于是点接触的接触方式,故还有齿廓接触强度高、承载能力大、传动效率高、润滑油温升低、滑动率降低、磨损小的优点。同时提供一种凸-凸啮合点接触的齿轮副,从而解决现有技术中齿轮副接触面形式单一,无法满足齿轮副多样化需求的问题。
同时,由于本发明提供的对构齿轮为凸-凸接触类型,对于其接触齿面来说,齿面诱导法曲率始终为负值,因此可以有效的避免齿面间干涉情况的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮的单齿结构示意图;
图2为本发明实施例提供的一种基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮的齿廓曲线结构示意图。
图标:Γ1-第一齿轮齿面上的接触迹线;Γ2-第二齿轮齿面上的接触迹线;Σ1-第一齿轮的齿面方程;Σ2-第二齿轮的齿面方程。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外,术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例的一方面,参照图1,提供一种基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮,包括包括由第一齿轮和第二齿轮组成一对传动副,第一齿轮和第二齿轮采用凸-凸啮合点接触的方式,且第一齿轮的轴线和第二齿轮的轴线相互平行,传动副传动过程中第一齿轮齿面上的接触迹线Г1与第二齿轮齿面上的接触迹线Г2均为圆柱螺旋线;以第一齿轮齿面上的接触迹线Г1为参考线,其参数方程式为:式中t为空间曲线的参数,参数t的取值范围为齿面上接触迹线的参数范围。
第二齿轮齿面上的接触迹线Г2的方程式为:式中为第一齿轮的转角参数,i21为第一齿轮与第二齿轮的传动比,a为第一齿轮与第二齿轮轴线之间的距离,u为主法矢系数,v为副法矢系数,为第一齿轮齿面上接触迹线的主法矢在y轴方向的分量,为第一齿轮齿面上接触迹线的副法矢在y轴方向的分量,为第一齿轮齿面上的接触迹线Г1的主法矢在x轴方向的分量,为第一齿轮齿面上的接触迹线Г1的副法矢在x轴方向的分量,
第一齿轮和第二齿轮的齿面方程式为:式中dl为齿面上接触迹线等距距离,分别为齿面上接触迹线的单位法矢量在x,y,z上的投影,θ为空间圆柱螺旋线参变量,α,为球面参数,取值范围是0≤α≤2π,rα,rθ分别表示球面族方程对a,φ,θ的一次偏导,当l=1为所述第一齿轮的齿面方程∑1,当l=2为所述第二齿轮的齿面方程∑2。
具体的,根据实际情况先需要给定第一齿轮的空间曲线参数t,参数t的取值范围为第一齿轮齿面上的接触迹线Г1的参数范围。又因为第一齿轮和第二齿轮相啮合时齿面上的接触迹线均为圆柱螺旋线,故,当在一定范围内给定第一齿轮齿面上的接触迹线Г1参数方程后,如图1所示,第一齿轮齿面上的接触迹线Г1为已知给定的接触迹线,即:又因为第二齿轮与第一齿轮为相互啮合的两个齿轮,故其符合共轭曲线原理:给定运动规律的一对光滑曲线在运动过程中始终保持连续相切接触。即第一齿轮齿面上的接触迹线Г1和第二齿轮齿面上的接触迹线Г2接触的实质是沿线上对应点的接触,两条曲线具有相互包络的特性,因此,第一齿轮齿面上的接触迹线Г1和第二齿轮齿面上的接触迹线Г2的啮合可称为共轭曲线啮合。需要说明的,共轭曲线接触还必须满足:第一,两条光滑曲线上相对应的共轭点在接触位置上重合。第二,共轭曲线在共轭接触点处必须相切,并且为了避免相互干涉,一对共轭曲线还必须相互错开。第三,为保证共轭曲线间保持连续接触传动,在共轭接触点处,两曲线间的相对运动速度必须垂直于该点处的公法面即垂直于面内任意法线。
根据上述共轭曲线原理,以及在已知给定的第一齿轮齿面上的接触迹线Г1的基础上,进行推导得出第二齿轮齿面上的接触迹线Г2的参数表达式为:式中为第一齿轮的转角参数,i21为第一齿轮与第二齿轮的传动比,a为第一齿轮与第二齿轮轴线之间的距离,u为主法矢系数,v为副法矢系数,为第一齿轮齿面上的接触迹线Г1的主法矢在y轴方向的分量,为第一齿轮齿面上的接触迹线Г2的副法矢在y轴方向的分量,为第一齿轮齿面上的接触迹线Г1的主法矢在x轴方向的分量,为第一齿轮齿面上的接触迹线Г2的副法矢在x轴方向的分量,通过方程: 计算确定的值,之后再通过含有x2、y2、z2的方程计算得出第二齿轮齿面上的接触迹线Г2的空间坐标值,以此来将第二齿轮齿面上的接触迹线Г2唯一确定。
第一齿轮的球面族包络面为第一齿轮的球心在接触迹线上的球面沿第一齿轮齿面上的接触迹线Г1运动形成的曲面,第二齿轮的球面族包络面为第二齿轮的球心在接触迹线上的球面沿第二齿轮齿面上的接触迹线Г2运动形成的曲面。故,当已知第一齿轮齿面上的接触迹线Г1方程和第二齿轮齿面上的接触迹线Г2方程,结合单参数球面族包络面成形原理,即可推导得出第一齿轮和第二齿轮的齿面方程式为:式中dl为齿面上接触迹线等距距离,分别为齿面上接触迹线的单位法矢量在x,y,z上的投影,θ为空间圆柱螺旋线参变量,α,为球面参数,取值范围是0≤α≤2π,rα,rθ分别表示球面族方程对a,φ,θ的一次偏导,当l=1为第一齿轮齿面方程,当l=2为第二齿轮齿面方程。需要说明的是,对于曲面包络来说,特征线是两曲面的接触迹线,但不是一对齿廓曲面的啮合线,齿轮齿廓啮合线是两曲面运动时接触点在固定坐标系下的轨迹。
还需要说明的是,若给定曲线方程为节圆柱面上的曲线,则上述的方程式中的等距距离一项还应额外增加一个等距距离进行弥补。
由此确定具体的第一齿轮和第二齿轮以及第一齿轮和第二齿轮的接触方式为点接触的凸对凸啮合方式,接触点在第一齿轮齿面和第二齿轮齿面的接触轨迹均为光滑的空间曲线,该传动副兼具共轭曲线啮合特点,且由于是点接触的接触方式,故还有齿廓接触强度高、承载能力大、传动效率高、润滑油温升低、滑动率降低、磨损小的优点。同时提供一种凸-凸啮合点接触的齿轮副,从而解决现有技术中齿轮副接触面形式单一,无法满足齿轮副多样化需求的问题。
同时,常见的凸-凹接触的齿轮,当其齿面诱导法曲率为正值的情况下,将会出现齿面间干涉的情况,而对于本申请中的基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮的齿面来说,其齿面诱导法曲率始终为负值,因此就可以有效的避免齿面间干涉情况的发生。
为更好的理解本发明实施例的内容,需要说明的,第一,第一齿轮和第二齿轮的啮合齿面点接触。第二,第一齿轮和第二齿轮的啮合齿面分别为第一齿轮和第二齿轮的齿廓曲线沿第一齿轮齿面上的接触迹线Γ1、第二齿轮齿面上的接触迹线Γ2运动形成的曲面,齿廓曲线为其公法面内的齿廓曲线。第三,本发明实施例中的方程式中的前后同一字母参数代表的意义相同,故,前述中已经作出解释的参数,在后续的方程式中不再做重复说明。
具体的,参照图1,第一齿轮齿面上的接触迹线Г1为圆柱螺旋线,当确定参数t后,第一齿轮齿面上的接触迹线Г1的方程就给定已知,为:式中R为第一齿轮齿面上的接触迹线Г1所在的圆柱半径,θ为空间圆柱螺旋线参变量,p为螺旋参数。
示例的,参照图1,该啮合齿面可以通过包络沿接触迹线运动的球面族得到,即以第一齿轮齿面上的接触迹线Г1的方程式以及单参数球面族包络面成形原理,可以推导得出第一齿轮的齿面方程∑1为:式中d1为第一齿轮齿面上的接触迹线Г1的等距距离。
进一步的,第二齿轮的齿面方程∑2式为:
具体的,参照图1,啮合齿面可以通过包络沿接触迹线运动的球面族得到,即以第二齿轮齿面上的接触迹线Г2的方程式以及单参数球面族包络面成形原理,可以推导得出第二齿面的齿面方程式为:
进一步的,第一齿轮与第二齿轮的参考线等距、方向相反。
具体的,如图2所示,P点为第一齿轮齿面与第二齿轮齿面的瞬时接触点,在通过齿面方程式建立齿面模型时,需要选取参考线作为构建模型时的方向,因此,在本发明实施例中依据参考线建立齿轮模型时,应当使得第一齿轮的参考线与第二齿轮的参考线的取值相同,即令等距距离和取值相同,且方向相反,可以构造出凸-凸齿面接触类型的齿轮。从而可以通过选取合适的参考线,构建合理的模型,进一步为后续的研究提供切实可靠的模拟理论依据。需要说明的是,本实施例中,在通过齿面方程建立完成齿面模型后,共轭曲线齿轮齿面可以通过齿顶圆柱面和齿根圆柱面来截取啮合管面获得。
进一步的,第一齿轮的齿面与第一齿轮圆柱体外表面之间存在过渡圆角,第二齿轮的齿面与第二齿轮圆柱体外表面之间存在过渡圆角。
具体的,齿轮相互啮合时,其齿根部位恰好为应力集中点,当应力集中时,对于齿轮的疲劳寿命影响很大,尤其是对于长期重载工作的齿轮,其齿根部位受到连续变化的应力冲击,最容易产生疲劳裂纹,从而最终导致齿根断裂。如图2所示,为了降低第一齿轮和第二齿轮啮合时齿根应力集中的情况,故,在第一齿轮的齿面与第一齿轮圆柱体外表面之间存在过渡圆角,第二齿轮的齿面与第二齿轮圆柱体外表面之间存在过渡圆角。从而提高本发明中基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮传动时的可靠性和耐久性。需要说明的是,本实施例中的过渡圆角为降低齿根应力集中的作用,故,本领域技术人员应当知晓根据不同尺寸的齿轮,对应设置合理范围内的过渡圆角,以使得实现其作用。
进一步的,第一齿轮为主动轮,第二齿轮为从动轮;或,第一齿轮为从动轮,第二齿轮为主动轮。
具体的,本发明实施例对第一齿轮和第二齿轮的主从动关系不做具体的限制,例如可以是第一齿轮为主动轮,第二齿轮为从动轮,还可以是第一齿轮为从动轮,第二齿轮为主动轮。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮,其特征在于,包括由第一齿轮和第二齿轮组成一对传动副,所述第一齿轮和所述第二齿轮采用凸-凸啮合点接触的方式,且所述第一齿轮的轴线和所述第二齿轮的轴线相互平行,所述传动副传动过程中所述第一齿轮齿面上的接触迹线(Γ1)与所述第二齿轮齿面上的接触迹线(Γ2)均为圆柱螺旋线;以第一齿轮齿面上的接触迹线(Γ1)为参考线,其参数方程式为:式中t为空间曲线的参数,参数t的取值范围为齿面上接触迹线的参数范围;
所述第二齿轮齿面上的接触迹线(Γ2)的方程式为:式中为第一齿轮的转角参数,i21为第一齿轮与第二齿轮的传动比,a为第一齿轮与第二齿轮轴线之间的距离,u为主法矢系数,v为副法矢系数,为第一齿轮齿面上接触迹线的主法矢在y轴方向的分量,为第一齿轮齿面上接触迹线的副法矢在y轴方向的分量, 为第一齿轮齿面上接触迹线的主法矢在x轴方向的分量,为第一齿轮齿面上接触迹线的副法矢在x轴方向的分量,
所述第一齿轮和所述第二齿轮的齿面方程式为:式中dl为齿面上接触迹线等距距离,分别为齿面上接触迹线的单位法矢量在x,y,z上的投影,θ为空间圆柱螺旋线参变量,α,为球面参数,取值范围是0≤α≤2π,ra,rθ分别表示球面族方程对α,φ,θ的一次偏导,当l=1为所述第一齿轮的齿面方程,当l=2为所述第二齿轮的齿面方程;
所述第一齿轮与所述第二齿轮的参考线等距、方向相反;所述第一齿轮的齿面与所述第一齿轮的圆柱体外表面之间存在过渡圆角,所述第二齿轮的齿面与所述第二齿轮的圆柱体外表面之间存在过渡圆角。
6.如权利要求1所述的基于共轭曲线的凸-凸接触的对构齿轮,其特征在于,所述第一齿轮为主动轮,所述第二齿轮为从动轮;或,所述第一齿轮为从动轮,所述第二齿轮为主动轮。
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Application publication date: 20190802 Assignee: SHENZHEN ZHAOWEI MACHINERY&ELECTRONICS Co.,Ltd. Assignor: Chongqing University Contract record no.: X2020500000001 Denomination of invention: Counterpart gear in convex-convex contact based on conjugate curves License type: Common License Record date: 20200402 |
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GR01 | Patent grant | ||
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