CN111306268A - 齿轮齿条啮合副及其设计方法、以及直线传动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种齿轮齿条啮合副及其设计方法、以及直线传动机构，涉及齿轮传动技术领域，以解决现有的齿轮齿条啮合副承载能力较差的技术问题。该齿轮齿条啮合副包括齿轮和齿条；齿轮的齿面上具有与齿条接触的第一接触曲线，齿条的齿面上具有与齿轮接触的第二接触曲线，且第一接触曲线和第二接触曲线为共轭曲线；齿轮和齿条跑合后，齿轮与齿条之间为面啮合。该直线传动机构包括驱动件和上述的齿轮齿条啮合副；驱动件与齿轮连接，能够带动齿轮转动。本发明提供的齿轮齿条啮合副具有较强的承载能力，能够承载更大的负载，且在负载较大的情况下，不易发生磨损和胶合。

Description

齿轮齿条啮合副及其设计方法、以及直线传动机构
技术领域
本发明涉及齿轮传动技术领域，尤其是涉及一种齿轮齿条啮合副及其设计方法、以及直线传动机构。
背景技术
齿轮齿条传动是一种将旋转运动转化为直线运动的机构。现有齿轮齿条啮合副中应用最广的是渐开线齿轮齿条。渐开线齿轮啮合副是面面共轭，两个面之间的接触形式是线接触，齿形为渐开线。
渐开线齿轮齿条啮合副是凸齿和凸齿的啮合传动，通常渐开线齿轮齿条的齿数较多，齿厚较小，它的接触强度较低，因此承载能力较差，负载较大的情况下，磨损、胶合现象较为严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种齿轮齿条啮合副及其设计方法、以及直线传动机构，以解决现有的齿轮齿条啮合副承载能力较差的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种齿轮齿条啮合副，该齿轮齿条啮合副包括齿轮和齿条；
所述齿轮的齿面上具有与所述齿条接触的第一接触曲线，所述齿条的齿面上具有与所述齿轮接触的第二接触曲线，且所述第一接触曲线和所述第二接触曲线为共轭曲线；
所述齿轮和所述齿条跑合后，所述齿轮与所述齿条之间为面啮合。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述齿轮的齿面由球面沿所述齿轮的圆心曲线扫掠形成，所述齿条的齿面由球面沿所述齿条的圆心曲线扫掠形成。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述齿轮为凸齿，所述齿条为凹齿。
结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述第一接触曲线与所述齿轮的圆心曲线的距离小于所述第二接触曲线与所述齿条的圆心曲线的距离。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述齿轮为凹齿，所述齿条为凸齿。
结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述第一接触曲线与所述齿轮的圆心曲线的距离大于所述第二接触曲线与所述齿条的圆心曲线的距离。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述齿轮和所述齿条均为凸齿。
结合第一方面的第六种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述第一接触曲线与所述齿轮的圆心曲线的距离等于所述第二接触曲线与所述齿条的圆心曲线的距离。
第二方面，本发明还提供了一种直线传动机构，该直线传动机构包括驱动件和上述的齿轮齿条啮合副；
所述驱动件与所述齿轮连接，能够带动所述齿轮转动。
第三方面，本发明还提供了一种设计上述的齿轮齿条啮合副的方法，该设计方法包括：
假设一条光滑曲线为所述齿条的齿面上的第二接触曲线，所述第二接触曲线沿所述齿条的齿面的法向方向作等距偏移，得到所述齿条的圆心曲线；
以半径为ρ1的球面沿所述齿条的圆心曲线扫掠，得到所述齿条的球面族管状包络面；
在所述齿条的球面族管状包络面添加限制压力角的条件，得到所述齿条的齿面方程；
根据第二接触曲线，通过坐标变换方程和啮合方程联立求解，得到所述齿轮的齿面上的第一接触曲线；
沿第一接触曲线的法线方向作等距偏移，得到所述齿轮的圆心曲线；
以半径为ρ2的球面沿所述齿轮的圆心曲线扫掠，得到所述齿轮的球面族管状包络面；
在所述齿轮的球面族管状包络面添加限制压力角的条件，得到所述齿轮的齿面方程。
结合以上技术方案，本发明带来的有益效果分析如下：
本发明提供了一种齿轮齿条啮合副，齿轮的齿面上具有与齿条接触的第一接触曲线，齿条的齿面上具有与齿轮接触的第二接触曲线，且第一接触曲线和第二接触曲线为共轭曲线。当齿轮和齿条加上载荷后，齿面发生弹性变形，经过一段时间的连续运转，齿轮和齿条的齿面逐渐跑合并发生轻微磨损，齿轮的齿面与齿条的齿面之间的接触点转化为近似椭圆形的面接触迹。跑合之后，齿轮和齿条之间的接触面积迅速增大，啮合方式变为面啮合，进而使该齿轮齿条啮合副具有较强的承载能力，能够承载更大的负载，且在负载较大的情况下，不易发生磨损和胶合。
本发明还提供了一种直线传动机构，该直线传动机构包括驱动件和上述的齿轮齿条啮合副；驱动件与齿轮连接，能够带动齿轮转动。由于该直线传动机构具有上述的齿轮齿条啮合副，进而该直线传动机构也具有较强的承载能力，能够承载更大的负载。由于上述的齿轮齿条啮合副在负载较大的情况下，不易发生磨损和胶合，进而使该直线传动机构具有较长的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明实施例提供的齿轮齿条啮合副的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的齿轮和齿条啮合的端面示意图；
图3为本发明实施例提供的齿轮齿面与齿条齿面接触示意图；
图4为本发明实施例提供的齿轮和齿条啮合立体示意图；
图5为本发明实施例提供的啮合管接触示意图。
图标：10－齿轮；11－第一接触曲线；20－齿条；21－第二接触曲线；30－第一啮合管；40－第二啮合管。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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。
本实施例提供了一种齿轮齿条啮合副，请一并参照说明书附图中图1至图5。
如图1所示，该齿轮齿条啮合副包括齿轮10和齿条20。如图3所示，齿轮10的齿面上具有与齿条20接触的第一接触曲线11，齿条20的齿面上具有与齿轮10接触的第二接触曲线21，且第一接触曲线11和第二接触曲线21为共轭曲线。齿轮10和齿条20跑合后，齿轮10与齿条20之间为面啮合。
当齿轮10和齿条20加上载荷后，齿轮10的齿面和齿条20的齿面均发生弹性变形，经过一段时间的连续运转，齿轮10和齿条20的齿面逐渐跑合并发生轻微磨损，齿轮10的齿面与齿条20的齿面之间的接触点转化为近似椭圆形的面接触迹，如图3所示。跑合之后，齿轮10和齿条20之间的接触面积迅速增大，啮合方式变为面啮合，进而使该齿轮齿条啮合副具有较强的承载能力，能够承载更大的负载，且在负载较大的情况下，不易发生磨损和胶合。
齿轮10的齿面由球面沿齿轮10的圆心曲线扫掠形成，齿条20的齿面由球面沿齿条20的圆心曲线扫掠形成。参阅图5，图5示出了球面沿齿轮10的圆心曲线扫掠形成的啮合管，以及球面沿齿条20的圆心曲线扫掠形成的啮合管。
齿轮10的齿面和齿条20的齿面具体形成过程如下。
首先假设一条光滑曲线为齿条20的齿面上第二接触曲线21，沿齿条20的齿面的法线方向作等距偏移，得到齿条20的圆心曲线。以半径为ρ1的球面沿齿条20的圆心曲线扫掠，球面经过第二接触曲线21，由球面扫掠得到球面族管状包络面，即啮合管，如图5所示，该管状包络面为齿条20的齿面所在的曲面。
根据第二接触曲线21的方程，可以通过坐标变换方程和啮合方程联立求解，进而可以得到第一接触曲线11方程，第一接触曲线11与第二接触曲面为共轭曲线。沿第一接触曲线11的法线方向作等距偏移，得到齿轮10的圆心曲线。以半径为ρ2的球面沿齿轮10的圆心曲线扫掠，球面经过第一接触曲线11，由球面扫掠得到球面族管状包络面，如图5所示，该管状包络面为齿轮10的齿面所在的曲面。
齿轮10上的齿既可以为凸齿，也可以为凹齿。同样的，齿条20上的齿既可以为凸齿，也可以为凹齿。当齿轮10和齿条20啮合形成齿轮齿条啮合副时，存在多种组合情况。第一种情况是，齿轮10为凸齿，齿条20为凹齿。第二种情况是，齿轮10为凹齿，齿条20为凸齿，如图2、图4和图5所示。第三种情况是，齿轮10和齿条20均为凸齿。在第一种情况或第二种情况下，齿轮10的圆心曲线和齿条20的圆心曲线均位于第一接触曲线11和第二接触曲线21的同一侧。在第三种情况下，齿轮10的圆心曲线和齿条20的圆心曲线分别位于第一接触曲线11和第二接触曲线21的两侧。
当齿轮10为凸齿，齿条20为凹齿时，第一接触曲线11与齿轮10的圆心曲线的距离小于第二接触曲线21与齿条20的圆心曲线的距离，即凹齿的半径大于凸齿的半径，凸齿所对应的啮合管位于凹齿所对应的啮合管的内侧，当齿轮10和齿条20发生较小的变形，便可以较大地增加齿轮10和齿条20之间的接触面积，便于齿轮10和齿条20快速跑合，有利于该齿轮齿条啮合副承载较大的负载。
当然，在齿轮10为凸齿，齿条20为凹齿的情况下，第一接触曲线11与齿轮10的圆心曲线的距离也可以等于第二接触曲线21与齿条20的圆心曲线的距离。
图2和图4示出了齿轮10为凹齿，齿条20为凸齿的情况。此时，第一接触曲线11与齿轮10的圆心曲线的距离大于第二接触曲线21与齿条20的圆心曲线的距离。如图5所示，齿轮10的齿面对应第一啮合管30，齿条20的齿面对应第二啮合管40，第二啮合管40位于第一啮合管30内，即凹齿的半径大于凸齿的半径，当齿轮10和齿条20发生较小的变形，便可以较大地增加齿轮10和齿条20之间的接触面积，便于齿轮10和齿条20快速跑合，有利于该齿轮齿条啮合副承载较大的负载。
当然，在齿轮10为凹齿，齿条20为凸齿的情况下，第一接触曲线11与齿轮10的圆心曲线的距离也可以等于第二接触曲线21与齿条20的圆心曲线的距离。
当齿轮10和齿条20均为凸齿时，优选地，第一接触曲线11与齿轮10的圆心曲线的距离等于第二接触曲线21与齿条20的圆心曲线的距离。当然，第一接触曲线11与齿轮10的圆心曲线的距离也可以大于或小于第二接触曲线21与齿条20的圆心曲线的距离。
本实施例还提供了一种直线传动机构。
该直线传动机构包括驱动件和上述的齿轮齿条啮合副。驱动件与齿轮10连接，能够带动齿轮10转动。齿轮10转动带动齿条20沿自身长度方向运动。
由于该直线传动机构具有上述的齿轮齿条啮合副，进而使该直线传动机构也具有较强的承载能力，能够承载更大的负载。由于上述的齿轮齿条啮合副在负载较大的情况下，不易发生磨损和胶合，进而使该直线传动机构具有较长的使用寿命。
具体地，驱动件优选为电机，电机的转轴与齿轮10连接，并且电机的轴线与齿轮10的轴线重合。电机通电时，电机的转轴转动并带动齿轮10转动，进而带动齿条20沿自身长度方向运动。其中，电机的转轴既可以与齿轮10直接固定连接；也可以在电机与齿轮10之间设置减速箱，电机的转轴与减速箱的输入轴固定连接，齿轮10与减速箱的输出轴固定连接，电机的动力经减速箱传递至齿轮10。
当然，驱动件除电机外还可以为其他能够带动齿轮10转动的动力机械。例如，驱动件还可以为内燃机，内燃机的曲轴与减速箱的输入轴连接，齿轮10与减速箱的输出轴连接。
本实施例还提供了一种设计上述齿轮齿条啮合副的方法，请一并参照图1至图5。
该设计方法包括如下步骤。
首先，假设一条光滑曲线为齿条20的齿面上的第二接触曲线21，第二接触曲线21沿齿条20的齿面的法向方向作等距偏移，得到齿条20的圆心曲线。
进一步地，以半径为ρ1的球面沿齿条20的圆心曲线扫掠，得到齿条20的球面族管状包络面。
进一步地，在齿条20的球面族管状包络面添加限制压力角的条件，得到齿条20的齿面方程。
进一步地，根据第二接触曲线21，通过坐标变换方程和啮合方程联立求解，得到齿轮10的齿面上的第一接触曲线11。
进一步地，沿第一接触曲线11的法线方向作等距偏移，得到齿轮10的圆心曲线。
进一步地，以半径为ρ2的球面沿齿轮10的圆心曲线扫掠，得到齿轮10的球面族管状包络面。
进一步地，在齿轮10的球面族管状包络面添加限制压力角的条件，得到齿轮10的齿面方程。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种齿轮齿条啮合副，其特征在于，包括齿轮(10)和齿条(20)；
所述齿轮(10)的齿面上具有与所述齿条(20)接触的第一接触曲线(11)，所述齿条(20)的齿面上具有与所述齿轮(10)接触的第二接触曲线(21)，且所述第一接触曲线(11)和所述第二接触曲线(21)为共轭曲线；
所述齿轮(10)和所述齿条(20)跑合后，所述齿轮(10)与所述齿条(20)之间为面啮合。
2.根据权利要求1所述的齿轮齿条啮合副，其特征在于，所述齿轮(10)的齿面由球面沿所述齿轮(10)的圆心曲线扫掠形成，所述齿条(20)的齿面由球面沿所述齿条(20)的圆心曲线扫掠形成。
3.根据权利要求2所述的齿轮齿条啮合副，其特征在于，所述齿轮(10)为凸齿，所述齿条(20)为凹齿。
4.根据权利要求3所述的齿轮齿条啮合副，其特征在于，所述第一接触曲线(11)与所述齿轮(10)的圆心曲线的距离小于所述第二接触曲线(21)与所述齿条(20)的圆心曲线的距离。
5.根据权利要求2所述的齿轮齿条啮合副，其特征在于，所述齿轮(10)为凹齿，所述齿条(20)为凸齿。
6.根据权利要求5所述的齿轮齿条啮合副，其特征在于，所述第一接触曲线(11)与所述齿轮(10)的圆心曲线的距离大于所述第二接触曲线(21)与所述齿条(20)的圆心曲线的距离。
7.根据权利要求2所述的齿轮齿条啮合副，其特征在于，所述齿轮(10)和所述齿条(20)均为凸齿。
8.根据权利要求7所述的齿轮齿条啮合副，其特征在于，所述第一接触曲线(11)与所述齿轮(10)的圆心曲线的距离等于所述第二接触曲线(21)与所述齿条(20)的圆心曲线的距离。
9.一种直线传动机构，其特征在于，包括驱动件和如权利要求1－8任一项所述的齿轮齿条啮合副；
所述驱动件与所述齿轮(10)连接，能够带动所述齿轮(10)转动。
10.一种设计如权利要求1－8任一项所述的齿轮齿条啮合副的方法，其特征在于，包括：
假设一条光滑曲线为所述齿条(20)的齿面上的第二接触曲线(21)，所述第二接触曲线(21)沿所述齿条(20)的齿面的法向方向作等距偏移，得到所述齿条(20)的圆心曲线；
以半径为ρ1的球面沿所述齿条(20)的圆心曲线扫掠，得到所述齿条(20)的球面族管状包络面；
在所述齿条(20)的球面族管状包络面添加限制压力角的条件，得到所述齿条(20)的齿面方程；
根据第二接触曲线(21)，通过坐标变换方程和啮合方程联立求解，得到所述齿轮(10)的齿面上的第一接触曲线(11)；
沿第一接触曲线(11)的法线方向作等距偏移，得到所述齿轮(10)的圆心曲线；
以半径为ρ2的球面沿所述齿轮(10)的圆心曲线扫掠，得到所述齿轮(10)的球面族管状包络面；
在所述齿轮(10)的球面族管状包络面添加限制压力角的条件，得到所述齿轮(10)的齿面方程。
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高艳娥: "共轭曲线齿轮设计理论及切齿方法研究", 《中国博士学位论文全文数据库电子期刊》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111677828A (zh) * 2020-06-23 2020-09-18 南京安诺电梯有限公司 一种用于变向的圆弧斜齿装置
CN111677828B (zh) * 2020-06-23 2021-06-29 南京安诺电梯有限公司 一种用于变向的圆弧斜齿装置

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