CN111963650A - 一种高强度锥齿轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度锥齿轮,涵盖圆锥齿轮与非圆锥齿轮。高强度锥齿轮采用LogiX齿形,节线(圆锥齿轮退化为节圆)以上部分(齿顶)为凸形,以下部分(齿根)为凹形,传动过程中,一对轮齿能够实现凸‑凹啮合;齿形由一系列特征点连接而成,特征点的曲率中心在节曲线(节圆)上,一对齿形在对应的特征点啮合时,曲率中心重合,且落在节点处,满足瞬时纯滚动条件;与渐开线齿形相比,其齿面接触应力和滑移率大幅减小,摩擦降低,齿根厚度也有一定增大,而且齿数可以设计的更少,强度和效率显著提高。

Description

一种高强度锥齿轮
技术领域
本发明属于机械传动技术领域,具体涉及一种高强度锥齿轮传动,涵盖圆锥齿轮与非圆锥齿轮。
技术背景
锥齿轮用于相交轴传动,强度是其最重要性能指标之一。目前圆锥齿轮普遍采用渐开线齿形,其理论齿形为球面渐开线。渐开线有许多优良性质,但也存在诸多不足,首先,由于其形状为凸形,一对锥齿轮传动为凸-凸啮合,接触应力较大,接触强度受限;其次,除在节锥上两齿面属于纯滚动接触外,其它部位都存在滑动,且离节锥越远,滑移率越大,导致摩擦严重;再有,由于渐开线本身形状、根切等原因,齿轮齿数不能太少,轮齿根部也往往不够宽厚,弯曲强度也嫌薄弱。在高速、重载等应用领域,其弱点显得尤为突出。
近年来,非圆锥齿轮传动也在一些领域获得广泛应用,渐开线往往难以满足其齿形性能要求。
1990年,日本学者T.Komori等(A New Gears Profile Having Zero RelativeCurvature at Many Contact Points(Logix Tooth Profile),Transactions of theASME,Vol.112,September,1990)提出了一种新齿形,命名为LogiX齿形,主要用于圆柱齿轮,属于平面啮合,其形状为凸-凹组合式,以节圆为分界点,节圆以上(齿顶)齿形为凸形,节圆以下(齿根)齿形为凹性,一对齿轮传动时,组成凸-凹啮合,接触应力大大降低;而且,logiX齿形由一系列特征点连接而成,特征点的曲率中心在节圆上,一对齿形在对应的特征点啮合时,曲率中心重合,且落在节点处,满足瞬时纯滚动条件,这将大幅降低滑移率,减小齿面间的摩擦,虽然在相邻连接点间过渡时仍然存在相对滑动,但由于连接点(纯滚动啮合点)可以设计得足够多,滑移率值不会太大;此外,与渐开线齿形相比,LogiX齿形轮齿根部更厚,弯曲强度也得到一定改善。
发明内容
本发明提供一种高强度锥齿轮齿形,涵盖圆锥齿轮与非圆锥齿轮。
一种基于LogiX齿形原理的高强度锥齿轮,齿形由凸-凹两部分组成,节曲线以上部分(齿顶)为凸形,以下部分(齿根)为凹形,传动过程中,一对轮齿齿形能够实现凸-凹啮合;齿形由一系列特征点连接而成,特征点的曲率中心在节曲线上,一对齿形在对应的特征点啮合时,曲率中心重合,且落在节点上,满足瞬时纯滚动条件。
由于锥齿轮传动属于空间啮合,其理论计算及设计应在球面上进行,适用于平面齿轮啮合的LogiX齿形无法直接移植到球面上。本发明采用申请者提出的保测地曲率映射原理解决了这一关键问题,(贾巨民等,基于保测地曲率映射的非圆锥齿轮传动设计分析方法,机械工程学报,44(4),2008)。即首先将球面节曲线映射到平面上,按LogiX原理构造平面齿形,然后逆向映射到球面上,形成球面LogiX齿形,映射过程中,保持球面曲线的测地曲率等于平面曲线的相对曲率。
显然,也可以借鉴平面LogiX齿形设计思想,采用球面几何方法,直接在球面上构造球面LogiX齿形。只是原理和过程将更加复杂。
本发明具有如下有益效果:提供了一种基于LogiX齿形原理的锥齿轮,该锥齿轮具有强度高,滑移率低、摩擦小,效率高等特点。且由于锥齿轮一般采用锻造或挤压成型,与普通渐开线锥齿轮相比,本发明提供的高强度锥齿轮制造工艺难度和成本不会增加,非常易于推广应用。
附图说明
图1是平面啮合LogiX齿形及其法线、节曲线示意图;
图2是球面齿形与节曲线示意图;
图3是渐开线行星锥齿轮示意图;
图4是渐开线半轴锥齿轮示意图;
图5是基于LogiX齿形的行星锥齿轮示意图;
图6是基于LogiX齿形的半轴锥齿轮示意图;
图7是基于LogiX齿形的锥齿轮传动副示意图;
图8是差速器齿轮传动示意图;
图9是少齿数高强度锥齿轮副示意图;
图10是非圆锥齿轮传动示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例进行具体说明。
图1所示为平面LogiX齿形原理,齿形由凸-凹两部分组成,节曲线以上部分(齿顶)为凸形,以下部分(齿根)为凹形,传动过程中,一对轮齿齿形能够实现凸-凹啮合;齿形由一系列特征点连接而成,特征点的曲率中心在节曲线上,一对齿形在对应的特征点啮合时,曲率中心重合,且落在节点上,满足瞬时纯滚动条件。
图2所示为球面映射齿形与节曲线,即将图1所示平面LogiX齿形与节曲线映射到球面上,将该球面齿形作为锥齿轮齿形,进而构成基于LogiX齿形原理的高强度锥齿轮。
实施例1:
某汽车差速器圆锥齿轮传动,由两个行星齿轮和两个半轴齿轮组成,行星齿轮10个齿,半轴齿轮16个齿。
原来采用渐开线齿形,如图3、4所示。
现改为LogiX齿形,如图5、6所示,组成传动副和差速器,如图7、8所示。
与原渐开线齿形相比,其齿面接触应力和滑移率大幅减小,摩擦降低,齿根厚度也有一定增大,强度和效率显著提高。
实施例2:
7/10高强度锥齿轮副,采用渐开线齿形,受根切、齿顶变尖等影响,为满足重合度大于1的要求,齿轮齿数不能太少。而利用本发明,则可以设计出齿数更少的传动副,从而使轮齿变得更加强壮,弯曲强度更高。图9所示为某型号差速器采用的7/10高强度锥齿轮副,行星齿轮齿数为7,半轴齿轮齿数为10,在满足各种性能要求的前提下,与图7所示传动副相比,其轮齿弯曲强度还能继续提高30%以上。
实施例3:
某型号变速比限滑差速器,采用非圆锥齿轮传动,传动比规律按
Figure BDA0002674965410000051
设定,其中:i21为半轴齿轮2与行星齿轮1的传动比,z1、z2分别为行星齿轮1与半轴齿轮2的齿数,
Figure BDA0002674965410000052
为行星齿轮1的转角,c=0~0.5,n=1、3为常数。其球面节曲线和齿形如图7所示,最终形成的齿轮副如图10所示,图中,z1=9,z2=18,c=0.4,n=1。

Claims (3)

1.一种高强度锥齿轮,其特征是,齿形由凸-凹两部分组成,节曲线以上部分即齿顶为凸形,节曲线以下部分即齿根为凹形,对于圆锥齿轮,节曲线退变成节圆,传动过程中,一对轮齿齿面能够实现凸-凹啮合。
2.根据权利要求1所述的一种高强度锥齿轮,其特征在于,其球面齿形对应的平面齿形采用LogiX原理构成,平面齿形由一系列特征点连接而成,特征点的曲率中心在节曲线或节圆上,一对齿形在对应的特征点啮合时,曲率中心重合,且落在节点上,满足瞬时纯滚动条件。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强度锥齿轮,其特征在于,采用球面几何方法直接构造LogiX球面齿形。
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