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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