CN114352700A - 一种提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，包括轮齿本体，所述轮齿本体包括齿根、齿顶和齿面，齿面与分度圆柱面的交线为齿线，齿轮啮合时节圆与齿面的交线区域为节圆区域，所述齿线位于节圆区域内；所述齿面表面设有凹坑。有益效果：本发明根据齿轮轮齿啮合过程中综合优化表面摩擦磨损与振动噪声的性能需求，提出一种齿面设有凹坑结构的齿轮。在齿面非节圆区域设置圆形凹坑结构，一方面，能够储存更多润滑介质，有效增加油膜厚度，降低油膜温升，改善齿面摩擦磨损性能，延长使用寿命；另一方面，在齿轮轮齿啮合过程中，由于凹坑结构的存在，齿面啮合接触状态发生变化，缓解了应力集中现象，有效减少齿面能量堆积和摩擦振动。

Description

一种提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮
技术领域
本发明涉及一种齿轮的表面结构，特别涉及一种提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，属于机械传动技术领域。
背景技术
齿轮作为基础传动部件，凭借其传动的精确、可靠性，在工业机器和车辆的传动系统中起着至关重要的作用。尤其是随着机械工程动力传动大型高端设备的研发，对设备的机械性能提出了更高的要求，而齿轮性能的好坏是决定其机械传动性能的关键因素之一。不同于一般的传动方式，齿轮啮合传动时的润滑摩擦与敲击振动性能十分复杂，一方面，齿轮长时间工作在重载工况下，摩擦磨损严重；另一方面，摩擦磨屑在破坏齿面、减少使用寿命的同时，也是齿轮振动噪声产生的重要激励源。
现有研究从表面涂层等方面去解决齿轮摩擦磨损问题。表面涂层技术虽能有效增强齿轮减摩性能，然而使用特殊摩擦材料时的摩擦系数改变将导致接合过程中热特性的变化，且重载工况下齿轮啮合传动时的涂层易脱落，无法兼顾齿轮啮合传动时多重性能综合优化的需求。因此，如何在保证齿轮、尤其是重载齿轮传动精度的同时，降低表面磨损，延长使用寿命，减小振动噪声，仍是需要行业内聚焦解决的关键问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提出一种提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，通过齿轮表面啮合部位设置凹坑结构能够有效降低齿轮啮合传动时表面摩擦磨损、延长使用寿命的同时，改善应力集中、减少齿面能量堆积和摩擦振动。
技术方案：一种提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，包括轮齿本体，所述轮齿本体包括齿根、齿顶和齿面，齿面与分度圆柱面的交线为齿线，齿轮啮合时节圆与齿面的交线区域为节圆区域，所述齿线位于节圆区域内；所述齿面表面设有凹坑。
节圆是齿轮啮合传动时在节点处相切的一对圆，两齿轮节圆的大小显然是随其中心距的变化而变化的，节圆区域是单个齿轮啮合时节圆与齿面的交线可能出现的区域，齿面与分度圆柱面的交线为齿线，所述齿线位于节圆区域内；
本发明通过凹坑储存更多润滑油以增大油膜厚度、提升油膜承载能力，改善齿面摩擦磨损性能，减小振动噪声；有效改善了齿轮轮齿啮合时表面摩擦磨损性能，降低了齿面能量堆积与摩擦振动、噪声。
优选项，因齿面接触应力分布不均匀，为了避免因齿轮啮合表面节圆处接触应力太大而使得凹坑结构加剧齿面磨损的状况，所述齿面上节圆区域内不设置凹坑，所述凹坑包括上凹坑和下凹坑，所述上凹坑位于节圆区域上方至齿顶之间的齿面表面上，所述下凹坑位于节圆区域下方至齿根的齿面表面上。
在齿面非节圆区域处设置凹坑结构，有效避免因节圆处接触应力过大使得凹坑结构加剧齿面点蚀、破坏的同时，储存更多润滑油以增大油膜厚度、提升油膜承载能力，改善齿面摩擦磨损性能，减小振动噪声。
优选项，为了降低加工难度，所述凹坑与齿面相交的轮廓为圆形。
优选项，为了更好地适应齿面应力分布不均匀，兼顾改善齿面润滑，降低齿面能量堆积与摩擦振动、噪声，所述相邻两个上凹坑之间的距离为L1，所述相邻两个下凹坑之间的距离为L2，所述L1 与L2相等，其范围为400-800μm。
优选项，为了更好地适应齿面应力分布不均匀，兼顾改善齿面润滑，降低齿面能量堆积与摩擦振动、噪声，所述上凹坑由节圆区域向齿顶方向相邻各排之间的距离逐渐减小；所述上凹坑各排之间的距离最小值Lmin为400μm，最大值Lmax为800μm，其变化梯度值为间距的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑由节圆区域向齿根方向相邻各排之间的距离逐渐减小；所述下凹坑各排之间的距离最小值Lmin为400μm，最大值Lmax为800μm，其变化梯度值为间距的最大差值除以梯度量。
优选项，为了更好地适应齿面应力分布不均匀，兼顾改善齿面润滑，降低齿面能量堆积与摩擦振动、噪声，所述上凹坑与齿面相交的轮廓投影直径为D1，所述齿面至上凹坑底部的深度为H1；所述下凹坑与齿面相交的轮廓投影直径为D2，所述齿面至下凹坑底部的深度为H2；所述D1与D2相等，其范围为50-100μm；所述H1与H2相等，其范围为10-50μm。
优选项，为了更好地适应齿面应力分布不均匀，兼顾改善齿面润滑，降低齿面能量堆积与摩擦振动、噪声，所述上凹坑由节圆区域向齿顶方向相邻各排之间与齿面相交的轮廓投影直径逐渐增大；所述下凹坑由节圆区域向齿根方向相邻各排之间与齿面相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑由节圆区域向齿根方向相邻各排之间与齿面相交的轮廓投影直径逐渐增大，所述下凹坑由节圆区域向齿根方向相邻各排之间与齿面相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述齿面至上凹坑和下凹坑底部的深度相等均为H，其范围为10-50μm。
优选项，为了更好地适应齿面应力分布不均匀，兼顾改善齿面润滑，降低齿面能量堆积与摩擦振动、噪声，所述上凹坑由节圆区域向齿顶方向相邻各排之间与齿面相交的轮廓投影直径逐渐增大，所述上凹坑由节圆区域向齿顶方向相邻各排之间的深度逐渐增大；
所述下凹坑由节圆区域向齿根方向相邻各排之间与齿面相交的轮廓投影直径逐渐增大，所述下凹坑由节圆区域向齿根方向相邻各排之间的深度逐渐增大。
优选项，为了更好地适应齿面应力分布不均匀，兼顾改善齿面润滑，降低齿面能量堆积与摩擦振动、噪声，所述上凹坑由节圆区域向齿顶方向相邻各排之间与齿面相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述上凹坑由节圆区域向齿顶方向相邻各排之间的深度最小深度Hmin为10μm，最大深度Hmax为50μm，其变化梯度值为深度的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑由节圆区域向齿根方向相邻各排之间与齿面相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑由节圆区域向齿根方向相邻各排之间的深度最小深度Hmin为10μm，最大深度Hmax为50μm，其变化梯度值为深度的最大差值除以梯度量。
优选项，为了进一步提高润滑油膜承载能力，增加油膜厚度，所述凹坑与齿面相交的轮廓为水滴形，所述水滴形的尖头分别朝向节圆区域方向。
在齿面非节圆区域设置凹坑结构，在齿面节圆区域不设置凹坑结构，并通过合理布置凹坑结构的大小和分布形式，能够有效避免因节圆区域啮合表面接触应力过大从而使得凹坑结构加剧齿面点蚀、磨损的现象。在齿面接触应力较小处设置凹坑结构，一方面，能最大限度的利用凹坑结构储存更多润滑介质，增加油膜厚度，在齿轮轮齿啮合过程中利用流体动压效应，提升油膜承载能力，降低油膜温升。同时，根据齿面接触应力分布来合理设置凹坑结构的布置方式，摩擦磨屑能够尽可能多的储存在凹坑结构内，改善齿面摩擦磨损性能，延长使用寿命；另一方面，在齿轮轮齿啮合过程中，由于凹坑结构的存在，齿面啮合接触状态发生变化，缓解了应力集中现象，有效减少齿面能量堆积和摩擦振动。
有益效果：本发明根据齿轮轮齿啮合过程中综合优化表面摩擦磨损与振动噪声的性能需求，提出一种齿面设有凹坑结构的齿轮。在齿面非节圆区域设置圆形凹坑结构，一方面，能够储存更多润滑介质，有效增加油膜厚度，降低油膜温升，改善齿面摩擦磨损性能，延长使用寿命；另一方面，在齿轮轮齿啮合过程中，由于凹坑结构的存在，齿面啮合接触状态发生变化，缓解了应力集中现象，有效减少齿面能量堆积和摩擦振动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为齿面凹坑结构的示意图；
图2为本发明第一实施例的局部放大示意图；
图3为本发明第二实施例的局部放大示意图；
图4为本发明第三实施例的局部放大示意图；
图5为本发明第四实施例的局部放大示意图；
图6为本发明第五实施例的局部放大示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，一种提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，包括轮齿本体1，所述轮齿本体1包括齿根11、齿顶12和齿面13，齿轮啮合时节圆与齿面13的交线区域为节圆区域14；所述齿面13表面设有凹坑2。
所述齿面13上节圆区域14内不设置凹坑2，所述凹坑2包括上凹坑21和下凹坑22，所述上凹坑21位于节圆区域14上方至齿顶12之间的齿面13表面上，所述下凹坑22位于节圆区域14下方至齿根11的齿面13表面上。
实施例一
如图2所示，所述凹坑2与齿面13相交的轮廓为圆形。所述相邻两个上凹坑21之间的距离为L1，所述相邻两个下凹坑22之间的距离为L2，所述L1 与L2相等，其范围为400-800μm。
所述上凹坑21与齿面13相交的轮廓投影直径为D1，所述齿面13至上凹坑21底部的深度为H1；所述下凹坑22与齿面13相交的轮廓投影直径为D2，所述齿面13至下凹坑22底部的深度为H2；所述D1与D2相等，其范围为50-100μm；所述H1与H2相等，其范围为10-50μm。
实施例二
如图3所示，所述上凹坑21由节圆区域14向齿顶12方向相邻各排之间的距离逐渐减小；所述上凹坑21各排之间的距离最小值Lmin为400μm，最大值Lmax为800μm，其变化梯度值为间距的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑22由节圆区域14向齿根11方向相邻各排之间的距离逐渐减小；所述下凹坑22各排之间的距离最小值Lmin为400μm，最大值Lmax为800μm，其变化梯度值为间距的最大差值除以梯度量。
实施例三
如图4所示，所述上凹坑21由节圆区域14向齿顶12方向相邻各排之间与齿面13相交的轮廓投影直径逐渐增大；所述下凹坑22由节圆区域14向齿根11方向相邻各排之间与齿面13相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑22由节圆区域14向齿根11方向相邻各排之间与齿面13相交的轮廓投影直径逐渐增大，所述下凹坑22由节圆区域14向齿根11方向相邻各排之间与齿面13相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述齿面13至上凹坑21和下凹坑22底部的深度相等均为H，其范围为10-50μm。
实施例四
如图5所示，所述上凹坑21由节圆区域14向齿顶12方向相邻各排之间与齿面13相交的轮廓投影直径逐渐增大，所述上凹坑21由节圆区域14向齿顶12方向相邻各排之间的深度逐渐增大；
所述下凹坑22由节圆区域14向齿根11方向相邻各排之间与齿面13相交的轮廓投影直径逐渐增大，所述下凹坑22由节圆区域14向齿根11方向相邻各排之间的深度逐渐增大。
所述上凹坑21由节圆区域14向齿顶12方向相邻各排之间与齿面13相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述上凹坑21由节圆区域14向齿顶12方向相邻各排之间的深度最小深度Hmin为10μm，最大深度Hmax为50μm，其变化梯度值为深度的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑22由节圆区域14向齿根11方向相邻各排之间与齿面13相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑22由节圆区域14向齿根11方向相邻各排之间的深度最小深度Hmin为10μm，最大深度Hmax为50μm，其变化梯度值为深度的最大差值除以梯度量。
实施例五
如图6所示，所述凹坑2与齿面13相交的轮廓为水滴形，所述水滴形的尖头分别朝向节圆区域14方向。
采用本发明具有凹坑2结构的齿轮，根据齿轮轮齿啮合过程中综合优化表面摩擦磨损与振动噪声的性能需求，在齿面13非节圆区域设置凹坑2结构，在啮合齿轮轮齿啮合表面节圆处不设置凹坑结构，能够有效避免因节圆处接触应力过大从而使得凹坑2结构加剧齿面13点蚀、磨损的现象。在齿面13接触应力较小处设置凹坑结构，一方面，能最大限度的利用凹坑2结构储存更多润滑介质，有效增加油膜厚度，在齿轮轮齿啮合过程中利用流体动压效应，提升油膜承载能力，降低油膜温升。同时，根据齿面13接触应力分布来合理设置凹坑2结构布置方式，摩擦磨屑能够尽可能多的储存在凹坑3结构内，改善齿面13摩擦磨损性能，延长使用寿命；另一方面，在齿轮轮齿啮合过程中，由于凹坑2结构的存在，齿面2啮合接触状态发生变化，缓解了应力集中现象，有效减少齿面能量堆积和摩擦振动。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，包括轮齿本体（1），所述轮齿本体（1）包括齿根（11）、齿顶（12）和齿面（13），齿轮啮合时节圆与齿面（13）的交线区域为节圆区域（14）；其特征在于：所述齿面（13）表面设有凹坑（2）。
2.根据权利要求1所述的提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，其特征在于：所述齿面（13）上节圆区域（14）内不设置凹坑（2），所述凹坑（2）包括上凹坑（21）和下凹坑（22），所述上凹坑（21）位于节圆区域（14）上方至齿顶（12）之间的齿面（13）表面上，所述下凹坑（22）位于节圆区域（14）下方至齿根（11）的齿面（13）表面上。
3.根据权利要求1或2所述的提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，其特征在于：所述凹坑（2）与齿面（13）相交的轮廓为圆形。
4.根据权利要求3所述的提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，其特征在于：所述相邻两个上凹坑（21）之间的距离为L1，所述相邻两个下凹坑（22）之间的距离为L2，所述L1 与L2相等，其范围为400-800μm。
5.根据权利要求3所述的提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，其特征在于：所述上凹坑（21）由节圆区域（14）向齿顶（12）方向相邻各排之间的距离逐渐减小；所述上凹坑（21）各排之间的距离最小值Lmin为400μm，最大值Lmax为800μm，其变化梯度值为间距的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑（22）由节圆区域（14）向齿根（11）方向相邻各排之间的距离逐渐减小；所述下凹坑（22）各排之间的距离最小值Lmin为400μm，最大值Lmax为800μm，其变化梯度值为间距的最大差值除以梯度量。
6.根据权利要求4或5所述的提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，其特征在于：所述上凹坑（21）与齿面（13）相交的轮廓投影直径为D1，所述齿面（13）至上凹坑（21）底部的深度为H1；所述下凹坑（22）与齿面（13）相交的轮廓投影直径为D2，所述齿面（13）至下凹坑（22）底部的深度为H2；所述D1与D2相等，其范围为50-100μm；所述H1与H2相等，其范围为10-50μm。
7.根据权利要求4或5所述的提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，其特征在于：所述上凹坑（21）由节圆区域（14）向齿顶（12）方向相邻各排之间与齿面（13）相交的轮廓投影直径逐渐增大；所述下凹坑（22）由节圆区域（14）向齿根（11）方向相邻各排之间与齿面（13）相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑（22）由节圆区域（14）向齿根（11）方向相邻各排之间与齿面（13）相交的轮廓投影直径逐渐增大，所述下凹坑（22）由节圆区域（14）向齿根（11）方向相邻各排之间与齿面（13）相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述齿面（13）至上凹坑（21）和下凹坑（22）底部的深度相等均为H，其范围为10-50μm。
8.根据权利要求4或5所述的提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，其特征在于：所述上凹坑（21）由节圆区域（14）向齿顶（12）方向相邻各排之间与齿面（13）相交的轮廓投影直径逐渐增大，所述上凹坑（21）由节圆区域（14）向齿顶（12）方向相邻各排之间的深度逐渐增大；
所述下凹坑（22）由节圆区域（14）向齿根（11）方向相邻各排之间与齿面（13）相交的轮廓投影直径逐渐增大，所述下凹坑（22）由节圆区域（14）向齿根（11）方向相邻各排之间的深度逐渐增大。
9.根据权利要求8所述的提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，其特征在于：所述上凹坑（21）由节圆区域（14）向齿顶（12）方向相邻各排之间与齿面（13）相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述上凹坑（21）由节圆区域（14）向齿顶（12）方向相邻各排之间的深度最小深度Hmin为10μm，最大深度Hmax为50μm，其变化梯度值为深度的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑（22）由节圆区域（14）向齿根（11）方向相邻各排之间与齿面（13）相交的轮廓投影最小直径Dmin为50μm，最大直径Dmax为100μm，其变化梯度值为直径的最大差值除以梯度量；
所述下凹坑（22）由节圆区域（14）向齿根（11）方向相邻各排之间的深度最小深度Hmin为10μm，最大深度Hmax为50μm，其变化梯度值为深度的最大差值除以梯度量。
10.根据权利要求1或2所述的提高润滑油膜承载能力的重载型齿轮，其特征在于：所述凹坑（2）与齿面（13）相交的轮廓为水滴形，所述水滴形的尖头分别朝向节圆区域（14）方向。
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