CN1226952A - 短啮合齿的形态矩阵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种形态矩阵,它用于构成一尤其是在汽车变速箱齿轮上短啮合齿的齿的截面形状,其中短啮合齿的齿制在一变速齿轮或一换档接合套筒的圆柱段上,其轴线与换档接合套筒的位移轴线相一致,且其中每一种齿轮具有一屋顶状倾斜的齿顶以及朝着齿根(1)方向至少沿部分高度设计成后倾的齿侧面(3)。该齿侧面(3)终止于一齿根圆(4),所有齿或它们中按照一种有规律变换的模式确定的一部分,具有至少一种确定齿侧面形状的形态。
Description
本发明涉及一种形态矩阵，它用于构成一尤其是在汽车变速箱齿轮上的短啮合齿的齿的截面形状，其中，短啮合齿的齿制在一变速齿轮或一换挡接合套筒的圆柱段上，其轴线与换挡接合套筒的位移轴线相一致，且其中每一种齿轮具有一屋顶状倾斜的齿顶以及朝着齿根方向至少沿部分高度设计成后倾的齿侧面，该齿侧面终止于一齿根圆。
短啮合齿的上述形态学在有关的文献资料中已有叙述且已在实践中实现。
在短啮合齿中重要的是：在两个已同步转动的变速齿轮之间的换挡过程尽可能无摩擦地亦即轻便灵活地完成。尤其是两短啮合齿齿顶的正面相碰应尽可能少出现和仅仅在极短的时期内发生。不过，这种换挡舒适性不能以牺牲所选定的换挡连接的轴向结合并因而牺牲可靠的轴向固定为代价来取得。为此，采用尤其是这样一种具有后截切的齿侧面结构造型，即齿至少在其侧面的部分高度朝着齿根方向逐渐缩小。两个共同工作的短啮合齿这样一种彼此一致的结构形式带来的结果是，防止了相互贴靠在一起的后截切齿侧面彼此沿轴向滑开，并由此也防止了换挡连接不希望的松动。
虽然对专业人员来说熟悉的是：在这样一种短啮合齿的传统设计范围内，一个个齿沿它们的总高度被约束在一圆柱段上并还可能具有齿根连接；此外对他们来说还熟悉的是：通过齿根圆可提高齿的承载能力，以及通过齿顶为屋顶形的结构形式可使换挡啮合更加容易。
然而由于对于短啮合齿有着许多不同的应用可能性，与此同时可能产生不同的负载和负载变化，也由于在实践中对换挡舒适性和换挡可靠性提出了特殊的要求，与此同时还应当顾及成形加工技术所引起的一系列规范，由此种种原因便不再能为专业人员提供一种所希望的方向。
因此，本发明的目的在于提供一种关于短啮合齿的计算和设计准则的概貌，亦即为专业人员提供一种手段，使他们能容易且目标准确地找到满足各种要求的解决方案。
根据本发明解决方案的建议，不是有意识地满足一种单一的解决方案，而是为短啮合齿的齿截面形状设计提供一种形态矩阵，这样一种矩阵中的所有元素均属按所附权利要求所述的保护对象。其中，权利要求1的内容为一种形态矩阵，通过该矩阵聚集属于此范围的齿形，而没有必要对于一种适用的齿轮形态将其众多组合可能性的每一个分别用一单独的权利要求来加以保护。
以本文开头所述形态矩阵为基础，它的有专利权的进一步改进具有的特征在于：所有的齿或者它们中按照一种有规律变换的模式确定的一部分，至少包括确定齿侧面造型的下列两种形态之一：a．在齿顶屋顶面的下边缘和后倾的侧面段之间设有一上部直的齿啮合段，其形式上为一基本平行于齿纵向延伸的导向面，在这种情况下该导向面设计为窄的或宽的；b．在后倾的侧面段和齿根圆之间设有一下部直的齿啮合段，其形式上为具有基本平行于齿纵轴线延伸的支承面的齿根增强，其中该支承面被设计为高的或低的。
本发明的矩阵是基于这样的考虑：根据使用情况，除了后倾的侧面段之外，还要实现一个或两个直的齿啮合段作为每一个齿侧面的其它分段，亦即要么是位于后倾侧面段之上的上部直的齿啮合段和/或要么是位于后倾侧面段之下的下部直的齿啮合段。
通过该上部直的齿啮合段提供了一个导向面，专业术语也称之为“平台(Flat)”，该导向面在齿的单轨迹阶段是有效的，且在起始啮合区内增强其侧向伸出最远的侧面区域，这就相应地对啮合齿的寿命起着好的作用。通过该导向面，可减小所谓的“齿啮合间隙”，亦即；降低换挡运动的反作用力，与此同时不会增大齿侧隙。
沿齿纵向看导向面可设计为窄的或宽的。由此可对后倾角的大小在下述意义上产生很大影响，即：宽的导向面比窄的导向面能导致更大的、亦即更有效的后倾角。但与此同时，也可认为导向面的宽度是负载的函数，亦即所产生扭矩的函数。
根据本发明的理论并不满足于只有一种上部直的齿啮合段。除此之外或者在其位置上也可出现一下部直的齿啮合段，它位于后倾侧面段的下方。下部直的齿啮合段形成一种其形式上为一平行于齿纵轴线延伸的支承面的对齿根的增强，该支承面抵消由于后倾的侧面段使齿逐渐缩小引起的后果。因此这种支承面产生的直接效果是提高了整个齿的强度，尤其是它的齿根区。
在具有特别高的扭矩载荷时，专业人员可在本发明所推荐的形态矩阵范围内，按照设计导向面和支承面的意义，将上部直的齿啮合段和下部直的齿啮合段相互组合在一起。
每一齿侧面的支承面可设计为高的或低的。在这方面专业人员也可主要根据他想实现的是什么样的后倾角来作出他的选择。
如果仅仅设有一种上部直的齿啮合段(具有窄的或宽的导向面)，那么根据关系式0≤α≤9，后倾角最好最大为9°。
在具有低支承面的下部直的齿啮合段的情况下，则与是否还设有一上部直的齿啮合段无关，根据关系式3≤α≤12，后倾角最好在3～12°之间。
若设有一有高支撑面的下部直的齿啮合段(带或不带上部直的齿啮合段)，那么根据关系式6≤α≤60，后倾角在6°～60°之间。通过选择一形式上为宽导向面的上部直的齿啮合段和一形式上为高支承面的下部直的齿啮合段，可以实现最大后倾角。
权利要求7～8包括一些用于确定导向面或支承面尺寸的规则。这些规则可根据总体几何形状来导出，且前提是：相互比较的是具有相同总齿高或齿顶高的齿。最后，齿顶以下直至齿根的齿的高度是导向面、后倾侧面段以及支承面的总和，与此同时朝下方总是连有一齿根圆，与不具有支承面的实施形式相比，该齿根圆在存在支承面的情况下有一较小的半径就足够了。
有关屋顶形齿顶的设计可以下列情况为出发点，即：所提供的屋顶形状由熟知的形状元素组成，即由直线或凸拱形屋顶面组成。
直的屋顶面耐用。但由于其大的摩擦面，所以在入轨过程中它的反作用力较大。
对于凸的屋顶面来说，由于是线接触所以摩擦力较小，因此这种摩擦力便有可能改善换挡的舒适性。
对于反转的齿轮，亦即可沿两个方向转动的变速齿轮，只能采用对称的屋顶面。对于仅仅沿单方向转动的变速齿轮的正常情况而言，非对称的屋顶形特别合适，用这种屋顶形在入轨阶段仅在很短的变速阶段才会有较大反作用力。屋顶形状越接近一种单坡屋顶形，可能产生的接合阻塞阶段就越短。
一齿顶的两屋顶面要么都制成平面或凸面，要么一个做成平面而另一个则做成凸面。由凸的屋顶面所取得的易于入轨的效果，在仅有单一旋转方向的变速齿轮的情况下还可通过以下措施来加以提高：屋顶面之一设计成基本平行于齿纵向延伸的面，而另一屋顶面相应地倾斜延伸并与第一个屋顶面共同形成一种单坡屋顶型的屋顶形状。
以下根据一附图来说明本发明，附图示出一图形矩阵。
该矩阵具有完全填满的9列和完全填满的5行。列用1～9来标序，行用a～e来标号。这样只要需要，便可目标准确地找到所示出的各齿形。
在行a中，示出有两种属已有技术的齿形，亦即在用0标号的列中为一并不延伸至齿根1的齿Za0。它具有一带平屋顶面2(屋顶形D2,2)的对称屋顶形；此外它还具有后倾的齿侧面3，齿侧面3端部与齿根1有距离，这样在齿Za0和齿根1之间例如通过铲背形成一用于切削加工后倾侧面的刀具的空程。
齿Za1示出一对应于权利要求1前序部分的短啮合齿的齿的截面形状，如同齿Za0那样它也属于已有技术。屋顶形D2,2与直至齿根1连续的后倾齿侧面3组合，它们在齿根1那里终止于一齿根圆4。实践中已经能够采用成形加工技术来制造这种齿形，所有其它在矩阵中示出的属本发明的齿形同样均可用成形加工技术来制造。
根据矩阵所依据的系统理论，在行中的齿形这样排列：后倾角从列1～9逐渐增大。这些由选择或组合直的齿啮合段得出。因为根据本发明所保护的理论是针对选择和组合直的齿啮合段的，因此在列1、行b～e中所示的齿形，由于其不具有直的齿啮合段，因此不属于本发明要求保护的内容。
为了对称的原因将它们补充在矩阵中，以便说明不同的屋顶形状，通过它们来区分矩阵中逐行的齿形。
齿形Za2与按照Za1的已有技术的区别在于：它设有一形式上为窄导向面5的上部直的齿啮合段。与此相对，齿形Za3则具有一宽导向面6。
齿形Za4通过一形式上为低的支承面7的下部直的齿啮合段区别于前述各齿形。
在齿形Za5的情形中，既设有一上部直的齿啮合段又设有一下部直的齿啮合段，其形式上为一窄导向面5和一低的支承面7。
齿形Za6示出一宽导向面6与一低的支承面7的组合。
齿形Za7示出仅仅有一形式上为高的支承面8的下部直的齿啮合段。
齿形Za8示出一种高的支承面8与一窄导向面5的组合。
齿形Za9示出一宽导向面6与一高的支承面8的组合。
对行a中的每种齿形均在屋顶形状的上方给出对应于各视图的后倾角α。所有的角度值均作为举例。对在行b～e中的所有齿形它们是相同的，因为它们有同一个长宽比。如已说明的那样，各行的区别仅在于有不同的屋顶形状，这样就可以不必要对各个齿形均加以详述。
在行b中，屋顶形状是球形的，亦即涉及两个凸的屋顶面9，如同所有其它的屋顶形一样，它们同样共同形成一修圆的屋顶尖。行a中的屋顶形D2,2和行b中的屋顶形D9,9均为对称的，它们适用于沿两个方向传动的传动齿轮，或者适用于那些对两个旋转方向都适用的变速齿轮。与屋顶形D2,2相反，对于屋顶形D9,9，当它与相啮合齿进入啮合时形成线接触，因此与D2,2相比容易接合。
在行c、d和e中所表示的都是非对称的屋顶形，亦即在行c中为屋顶形D2,9，用该形状可易于进入凸的屋顶面9一侧。当相啮合齿轮以相反方式设计时，则可通过以下所述简化制造：令一齿轮对的两个齿轮都具有一可用较少费用来制造的平屋面就足够了。
在行d中示出一种单坡屋顶型式的屋顶形，其中屋顶斜面设计为平的屋顶面10。第二个屋顶面11平行于齿的纵向伸展。类似地，在行e中，在一种单坡屋顶形状中，倾斜的屋顶面12设计为凸的。这种非对称单坡屋顶形状只能用于沿单方向转动的变速齿轮。单坡屋顶形的优点在于：在进入过程中正面撞击的可能性大大减小，因为换挡阻塞只可能在单坡屋顶形状的一个狭窄的边缘区域中出现。
不言而喻，在行c～e中示出的非对称屋顶形也可设计成相对于齿的纵轴线成镜像反映。在本发明的范围内此矩阵还可加以扩展，为此可通过选择别的屋顶形，或者通过改变沿齿高方向的几何尺寸关系。
Claims (11)
1．一种形态矩阵，它用于构成一尤其是在汽车变速箱齿轮上的短啮合齿的齿的截面形状，其中，短啮合齿的齿制在一变速齿轮或一换挡接合套筒的圆柱段上，其轴线与换挡接合套筒的位移轴线相一致，且其中每一种齿轮具有一屋顶状倾斜的齿顶以及朝着齿根(1)方向至少沿部分高度设计成后倾的齿侧面(3)，该齿侧面终止于一齿根圆(4)，其特征在于：所有的齿或者它们中按照一种有规律变换的模式确定的一部分，至少包括确定齿侧面造型的下列两种形态之一：a)在齿顶屋顶面的下边缘和后倾的侧面段(3)之间设有一上部直的齿啮合段，其形式上为一基本平行于齿纵向延伸的导向面(5,6)，在这种情况下该导向面设计为狭窄的(5)或宽的(6)；b)在后倾的侧面段和齿根圆(4)之间设有一下部直的齿啮合段，其形式上为具有基本平行于齿纵轴线延伸的支承面(7,8)的齿根增强，其中该支承面设计为高的(8)或低的(7)。
2．如权利要求1所述的形态矩阵，其特征在于：仅设置有一个上部直的齿啮合段，且后倾角最大为9度。
3．如权利要求1所述的形态矩阵，其特征在于：设置一具有较低支承面(7)的下部直的齿啮合段，且后倾角为3～12度。
4．如权利要求1所述的形态矩阵，其特征在于：设置一具有高的支承面(8)的下直齿啮合段，且后倾角为6～60度。
5．如权利要求1所述的形态矩阵，其特征在于：狭窄型导向面(5)沿齿高方向测量其值小于位于其上方的齿顶高度的1/6。
6．如权利要求1所述的形态矩阵，其特征在于：宽型导向面(6)沿齿高方向测量其值小于位于其上方的齿顶高度的全部但大于该齿顶高度的一半。
7．如权利要求1所述的形态矩阵，其特征在于：从齿根起测量的低型支承面(7)的高度大于宽型导向面的宽度，但小于从齿根(1)一直测量至屋顶面下边缘的齿的高度的一半。
8．如权利要求1所述的形态矩阵，其特征在于：从齿根起测量的高型支承面(8)为齿高的一半。
9．如权利要求1所述的形态矩阵，其特征在于：齿顶制成对称的或非对称的。
10．如权利要求9所述的形态矩阵，其特征在于：齿顶由两个屋顶面构成，它们要么设计为两个面均为平面(2)或者均为凸面(9)，要么其中之一设计为平面而另一个设计为凸面。
11．如权利要求1所述的形态矩阵，其特征在于：所述屋顶面中的一个设计为基本上平行于齿纵向延伸的平面(11)，且另一屋顶面(10,12)相应地倾斜延伸，并与该第一个屋顶面一起形成一单坡屋顶型的屋顶形状。
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