CN1326391A - 齿轮精加工方法和齿轮 - Google Patents

Abstract

一种利用精加工工具对齿轮的齿侧面进行机加工的方法。该方法包括:使工具(例如一磨削工具)转动,并使工具与齿侧面接触。在工具和齿轮之间形成相对运动,以使工具沿一路径横穿过齿侧面。其中,所述路径可以产生这样一种形式的齿侧面几何形状,即,当齿侧面在无载或轻载情况下与一相配的齿侧面相啮合而形成一个齿对时,可以形成一运动曲线(A),该曲线与一紧挨在前面的齿对(P)和一紧挨在后面的齿对(F)的运动曲线至少有两次交叉。齿对的运动曲线描绘了齿对的各齿侧面从一最初的啮合入口到一最终的啮合出口,即齿转动量高于1.0齿距(最好是大约1.5齿距至3.0齿距)的接触情况。

Description

齿轮精加工方法和齿轮

本申请要求1998年11月23日递交的美国临时申请60/109,587的权益。

发明领域

本发明涉及有齿制品(例如齿轮)的精加工。特别是，本发明揭示了一种齿轮精加工的方法，借助该方法，可以大大降低齿轮啮合滚动时的噪声。

发明背景

在齿轮制造业众所周知，相互啮合的齿面之间的承载接触区应该被限制成齿边界范围以内的接触区，藉以防止齿表面在它们的边缘处接触，这种接触可能会导致齿损坏和/或齿轮失效。

为了限制齿的接触区，必须对理论上共轭的齿侧面进行修正(或称改形)，即，限制无载或轻载情况下的接触区，以便实现对例如齿轮箱误差、齿轮元件和组件的不精确度以及偏斜等因素的不敏感性。因此，与各相配齿侧面的整个表面在滚动过程中接触的情况(在这种理论状况下，齿侧面完全共轭，并且传动系统具有零偏斜度和零误差)不同，修正过的齿侧面通常只在一个点上或沿着一条线接触。因此，相配的齿侧面只是在该点或沿该线共轭。接触区是这样限制的，尽管有偏斜、误差和载荷，接触区总是保持在齿边界以内。

在锥齿轮的情况下，有三种生成齿侧面改形的机制，这种改形旨在定位齿的承载接触区。这些改形通常被称之为“鼓形”。具体地说，三种鼓形是：(1)“纵向”鼓形，即沿着齿的长度方向(从小端到大端或者说是面宽)的改形；(2)“齿廓”鼓形，即沿着齿的齿廓方向(从齿根到齿顶)的改形；以及(3)“齿扭曲”鼓形，即齿沿着长度方向(从小端到大端)的扭曲。可以将上述的一种或多种鼓形应用于齿表面，但通常是一起采用这三种鼓形。

然而，在有鼓形的情况下，滚动啮合的非共轭元件会造成运动误差。通常，随着鼓形的增大，被引入相配齿对的运动误差也变大。增大的鼓形可保护齿免遭边缘接触的损坏，但随之升高的运动误差会使齿轮不能平顺地滚动。

运动误差会带来噪声。噪声很大程度上是因为两个相配的齿相互撞击而造成的。已经知道，当一对相配的齿作抛物线形的啮合滚动时，其中一个元件的齿的角速度相对于另一个元件的齿而言有一个线性的降低。因此，相对的角速度有一个恒定不变的负值。然而，当接触过程从当前的一对啮合的齿变化至下一对啮合的齿时，相对速度瞬时地升高，这是因为下一对齿最初的相对速度高于当前这对齿的最终相对速度。如果速度突然升高，相对的角加速度也会有一个瞬间极大的升高，这实际上是一种冲击(即噪声)，反映了下一对齿在第一接触时刻的撞击情况。这种噪声在每一对齿刚开始接触时反复地发生。这样接触的结果是，产生一种齿的啮合频率和/或其倍数的噪声。

已经被用来解决齿轮噪声问题的一个方法是研磨。最高磨除发生在撞击时刻，因为这时候会出现两个啮合元件的峰值扭矩。换言之，可以在研磨过程中除去会导致干扰的材料。然而，对齿轮组的表面研究表明，来自于研磨剂的某些研磨颗粒会粘附于齿侧面，这意味着当齿轮组工作时会发生一种连续的“轻微研磨”。此外，研磨剂颗粒趋向于从齿表面移入齿轮组的润滑油中，这样甚至会进一步地放大这种负面效应。

在纽约Rochester的Rochester技术学院(1992年，pp.135-139)出版的《锥齿轮和准双曲面齿轮》中，阐述了一种通过沿接触路径引入一个四阶鼓形来降低齿轮噪声的方法。该方案的不利之处是，它只是在高载荷情况下有效，但是在对噪声很关键的低载荷情况下却并不有效。

Litvin等人在《机械、传动和自动化设计年报》(第109卷，1987年，pp.163-170)上发表的“具有共轭齿面的螺旋锥齿轮的生成方法”一文中，描述了另外一种用来降低齿轮噪声的理论建议。在该方案中，建议沿着接触线来引入鼓形。然而，该方法并不能有效地降低噪声。

本发明的目的在于，提供一种用于对有齿制品进行机加工的方法，该方法可以大大降低由于齿进入啮合状态而产生的噪声。

本发明的另一个目的在于，提供一种齿轮，它具有至少一个根据上述方法制作的齿面。

发明概要

本发明涉及一种利用精加工工具对齿轮的齿侧面进行机加工的方法。该方法包括：使工具(例如一磨削工具)转动，并使工具与齿侧面接触。在工具和齿轮之间形成相对运动，以使工具沿一路径通过齿侧面。其中，所述路径可以产生这样一种形式的齿侧面几何形状，即，当齿侧面在无载或轻载情况下与一相配的齿侧面相啮合而形成一个齿对时，可以形成一运动曲线，该曲线与一紧挨在前面的齿对和一紧挨在后面的齿对的运动曲线至少有两次交叉。

齿对的运动曲线可以描绘出一个四阶甚至更高的偶数阶函数，并且其形状最好是具有两个由两个交叉点分隔的最大值。齿对的运动曲线描绘了在轻载或无载情况下齿对的各齿侧面从一最初的啮合入口到一最终的啮合出口，即齿转动量高于1.0齿距(最好是大约1.5齿距至3.0齿距)的接触情况。

附图简要说明

图1是示出齿侧面扭转鼓形的修正示意图；

图2示出了由于齿侧面扭转鼓形所形成的接触图案；

图3(a)是一运动曲线图，示出了齿侧面扭转的鼓形齿面在啮合时的运动误差；

图3(b)示出了一用于限定抛物线鼓形元件的坐标系统；

图4a、4b和4c分别示出了在齿啮合过程中的角度传送、角速度变化和角加速度；

图5是一经研磨的齿轮组的运动曲线图；

图6是一具有沿接触路径的四阶鼓形的齿轮组的运动曲线图；

图7是一具有接触线鼓形的齿轮组的运动曲线图；

图8a和8b示出了将一研磨齿轮组与一具有接触线鼓形的齿轮组作比较而获得的噪声测试结果；

图9示意性地示出了一自由式六轴齿轮加工机床；

图10示出了本发明的运动曲线图；

图11a、11b和11c分别示出了根据图10的运动曲线图所形成的一个齿面的非工作侧的修正示意图、接触图和运动曲线图；

图12a、12b和12c分别示出了根据图10的运动曲线图所形成的一个齿面的工作侧的修正示意图、接触图和运动曲线图；

图13a和13b示出了根据图10的曲线图所生成的一齿轮的非工作侧和工噪声测试结果；

图14a和14b针对一传统的运动曲线图和本发明的运动曲线图，对撞击点上的曲线倾斜角进行了比较。

对较佳实施例的详细描述

下面将结合附图来描述本发明。

图1—3是能表示齿轮副元件的相配齿面之间的接触特性的示意图。这些示意图本身是该领域众所周知的，并不是本发明的目的，而仅仅是用来对本发明进行解释和描述的。如图1—3所示的那些示意图是根据被输入计算机程序(已知为“齿接触分析(TCA)程序”)的数据(例如基本的齿轮设计参数齿接触数据、工具和工艺数据等)来描绘的。TCA程序是众所周知的，并且可以从例如纽约Rochester的格里森工场购得。

图1示出了在本技术领域已知为是“修正”的示意图，其中示出了相配的齿轮齿面2和4的“地形”之间的关系。表面2被称之为表示平面，而表面4是修正面。然而，在实践中，可以将表面2、4看成是分别表示相配合的一锥形环状齿轮和一锥形或准双曲面小齿轮的齿面地形。该修正示意图表示环状齿轮与小齿轮之间的相互配合情况，也就是沿整个齿侧面的一个个滚动位置的配合情况。在图1中，该修正示意图表示齿侧面扭转鼓形。作为参考，如果相配的齿面2、4完全共轭(没有鼓形)，表示平面4(小齿轮齿面)就是位于表示平面2(环状齿轮)上方的一个平面，在纵坐标方向上没有偏差。

图2是一齿接触示意图，示出了以上结合图1所述的环状齿轮与鼓形小齿轮之间的接触图案。接触图案6表示在一个齿面投影面8上。该接触图案6由一系列接触线10组成，并具有一由线12表示的接触路径，线12沿着齿根一齿顶的方向穿过接触图案6。在鼓形齿轮中，每一对齿的从啮合开始至结束的接触线均具有一不受载荷的接触点。这些点限定了接触路径。

图3(a)是表示主要由鼓形引入的(但诸如零部件的不精确性和偏斜也会起相对小一些的作用)运动误差的运动曲线图。运动曲线图示出了(1)Δφ和(2)t之间的关系，前者表示一个齿轮副中的一个元件相对于另一个元件的角度位置的差值，后者表示时间。当然，熟悉本领域的人员应该可以理解，由于排除齿轮比，可能会造成角度位置的变化。

实践中，所有的真实运动误差均具有如图3(b)所示的、由抛物线形鼓形元件所导致的抛物线形状，其中如图1所示的纵向、齿廓和齿侧面扭转鼓形分别表示在坐标系的X、Y、Z轴上，并遵从抛物线公式z＝Ax²＋By²＋Cxy。在图3(a)中，Δφ表示转动着的齿对中的各齿的角度位置之差，而t表示时间。运动中的当前齿对的运动误差由曲线A表示，前一个齿对的运动误差曲线的结束部分由曲线P表示，而后一个齿对的运动误差曲线的开始部分由曲线F表示。

现请参见运动曲线图中的各条曲线，例如图3(a)中的曲线A、P和F，任何时间点上的角度位置之差都可以由特定曲线与时间线之间的距离Δφ来确定。例如，在图3(a)中，在时间T₁，齿对P的运动误差的大小是由轴线t与在T₁正下方的曲线P之间的距离来表示的。类似地，在时间T₂，齿对A的运动误差的大小是由轴线t与在T₂正下方的曲线A之间的距离来表示的。由于运动误差是由轴线t上的一个点与该轴线下方的一条曲线之间的距离来表示的，因而可以将轴线t和一特定的曲线看成是可表示一对齿的各元件的相对角度运动，在任何一个时间点上的轴线与曲线之间的距离(Δφ)可表示运动误差的大小。

时间线t是这样定位的，即，它正切于运动曲线图上所描绘的曲线的一个或多个最大点。这些曲线最大点表示齿对共轭的各个点，在这些点上不存在运动误差。如果一特定的运动误差曲线由一与时间线t重合的线构成，那么共轭的就是一条线而不是一个点。在图3(a)中，当前齿轮齿对的运动误差曲线A的最大值在14处，这个点就是共轭点。关于齿对上的载荷问题，在运动曲线图中，位于时间线t上的任何一点正下方的曲线表示齿对在该时间点上所携带的载荷。例如，在时间T₁，载荷由齿对P携带，在时间T₂，载荷由齿对A携带，而在时间T₃，载荷由齿对F携带。

现请参见图3(a)，从曲线P开始，可以看到，前一个齿对向着啮合结束位置(点16)转动，在该位置上，当前齿对的运动曲线A与曲线P相交。点16表示当前齿对的两个齿面发生撞击的那一个点，在该点上，可以将任何的载荷从前一齿对P传递至当前齿对A。在点16，运动误差(点16与时间线t之间的距离)相当大，但是随着齿对向着最大点14的继续转动，运动误差逐渐变小，直到共轭点14。一旦经过点14，该齿对继续向着它们的啮合结束点18转动，在此过程中，运动误差又逐渐变大。在点18，下齿对F的相配齿面彼此撞击，可以将任何的载荷传递至齿对F。点16和18之间的距离表示一个齿距。

如上所述，运动误差所导致的噪声很大程度上是由于两个相配的齿在没有载荷或轻载的情况下相互撞击而造成的。图4(a)、4(b)和4(c)分别示出了针对相配的当前齿对和下一齿对而言的角度传送、速度和加速度。

图4(a)描绘了一个典型的抛物线曲线，其中示出了当前齿对A和下一齿对F的角度传送值Δφ。曲线A可以用等式Δφ＝a＋bt－ct²来表示。

图4(b)示出了相对角速度的变化Δω，这是上述等式的一阶导数。因此， $\mathrm{\Δ\ω}=\frac{\mathrm{d\Δ\φ}}{\mathrm{dt}}=b-2\mathrm{ct},$ 这表明随着齿对的滚动啮合，齿的相对角速度线性地降低。

图4c示出了齿对的相对角加速度的变化，这种变化可以由上述等式的导数来表示。 $\mathrm{\Δa}=\frac{\mathrm{d\Δ\ω}}{\mathrm{dt}}=-2c,$ 这是一条直线，因而相对的角加速度是恒定不变的。

然而，当接触过程从当前啮合的齿对变化至下一对啮合齿对时，如图3中的18所示，由于下一齿对的最初相对速度高于当前齿对的最终相对速度，因而使相对速度有一个瞬间地升高。如果有这种速度的突然升高，则相对的角加速度也会有一个有效的瞬间极大的升高22，这实际上是一个脉冲(即噪声)，反映了下一对齿在最初接触点18处的撞击。这种噪声会随着每一对齿的最初接触而反复出现。

通常知道，稳定的单调落(monotonic dropping)函数和稳定的单调升(monotonic dropping)函数的交叉没有任何重叠，只是一个交叉点。应用到运动曲线图的交叉点附近，该交叉点就是撞击点，如以上结合图4(a)-4(c)所讨论的那样，这个撞击点是噪声的主要来源。

图5表示一研磨过的锥齿轮对的运动误差曲线图，并示出了一抛物线形的运动曲线和借助研磨的改形。如前所述，研磨时的最高磨除率发生在撞击的瞬间。因此，由于绝大多数导致齿面噪声的材料在撞击点上，这些材料主要可通过研磨来除去。这种研磨作用表现为在运动误差曲线的顶部出现平坦部分，并且在入口区形成正弦的或三阶的调谐。由于运动曲线在入口区不是稳定地单调，因而可减小曲线P和A在入口处出现急剧或陡峭的交叉。换言之，在入口处，曲线A的坡度改变成更匹配于曲线P的坡度，这样就导致曲线A和P相互“调和”(参见下文中的图14(a)和14(b))。因此，可以削弱撞击，并降低由于撞击所造成的噪声。

运动曲线在入口处的形状建议了曲线A与曲线P或曲线A与曲线F的重叠潜能。重叠的曲线是多个齿啮合的标志，这种概念是已知的。然而，实现重叠的唯一方案是在无载荷情况下的共轭齿接触，这在实际条件下不可能实现。

图6的运动误差曲线示出了与前述的沿接触路径的四阶鼓形相关的情况。在入口与最大值之间的曲线部分被改形成为在撞击点处具有更好的调和曲线A和P的形式，从而能减小峰值加速度(图4c)。然而，在最大值和“出口”之间的运动曲线部分仍然是抛物线形的。该方案表明，只有在能有效地使运动曲线(包括抛物线区域)变平坦的载荷情况下(即，在这种载荷情况下，可以使Δφ的零点有效地向下移动，从而使曲线P、A和F变平)才比较有利，这样可以使曲线在入口点处更好地调和，从而降低撞击和噪声。当把载荷除去时，运动曲线返回到图6形式和入口点，在表现出改善的噪声状况的同时，仍是一个撞击噪声源。

图7示出了由前面讨论过的接触线鼓形所形成的运动曲线。该方案需要围绕齿的平均点有高精度，由于当齿轮组装配起来时齿轮组的各元件在实际工作位置上的定位以及齿侧面所需的精度的缘故，这种高精度实际上是不能实现的。

虽然运动曲线P、A和F的承载部分看起来一同在最高位置上形成了一连续的水平线(线t)从而表示没有运动误差，但噪声测试表明，与传统的抛物线形运动误差形状相比，噪声没有明显的下降。另外的研究表明，在两根水平直线的运动误差曲线之间(例如，入口点处的P和A)有小的间隙，这会导致某些加速度峰值以及齿对刚度(tooth-pair-stiffness)的阶梯变化。

两根水平运动曲线之间的过渡区可以具有一间隙、重叠，或者这两根运动曲线可以略微有一些不对准。在任何情况下，全世界的“驱动—从动”系统都不希望有的齿对刚度的阶梯变化会妨碍平顺的滚动，并导致噪声。由于接触线鼓形需要很高的精度，因而它不可能避免直线运动曲线之间的小突变，即由于齿侧面形式的变化或小齿轮与环状齿轮之间的不对准所造成的阶梯变化。

为了实现图6所示的接触鼓形的四阶路径和图7所示的接触线鼓形所需的齿侧面改形，在一自由式锥齿轮磨床(如以下图9所示)上对齿轮进行磨削，这种磨削是利用Stadtfeld的美国专利5,580,298中所揭示的原理来进行的，该专利的内容可援引在此以作参考。

对磨削后的齿轮进行噪声测试，并与一研磨过的齿轮组的噪声进行对比。噪声测量值是齿啮合的第一个六谐波频率(first six harmonic)。这种噪声值是通过对一单个的齿侧面测量和对车辆测试的齿轮组噪声读数进行快速傅立叶变换(FFT)而获得的。在图8中，示出了研磨后的主齿轮组和具有接触线鼓形(图7)的齿轮组的FFT结果。对于接触线鼓形而言，理论预期值与测试结果之间有显著的差别。即使在轻载(只是足以避免相配的齿侧面在60 RPM的转速下分离)情况下，齿轮组也会发出粗糙的嗡嗡声。图8中的FFT结果反映了这种具有第一谐波啮合频率的高水平噪声。

具有沿接触路径的四阶鼓形的齿轮噪声水平低于图8所示的具有接触线鼓形的齿轮，但是高于图8中的研磨齿轮组。

在上述讨论的情况下，没有第一谐波频率的齿轮组的要求包括：正切的调和运动曲线、不敏感于不对准现象和齿侧面成形误差、齿对刚度没有阶梯变化、消除由于修正而导致的一阶和更高阶的干扰、在无载和轻载情况下实现最高的可能有效接触率、以及防止或消散齿啮合频率(包括它们的更高的谐波倍数)。

根据本发明，发明人研制了一种齿面形状以及一种对齿侧面进行精加工的方法，借助该方法，可以产生一种在无载或轻载情况下由代表相配齿侧面的运动曲线所限定的表面，其中噪声降低甚至消散。为了实现本发明的目的，术语“轻载”是定义成：其大小可以达到齿轮(环状齿轮或小齿轮)材料的耐久载荷的百分之二十五(25％)。图10示出了利用本发明的技术而获得的一较佳的运动曲线图。

图10所示的运动曲线图是由四阶函数构成的，虽然四阶函数是比较理想的，但也可以构思采用更高的偶数阶函数。请注意看当前齿对A的运动曲线，其中，在齿啮合的“入口”发生第一次撞击(由齿对A来承受载荷)之后，在转动0.40齿距之后，发生第二次撞击。在第二次撞击之后，前一个齿对P在0.39齿距范围内接受载荷，在此末端发生第三次撞击，这时，当前齿对A在0.21齿距范围内重新接受载荷。在第四次撞击时，下一齿对F在0.40齿距范围内接受载荷，直到发生第五次撞击，到那时，当前齿对在0.39齿距范围内接受载荷，直到“出口”。可以看到，从“入口”到“出口”，当前齿对A从进入到结束啮合的距离是1.79齿距。

多次不同的撞击沿时间轴线t的间隔是不同的。靠近撞击点的曲线(左右两边)的切线之间的倾角远大于传统抛物线形运动误差曲线24在靠近撞击点处的切线之间的倾角。图14(a)示出了一种传统的运动曲线，从中可以看到，传统运动曲线的切线60之间的夹角62是大约90度，而在图14(b)这个图10某一部分的放大图中可以看到，在第三和第四撞击点处的切线64与曲线A(接近水平)的倾角66都是大约135度。

图11和12示出了一个展成的、端面铣削和磨削的小齿轮的非工作侧(图11a—11c)和工作侧(图12a—12c)的实际接触分析(修正图、齿接触图和运动曲线图)。将图11和12与图10作比较可以发现，抛物线形的传统动态曲线已经被转变成一种延伸距离超过1.0齿距，最好是大约1.5—2.0齿距的运动曲线。延长运动误差曲线的长度并且在所述的延伸长度上产生多个与前和/或后齿对运动误差曲线的撞击点，可以有效地消除现有的抛物线根部(即传统运动误差曲线的V形交叉点)，从而消除尖锐的撞击和伴随而来的噪声。将两个最大值与最小值结合起来的四阶或更高阶的函数可以对研磨过的齿轮组甚至更好的齿轮组提供调节作用。这样还可以与前和后运动曲线图相结合而产生五个(不是一个)限定的撞击点。三个不同的齿在实际观察到的齿的啮合过程中的很多次小的撞击可以降低甚至消散噪声。由于各次撞击之间所耗费的时间并不是连续间隔地重复，而是如图10所示的那样以变化的齿距间隔，因而可以进一步地降低噪声。由于在减噪啮合过程中的多次撞击的重要性，当前齿对的运动曲线应该与前齿对的运动曲线和后齿对的运动曲线之一或两者交叉至少两次。

应该理解，虽然可以将直线的时间线t和一相关的曲线(例如图10中的曲线A)看成是表示一对齿的各元件的相对角度运动，但并不能推断所有的运动误差都是因为一个齿轮副的一个元件(如该曲线所示)的齿侧面几何形状以及该齿轮副的另一个没有运动误差的元件(如直线t所示)所造成的。必须提醒的是，时间轴线t和特定的曲线可以被看成是表示一齿对的各元件的相对角度运动，在任何一个时间点上的时间轴线和特定曲线之间的距离表示运动误差的大小。因此，一对齿的两个元件均有一些运动误差，但是只有误差的总量才有意义，这个误差总量由运动曲线图来表示。

在本发明中，熟悉本领域的人员应该认识到，可以对一个相配齿轮组中的两个元件中任何一个的齿面进行机加工，以获得所需的运动曲线，而另一个元件的齿面则保持某些基准条件，例如理论的共轭齿面。然而，本发明还构思出，可以借助相关的工具对两个相配元件都进行机加工，因而当啮合时，相配的齿面可以一起提供所需的运动曲线图。在该情况下，运动曲线图会与图10所示的方式一样具有一根直的时间线和相关的运动曲线。即使两个元件包括一些运动误差，该运动曲线图还是可以表示一个元件相对于另一个元件的误差总量。

某些人认为不必重视运动曲线图的出口区域，但这并不正确。前一运动曲线的出口部分导入当前运动曲线的入口。例如研磨过的齿轮组的运动曲线(图5)已经清楚地示出了这一点。由于一个完整的齿啮合过程有五个入口和出口点，因而入口和出口区之间的关系已经变得更加重要。现请参见图14，其中示出了在一撞击点的入口和出口侧(左右两侧)的切线围成了一个高于135度的角度。理想的是，最好是形成180度的夹角，但是传统的抛物线形曲线的夹角低于90度。这个角度是由前一曲线的出口端和当前曲线的入口端形成的，对运动曲线两端的重要性是一样的。

图13的上部示出了工作侧(小齿轮凹面，大齿轮凸面)的测试结果。第一和第四啮合频率之间的峰值大小大致相同，都是5—6微辐射(micro-radiant)。可以将第五和更高谐波值的不规则性判断成总的噪声散发额定值的一个优点。

图13的下部示出了非工作侧的测试结果。运动误差的第一、第三、第四和第六谐波值几乎具有相同的大小。所有其它的峰值都是5微辐射或更小。

本发明的方法最好是在一自由式齿轮加工机床上进行，该机床可以是如图9所示的、授予Krenzer等人的美国专利4,981,402所揭示的类型。该机床包括一机床底座30、刀架32和工作头34。刀架滑台36是安装成可以通过滑道38相对于刀架32作直线移动(A_Y)，而刀架32是安装成可以通过滑道40相对于机床底座30作直线移动(A_X)。刀具42安装在刀架滑台36上，并且可围绕刀具轴线W_T转动。

工作头34是安装成可以通过滑道46相对于工作台44作弧线(枢转)运动(A_p)，而工作台44是安装成可以通过滑道48相对于机床底座30作直线移动(A_z)。被加工齿轮50安装在工作头34上，并且可围绕被加工齿轮轴线W_G转动。

在通过本发明的方法生成图11和12所示的齿侧面时，可以按照特定的齿面和所需的接触图案来获得一个运动曲线图，即，利用齿接触分析软件(例如从格里森工场购得的T2000 TCA软件)以及前述美国专利5,580,298所揭示的工艺来获得正确的运动曲线图。作为参考，相配的齿轮元件是一个纵向鼓形的、非展成的、端面铣削的环状齿轮。例如，该工艺包括如下步骤：

1.  从一个基本的TCA程序开始，以便进一步地优化；

2.  将纵向曲率引入非工作侧和工作侧；

3.  在工作侧：将对角接触方向修正成一个中等的“内对角接触”；

4.  在工作侧：引入齿廓鼓形；

5.  在工作侧：进一步地修正对角接触方向；

6.  在工作侧：使运动曲线正确地定位；

7.  在非工作侧：将对角接触方向修正成一个中等的“内对角接触”；

8.  在非工作侧：接触位置在齿廓方向；

9.  在非工作侧：在对角接触方向上连续地进行修正；

10.  在非工作侧：引入齿廓鼓形；

11.  在非工作侧：使运动曲线正确地定位；

12.  在工作侧：使运动曲线正确地定位；

13.  在工作侧：引入齿廓鼓形。

上述的优化步骤可用来提供如图11c和12c所示的运动曲线图。一旦确定了所需的运动曲线，就可以设定机床的设定参数(例如磨床的设定参数)，以引导一刀具围绕和/或沿着图9所示机床的轴线相对于工件表面运动，从而形成所需的齿面。

例如，在通过磨削形成图11和12所示的齿面时，采用下列机床设定参数：

1.  径向距离：78.2004

2.  倾斜角：20.98

3.  回转角：-23.90

4.  工件偏移：21.8603

5.  机床根角：-3.78

6.  机床中心至交叉点：-0.8379

7.  滑动底座：14.5363

8.  滚动比：3.307469

9.  改形滚动-2C：-0.02886

10.  改形滚动-6D：-0.00640

11.  改形滚动-24E：0.66683

12.  改形滚动-120F：-0.10434

13.  螺旋运动-一阶：7.9081

14.  螺旋运动-二阶：4.6356

15.  螺旋运动-三阶：3.8533

16.  螺旋运动-四阶：-90.5715

17.  垂直运动-一阶：0.0000

18.  垂直运动-二阶：0.0000

19.  垂直运动-三阶：0.0000

20.  垂直运动-四阶：0.0000

21.  径向运动-一阶：0.1490

22.  径向运动-二阶：0.8902

23.  径向运动-三阶：-4.0334

24.  径向运动-四阶：-45.8678

此外，在对砂轮进行修整时，在修整过程中采用以下参数：

1.  双面刀盘型/OB/IB：双面刀盘型

2.  砂轮直径：151.8970

3.  错刀量：1.8019

4.  外压力角：13.5004

5.  内压力角：27.9949

6.  外廓齿形的曲率半径：547.189

7.  内廓齿形的曲率半径：456.839

在按照图10所示的运动曲线图来对工件的齿面进行磨削时，不必采用传统的研磨工艺。例如，按照本发明的磨削，热处理的偏差不会对最终成形的齿侧面造成任何影响。各部件不必像研磨齿轮组那样成对地储存。不会有夹带在齿面上的或作为研磨剂污染物出现的研磨颗粒。对齿根部的转接圆角的磨削可以显著降低应力集中现象，与转接圆角的强度相关的磨削齿轮组的寿命至少可以延长2倍。

本发明提供了具有良好滚动性和可调节性的齿轮，它们特别是没有噪声，即使在有偏斜、装配不精确或齿轮箱误差的情况下也能实现无声地运转。

虽然本发明是针对锥齿轮和准双曲面齿轮来描述的，但是本发明同样可以应用于正齿轮和斜齿齿轮。

另外，本发明并不限于磨削，也可以通过其它的精加工工艺(例如刮削、剃齿、珩磨以及圆柱滚齿、锥形滚刀的锥齿轮加工、插齿成形、滚轧、端面铣削和端面滚齿加工)来进行，藉以在加工之后磨削或研磨除去一些材料。还有，本发明可以应用于锻造齿轮，因为所需的齿面几何形状可以结合于锻模。

虽然以上结合若干个较佳实施例对本发明进行了描述，但是应该理解，本发明并不限于这些特定的形式。本发明旨在涵盖对于熟悉本领域的人员很明显的、不偏离所附权利要求的精神和实质的那些改型。

Claims (19)

1.  一种利用精加工工具对齿轮的齿侧面进行机加工的方法，所述方法包括如下步骤：

使所述精加工工具转动，并使所述工具与所述齿侧面接触；

在所述工具和所述齿轮之间形成相对运动，以使所述工具沿一路径通过所述齿侧面；

其中，所述路径可以产生这样一种形式的齿侧面几何形状，即，当齿侧面在无载或轻载情况下与一相配的齿侧面相啮合而形成一个齿对时，可以形成一运动曲线，该曲线与一紧挨在前面的齿对和一紧挨在后面的齿对的运动曲线至少有两次交叉。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述齿对的所述运动曲线大体描绘了一个四阶或更高的偶数阶函数。

3.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述运动曲线大体描绘了一个四阶函数。

4.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述齿对的所述运动曲线的形状是，具有两个由两个交叉点分隔的最大值。

5.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述齿对的所述运动曲线描绘了所述齿对的各齿侧面从一最初的啮合入口到一最终的啮合出口，即齿转动量高于1.0齿距的接触情况。

6.  如权利要求5所述的方法，其特征在于，从所述最初的啮合入口至所述最终的啮合出口的齿轮转动量是大约1.5齿距至3.0齿距。

7.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具包括下列工具之一，它们是：砂轮、刮削刀具、剃齿刀具、珩磨刀具、端面铣削刀具、端面滚齿刀具、圆柱滚齿或锥形滚齿刀具。

8.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具包括一砂轮。

9.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述齿轮包括锥齿轮、准双曲面齿轮、圆柱齿轮或斜齿齿轮。

10.  如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述齿轮包括锥齿轮或准双曲面齿轮。

11.  如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述齿轮包括锥形小齿轮或准双曲面小齿轮。

12.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动曲线保持不受施加于所述齿对的载荷的影响。

13.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相配的齿侧面是一共轭齿侧面。

14.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相配的齿侧面是非共轭齿侧面。

15.  一种利用一工具对齿轮的齿侧面进行机加工的方法，所述方法包括如下步骤：

使所述精加工工具转动，并使所述工具与所述齿侧面接触；

在所述工具和所述齿轮之间形成相对运动，以使所述工具沿一路径通过所述齿侧面；

其中，所述路径可以产生这样一种形式的齿侧面几何形状，即，当齿侧面在无载或轻载情况下与一相配的齿侧面相啮合而形成一个齿对时，可以形成一运动曲线，该曲线描绘了所述齿对的各个齿从一最初的啮合入口至一最终的啮合出口，即齿转动量高于1.0齿距的接触情况。

16.  如权利要求15所述的方法，其特征在于，从所述最初的啮合入口至所述最终的啮合出口的齿轮转动量是大约1.5齿距至3.0齿距。

17.  一种利用一工具对齿轮的齿侧面进行机加工的方法，所述方法包括如下步骤：

使所述工具转动，并使所述工具与所述齿侧面接触；

在所述工具和所述齿轮之间形成相对运动，以使所述工具沿一路径横穿过所述齿侧面；

其中，所述路径可以产生这样一种形式的齿侧面几何形状，即，当齿侧面在无载或轻载情况下与一相配的齿侧面相啮合而形成一个齿对时，可以形成一运动曲线，该曲线描绘了所述齿对的各个齿的包括两个或多个啮合入口和两个或多个啮合出口，即齿转动量高于1.0齿距的接触情况。

18.  一种相配齿轮元件的齿侧面机加工方法，该方法是借助一第一工具来加工其中一个相配齿轮元件的齿侧面，并借助一第二工具来加工另一个相配齿轮元件的齿侧面，所述方法包括如下步骤：

使所述第一工具转动，并使所述第一工具与所述一个相配齿轮元件的齿侧面接触；

在所述第一工具和所述一个相配齿轮元件之间形成相对运动，以使所述第一工具沿一第一路径通过所述齿侧面；

使所述第二工具转动，并使所述第二工具与所述另一个相配齿轮元件的齿侧面接触；

在所述第二工具和所述另一个相配齿轮元件之间形成相对运动，以使所述第二工具沿一第二路径通过所述齿侧面；

其中，所述第一和第二路径可以产生这样一种形式的齿侧面几何形状，即，当所述的两个相配齿轮元件在无载或轻载情况下相互啮合而形成一个齿对时，可以形成一运动曲线，该曲线与一紧挨在前面的齿对和一紧挨在后面的齿对的运动曲线至少有两次交叉。

19.  一种齿轮，具有多个齿侧面，其中至少一个齿侧面具有这样一种形式的齿侧面几何形状，即，当其在无载或轻载情况下与一相配的齿侧面相啮合而形成一个齿对时，可以形成一运动曲线，该曲线与一紧挨在前面的齿对和一紧挨在后面的齿对的运动曲线至少有两次交叉。

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