CN1678848A - 具有多层涂覆的中心齿轮的行星齿轮组 - Google Patents
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Abstract
一种行星齿轮组，包括中心齿轮元件，该中心齿轮元件具有钢质的中心齿轮主体，在其外圆周上形成了若干轮齿。每个中心齿轮轮齿至少有一个配合面，所述的配合面与至少一个行星齿轮对应轮齿上的配合面相啮合。在中心齿轮的配合面上涂覆耐疲劳性涂层。此涂层比行星齿轮轮齿的配合面更坚硬更耐磨。
Description
技术领域
本发明总体上涉及齿轮和行星齿轮组，特别是涉及一种具有多层涂覆的中心齿轮的星齿轮组。
背景技术
众所周知，为了驱动旋转设备，应用齿轮通过其轮齿的啮合来从一个旋转轴向另一旋转轴传递转矩。在本技术领域中多个相互连接的齿轮被称为齿轮组。一个典型的行星齿轮组包括中心齿轮元件，若干由托架元件支撑的行星齿轮元件，以及环形齿轮元件。
在汽车行星齿轮组中，中心齿轮元件通常与驱动轴相连并由其驱动旋转。中心齿轮外圆周上包括形成于其上的若干轮齿。每个中心齿轮的轮齿都包括一些与若干行星齿轮各轮齿的相应配合面相啮合的配合面。在行星齿轮上的轮齿也与环形齿轮内表面上的轮齿相啮合。
在汽车行星齿轮组运行过程中，中心齿轮与行星齿轮相啮合，从而传递高转矩。因此，中心齿轮的轮齿要承受繁重的周期负荷。在中心齿轮的一个旋转周期中，在每个中心齿轮轮齿上负荷的作用次数与行星齿轮组中行星齿轮的数量成比例。这些重复负荷常常导致中心齿轮轮齿配合面的疲劳磨损。
在一采用行星齿轮组的典型汽车变速器中，中心齿轮并不是刚性地安装到驱动轴上，而是通过一组与驱动轴上的相应组的外花键相啮合的内花键与其相连。此花键使得中心齿轮产生径向“浮动”，即，产生小的随机运动，但仍然能够传递全部转矩。这些径向运动有助于在行星齿轮之间平均地再分配转矩，从而可以全面地提高齿轮组的转矩传递能力。由于采用了这一浮动连接，中心齿轮和行星齿轮在传递转矩负荷之外偶尔还要承受动态负荷。
用于制造汽车齿轮的一个典型过程包括铣齿和剃齿，随后是化学热处理，例如渗碳处理。这些制造过程可以使轮齿的配合面上覆盖有从其向上伸出的粗糙物或小凸起。典型情况是，中心齿轮和行星齿轮通过如此方法加工的表面的粗糙度达到了微米级，其Ra参数通常为0.20～0.50微米。在齿轮组运行过程中，粗糙物顶端具有很高的应力。
同时，整个齿轮的形状尺寸和轮齿配合面的形状尺寸与理想和规定的形状尺寸相比可以由于小加工误差而偏离最高达到20微米。由此导致出现了高接触应力区域。
为了在齿轮组运行过程中改善润滑条件，要用润滑油润滑轮齿的配合面。由于流体动力学效应，通常在运动部件，例如轮齿的配合面之间形成薄油膜。当表面粗糙物高度等于或大于油膜厚度时，油膜被刺破，此时将发生金属间的直接接触，这种情况在本领域内被称为边界润滑。边界润滑会导致局部微焊、提高表面剪应力以及表面疲劳磨损。这一现象常常可以在无涂层的齿轮的磨合或试运转期内观察到。当表面粗糙物高度小于流体动力学油膜高度时，不再有金属间的直接接触，摩擦系数下降，疲劳磨损过程总的来说也得到抑制或明显减少。这种润滑方式在本领域被成为弹性流体动力学(EHD)润滑。
此外，在行星齿轮组中，通过影响行星齿轮与中心齿轮和环形齿轮相互作用的行星托架支撑行星齿轮。由于在各相互联接部件，包括中心齿轮、行星齿轮、环形齿轮、托架以及驱动轴之间存在制造误差和不可补偿的弹性变形，不可避免地要造成配合面间的不对准，从而在配合面上产生较高的接触应力。在两个不对准轮齿配合面之间的局部应力可以达到齿轮的硬度级，一般在8Gpa范围内。这一应力会导致行星齿轮组过度的疲劳磨损、齿轮过早的故障、以及损坏驱动或从动装置。
因此，需要减少作用在行星齿轮组轮齿配合面上的应力水平。还需要具有能延长行星齿轮组和与之相连的从动装置寿命的中心齿轮的行星齿轮组。也希望降低粗糙物的高度。因为油膜厚度保持不变，降低粗糙物的高度可以将润滑状况由边界润滑变为全油膜的弹性流体动力学(EHD)润滑。另外，希望减少制造误差和降低与理想形状偏差地生产齿轮组。
发明内容
本发明包括用于行星齿轮组中的中心齿轮元件。中心齿轮元件包括由钢质材料制成的中心齿轮主体，其外圆周上形成若干轮齿。优选的方案是，中心齿轮主体由经过渗碳和热处理的低碳钢制成。每个中心齿轮的轮齿至少有一个配合面与在至少一个行星齿轮对应轮齿上的配合面相啮合。优选的方案是，中心齿轮与若干行星齿轮对应轮齿上的配合面相啮合。每个行星齿轮的轮齿与环形齿轮相啮合，所述环形齿轮的内圆周上形成了若干轮齿。环形齿轮、中心齿轮、托架与若干行星齿轮一起构成了行星齿轮组。在中心齿轮轮齿的配合面上施用耐疲劳性涂层。这一涂层比行星齿轮轮齿上对应的配合面更坚硬更耐磨。
中心齿轮上的耐疲劳性涂层最好由多层组成。最外层最好是陶瓷材料的，并且可由过渡金属的碳化物、硼化物和氮化物构成。其它用于最外层的组合可以是氮化铬(CrN)、氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、铬酸钛(TiC)、硝酸铝(AlN)、铬酸铝(AlC)以及其它陶瓷材料。最内层最好是金属材料的，并且可由钛(Ti)、铬(Cr)、锆(Zr)和硅(Si)构成。其它用于最内层的材料可以是钴(Co)、镍(Ni)、钒(V)和其它金属。任何这些层都可以通过例如非均衡磁控管溅射法沉积到配合面上。最内层的厚度最好为0.1～3微米，最外层的厚度最好为1～10微米。
另一个选择是，在最内和最外层之间插入至少一个中间层。在涂层多于两层的情况下，最外层被选择具有高耐磨损、耐疲劳和耐塑性变形的性质，通常是陶瓷材料。最内层被选择为在涂层的基底和最外层之间对塑性变形的灵敏性和耐受性具有大致平滑、逐渐且连续的变化，通常是金属材料。中间层或中间各层被选择为在涂层的最内层和最外层之间对塑性变形的耐受性和灵敏性具有大致平滑、逐渐且连接的变化，可以由金属材料、陶瓷材料以及其混合物构成。中间层的厚度最好为1～5微米。
坚硬的陶瓷最外层防止中心齿轮的配合面产生表面疲劳磨损，并有助于通过借助于磨损而修平行星齿轮配合面和在中心齿轮上形成非常光滑的平面来改善润滑条件。同时，陶瓷涂层防止了在中心齿轮表面上形成疲劳裂纹，并消除了起源于行星齿轮的裂纹。
在中心齿轮上的陶瓷涂层之下施用金属最内层以吸收由于动态负荷产生的能量。在无涂层的中心齿轮和行星齿轮对应的配合面之间产生的应力很高，有时将导致中心齿轮轮齿配合面的塑性变形。然而在正常的运行条件下，陶瓷涂层并不发生塑性变形，但如果其下没有坚硬的涂层则可能产生破裂或断裂。位于陶瓷最外层之下的坚硬的金属最内层可以防止陶瓷涂层出现这种破裂。
在运行中，当具有涂层的中心齿轮与若干无涂层的行星齿轮啮合或开始啮合时，氮化铬(CrN)颗粒坚硬的尖端抛光了行星齿轮轮齿的配合面。行星齿轮原始的相对粗糙的配合面(带有其磨削印迹的特征图案)，从而产生一种新的极细粗糙度的图案。氮化铬(CrN)涂覆的表面同样也有磨损(虽然是很小的程度)，从而产生非常光滑的支承面。行星齿轮磨损不均匀。因为处于高应力的行星齿轮区域，例如粗糙物的顶端，比处于低应力区域的磨损更剧烈，因此磨损总是局限在粗糙物的顶端。这种磨损降低了粗糙物的高度，从而使润滑状况由边界润滑变为全油膜的弹性流体动力学(EHD)润滑。同时，这种磨损修正了与理想形状的偏差，由此导致了应力沿着轮齿整个配合面均匀地再分配。
由于存在耐磨涂层，对行星齿轮的选择性局部磨耗导致了更均匀的应力分配。上述局部表面磨损的结果是，配合面上的应力降到2Gpa或更小的设计等级。
由于抛光和局部磨损，在带涂层的齿轮试运行期间产生了由边界润滑向全油膜弹性流体动力学(EHD)润滑的转变。因此，表面粗糙度的上述改进(来源于涂层产生的磨损)消除了在无涂层齿轮之间的金属直接接触，并使润滑状况由边界润滑变为全油膜的弹性流体动力学(EHD)润滑，提高了中心齿轮和整个行星齿轮组的寿命。
附图说明
本领域的技术人员从以下对最优实施方案的详细描述中并根据附图可以很容易地理解本发明的上述以及其它优点。其中：
图1表示根据本发明的行星齿轮组的透视图；
图2表示根据本发明的具有涂层的轮齿的横截面图；以及
图3表示根据本发明的具有涂层的轮齿的另一备选实施例的横截面图。
具体实施方式
现在参照图1，行星齿轮组大体上由10来表示。齿轮组10包括中心齿轮元件12、若干行星齿轮元件14以及环形齿轮元件16。中心齿轮元件12、行星齿轮元件14和环形齿轮元件16最好由钢质材料制成。中心齿轮元件12有中心开孔18与驱动轴(未示出)相连，例如汽车自动变速器的驱动轴(未示出)相连。每个行星齿轮14通过从其旋转轴线延伸的轴承(未示出)与相关的轴19相连，而且在行星齿轮外圆周上形成了若干轮齿20。行星齿轮14每个轮齿20包括配合面22，所述配合面22与环形齿轮16内表面上若干轮齿24的对应配合面(未示出)相啮合。
中心齿轮元件12包括中心齿轮主体26，其外圆周上形成了若干轮齿28。中心齿轮主体26最好由经过渗碳和热处理的低碳钢制成。每个中心齿轮的轮齿28至少有一个配合面30与行星齿轮14对应轮齿20上的配合面22相啮合。每个配合面30和22都包括从其向上伸出的粗糙物(未示出)。
现在参照图2的中心齿轮轮齿28的横截面示意图。中心齿轮轮齿28包括施用于其配合面30上的耐疲劳性涂层32。涂层32比行星齿轮轮齿20对应的配合面22更坚硬更耐磨。涂层32包括施用于配合面30上的第一层或内层34以及位于第一层34上的第二层或外层36。涂层32的第一层34最好是金属材料的，并由钛(Ti)、铬(Cr)、锆(Zr)或硅(Si)组成。另一选择是，涂层32的第一层34也可以由钴(Co)、镍(Ni)或钒(V)组成。其厚度最好为0.1～3微米。
涂层32的第二层36最好是陶瓷材料的，并可以由过渡金属的碳化物、硼化物和氮化物组成。另一选择是，涂层32的第二层36也可以由氮化铬(CrN)、氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、铬酸钛(TiC)、硝酸铝(AlN)、铬酸铝(AlC)或其它陶瓷材料组成。其厚度最好为1～10微米。
现在参照图3的另一实施方案的中心齿轮轮齿28’的横截面示意图。中心齿轮轮齿28’包括施用于其配合面30’上的耐疲劳性除层32’。涂层32’比行星齿轮轮齿20对应的配合面22更坚硬更耐磨。涂层32’包括与配合面30’相邻的第一层或最内层34’、位于第一层34’上的中间层38、以及位于中间层38上的第二层或最外层36’。涂层32’的第一层34’最好是金属材料的，并由钛(Ti)、铬(Cr)、锆(Zr)或硅(Si)组成。另一选择是，涂层32’的第一层34’也可以由钴(Co)、镍(Ni)或钒(V)组成。其厚度最好为0.1～3微米。
涂层32’的第二层36’最好是陶瓷材料的，并可以由过渡金属的碳化物、硼化物和氮化物组成。另一选择是，涂层32’的第二层36’也可以由氮化铬(CrN)、氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、铬酸钛(TiC)、硝酸铝(AlN)、铬酸铝(AlC)或其它陶瓷材料组成。其厚度最好为1～10微米。
涂层32’的中间层38最好是由金属、陶瓷以及其混合物组成。涂层32’的中间层38的厚度最好为1～5微米。
在运行中，当具有涂层的中心齿轮28或28’与无涂层的行星齿轮14啮合或开始啮合时，外层36或36’的颗粒的坚硬尖端抛光了行星齿轮14的轮齿20的配合面22。从而在铣刨加工制造过程产生的行星齿轮14的轮齿20上的原始的相对粗糙的配合面22可以得到抛光，并产生一种新的极细粗糙度的图案。外层36或36’表面同样也有磨损(虽然是很小的程度)，从而产生非常光滑的支承面。此磨损总是局限在粗糙物的顶端。由于耐磨涂层32或32’的存在，对行星齿轮14的选择性局部磨耗使应力分配更均匀。上述局部表面磨损的结果是，配合面22和23上的应力降到了设计等级。
根据专利法的规定，已由代表本发明最优实施方案的内容对本发明进行了详细的描述。然而，应该指出的是，本发明还可以详细示意和描述的方式之外的方式来实施而不脱离其精神或范围。
Claims (14)
1.一种用于行星齿轮组内的中心齿轮元件，其包括：
由钢质材料制成的中心齿轮主体，在所述的中心齿轮主体外圆周上形成了若干轮齿，每个所述的中心齿轮的轮齿至少有一个配合面，与在至少一个行星齿轮对应轮齿上的配合面相啮合，以及
涂覆于所述中心齿轮轮齿的所述配合面上的耐疲劳性涂层，所述的涂层比行星齿轮轮齿的配合面更坚硬更耐磨。
2.如权利要求1所述的中心齿轮元件，其特征在于所述的涂层由涂覆于每个所述中心齿轮轮齿的所述配合面上的第一层和位于所述第一层上的第二层构成。
3.如权利要求2所述的中心齿轮元件，其特征在于所述的第一层是金属材料的，且所述的第二层是陶瓷材料的。
4.如权利要求3所述的中心齿轮元件，其特征在于所述的金属材料选自钛(Ti)、铬(Cr)、锆(Zr)、硅(Si)、钴(Co)、镍(Ni)和钒(V)。
5.如权利要求3所述的中心齿轮元件，其特征在于所述的金属材料的厚度为0.1～3微米。
6.如权利要求3所述的中心齿轮元件，其特征在于所述的陶瓷材料选自过渡金属的碳化物、硼化物和氮化物、氮化铬(CrN)、氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、铬酸钛(TiC)、硝酸铝(AlN)、铬酸铝(AlC)或其它陶瓷材料。
7.如权利要求3所述的中心齿轮元件，其特征在于所述的陶瓷材料的厚度为1～10微米。
8.如权利要求2所述的中心齿轮元件，进一步包括位于所述第一层和所述第二层之间的中间层。
9.如权利要求8所述的中心齿轮元件，其特征在于所述的第一层是金属材料的，所述的第二层是陶瓷材料的，以及所述的中间层是金属材料、陶瓷材料和金属/陶瓷混合材料之一的。
10.如权利要求8所述的中心齿轮元件，其特征在于所述的中间层的厚度最好为1～5微米。
11.一种行星齿轮组，其包括：
具有钢制中心齿轮主体的中心齿轮，所述中心齿轮主体外圆周上形成了若干轮齿，每个所述的中心齿轮轮齿至少有一个配合面；
在内圆周面上具有若干轮齿的环形齿轮；
若干行星齿轮，每个所述的行星齿轮的外圆周上形成了若干轮齿，所述行星齿轮上的所述轮齿与所述中心齿轮轮齿和所述环形齿轮轮齿相啮合；以及
涂覆于所述中心齿轮轮齿的所述配合面上的涂层，所述的涂层包括涂覆于每个所述中心齿轮轮齿的所述配合面上的第一层和位于所述第一层上的第二层。
12.如权利要求11所述的行星齿轮组，其特征在于所述的第一层是金属材料的，且所述的第二层是陶瓷材料的。
13.一种行星齿轮组，其包括：
具有钢制中心齿轮主体的中心齿轮，所述中心齿轮主体外圆周上形成了若干轮齿，每个所述的中心齿轮轮齿至少有一个配合面；
在内圆周面上具有若干轮齿的环形齿轮；
若干行星齿轮，每个所述的行星齿轮的外圆周上形成了若干轮齿，所述行星齿轮上的所述轮齿与所述中心齿轮轮齿和所述环形齿轮轮齿相啮合；以及
涂覆于所述中心齿轮轮齿的所述配合面上的涂层，所述的涂层包括涂覆于所述中心齿轮轮齿的所述配合面上的第一层、位于所述第一层上的中间层、以及位于所述的中间层上的第二层。
14.如权利13所述的行星齿轮组，其特征在于所述的第一层是金属材料的，所述的第二层是陶瓷材料的，以及所述的中间层是金属材料、陶瓷材料和金属/陶瓷混合材料之一的。
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