CN1930408B - 包括齿轮传动装置的汽车发动机辅助传动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车的发动机辅助传动装置，包括一个齿轮传动装置，它有具有互相啮合的齿面(11、12)的第一齿轮(1)和第二齿轮(2)，其中，齿轮(1、2)的齿面(11、12)在传力区(13)内设计为无渐开线，以及从凹的区域直接或至少近似直接过渡到凸的区域；以及其中，第一齿轮(1)由塑料构成。

Description

包括齿轮传动装置的汽车发动机辅助传动装置
技术领域
本发明涉及一种包括齿轮传动装置的汽车发动机辅助传动装置。
背景技术
发动机辅助传动装置指的是在汽车内部的那种传动装置，它不直接导致驱动车轮并因而不直接导致运动，而是通过它由发动机驱动汽车内部一些辅助装置。属于这种发动机辅助传动装置的尤其是凸轮轴、油泵或内燃机平衡轴的传动装置。通过这些平衡轴可以显著减小尤其是在四缸内燃机中令人不舒适的振动。
借助已知的平衡轴产生惯性力和惯性矩，它们对抗由内燃机产生的惯性力和惯性矩并因而将它们抵消。为此，从曲轴出发用规定的传动比(1∶1或1∶2，取决于要抵消的力是何数量级)和规定的相位驱动平衡轴。
为了驱动传动轴，通常使用有两个啮合齿轮齿配对的齿轮传动装置，其中，第一齿轮装在曲轴上并与装在平衡轴上的第二齿轮啮合。
显然，在这种发动机辅助传动装置中以及尤其是在平衡轴的传动装置中，通常导致有关的齿轮副受到巨大的负荷和应力。这些应力脉冲式作用在齿面上，脉冲以高的峰值在齿面上引起一种与此系统的旋转固有频率和激励频率(活塞式发动机的曲轴转速脉冲)相应的脉冲式面压力。这些面压力可能导致破坏齿面或齿根断裂。因此这些齿轮针对所述的应用通常用金属制造，因为采用金属齿轮可达到足够高的强度，因而金属齿轮可以增加高的负荷。
通常在这种金属齿轮中制渐开线齿，因为这种齿能方便地制造。在渐开线齿的情况下，齿侧的有效型面，亦即在齿啮合时互相接触并通过它们进行传力的齿廓型面，是圆的渐开线，也就是说它描绘了一条曲线，这条曲线是当人们在一个圆的所有点中构造一条切线以及在这些切线上切除从切线与圆的接触点到圆的一个规定的固定点的弧长时所得到的。对于外齿齿轮，渐开线齿的有效型面从齿内部向外看总是凸的。在设计为渐开线的齿轮中，典型的事实是，这种齿轮在彼此滚转时在剖面图中看互相仅仅点状接触。在三维空间中看，齿轮彼此线状滚转，其中，若选择直齿则接触线平行于齿轮轴线。在斜齿的情况下，接触线略有倾斜地处于齿面上。
有渐开线齿的齿轮可采用包络线切割法(Huellschnittverfahren)方便而精确地制造，其中，作为刀具采用一种直线的并因而简单和廉价的基准型面。这种齿形的另一个优点可认为是，用相同的刀具仅通过型面移动便可以制造不同的齿形和轴间距。具有渐开线齿的齿轮在工作时的特点在于，在齿啮合期间，齿法向力的方向和大小是恒定的，由此导致整个传动装置，尤其传动装置轴承，均匀受负荷。
当然，啮合的渐开线齿金属齿轮在啮合期间的特征在于产生比较大的噪声。此外，若啮合在严重的交变负荷条件下进行时，将产生更强烈的噪声。
除此之外，已知和常见的是，在此类系统中采用斜齿和特别准确地确定和公差狭小的齿侧隙的金属齿轮副.因此决定性地减小啮合噪声，而且几乎没有动态负荷.但是斜齿齿轮的生产成本比较高以及需要间隙特别小和适合于承受轴向力的轴承.轴向力本身仍是脉冲式的并且会引起听得到的振动.
为此，按一种例如在JP2002-364731A中介绍的改进的结构型式，至少两个齿轮之一旋转弹性地以及必要时还旋转减振地与其轴连接。这种旋转弹性的连接既笨重又复杂，因为它仍然必须满足沿径向和轴向有足够高刚度的要求。也就是说必须保证准确遵守齿的侧隙和通过斜齿承受轴向力。虽然这导致一定程度的旋转脱耦，但是由于静扭矩很小所以效果甚微。对金属齿面之间脉冲强度的改变不大。
由DE19909191已知另一个发展阶段。在其中两个齿轮之一用纤维增强的塑料制造。在这里人们从金属齿轮的强度出发，所以认为需要这样地安置纤维，使它们在齿成形时不会断裂。这导致在JP62-101967A中所介绍的方案，但这种方案要求在压注模内工作量很大地置入增强纤维。虽然采用这种材料可以达到消声并且还可以有限程度地减振，至少是移到另一个频率区内。但借此并未克服主要的缺点，即高的脉冲式面压力。
总之，人们曾试图用纤维增强的塑料齿轮基本上达到金属齿轮的强度。在这里存在的问题是，除了这种纤维增强的塑料齿轮复杂的生产过程外是与之相关联的高价格，这使得这种齿轮副不能经济地利用。
此外，由DE4107659A1已知一种蜗轮蜗杆传动装置，其中蜗杆和蜗轮将其力锁合的接触面优化为能低噪声地运行。为此，分别将齿根设计为凹的以及将齿顶设计为凸的，其中，在此凹的与凸的区段之间分别采用渐开线的齿中部(参见那里的第3栏第7行)。然而使用渐开线的齿中部导致至少在此渐开线区域内啮合的齿只能是点状接触。因此，这种已知的蜗轮蜗杆传动装置沿其整个啮合区也没有足够的承受高负荷的能力。
发明内容
以此为背景，本发明的目的是，为前言所述类型的发动机辅助传动装置创造一种齿轮传动装置，它有更高的承载能力并尤其是承受更高的动态负荷的能力，它能方便和廉价地生产，以及尽管如此其特点还在于有长的使用寿命。
为此，本发明提供一种汽车的发动机辅助传动装置，包括一个齿轮传动装置，它有一第一齿轮和一第二齿轮，第一和第二齿轮具有互相啮合的齿面，其特征为：齿轮的齿面在传力区内设计为无渐开线并且从一凹的区域直接过渡到一凸的区域，各齿面的有效型面沿着总高度相互协调匹配而导致面状的接触区；以及，第一齿轮由塑料构成。
本发明主要基于，将齿轮的齿面在传力区设计为无渐开线或至少是基本上无渐开线，以及从一凹的区域直接过渡到一凸的区域。在这里，第一齿轮优选地由均质的塑料构成，而第二齿轮优选地由一种强度高于第一齿轮的材料构成。
本解决方案有意放弃高负荷齿轮副迄今所实行的和以金属齿轮为出发点的发展方针。确切地说，以最适宜的塑料的特性本身为出发点，亦即考虑采用一种没有纤维增强或不含其他增强元素能方便地生产的塑料。这些特性一方面是与金属相比静强度低，而另一方面有良好地适宜于承受脉冲式面压力的韧性和固有衰耗。
例如已知一些塑料齿轮，而将一种无纤维增强的塑料使用于这些高动态负荷的齿轮意味着彻底背弃迄今的发展方向并与一种技术偏见决裂，此技术偏见认为均质的塑料并不适用于所有类型承受动态负荷的齿轮.其中忽视了阻尼地承受单纯压力脉冲的适合性，以及忘记了要传递的扭矩并不大.小的弹性足以在作用一种赫兹式压力时造成更大的接触面.通过增大接触面，力被分布在一个更大的面积上，亦即降低了面压力.
此外，在具有凸的和凹的区段的传力区内，齿面无渐开线或至少是基本上无渐开线的设计促使进一步减小面压力，因为在一个更大的范围内减小了凹的与凸的表面之间的距离，所以在小的赫兹式压力时已经做到进一步显著增大接触面。
采用按本发明的齿面设计，齿侧曲线沿齿高度的曲率选择为，在传力区内为向内的曲拱配设一个在另一个齿上相应的向外的曲拱以及反之。如本发明所建议的面接触，与如在设计为渐开线齿面的现有技术中常见的线接触相比，决定性的优点是，从一个齿轮向另一个齿轮要传递的负荷分布在一个更大的面积上，因此降低了单位面积齿的负荷。由此，一方面减少了齿轮的磨损，另一方面也降低了过载的危险。总之提高了齿轮的承载能力。采取按本发明的措施，亦即允许和规定用于齿啮合的区域根本没有渐开线或只有最少必要的渐开线，可以使得按本发明的传动装置沿整个滚转范围有高的承载和负荷能力。此外通过材料的选择对此加以支持。
按一种实施例，直径较大和齿数较多的齿轮，例如接合在内燃机曲轴上的那个齿轮，用一种强度比第二个较小的齿轮的材料高的材料制成。例如首先提到的那个齿轮用钢制造，而较小的齿轮用按本发明的均质塑料制造。均质塑料的齿轮在制造技术方面有优点。也就是说，塑料齿轮可以借助低成本的压注法生产，无需接下来进行切削加工。优选地，塑料制成的齿轮压注到一在其外圆周有凸起和/或凹槽的轮毂上或轴件上。
此外，通过按本发明减小每个齿的单位面积负荷，可以优化齿轮的齿厚。若将材料配对的材料特性考虑在内，则可以实现特别好的优化。因此按另一种实施例，塑料齿轮的齿厚大于金属齿轮的齿厚。齿厚的减小又带来成本方面的优点，因为由此可以节省原料。
应当指出，本发明不仅可应用于直齿圆柱齿轮而且也可以应用于斜齿圆柱齿轮的齿轮传动装置，以及可应用于有直齿或斜齿蜗轮的蜗轮蜗杆传动装置。
附图说明
下面结合附图借助实施例详细说明本发明。其中：
图1作为示例的质量平衡传动装置简图，它借助接合在曲轴上的按本发明的齿配对驱动；
图2a图1所示齿轮副的制齿设计；以及
图2b图2a的局部放大。
具体实施方式
图1仅通过其曲轴52及其主轴承53象征性地表示往复式活塞发动机50。主轴承53代表整个发动机组，它既可以按隧道结构方式设计也可以设计为有独立的轴承支架。在曲轴52下方固定在发动机组上的质量平衡装置总体上用54表示。它由平衡装置外壳55和两根在其中反向旋转的带有配重58的平衡轴56、57组成。虚线表示通过主轴承53的法向平面59。质量平衡装置54的轴承处于此平面内。平衡轴56、57由一个与曲轴52旋转固定连接的齿轮2通过传动齿轮1驱动，同步齿轮61、62用来使平衡轴56、57方向相反、转速相同。
图2a和2b用通过齿轮的纵剖面表示图1所示齿轮2与传动齿轮1齿配对的制齿几何。图2a从上方向下地表示安装在曲轴上的金属齿轮2的齿5，以及从下方向上地表示安装在平衡轴56上用塑料制成的齿轮1的齿4。齿4、5互相啮合。齿4、5分别有高度h4或h5。高度h4从齿4的根部6一直延伸到齿的顶部7。高度h5从齿5的根部8一直延伸到齿的顶部9。齿4、5的宽度沿高度h4或h5改变并取决于齿4、5侧面11、12的形状。再用3分别表示齿4、5当它们互相啮合时在其中接触的区域。一个齿4、5可与另一个齿5、4的齿面接触的整个齿面部分称为传力部分并用符号13表示。
图2b是图2a中金属齿轮的齿5齿顶附近的部位与塑料齿轮的齿4齿根附近的部位在其中接触的区域的放大详图。接触区3沿齿4、5的高度hA延伸。在接触区3内，齿4的齿面11是凹的。齿5与齿面11啮合的区域设计为凸的。这两个区域有至少分段近似的或相同的曲率，所以它们在一个在剖面图中看呈线状的而实际上却是面状的区域内接触。齿5和齿4齿面11、12的有效型面沿它们的总高度h4、h5互相协调，所以沿此总高度h4、h5导致刚才已说明的面状的而在按图2a和图2b的剖面图中看为线状的接触3。在图示的实施例中，金属齿轮1和塑料齿轮2的齿4、5侧面11、12，分别在其齿根附近直至达到节圆(滚动圆)的区域内有凹的型面，以及在它们从节圆出发直至达到齿顶附近的区域内有凸的型面。这些型面的曲率互相协调，使具有至少分段近似或相同曲率的各区域在啮合时互相进入接触。
线状或者说是面状的接触3具有的优点是，要从一个齿轮传递到另一个齿轮的负荷分布在一个面积内，由此降低单位面积负荷。因此不仅可以显著减少齿轮1、2的磨损，而且大大降低过载的危险。与渐开线齿或分段渐开线齿中在齿之间仅产生点状接触的齿轮相比，明显地提高了齿轮1、2的承载能力。
如图2a所示，在滚转过程中始终有两个但优选三个齿配对处于互相接触状态，所以在滚转时负荷不只作用在单个齿上，而是可以均匀地分布在三个或者当相应地设计尺寸时在两个或更多个齿上。由此提高了塑料齿轮的总的承载能力。
尽管在上面讨论的实施例中已谈到，第一齿轮用塑料和第二齿轮用金属制成，但本发明不受此限制。确切地说，以下所述同样处于本发明的范围内，即，第二齿轮同样用塑料制造，但优选地用于第二齿轮的塑料应当有比第一齿轮的塑料更高的强度。这种更高的强度可例如通过选择另一种塑料达到，或通过搀合增强的添加物，例如碳纤维或金属粒子。
还应指出，从齿廓的凹的齿面部分到凸的齿面部分之间的过渡区并不一定非要选择在图示的举例中所公开的没有渐开线的结构，虽然这种没有渐开线的齿廓是理想的。此过渡区至少近似无渐开线同样处于本发明的范围之内。在这里，渐开线部分应选择得尽可能小，例如小于在最上面的齿顶点与最下面的齿根点之间全部齿面部分的10％，优选地小于5％和特别优选地小于1％。
最后，还应注意，按本发明的一种优选的设计，互相啮合的齿轮的齿面形状应有下列形状。从齿顶出发遵循一个齿顶圆，它将齿顶连接在承载的齿面上。接着是一个外摆线设计的齿面部分，它一直达到齿轮的节圆并由一个内摆线设计的齿面部分相继。后者一直达到齿根圆，齿根连接在此齿根圆上。也就是说，在此设计中，从齿轮的齿内部看的凸的齿面部分由外摆线齿面构成，以及凹的部分由内摆线齿面构成。

Claims (15)

1.汽车的发动机辅助传动装置，包括一个齿轮传动装置，它有一第一齿轮(1)和一第二齿轮(2)，第一和第二齿轮具有互相啮合的齿面(11、12)，其特征为：齿轮(1、2)的齿面(11、12)在传力区(13)内设计为无渐开线并且从一凹的区域直接过渡到一凸的区域，各齿面(11、12)的有效型面沿着总高度(h4、h5)相互协调匹配而导致面状的接触区；以及，第一齿轮(1)由塑料构成。
2.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，第二齿轮(2)由一种强度高于第一齿轮(1)的材料构成。
3.按照权利要求1或2所述的发动机辅助传动装置，其特征为，齿轮(1、2)的对置的齿面(11、12)至少分段地有一种近似相同的齿面(11、12)曲率。
4.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，凹的区域设在相应齿(4、5)的与齿根(6、8)相邻的区域内，以及凸的区域设在相应齿(4、5)的与齿顶(7、9)相邻的区域内。
5.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，第二齿轮(2)用金属制成。
6.按照权利要求5所述的发动机辅助传动装置，其特征为，第二齿轮(2)的齿的齿厚小于第一齿轮(1)的齿的齿厚。
7.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，第一齿轮(1)在齿轮分度圆上的齿宽或齿厚大于齿槽宽度。
8.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，第二齿轮(2)在齿轮分度圆上的齿宽或齿厚小于齿槽宽度。
9.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，在齿轮(1、2)滚转时，齿轮(1、2)始终有两个或更多个齿(4、5)互相啮合。
10.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，第一齿轮(1)是压注件，它在注塑后不经历其他任何处理。
11.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，第一齿轮(1)压注到一在其外圆周有凸起和/或凹槽的轮毂上或轴件上。
12.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，该发动机辅助传动装置规定用于驱动一根或多根平衡轴(56、57)。
13.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，第一齿轮(1)和第二齿轮(2)设计为斜齿圆柱齿轮。
14.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，第一齿轮(1)和第二齿轮(2)设计为直齿圆柱齿轮。
15.按照权利要求1所述的发动机辅助传动装置，其特征为，用于第一齿轮(1)的塑料是一种均质塑料。
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