CN2709710Y - 无噪音可换齿传动齿轮 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无噪音可换齿传动齿轮，旨在提供一种不仅在机械运转中无有噪音即声响大为减少，而且其牙齿在磨损后可随时更换的传动齿轮。通过以下技术方案予以实现：将齿轮的牙齿制做成单个零配件，其啮合位以凸凹并呈半球形或半边圆扁形相互嵌合，根据工艺要求在齿轮的宽度上可设置单排、双排或多排，当排数在两排或两排以上时，排与排之间的凸凹位的排列应相互错开即在齿轮的宽度上非同一直线，零配件其齿凸与齿凹在安装时既可以用螺母紧固，也可制做成锥形杆身与相应的锥形孔座利用压紧原理固定。其凸凹位既可以是隔离式排列，也可以将主从两齿轮其中一个全为凸位，另一个全为凹位；既可以是内啮合，也可以是外啮合，同样适用于锥形齿轮与齿条等。

Description

无噪音可换齿传动齿轮

                                  技术领域

本实用新型涉及机械设备运转中的传动齿轮，更具体地讲就是传动齿轮中的牙齿形状与其齿体的结构。

                                  技术背景

众所周知，齿轮传动是近代机器中常见的传动方式之一。长期以来齿轮的牙齿与齿体为一整体，其牙齿的形状为上窄下宽(轴心为下)的长条形，因此存在以下不足之处：

1、由于圆柱正齿轮主从齿轮相互啮合的重合度(叠加处)小，运转中彼此贴合与分离为一瞬间，因而在运转中不仅噪音较大，而且平衡性相对较差即易产生震动。

2、圆柱斜齿轮不易加工，不仅如此，由于倾斜角的存在运转中或多或少不可避免地存在轴向推力，因而导致浪费能源及为对应轴向推力而得安装相应的止推轴承。

3、为解决动转中的轴向推力，必要时将其做成人字齿轮即两个斜齿轮二合为一，虽解决了轴向推力这一弊病但相应引出另一弊病，即加工更难而导致成本更高。

4、由于齿轮的牙齿与齿体为一整体，因此磨损后不能更换，如果在运转中因瞬间超载导致牙齿破损或磨损超限，重则整个齿轮报废，轻则停工修补而误工误时。

5、不管其齿轮大小与负荷轻重都得制做成一个个牙齿，由此少不了插床、铣床等机械设备，而一般设备不齐备的小修理部不能胜任，由此用户往往为了一个小小的齿轮而时间拖长，成本增加。

6、由于齿轮的牙齿与齿体为一整体，一旦定形则无法改变其直径，因而两齿轮的啮合叠加尺寸无法根据需要略作灵活调整。

7、正由于齿轮的牙齿为整体式，使用优质材料成本增加，使用劣质材料达不到要求，而一个齿轮其中牙齿与其整体二者体积相差悬殊，由此无法为了既保优质又降低成本、而同时使用两种材料。

8、相对而言，由于受工艺的制约对齿轮牙齿的形状和尺寸有着较高的要求，牙齿太小不仅易折断而加工难度大，过大则在运转中不是卡着不能转动便是不能正常啮合。

9、在齿轮外缘的宽度上，由于是某一个牙齿左右贯通，因而在安装中只能是一次性彼此相互咬合，不能分两次或三次更新使用而使用寿命相对不长。

众所周知，在机械传动中两轴靠近使两轮或两辊相互接触即紧贴时，可以依靠它们之间的摩擦力进行传动。接触压力越大即贴靠得越紧和接触面越粗糙所形成的摩擦系数越大，所产生的摩擦力也就越大，由此其能够传递的功率也相应越大。实际上这种传动或多或少难免有打滑现象，为使在运转中按工艺要求达到切实可靠，人们在两轮的接触面上制做出若干个牙齿，使其相对两个彼此相互嵌入叠加而啮合，使致产生一定比例的传动而成为齿轮传动。

在现代机器中，根据齿轮传动的啮合方式可分为外啮合齿轮传动，内啮合齿轮传动和齿轮齿条传动等，其中最常见的为外啮合传动，原由是加工与安装较容易且成本低；根据齿轮的牙齿形状与两齿轮轴线的相互位置可分为圆柱正齿轮、圆柱斜齿轮、人字齿轮和直齿或斜齿圆锥齿轮，螺旋齿轮和齿条等。

其中，圆柱正齿轮是齿轮的基本形式，其加工容易，便于提高精度，但主被两齿轮彼此在啮合运动中，在任何一个瞬间相互啮合的两颗牙齿都只能是直接接触，且各接触线都是平行于轴线的直线，因此，在开始啮合直至脱开的瞬间，两颗牙齿沿整个齿面为突然完全接触又突然完全脱开，故传动平稳性差和容易断齿，并由此而产生较大的噪音。而圆柱斜齿轮和人字齿轮包括螺旋状齿轮则完成是另外一回事，由于所有的牙齿都为相同的倾斜角，与其轴线的夹角称为螺旋角，即角度越大斜度越多，在同一宽度的齿轮上每个牙齿所占的位置则越宽，同一尺寸的齿轮其齿数则越少，因此在彼此相互啮合过程中每一瞬间相互啮合的两个牙齿的接触线虽然也同样是直线，但所有的接触线都与轴线不平行，各接触线的长度在运转中不断地变化，从开始接触到脱开的整个过程，其接触线的长度从零逐渐增加到最大值，然后又从最大值逐渐减少到零，其啮合既不是突然开始，也非突然消失，即在运转中任何时候总是有几对牙齿(根据螺旋角的大小而定)同时参与作功而重迭(嵌合)系数较大，由此相对圆柱正齿轮而言传动较为平稳，噪音大大减少，承载能力也较大。

常规的传动齿轮不管它是直齿还是斜齿或是螺旋状齿与锥形齿等，在制造中都存在较高的工艺要求，否则便不能正常啮合运转。标准圆柱正齿轮各个参数见表1，标准圆柱斜齿轮有关参数的计算公式见表2。

                表1：标准圆柱正齿轮有关参数的计算公式

              表2：标准圆柱斜齿轮有关参数的计算公式

注： $\frac{\mathrm{\π}}{2}=1.5708$

                                      表3：标准模数系列                                           单位：mm

第一系列	1，1.25，1.5，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，30，40，45，50，
		第二系列	1.75，2.25，(2.75)，(3.25)，3.5，(3.75)，4.5，(5.5)，(6.5)，7，9，(11)，(13)，(15)，(28)，33

例题一：有一圆柱正齿轮，测得外径为360mm，有70个齿，求其余各项参数。

[解]模数 $m=\frac{d_a}{z+2}=\frac{360}{70+2}=5\mathrm{mm}$

节圆直径d＝mz＝5×70＝350mm

根圆直径d_f＝d-2.5m＝350-2.5×5＝337.5mm

齿顶高h_a＝m＝5mm

齿根高h_f＝1.25m＝1.25×5＝6.25mm

齿全高h＝h_a+h_f＝5+6.25＝11.25mm

弧齿厚S＝1.5708m＝1.5708×5＝7.854mm

压力角a＝20°(根据规定)

由于磨损，加工误差或测量误差，量出来的外径尺寸不一定准确，计算出来的模数如有小数应按表3圆整为规定的系列模数值。

例题二：有一圆柱斜齿轮，测得外径为335.3mm，有81个齿，用角度尺测得螺旋角为8°6′34″。求其余各项参数。cos8°6′34″＝0.99。

[解]端面模数 $m_t=\frac{d_a}{z+2\cos \mathrm{\β}}=\frac{335.3}{81+2\×0.99}=4.04\mathrm{mm}$

法向模数m_n＝m_t×cosβ＝4.04×0.99＝4mm

节圆直径d＝d_a-2m_n＝335.3-2×4＝327.3mm

或d＝z×m_t＝81×4.04＝327.24mm

齿顶高h_a＝m_n＝4mm

齿根高h_f＝1.25×m_n＝1.25×4＝5mm

齿全高h＝h_a+h_f＝4+5＝9mm

弧齿厚S＝1.5708×m＝1.5708×4.04＝6.346mm

如果没有角度尺，可以量出相啮合两齿轮的中心距为200mm，数出小齿轮为18齿，可以根据大齿轮的外径按圆柱正齿轮的公式先算出其端面模数的近似值为：

$m_t=\frac{335.3}{81+2}=4.04\mathrm{mm}$

按表11-5的标准模数系列查出其法向模数为4mm，再按中心距及螺旋角的公式进行验算。

∵中心距

∴代入 $200=\frac{(81+18)\×4}{2\cos \mathrm{\β}}$

解上式得cosβ＝0.99

查三角函数表得β＝8°6′34″

验算中心距A＝200＝(z₁+z₂)÷2×m＝(81+18)÷2×4.04＝200

m_n＝m_t×cosβ

4＝4.04×0.99＝4

证明计算无误。

由于现有技术中的传动齿轮其牙齿与齿体为一整体，使得两齿轮的中心距在安装后无法调整。例如，两轴以齿轮相互啮合的对辊机的两个辊圈在运转中被磨损后，彼此间隙增大，由于主被两个齿轮的中心距不能减少而唯一办法只有补焊辊面，如能将两齿轮中心距作适当少量调整，即可减少辊面的补焊次数并能保持两辊圈距离在较长的时间里不变而灵活方便。

综上所述，常规的机械传动齿轮存在噪音过大，平稳性差，制造成本较高及计算较难与使用不便和不甚耐用等弊病。

                                发明内容

本实用新型公开了一种无噪音可换齿传动齿轮，旨在提供一种成本低廉、使用方便、制造容易、经久耐用，几乎无噪音而运转平稳的传动齿轮，其技术方案与有益效果详述如下：

本实用新型将轮子的外围做成排列为隔离式的半边圆球形凹位与凸位(即齿凸与齿凹)，在轴问宽度上根据工艺要求可设置单排、双排或多排，为减轻运转中的噪音和达到最佳平衡性，并将其排与排的位置在水平线上(平装齿轮)彼此相互错开。当然也可以将其中一个轮子(齿轮)的外围全部做成凹位与相应的一个全部为凸位相互啮合。为便于更换和修理及略能调整两齿轮之间的距离而将其凹位与凸位做成单个配件即齿凸与齿凹，并添加垫片，使其达到折卸安装和为略调整中心距而增减垫片可根据工艺要求随时进行。其单个零配件的齿凹与齿凸跟齿体(也称齿圈)的结合可采用螺母固紧，齿轮的齿体即外圈可用厚皮钢管并在中位加装单个撑板或在两端加装封口盖板即成。按凸凹位与其尺寸在齿圈外缘钻直通眼就行；或者钻上大下小(近轴心为下)的倒锥形孔眼，在安装齿凹与齿凸时无须用螺母固紧，即在啮合运转中彼此相互挤压越来越紧而不会松脱，当折卸时只须从下往上敲击使其提升便可。

同样，锥齿轮在内外直径不一的斜面上可设置排数不一(内少外多)的凸凹位，在齿条上由于是一个长方形平面，不言而喻就更为容易了。

由于主被(主动轮与从动轮)两个齿轮的啮合位为一凸一凹各为半个相同直径的半边圆，当啮合处的凸凹位与两齿轮中心距相对应时的一瞬间，只要是处于未磨损期其相贴面必然是全部，只是按旋转方向前边一半为紧贴，后边一半略松而已，其贴合面积每个牙齿(凸凹位)最多时可达一个圆球的二分之一，其中紧贴处面积为一个圆球的四分之一，为常规传动齿轮的数倍，在啮合运转中跟斜齿轮同样为逐渐接触与逐渐脱开，如果在齿面的轴向宽度上其凸凹位设置双排或多排并排与排之间在同一水平线上即齿轮的宽度直线上相互错开，则在这转中主被两齿轮的啮合位各排分先后轮流啮合与脱开，加上其重合叠加相贴面积远多于现有技术中常规的传动齿轮，这便是减小和消除噪音并促使平衡无震动运转的一个主要因素。

由于其凸凹位为半个圆球形，如果是单排，只要啮合处对应并相贴，即使两轮相靠不完全在一条直线上，也不会由此象常规传动齿轮那样会发生偏位而磨损不一或无法啮合的不良现象，这也是减轻噪音增强平稳性的因素之一。

由于其凸位与凹位为单一零配件，一般为头大身小，半个圆顶下位四周为一平面，由此为安放垫片提供了一个有利条件，当半边圆顶头在运转中被磨损至一定程度时或必要时可将两轮中心距略(少量)适当拉远或靠近，即可采用在凸凹位齿顶下面增减垫片的办法来达到目的。也可以将在先被磨损了的一侧扭转换位90度，尔后待到磨损到一定程度或是修理或是去旧换新，仍可保留占整体份量0.95以上的齿体部分则大大减少了开支，并且折装也为方便灵活而节省工时。

除了凸凹位为一个圆球形的一半形状外，还可以将它设计成在轮子的宽度上为上下左右厚度一致或上薄下厚的平扁形，在轮子的周长方向仍为半圆形，这样可减少在宽度上排与排之间的距离而在同样宽度上可增加排数由此达到增加承载能力，在啮合运转中每个牙齿依据力学原理其承受压力由于在其侧面而基本上不会受影响，即虽然每个齿凸或齿凹在轮子的宽度方向尺寸有所减少，而呈载能力几乎无有减弱，由于凸凹位在相互啮合中接触面相对减少而相应减少了摩擦阻力，彼此从开始接触至完全脱开仍然保留是逐步渐进的良好状态。

也可以将齿凸与齿凹做成在左右方向(齿轮宽度上)为长条形，在圆周方向为半圆形，由于形状的改变，同样是圆柱正齿轮，在啮合运转中两齿轮相互接触至相互脱开变为在逐渐中进行而具有常规斜齿齿轮减少噪音及运转较平稳的优点，并克服了轴向推力。

由于各种半圆顶齿其根部体积(厚度或直径)较大，特别是根部尺寸最大处是高度的两倍，同时也是受力最多处因此不用担心被折断，同时把接近半圆的身杆(少量尺寸)做成与齿根一样大并嵌进齿体(齿圈)平面以下一点点，便更是万无一失了，而凹位全部或0.9以上都坐落于平面以下，只须保持四周为紧密贴合无空隙，更不存在有拆断的隐患，确保在运转中安全无恙。

由于齿轮结构的改变，在制造中既可以采用浇铸的方法，也可将厚皮无缝钢管根据工艺要求尺寸下料，齿面宽度小的在中心位或其中一端加装圆形撑板或撑杆，宽度尺寸较大的加装在两端，中心位根据轴径大小车孔或钻孔，也可套装内径同尺寸的厚皮钢管，并安装定位键或定位销。在其外缘根据凸凹位的排列位置与尺寸定点钻孔，为了加固齿凸与齿凹跟齿体的结合，如因管壁较薄而尺寸不够，可在其内侧加焊孔径相应的螺母或短筒小钢管或相应厚度的垫片做为垫铁，孔眼尺寸与形状根据其凸凹位即公母牙齿(齿凸与齿凹)的螺杆而定，安装就位后在内侧用相应的螺母旋紧，当撑板或撑杆在两端时，可将其中一端焊接固定，另一端可折，以便于装卸齿凸与齿凹。由此可知，如果市场上能供应各种型状尺寸的齿凸与齿凹，用户要做一个齿轮就很容易了。

如果所使用的齿轮为临时性或承载力不是太大，用户自己可采用在齿圈即钢管外围的圆周上以等距离隔离式定位钻上若干个(成双)的通孔与不通孔(半圆凹位)，在通孔端面安放滚珠，其中一半或少半座落于孔眼中，用电焊焊牢(可从内侧即孔内施焊)；也可将主动轮或从动轮其中一个全为凹位或全为凸位，其效果不变，再加上撑板或撑杆，这样主从两个齿轮就做成了，一般小修理店即可办到。由于各种滚珠一般都为耐磨材料所制成，其耐用度可想而知。只要在前相对凸凹位在完全脱开之前在后相对凸凹位开始啮合，就能正常运转。不比老式常规传动齿轮有着较高的工艺要求，即使在同一个齿轮上使用两种不同型号的齿凸与齿凹，只要与对方一个相对应(相同)也能正常运转，道理很简单，因为它相互啮合的两个凸凹位都为同一尺寸的半圆而不存在被卡住的因素。由此可将齿凸与齿凹适当加大，并且只设单排，也可达到较大的承载能力和较优的平稳性能，为减少齿轮宽度使其重量降低相应成本也降低提供了一个有利条件。

无噪音可换齿传动齿轮由齿凸、齿凹、齿圈和撑板等部件所组成，当然也可以为一个整体，当浇铸为一个整体时，根据需要可将齿面在直径不变的条件下加宽一倍或两倍，由于凸凹位在齿轮的宽度上为单排、双排或多排，每个为单独存在并非相连，由此在安装使用中每次主从二齿轮只作搭接啮合二分之一或三分之一即分次使用，到时换位或移位，使一个齿轮在不换齿的状况下可抵两个或三个齿能的使用期限。

综上所述，本实用新型无噪音可换齿传动齿轮与传统常规的传动齿轮相对而言，具有运转噪音小、平稳性好、制造容易、成本低廉，使用方便、经久耐用，其齿凸与齿凹的主要零配件因重量轻便于长途拖运。同样，既可以是外啮合，也可是内啮合，也同样适应于锥形齿轮和齿条。除此以外，它还适合于连轴器(连接盘)的啮合，即使两轴同心度不标准，由于啮合位能做少量移位而使轴在运转中不致于摇摆。

                                  附图说明

图1是常规即现有技术中的圆柱正齿轮传动示意图；

图2是常规即现有技术中的圆柱斜齿轮传动示意图；

图3是常规即现有技术中的直齿圆锥齿轮传动示意图；

图4是常规即现有技术中的齿轮齿条传动示意图；

图5是常规即现有技术中的齿轮外啮合原理图(A为两齿轮中心距，d₁和d₂分别为相交线即节圆直径)；

图6是半圆球状凸凹位外啮合齿轮传动示意图；

图7是半圆球状凸凹位内啮合齿轮传动示意图；

图8是半圆球状凸凹位锥形齿轮齿合传动示意图；

图9是半圆球状齿轮与齿条啮合传动示意图；

图10是半边圆条状齿轮外啮合传动示意图；

图11是半边圆条状凸凹位形状图；

图12是齿凸单个零配件结构示意图；

图13是齿凹单个零配件结构示意图；

图14是齿凸与齿凹安装示意图；

图15是凸凹位在齿轮外缘平面位置错开排列形状定位图。

                                具体实施方式

下面优选实施例结合附图做进一步的描述。

参照图6，齿凸1位于齿圈3的平面上为一个球形的一半或略多一点点，齿凹2位于齿圈平面以下同样为一个球形的二分之一，凸凹位相贴嵌合时即为两个半圆的贴合，不难发现从开始贴合至完全脱开的整个过程中，二者相贴处除正位于主从二齿轮中心距的直线上面贴合面为最多外，总是保留为一根弧线，这根弧线以两齿轮中心距直线为界，过界前其弧线长度为由多到少，弧线宽度由少到多，过界后，则恰好相反即其弧线长度由少到多，弧线宽度由多到少，由此而达到在啮合中为逐渐接触和逐渐脱开而运转平稳。

参照图7，齿凹2全设置在大齿轮齿圈3的内缘沿周，齿凸1全设置在内部小齿轮齿圈3的外缘，二者为内啮合，大齿轮齿圈在外(外齿圈)，小齿轮齿圈在内(内齿圈)，大齿轮的单一撑板17位于其中一端，由于内外齿圈相互贴合面其弧形线弧形相同，由此使致啮合面积(叠加处)大大增加，这便是内啮合齿轮在运转中声响降低的原由。

参照图8，锥形齿轮4的齿凸1与齿凹2设置在同一个圆锥形平面上分内外两排，由于外排直径远大于内排而周长尺寸也相应远大于内排，因此，外排的凸凹位为内排的两倍便解决问题，并不需要象常规锥齿轮那样一个牙齿外宽内窄而不便加工。

参照图9，齿凸1和齿凹2接隔离式分别设置在齿轮的齿圈3和齿条5上，由于齿条是一根直线，不难发现齿轮与齿条的啮合位相贴面积多于外啮合齿轮，少于内啮合齿轮。

参照图10和图11，半边圆长条形齿凸6和齿凹7以等距离隔离式设置在齿轮的外缘，在齿轮的宽度上为一直线，虽然也为圆柱正齿轮，但由于它的凸凹位都是同一尺寸的半圆状，由此在运转中相互啮合由长规的突然接触和突然脱开变为逐渐接触和逐渐脱开，而达到了传统人字齿轮减少声响与消除斜齿齿轮存在轴向推力的弊病。

参照图12，图13和图14，齿凸8的顶端为半球形，其身杆下端有螺纹，安装在齿圈3的孔眼中，由于齿圈3厚度不够而在其内侧加焊螺母作为垫铁9，再用螺母10固紧，为达到略能调节两齿轮中心距而加装有垫片13；齿凸11右侧为半边圆扁形的正面图，左侧为侧面图，齿凸12其顶端为半球形，其身杆为倒锥形，安装时只须扦入齿圈相应的锥形孔眼中即可；齿凹14其顶端与身杆连接处沿周为一个平面凸肩，安装时用来方便加装垫片；齿凹15的身杆也为倒锥形，安装时扦在齿圈3相应的锥形孔眼中，借用两齿轮在啮合运转中的挤压力越挤越紧而不会松动，由于齿圈厚度不足而在其内侧加焊垫铁16。

参照图15，在一个齿圈(齿轮)的宽度上设置有6排按隔离式排列的凸位与凹位，为使主从两齿轮在啮合运转中其啮合位相贴面积均匀，受力一致，运转平稳，而将排与排之间的排列位置相互错开，即在齿轮的宽度上不成直线，而是斜线，不难发现，在某一斜线中，在啮合运转时根据旋转方向其左边的一排刚开始接触或完全脱开之时，右边的一排正处于完全脱开或开始接触，二者恰好相反，中间四排依次进行，由此而达到在啮合运转中减少震动和声响。

Claims (4)

1.一种无噪音可换齿传动齿轮，由两个或两个以上并且齿形相同的齿轮相互啮合并运转，其特征在于：啮合位即相贴处为尺寸一致的凸位与凹位，其形状为半球形或半边圆扁形或半边圆条形。

2.根据权利要求1所述的无噪音可换齿传动齿轮，其特征是：单个配件的齿凸与齿凹顶端为凸出或凹下的半球状或半边圆扁状，贴近顶端下位身杆四周为一平面台阶，身杆为螺柱形或上大下小的锥形。

3.根据权利要求1或2所述的无噪音可换齿传动齿轮，其特征是；单个配件即齿凸和齿凹的身杆以等距离安装在齿圈外缘或内缘和齿条条板相应的孔眼中，其顶端下位身杆四周的平面台阶贴有垫片，身杆尾端套有紧固的螺母，锥形身杆套合并压紧在相应的锥形孔眼中。

4.根据权利要求1或2所述的无噪音可换齿传动齿轮，其特征是：当在一个齿轮的宽度上设置两排或两排以上的凸凹位时，排与排之间的位置相互错开，即在齿轮或齿条宽度上的排列非成一直线。

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