專利名稱：長齒廓齒輪的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種齒輪，尤其是一種漸開線齒輪的改進，屬于機械傳動技術領 域。
背景技術：
據(jù)申請人了解，現(xiàn)有漸開線齒輪基本齒廓的共同點是基本齒廓的齒頂高系數(shù) han* = 1，齒頂高和齒根高(不包括頂隙的)相等，工作高度h’= 2m，一對相嚙合齒輪的齒 頂高系數(shù)相等。在長期無數(shù)次沿常規(guī)習慣地的應用中，人們由于忽略了以下3點，使得傳統(tǒng)設計 造成有效漸開線齒廓的浪費可以加大的端面重合度沒能加大、可以提高的承載能力沒能 提高、可以降低的噪聲沒能降低。①齒頂高系數(shù)等于1的齒條型刀具加工生成的漸開線齒廓長度大于實際嚙合使 用的有效齒廓長度，即加工生成的漸開線齒廓有一段長度(對大齒輪來說，這段長度往往 很可觀)使用時沒有用到而造成浪費(參見圖3)。圖3中，hAF-齒輪加工生成的可用齒廓 長度；hAE-齒輪實際嚙合使用的有效齒廓長度。因而可以考慮到在該齒輪參數(shù)不變的情況 下，加高于之相嚙合齒輪的齒頂高把原本浪費掉的一段漸開線齒廓利用起來。②磨齒時的實際齒條型刀具的齒頂高系數(shù)一般都大于1(有的滾齒齒廓也大于 1)，磨齒通常可達到齒頂高系數(shù)等于1. 1 1. 14的齒條型刀具加工生成的漸開線可用齒廓 長度。因而和齒頂高等于1的齒輪相嚙合時浪費掉的一段漸開線齒廓更長，于之相嚙合齒 輪的齒頂高可以加高的高度也可以更長。③加工齒頂高系數(shù)等于1的齒輪的齒頂高所需要的滾刀的齒根高小于1，即滾齒 所需要的滾刀的有效齒根高小于所加工齒輪的齒頂高。因而可以考慮不加大滾刀的有效齒 根高，用原有滾刀就可以加工齒頂高系數(shù)大于1的齒輪的齒頂高部分的齒廓?；谝陨?點，申請?zhí)枮?00720131057. 0和200710191750. 1、名稱為《變齒高齒 輪》的中國專利申請突破了基本齒廓的齒頂高系數(shù)han* = 1的限制，使齒頂高達1.05m 1. 25m,明顯提高了輪齒的潛能。但因為受不改變原有刀具的思維束縛及進一步加大齒頂高 的設計技術障礙，輪齒的潛能仍遠沒有挖掘到位。事實上，滲碳淬火磨齒的硬齒面齒輪所用 的留磨滾刀總是要重新設計制造的，只是參數(shù)改變量大小的差異，也就沒有必要完全受傳 統(tǒng)刀具參數(shù)的束縛了。即使是調(diào)質齒輪，只要性價比合適，特殊設計刀具也不應成為限制。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決技術問題是針對以上現(xiàn)有技術存在的缺點，在不改變現(xiàn)有工 藝手段的前提下，提出一種長齒廓齒輪。為了達到上述目的，本實用新型的長齒廓齒輪，具有沿圓周均布的輪齒，所述輪齒 兩側為漸開線齒廓，其中所述輪齒基本齒廓的齒頂高ha與所述齒輪的模數(shù)m之間的關系 1. 25m彡ha彡1. 45m，通常較好的控制范圍為1. 25m彡ha彡1. 35m。[0010]進一步的，所述輪齒基本齒廓的工作高度與所述齒輪的模數(shù)m之間的關系為工 作高度等于2. 50m 2. 80m ；所述輪齒基本齒廓的全齒高與所述齒輪的模數(shù)m之間的關系 為全齒高等于2. 75m 3. 05m。而齒輪的同一個齒輪的齒頂高和齒根高(不包括頂隙)不 一定相等，相嚙合的一對齒輪中的大、小齒輪的齒頂高也不一定相等。本實用新型可以應用于滲碳淬火磨齒齒輪，也可用于調(diào)質或正火滾齒齒輪。其有 益效果為，通過加大齒廓長度，充分挖掘了齒部的潛能，在幾乎不增加齒輪材料成本、不改 變工藝、基本上不加大制造難度的前提下，以有科學依據(jù)的結構改進，可實現(xiàn)提高20% 30%左右的嚙合線長度，提高的20%以上的接觸承載能力，提高的10%以上的彎曲承載能 力并降低噪聲的顯著效果，以達到節(jié)能降耗、保護環(huán)境的目的。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明。


圖1為本實用新型一個實施例的小齒輪齒廓示意圖。圖2為與
圖1小齒輪嚙合的大齒輪的齒廓示意圖。圖3齒輪嚙合起始點E和漸開線起始點F位置示意圖。圖4為影響齒根彎曲強度的主要幾何因素齒根厚度SFn，彎曲力臂hf，30°切線處 的齒根圓角半徑PF。圖5為在節(jié)點法平面內(nèi)載荷作用于單對齒嚙合區(qū)上界點D處的原理圖之一。圖6為在節(jié)點法平面內(nèi)載荷作用于單對齒嚙合區(qū)上界點D處的原理圖之二。
具體實施方式
實施例一本實施例的長齒廓齒輪如
圖1和圖2所示。
圖1為壓力角20°齒數(shù)27的齒輪的 不變位χ = 0齒頂高系數(shù)為1的齒廓、與變位系數(shù)χ = 0. 65齒頂高系數(shù)為1的齒廓(圖中 實線所示)、變位系數(shù)χ = 0.65齒頂高系數(shù)為1.3的齒廓(圖中虛線所示)的對比圖。圖 中虛線所示為本實用新型齒廓。圖2為壓力角20°齒數(shù)61的齒輪的不變位X = O齒頂高 系數(shù)為1的齒廓、與變位系數(shù)χ = 0. 7352齒頂高系數(shù)為1的齒廓(圖中實線所示)、變位系 數(shù)χ = 0.7352齒頂高系數(shù)為1.35的齒廓(圖中虛線所示)的對比圖。圖中虛線所示為本 實用新型齒廓。圖3中，hAF為加工生成的有用齒廓高度，hAE為嚙合所實際用到的有效齒廓高度。 圖4反映了影響齒根彎曲強度的主要幾何因素齒根厚度SFn，彎曲力臂hf，30°切線處的齒 根圓角半徑PF。圖5和圖6中α ‘ t-嚙合角；aFen-載荷作用角；rl,r2-小、大齒輪的節(jié)圓半徑；ral，ra2_小、大齒輪的齒頂圓半徑；rbl，rb2-小、大齒輪的基圓半徑；pbt-基齒距(基節(jié))；[0029]P-節(jié)點；B-小齒輪單對齒嚙合區(qū)下界點；D-小齒輪單對齒嚙合區(qū)上界點。由圖5和圖6可以看出彎曲力臂取決于計算彎曲強度作用力的作用點的位 置_即外側單對齒嚙合點。該點在嚙合線上為在離該齒輪齒根的嚙合起始點A(即配對齒 輪齒頂進入嚙合的起始點)一個基節(jié)距離Pbt的D點位置上。齒輪的齒頂高(圖中相應的 齒頂圓半徑ral)加大并不改變外側單對齒嚙合點D的位置。當配對齒輪的齒頂圓半徑ra2 加大后，會引起該齒輪齒根的嚙合起始點A位置的下移，帶動外側單對齒嚙合點D的下移， 可抵消或部分抵消該齒輪齒根高加大使彎曲力臂增大的不利影響。因此，齒頂高加大不會 加大彎曲力臂，如果兩個齒輪的齒頂高都加大還會減小彎曲力臂，對彎曲強度有利。如果在 保證生成的漸開線起始圓直徑滿足嚙合起始點要求的情況下盡可能減小齒根高，就可最大 限度地減小彎曲力臂，提高齒根彎曲強度。本實施例的其它說明如下1)基本原理和設計依據(jù)(1)齒廓選取原則本設計首先立足于控制滑動系數(shù)。選擇正變位可以減小齒輪的滑動系數(shù)。但是，正變位又會導致齒頂厚度減薄，因此，設計時，小齒輪的齒頂厚度可作為約 束條件來限制。正變位齒輪的齒廓曲率半徑增大，兩個齒輪嚙合時綜合曲率半徑增大，嚙合角增 大，有利于降低齒面接觸應力，提高齒面接觸強度。正變位齒輪可增加齒根厚度，提高齒根彎曲強度。要盡可能增加齒廓曲線段的長度，對20°壓力角的齒輪可把齒頂高增加到 1. 25m 1. 35m，特殊情況可達1. 45m ；齒根高也根據(jù)嚙合需要適度增加，以增大重合度，降 低齒面應力，提高強度。(2)變位系數(shù)和齒廓加長的原則和限制條件是控制較低的滑動系數(shù)，保證齒頂不變尖。(3)齒頂高加大并不改變外側單對齒嚙合點D的位置。相反配對齒輪的齒頂高加 大會引起內(nèi)側嚙合起始點A的下移，帶動外側單對齒嚙合點D的下移，可減小彎曲力臂。因 此，齒頂高加大對提高齒根彎曲強度有利。(4)用大的正變位增加齒根厚度，并在保證正常嚙合工作的條件下，盡可能減小齒 根高加大量，本設計比常規(guī)設計減小了 0. 15m的齒頂間隙，盡可能降低了齒根高加大對齒 根彎曲強度的不利影響。(5)當以增大重合度、降低噪聲為主要設計目標時，滑動系數(shù)的控制可以適當放 寬，最高可以把齒頂高增加到 1.45m。(6)當以提高齒根彎曲強度為主要目標進行設計時，采用25°壓力角的長齒廓齒 輪具更大的優(yōu)勢。2)設計計算步驟(1)推薦大小齒輪都采用正變位的角度變位齒輪，且選擇較大的變位系數(shù)之和X Σ O對20°壓力角的齒輪，按小齒輪和大齒輪的變位系數(shù)之和χΣ = xl+x2 > 1. 2 1.8來確定模數(shù)、齒數(shù)、中心距、螺旋角等齒輪參數(shù)。χ ￡的取值，當小齒輪的齒數(shù)較多、齒數(shù)比z2/zl稍小時取小值，當小齒輪的齒數(shù)較 少、齒數(shù)比稍大時取大值。為了保證小齒輪的齒頂厚度，應控制xl < x2,當小齒輪的齒數(shù)較多時(如 zl彡28)，可使x2-xl > 0. 12 0. 15，當小齒輪的齒數(shù)較少時(如zl彡18)，可使x2_xl > 0. 22 0. 5。當受原始設計或初步設計的限制造成Xs偏小時，可通過適當調(diào)整模數(shù)、齒數(shù)、中 心距或螺旋角來增大ΧΣ。(2)初步確定大、小齒輪的齒頂高對20°壓力角的齒輪，齒頂高ha取值范圍1.25m 1.35m。特殊設計(如當以增 大重合度、降低噪聲為主要設計目標時)也可取到1.45m。為了保證小齒輪的齒頂厚度，一般控制hal彡ha2，當小齒輪的齒數(shù)較多、齒數(shù)比 z2/zl稍小時(如zl彡28、z2/zl彡3)，可使hal = 1. 3m 1. 35m，當小齒輪的齒數(shù)較少、 齒數(shù)比z2/zl稍大時(如zl彡20、z2/zl彡4)，可使可使hal ^ 1. 25m。(3)校核齒頂厚度、滑動系數(shù)、端面重合度齒頂厚度Sa作為約束條件控制。過去常規(guī)對齒頂厚度Sa的要求為正火或調(diào)質 齒輪Sa > 0. 25m,滲碳淬火齒輪Sa > 0. 4m。隨著齒輪制造精度的提高，修形技術的普遍應 用，嚙合沖擊減小，此限制值已被實踐證明是過于保守，特別是對熱處理和加工精度穩(wěn)定的 齒輪可以遠小于上述值。設計者的經(jīng)驗是可取正火或調(diào)質齒輪Sa > 0. 2m，特殊情況可取 0. 15m ；滲碳淬火齒輪Sa > 0. 28m，特殊情況可取0. 25m。對于小模數(shù)齒輪，可控制實際頂頂 厚度彡1mm?；瑒酉禂?shù)也作為約束條件控制，一般控制在2以內(nèi)，最好小于1. 5。對于以增大重 合度、降低噪音為設計主目標時，可不受此限制。計算端面重合度以了解是否達到期望值。(4)調(diào)整并確定變位系數(shù)和齒頂高系數(shù)。經(jīng)過的校核，如果不能滿足要求或未達到期望值，再對相關參數(shù)進行調(diào)整，直到滿 足要求為止，最終確定變位系數(shù)和齒頂高系數(shù)。(5)確定齒根高和齒全高。小齒輪的齒根圓直徑dfl = 2X (a，-da2/2_Cn)大齒輪的齒根圓直徑df2 = 2X (a，-dal/2-Cn)上2式中a，_中心距；dal，da2_小、大齒輪的齒頂圓直徑；Cn-頂隙，Cn = 0.25m。 該頂隙值既可滿足調(diào)質齒輪又可滿足滲碳淬火齒輪的需要。對調(diào)質齒輪頂隙值有時還可減 小至 0. 15m 0. 20m。滲碳淬火齒輪的頂隙Cn的取值比過去的常規(guī)設計減小 0. 15m,理論及實際計算 都證明是可行的，使用是安全可靠的。這樣可使齒根高及彎曲力臂縮短 0. 15m，有利于提 高齒根的彎曲強度。下面的應用實例會用數(shù)據(jù)進一步說明。小齒輪的齒全高hal = (dal_dfl)/2[0068]大齒輪的齒全高ha2 = (da2_df2)/2(6)確定大、小齒輪齒頂圓直徑的最終尺寸。(7)計算齒輪的嚙合線長度與高度(8)其它有關校核①因刀具設計中已保證加工生成的漸開線高度hAF大于嚙合的hAE漸開線高度(見 圖3)，所以不存在嚙合干涉問題，一般不需要做嚙合干涉驗算(具體的刀具設計不在本專 利的范圍之內(nèi))。②頂隙要保證齒頂和齒槽在熱態(tài)運行中不相碰及有足夠的儲油空間，一般0.2m 已足夠，特殊情況可取0. 15m即可滿足，本設計按0. 25m，足夠富余。為安全起見，還是要對 該點做一下校核。要特別注意滾齒時竄刀(加工變位)造成齒根圓直徑增大，及滲碳淬火 齒輪熱處理造成齒根圓和齒頂圓直徑增大和變形對實際頂隙的影響，考慮以上因素后可控 制實際頂隙彡0. IOm 0. 15m。對于小模數(shù)齒輪，可控制實際頂隙彡1mm。③特殊設計時如需要別的校核，可按一般齒輪設計計算方法進行。(9)25°壓力角長齒廓齒輪的設計原則和程序和20°壓力角基本相同。因為25°壓力角比相同齒高、相同變位系數(shù)的20°壓力角的齒輪的齒根厚度厚、 滑動系數(shù)低、齒頂厚度薄，所以25°壓力角長齒廓齒輪設計的主要區(qū)別點為①不需要太大的變位系數(shù)之和Xp按Χ = xl+x2 = 1.0左右即可滿足要求。②齒頂高ha取值范圍1. 15m 1. 25m,個別可達1. 30m。③頂隙可按0. 2m。本實施例為一對滲碳淬火磨齒齒輪，如
圖1所示，參數(shù)為壓力角α = 20°，模數(shù) m= 16_，齒數(shù)zl = 27，ζ2 = 61，中心距a，= 740_，螺旋角β =12°，齒頂高系數(shù)han* =1，頂隙系數(shù)Cn* = 0. 4，小齒輪的變位系數(shù)Xl = 0. 65，大齒輪的變位系數(shù)X2 = 0. 7352， 齒寬b = 300mm，設計為長齒廓齒輪可按以下步驟(1)計算原標準尺寸的齒輪參數(shù)及有關數(shù)值。求得小、大齒輪的分度圓直徑dl = 441. 651mm, d2 = 997. 804mm ；小、大齒輪的齒頂圓直徑dal = 490. 67mm, da2 = 1049. 549mm ；小、大齒輪的齒根圓直徑dfl = 417. 651mm, df2 = 976. 53mm ；小齒輪的齒全高hi = (490. 67-417. 651) /2 = 36. 51mm = 2. 282m,大齒輪的齒全高h2 = (1049. 549-976. 53) /2 = 36. 51mm = 2. 282m,小齒輪與大齒輪嚙合實用漸開線高度hE1 = 28. 088mm = 1. 755m ；大齒輪與小齒輪嚙合實用漸開線高度hE2 = 26. 373mm = 1. 648m ；小齒輪，大齒輪嚙合時的嚙合線長度E1E2 = 65. 689mm ；端面重合度ε α = 1· 364。(2)小齒輪和大齒輪的變位系數(shù)之和χΣ = xl+x2 = 0. 65+0. 7352 = 1. 3852，符合 長齒廓齒輪的設計范圍要求。(3)選小齒輪齒頂高1. 30m,大齒輪齒頂高1. 35m,求得小、大齒輪的齒頂高hal = 29. 3095mm, ha2 = 31. 4725mm ；小、大齒輪的齒頂圓直徑dal = 500. 27mm, da2 = 1060. 749mm ；(4)經(jīng)計算得
7[0096]小、大齒輪的齒頂厚Sal = 4. 447mm = 0. 278m > 0. 25m ；Sa2 = 6. 797mm = 0. 425m > 0. 25m ；小、大齒輪的滑動系數(shù)ξ 1 = 1. 053，1 2 = 0. 937，大小接近，且較低。端面重合度ε α = 1. 796，比原1. 364提高31. 7% ；齒頂厚度、滑動系數(shù)均符合要求，端面重合度達到期望值。(5)確定齒根圓直徑和齒全高。取頂隙Cn = 0. 25m = 0. 25X16 = 4mm小齒輪的齒根圓直徑dfl = 2X (a，-da2/2_Cn) = 2X (740-1060· 749/2-4)= 411. 251mm大齒輪的齒根圓直徑df2 = 2X (a，-da 1/2-Cn) = 2X (740-500· 27/2-4)= 971. 73mm小齒輪的齒全高(dal-dfl)/2= (500. 27-411. 251)/2 = 44. 5095mm = 2. 782m大齒輪的齒全高(da2-df2)/2 = (1060. 749-971. 73)/2 = 44. 5095mm = 2. 782m大、小齒輪的齒全高比原設計的2. 282m加高了 0.5m，增加了 21.9%。(6)計算齒輪的嚙合線長度與高度小齒輪與大齒輪嚙合實用漸開線高度hE1 = 36. 255mm = 2. 266m ；大齒輪與小齒輪嚙合實用漸開線高度hE2 = 34. 93mm = 2. 183m。小齒輪，大齒輪嚙合時的嚙合線長度E1E2 = 86. 52mm。比原設計的嚙合線長度 65. 689mm 提高 31. 7%。本設計用增加21. 9%的齒全高，獲得提高31. 7%的嚙合線長度和重合度的效果。(7)其它有關校核齒頂厚度、滑動系數(shù)、端面重合度等已做校核。設計頂隙4mm，現(xiàn)根據(jù)刀具參數(shù)及相關工藝參數(shù)再作以下校核小齒輪滾齒時刀具外退0.097mm 0.214mm，滾齒輪后實際齒根圓直徑上差尺寸 為411. 679mm，熱處理造成齒根圓和齒頂圓半徑增大和不規(guī)則變形量按0. 15%計分別為 0. 31mm 和 0. 38mm。大齒輪滾齒時刀具滾齒深度加深0. 342mm 0. 459mm，滾齒后實際齒根圓直徑上 差尺寸為969. 446mm，熱處理造成齒根圓和齒頂圓半徑增大和不規(guī)則變形量按0. 15%計分 別為 0. 73mm 和 0. 80mm。嚙合時小齒輪齒根實際頂隙為Cnl = 4-滾齒時刀具外退量0. 214-小齒輪熱處 理造成齒根圓半徑增大量0. 31-大齒輪熱處理造成齒頂圓半徑增大量0. 80 = 2. 67mm = 0. 167m > 0. 15m，符合要求。嚙合時大齒輪齒根實際頂隙為Cn2 = 4+滾齒時刀具滾深量0.342-大齒輪熱處 理造成齒根圓半徑增大量0. 73-小齒輪熱處理造成齒頂圓半徑增大量0. 38 = 3. 23mm =
0.20m > 0. 15m，符合要求。(8)經(jīng)強度計算，該對齒輪長齒廓設計后小齒輪的接觸強度安全系數(shù)由原來的 1.31提高到1.492，接觸強度承載能力提高29. 7% ；大齒輪的接觸強度安全系數(shù)由原來的 1.334提高到1.515，接觸強度承載能力提高29% ；小齒輪的彎曲強度安全系數(shù)由原來的
1.99提高到2. 314，彎曲強度承載能力提高16. 3 %，大齒輪的彎曲強度安全系數(shù)由原來的
1. 954提高到2. 236，彎曲強度承載能力提高14. 4%。 小齒輪原重727kg，長齒廓設計后零件重量僅增加 1kg，齒坯材料增加19kg，增 加1. 5% ；大齒輪原重1865kg，設計后零件重量僅增加 4. 5kg，齒坯材料增加44kg，增加 1. 3%。本實用新型實施例用增加 1. 5%的齒輪材料，取得提高31. 7%的的端面重合度， 提高29%接觸強度承載能力，提高14% 16%彎曲強度承載能力的顯著效益及可明顯提 高運行平穩(wěn)性、降低噪聲的效果。
權利要求一種長齒廓齒輪，具有沿圓周均布的輪齒，所述輪齒兩側為漸開線齒廓，其特征在于所述輪齒基本齒廓的齒頂高ha與所述齒輪的模數(shù)m之間的關系1.25m≤ha≤1.45m。
2.根據(jù)權利要求1所述長齒廓齒輪，其特征在于所述輪齒基本齒廓的齒頂高ha與所 述齒輪的模數(shù)m之間的關系1. 25m ≤ ha ≤ 1. 35m。
3.根據(jù)權利要求1所述長齒廓齒輪，其特征在于所述輪齒基本齒廓的齒頂高ha與所 述齒輪的模數(shù)m之間的關系取ha為1. 45m。
4.根據(jù)權利要求1所述長齒廓齒輪，其特征在于所述輪齒基本齒廓的工作高度與所 述齒輪的模數(shù)m之間的關系為工作高度等于2. 50m 2. 80m ；所述輪齒基本齒廓的全齒高 與所述齒輪的模數(shù)m之間的關系為全齒高等于2. 75m 3. 05m。
專利摘要本實用新型涉及一種漸開線齒輪的改進，屬于機械傳動技術領域。本實用新型的長齒廓齒輪具有沿圓周均布的輪齒，所述輪齒兩側為漸開線齒廓，其中所述輪齒基本齒廓的齒頂高ha與所述齒輪的模數(shù)m之間的關系1.25m≤ha≤1.45m，通常較好的控制范圍為1.25m≤ha≤1.35m。采用本實用新型可以充分挖掘齒部的潛能，在幾乎不增加齒輪材料成本、不改變工藝、基本上不加大制造難度的前提下，實現(xiàn)提高20％～30％左右的嚙合線長度，提高的20％以上的接觸承載能力，提高的10％以上的彎曲承載能力并降低噪聲的顯著效果，以達到節(jié)能降耗、保護環(huán)境的目的。
文檔編號F16H55/17GK201679933SQ20102019707
公開日2010年12月22日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權日2010年5月20日
發(fā)明者李釗剛 申請人:李釗剛