本发明涉及重载传动轴用环形齿轮/小齿轮的传动齿轮组设计，更具体地说，涉及到一族或一列这样的齿轮组设计，其中所包括的唯一的一个环形齿轮装置可同特殊设计的小齿轮系列中的任何一个结合使用，而此系列中的每个部件都采用一个具有不同齿数的小齿轮。

在既有工艺中，利用小齿轮/环形齿轮的齿轮组之重载传动轴的直角传动系列已属周知，例如可以参看美国专利号：3265173、4018097、4046210、4050534和4263834、其中所公开的内容已吸收入本专利说明书中作为参考。这类齿轮组通常为熟知的螺旋伞齿轮或准双曲面齿轮型。

对于设计出具有相似的最大转矩但有不同传动比的一系列或一族齿轮组也已经充分公知。例如，既有工艺中周知的一系列传动轴利用了齿数各不相同（即6、7、8与9）的一系列小齿轮，以啮合节径（即16-1/2英寸）与齿数（即39）已给定的一系列环形齿轮，用来提供多种输入轴对输出轴之比（6.50∶1;5.57∶1;4.88∶1以及4.33∶1）。

在设计这样的一系列或一族齿轮组时，每种比值都用到了唯一的一个经特殊设计而有同一特定结构的小齿轮恰当啮合的环形齿轮。恰当地啮合就是说，要在传动与从动（即传动与惰力运动）两种运行方式中，于额定载荷下的一段允许时间内以最低噪声工作。例如，设计成与7齿小齿轮恰当啮合的39齿环形齿轮（即“7/39”环形齿轮），就不同于设计成与8齿小齿轮恰当啮合的39齿环形齿轮（即“8/39”环形齿轮），而且也不会恰当地啮合6、8或9齿的小齿轮。

尽管既有工艺的环形齿轮/小齿轮之齿轮组族或系列中各齿轮组是以一种非常满意的方式运行，但这种设计与制造齿轮组的方法从经济上看是不合算的，特别是对于那些较大型而制造成本又较高的环形齿轮，这种不合算反映在与重载传动轴有关的体积、各种尺寸与比例上（这就是说，传动轴用到了重型运货车、不在公路上运输的施工运载工具等等）。

本发明通过下述措施使既有工艺的上述缺点得以克服或最小化，即提供一族或一系列环形齿轮/小齿轮之齿轮组的齿轮齿设计，可使一公用的例如一种16-1/2英寸39齿的环形齿轮，恰当地啮合例如从6齿、7齿、8齿和9齿的小齿轮中任选的一种，而给出一族或一系列只需要一个环形齿轮和一批小齿轮的齿轮组（即6/39、7/39、8/39与9/39）。

因此，本发明的目的在于提供一种重载传动轴的环形齿轮/小齿轮之齿轮组的轮齿设计准则，允许将一个公用环形齿轮与一系列不同齿数的小齿轮结合使用，便于较经济地生产齿轮组系列。

上述目的是依下述方法实现的，即选取一族环形齿轮/小齿轮的齿轮组，其中包括一尺寸（例如16-1/2英寸节径）与齿数（例如39）经选定的环形齿轮，以及一批（通常为3或4个）不同齿数，例如6、7、8与9）的小齿轮，后者与前者啮合并确定出可选择的一列比值（分别为6/39，7/39，8/39与9/39或6.50∶1，5.57∶1，4.88∶1与4.33∶1）。然后选择一基本比齿轮组，例如可选7/39或6/39的齿轮组。如下面将会讨论到的，在从优选定的实施例中，采用了具有齿数最少或齿数与最少者紧邻的小齿轮的齿轮组。常规设计的或基本是常规设计的基本比环形齿轮，此时将用作为这族齿轮组的公用环形齿轮。也将用到常规设计的基本比小齿轮。这一族中的其余小齿轮然后将按照特定的方式，通过修正基圆锥直径（以获得一恒定系列的压力角，传动的与惰力运动的）、齿根锥角和/或齿面角，而据传统设计加以修正。如所周知，基圆锥直径等于节径乘以压力角的余弦。

在非真实渐开线型齿轮装置，例如Formate型齿轮装置中，对刀片的几何构型和/或切削机械装置作了调整，以便获得所需的压力角。

图1为采用了环形齿轮/小齿轮传动齿轮组的，一种典型的既有工艺中重载传动轴的部分剖面图。

图2A与2B分别说明既有工艺中螺旋伞与准双曲面环形齿轮/小齿轮的传动齿轮组。

图3示明了一种典型的伞形齿轮组，并指出了参数名称。

图4示明了一组典型的相啮合的齿轮齿，并说明了另一些参数名称。

图5是本发明中的环形齿轮/小齿轮的齿轮组系列之示意图。

在下面对本发明的描述中将用到某些词，但这些词仅仅是用作为参考而不带限定意义。“向上”、“向下”、“向右”与“向左”等词是指参看附图时相对于图中的方向。“向内”与“向外”等词则分别指朝向与离开所述装置之几何中心的方向。所说及的术语将包括上面特别提到的词、由它们派生的词以及类似的移入词。

在重载传动轴的传动系中采用环形齿轮/小齿轮的直角齿轮组，对既有工艺来说已是周知的了。参看图1，其中示明了采用着上述齿轮组11的一种减速传动轴10，此齿轮组包括一与环形齿轮14啮合的小齿轮12。在上述环形齿轮上安置有一差动装置16，用来传动两根主动轴18与20。小齿轮12的旋转轴线22大致垂直于环形齿轮的旋转轴线24（以及差动装置16与主动轴18与20的轴线）。这种类型的以及双速的行星式两级减速型的重载传动轴是既有工艺中所熟知的。

大多数重载传动轴利用直角环形齿轮/小齿轮的齿轮组，它们为螺旋伞型或准双曲面型的，分别如图2A与2B中所示。可以看到，在图2A的螺旋伞齿轮组中，旋转轴线22与24是垂直并相交的，而在图2B的准双曲面齿轮组中，双曲线齿轮传动的偏心距在一具有一16-1/2英寸节径的环形齿轮中，通常约为1.00至2.00英寸。

业已知道，理论上螺旋伞齿轮在节线处提供了完全滚动而无滑动的齿轮接触，与此相反，准双曲面的齿轮组在节线处虽可使滑动接触较少，但总还存在一定程度的滑动接触。近年来，随着齿轮设计与润滑措施的改进，滑动接触已不似它过去那样成为一个主要问题，而且准双曲面的齿轮组用于重载传动轴已日益为人们所认可。为便于解释，本发明将结合螺旋伞齿轮组阐述，但应理解到，本发明对于螺旋伞型和准双曲面型的齿轮组以及它们的改进型式是完全同等适用的。螺旋伞型与准双曲面型环形齿轮/小齿轮的齿轮组在既有工艺中已是周知的，例如可参看SAE（美国汽车工程师学会）论文集NO.841085，其中披露的内容已纳入本说明书中作为参考。

在过去，一种环形齿轮/小齿轮的齿轮组11的系列，例如包括着如下各组的系列：-16-1/2英寸节径39齿的环形齿轮以及-6齿的小齿轮，-16-1/2英寸节径39齿的环形齿轮以及-7齿的小齿轮，-16-1/2英寸节径的环形齿轮以及一8齿轮的小齿轮，-16-1/2英寸节径的环形齿轮以及-9齿的小齿轮，其中涉及到四种不同的16-1/2英寸节径39齿的环形齿轮与四种不同的小齿轮。这些不同的16-1/2英寸节径39齿的环形齿轮在齿顶高与齿根高、节顶（限于准双曲面型）、面顶、根顶、节面角与齿根锥角上都是不同的。这些齿轮组的压力角通常也是不同的。

环形齿轮/小齿轮的齿轮组之术语与几何结构也是周知的，上面提到的各种参数示明于图3和4中。

用常规设计的39齿环形齿轮来恰当地啮合常规设计的7齿小齿轮（通常称为“7/39”环形齿轮）这种结构，是不同于常规设计的具有同样节径之“6/39”、“8/39”以及“9/39”环形齿轮的，而且也不能恰当地与常规设计的6、8或9齿的小齿轮啮合。

业已意识到，提供这样一种公用或通用的环形齿轮14，它的节径与齿数能与多种齿数的小齿轮啮合，即提供一种“（6、7、8与9）/39”的环形齿轮时，无论是从制造、刀具加工与编制商品目录来说，在经济上都是有利的。这对于体积较小而相应的环形齿轮又有较大的实际尺寸之重载传动轴来说，尤其如此。

上述这种公用的或通用的环形齿轮和/或经修正与此种通用型环形齿轮相啮合的小齿轮，在此之前所以未设计出来，据信至少有以下三个理由;不认为有可能利用一种公用的环形齿轮和一批不同齿数的小齿轮，来设计出具有合格的寿命与性能的齿轮组系列;在现代化的计算设备能加以利用之前，设计一组基本上达到最佳性能的齿轮组是很难而且极为耗时的，因而对于打算设计出基本上属最优化的齿轮组系列时所遇到的这种额外复杂情形失去了信心;对于提供一用到公用环形齿轮14的齿轮组11的系列，不认为存在可以接受的互换性与兼顾性。常规齿轮组的设计涉及到一些已知的经验方法，通常涉及到计算机程序，例如在前面提到的SAE论文集NO.841085以及№841091中所讨论到的，有关的内容已吸收于本说明书中作为参考。

依据本发明，所选择的环形齿轮/小齿轮的齿轮组11系列中某些部件的常规设计方法已加以改进，由之给出了齿轮组系列100，其中包括有节径和齿数已给的一种通用环形齿轮114，以及一批齿轮数不同的小齿轮112A、112B、112C与112D，每个这样的小齿轮都将恰当地啮合该公用的环形齿轮，以确定该齿轮组系列100中的一个齿轮组11。

第一步是选择一系列将根据本发明加以设计的环形齿轮114/小齿轮12的齿轮组11。这个系列的选择是根据环形齿轮的一定节径（例如16-1/2英寸）与齿数（例如39），使之能与齿数不同的一批小齿轮相啮合为基础的。此例中的特定系列示意于图5。根据本发明，当前仅仅设计和制造出具有连续齿数的4个小齿轮系，然而并非局限于此。

在选定了齿轮组系列后，就来选择一具有常规齿轮设计的基本齿轮组11。如所周知，重载传动轴齿轮组的常规齿轮设计，在于设计出环形齿轮与小齿轮的齿数使之能接近这个组的最佳性能，但却丝毫未考虑到去设计用来同那种可与不同齿数之小齿轮相匹配的公用环形齿轮啮合的小齿轮。一般地说，常规的设计涉及到选定轮齿的各种参数，能够以最佳方式兼顾到使根切最小、使从顶端至根底以及从头部至趾部的负荷分布均衡与最大化、使传动与惰力运动中的接触比平均化等等，这是因为要考虑到运载工具类型、原动机类型、使用条件以及其它传动线路变量（例如传输型）等一类因素的缘故。上述这些和其它一些设计规则与因素是通过多年的经验而发展成的。

取定齿轮组的一个系列，这些齿轮组中包括有齿数连续（即A、A+1、A+2、……个齿）的小齿轮，选择包含常规设计的A或A+1个齿数之小齿轮以及常规设计的具有Z个齿且能与上述常规设计之小齿轮啮合的环形齿轮，来作为基本比齿轮组（即“A/Z”或“A+1/Z”的环形齿轮与齿数相应为A或A+1的小齿轮）。选取最低齿数或齿数紧邻此最低值的小齿轮之齿轮组作为基本系列。在本例中，将选择6或7齿的小齿轮以及相应的“6/39”或“7/39”的环形齿轮这种常规设计的或基本上属常规设计的齿轮组，来作为该系列的基本比齿轮组。为了方便起见，具体到这个例子中，将取7齿的小齿轮和7/39的环形齿轮作为基本比齿轮组。

业已发现，为了改进小齿轮与公用（即7/39）环形齿轮恰当的啮合接触（使滚动接触最大，滑动接触最小，让接触比最大化，并在负荷下合适地分布接触方式等），就必须改进非基本比之齿轮组的小齿轮（即6、8与9齿的小齿轮），而这就需要让那些齿数少于基本比小齿轮之齿数的小齿轮作出更难令人接受的折衷处理。这样一类小齿轮当其齿数按照需要加以修正时，常常变得较弱，而在按常规方法制造时还会有较大的根切。

上述现象因大多数重载传动轴齿轮组是以下述制造方法生产而变得特别实际，在这类制造方法中，并没有形成真正的渐开线齿轮齿廓，为使制造简便和经济，所生产出的是具有较直侧面的环形齿轮齿廓，而且比渐开线的小齿轮齿廓更为凸出。这种“改进的渐开线”齿轮是普遍熟悉的，而作为此种既有工艺中的一个周知例子乃是Gleason工厂的Formate齿轮系。

一旦选定了基本比齿轮组后，在此种比例之下基本上按照常规方法设计的小齿轮12以及环形齿轮114，就将用于这种齿轮组系。对于螺旋伞齿轮，采用常规设计的基本比环形齿轮设计;而对于准双曲面齿轮，则可能要求平均螺旋角略低的环形齿轮。

此时，齿轮组系中非基本比齿轮组的小齿轮12需加以调整，使之能恰当地啮合公用的或基本比的环形齿轮，而只对最佳设计作出尽可能小的折衷处理。对于非基本比小齿轮组所作的主要改进如下述。最关键的改进（在传动与惰力运动之接触比相等条件下，同常规设计相比较）是在压力角上，在整个系列中保持着恒定的压力角，使之等于基本比的压力角、齿根锥角与齿面角。

下面的表列出了小齿轮的各种参数，其中的一个或多个如表中所指出的，一般已据常规的齿轮设计作了改进，得以提供能恰当地同公用环形齿轮啮合的小齿轮。

小齿轮的齿数小齿轮参数    （具有A个齿的基本比）A-1    A+1    A+2传动的基圆锥直径（60）    +    -    --惰力运动的基圆锥直径（（60）    -    +    ++（齿轮组的）传动压力角    -    +    ++（齿轮组的）惰力运动压力角    +    -    --齿根锥角（62）    +    -    --齿面角（64）    +    -    --外径（66）    +    -    --面顶（68）    -    +    ++根顶（70）    -    +    ++从齿冠至交叉点（72）    -    +    ++上表中，加号（+）指增加，双加号（++）指较大的增加（相对于常规设计）;减号（-）指减小，双减号（--）常更多的减小（相对于标准的或常规的设计）。

已知有多种市售的螺旋伞型和/或准双曲面型的齿轮组，例如Formate齿轮之类，并不采用真实渐开线型的齿轮，因而此类小齿轮并不具有真实的基圆锥或基圆锥直径。但是，为了明确表述本发明，将把小齿轮的节径与齿轮组（或齿轮组系列）的压力角（对于这一齿轮组系列保持为常数）之乘积视作为基圆锥直径。