宽齿形斜齿齿轮
阅读：721发布：2020-05-11
专利汇可以提供宽齿形斜齿齿轮专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种动 力 传动装置的宽齿形斜齿 齿轮 。与现有的 齿形轮 廓线为渐开线、圆弧形、双圆弧形、准双曲线型的齿轮比较，其特征是：齿形宽度是现有齿轮的3倍以上。每个 轮齿 能够承受的力矩强度是现有齿轮的9倍以上。该齿轮具有体积小、强度大、使用寿命长、生产成本低的特点，能节约原材料60％以上。，下面是宽齿形斜齿齿轮专利的具体信息内容。
1.本发明的宽齿形斜齿齿轮，与现有的齿形轮廓线为渐开线、圆弧形、双圆弧形、准双曲线形------ 的齿轮比较，其特征是：齿形宽度是现有齿轮的3倍以上，轮齿必须旋转一定的倾斜角度，才 能实现连续接力啮合传动的目的。
2.如权利要求1所述的宽齿形斜齿齿轮，其特征是：齿形轮廓线由半径线段、折线段和圆弧线段 拼接而成。半径线段和折线段拐角点处可以自动跑合磨损成光滑的弧线形，也可以预先切削成 光滑的弧线形，节点的运动轨迹是两个节圆相交的圆弧线段的各一半。
3.如权利要求1所述的宽齿形斜齿齿轮，其特征是：如果齿形宽度为AB，所对应的圆心角为θ， 齿轮轴向长度为L，则齿轮必须旋转倾斜的圆心角。α＞θ＝Karctg(AB/L)，K为稳定系数， K＝1.25～2。
4.如权利要求1所述的宽齿形斜齿齿轮，其特征是：齿根部有内留部分，齿端部有外增部分，以 增大稳定性。齿根部略大于齿端部，在整个啮合传动过程中，留有一定的间隙。
技术领域
背景技术
现有国内外齿轮行业设计、制造的齿轮齿形，其轮廓线主要有渐开线、圆弧及双圆弧齿 轮。近年我国从欧美引进的摆线齿锥齿轮和准双曲线齿轮，还有前苏联曾设计过的谐波齿轮。 查看近期进口和国产高档汽车的齿轮零件，从互联网上检索中国F16H类1985年以来的发 明和实用新型专利公告，都属上述轮廓线齿形的齿轮。
上述各类齿形的齿轮，均有如下不足：
(1)齿形较窄，使齿轮能够承受的力矩强度难以再成倍提高。
(2)齿形轮廓线的精确设计和制造工艺都较复杂。
(3)齿间传动时，齿面的磨损难免，尤其是接近齿根部的磨损尤甚。
自齿轮问世数百年以来，国内外科技界曾对齿轮的齿形轮廓线的设计和精确加工方面做 过大量的研究实验，虽然使齿轮传动性能不断提高，并趋于理想极限，但均未取得重大突破。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的宽齿形斜齿齿轮具有如下特征和实用效果：
(1)宽齿形斜齿齿轮是在笔者先前发明的沿固定轴啮合传动的宽齿形叠合齿轮和宽齿形 组合行星齿轮的基础上，仅由单个短柱状的宽齿形斜齿齿轮组成。为了系统论述宽齿形斜齿 齿轮的特征和设计原理，先由宽齿形齿轮的传动特征开始说明。
(2)在自动满足连续平稳传动的前提下，宽齿形齿轮的齿形宽度是现有各种齿轮的3 倍以上。应力接触点轨迹均在两个基准圆之间，所以，从材料力学的相关公式就可估算出： 宽齿形齿轮的轮齿能够承受的力矩强度是现有齿轮的9倍以上。使齿轮有利于小型化和薄型 化，这对动力传动的齿轮，尤其是对目前已经广泛应用的大力矩高功率大传动比的动力传动 齿轮，更为重要，详见说明书和附图8。对现代和未来的微型机械传动所需的微型齿轮的设 计制造和加工，也有重要的意义。
(3)宽齿形齿轮的齿形轮廓线由半径线、折线和圆弧线段拼接而成。拐角点和折线的连 接处可以自动跑合磨损成弧形，也可以预先切削磨成光滑的弧线形或小圆弧形。它具有设计 方便、外形简单、齿端部和齿根部凹凸不显著，对齿形轮廓线精度要求低，采用锻压-整修 -表面处理的工艺流程制造就更容易了。
(4)宽齿形齿轮的齿间传动接触面与应力方向大部分都接近垂直，接触面上的节点切向 滑动的速度和行程均很小，所以，齿面之间的磨损小，可延长使用寿命。
(4)齿轮是现代和未来大多数机械设备的传动零件，尤其是动力传动的变速箱，主要由 齿轮组成。因为宽齿形斜齿齿轮的生产成本低廉，有利于小型化，从长柱状变为短柱状，耐 磨损，寿命长，所以应用领域广阔，整体经济效果可观。
上述各类齿形的齿轮，均有如下不足：
(1)齿形较窄，使齿轮能够承受的力矩强度难以再成倍提高。
(2)齿形轮廓线的精确设计和制造工艺都较复杂。
(3)齿间传动时，齿面的磨损难免，尤其是接近齿根部的磨损尤甚。
自齿轮问世数百年以来，国内外科技界曾对齿轮的齿形轮廓线的设计和精确加工方面做 过大量的研究实验，虽然使齿轮传动性能不断提高，并趋于理想极限，但均未取得重大突破。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的宽齿形斜齿齿轮具有如下特征和实用效果：
(1)宽齿形斜齿齿轮是在笔者先前发明的沿固定轴啮合传动的宽齿形叠合齿轮和宽齿形 组合行星齿轮的基础上，仅由单个短柱状的宽齿形斜齿齿轮组成。为了系统论述宽齿形斜齿 齿轮的特征和设计原理，先由宽齿形齿轮的传动特征开始说明。
(2)在自动满足连续平稳传动的前提下，宽齿形齿轮的齿形宽度是现有各种齿轮的3 倍以上。应力接触点轨迹均在两个基准圆之间，所以，从材料力学的相关公式就可估算出： 宽齿形齿轮的轮齿能够承受的力矩强度是现有齿轮的9倍以上。使齿轮有利于小型化和薄型 化，这对动力传动的齿轮，尤其是对目前已经广泛应用的大力矩高功率大传动比的动力传动 齿轮，更为重要，详见说明书和附图8。对现代和未来的微型机械传动所需的微型齿轮的设 计制造和加工，也有重要的意义。
(3)宽齿形齿轮的齿形轮廓线由半径线、折线和圆弧线段拼接而成。拐角点和折线的连 接处可以自动跑合磨损成弧形，也可以预先切削磨成光滑的弧线形或小圆弧形。它具有设计 方便、外形简单、齿端部和齿根部凹凸不显著，对齿形轮廓线精度要求低，采用锻压-整修 -表面处理的工艺流程制造就更容易了。
(4)宽齿形齿轮的齿间传动接触面与应力方向大部分都接近垂直，接触面上的节点切向 滑动的速度和行程均很小，所以，齿面之间的磨损小，可延长使用寿命。
(4)齿轮是现代和未来大多数机械设备的传动零件，尤其是动力传动的变速箱，主要由 齿轮组成。因为宽齿形斜齿齿轮的生产成本低廉，有利于小型化，从长柱状变为短柱状，耐 磨损，寿命长，所以应用领域广阔，整体经济效果可观。
附图说明
图1是宽齿形叠合齿轮齿形和叠合方式示意图；
图2是宽齿形齿轮齿形轮廓线设计原理示意图；
图3是宽齿形齿轮啮合传动时节点位置变化示意图；
图4是宽齿形齿轮未啮合传动时节点位置变化示意图；
图5是宽齿形齿轮啮合传动时轮齿受力位置变化图；
图6是宽齿形行星齿轮齿形轮廓线设计原理示意图；
图7是宽齿形组合行星齿轮组合原理示意图；
图8是宽齿形斜齿齿轮的传动原理示意图(摘要附图)。
图中：1.齿端部、2.齿根部、3.叠合齿轮的轮齿旋转角、4.齿顶圆、5.齿根圆、6.齿端部 外增部分、7.齿根部内留部分、8.转动方向、9.主动轮、10.从动轮、11.啮合受力时节点起点、 12.啮合受力时节点终点、13.未啮合受力时节点位置、14.太阳轮、15.行星轮、16.内齿圈、 17.斜齿的旋转倾斜角度、18.齿轮的厚度或轴向长度。
图2是宽齿形齿轮齿形轮廓线设计原理示意图；
图3是宽齿形齿轮啮合传动时节点位置变化示意图；
图4是宽齿形齿轮未啮合传动时节点位置变化示意图；
图5是宽齿形齿轮啮合传动时轮齿受力位置变化图；
图6是宽齿形行星齿轮齿形轮廓线设计原理示意图；
图7是宽齿形组合行星齿轮组合原理示意图；
图8是宽齿形斜齿齿轮的传动原理示意图(摘要附图)。
图中：1.齿端部、2.齿根部、3.叠合齿轮的轮齿旋转角、4.齿顶圆、5.齿根圆、6.齿端部 外增部分、7.齿根部内留部分、8.转动方向、9.主动轮、10.从动轮、11.啮合受力时节点起点、 12.啮合受力时节点终点、13.未啮合受力时节点位置、14.太阳轮、15.行星轮、16.内齿圈、 17.斜齿的旋转倾斜角度、18.齿轮的厚度或轴向长度。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式进行说明：
(1)参见图2，先根据齿轮直径大小估计值和传动比，确定两个齿轮齿数z1、z2及主动 轮或从动轮齿顶圆4的半径Rd1或Rd2值。其中z1、z2应尽量取小值。
(2)由齿数z1、z2直接计算齿端部1或齿根部2所对应的圆心角3，也就是斜齿齿轮接 力啮合传动应错开的最小倾斜角，或各为两片齿轮同轴叠合时的轮齿应错开的旋转角θ1、θ2。
(3)由主动轮9或从动轮10的齿顶圆4半径Rd1或Rd2值，导出两个齿顶圆4相交的 弦长AB：
由图2、(1.1)式，可求出另一个齿顶圆4半径Rd2和节点最大的间距CD分别为：
(4)根据齿轮啮合传动连续稳定性要求，确定齿端部1外增部分6和齿根部2内留部 分7的厚度值ΔH。
(5)由图2即可看出齿轮各参数分别为：
全齿高： H＝CD+2ΔH
齿形宽度最大处：
齿轮外轮廓线的实际半径：
因为该齿形两侧的轮廓线都是由半径线段和折线段，齿端部1和齿根部2均为圆弧线段 拼接而成。连接拐弯处可直接切削成小圆弧形。图2、图3、图4的A、B位置及整个齿根部 2都应略为扩大，留下啮合传动的适当间隙即可。
(6)由图3、图4、图5看出：在啮合传动中，只有主动轮9为齿根部2、从动轮10 为齿端部1时，从节点11处沿齿顶圆4圆弧线AD和CB轨迹至节点12处，啮合传动才能 成立；当主动轮9为齿端部1、从动轮10为齿根部2时，主动轮9的齿端部节点12处已经 是啮合传动的终点，随后齿轮将处于未啮合传动的滑动状态。所以，参照笔者先前发明的固 定轴宽齿形叠合齿轮和宽齿形组合行星齿轮的设计，宽齿形斜齿齿轮的传动是利用斜齿倾斜 错开的圆心角才实现接力啮合传动的。
(7)现有的齿形为渐开线、圆弧及双圆弧......的各类齿轮，在每个啮合传动区段必须 同时存在两个以上的轮齿啮合接触点，传动才能连续。为了使两个以上的啮合接触点沿轨迹 运动时保持相同的角速度θv，达到平稳传动的目的，对齿形轮廓线的设计、加工的精度要求 就非常高。由本发明的图2、图3、图4、图5、图8可以看出：宽齿形斜齿齿轮的连续啮合 传动全过程，S1、S2每个圆平面上的啮合传动区段始终只有一个应力接触点，(在中心线处 为半径线段组成的整合面)。这个应力接触点分别固定在两个齿轮的齿端部1拐角点A处， 并沿着另一侧齿形整个侧面滑动。由此可知：它不同时存在两个以上的啮合应力接触点，因 角速度θv的微小差别发生互相干扰现象，齿形轮廓线的设计加工精度和磨损产生的误差也不 影响该齿轮啮合传动原有的平稳性能。
下面以具体实施例子进行优化选择：
(1)见附图8，设宽齿形斜齿齿轮的轴向长度(也就是两齿轮平面S1、S2之间的垂直 距离L)：L≥2A1B1
(2)如果附图8所示的宽齿形齿轮为直齿时，则圆平面S1上的节点A1应与S2圆平面 上的B4点的连接直线A1B4与短柱状的齿轮中轴线平行。如果令该齿轮位于下方为从动轮10， A1B1为齿端部位置，主动轮位于上方，刚好属齿根部位置。由图2、图3、图4的宽齿形齿 轮的啮合传动原理即可看出：此时的A1B4直线段刚好处于啮合传动的起始点。当齿轮转动θ1 圆心角至B1A3节点位置时，则整个主动齿轮到达啮合受力传动的终点，随后就转入滑动状态。 连续啮合接力传动就无法实现。
(3)当我们将轮齿倾斜旋转θ2圆心角时，见附图8的S2圆平面。轮齿倾斜角：
设L＝2A1B1 则a值为26.565°
这时，如果也令该齿轮位于下方为从动轮，在S1圆平面上，A1B1属齿端部位置。主动 轮位于上方，在S1圆平面上刚好属齿根部位置。则此时S1圆平面上A1节点处于主动轮啮合 受力传动的起始点，S2圆平面上A3节点处则是终止点。沿A1A3整条弧线段是节点受力接触 轨迹线，并随着齿轮的转动θ1圆心角，S1圆平面上A1节点到达终止点。A1A3整条弧线逐渐 向A1节点收缩，由线接触变为点接触。而这时，S2圆平面上的齿端部A4B4点则向前旋转到 B4A3点，主动轮又可以连续从B4点开始对从动轮进行接力啮合传动了。
(4)从宽齿形斜齿齿轮的连续接力啮合传动过程的分析可以看出：如果轮齿的倾斜角 由(1.4)式决定，虽然节点受力接触轨迹线A1A3整条弧线段可达到最大值，但在S1S2啮合 受力的起始点和终止点，都只是点接触。为了增大宽齿形斜齿齿轮连续啮合传动的平稳性， (1.4)式中的a倾斜角度应适当增大，一般应扩大1.25～2倍。为了便于加工切削，可以在 合适范围内取整度数值。
当然，对本人先前发明的宽齿形组合行星齿轮，采用适当的轮齿倾斜角同样也具有增大 平稳接力啮合传动的效果。
(1)参见图2，先根据齿轮直径大小估计值和传动比，确定两个齿轮齿数z1、z2及主动 轮或从动轮齿顶圆4的半径Rd1或Rd2值。其中z1、z2应尽量取小值。
(2)由齿数z1、z2直接计算齿端部1或齿根部2所对应的圆心角3，也就是斜齿齿轮接 力啮合传动应错开的最小倾斜角，或各为两片齿轮同轴叠合时的轮齿应错开的旋转角θ1、θ2。
(3)由主动轮9或从动轮10的齿顶圆4半径Rd1或Rd2值，导出两个齿顶圆4相交的 弦长AB：
由图2、(1.1)式，可求出另一个齿顶圆4半径Rd2和节点最大的间距CD分别为：
(4)根据齿轮啮合传动连续稳定性要求，确定齿端部1外增部分6和齿根部2内留部 分7的厚度值ΔH。
(5)由图2即可看出齿轮各参数分别为：
全齿高： H＝CD+2ΔH
齿形宽度最大处：
齿轮外轮廓线的实际半径：
因为该齿形两侧的轮廓线都是由半径线段和折线段，齿端部1和齿根部2均为圆弧线段 拼接而成。连接拐弯处可直接切削成小圆弧形。图2、图3、图4的A、B位置及整个齿根部 2都应略为扩大，留下啮合传动的适当间隙即可。
(6)由图3、图4、图5看出：在啮合传动中，只有主动轮9为齿根部2、从动轮10 为齿端部1时，从节点11处沿齿顶圆4圆弧线AD和CB轨迹至节点12处，啮合传动才能 成立；当主动轮9为齿端部1、从动轮10为齿根部2时，主动轮9的齿端部节点12处已经 是啮合传动的终点，随后齿轮将处于未啮合传动的滑动状态。所以，参照笔者先前发明的固 定轴宽齿形叠合齿轮和宽齿形组合行星齿轮的设计，宽齿形斜齿齿轮的传动是利用斜齿倾斜 错开的圆心角才实现接力啮合传动的。
(7)现有的齿形为渐开线、圆弧及双圆弧......的各类齿轮，在每个啮合传动区段必须 同时存在两个以上的轮齿啮合接触点，传动才能连续。为了使两个以上的啮合接触点沿轨迹 运动时保持相同的角速度θv，达到平稳传动的目的，对齿形轮廓线的设计、加工的精度要求 就非常高。由本发明的图2、图3、图4、图5、图8可以看出：宽齿形斜齿齿轮的连续啮合 传动全过程，S1、S2每个圆平面上的啮合传动区段始终只有一个应力接触点，(在中心线处 为半径线段组成的整合面)。这个应力接触点分别固定在两个齿轮的齿端部1拐角点A处， 并沿着另一侧齿形整个侧面滑动。由此可知：它不同时存在两个以上的啮合应力接触点，因 角速度θv的微小差别发生互相干扰现象，齿形轮廓线的设计加工精度和磨损产生的误差也不 影响该齿轮啮合传动原有的平稳性能。
下面以具体实施例子进行优化选择：
(1)见附图8，设宽齿形斜齿齿轮的轴向长度(也就是两齿轮平面S1、S2之间的垂直 距离L)：L≥2A1B1
(2)如果附图8所示的宽齿形齿轮为直齿时，则圆平面S1上的节点A1应与S2圆平面 上的B4点的连接直线A1B4与短柱状的齿轮中轴线平行。如果令该齿轮位于下方为从动轮10， A1B1为齿端部位置，主动轮位于上方，刚好属齿根部位置。由图2、图3、图4的宽齿形齿 轮的啮合传动原理即可看出：此时的A1B4直线段刚好处于啮合传动的起始点。当齿轮转动θ1 圆心角至B1A3节点位置时，则整个主动齿轮到达啮合受力传动的终点，随后就转入滑动状态。 连续啮合接力传动就无法实现。
(3)当我们将轮齿倾斜旋转θ2圆心角时，见附图8的S2圆平面。轮齿倾斜角：
设L＝2A1B1 则a值为26.565°
这时，如果也令该齿轮位于下方为从动轮，在S1圆平面上，A1B1属齿端部位置。主动 轮位于上方，在S1圆平面上刚好属齿根部位置。则此时S1圆平面上A1节点处于主动轮啮合 受力传动的起始点，S2圆平面上A3节点处则是终止点。沿A1A3整条弧线段是节点受力接触 轨迹线，并随着齿轮的转动θ1圆心角，S1圆平面上A1节点到达终止点。A1A3整条弧线逐渐 向A1节点收缩，由线接触变为点接触。而这时，S2圆平面上的齿端部A4B4点则向前旋转到 B4A3点，主动轮又可以连续从B4点开始对从动轮进行接力啮合传动了。
(4)从宽齿形斜齿齿轮的连续接力啮合传动过程的分析可以看出：如果轮齿的倾斜角 由(1.4)式决定，虽然节点受力接触轨迹线A1A3整条弧线段可达到最大值，但在S1S2啮合 受力的起始点和终止点，都只是点接触。为了增大宽齿形斜齿齿轮连续啮合传动的平稳性， (1.4)式中的a倾斜角度应适当增大，一般应扩大1.25～2倍。为了便于加工切削，可以在 合适范围内取整度数值。
当然，对本人先前发明的宽齿形组合行星齿轮，采用适当的轮齿倾斜角同样也具有增大 平稳接力啮合传动的效果。
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