专利名称：长齿廓齿轮的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种齿轮，尤其是一种渐开线齿轮的改进，属于机械传动技术领 域。
背景技术：
据申请人了解，现有渐开线齿轮基本齿廓的共同点是基本齿廓的齿顶高系数 han* = 1，齿顶高和齿根高(不包括顶隙的)相等，工作高度h’= 2m，一对相啮合齿轮的齿 顶高系数相等。在长期无数次沿常规习惯地的应用中，人们由于忽略了以下3点，使得传统设计 造成有效渐开线齿廓的浪费可以加大的端面重合度没能加大、可以提高的承载能力没能 提高、可以降低的噪声没能降低。①齿顶高系数等于1的齿条型刀具加工生成的渐开线齿廓长度大于实际啮合使 用的有效齿廓长度，即加工生成的渐开线齿廓有一段长度(对大齿轮来说，这段长度往往 很可观)使用时没有用到而造成浪费(参见图3)。图3中，hAF-齿轮加工生成的可用齿廓 长度；hAE-齿轮实际啮合使用的有效齿廓长度。因而可以考虑到在该齿轮参数不变的情况 下，加高于之相啮合齿轮的齿顶高把原本浪费掉的一段渐开线齿廓利用起来。②磨齿时的实际齿条型刀具的齿顶高系数一般都大于1(有的滚齿齿廓也大于 1)，磨齿通常可达到齿顶高系数等于1. 1 1. 14的齿条型刀具加工生成的渐开线可用齿廓 长度。因而和齿顶高等于1的齿轮相啮合时浪费掉的一段渐开线齿廓更长，于之相啮合齿 轮的齿顶高可以加高的高度也可以更长。③加工齿顶高系数等于1的齿轮的齿顶高所需要的滚刀的齿根高小于1，即滚齿 所需要的滚刀的有效齿根高小于所加工齿轮的齿顶高。因而可以考虑不加大滚刀的有效齿 根高，用原有滚刀就可以加工齿顶高系数大于1的齿轮的齿顶高部分的齿廓。基于以上3点，申请号为200720131057. 0和200710191750. 1、名称为《变齿高齿 轮》的中国专利申请突破了基本齿廓的齿顶高系数han* = 1的限制，使齿顶高达1.05m 1. 25m,明显提高了轮齿的潜能。但因为受不改变原有刀具的思维束缚及进一步加大齿顶高 的设计技术障碍，轮齿的潜能仍远没有挖掘到位。事实上，渗碳淬火磨齿的硬齿面齿轮所用 的留磨滚刀总是要重新设计制造的，只是参数改变量大小的差异，也就没有必要完全受传 统刀具参数的束缚了。即使是调质齿轮，只要性价比合适，特殊设计刀具也不应成为限制。
实用新型内容本实用新型要解决技术问题是针对以上现有技术存在的缺点，在不改变现有工 艺手段的前提下，提出一种长齿廓齿轮。为了达到上述目的，本实用新型的长齿廓齿轮，具有沿圆周均布的轮齿，所述轮齿 两侧为渐开线齿廓，其中所述轮齿基本齿廓的齿顶高ha与所述齿轮的模数m之间的关系 1. 25m彡ha彡1. 45m，通常较好的控制范围为1. 25m彡ha彡1. 35m。[0010]进一步的，所述轮齿基本齿廓的工作高度与所述齿轮的模数m之间的关系为工 作高度等于2. 50m 2. 80m ；所述轮齿基本齿廓的全齿高与所述齿轮的模数m之间的关系 为全齿高等于2. 75m 3. 05m。而齿轮的同一个齿轮的齿顶高和齿根高(不包括顶隙)不 一定相等，相啮合的一对齿轮中的大、小齿轮的齿顶高也不一定相等。本实用新型可以应用于渗碳淬火磨齿齿轮，也可用于调质或正火滚齿齿轮。其有 益效果为，通过加大齿廓长度，充分挖掘了齿部的潜能，在几乎不增加齿轮材料成本、不改 变工艺、基本上不加大制造难度的前提下，以有科学依据的结构改进，可实现提高20% 30%左右的啮合线长度，提高的20%以上的接触承载能力，提高的10%以上的弯曲承载能 力并降低噪声的显著效果，以达到节能降耗、保护环境的目的。
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。
图1为本实用新型一个实施例的小齿轮齿廓示意图。图2为与
图1小齿轮啮合的大齿轮的齿廓示意图。图3齿轮啮合起始点E和渐开线起始点F位置示意图。图4为影响齿根弯曲强度的主要几何因素齿根厚度SFn，弯曲力臂hf，30°切线处 的齿根圆角半径PF。图5为在节点法平面内载荷作用于单对齿啮合区上界点D处的原理图之一。图6为在节点法平面内载荷作用于单对齿啮合区上界点D处的原理图之二。
具体实施方式
实施例一本实施例的长齿廓齿轮如
图1和图2所示。
图1为压力角20°齿数27的齿轮的 不变位χ = 0齿顶高系数为1的齿廓、与变位系数χ = 0. 65齿顶高系数为1的齿廓(图中 实线所示)、变位系数χ = 0.65齿顶高系数为1.3的齿廓(图中虚线所示)的对比图。图 中虚线所示为本实用新型齿廓。图2为压力角20°齿数61的齿轮的不变位X = O齿顶高 系数为1的齿廓、与变位系数χ = 0. 7352齿顶高系数为1的齿廓(图中实线所示)、变位系 数χ = 0.7352齿顶高系数为1.35的齿廓(图中虚线所示)的对比图。图中虚线所示为本 实用新型齿廓。图3中，hAF为加工生成的有用齿廓高度，hAE为啮合所实际用到的有效齿廓高度。 图4反映了影响齿根弯曲强度的主要几何因素齿根厚度SFn，弯曲力臂hf，30°切线处的齿 根圆角半径PF。图5和图6中α ‘ t-啮合角；aFen-载荷作用角；rl,r2-小、大齿轮的节圆半径；ral，ra2_小、大齿轮的齿顶圆半径；rbl，rb2-小、大齿轮的基圆半径；pbt-基齿距(基节)；[0029]P-节点；B-小齿轮单对齿啮合区下界点；D-小齿轮单对齿啮合区上界点。由图5和图6可以看出弯曲力臂取决于计算弯曲强度作用力的作用点的位 置_即外侧单对齿啮合点。该点在啮合线上为在离该齿轮齿根的啮合起始点A(即配对齿 轮齿顶进入啮合的起始点)一个基节距离Pbt的D点位置上。齿轮的齿顶高(图中相应的 齿顶圆半径ral)加大并不改变外侧单对齿啮合点D的位置。当配对齿轮的齿顶圆半径ra2 加大后，会引起该齿轮齿根的啮合起始点A位置的下移，带动外侧单对齿啮合点D的下移， 可抵消或部分抵消该齿轮齿根高加大使弯曲力臂增大的不利影响。因此，齿顶高加大不会 加大弯曲力臂，如果两个齿轮的齿顶高都加大还会减小弯曲力臂，对弯曲强度有利。如果在 保证生成的渐开线起始圆直径满足啮合起始点要求的情况下尽可能减小齿根高，就可最大 限度地减小弯曲力臂，提高齿根弯曲强度。本实施例的其它说明如下1)基本原理和设计依据(1)齿廓选取原则本设计首先立足于控制滑动系数。选择正变位可以减小齿轮的滑动系数。但是，正变位又会导致齿顶厚度减薄，因此，设计时，小齿轮的齿顶厚度可作为约 束条件来限制。正变位齿轮的齿廓曲率半径增大，两个齿轮啮合时综合曲率半径增大，啮合角增 大，有利于降低齿面接触应力，提高齿面接触强度。正变位齿轮可增加齿根厚度，提高齿根弯曲强度。要尽可能增加齿廓曲线段的长度，对20°压力角的齿轮可把齿顶高增加到 1. 25m 1. 35m，特殊情况可达1. 45m ；齿根高也根据啮合需要适度增加，以增大重合度，降 低齿面应力，提高强度。(2)变位系数和齿廓加长的原则和限制条件是控制较低的滑动系数，保证齿顶不变尖。(3)齿顶高加大并不改变外侧单对齿啮合点D的位置。相反配对齿轮的齿顶高加 大会引起内侧啮合起始点A的下移，带动外侧单对齿啮合点D的下移，可减小弯曲力臂。因 此，齿顶高加大对提高齿根弯曲强度有利。(4)用大的正变位增加齿根厚度，并在保证正常啮合工作的条件下，尽可能减小齿 根高加大量，本设计比常规设计减小了 0. 15m的齿顶间隙，尽可能降低了齿根高加大对齿 根弯曲强度的不利影响。(5)当以增大重合度、降低噪声为主要设计目标时，滑动系数的控制可以适当放 宽，最高可以把齿顶高增加到 1.45m。(6)当以提高齿根弯曲强度为主要目标进行设计时，采用25°压力角的长齿廓齿 轮具更大的优势。2)设计计算步骤(1)推荐大小齿轮都采用正变位的角度变位齿轮，且选择较大的变位系数之和X Σ O对20°压力角的齿轮，按小齿轮和大齿轮的变位系数之和χΣ = xl+x2 > 1. 2 1.8来确定模数、齿数、中心距、螺旋角等齿轮参数。χ ￡的取值，当小齿轮的齿数较多、齿数比z2/zl稍小时取小值，当小齿轮的齿数较 少、齿数比稍大时取大值。为了保证小齿轮的齿顶厚度，应控制xl < x2,当小齿轮的齿数较多时(如 zl彡28)，可使x2-xl > 0. 12 0. 15，当小齿轮的齿数较少时(如zl彡18)，可使x2_xl > 0. 22 0. 5。当受原始设计或初步设计的限制造成Xs偏小时，可通过适当调整模数、齿数、中 心距或螺旋角来增大ΧΣ。(2)初步确定大、小齿轮的齿顶高对20°压力角的齿轮，齿顶高ha取值范围1.25m 1.35m。特殊设计(如当以增 大重合度、降低噪声为主要设计目标时)也可取到1.45m。为了保证小齿轮的齿顶厚度，一般控制hal彡ha2，当小齿轮的齿数较多、齿数比 z2/zl稍小时(如zl彡28、z2/zl彡3)，可使hal = 1. 3m 1. 35m，当小齿轮的齿数较少、 齿数比z2/zl稍大时(如zl彡20、z2/zl彡4)，可使可使hal ^ 1. 25m。(3)校核齿顶厚度、滑动系数、端面重合度齿顶厚度Sa作为约束条件控制。过去常规对齿顶厚度Sa的要求为正火或调质 齿轮Sa > 0. 25m,渗碳淬火齿轮Sa > 0. 4m。随着齿轮制造精度的提高，修形技术的普遍应 用，啮合冲击减小，此限制值已被实践证明是过于保守，特别是对热处理和加工精度稳定的 齿轮可以远小于上述值。设计者的经验是可取正火或调质齿轮Sa > 0. 2m，特殊情况可取 0. 15m ；渗碳淬火齿轮Sa > 0. 28m，特殊情况可取0. 25m。对于小模数齿轮，可控制实际顶顶 厚度彡1mm。滑动系数也作为约束条件控制，一般控制在2以内，最好小于1. 5。对于以增大重 合度、降低噪音为设计主目标时，可不受此限制。计算端面重合度以了解是否达到期望值。(4)调整并确定变位系数和齿顶高系数。经过的校核，如果不能满足要求或未达到期望值，再对相关参数进行调整，直到满 足要求为止，最终确定变位系数和齿顶高系数。(5)确定齿根高和齿全高。小齿轮的齿根圆直径dfl = 2X (a，-da2/2_Cn)大齿轮的齿根圆直径df2 = 2X (a，-dal/2-Cn)上2式中a，_中心距；dal，da2_小、大齿轮的齿顶圆直径；Cn-顶隙，Cn = 0.25m。 该顶隙值既可满足调质齿轮又可满足渗碳淬火齿轮的需要。对调质齿轮顶隙值有时还可减 小至 0. 15m 0. 20m。渗碳淬火齿轮的顶隙Cn的取值比过去的常规设计减小 0. 15m,理论及实际计算 都证明是可行的，使用是安全可靠的。这样可使齿根高及弯曲力臂缩短 0. 15m，有利于提 高齿根的弯曲强度。下面的应用实例会用数据进一步说明。小齿轮的齿全高hal = (dal_dfl)/2[0068]大齿轮的齿全高ha2 = (da2_df2)/2(6)确定大、小齿轮齿顶圆直径的最终尺寸。(7)计算齿轮的啮合线长度与高度(8)其它有关校核①因刀具设计中已保证加工生成的渐开线高度hAF大于啮合的hAE渐开线高度(见 图3)，所以不存在啮合干涉问题，一般不需要做啮合干涉验算(具体的刀具设计不在本专 利的范围之内)。②顶隙要保证齿顶和齿槽在热态运行中不相碰及有足够的储油空间，一般0.2m 已足够，特殊情况可取0. 15m即可满足，本设计按0. 25m，足够富余。为安全起见，还是要对 该点做一下校核。要特别注意滚齿时窜刀(加工变位)造成齿根圆直径增大，及渗碳淬火 齿轮热处理造成齿根圆和齿顶圆直径增大和变形对实际顶隙的影响，考虑以上因素后可控 制实际顶隙彡0. IOm 0. 15m。对于小模数齿轮，可控制实际顶隙彡1mm。③特殊设计时如需要别的校核，可按一般齿轮设计计算方法进行。(9)25°压力角长齿廓齿轮的设计原则和程序和20°压力角基本相同。因为25°压力角比相同齿高、相同变位系数的20°压力角的齿轮的齿根厚度厚、 滑动系数低、齿顶厚度薄，所以25°压力角长齿廓齿轮设计的主要区别点为①不需要太大的变位系数之和Xp按Χ = xl+x2 = 1.0左右即可满足要求。②齿顶高ha取值范围1. 15m 1. 25m,个别可达1. 30m。③顶隙可按0. 2m。本实施例为一对渗碳淬火磨齿齿轮，如
图1所示，参数为压力角α = 20°，模数 m= 16_，齿数zl = 27，ζ2 = 61，中心距a，= 740_，螺旋角β =12°，齿顶高系数han* =1，顶隙系数Cn* = 0. 4，小齿轮的变位系数Xl = 0. 65，大齿轮的变位系数X2 = 0. 7352， 齿宽b = 300mm，设计为长齿廓齿轮可按以下步骤(1)计算原标准尺寸的齿轮参数及有关数值。求得小、大齿轮的分度圆直径dl = 441. 651mm, d2 = 997. 804mm ；小、大齿轮的齿顶圆直径dal = 490. 67mm, da2 = 1049. 549mm ；小、大齿轮的齿根圆直径dfl = 417. 651mm, df2 = 976. 53mm ；小齿轮的齿全高hi = (490. 67-417. 651) /2 = 36. 51mm = 2. 282m,大齿轮的齿全高h2 = (1049. 549-976. 53) /2 = 36. 51mm = 2. 282m,小齿轮与大齿轮啮合实用渐开线高度hE1 = 28. 088mm = 1. 755m ；大齿轮与小齿轮啮合实用渐开线高度hE2 = 26. 373mm = 1. 648m ；小齿轮，大齿轮啮合时的啮合线长度E1E2 = 65. 689mm ；端面重合度ε α = 1· 364。(2)小齿轮和大齿轮的变位系数之和χΣ = xl+x2 = 0. 65+0. 7352 = 1. 3852，符合 长齿廓齿轮的设计范围要求。(3)选小齿轮齿顶高1. 30m,大齿轮齿顶高1. 35m,求得小、大齿轮的齿顶高hal = 29. 3095mm, ha2 = 31. 4725mm ；小、大齿轮的齿顶圆直径dal = 500. 27mm, da2 = 1060. 749mm ；(4)经计算得
7[0096]小、大齿轮的齿顶厚Sal = 4. 447mm = 0. 278m > 0. 25m ；Sa2 = 6. 797mm = 0. 425m > 0. 25m ；小、大齿轮的滑动系数ξ 1 = 1. 053，1 2 = 0. 937，大小接近，且较低。端面重合度ε α = 1. 796，比原1. 364提高31. 7% ；齿顶厚度、滑动系数均符合要求，端面重合度达到期望值。(5)确定齿根圆直径和齿全高。取顶隙Cn = 0. 25m = 0. 25X16 = 4mm小齿轮的齿根圆直径dfl = 2X (a，-da2/2_Cn) = 2X (740-1060· 749/2-4)= 411. 251mm大齿轮的齿根圆直径df2 = 2X (a，-da 1/2-Cn) = 2X (740-500· 27/2-4)= 971. 73mm小齿轮的齿全高(dal-dfl)/2= (500. 27-411. 251)/2 = 44. 5095mm = 2. 782m大齿轮的齿全高(da2-df2)/2 = (1060. 749-971. 73)/2 = 44. 5095mm = 2. 782m大、小齿轮的齿全高比原设计的2. 282m加高了 0.5m，增加了 21.9%。(6)计算齿轮的啮合线长度与高度小齿轮与大齿轮啮合实用渐开线高度hE1 = 36. 255mm = 2. 266m ；大齿轮与小齿轮啮合实用渐开线高度hE2 = 34. 93mm = 2. 183m。小齿轮，大齿轮啮合时的啮合线长度E1E2 = 86. 52mm。比原设计的啮合线长度 65. 689mm 提高 31. 7%。本设计用增加21. 9%的齿全高，获得提高31. 7%的啮合线长度和重合度的效果。(7)其它有关校核齿顶厚度、滑动系数、端面重合度等已做校核。设计顶隙4mm，现根据刀具参数及相关工艺参数再作以下校核小齿轮滚齿时刀具外退0.097mm 0.214mm，滚齿轮后实际齿根圆直径上差尺寸 为411. 679mm，热处理造成齿根圆和齿顶圆半径增大和不规则变形量按0. 15%计分别为 0. 31mm 和 0. 38mm。大齿轮滚齿时刀具滚齿深度加深0. 342mm 0. 459mm，滚齿后实际齿根圆直径上 差尺寸为969. 446mm，热处理造成齿根圆和齿顶圆半径增大和不规则变形量按0. 15%计分 别为 0. 73mm 和 0. 80mm。啮合时小齿轮齿根实际顶隙为Cnl = 4-滚齿时刀具外退量0. 214-小齿轮热处 理造成齿根圆半径增大量0. 31-大齿轮热处理造成齿顶圆半径增大量0. 80 = 2. 67mm = 0. 167m > 0. 15m，符合要求。啮合时大齿轮齿根实际顶隙为Cn2 = 4+滚齿时刀具滚深量0.342-大齿轮热处 理造成齿根圆半径增大量0. 73-小齿轮热处理造成齿顶圆半径增大量0. 38 = 3. 23mm =
0.20m > 0. 15m，符合要求。(8)经强度计算，该对齿轮长齿廓设计后小齿轮的接触强度安全系数由原来的 1.31提高到1.492，接触强度承载能力提高29. 7% ；大齿轮的接触强度安全系数由原来的 1.334提高到1.515，接触强度承载能力提高29% ；小齿轮的弯曲强度安全系数由原来的
1.99提高到2. 314，弯曲强度承载能力提高16. 3 %，大齿轮的弯曲强度安全系数由原来的
1. 954提高到2. 236，弯曲强度承载能力提高14. 4%。 小齿轮原重727kg，长齿廓设计后零件重量仅增加 1kg，齿坯材料增加19kg，增 加1. 5% ；大齿轮原重1865kg，设计后零件重量仅增加 4. 5kg，齿坯材料增加44kg，增加 1. 3%。本实用新型实施例用增加 1. 5%的齿轮材料，取得提高31. 7%的的端面重合度， 提高29%接触强度承载能力，提高14% 16%弯曲强度承载能力的显著效益及可明显提 高运行平稳性、降低噪声的效果。
权利要求一种长齿廓齿轮，具有沿圆周均布的轮齿，所述轮齿两侧为渐开线齿廓，其特征在于所述轮齿基本齿廓的齿顶高ha与所述齿轮的模数m之间的关系1.25m≤ha≤1.45m。
2.根据权利要求1所述长齿廓齿轮，其特征在于所述轮齿基本齿廓的齿顶高ha与所 述齿轮的模数m之间的关系1. 25m ≤ ha ≤ 1. 35m。
3.根据权利要求1所述长齿廓齿轮，其特征在于所述轮齿基本齿廓的齿顶高ha与所 述齿轮的模数m之间的关系取ha为1. 45m。
4.根据权利要求1所述长齿廓齿轮，其特征在于所述轮齿基本齿廓的工作高度与所 述齿轮的模数m之间的关系为工作高度等于2. 50m 2. 80m ；所述轮齿基本齿廓的全齿高 与所述齿轮的模数m之间的关系为全齿高等于2. 75m 3. 05m。
专利摘要本实用新型涉及一种渐开线齿轮的改进，属于机械传动技术领域。本实用新型的长齿廓齿轮具有沿圆周均布的轮齿，所述轮齿两侧为渐开线齿廓，其中所述轮齿基本齿廓的齿顶高ha与所述齿轮的模数m之间的关系1.25m≤ha≤1.45m，通常较好的控制范围为1.25m≤ha≤1.35m。采用本实用新型可以充分挖掘齿部的潜能，在几乎不增加齿轮材料成本、不改变工艺、基本上不加大制造难度的前提下，实现提高20％～30％左右的啮合线长度，提高的20％以上的接触承载能力，提高的10％以上的弯曲承载能力并降低噪声的显著效果，以达到节能降耗、保护环境的目的。
文档编号F16H55/17GK201679933SQ20102019707
公开日2010年12月22日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者李钊刚 申请人:李钊刚