角度可变的齿轮系统的制作方法

专利名称：角度可变的齿轮系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及齿轮传动及常速万向接头，特别涉及用以下方式直接连接两根轴的齿轮系统，在这种方式中，转动从驱动轴传输至从动轴，同时还允许轴的轴线间的相交角度离开180°直线而在整个相对宽和连续的角度范围内变化(例如±40°)。
背景技术：
几个世纪以来，内、外齿轮和正齿轮曾用于相互连接处于直线对准和平行轴线上的轴，而斜齿轮曾被用于传输其轴线在固定的角度下相互相交的轴间转动力，该固定角度可在从90°至180°的全部范围内延伸。在本世纪，发展了准双曲面齿轮以完成涉及轴的相同目的，这些轴不仅在整个很宽的角度范围内相互相交，而且它们的轴线是偏移的(即非相交的)。对于这样已知的内、外正齿轮，轴的准直性是一个绝对必要条件；而已知的斜齿轮对和准双曲面齿轮对是只对齿轮轴线间的一个预定角度特定情况加以设计的。
但是，已知某些特殊的连接和接头装置用于抵销小量的轴非准直性，其中运行期间，在传输线对准轴线间的力时，必须经历小量的角度改变。例如，已知采用在尼尤套筒中的双齿冠正齿轮以连接轴，它们可经受平行偏移(如，0.04″/1mm)或微小角向非准直性(如，＜1°)的微小相对运动。但是对轴线间每个相当程度的角度改变(如，＞1°)，必须设计和生产全新的配对齿轮组以保证恰当的连接和转动力的传输。
当然，已知非齿轮装置用以在经受角度改变的同时，在轴间传输转动运动。可能最熟知的这种装置是万向接头，它用于连接汽车中的驱动轴和轮轴。这样的方向接头常常制造成两个小的相交轴的形式，每根轴被相应的轭架所夹持。然而，被这种轭架连接的轴和轴接头在每个整转圈的全过程中都不以相同的转速转动。因此，发展了常速(“CV”)接头(如Rzeppa和Birfield)，其中，成角度的轴间的连接点由滚动滚珠提供，在驱动和从动轴的每个转圈期间，这些滚珠在单独的轨道中前、后滚动，以便将它们相应的中心总是保持在平分轴间瞬间角度的平面中。
这样的万向和CN接头相当复杂，润滑相对困难，但这样的接头部件的设计和制造公认是对世界范围汽车工业至关重要的十分特殊和深奥的技术。虽然该CV接头技术发展良好，但接头昂贵，包括很多难于生产的零件；且这样的接头在它们能传输的旋转速度方面，和在它们能在其中运行的角度范围方面都受到限制。此外，由这样的接头能获得的旋转速度受滚动滚珠惯性的限制，因为在每一转圈中，滚珠运动必须反向。我们的发明在任何技术中都具有宽广的潜在使用性，其中，在运行期间，运动是在以可变的角度进行相交的轴间传输的；如下文最佳实施例的说明所示，我们的发明对CV接头技术具有特殊的适用性，并对CV接头技术提供了惊人的改进，为CV接头的设计提供了惊人简化和改进的基础。

发明内容
从其最广泛的意义来说，我们的发明是具有新型齿轮传动型式的齿轮系统，用于以下述方式直接连接两根轴，在这种方式中，它将转动从驱动轴传输至从动轴，同时还允许轴的轴线间的相交角度(“轴角”)改变。这样的角度改变可位于一个宽广和连续的整个范围中，该范围从伸至180°的两侧(即伸至轴线或处于平行的准直性位置，或处于重合位置的两侧)至某一与180°相差大于2°(如40°)的最佳的最大角。如这里使用的名词“最佳的最大角”表示任何角(在任一侧不同于180°的任何角)，该角是轴必须能达到的最大相交角，以便令人满意地传输齿轮系统被使用的特殊用途中的转动力。例如，假定最佳的最大角是40°，可能的活动联接必须达到在180°直线对准位置的两侧备为40°；而当轴传输转动力时，这将允许轴在80°的全范围之内相互相对进行角向的调整。
通常，发明应用单独一对齿轮以便在两根轴之间传输常速，同时允许轴间角度在运行期间改变。在最佳实施例中，轴的轴线能绕共同枢轴点在任何平面相互相对地活动联接；这通过一种设计加以完成，其中两个齿轮的节圆尺寸相同，且实际上永远为同一球上的大圆而存在。按照球形几何的公理，这些大圆相交于两点，形成在球表面上的，位于相交的大圆之间的(即，位于齿轮的节圆之间)这对月牙绕该球的表面铭刻出一个巨大的双纽线(“8字”)。我们相信，由于在配对齿轮间共享的齿接触点的相对运动在齿轮轴的所有相对角度调整铭刻出相应的双纽线，两根轴以常速转动。
为我们发明的这一主要结构，我们采用具有预定节圆，带内齿的第一齿轮，然后用带外齿，且具有与第一齿轮有相等节圆的第二齿轮与其配对。齿轮具有配对齿，它们在两个区域处于啮合，两个区域的中心分开180°且，由于它们的节圆是相同大小的，它们以1∶1比例转动。
发明也能构造成用两个外齿轮，以1∶1比例来传输旋转运动，或以不同于1∶1的比例来传输旋转运动。在后一类型结构的所公布的实施例中，齿轮的每个有效节圆相应是两个尺寸不同的球中相应一个球的大圆，它们共享一个相交点，两个球中较小的一个或位于较大球之内，或位于较大球之外。但是，在这些实施例中，与普通内或外齿轮传动装置的方式相似，齿轮只共享单个啮合面积。
为使用我们的角度可变的齿轮系统中刚说明的结构中的任一种，公布了四种不同的齿轮齿设计，即圆周/切线(“CT”)设计，菱形上的圆周(“CD”)设计，“月牙”设计和月牙/反向曲线(“L/IC”)设计，下文将对所有设计详细说明。所有这些设计都允许齿轮的轴线可在整个角度范围内可变地相交，该角度范围从180°的两侧算起直至某一最佳的最大角，且所有都共享一个共同特点当从其齿轮的节平面看，在每个配对齿长度方向的齿表面中，至少其中央部份是一个单个圆的弧，而此圆的直径选成，当所述齿轮以驱动和从动联系转动时，相交轴线能连续地在角度的整个最佳范围内变化[注齿轮的“节平面”是一个平面，它与其轴平面(包括其轴线的平面)垂直，与其节表面相切]在CT和CD设计中(以及以L/IC组合对中的一个齿轮中)，当从节平面看，每个齿只有中央部份是由单个圆的弧形成的；而在月牙设计中，每个齿表面的整个长度方向曲率是单个圆的弧。
在我们齿轮的最佳设计中，经节选成，当齿轮的轴线以最大最佳角相互倾斜时，每个齿轮的两个或两个以上配对齿将在齿轮间共享的每个啮合面积同时处于啮合中，如在普遍的齿轮传动设计一样，齿厚度选成以确保啮合中的齿数能安全地传输预期的负载。
在CT和CD设计中，当从节平面察看时，每个配对齿的两个齿表面的中央部份都是相应的弧，它们形成具有预定直径的单个圆的相对侧。
在月牙设计中，形成每个齿表面的整个长度方向曲率的弧也是取自具有预定直径的单个圆。然而，在月牙设计中，该圆等同于在特定球的表面上形成的特定圆，且其直径所对的，从该球中心计量起的角度等于齿轮轴线间的最大期望相交角。1∶1装置的月牙形状是形成于球上的圆，每个齿轮的节圆是该球上的大圆；而对不同于1∶1的装置，该圆形成在两个相交球中较大的一个球上。
CT，CD和L/IC设计最好用于齿轮可在两个方向驱动或者从动的实施例，因为CT，CD和L/IC齿可不具间隙(即只具有最小的组件容隙)令人满意地运行。相反，只有当齿轮轴线以最大期望角相交时，月牙齿才没有间隙。当轴的轴线成180°对准直线时，月牙齿间的间隙增至最大。因此，在大间隙将生产运行问题的场所，月牙设计是不现实的。
对1∶1装置，齿轮齿的顶部和底部面之间最好制作成具有直边剖面，因为(a)配对齿不是相互相对地滚动，而是有些像准双曲面齿轮似的，共享滑移接触，和(b)直齿边加长配对齿上的接触图型。此外，从下文详细说明中将清楚，渐开线剖面与CT，CD和L/IC设计相对地是不相容的。
然而，渐开线剖面与月牙设计相当相容，而且对不同于1∶1的装置，这样的渐开线剖面是必须的，因为齿除相互滑移通过外，还必须一起滚动。此外，在某些1∶1装置中，渐开线剖面可能是要求的，在这种装置中，齿轮不传输转运动，而仅仅是章动(nutate)。
发明的主要齿结构将连同在新型CV接头结构中发明的不同应用进行详细说明，这种结构的特点是在所有平面上活动联接的宽广角范围和尺寸、重量的惊人下降，还有润滑方便的结合。
附图概述

图1是本发明的第一装置提出的用于以1∶1的比例，在一对轴线成可变相交排列的轴之间传输旋转力的一对齿轮的示意和局部剖面图，齿轮安装在各自的支架内，而所示的相应轴以它们的轴线成180°直线对准。
图2是一幅象征性的局部视图，只表示了图1中齿轮系统的齿轮和轴的部份，但所示齿轮轴线成最佳的最大角相交。
图3A、3B和3C示意地展示了一对转动配对齿轮的节表面上齿接触点组之间的相对运动，该对齿轮以图2通常指示的方式进行布置。
图4是图3A、3B和3C中所示相应齿接触点组之一的其间相对运动的图形展示。
图5A是图1中配对齿轮对的部份示意图，表示了齿轮以它们相应轴线成180°直线对准，并标出了每个齿轮的顺序齿之间的在其节圆上的投影弦中心距离；而图5B示意地表示了在所选最大最佳角x下可变地相交的(如在图2)同一对齿轮的一部份，表示当齿轮绕它们的相应轴线转动时，它们的啮合齿在修正平面投影中的情况。
图6是本发明提出的一对齿轮的啮合齿的局部外形示意图，视图取自成180°直线对准齿轮的径向中心平面。
图7是本发明的CT设计提出的齿轮齿外形示意图，所示外形位于其齿轮的节平面。
图8A，8B和8C是本发明的CT设计提出的一对齿轮的啮合齿的外形示意图，所示外形位于修正平面投影，而所示该齿轮对以它们的轴线在最佳的最大角x下相交；图8A表示齿轮对的啮合面积中的第一啮合面积，而图8B表示时间上同一瞬间的第二啮合面积；图8C表示在每个齿轮进一步转过四分之三周节距离后，示于图8B中的第二啮合面积。
图9A和9B表示本发明的CD设计提出的确定一对齿轮的齿形几何制图。
图10是本发明的CD设计提出的一对齿轮的啮合齿的外形示意图，外形示于修正平面投影。
图11是另一种形状变化方案提出的另一对齿轮的啮合齿的示意图，它适用于本发明的CT或CD设计中的任一种，啮合齿以外形示于修正平面投影。
图12示意地表示了CD和CT设计齿要求的十分微小的顶端消除间隙，在图中十分夸张地展示了顶端消除。
图13A和13B是本发明的“月牙”设计提出的齿轮齿形状的示意展示，图13A展示了确定形成每个齿面的长度方向曲率的圆弧的几何制图，而图13B展示了当齿轮绕在所选最大角下可变地相交的各自轴线转动时的两组啮合齿，齿轮齿的外形又示于修正平面投影。
图14A和14B是本发明的L/IC设计提出的一对齿轮对的啮合齿外形的示意展示，该外形示于该齿轮对的修正投影；图14A中，齿轮的轴线在最佳的最大角下相交，而图14B中的轴线在20°下相交。
图15是本发明提出的常速接头的第一实施例的示意和局部剖面图。
图16是本发明提出的常速接头的另一实施例的示意和局部剖面图，该实施例最好用于高速和高扭矩的情况。
图17是两个常速接头的示意图，这些接头相似于图15中所示包括于活动联接驱动轴组件的接头。
图18是常速接头的示意图，它相似于图15中所示包括于汽车操纵驱动轴的接头。
图19是转动常速接头的示意和局部剖面图，该接头相似于图15中所示的接头，该接头在图纸平面内活动联接，并包括密封套管和润滑流体。
图20A和20B是一个装置中的本发明的齿轮系统又一实施例的两个示意视图，用于在不同于1∶1的比例下传输转动力，图2A是一对内/外齿轮对的顶视图，该齿轮对支持在以小于180°的角相交的轴上，而图20B只是此同一对齿轮的端视图，此时它们的相应轴在180°下直线对准。
图21是本发明齿轮系统的又另一装置的示意图，用于在不同于1∶1的比例传输转动力，该实施例仅采用了外齿轮。
最佳实施例的详细说明齿轮系统图1至5B展示了一对旋转轴相互连接的本发明中第一个的一对齿轮的各种特点。图1是该第一个装置的示意和局部剖面图，固定在杯状支架12上的内齿轮10用花键接合至轴14，而该轴14安装在支座26的轴颈16中。配对外齿轮20被装配以转动第二轴24的轮毂22，而第二轴24则支承在壳体18中以便在一个适当的轴承28中转动。支座26本身用销钉30枢轴地安装在壳体18上以便绕轴线32而转动。
图1中，所示轴14和24被布置成它们各自的轴线成180°直线对准。(图5A中是在该180°直线对准时的齿轮10和20的部份齿)。在该位置下，齿轮10和20的齿以齿轮连接的相同方式啮合在一起。
包括内构件34和外构件36的球形轴承将配对齿轮10和20保持于合适的啮合关系。也即，内构件34栓接至轴14的端部，而外构件36则被截获在轮毂22和齿轮20内侧上的唇缘38之间。
图2象征性地只表示了图1所示的齿轮系统的齿轮和轴的部份。但是，图2中所示轴14和24的各自轴线40，42相交成“最佳的最大角”(即，在传输转动力时，轴的轴线相交变化能达到某一预定的最大轴角x)。
实线表示齿轮20在第一方向绕轴线32枢轴转动角度x，而点虚线表示在相反方向绕轴线32枢轴转动角度x。这展示了在转动力能令人满意地传输的同时，齿轮对枢轴转动的变化能完成的宽广的相交角度范围。在轴的轴线间这样的可变角度相对运动期间的所有情况下，齿轮10和20在两个啮合点保持啮合，每一个啮合点中心所在的点是齿轮的节表面与轴线32相交的点。
在图1至5B中所示的该主要第一装置中，齿轮10，20当它们各自的轴以1∶1比例转动时，以相似于已知的齿轮连接方式进行运行，这是由于它们不相互相对转动。然而，只要它们各自的轴的角度方向可变地调节成不同于180°直线位置(如图2所示)，则即使齿轮总是以相同速度转动，齿轮的齿也连续地移入和移出啮合。
在图3A，3B和3C中示意地展示了齿轮10，20的齿出入啮合的相对运动，这三幅图相应地展示了当轴线40，42相交成某一最佳最大角度x时，绕轴线40，42的相对齿轮转动的三个不同位置。图3A，3B和3C表示了，当配对齿轮的齿移入和移出啮合时，齿接触点的四个不同的相应组的相对前移。
图3A中，内齿轮10上的齿接触点A与外齿轮20上的齿接触点A′啮合；而同时，内齿轮10上的齿接触点C与外齿轮20上的齿接触点C′啮合，图3B表示，在齿轮以1∶1转过1/4圈之后，每个齿轮上的相同齿接触点，现在，齿轮10的齿轮齿接触点D和B与齿轮20的点D′和B′处于啮合接触。随着再一个1/4圈，如图3C所示，齿接触点A，A′和C，C′又处于啮合，但位于与图3A所示的它们的初始接触位置相差180°的相对位置。
在图3A，3B和3C中所有齿接触点都位于它们相应的齿轮的节圆上；而在几何上，这些节圆是在同一球面上的各个大圆。所有的大圆在相差180°的两个位置上相互相交。图4是图3A，3B和3C中所示的相应齿接触点组中一个组之间的相对运动的示意表示，也即，当齿轮10，20在一起转一个完整圆周时，沿齿接触点A，A′的相应节圆10′，20′，描绘齿接触点A，A′的运动。虽然各自的节圆表示在平面投影中，仍能看出，每个齿接触点描绘双纽线形图形(一个在“球形表面上的8字形”)；而这是方向接头技术中所熟知的，当在两根活动连接轴之间传递常数速度时，这样的双纽线运动是必不可少的。
如上所述，图5A示意地表示了图1中一对配对齿轮的一部份，当内齿轮10和外齿轮20的相应轴线在180°下成一直线。在这一位置上，相应的节圆10′和20′重合。在重合的节圆上标出的相应为内齿轮齿I1和I2的齿中心44和45，以及相应为外齿轮齿E1，E2和E3的齿中心46，47和48。也标出了相邻齿中心46，47和齿中心47，48之间的投影弦中心距离PC。
图5B示意地表示了图5A中所示的基本相同的齿轮10，20的部份。然而，在图5B中，所示齿轮在选定的最大最佳角度x之下可变地相交(如图2所示)，而齿轮齿被表示成每一相应齿轮齿组的节圆柱的修正展开平面投影。平面投影被修正，因此在平面投影上相邻齿之间的中心距离等于齿中心之间的投影弦距离PC。
如图5B所示，当齿轮10，20以它们各自的轴线在预定的最佳最大角度x下可变地相交着而一起转动时，它们的啮合衔接中心与齿轮所围绕的，相互相对而枢轴转动的轴线32重合，而在齿轮间传送的负载被十个齿所分担。也就是说，虽然在图5B中表示的只有五个齿处于啮合衔接之中，但如上所述(如在图1中能看到的)，齿轮10，20总是同时相对两个相距180°定位的啮合中心而啮合。
再一次提请特别注意这一事实，即齿轮10，20不是按一般齿轮传动系统中配对正齿轮和螺旋齿轮的方法相互相对来进行滚动的，一般设计的齿轮齿不适用于我们新型的角度可变齿轮传动系统，为此我们已发展了独特的齿轮齿设计。
齿轮齿设计
(a)基本设计要素如上所述，我们的角度可变齿轮传动系统可用于不同于1∶1的比例下传输转动力。然而，其主要应用之一涉及这种1∶1的装置，因此以下讨论将针对适用于这样装置的齿轮齿设计。
请参考图6，这里示意地表示了本发明提出的一对齿轮50，52的啮合齿的局部外形；为清晰起见，外齿轮52并未以剖面表示。齿轮的轴线在180°下成直线对准，且外形取于齿轮的径向中心平面。所示的两个外齿轮齿54，55与三个内齿轮齿56，57，58处于完全啮合中。
由图6可见，所有齿轮齿的工作表面是直边的。这是最佳的外形形状。正如上述，只要当我们齿轮的轴线不在180°的直线位置，同时齿轮以1∶1的比例转动，齿轮就总是绕着它们两个共有的啮合中心移入和移出啮合。这一运动引起啮合齿的表面相互相对滑移，且这种滑移方式有些相似于准双曲面齿轮的啮合齿之间发生的滑移接触。最佳的直边齿表面产生通过啮合的滑移接触的全线。此外，如果直边齿能按照径向线60而设计，则齿槽形状(由线62加以表示)是最佳的。
按照我们发明的齿轮齿具有的另一个共同的特点，对此特举按发明的CT(圆周切线)设计成形的齿轮齿作为例子来加以说明。图7是CT齿轮64外形的示意表示，该外形被表示在其齿轮的节平面上。与我们发明提出的所有齿一样，该CT齿包括以下基本结构特点齿64工作表面的位于其径向中心线68两侧的中央部份66，67是由一个单一圆70的弧形成的，该圆周70的直径选择成，当其齿轮与我们发明提出的配对齿轮以驱动和从动关系转动时，配对齿轮轴线的相交可由成180°直线至扩展在180°线两侧的预选最大的最佳角度的整个角度范围内连续变化。形成每个TC和CD齿(以及L/IC组合结构的齿中的一个)的两个工作面中央部份的圆弧是由相同的圆周形成的，然而，当每个月牙齿的两个工作面也是具有相同直径的圆弧时，它们不在同一圆周上形成。这些特点在下文将更为详尽地讨论。
此外，在所有我们的设计中，所要求的单一圆的直径选成以便能确保两个以上配对齿能绕每个配对齿轮共有的啮合中心同时处于啮合。单一圆直径的选取以及其它参数将在我们发明的四个最佳齿设计的下述说明中另以描述。(b)CT(圆周切线)齿设计正如以上说明以及由图7所看到的，我们的CT齿轮齿的设计由单一圆周的选取开始。第一步的处理是与齿轮传动技术中熟知的方法相同的，也即我们齿轮对的尺寸和强度规格一开始是根据角度可变齿轮系统被使用(例如，用作自动轻型卡车的操纵/驱动轴的VC接头)的应用而加以确定的。齿轮的齿顶圆(最大直径)可能受限于齿轮传动必须工作所在的实际空间，而径节必须选成，齿的法向弦厚度(即，每个齿沿节圆的弦厚度)足以承受啮合中所有齿数携带的最高预定负载。
对此，最好回忆一下，当使用我们的齿轮系统在1∶1比例下传输运动时，一对我们的齿轮能处理一对相同尺寸的普通齿轮的负载的两倍。这是因为我们的齿轮对共有两个中心相距180°的啮合面积，因此，它们在啮合中所具有的齿数是相同尺寸普通齿轮的两倍，提供法向弦厚度的径节可选成大大小于通常所要求的。
请再参考图7，按照适当的齿顶尺寸和径节的选取，单一圆70用于形成齿的中央部份。圆70具有的半径R产生一个圆，该圆沿径向中心线68具有要求的法向弦厚度D。
其次，最好将每个齿轮的长度方向的面宽度扩展成足以保证有两个以上的齿绕我们齿轮对共有的两个啮合中心的每一个而处于啮合。为完成这一点，最起始的确定是按照特殊应用中要求的角度变化度进行的。例如为特殊运货车驱动轴设计的万向接头可能不大于5°-10°，而在操纵一驱动器中可能甚至要求大于40°的活动接头。如上所示，我们称该要求的角度变化度为“最佳的最大角x”。
在图7所示的例子中，假定最佳的最大角x为40°。在径向中心线68的两侧标出角度x(由点AB和EF之间的作图线表示)，因此，点A和E在中心线68的两侧，在齿表面66上度量相应的齿表面角x(在该例中，40°)，而点F和B在齿表面67上度量相同的齿表面角。
然后，通过相应由直线72，73和74，75画出所构制齿表面延伸部份来扩展相应的齿表面66，67，每条直线画成与相应的齿表面角点A，E，B，F相切。每条延伸线72，73和74，75相应地从其切点向与轴向中心线76的投影交点延伸，从而完成齿表面延伸部份的构制。在最终的齿形状中，这些延伸部份的尖端最好如虚线所示的加以倒角。
由于每根延伸线72，73和74，75与画至其切点的相应半径线是垂直的，根据简单的几何分析，每一所述延伸线和轴向中心线76之间形成的角也等于x(在该例中，40°)。
按照该CT设计而配合的齿，当我们的齿轮以可变相交角而相互连接两根轴时，将适当地滑入和滑出啮合。此外，该CT设计还保证，甚至在齿轮轴线以最佳的最大角相交时，在啮合衔接的齿轮对一个或两个中心，有两个以上配对齿携带负载。
此外，假如径节选取成使每个齿轮具有奇数齿，该设计将保证当齿轮以最佳的最大角相交时，绕啮合衔接的两个齿轮对中心都有两个以上配对齿携带负载。图8A和8B示意地展示后一情况，它们表示了按发明的CT设计的一对齿轮的啮合齿的外形，这些外形表示于修正平面投影，且所示齿轮对在最佳的最大角x下以它们的轴线相交。
图8A表示按刚如上述的方法设计的CT齿轮对的啮合面积的第一个例子，而图8B表示了同一齿轮对在时间的同一瞬间的第二个啮合面积。同样为展示起见，假定齿轮齿是按最佳的最大角为40°而设计的。如上所述，这在轴线或是成平行直线排列或重合的位置的两侧各提供扩展40°的角度范围，从而产生了总共为80°的活动连接。
在图8A中，外齿轮齿80的中心位于第一啮合面积的中心，且外齿轮齿80与内齿轮齿81，82接触。在时间的同一瞬间，在图8B所示的共有啮合面积上，内齿轮齿83的中心位于啮合面积的中心，且内齿轮齿83与外齿轮齿84，85接触。这样，当被齿轮对相互连接的轴在最大角下相交时，有6个齿分担负载。
图8C表示于图8B中的第二啮合面积在每个齿轮进一步转过四分之三周节距离的瞬间情况。在图8C所示的时刻，外齿轮齿86的径向中心线与内齿轮齿87的前表面向右滑移(按图来看)，沿齿87的后表面向左滑移。同时，内齿轮齿87和外齿轮齿85之间的接触线沿齿87的前表面向左滑移，沿齿85的后表面向右滑移。
如以上刚指出的，当轴的指向是在最佳的最大角x时，啮合齿数对所有预定的运行条件而言是最少的啮合齿数；当轴移入基本成180°直线时，齿轮的齿以连接似的方式全部相互完全啮合。因此，在最佳的最大角时，假如齿的所选径节和法向弦厚度是以使啮合的齿携带预期的负载，则在较小的角向指向时，齿轮对将具有相当的强度。
在齿轮传动领域的普通技术人员，根据我们的齿轮之间的滑移接触将对齿轮齿面的可能刻痕必须给予特殊考虑表示关注。但是，在考虑我们齿轮传动系统中可能的刻痕时，必须指出，(a)由于负载被两个啮合中的多个齿同时分担，每个齿上的表面压力减少，而(b)在每个共有的啮合中，每个齿的相对齿表面都相应的地处于负载之下。此外，当轴的角度趋近180°时，每对啮合齿，当它们进入和移出啮合时，相互相对滑移所通过的齿表面距离也减少。因此，当齿轮间的轴的角度减少时，滑移速度减少，假如在最佳的最大角时齿轮齿间的表面压力和滑移速度是可接受的话，则刻痕问题的可能性将变得最小。(c)CD(菱形上的圆周)齿的设计可能存在其它方法以确定适合于我们角度可变齿轮传动系统的齿轮齿设计参数的同时，我们采用一般的几何设计；而在图9A和9B中所示的我们CD齿的一般几何设计进行如下(1)与上述我们CT齿的说明的方法一样，我们CD齿的设计也是从根据齿轮传动使用的应用首先确定要求的尺寸和强度规格开始，由此选定合适的齿顶尺寸，径节，和齿的法向弦厚度。
(2)紧随这些适当基本参数的最初选定，将齿轮对中的外齿轮的一部分绘制成示于图9A右手部份的轴向视图形式。也即，绘制其节圆a的一部分以及至少两个齿中心b和c。选取通过齿中心b的径向线d标作“拟凝中的啮合”中心将外齿轮节圆a的一部分的展开平面投影a’绘制成与径向线d垂直。
(3)在径向线d和展开节圆a’的交点标上投影的齿中心b’，作为如上所述的拟凝啮合的中心。然后，将邻接齿中心b的第二个齿中心c从最初绘制的节圆a投向展开的节圆a’，并认定为投影的齿中心c’。
(4)其次，绕齿中心b′和c′相应地绘制圆e和f，每个圆的直径等于在以上(1)中所选径节确定的法向弦齿厚度。如本领域的普通技术人员所理解的，该直径也等于齿轮投影周节的一半(如以虚线示于投影齿中心b′和c′之间中点的相同直径的圆)。
(5)然后，通过拟凝啮合中心b′按角度x画出该齿轮对中内齿轮的节圆g的展开平面投影，而所选角度x等于齿轮轴间的最大的要求的相交角度，在展开的节圆g上标出两个新的齿中心h和i，齿中心h和i所在相隔的距离等于投影的周节，且以啮合中心b′为中心。绕中心h和i画出新的圆k和m，每个圆具有与齿圆e和f相同的直径。
(b)现在参考图9B，它是开始于图9A左手部分投影啮合制图的继续。展开的节圆g也是每个齿圆k和m的径向中心线，而角x(它等于齿轮轴线之间相交的最佳的最大角)则在中心线g的两侧，在齿圆k相对面的每一个面上标出，从而在齿圆k的每一相对面上产生两个相应的齿面角(为x°的)。然后在齿圆k一侧上，相应齿面角的外点o和p之间画上弦n，再通过齿中心h和弦n绘制二等分线q。
(7)从点O画切线，该切线与齿圆f的表面切于r点并终止于其与二等分线q的交点S。从点s至弦n的另一端的p点画第二条线，最终的等腰三角形ops的等边形成延伸部份的基本形状，它在齿圆k的一侧增加齿轮齿沿轴向方向的长度宽度。现在延伸二等分线q以形成齿的轴向中心线，如图9B所示，然后从在齿圆k的相对侧上的相应齿面角的外点延伸，画出相同尺寸的三角形，从而完全在相对轴向方向的延伸部份。
(8)然后，按刚说明的方法绕齿中心h绘制的这一显然为“菱形的圆周”的齿形的外形被用作配对CD对中两个齿轮的齿形(当从齿轮的节平面上察看时)。当然，如那些精于齿轮设计和制造技术的人干所理解的那样，虽然我们最终的CD齿形基本是这一形状，但对尖端的去除，间隙，边缘以及表面光滑等的少量修正是必须进行的。
在图10中示意地展示了一组这样的啮合CD齿，其中齿轮绕啮合中心88而放置，齿轮轴线按所选这40°的最佳的最大相交角而指向。在这一最大角度下，可以看到，三个内齿轮齿90，91，92与两个外齿轮93，94啮合。因此，像我们其它的齿设计一样，与普通齿轮系统相比，在所有时间内，有更多的CD齿处于啮合以携带期待的负载。
(d)CT和CD齿设计的可能改变图11示意地表面了另一对齿轮的啮合齿，它们是根据或适用于发明的CT设计或适用于发明的CD设计的进一步形状变动而提出的。啮合齿再一次在齿轮绕着以所选的最佳的最大角可变地相交的相应轴而转动时，在平面投影上梗概地加以展示，而平面投影以图5B在上文指出的相同方式进行改变。
在这一独特的方案中，配对对的所相应齿轮具有不同厚度的齿。同样，该设计是由绘制产生的，在起始的设计步骤中，所选径节能提供具有最小尺寸和法向弦厚度的齿，但又能适当地携带所期待的负载。例如，在图11中，内齿轮100的CT齿的一部份被布置在所示的投影中；作为举例，可假定内齿轮100具有约为9厘米(3.5″)的节圆，并一开始选成为一个10节/36齿的齿轮，其法向弦厚度则如形成其CT齿之一的中心的单一圆102所示。内齿轮100齿的周节用CP表示。
其次，从齿轮100上每两个齿中如以虚线所示的那样取走一个。这使齿轮100每两个齿之间的空间等于单一圆102直径的3倍，而其余的内齿轮齿104，105，106所在的中心是一开始所选周节的两倍(即2.cp)。不过，内齿轮齿104，105，106仍保持它们原先的尺寸和形状(如它们在一个10节/36齿的齿轮中出现的一样)。
在该方案的下一步，在同样相隔2.cp的中心上绘制配对外齿轮108的齿。但是，当采用如上所述的CT绘制时，设置的单一圆110(它被用于形成每个齿的中央部份)具有的直径等于用于形成的内齿轮100的原始齿中央部份的单一圆102直径的3倍。
当按恰如上述方法绘制的齿轮100，108的啮合部份布置于如图11所示的投影中时，其齿轮的轴线以所选的最佳的最大角x(对该例子，x＝40°)相交，能看到不同尺寸的齿能在啮合关系中一起转动。此外，按照以上建议的在图11中作为例子的齿轮100，108的齿轮尺寸参数，从实际效果看，两个齿轮中每一个成为5-节/18齿的齿轮，但它们保持与原先10一节/36齿齿轮所具有的相同周节及相同的较浅的全深。
从图11还能看到，两个加大的外齿轮齿111，112与两个内齿轮105，106啮合。因此，该方案对每一啮合至少提供4个配对齿，也即，正常运行期间，总是有8个齿处于啮合。
我们的CT，CD和L/IC齿轮共享另一设计特点，即，所有齿轮只要求十分微小的用于间隙的顶端消除。在图12中以十分夸大的形式，十分示意地展示了这种顶端消除；外齿轮CD齿114的齿面具有其稍加倒角的每个相应延伸部份116，117的上齿顶，该倒角的深度从齿径向中心线处的零增加至齿面与齿轴向中心线相遇的齿面外边缘处的最大值。现提供下了要求倒角的一些量的概念；具有外直径为10厘米(4″)的外CD齿轮的齿要求在它们外边缘的最大顶端消除约为0.2毫米(0.008″)。
这样微小的顶端消除在我们齿轮传动制造期间能简单地产生。例如，在齿轮在初始时刻被锻造成“毛坯-但一接近-成品”的形状的过程中，锻造的毛坯齿轮可通过CBN研磨进行最后加工，在研磨中采用具有不带任何顶端消除的配对齿轮形状的加工工具。(e)月牙齿的设计我们的齿轮系统还包括另一种齿轮齿的设计，它制造简单，并在某些方面具有特殊的用途。我们称这种结构为“月牙”是因为每个齿的每个相对工作面的整个长度表面的外形是由一个单一圆的弧形成的，当从齿轮的节平面观看时，每个齿的两个工作面的外形产生月牙似的形状。(几何上讲，一个“月牙”是被球形表面上的两个相交的大圆所限制的区域。)为了说明我们的月牙设计，将参考图13A和13B。
图13A展示了用于确定圆弧的几何制作，该圆弧形成的每个齿面长度方向的曲率。首先，按照上述对我们的CT和CD齿说明的方式，我们的月牙齿的设计也从最初根据齿轮传动将被使用的应用确定要求的尺寸的强度的规格开始，由此选择适当的齿顶尺寸，径节和齿的法向弦厚度。根据这一资料，进行外齿轮115径向截面的简单制作，布置齿顶圆116，齿根圆118和节圆120；再增添几个齿的外形。
其次，从齿轮中心122在径向线124，125之间设置预选的最佳的最大角x(在这一例中25°)；在径向线124，125相交节圆120的两个相应点127，128之间画弦126。测量弦126的长度以给出直径的大小X，该直径用于产生确定形成齿轮每个月牙形齿的工作表面全长的弧的单一圆。
在示于图13B的进一步制作中，外齿轮115和配对内齿轮130布置在修正平面投影内(如上文说明的)，齿轮的轴线在预选的最佳的最大角(即25°)下相交，齿轮轴线绕着相交的枢轴轴线由共有的啮合中心132表示。绕中心132画出具有直径为X的圆，该圆的弧形成外齿轮齿134的前面和外齿轮齿13的后面。中心132也用于标记一个外齿的中心，而其余外齿的中心137，138则沿齿轮115的径向中心线136以等于预选的周节的连续间距标出。此后，采用相同直径X的圆，以及采用连续中心137，138等，可制作其它外齿轮齿的前、后面。
相类似，从以1/2周节的距离在啮合中心132两侧标出两个点开始，沿内齿轮130的径向中心线141标出顺序的齿中心139，140。然后，采用相同直径X的圆和采用顺序的139，140等，可制作内齿轮130的齿轮齿的前、后面。如齿轮制造领域普通技术人员很快将理解一样，这种月牙形齿可采用具有内径为X的中空圆柱形刀具来成形。
根据所示的制作过程，可以看到当齿轮间轴的角度为最大角时，许多月牙形齿(例如，在每个共有的啮合面积约有10个齿)将在它们相应的两个面上完全接触。然而，每个月牙形齿的法向弦厚度没有其配对齿轮的齿间空间大，因此当轴的角度从其最大指向减少返回至180°直线时，啮合月牙形齿间的间隙增加，并在轴线达到180°直线时，并在轴线达到180°时，达到具有相当量的最大间隙。因此，我们的月牙形齿结构对于在使用中总是要求最大的间隙的情况是不合适的，也即对那些在正常运行期间，预期的轴转动反向相当频繁发生的情况是不适用。(f)组合式月牙/反向曲线(“L/IC”)设计图14A和14B示意地展示了按照本发明提出的再另一对齿轮的啮合齿的外形。根据由下述说明将变得明确的理由，我们称为该结构为月牙/反向曲线组合(“L/IC”)。同样，齿的外形展示在该齿轮对的修正平面投影上，且此时它们的轴线在最佳的最大角下相交。当然，必须记住，这样的平面投影仅仅是节表面为球形的真实齿轮的模拟。
根据以上说明的我们的其它齿的设计，示于图14A和14B的齿最容易藉助制图来加以说明。对这些L/IC齿，结构的制图也是从通常的，一开始确定选择合适的齿顶尺寸，径节和齿的法向弦厚度，以及齿轮轴将可变地在180°直线的两侧相交的所要求的最大角x开始。
根据这些预选的参数，这两个齿轮的节圆的平面投形，在相交最大角(在此情况相交于45°角)的情况下被设计；且和CT和CD设计一样，将齿轮之一的齿中心80’设置于节圆间的相交点上。应用所选的周节P’，将另外的齿中心81’，82’，以及83’，84’，85’和86’相应地标在每个节圆上。接着，按照直径等于所要求弦厚度D’的相应圆，设计出每个齿的中央部份。也即，采用半径T等于该弦厚度的一半(即，周节的四分之一)作出每个相应的圆。
然后，第一齿轮的齿按月牙形设计加以完成，每个齿的每个齿面87’，88’，89’90’的全长为圆弧，该圆的中心位于第一齿轮的节圆上，并具有半径R’，而R′=3T=3D′2=3P′4]]>半径R’等于所选弦厚度的一又二分之一，也等于周节的四分之三。
第二齿轮的配对齿轮齿绕齿中心80’，81’，82’而形成，其方法与上述我们的CT和CD齿的形成方法相当相似。也即，每个齿表面的每个圆弧中央部份91’，92’设置有两个轴向扩展部份93’，94’它们相应地与其端部的每一个连接；而每一个相应的扩展部份93’，94’的表面是一条线，(a)该线从圆形中央部份91’，92’的两个点A’，E’和B’，F’中的相应一个点向外延伸，点A’，E’和B’，F’相对齿的径向中心线95’，并在相应的预定齿表面角x之下而放置，且(b)该线延伸至与齿的轴向中心线96’的投出交点。还有，像我们的CT设计一样，在我们的L/IC设计中，每个相应的齿表面扩展部份的表面是与每个齿面的图形中央部份相切的。
然而，如由图14A可见，每个相应的齿表面扩展部份93’，94’是一条曲线，其曲率是与圆形中央部份91’的曲率相反的。每个反向曲线扩展部份是一个圆弧，其曲率中心位于其相应的齿表面角线A’，B’和E’，F’的延伸部份上。对齿97’的齿表面扩展部份展示了这样的制作，其中扩展部份100’，101’，102’和103’的曲率中心相应为点104’，105’，106’和107’。在该制作中，每个扩展部份的半径R’等于其相应圆形中央部份半径T的三倍。
图14B展示了图14A所示的同一L/IC齿轮对的相同啮合，但是它们轴线只是在20°，而不是在最佳的最大角下相交。可看到，仍然还有五个齿处于啮合中。因此，我们的L/IC设计比普通齿轮传动系统提供了有更多的齿在所有时间内处于啮合中。
常速接头虽然我们的齿轮系统能应用于任何在正常运行期间，要求传输另件之间的转动力，且另件的轴线在可变的角度下相交的情况，但其主要应用之一是在涉及万向和常速(“CV”)接头的汽车技术。
图15示意地展示了我们发明提出的CV接头的第一实施例的局部剖面图。我们的外齿轮之一150被安装在轮毂152上，该轮毂152用花键结合至驱动轴154的端部，而其配对内齿轮156安装至杯状支架158上，该支架158固定在从动轴160的端部。齿轮150和156藉助球形轴承保持啮合联系，该球形轴承包括一个大的滚珠轴承162，它被螺栓163固定于从边轴160端部上的支架158的中央。滚珠轴承162夹持在罩164中，罩164被截获在轮毂152的外唇缘166和被轮毂152中的一个合适通道所定位的弹簧环168之间。
为组装目的，轮毂152的键合端被从头到尾镗出键槽的内径，而罩164分割成两个部份。在组装时(a)将罩164的外半部靠着唇缘166而放置，(b)将滚珠162放在罩164的外半部，(c)围绕滚珠162而放置罩164的内半部，(d)将弹簧环168放在轮毂152中以夹持罩164，和(e)应用螺栓163以便滚珠162固定至轴160上。
采用这种轴承结构，两个齿轮的中心总是与滚珠62的中心保持重合，滚珠162相对其罩164在任何方向自由运动；当轴154，160在位于任何平面的轴角度的整个宽广范围中可变地相交时，齿轮150，156保持绕两个啮合中心的配对接触。
图16是发明提出的常速接头的另一实施例的示意局部剖面图。在该另一实施例相似图15的CV接头的同时，它还包括一个特殊的球形轴承，这种轴承在高速和高扭矩条件下使用是最好的。
内齿轮170固定至杯状支架172和从动轴173上，而外齿轮175固定至用花键接合在驱动轴177的轮毂构件176上，球形轴承的中央部份又包括一个大滚珠178，它被螺栓179固定至支架172和轴173上。还有滚珠178在罩180中运动，而罩180则被夹持在形成于轮毂构件176的适当通道中。然而，在该重载实施例中，滚178不是直接在罩180上运动，而是被许多较小的滚珠182所支承，这些较小的滚珠182被一系列由十分薄的，绕滚珠178在纬度方向放置的环形垫片183所形成的轴承圈载获在罩180中。为组装目的，罩180又被分割成两部份，并用螺栓184(只表示了一个)加以固定。在这种滚珠轴承装置中，较小滚珠182的分隔组被分别夹持在分隔的纬度轨道中，但这些滚珠仍能自由地纵向滚动。
用于这些CV接头的我们的齿轮对若干预定的最大的最佳轴角，按以上说明的方法加以设计。在图16中，所示CV接头在纸平面中绕枢轴轴线186被活动连接至其最佳的最大角(在该例40°)；为展示该CV接头的活动连接范围，还用虚线表示了齿轮175的下端，指示出当它被枢轴转动至相反方向相同最大角时的齿轮175的位置。
这些CV接头的球形轴承的润滑由于钻通大滚珠及围绕其表面的适当通道而得到加强(只在图15中展示了这样的通道)。还是关于这一方面，本领域的普通技术人员将对此赞赏，即当轴角由于，例如膝杆作用驱动轮的上升和下降引起变化时，轮毂(例如，轮毂152和轮毂构件176必须相对它们相应轴的端部轴向地稍微运动。在这些情况下，截获在轴177端部和滚178之间的润滑流体被泵送通过和围绕球形轴承。
应该指出，如上所述的安装有滚珠CV接头能在通过滚珠中心的任何平面内活动联接。当然，假如所要求的轴角的活动联接被限制在只有一个平面中(例如，只有左和右，或只有上和下)，则CV接头就可简化，例如，简化成相似于图1所示实施例的结构。
在许多卡车中，后轮是通过差动器来驱动的，而差动器比卡车传动装置的输出更位于接近地面，包括我们的齿轮系统的驱动轴能用于提供这种卡车的传动装置与差动器之间的所要求的活动接头连接。图17示意地展示了这种驱动器188，它在两端各具有相应的我们的齿轮对189，190。齿轮对189的内齿轮192被安装在杯状支架193上，它包括底板194，该底板用于与传动装置的输出相连接。齿轮对189的外齿轮195固定在轴188的左手端。相类似，齿轮对190的外齿轮196固定在轴188的右手端，而其配对内齿轮197安装在固定于轴199的杯状支架中，轴199能合适地与卡车的差动器相连接。
位于活动联接轴188上的齿轮对189，190示意地表示成具有各自的滚珠轴承以便将齿轮相互相对而放置。因此，置于图17的装置适用于任何下述的使用情况，在那里要求或者平板194和轴199之一，或者平板194和轴199两者在多个平面中活动联接。但是，当该活动联接轴组件以刚说明的方式用于卡车中时，每个齿轮组的角向指向通常成某一预选角度被固定为简单的齿轮安装装置(类似于图1中所示的实施例)来支持齿轮。
应该指出，图17的齿轮装置所提供的活动联接包括齿轮对189的最大的最佳角加上齿轮对190的最大的最佳角。因此，该装置的修正能用于提供令人惊奇的活动联接接头。例如，假如轴188的长度为最小(如，两个轴端有效地按对头拼接而放置)，且假如每个齿轮对189，190设计成在所有预期的负载下传输常速的转动力，同时它们相应齿轮的轴角可在任何平面一直变至30°，于是；刚才说明的对头拚接装置将提供在任何一个平面内最大达60°角的常速活动联接，同时提供在一个平面内最大达30°的活动联接协同在任何其它平面内的另为30°的活动联接。
图18示意地展示了我们发明应用的另一个例子，它是作为包含汽车操纵驱动器内的常速接头200(与图15中所示的相似)。操纵驱动轴201一端用花键与普通的驱动法兰202联接，而汽车前轮则用螺栓固定在驱动法兰202上(轮子和螺栓都没有表示)。操纵驱动轴201的另一端固定在杯架204上，杯架204支承构成CV接头200的齿轮对的内齿轮206。
外齿轮207固定在驱动轴208的端部，而驱动轴208又在安装于汽车框架构件210的轴颈(未表示)内转动。操纵驱动轴201被轮支架212内的轴承(未表示)适当地支承而轮支架212则通过转向销214可转动地与框架构件210连接。当轮支架212被操纵时，大的滚珠轴承216使齿轮206，207之间的轴角得以改变。
此外，在另一熟知的通常装置中，例如，其中框架构件210被用于上下运动的膝杆作用构件所替换，滚珠轴承216使协同的活动联接得以在该第二平面进行。在协同的活动联接在多个平面内进行的这一瞬间，CV接头200的齿轮对206，206总是继续共享两个中心相距180°的啮合面积，而齿轮则在它们共同以1∶1比例转动时，以相对章动(nutating)运动而移动。
请注意图17所示操纵驱动装置的另外特点；即，它克服了在现有技术中CV接头操纵驱动的轴中产生的扭矩操纵问题。“扭矩操纵”是技术中采用的名词，用以描绘转动接头产生绕操纵轴的转向销的不利的转动矩的趋势。这一问题在于图18的轴设计中，通过转向销214与CV接头200的枢轴轴线的成直线对准而得以避免。由于齿轮206，207共享两个相距180°而分置的啮合点，也由于这些啮合点是与驱动和从动轴之间的枢轴线成直线对准，齿轮以它们1∶1比例的转动不会产生绕枢轴轴线的力矩；还由于CV接头200的枢轴轴线与转向销的轴线成直线对准重合，齿轮的转动不会产生绕转向销轴线的不利操纵力矩，因而不造成扭矩操纵。
我们的常速接头的重要特征之一是与其轻松的润滑有关。图19是一个转动常速接头的示意局部剖面图，它与图15中所示的常速接头相似。该接头是作为敞开式汽车驱动轴的两个零件间的活动联接接头而进行运行的。在所示的一瞬间，假定轴零件在约为15°的角之下活动联接，且它们正以高于每分钟300转的转速而转动。
外齿轮150′安装在轮毂152′上，它具有一个与敞开式驱动轴零件154′的端部进行花键接合的环面状延伸部份153′。接头的配对内齿轮156′安装在杯状支架158′上，它包括圆周向的唇缘部份159′，并被固定在敞开式驱动轴零件160′的一端。安装在轮毂152′的环面状延伸部份153′和杯状支架158′的圆周向唇缘部份159′之间的是弹胶性套管161′。套管161′的相应端，用金属薄带165′贴在延伸部份153′上进行密封，用金属薄片箍贴在唇缘部份159′上进行密封。杯状支架158′和弹胶性套管161′相结合从而将接头机构封闭在一个密封的壳之内。
当旋转运动从轴零件154′传输至轴零件160′时，在密封接头内的润滑流体169′被离心力压至杯状支架158′的侧边，进入配对齿轮的啮合齿中。由于我们的整个接头机构是带着轴零件一起转动的，杯状支架158′的转动金属侧受空气冷却，从而将润滑液体169′中产生的热传导走。此外，金属薄片箍167′的坚直部分为弹胶性套管161′提供支承以制止润滑流体的轴向流动和承受离心效应产生的压力。
如上所述(请参考图3A，3B和3C)，当成斜角相交的外齿轮150′和内齿轮156′以1∶1比例转动时，它们的配对齿在它们两个共享的，位于相距180°的啮合面积上连续地滑移进入和移出啮合。也即，当示于图19的接头转过四分之一转圈时，外齿轮150′的齿150a，150b滑过内齿轮156′配对齿156a，156b的相应面，进入完全啮合，同时携带着在所示位置时压向它们的润滑流体。在另一个四分之一周之后，这些齿轮移出啮合，而齿轮齿之间的空间重又充满旋转连接的离心力作用压缩的润滑流体。还有，当运行时，这些齿轮齿的滑移运动产生持续的润滑流体雾，它使密封接头内的大气饱和以润滑滚珠轴承机构。
具有更高的齿轮传动比的系统我们的齿轮系统也可在高于1∶1的比例下传输转动力。但是，在这样的装置中，齿轮不再共享两个啮合面积。代之的是，齿轮像在普通齿轮传动中一样只共享一个啮合面积，但它们相应的轴如上所述那样在整个预定角范围内相互相对变动时，它们仍然传输转动力。
图20A和20B是用于在不同于1∶1(例如2∶1)比例下传输转动力的齿轮系统的示意图。图20A展示了杯状支架222夹持的内齿轮220的顶视图，而支架222固定在轴224的端部。配对外齿轮226成形于轴228的端部，在该图中，轴228在图平面中被向上调节至在其180°直线位置之上的相对轴224的最大最佳角x。还用虚线表示了轴228被向下调节至在其180°直线位置之下的相对轴224的相同最大最佳角x时的齿轮226。如以上详述，当轴角在该全部运动范围内变动时，齿轮220，226的配对齿保持啮合。
由于齿轮220，226具有不同尺寸的节圆，它们以不同的速度相互相对转动。因此，当它们的相应齿面以上述关于1∶1比例的齿轮装置的方法滑移相互通过时，较小的齿轮226的齿也必须与较大齿轮220的齿轮啮合于滚动接触中。在为不同于1∶1比例而设计的装置中，齿轮齿设置有渐开线剖面以适应在这种装置中的滚动啮合。如以上指出的，CT和CD齿的结构最好成形具有直边齿剖面，因此渐开线剖面不能容易地与这些结构中的任一种结合。这样，对不同于1∶1比例而言，上述月牙形齿作为齿轮齿是最佳的。
如前面指出的，只有当齿轮轴位于最佳的最大角时，月牙形齿才处于紧密的啮合；配对齿之间的间隙当轴角减小时不断地增加，而在轴线(轴角)为180°时达到最大间隙。图20B是图20A所示装置的端视图，省略除齿轮220，226之外的所有零件，表明(以夸大的空隙)，当齿轮以它们相应的轴成180°直线对准时，产生最大间隙。
在图21中示意地展示了我们齿轮系统的再另一个装置，在该装置中仅使用了外齿轮。虽然两个齿轮220′，226′都具有外齿，该装置仍像上面刚讨论的方法一样进行运行。也即，齿轮以不同于1∶1(如2∶1)的比例传输转动力，而当齿轮间的轴角在由预选最大角确定的整个运动范围内变化时，齿轮的配对齿总是处于啮合中。此外，由于齿轮220’，226′具有不同尺寸的节圆，它们以不同的速度相互相对转动，因此，相互啮合于滚动接触之中。再说一遍，在为不同于1∶1比例而设计的装置中，为适应这种滚动啮合，齿轮齿设置有渐开线剖面，而月牙形结构是最佳的。
还有，齿轮220′，226′的月牙形齿只有当齿轮轴位于最佳的最大角时，才处于紧密的啮合中，配对齿之间的间隙不断地增加，并在齿轮间轴角为180°，也即处于图21所示的联系时达到最大。当然，该间隙对有些应用不产生问题，在这些应用中，齿轮被用于主要在转动的一个方向传输力，而我们的齿轮系统能在齿轮轴通过小于180°角的很宽的范围内进行调节时，被用于传输这样的转动力。
权利要求
1.一种角度可变的齿轮系统，用于传输两个零件间的转动力，这两个零件各自绕两根在可变角下相交的轴线中的相应一根轴线而转动，可变的相交角延伸在整个从180°至一个与180°相差大于2°的角的连续范围内，所述齿轮系统包括-一对具有啮合配对齿的齿轮；-每个所述齿轮适用于与所述零件的相应之一相连接，并绕所述一个零件的相应轴线转动；和-所述齿轮对的每个配对齿被成形成，当所述齿轮以驱动和从动联系转动时，所述相交轴线能在整个角的所述连续范围内改变。
2.如权利要求1所述的齿轮系统，其中，所述齿轮对包括一个内齿轮和一个外齿轮。
3.如权利要求1所述的齿轮系统，其中，所述齿轮对是一对外齿轮。
4.如权利要求1所述的齿轮系统，其中，每个所述配对齿的长度方向齿表面，从其齿轮的一个节平面看，至少其中央部分是一个单一圆的弧。
5.如权利要求4所述的齿轮系统，其中-所述轴线在可变角下相交，角的范围为自180°至一个与180°相差大于2°的预定的最佳的最大角；-所述齿轮对是一个内齿轮和一个外齿轮；和-每个齿轮的节圆相应是(a)单一球之一上的大圆和(b)两个共享一个相交点不同尺寸球中相应一个球之一上的大圆。
6.如权利要求5所述的齿轮系统，其中-所述齿轮的两个所述节圆都是所述单一球上的大圆；和-所述内齿轮和所述外齿轮的所述配对齿同时在两个中心相距180°的啮合面积上处于啮合。
7.如权利要求5所述的齿轮系统，其中从所述节平面看，所述齿轮中至少一个齿轮的每个所述配对齿的两个长度方向齿表面的所述中央部分都是相应弧，它们形成具有预定直径的单一圆的相对侧。
8.如权利要求7所述的齿轮系统，其中-每个所述齿表面的每个圆弧中央部分具有两个轴向延伸部分，它们相应与其相应端部中的每一个端部连接；和-当从所述节平面看时，每个相应延伸部分的表面是一条线，(a)该线从所述的圆形中央部分的两个相应的一个点向外延伸，这两个点相对地置于从所述齿表面的径向中心线算起的，相应的预定齿表面角上，和(b)该线向着与齿的轴向中心线的投射相交点延伸。
9.如权利要求8所述的齿轮系统，其中每个所述相应齿表面延伸部分的表面是一条在其所述相应点与所述圆形中央部分相切的线。
10.如权利要求9所述的齿轮系统，其中每个所述相应齿表面延伸部分是一条直线。
11.如权利要求9所述的齿轮系统，其中每个所述相应齿表面延伸部分是一条曲线，这条曲线与所述圆形中央部分的曲率相反。
12.如权利要求11所述的齿轮系统，其中所述反向曲率是一个圆的弧，该圆的半径等于所述圆形中央部分半径的三倍。
13.如权利要求8所述的齿轮系统，其中-当所述轴线位于所述最佳的最大角，每个所述齿通过与所述配对齿轮齿的啮合连接时；-每个所述相应齿表面延伸部分是一条直线，该直线与它与之啮合的配对齿的圆形中央部分相切，且延伸至该配对齿圆形中央部分的轴向中心线向外。
14.如权利要求8所述的齿轮系统，其中所述相应的预定齿表面角相互相等。
15.如权利要求14所述的齿轮系统，其中-每个所述齿表面角等于所述最佳的最大角，所述两条轴线可在该角下相交；和-当所述轴线位于所述最佳的最大角时，每个齿轮有两个以上所述配对齿将同时在被所述配对齿轮所共享的每个所述啮合面积上处于啮合。
16.如权利要求5所述的齿轮系统，其中，从所述节平面看时，所述齿轮中至少有一个齿轮的每个所述配对齿具有月牙形状，每个齿表面由一个圆弧形成。
17.如权利要求16所述的齿轮系统，其中，当从所述节平面看时，每个所述配对齿是一个圆的弧，该圆的在尺寸上相同于(a)形成在所述单一球之一表面上的圆，和(b)形成在所述两个相交球中较大之一表面上的圆，所述圆具有直径，它所对的，从所述球中心开始计量的角等于所述最佳的最大角。
18.如权利要求17所述的齿轮系统，其中，当所述的轴线位于所述最佳的最大角时，每个齿轮有两个以上所述配对齿同时在被所述配对齿轮所共享的每个所述啮合面积上处于啮合。
19.如权利要求5所述的齿轮系统，其中，每个所述配对齿的齿表面是基本为直边的轮廓。
20.如权利要求19所述的齿轮系统，其中所述直边齿表面由每个所述齿轮的径向线元素形成。
21.如权利要求19所述的齿轮系统，其中所述直边齿表面是花键形的，所述配对齿具有从底面至顶面为等宽的边。
22.如权利要求19所述的齿轮系统，其中所述基本上为直边的齿表面的上部轮廓包括略为顶端消除的齿冠。
23.如权利要求5所述的齿轮系统，其中每个所述配对齿的齿表面具有渐开线形状的轮廓。
24.如权利要求1所述的齿轮系统，其中所述轴线在所述预定最大角下可变地相交，该角是45°。
25.一种月牙齿轮系统，用于传输两个零件间的转动力，这两个零件各自绕两根在整个预定连续的角的范围内相互可变地相交的轴线中的相应一根轴线而转动，该连续的角范围从180°延伸至一个与180°相差大于2°的最佳的最大角，所述齿轮系统包括-一对齿轮，该对齿轮具有至少共享一个啮合面积的配对齿，每个所述齿轮适用于转动相应的一个所述零件；和-当从其齿轮的节平面看时，至少有一个所述齿轮的每个所述配对齿的齿表面具有月牙形状，每个所述齿表面成形成一个单一圆的弧，该单一圆的直径被选成，当所述齿轮以驱动和从动的联系进行转动时，所述相交轴线能连续地在整个所述预定的角范围内变化。
26.如权利要求25所述的月牙齿轮系统，其中当所述轴线位于所述最佳的最大角时，每个齿轮有两个以上所述配对齿将同时在每个所述啮合面积上处于啮合中。
27.如权利要求25所述的月牙齿轮系统，其中-每个齿轮的节圆相应是(a)单一球之一上的大圆，和(b)两个共享一个相交点的不同尺寸球中相应一个球之一上的大圆。
28.如权利要求27所述的月牙齿轮系统，其中-所述齿轮的所述两个节圆是所述单一球上的大圆；和-所述内和外齿轮的所述配对齿同时在两个中心相距180°的啮合面积上处于啮合。
29.如权利要求28所述的月牙齿轮系统，其中-用于产生每个所述月牙齿表面弧的所述单一圆是在所述单一球表面上形成的圆；和-所述圆直径所对的，从所述球的中心开始计量的角等于所述最佳的最大角。
30.如权利要求28所述的月牙齿轮系统，其中-每个齿轮的所述节圆相应是所述两个相交球中相应一个球的大圆；-用于产生每个所述月牙齿表面弧的所述单一圆是在所述较大球的表面上形成的圆；和-所述圆直径所对的，从所述较大球的中心开始计量的角等于所述最佳的最大角。
31.如权利要求25所述的月牙齿轮系统，其中所述齿轮中至少有一个齿轮的每个所述配对齿的两个长度方向的齿表面的中央部分，当从所述节平面看时，是相应的弧，它们形成具有预定直径的单一圆的相应边。
32.如权利要求31所述的月牙齿轮系统，其中-每个所述齿表面的每个圆弧中央部分具有两个轴向延伸部分，该两个延伸部分相应地与其每个相应端部连接；和-当从所述节平面看时，每个相应延伸部分的表面是一条曲线，(a)该曲线的曲率与所述圆形中央部分的曲率相反，(b)该曲线从所述圆形中央部分的两个点中的相应一个点向外延伸，并与所述圆形中央部分在该点相切，这两个点相对地置于从所述齿表面的径向中心线算起的，相应的预定齿表面角上，和(c)该曲线向着与齿的轴向中心线的投射相交点延伸。
33.如权利要求32所述的月牙齿轮系统，其中反向曲率是一个圆的弧，该圆的半径等于所述圆形中央部分半径的三倍。
34.如权利要求25所述的月牙齿轮系统，其中所述轴线在所述预定最大角下可变地相交，该预定最大角是45°。
35.一种方法，这种方法用于对角度可变的齿轮系统中一对配对齿轮的齿形进行调配，该角度可变的齿轮系统用于传输两个零件间的转动力，这两个零件各自绕两根在整个预定连续的角范围内可变地相互相交的轴线中的相应一根轴线而转动，该连续的角范围从180°延伸至一个与180°相差大于2°的最佳的最大角，每个所述配对齿轮都具有节圆，该节圆相应是(a)单一球之一上的大圆，这样，在以1∶1比例转动时，所述齿轮至少共享一个啮合面积，和(b)两个不同尺寸，只共享一个相交点的球中相应一个球之一上的大圆，这样，在以不同于1∶1的比例相互相对转动时，所述齿轮只共享单个啮合面积；所述方法包括的步骤为-确定所述齿轮之一的节表面的要求直径，该所述齿轮的节圆是(a)所述单一球之一上的大圆，和(b)所述两个相交球中较大一个球之一上的大圆；-计算为提出每单个齿法向圆厚度所必须的径节，而该法向圆厚度应足以支承要求在所述两个可转动零件间传输的转动力；-至少成形，当从其相应齿轮的节平面看时，所述配对齿轮中至少一个齿轮的每个所述配对齿的每个齿表面的中央部分，由于单一圆的弧具有所述直径，因此当所述齿轮以驱动和从动联系转动时，所述相交轴线能在整个所述预定连续的角范围内变化。
36.如权利要求35所述的齿轮调配方法，它包括的另一个步骤为-使用相同单一圆的弧以便至少形成每个相应齿轮的所有齿表面的中央部分。
37.如权利要求35所述的齿轮调配方法，它包括的另一些步骤为-至少为所述齿轮中的一个齿轮的每个所述齿表面构成两个扩展部分，这两个扩展部分相应地形成于每个所述圆弧中央部分的相对侧上，每个所述扩展部分从所述圆中央部分在其相关齿轮的相应轴向延伸每个所述齿表面的面宽度；和-每个所述相应扩展部分成形成，当从所述节平面看时，其长度方向的表面是一条线，(a)该线从所述圆形中央部分的两个点中相应的一个点向外延伸，这两个点相对置于至所述圆形中央部分的径向中心线为相应的预定齿表面角上；和(b)该线与齿的轴向中心线在所述圆形中央部分的其相应相对侧相交。
38.如权利要求37所述的齿轮调配方法，它包括的另一步骤为-指定每个所述齿表面角的值等于所述最佳的最大角，所述两条轴线在该角下可变地相互相交。
39.如权利要求38所述的齿轮调配方法，其中-从所述圆形中央部分的所述两个相对布置点中的相应一个点向外延伸的所述线被成形成，使所述线，(a)在其所述相应点与所述圆形中央部分相切；和(b)以一个角度在所述圆形中央部分的其相应相对侧上与齿的所述轴向中心线相交，该角度等于所述相应预定齿表面角。
40.如权利要求38所述的齿轮调配方法，其中每条与所述圆形中央部分相切延伸的所述线是一条直线。
41.如权利要求38所述的齿轮调配方法，其中每条与所述圆形中央部分相切延伸的所述线是一条曲线，该曲线的曲率与所述圆形中央部份曲率反向。
42.如权利要求41所述的齿轮调配方法，其中所述反向曲率是一个圆的弧，该圆的半径为所述圆形中央部分半径的三倍。
43.如权利要求38所述的齿轮调配方法，其中-从所述圆形中央部分的所述两个相对布置点中的相应一个点向外延伸的所述线成形成，使之为，-(a)当所述配对齿轮处于啮合中，且所述轴在所述最佳的最大角下相交时，-(b)所述线与其处于啮合中的配对齿的圆形中央部分相切，并延伸至该圆形中央部的轴向中心线之外。
44.如权利要求37所述的齿轮调配方法，当两个所述配对齿轮具有的节圆都是所述单一球上的大圆时，该方法包括的另一步骤是-对所述第一齿轮的所有齿表面的中央部分采用第一直径的圆，对所述第二配对齿轮的所有齿轮表面的中央部分采用第二直径的圆。
45.如权利要求44所述的齿轮调配方法，包括的另一些步骤为-根据所述计算得到的径节，确定两个配对齿轮的周节；-选择所述第一直径的尺寸等于所述已确定周节的一半；-按照所述已算得的径节在所述第一齿轮上形成齿，但省去所有其它齿，因此在实际上，所述第一齿轮的每个齿的底部圆周厚度和深度已根据所述径节适当确定尺寸，但是所述第一齿轮的每个所述齿间的齿空间等于所述第一齿轮的每个所述齿的底部圆周厚度的三倍；和-根据所述已算得的径节，在所述第二齿轮上形成齿深度，但省去所有其它齿，选择所述第二直径的尺寸等于所述第一直径的三倍，从而所述配对齿轮的每个齿的底部圆周厚度基本等于所述第一齿轮每个所述齿间的齿空间，因此，当所述齿轮处于配对联系，且所述轴线成180°直径对准时，所述齿轮的齿像在齿连接中一样地配合。
46.如权利要求35所述的齿轮调配方法，包括的另一步骤为-采用同一单一圆的弧以调配每个相应的齿轮的每个齿表面的整个长度，使得当从其相应齿轮的节平面看时，每个齿的齿表面形成月牙形状。
47.如权利要求46所述的齿轮调配方法，包括的另一步骤为-当从所述切平面看时，将所述整个齿表面成形成一个圆的弧，该圆的尺寸等同于(a)形成于所述单一球之一的表面上的圆，和(b)形成于所述较大球之一的表面上的圆，且所具直径所对的角，从所述球中心计量起，等于所述最大的最佳角。
48.如权利要求35所述的齿轮调配方法，包括的另一些步骤为-采用同一单一圆的弧以调配所述对的第一齿轮的每个齿表面的整个长度，使得当从节平面看时，所述第一齿轮的每个齿的两个齿表面形成月牙形状；-构造所述对的第二齿轮的每个配对齿的两个长度方向的齿表面，使得当从所述节平面看时，它们在具有预定直径的单一圆的相对两侧上形成圆弧；-为所述第二齿轮的每个所述齿表面的每个圆弧中央部分提供两个轴向扩展部分，这两个轴向扩展部分相应地与所述圆弧中央部分的各端相连接；和-当从所述节平面看时，将每个相应的扩展部分的表面设计成曲线(a)该曲线的曲率与所述圆形中央部分的曲率相反，(b)该曲线从所述圆形中央部分的两个点中的相应一个点向外延伸，并与所述圆形中央部分在该点相切，这两个点相对置于从所述齿表面的径向中心线算起的，为相应的预定齿表面角上，和(c)该曲线向着与齿的轴向中心线的投射相交点延伸。
49.如权利要求48所述的齿轮调配方法，其中所述反向曲率是一个圆的弧，该圆的半径等于所述第二齿轮的所述圆形中央部分半径的三倍。
50.如权利要求48所述的齿轮调配方法，包括的另一些步骤为-构造所述第二齿轮的所述齿表面，使得每个所述齿表面角都等于所述最大的最佳角；-使得所述最大的最佳角为45°；和-选择所述径节，使得当所述轴线位于所述最佳最大角时，每个齿轮有两个以上所述配对齿将同时在被所述配对齿轮共享的每个啮合面积上处于啮合中。
51.一种万向接头，用于传输两个零件间的转动力，这两个零件各自绕两根在可变角下相交的轴线之间中的相应一根轴线而转动，可变的相交角从180°延伸至一个与180°相差大于2°的最佳的最大角，所述接头包括一具有啮合相对齿的一个内齿轮和一个外齿轮；-每个所述齿轮，它适用于与所述零件中的相应之一相连接，并适用于绕所述一个零件的相应轴线转动；和-所述齿轮对的每个配对齿被成形成，当所述齿轮以驱动和从动联系转动时，所述相交轴线能在整个从所述最大的最佳角延伸至180°的连续角范围内变化。
52.如权利要求51所述的接头，其中每个所述配对齿的长度方向齿表面的中央部分，当从其齿轮的节平面看时，是一个单一圆的弧。
53.如权利要求51所述的接头，其中齿轮的节圆是在一个单一球上的大圆，因此，所述齿轮同时在两个相距180°的啮合面积上啮合。
54.如权利要求52所述的接头，其中至少一个所述齿轮的每个所述配对齿表面的所述中央部分，当从所述节平面看，是形成在具有预定直径的相同单一圆的相对两侧。
55.如权利要求54所述的接头，其中-形成在所述单一圆的相对侧的每个所述齿表面具有两个与所述圆形中央部分连接的延伸部分，每个延伸部分在相应的轴向延伸；和-当从所述节平面看时，每个所述相应延伸部分的表面是一条线，(a)该线从所述的圆形中央部分的两个点中相应的一个点向外延伸，这两个点相对地置于从所述齿表面的径向中心线算起的，相应的预定齿表面角上，和(b)该线向着与齿的轴向中线的投射相交点延伸。
56.如权利要求55所述的接头，其中每个所述相应齿表面延伸部分的表面是一条在其所述相应点与所述圆形中央部分相切的线。
57.如权利要求56所述的接头，其中每个所述相应齿表面延伸部分是一条直线。
58.如权利要求56所述的接头，其中每个所述相应齿表面延伸部分是一条曲线，这条曲线具有的曲率与所述圆形中央部分的曲率相反。
59.如权利要求58所述的接头，其中所述反向曲率是一个圆的弧，该圆的半径等于所述圆形中央部分半径的三倍。
60.如权利要求55所述的接头，其中-当所述轴线位于所述最佳的最大角，每个所述齿通过与所述配对齿轮的齿的啮合连接时，-每个所述相应齿表面延伸部分的表面与其与之啮合的配对齿的圆形中央部分相切，且延伸至该配对齿圆形中央部分的轴向中心线之外。
61.如权利要求55所述的接头，其中所述相应的预定齿表面角相互相等。
62.如权利要求61所述的接头，其中-每个所述齿表面角等于所述最大的最佳角，所述两条轴线可在该角下相交，和-当所述轴线位于所述最大角时，每个齿轮有两个以上所述配对齿将同时在所述两个啮合面积中的每个面积上处于啮合。
63.如权利要求51所述的接头，其中每个所述配对齿的齿表面轮廓基本是直边的。
64.如权利要求63所述的接头，其中所述直边齿表面由每个所述相应齿轮的径向线元素形成。
65.如权利要求63所述的接头，其中所述直边齿表面是花键形的，所述配对齿具有从底面至顶面为等宽的边。
66.如权利要求63所述的接头，其中所述基本为直边的齿表面的上部轮廓包括略为顶端消除的齿冠。
67.如权利要求51所述的接头，其中所述轴线在所述预定最大角可变地相交，该角是45°。
68.如权利要求53所述的接头，其中-所述内齿轮通过一个具有周边唇缘部分的杯状支架与所述可转动零件之一进行连接；和-所述外齿轮通过一个具有轴向延伸部分的轮毂与所述可转动零件中的另一个进行连接。
69.如权利要求68所述的接头，其中内和外齿轮通过球形轴承而被置于啮合联系，该球形轴承包括-一件内构件，它被固定至所述杯状支架的中心；和-一件外构件，它适用于安放所述内构件，并在所述轮毂内部定中心。
70.如权利要求69所述的接头，其中所述内构件是一个单个的滚珠轴承，而所述外构件是一件罩，适用于安放所述滚珠轴承。
71.如权利要求70所述的接头，其中若干尺寸小于所述单个滚珠轴承的滚珠轴承被放置在所述罩和所述单个滚珠轴承之间。
72.如权利要求68所述的接头，其中一个弹胶性套管安装在所述周边唇缘和延伸部分之间，从而所述杯状支架和所述弹胶性套管相结合，将所述内和外齿轮封闭在一个密封的壳体内。
73.如权利要求4所述的接头，其中-当从所述节平面看时，所述对的第一齿轮的每个所述配对齿具有月牙形状，每个齿表面由一个圆的弧形成；-当从所述节平面看时，所述对的第二齿轮的每个所述配对齿的两个长度方向齿表面的所述中央部分都是相应的弧，这些弧是由具有预定直径的单一圆的相对侧形成的，每个所述齿表面的每个所述圆弧中央部分具有两个轴向延伸部分，这些延伸部分相应与其每个相应端部连接；和-当从所述节平面看时，每个相应延伸部分的表面是一条曲线，(a)该曲线的曲率与所述圆形中央部分的曲率相反，(b)该曲线从所述圆形中央部分的两个点中的相应一个点向外延伸，并与所述圆形中央部分在该点相切，这两个点相对地置于从所述齿表面的径向中心线算起的，相应的预定齿表面角上，和(c)该曲线向着与齿的轴向中心线的投射相交点延伸。
74.如权利要求73所述的接头，其中-一形成所述第二齿轮的每个所述配对齿的两个长度方向齿表面的所述圆弧中央部分的所述单一圆的直径等于所述配对齿轮对的周节的一半；和-(a)所述单一圆的弧形成所述第一齿轮的月牙形齿，(b)所述第二齿轮的每个所述齿表面的每个相应延伸部分的所述反向曲率都形成为一个圆的弧，该圆的半径等于所述齿轮的所述周节的四分之三。
全文摘要
所公开的齿轮系统提出了一种与众不同的齿轮传动(150a、156b)形成，用于在两根轴(154’，160’)间直接传输基本不变的速度，同时允许运行期间轴(154’，160’)之间的角能在任何平面变化，且变化甚至能大于80°。对若干适用于这种系统的齿轮齿形式特别加以详述，并使用于常连接头的结构中。
文档编号F16D3/16GK1156499SQ95194440
公开日1997年8月6日 申请日期1995年5月23日 优先权日1994年6月2日
发明者弗农·E·格利斯曼, 基思·E·格利斯曼 申请人:托维克公司