专利名称：辐射状短齿卵形齿轮的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及流量仪表中椭圆齿轮流量计的技术领域。本实用新型用作椭圆齿 轮流量计中的关键零件一转子。椭圆齿轮流量计按通径大小分为多种规格，各种规格流 量计转子(椭圆齿轮)的技术参数及尺寸也不尽相同。
背景技术：
目前，传统的椭圆齿轮流量计的转子(椭圆齿轮，确切地说应叫卵形齿轮)轮齿布 置在节曲线节点的法线方向，称法向布齿。轮齿的齿廓是渐开线，一般是在数控机床上用连 续展成法加工。用展成法加工一般圆柱齿轮可获得较高的精度。但在加工椭圆齿轮时，特别是在 数控插齿机上加工时(国内绝大部分采用数控插齿机加工椭圆齿轮)，由于工件形状的特 殊性，在不均衡的切削力及切削抗力作用下，不仅增大了机床、刀具传动链的运动误差，还 可造成工件、刀具位置度的变化，这些难以控制的附加误差加上加工中的固有误差，使得轮 齿加工精度(齿形、周节、齿向等精度)大大降低。为满足啮合传动，加工中就加大齿间距， 这样不仅减小了轮齿强度，还由于啮合间隙增大，而加大了流量计运转噪声。法向布齿的椭圆齿轮在运转中，轮齿两侧齿廓受力后产生的力矩不均衡，影响椭 圆齿轮流量计小流量计量性能；轮齿齿面磨损较大，降低了流量计使用寿命。
发明内容为了提高椭圆齿轮流量计的产品质量和使用性能，扩展流量计可计量的下限流 量，增大流量计可计量的流量范围度，本实用新型提出采用辐射状短齿卵形齿轮作为使用 数量较大的中小规格椭圆齿轮流量计的转子。本实用新型所采用的技术方案如下先根据渐开线齿轮的技术参数(模数、齿数、分度圆压力角)及啮合齿轮的轮齿 周节相等的原理，对卵形齿轮的轮齿逐齿进行设计。这样设计出的轮齿在运转中将会产生 干涉，其后必须对大部分齿廓进行修正，使卵形齿轮副在啮合运转过程中，各轮齿无干涉现 象，并通过对齿廓曲线的修正使轮齿间的啮合间隙均勻。这样设计的各轮齿厚度不等，有些轮齿的齿顶将变尖，在运转中易变形或损坏，由 此会造成卵形齿轮副在运转中卡滞。为避免轮齿的齿顶变尖，在设计时，采用较短的齿顶系 数，即设计为短齿。这是保证零件制造质量及正常使用的重要措施。辐射状短齿卵形齿轮的节曲线与传统椭圆齿轮相同，并均为渐开线齿形。辐射状短齿卵形齿轮的轮齿相对其旋转中心成辐射状。其轮齿难以采用机械加工 方法获得。本实用新型提出塑料压缩成形和金属粉末冶金成形两种方法。卵形齿轮在装配 前，仅需要进行少量的机械加工。一种辐射状短齿卵形齿轮，所述齿轮的轮齿相对于回转中心成辐射状分布，各轮 齿齿廓曲线各不相同，同一轮齿两侧齿廓曲线也不同；设齿轮总齿数为Z，模数为m ；在四分之一齿轮横截面中具有完整齿数N = (Z-2) /4个，从齿轮长轴端的第一个完整齿开始，轮齿 在节曲线上齿厚逐渐减小，至第N/3整数齿止；而其余轮齿的齿厚与第N/3整数齿齿厚相 等，其节曲线上齿厚的减薄量为Jim/2的6% 9%。所述齿轮的齿顶系数取ha = 0. 8 0. 9 ；轮齿各曲线交点处采用0. 1 0. 125mm 的圆角过渡。所述齿轮的齿根至减轻孔边缘的璧厚3 5mm，中心孔壁厚4 8mm ； Φ 10及Φ 15 口径流量计的齿轮无减轻孔。所述齿轮的两端面及轮齿密封圆留有0. 2 0. 4mm机械加工余量。本实用新型的有益效果是流量计在相同的进出口压力差作用下，辐射状短齿卵形齿轮副可获得(比法向布 齿的椭圆齿轮副)较大的旋转力矩，而且作用在轮齿两侧齿廓的力所形成的转矩均衡，在 保证相同的计量精度和相同的使用条件下，流量计使用辐射状短齿卵形齿轮，可计量更小 的流量，扩大了流量计可测量的流量范围，这是产品水平提高的重要体现。另外，辐射状短 齿卵形齿轮副的齿面磨损也小于传统椭圆齿轮的齿面磨损。辐射状短齿卵形齿轮的加工不需要价格昂贵的数控机床，在批量生产中，采用塑 料压缩成形和金属粉末冶金成形方法，制造成本将远远低于机械加工成形的成本。由于计 算机及数控线切割机床的技术发展，使得轮齿的设计计算精度及模具制造精度得以保证， 这两种成形方法都可保证零件精密的尺寸要求，从而使椭圆齿轮可能获得比机械加工还要 高的综合制造精度。还可通过调整原材料的配方，使卵形齿轮获得更为满意的使用性能。金 属粉末冶金可选用铁基和不锈钢两种材料，以满足计量不同介质的用户需求。也可通过适 当的结构设计，可减轻卵形齿轮重量，减轻轴与卵形齿轮孔的磨损，从而延长流量计使用寿 命。
以下结合附图对本实用新型进一步说明。附图中的齿轮，其技术参数均相同模数m = 0.8，齿数ζ = 54，分度圆压力角α =20° ；
图1是本实用新型辐射状短齿卵形齿轮的轮齿图形。图2是本实用新型选用铁基粉末冶金材料的卵形齿轮端面图形。图3是本实用新型与传统椭圆齿轮的受力分析比较。
具体实施方式
图1中，按啮合齿轮的轮齿周节相等的原理，各轮齿在节曲线上的位置由计算确 定，各节点至卵形齿轮旋转中心的距离被定为该齿的分度圆半径。辐射状布齿，逐齿设计各 齿廓。为使两齿轮在啮合中不产生干涉并使啮合间隙均勻，须对大部分齿廓进行了修正。 图1是修正后的辐射状短齿卵形齿轮1端截面左上角的四分之一图形(轴对称)，各轮齿2 齿廓曲线各不相同，同一轮齿两侧齿廓也不同。图1上有完整齿数N= (Ζ-2)/4个(Ζ为齿 轮总齿数)，从上面的第一完整齿3开始，轮齿在节曲线上齿厚逐渐减小，至第Ν/3整数齿 止；而其余轮齿的齿厚与第Ν/3整数齿齿厚基本相等，其节曲线上齿厚的减薄量为Jim/2的6% 9% ；为避免部分轮齿齿顶变尖，缩小各轮齿齿顶系数，取ha = 0. 8 0. 9 ；为满足模具 制造工艺要求，轮齿各曲线交点处采用0. 1 0. 125mm的圆角过渡。图2是由图1经两次轴对称的“镜面”而成的铁基粉术冶金零件图。在保证轮齿 足够的强度和刚性外，按等壁厚原则，设计了两个较大的腰形减轻孔。齿根至减轻孔边缘的 璧厚3 5mm，中心孔4壁厚4 8m ； Φ 10及Φ 15 口径流量计的齿轮无减轻孔。零件上下 两端面及轮齿密封圆留有0.2 0.4mm机械加工余量。图中，设计有两对称的减轻孔。既 节省材料，降低成本，又减小了齿轮的转动惯量，提高了齿轮运转的灵敏度，减轻轴孔与轴 的磨损。卵形齿轮中心的孔4 一般不再需要进行机械加工。由于为铁基粉末冶金材料，润 滑性及耐磨性较好，一般来说，孔内无需再装滑动轴承。塑料压缩和不锈钢粉末冶金成形，基本与铁基粉末冶金相同。由于塑料较轻，卵形 齿轮可不要减轻孔。采用特殊配方材料及喂料手段，使中间孔不需装滑动轴承；不锈钢粉末 冶金的卵形齿轮，主要用于腐蚀性介质的计量，中间孔须安装石墨或其他耐腐蚀材料的滑 动轴承。图3左半边是辐射状短齿卵形齿轮轮齿受力分析，右半边是传统的法向布齿椭圆 齿轮轮齿受力分析。两种轮齿的技术参数及在节曲线上的位置相同。设由主动椭圆齿轮作用在以上两种齿轮同名齿廓与其节曲线交点(分别为a点 和b点)处的传动力分别为Fa*Fb，这两个力的方向就是齿廓受力点的法线方向。这里， Fa ^ Fb，下面用两种方法进行分析。(1)把力Fa分解为Fal和Fa2，分力Fal与直线段aOa(a点与齿轮回转中心Oa的连 线)垂直，分力Fa2在直线段a0a上；力Fb分解为Fbl和Fb2，分力Fbl与直线段b0b (b点与齿 轮回转中心Ob的连线)垂直，分力Fb2在直线段b0b上；在图3的左右两图中，使齿轮旋转的有效分力分别为Fal和Fbl，可看出，Fal > Fbl， 而a0a b0b，因此，辐射状短齿卵形齿轮转动力矩(FalXaOa)大于传统椭圆齿轮转动力矩 (FblXbOb),因而，前者可克服较大的阻力矩，转动较轻松。当流量计在计量小流量时，进出 口压差小，此时同样都较小，但由于辐射状短齿卵形齿轮可获得较大的转矩，流量计 可正常转动和计量；而传统流量计由于转矩小，就可能不能正常运转及准确计量，甚至使流 量计卡滞。由于相互啮合的齿面间存在滑动，使轮齿齿面磨损。加在齿面上的力越大，齿面磨 损就越大。从图3中可看出，Fb2 > Fa2，加大了传统椭圆齿轮齿面的滑移速度，使其磨损较 大。(2)在图3中，对两种轮齿的左右齿廓分别作了三个啮合点的受力分析。设辐射状短齿卵形齿轮轮齿左右两侧齿廓的基圆半径分别为R1和R2,作用在两齿 廓上的力均为Fa，其转矩为W1和W2，则W1 = FaXR1W2 = FaXR2在设计中，R1^ R2，所以W1 W2，即作用在同一个齿两侧齿廓各点的力形成的转矩 基本相等，从而使齿轮在主、被动交换后，仍能均勻地转动。传统椭圆齿轮的两侧齿廓的当量基圆半径不在啮合点与齿轮回转中心的连线
5(例如b0b)上，由图3右可看出，作用在左右两齿廓上力的有效力臂(使齿轮转动的力臂) 相差较大，因此其转矩也相差较大。这样，使齿轮在主、被动交换后，运转不均衡，影响流量 计的计量性能，特别在计量小流量时。(根据椭圆齿轮流量计的原理，两个椭圆齿轮，在进出 口压力差作用下，每转1转中，每个齿轮有4次主、被动交换，而各自转动方向保持不变。如 齿轮啮合间隙大，运转噪声就大。) 由以上受力分析，椭圆齿轮流量计采用辐射状短齿卵形齿轮作转子，有较多的优 越性，可显著地提高椭圆齿轮流量计的质量和使用性能。
权利要求一种辐射状短齿卵形齿轮，其特征在于所述齿轮的轮齿相对于回转中心成辐射状分布，各轮齿齿廓曲线各不相同，同一轮齿两侧齿廓曲线也不同；设齿轮总齿数为Z，模数为m；在四分之一齿轮横截面中具有完整齿数N＝(Z 2)/4个，从齿轮长轴端的第一个完整齿开始，轮齿在节曲线上齿厚逐渐减小，至第N/3整数齿止；而其余轮齿的齿厚与第N/3整数齿齿厚相等，其节曲线上齿厚的减薄量为πm/2的6％～9％。
2.根据权利要求1所述的辐射状短齿卵形齿轮，其特征在于所述齿轮的齿顶系数取 ha = 0. 8 0. 9 ；轮齿各曲线交点处采用0. 1 0. 125mm的圆角过渡。
3.根据权利要求1所述的辐射状短齿卵形齿轮，其特征在于所述齿轮的齿根至减轻 孔边缘的璧厚3 5mm，中心孔壁厚4 8mm ； Φ 10及Φ 15 口径流量计的齿轮无减轻孔。
4.根据权利要求1所述的辐射状短齿卵形齿轮，其特征在于所述齿轮的两端面及轮 齿密封圆留有0. 2 0. 4mm机械加工余量。
专利摘要本实用新型公开了一种辐射状短齿卵形齿轮，所述齿轮的轮齿相对于回转中心成辐射状分布，各轮齿齿廓曲线各不相同，同一轮齿两侧齿廓曲线也不同在四分之一齿轮横截面中具有完整齿数N＝(Z-2)/4个，从齿轮长轴端的第一个完整齿开始，轮齿在节曲线上齿厚逐渐减小，至第N/3整数齿止；而其余轮齿的齿厚与第N/3整数齿齿厚相等，其节曲线上齿厚的减薄量为πm/2的6％～9％。本实用新型扩展流量计可计量的下限流量，增大流量计可计量的流量范围度。
文档编号G01F3/10GK201651226SQ201020155318
公开日2010年11月24日 申请日期2010年4月7日 优先权日2010年4月7日
发明者杨泉, 杨玉瑞 申请人:合肥精恒测控技术有限公司