专利名称：渐开线直齿圆锥齿轮直接修形方法
技术领域：
本发明属于齿轮的制造方法，特别涉及渐开线直齿圆锥齿轮直接修形方法。
背景技术：
常用标准齿轮的齿面为理论渐开线，在啮合时由于弹性变形或者局部弹性变形使得实际啮合齿面偏离了理论渐开线，由此导致产生振动和噪声；另外，由于齿轮副在加工和安装时无法避免产生误差，难以保证尺寸精度和安装精度，会导致齿轮副的啮合区域不处于齿面的中部，还有一对啮合的齿轮齿宽不等，产生棱边效应，也直接影响齿轮承载能力的提高和使用寿命。通过齿轮修形，将齿面的端部修成等半径圆弧，啮合区域就可以处于齿面的中部。
传统的直齿圆锥齿轮的加工方法主要是采用刨齿机通过机加工的方法得到的，或者是通过刨齿机加工出齿轮电极然后用电极来制造齿轮模具，最后将坯料在齿轮模具中采用锻造的方法来生产齿轮。刨齿机难以进行加工修形圆锥齿轮。上述方法都需要对加工完毕的齿轮再进行后续加工，才能实现修形。公开号CN1480291A的齿轮修形方法应用在直齿圆柱齿轮上，该方法是先加工出理论齿轮零件，然后采用滚、剃或者磨的方法在已加工出的零件的基础上进行修鼓。而公开号CN85102760B则是对已加工出的谐波齿轮零件进行电化学腐蚀修形。
公开号CN1614526的齿轮修形方法则是直接对通过数控机床加工出来修鼓后的齿轮，而不需要再对齿轮进行后续加工。这种方法在齿向方面是对2个齿轮都修鼓，这会给修鼓齿轮的加工带来极大的难度。齿廓修形是圆锥齿轮的背锥平面上用样条拟合的手段来修改理论渐开线，而没有采用理论渐开线，这对于模数小，外廓尺寸小的轿车直齿圆锥齿轮来说，不精确，并且修形方法复杂，也没有参数化。
发明内容
本发明提供一种渐开线直齿圆锥齿轮直接修形方法，克服现有技术的不足，齿向为齿端修形，齿廓为齿顶修形，直接通过数控机床加工出修形后的齿轮，而不需要再对齿轮进行后续加工。
本发明的一种渐开线直齿圆锥齿轮直接修形方法，包括下述步骤(1)确定齿端修形量、齿廓最大修形量和齿向修形长度齿端修形量为10～20um；齿廓最大修形量为20～40um；齿向修形长度占整个齿宽的10％～20％；(2)对共轭齿轮的两个齿轮的三维模型均进行齿向修形，根据齿向修形长度，采用三维造型软件建立四条球面半径不同的直齿圆锥齿轮的理论渐开线，依次为大端理论渐开线、大端不修形理论渐开线、小端不修形理论渐开线和小端理论渐开线，大端不修形理论渐开线和小端不修形理论渐开线的扫描轨迹是它们端点连成的中间直线；大端理论渐开线绕着齿轮中心轴向着轮齿方向旋转得到大端旋转渐开线，将大端旋转渐开线和大端不修形理论渐开线的起始端点连成等半径圆弧曲线，作为大端扫描轨迹曲线；小端理论渐开线绕着齿轮中心轴向着轮齿方向旋转得到小端旋转渐开线，小端旋转渐开线的和小端不修形理论渐开线的起始端点连成等半径圆弧曲线，作为小端扫描轨迹曲线；(3)大端旋转渐开线和大端不修形理论渐开线沿着大端扫描轨迹曲线扫描成大端修形齿面；小端旋转渐开线和小端不修形理论渐开线沿着小端扫描轨迹曲线扫描成小端修形齿面；大端不修形理论渐开线和小端不修形理论渐开线沿着所述中间直线扫描成不修形齿面；最后不修形齿面、大端修形齿面和小端修形齿面三个齿面合并成一个齿向修形齿面，通过该齿面构造出齿向修形的共轭齿轮模型；(4)对上述共轭齿轮三维模型都进行齿廓修形即对共轭齿轮理论渐开线靠近齿顶进行修形，用分割点将每个齿轮的两条理论渐开线都分成两部份，分割点为双齿对啮合到单齿对啮合的转换点，靠近齿顶的曲线部分围绕分割点进行旋转，旋转方向偏向轮体，根据齿廓最大修形量确定旋转角度；用大端理论渐开线和小端理论渐开线靠近齿顶的曲线部分旋转后的曲线组成的面将齿轮实体向外面部分去掉，得到直齿圆锥齿轮的齿向修形和齿廓修形实体三维模型；(5)共轭齿轮的修形三维模型转化为数控代码输入数控机床，由数控机床将毛坯直接加工成为修形后的齿轮、齿轮电极或者用于锻造成形的齿轮模具。
所述的渐开线直齿圆锥齿轮直接修形方法，其特征在于所述理论渐开线是球面渐开线，其方程为 式中l—齿轮起始半径；θ—基锥角；—啮合面上起始线段与瞬时回转轴之间的夹角，对于基圆锥上渐开线的始点为零；所述的渐开线直齿圆锥齿轮直接修形方法，其特征在于所述三维造型CAD软件为Pro/Engineer、UG或者CATIA。
本发明直接在三维造型软件中得到参数化修形的齿轮模型，只需要修改参数修形量、齿廓最大修形量、分割点位置、球面半径、齿数等等，就可以生成修形的一对齿轮模型。在CAD造型软件中正确装配后，一对齿轮的齿面是相切的，说明模型是正确的，因为是直齿圆锥齿轮，一对啮合的齿轮的齿面是相切的。生成数控代码后通过数控机床加工出来的齿轮就已经是修形后的齿轮，而不需要再对齿轮进行后续加工，用于修形的渐开线直齿圆锥齿轮、齿轮电极和齿轮模具的加工成形，可以解决圆锥齿轮的啮合接触、噪声和震动降低等问题。
图1为理论的渐开线和理论的扫描轨迹线图2表示用可变截面方法得到的理论齿面图3表示一对啮合齿轮齿向修形示意图；图4为齿轮齿顶修形放大示意图。
具体实施例方式
如图1—图2所示，大端理论渐开线1，大端理论渐开线起始点2，小端理论渐开线4，小端理论渐开线起始点5，大端和小端理论渐开线同一方向起始点2、5连成的直线为理论轨迹线3，任意一条理论渐开线作为初始轨迹(Origin Trajectory)，另外一条理论渐开线作为控制轨迹(X-Trajectory)，用可变截面扫描方法得到理论齿面6。
如图3所示，对齿轮的理论轨迹线进行齿向修形；在大端理论渐开线1和小端理论渐开线4之间建立两条理论渐开线根据小端修形长度确定小端不修形理论渐开线7，根据大端修形长度确定大端不修形理论渐开线8；由于是齿端修形，中间齿面不进行齿向修形，小端不修形理论渐开线7和大端不修形理论渐开线8的扫描轨迹是小端不修形理论渐开线7的起始端点14和大端不修形理论渐开线8的起始端点15所连成的中间直线16，小端不修形理论渐开线7和大端不修形理论渐开线8沿中间直线16扫描成一个不修形齿面18。大端理论渐开线1和小端理论渐开线4分别绕着齿轮中心轴11旋转，旋转方向是偏向着轮齿实体，旋转角度根据齿端修形量来确定，齿端修形量13为10～20um。将大端理论渐开线1旋转后的大端旋转渐开线9和大端不修形理论渐开线8的起始端点连成等半径圆弧曲线，作为大端扫描轨迹曲线17。大端旋转渐开线9和大端不修形理论渐开线8沿着大端扫描轨迹曲线17扫描成一个大端修形齿面19。同理小端旋转了的理论渐开线10和邻近的理论渐开线曲线7的起始端点连成等半径圆弧曲线，作为小端扫描轨迹曲线12。旋转的小端理论渐开线10和邻近的理论渐开线7沿着小端扫描轨迹曲线12扫描成一个小端修形齿面20。最后不修形齿面18、大端修形齿面19和小端修形齿面20三个齿面合并成一个齿向修形齿面21，通过该齿面构造出齿向修形的齿轮。
如图4所示，用小端分割点22将齿轮的小端理论渐开线4分成两部份小端理论渐开线分割点上部曲线23和小端理论渐开线分割点下部曲线24。小端分割点22为双齿对啮合到单齿对啮合的转换点。小端理论渐开线分割点上部曲线23绕小端分割点22进行旋转后得到小端上部旋转曲线25，旋转方向偏向轮体，小端理论渐开线分割点上部曲线23绕小端分割点22旋转的角度为小端旋转角度26，小端旋转角度26通过小端齿廓修形量27来确定，小端修形法向长度28由小端分割点22的位置确定。用大端分割点29将齿轮的大端理论渐开线1分成两部份大端理论渐开线分割点上部曲线30和大端理论渐开线分割点下部曲线31。大端分割点29为双齿对啮合到单齿对啮合的转换点。大端理论渐开线分割点上部曲线30绕小端分割点29进行旋转后得到大端上部旋转曲线32，旋转方向偏向轮体，大端理论渐开线分割点上部曲线30绕大端分割点29旋转的角度为大端旋转角度33，大端旋转角度33通过大端齿廓修形量34来确定。大端修形法向长度35小端修形法向长度28由大端分割点29的位置确定。用大端上部旋转曲线32和小端上部旋转曲线25组成的修定面36将齿轮实体向外面部分去掉，得到直齿圆锥齿轮的齿向修形和齿廓修形实体三维模型。
以轿车差速器上所用的直齿圆锥齿轮为例，大齿轮齿数为14，小齿轮齿数为10；压力角为22.50；起始半径为34mm；θ-基锥角小齿轮为35.5377°，大齿轮为54.4623°；在三维造型CAD软件Pro/E中参数化建模。先进行齿向修形，即齿向齿端修形；然后进行齿廓修形，即齿顶修廓。
以小齿轮齿向齿端修形齿廓修顶，小齿轮大端理论渐开线方程为 小齿轮小端理论渐开线方程为 齿向齿端修形通过可变截面扫描方法得出齿面。根据大端修形长度占齿宽20％建立直齿圆锥齿轮的大端不修形理论渐开线，其方程为 大端理论渐开线绕着中心轴旋转成大端旋转渐开线，旋转方向是向着轮齿，相当于在齿厚方向上剪切，大端修形量为10um。
根据小端修形长度占齿宽20％建立直齿圆锥齿轮的小端不修形理论渐开线，其方程为
小端理论渐开线绕着中心轴旋转成小端旋转渐开线，旋转方向是向着轮齿，相当于在齿厚方向上剪切，小端修形量为10um。
大端旋转渐开线和大端不修形理论渐开线沿着大端扫描轨迹曲线扫描成大端修形齿面；小端旋转渐开线和小端不修形理论渐开线沿着小端扫描轨迹曲线扫描成小端修形齿面；大端不修形理论渐开线和小端不修形理论渐开线沿着所述中间直线扫描成不修形齿面；最后不修形齿面、大端修形齿面和小端修形齿面三个齿面合并成一个齿向修形齿面，通过该齿面构造出齿向修形的共轭齿轮；齿廓修形为便于齿廓修形，只需对一对共轭齿轮的齿顶修形。分割点为双齿对啮合到单齿对啮合的转换点，用大端理论渐开线上的分割点将其分成2段，靠近齿顶曲线绕着分割点旋转，旋转方向朝向轮齿，齿廓最大的修形量为30um；用小端理论渐开线上的分割点将其分成2段，靠近齿顶曲线绕着点旋转，旋转方向朝向轮齿，齿廓最大的修形量为30um；将靠近齿顶的旋转的两条曲线组成面将齿轮齿廓修形量切掉，从而得到齿向修形和齿廓修形的齿轮。
最后，将在三维造型软件中构造出完整的直齿圆锥齿轮修形图形，转化为数控代码输入到数控机床内，由数控机床将坯料直接加工成为修鼓后的齿轮、齿轮电极或者用于锻造成形的齿轮模具。
权利要求
1.一种渐开线直齿圆锥齿轮直接修形方法，包括下述步骤(1)确定齿端修形量、齿廓最大修形量和齿向修形长度齿端修形量为10～20um；齿廓最大修形量为20～40um；齿向修形长度占整个齿宽的10％～20％；(2)对共轭齿轮的两个齿轮的三维模型均进行齿向修形，根据齿向修形长度，采用三维造型软件建立四条球面半径不同的直齿圆锥齿轮的理论渐开线，依次为大端理论渐开线、大端不修形理论渐开线、小端不修形理论渐开线和小端理论渐开线，大端不修形理论渐开线和小端不修形理论渐开线的扫描轨迹是它们端点连成的中间直线；大端理论渐开线绕着齿轮中心轴向着轮齿方向旋转得到大端旋转渐开线，将大端旋转渐开线和大端不修形理论渐开线的起始端点连成等半径圆弧曲线，作为大端扫描轨迹曲线；小端理论渐开线绕着齿轮中心轴向着轮齿方向旋转得到小端旋转渐开线，小端旋转渐开线的和小端不修形理论渐开线的起始端点连成等半径圆弧曲线，作为小端扫描轨迹曲线；(3)大端旋转渐开线和大端不修形理论渐开线沿着大端扫描轨迹曲线扫描成大端修形齿面；小端旋转渐开线和小端不修形理论渐开线沿着小端扫描轨迹曲线扫描成小端修形齿面；大端不修形理论渐开线和小端不修形理论渐开线沿着所述中间直线扫描成不修形齿面；最后不修形齿面、大端修形齿面和小端修形齿面三个齿面合并成一个齿向修形齿面，通过该齿面构造出齿向修形的共轭齿轮模型；(4)对上述共轭齿轮三维模型都进行齿廓修形即对共轭齿轮理论渐开线靠近齿顶进行修形，用分割点将每个齿轮的两条理论渐开线都分成两部份，分割点为双齿对啮合到单齿对啮合的转换点，靠近齿顶的曲线部分围绕分割点进行旋转，旋转方向偏向轮体，根据齿廓最大修形量确定旋转角度；用大端理论渐开线和小端理论渐开线靠近齿顶的曲线部分旋转后的曲线组成的面将齿轮实体向外面部分去掉，得到直齿圆锥齿轮的齿向修形和齿廓修形实体三维模型；(5)共轭齿轮的修形三维模型转化为数控代码输入数控机床，由数控机床将毛坯直接加工成为修形后的齿轮、齿轮电极或者用于锻造成形的齿轮模具。
2.如权利要求1所述的渐开线直齿圆锥齿轮直接修形方法，其特征在于所述理论渐开线是球面渐开线，其方程为 式中l—齿轮起始半径；θ—基锥角；—啮合面上起始线段与瞬时回转轴之间的夹角，对于基圆锥上渐开线的始点为零；
3.如权利要求1或2所述的渐开线直齿圆锥齿轮直接修形方法，其特征在于所述三维造型CAD软件为Pro/Engineer、UG或者CATIA。
全文摘要
渐开线直齿圆锥齿轮直接修形方法，属于齿轮的制造方法，克服现有技术的不足，直接通过数控机床加工出修形后的齿轮，不需要再对齿轮进行后续加工。其步骤是确定齿端修形量、齿廓最大修形量和齿向修形长度；采用三维造型CAD软件建立四条齿轮理论渐开线；对共轭齿轮三维模型进行齿端修形，将齿的大端和小端修成等半径圆弧曲线；对共轭齿轮三维模型进行齿廓修形；将修形共轭齿轮三维模型转化为数控代码输入数控机床，由数控机床将毛坯直接加工。本发明可简化传统的圆锥齿轮加工成形方法，降低圆锥齿轮副啮合过程中的振动和噪声，同时减少载荷集中或者消除由于一对啮合的齿轮齿宽不等而造成的棱边效应。
文档编号B23P6/00GK1936749SQ200610124788
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月18日 优先权日2006年10月18日
发明者夏巨谌, 陈霞, 胡国安, 金俊松 申请人:华中科技大学