高速传动、重载荷、低磨损的泛摆线齿轮

摘要

高速传动、重载荷、低摩擦的泛摆线齿轮，包括泛内摆线齿轮、泛外摆线齿轮、泛平摆线齿条；它们可以组合成外啮合、内啮合、齿轮与齿条啮合等传动副。泛摆线齿轮完全顺应自然规律，不存在干涉，不需修正；与渐开线齿轮比较：泛摆线齿轮的啮合滑动率只有20％左右，齿根厚度大很多，载荷能力提高一倍以上；抗胶合能力强，不易磨损，噪声小，温升低，特别适应高速、重载荷传动；采用滚齿、插齿加工，最少齿数达到6齿无根切；在输出功率相同、传动比接近的情况下，可将模数减小、齿数比减少到相应的较少齿数，使传动系统的体积降低30％左右；使用寿命提高的3倍以上。

权利要求

1.一种将泛摆线掐头去尾做齿形，适应高速传动、重载荷、低摩擦的泛摆线齿轮；由幅长系数λ选择而确定的内摆线、外摆线、平摆线的等距曲线而形成的泛摆线齿廓，以三个方程分别描述泛内摆线齿廓、泛外摆线齿廓、泛平摆线齿条齿廓；

泛内摆线齿廓：

泛外摆线齿廓：

泛平摆线齿条齿廓：

三个方程中：R-泛摆线基圆；r-泛摆线发生圆；λ-幅长系数，0.75≤λ＜1；u-基圆与发生圆之比，u＝R/r；C-等距值；θ-发生圆中心相对基圆中心的转角，是变量。

2.根据权利要求书1所述的高速传动、重载荷、低摩擦的泛摆线齿轮；其特征为模数相同的泛内摆线齿轮与泛外摆线齿轮共轭外啮合。

3.根据权利要求书1所述的高速传动、重载荷、低摩擦的泛摆线齿轮；其特征为模数相同的泛内摆线齿轮与泛内摆线内齿轮共轭内啮合。

4.根据权利要求书1所述的高速传动、重载荷、低摩擦的泛摆线齿轮；其特征为模数相同的泛外摆线齿轮与泛外摆线内齿轮共轭内啮合。

5.根据权利要求书1所述的高速传动、重载荷、低摩擦的泛摆线齿轮；其特征为模数相同的泛内摆线齿轮与泛平摆线齿条共轭啮合。

6.根据权利要求书1所述的高速传动、重载荷、低摩擦的泛摆线齿轮；其特征为模数相同的泛外摆线齿轮与泛平摆线齿条共轭啮合。

7.根据权利要求书1所述的高速传动、重载荷、低摩擦的泛摆线齿轮；其特征为模数相同的泛摆线齿轮可以是直齿的泛摆线齿轮副，可以是螺旋(斜)齿的泛摆线齿轮副。

8.根据权利要求书1所述的高速传动、重载荷、低摩擦的泛摆线齿轮；其特征为模数相同的泛摆线齿轮可以是标准的泛摆线齿轮副，可以是变位的泛摆线齿轮副。

说明书

高速传动、重载荷、低磨损的泛摆线齿轮

[0001] 本发明涉及一种适应高速传动、重载荷、低磨损的泛摆线齿轮。泛摆线的概念是：内摆线、外摆线、平摆线及其短幅、长幅摆线和它们两边的等距曲线、派生曲线等统称为泛摆线；内摆线、外摆线、平摆线及其短幅、长幅摆线是泛摆线的特例。由幅长系数λ确定的内摆线、外摆线、平摆线的等距曲线而形成的泛摆线齿轮，齿廓曲线完全尊照数学模型，不需修正，完全符合天然的泛摆线规律。

[0002] 在齿轮传动中有渐开线齿轮、圆弧齿轮、摆线针轮等等，使用普片的是渐开线齿轮，最少齿数一般是17齿；在渐开线齿轮内啮合中，存在着渐开线干涉，齿廓重叠干涉，径向干涉，过度曲线干涉，需要通过齿形角、变位系数、齿顶高等多方面修正、修缘达到平稳传动；圆弧齿轮是以凹、凸圆弧做齿廓的斜齿轮，比渐开线齿轮的承载能力高1.5～2倍，但是噪声和振动大，最少齿数11齿；摆线针轮传动，其摆线轮是短幅外摆线的内侧等距曲线齿廓与销齿啮合，实际上摆线轮不可能采用标准齿形，存在着单齿顶干涉，双齿顶干涉，都必须修正成复合齿形才能达到平稳传动的目的。

[0003] 本发明的目的是提供一种高速传动、重载荷、低磨损的泛摆线齿轮传动。泛摆线齿轮成形规律是：将半个泛摆线掐头去尾，用基圆两边的线段做齿廓，相啮合的泛摆线齿轮都是基圆纯滚动，完全顺应自然规律；载荷能力是渐开线齿轮2倍以上，啮合滑动率只有渐开线的20％左右，是接近纯滚动的极低摩擦传动，特别适应于高速传动。泛摆线齿轮的齿根厚度比渐开线大很多，不存在根切，不需修缘，内啮合无干涉，抗胶合能力强，不易磨损，噪声小，温升低，特别适应于重载荷；采用滚齿、插齿加工，泛外摆线最少齿数可达到6齿、泛内摆线最少齿数可达到7齿无根切；在输出功率相同的情况下，由于齿根厚度比渐开线大很多，载荷能力大，可以将齿轮副模数相应缩小，在传动比接近的情况下，可将齿轮副的齿数比减少到合理的最少齿数，因此，泛摆线齿轮传动系统的体积比渐开线至少降低30％以上，使用寿命是渐开线齿轮的3倍以上。

[0004] 本发明的目的通过如下方案实现：由于找到了泛摆线的法线运动规律，演绎出内摆线、外摆线、平摆线三者相互共轭，推导出泛摆线齿廓的法线、等距曲线、齿轮副的啮合轨迹等数学模型，发现高速、重载荷、低磨损的泛摆线齿轮；由幅长系数λ而确定的内摆线、外摆线、平摆线的等距曲线而形成的泛摆线齿廓，以三个方程分别描述泛内摆线齿廓、泛外摆线齿廓、泛平摆线齿条的齿廓：

[0005] 泛内摆线齿廓由

[0006] 泛外摆线齿廓由

[0007] 泛平摆线齿条齿廓由

[0008] 上面三个方程中：R-泛摆线基圆；r-泛摆线发生圆；λ-幅长系数，0.75≤λ＜1；u-基圆与发生圆之比，u＝R/r；C-等距值；θ-发生圆中心相对基圆中心的转角，是变量。

[0009] 在模数m相同时，可组合五种泛摆线齿轮啮合副：

[0010] 1、外啮合的泛摆线齿轮副；由泛内摆线齿轮与泛外摆线齿轮共轭构成的啮合副，齿廓形状按(1)、(2)两个方程式描述；

[0011] 2、内啮合的泛内摆线齿轮副；由泛内摆线齿轮与泛内摆线内齿轮共轭构成内啮合副，齿廓形状按(1)式描述；

[0012] 3、内啮合的泛外摆线齿轮副；由泛外摆线齿轮与泛外摆线内齿轮共轭构成内啮合副，齿廓形状按(2)式描述；

[0013] 4、泛内摆线齿轮与泛平摆线齿条啮合副；由泛内摆线齿轮与泛平摆线齿条共轭构成齿轮齿条啮合副，齿廓形状按(1)、(3)两个方程描述；

[0014] 5、泛外摆线齿轮与泛平摆线齿条啮合副；由泛外摆线齿轮与泛平摆线齿条共轭构成齿轮齿条啮合副，齿廓形状按(2)、(3)两个方程描述。

[0015] 上述五种啮合副，可以是直齿和螺旋齿(斜齿)的两类泛摆线齿轮啮合副。

[0016] 本发明的有益效果是：泛摆线齿轮的啮合滑动率只有渐开线齿轮的20％左右，在啮合传动中不易磨损、抗胶合能力强，泛摆线齿轮的寿命是渐开线齿轮的3倍以上；同时噪声和温升下降，效率相对于渐开线齿轮有明显提高；由于泛摆线齿轮的齿根厚度比渐开线大很多，载荷能力是渐开线齿轮的两倍以上；泛摆线齿轮少齿数的展成加工无根切，可以将齿轮副模数相应缩小，在传动比接近的情况下，可将齿轮副的齿数比减少到合理的最少齿数；在同功率的情况下，泛摆线齿轮系统的体积相应可以降低至少30％以上，使传动系统重量减轻，节省材料，降低能源消耗。可用于航天、运输、机床、矿山、冶金、石化、纺织、轻工、食品等等各种机械的传动系统中的齿轮传动。

[0017] 下面参照附图和实施例对本发明详细说明：

[0018] 图1为本发明的泛摆线直齿轮行星变速器实物照片。

[0019] 图2为本发明的泛摆线螺旋(斜)齿轮行星变速器示意图。

[0020] 图3为本发明的泛摆线齿轮的齿廓形成原理示意图。

[0021] 图4为本发明的泛摆线齿轮副与渐开线齿轮副的滑动率、滑动率围成的面积、重合度对比示意图。

[0022] 图5为本发明的泛摆线齿廓与渐开线齿廓的的强度对比示意图。

[0023] 图6为本发明的泛摆线的标准齿轮与变位齿轮示意图。

[0024] 图7为本发明的泛摆线齿轮最少齿数无根切滚齿、插齿加工及包絡线示意图。

[0025] 图8为本发明的泛摆线齿轮插齿加工及包絡线示意图。

[0026] 图9为本发明的泛摆线内齿轮插齿加工及包絡线示意图。

[0027] 如图1所示，泛摆线直齿轮的行星变速器的太阳轮为9齿，3个行星轮都是12齿，齿圈为33齿；太阳轮与3个行星轮是外啮合，行星轮与齿圈是内啮合；

[0028] 如图2所示，泛摆线螺旋(斜)齿轮的行星变速器，与图1相比是加大了重合度ε。

[0029] 如图3所示，齿廓系数ψ是确定泛摆线齿廓在基圆R上的分布状态，半支泛摆线的起点在ox轴上的a点，与基圆R在s点相交，∠soa＝θ，将泛摆线的ab、cd段去掉，保留s两边点的b-s-c线段做齿廓，齿廓系数的ψ的取值范围是0≤ψ＜1；取ψ＝0.5，将齿廓线顺时针旋转0.5θ到达s’点，便形成了泛摆线齿廓。一对外啮合的泛摆线齿轮副是否传动平稳，重合度ε是关键，ε＞1，则传动平稳；ε＜1，必然出现震动和噪声；ε＝1，则趋向震动和噪声。泛摆线齿轮在啮合中的重合度ε与齿廓系数密切相关。这便是泛摆线齿廓的形成原理。

[0030] 如图4所示，是泛摆线齿轮副与渐开线齿轮副的对比，它们的模数都是m＝2；齿数都是z1＝11、z2＝15；渐开线齿轮的分度圆半径与泛摆线齿轮的基圆半径相等，即R1＝11、R2＝15；渐开线齿轮的啮合线A-P-C是直线，泛摆线齿轮的实际啮合线A-P-C是曲线；
根据齿轮啮合滑动率的计算公式：

[0031]

[0032] (4)式中，σ1、σ2-分别是两个相啮合齿轮的滑动率；

[0033] R1、R2-是两个泛摆线齿轮基圆半径，对于渐开线齿轮是分度圆半径；

[0034] l-是滑动率的计算值。

[0035] 泛摆线齿轮副的两个最大的l1＝4.775、l2＝4.7146；渐开线齿轮副的l1＝12.78691、l2＝12.05069。

[0036] 泛摆线齿轮副的两个最大滑动率：σ1＝0.5247和0.52；σ2＝-1.1038和-1.0834。

[0037] 渐开线齿轮副的两个最大滑动率：σ1＝0.9318和0.9062；σ2＝-13.6567和-9.6577。

[0038] 泛摆线齿轮副的滑动率面积：6.2054mm2；

[0039] 渐开线齿轮副的滑动率面积：27.60439mm2；

[0040] 泛摆线与渐开线齿轮副的滑动率面积比：6.2054/27.60439＝21.93％。

[0041] 泛摆线齿轮副的重合度ε＝1.265；渐开线齿轮副的重合度ε＝1.244；泛摆线的重合度略大于渐开线。

[0042] 由此对比，显示出泛摆线齿轮的优越性。

[0043] 如图5所示，是两种齿数、模数相同的齿廓对比：虚线a-d e是渐开线齿廓，实线b-d-f是泛摆线齿廓，它们在d点交叉；泛摆线齿轮的基圆R与渐开线齿轮的分度圆重合；渐开线基圆r以下的虚线都不参与啮合；从图中可看出，泛摆线的齿根厚度远大于渐开线齿根厚度；因此泛摆线齿廓的载荷能力远大于渐开线齿廓，所以图(a)的泛摆线齿廓载荷能力是渐开线的1.5倍以上；图(b)的齿根厚度比渐开线更大，载荷能力是渐开线的2.5倍以上，由于泛摆线齿轮的滑动率极低，并且图(b)的滑动率还要低于图(a)；传动平稳，完全可替代重载荷的圆弧齿轮。由于泛摆线齿根厚度比渐开线大很多，载荷能力大，可以将泛摆线齿轮系统的模数相对于渐开线降低，从而降低传动系统的体积。

[0044] 如图6所示，左边是标准的泛摆线齿轮副，右边是变位的泛摆线齿轮副：Z2的齿顶与Z1的齿根在啮合线上的a点开始进入啮合，Z1以逆时针方向驱动Z2顺时针旋转，齿轮副的啮合点便由a点沿啮合轨迹向p-c点移动，当啮合点到达c点时，Z1的t点便与Z2的s点在c点重合，这便是一个齿廓的啮合过程。

[0045] Z1＝6齿，是泛外摆线齿轮的最少齿数，Z2＝7齿是泛内摆线齿轮的最少齿数；可以明显看出：泛摆线齿轮变位后的齿廓Z1比标准齿轮齿廓的Z1大，变位后的齿廓Z2比标准的齿廓Z2小。

[0046] 当需要少齿数传动时，如果是载荷强度需要，可以通过变位来提高齿根的厚度；由于泛摆线齿轮的齿根比渐开线齿根大很多，当齿数Z＝9齿以上，一般不需变位，当齿轮副大载荷需要相对平衡也可以变位。

[0047] 由于泛摆线齿数最少达到6齿，在传动比接近的情况下，可以将齿轮副的齿数减少到合理的齿数比，泛摆线齿轮传动系统的体积比渐开线至少降低30％以上。

[0048] 如图7所示，左边是泛外摆线齿轮滚刀加工齿轮，或者齿轮与齿条啮合及包絡线，同时也是泛外摆线插齿刀加工齿条。右边是泛内摆线滚刀加工齿轮，或者齿轮与齿条啮合及包絡线，同时也是泛内摆线插齿刀加工齿条。渐开线齿轮在滚齿或插齿加工中，15齿以下是有根切的；泛外摆线齿轮在最少6齿进行滚齿没有根切，泛内摆线齿轮在最少7齿进行滚齿没有根切。

[0049] 如图8所示，左边是泛内摆线插齿刀(15齿)加工泛外摆线齿轮(11齿)；右边是泛外摆线插齿刀(15齿)加工泛内摆线齿轮；当然，15齿的泛内摆线插齿刀可加工6齿以上任何齿数的泛外摆线齿轮，15齿的泛外摆线插齿刀可加工7齿以上任何齿数的泛内摆线齿轮；因为外啮合必须是泛外摆线与泛内摆线齿轮副，齿轮副Z1与Z2的齿数差可以是1～n，并且它们的啮合轨迹完全重合，没有根切，也没任何有干涉，不需要修正、修缘。

[0050] 如图9所示，左边是泛外摆线插齿刀，加工泛外摆线内齿轮；右边是泛内摆线插齿刀，加工泛内摆线内齿轮。两种泛摆线插齿刀齿数都是ZD＝9，所加工的内齿轮最少齿数都是14齿，即加工14齿以上任何齿数的泛摆线内齿轮都是无干涉。因为内啮合是泛外摆线与泛外摆线形成啮合齿轮副，泛内摆线与泛内摆线形成啮合齿轮副，内齿轮啮合副Z1与Z2的齿数差可以是等于或大于5的任何数，如图1、图2的行星轮与齿圈的内啮合，行星轮与太阳轮的外啮合，它们的啮合轨迹完全重合，没有根切，也没有任何干涉，不需修正，完全按照泛摆线的自然规律。