螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪的頂錐元素的優(yōu)化的制作方法
【專利摘要】一種確定用于螺旋錐齒輪和準雙曲線齒輪的優(yōu)化頂錐元素的方法。確定齒輪副的一個構件的齒根圓角的形狀且將該形狀轉換為齒輪副的另一構件的齒頂。用本發(fā)明的方法，優(yōu)化齒根-齒頂間隙并使重合度最大，同時避免匹配齒輪構件之間的齒根-齒頂干涉。
【專利說明】螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪的頂錐元素的優(yōu)化
[0001]本申請要求2011年7月29日提交的美國臨時專利申請第61/512，986號的權益，在此以參見的方式引入該專利申請的全文內(nèi)容。
發(fā)明領域
[0002]本發(fā)明涉及螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪，且具體涉及螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪的頂錐元素的優(yōu)化。
[0003]發(fā)明背景
[0004]在齒輪的生產(chǎn)，尤其是錐齒輪的生產(chǎn)中，通常采用兩種工藝，展成工藝和非展成工藝。
[0005]展成工藝可分成兩類，端面銑齒(間歇分度)和端面滾齒(連續(xù)分度)。在展成端面銑齒工藝中，將轉動刀具進給入工件至預定深度。一旦達到該深度，刀具和工件就以預定的相對滾動一起滾動，稱作展成滾動，如同工件與理論展成齒輪嚙合地轉動那樣，該理論展成齒輪的齒由刀具的切削表面來表示。齒的齒廓形狀通過展成滾動過程中刀具與工件的相對運動來形成。
[0006]在展成端面滾齒工藝中，刀具和工件以同步關系轉動，將刀具進給至一深度，由此在刀具的單次插入中就形成所有齒槽。在達到完全深度之后，開始展成滾動。
[0007]在非展成工藝中，無論是間歇分度還是連續(xù)分度，工件上齒的齒廓形狀由刀具上的齒廓形狀直接形成。將刀具進給入工件，并將刀具上的齒廓形狀賦予工件。盡管沒有采用展成滾動，但是呈理論“冠齒輪”形式的理論展成齒輪的概念也可應用于非展成工藝中。該冠齒輪是如下的理論齒輪:在非展成工藝中，其齒面與工件的齒面互補。因此，當在非展成工件上形成齒面時，刀具上的切削刀片表示理論冠齒輪的齒。
[0008]工件與展成齒輪之間的關系可通過稱為“基本機床設定”的一組參數(shù)來定義。這些基本設定表示關于展成齒輪與工件的尺寸和比例的意義，且提供用于齒輪設計的通用起始點，且因此在多種型號的機床中統(tǒng)一設計程序?；驹O定總地描述在任何瞬時刀具與工件之間的相對定位。
[0009]用于形成齒輪的基本機床設定是本領域已知的并可定義如下:
[0010]1.搖臺角(q)，其定義刀具繞搖臺軸線的角度位置；
[0011]2.徑向刀位(S)，其為搖臺軸線與刀具軸線之間的距離；
[0012]3.刀轉角(j)，其定義刀具軸線相對于搖臺上固定參照物的定向；
[0013]4.傾角(i)，其定義搖臺軸線與刀具軸線之間的角；
[0014]5.齒根角(Ym)其規(guī)定工件支承件相對于搖臺軸線的定向；
[0015]6.中心至后部或頭部設定(Xp)，其為沿從工件與搖臺軸線的明顯相交處到位于到工件固定距離的位置的工件軸線的距離；
[0016]7.工件偏移量(Em)，其定義工件軸線與搖臺軸線之間的距離；
[0017]8.滑動基部(Xb)，其為從機器中心到工件與搖臺軸線的明顯相交處的距離；
[0018]9.工件的轉動位置(ωψ);[0019]10.用于端面滾齒的刀具的轉動位置(ot)；
[0020]11.用于展成的搖臺轉動與工件轉動之間的滾動比(R)。
[0021]在常規(guī)齒輪成型機器中，在其它設定通常保持固定的同時，展成期間搖臺角、工件轉動和刀具轉動變化。其兩個顯著例外是螺旋運動，螺旋運動涉及滑動基部Xb的運動以及作為工件偏移方向Eni上的運動的垂向運動。
[0022]常規(guī)機械機床符合理論基本機床的概念，因為幾乎所有的機床設定對應于各理論基本設定。這種機器可由圖2示出。在機械機器中，用于徑向的基本設定S由稱為偏心角的角度機床設定控制。
[0023]通常在常規(guī)機械齒輪展成機器或在多軸計算機控制(例如CNC)齒輪展成機器(諸如也稱為“自由形式”機器的機器)上實施展成和非展成工藝。用于生產(chǎn)錐齒輪的常規(guī)機械齒輪展成機器包括工件支承機構和搖臺機構。在展成工藝期間，搖臺沿繞稱為搖臺軸線的軸線的圓形路徑承載圓形刀具。這稱為展成滾動或搖臺滾動。搖臺表示理論展成齒輪的本體，且搖臺軸線對應于理論展成齒輪的軸線。刀具表示展成齒輪上一個或多個齒。工件支承件將工件相對于搖臺定向并以與搖臺轉動特定比值使其轉動。通常，常規(guī)機械搖臺型錐齒輪展成機器通常裝備有一系列線性和角度刻度(即設定)，其有助于操作者將各機器部件精確地定位在其正確位置。
[0024]在多軸計算機控制的齒輪展成機器中，如由美國專利4981402、6669415和6712566所公開的那些，其公開內(nèi)容以參見的方式納入本文，刀具相對于工件沿或繞多個機器軸線(例如5軸或6軸)的運動可以與在常規(guī)機器工藝中利用已知端面銑刀或研磨輪展成錐齒輪相同(或幾乎相同)的方式執(zhí)行包括工件與刀具的動態(tài)關系的運動循環(huán)。
[0025]本領域通常普遍利用相同的輸入?yún)?shù)(例如，機器設定)作為具有不同軸線數(shù)量和/或構造的用于多軸計算機控制的齒輪展成機器的常規(guī)機械搖臺型齒輪展成機器。換言之，常規(guī)搖臺型錐齒輪展成機器的坐標系中刀具和工件軸線的位置轉換成多軸計算機控制的齒輪展成機器的替代坐標系。以上提到的美國專利4，981，402,6, 669，415和6，712，566中可找到這種變換的實例，其公開內(nèi)容以參見的方式納入本文。
[0026]在螺旋錐齒輪和準雙曲線齒輪的坯件設計中，頂錐定義為與齒頂部相切的假象錐形。通常，頂錐元素或母線是與頂錐頂點相交的直線。另一方面，齒根線由刃頂跟蹤并由于
(I)齒由傾斜圓形切削頭展成以及(2)對于用較高階改型展成的錐齒輪，齒根線通常是較高階曲線這兩個原因而通常為曲線。參見圖1(a)。于是，齒頂部幾何形狀可能不適配匹配構件的實際齒根形狀，提供不均勻的齒根-齒頂間隙。另外，在某些情況下，可觀察到諸如角接觸或邊緣接觸的齒根-齒頂干涉。圖1 (b)示出可能存在高度集中接觸應力的齒根表面和小齒輪齒頂上角部干擾和邊緣接觸的實例。
[0027]為了避免齒根-齒頂干涉，已知縮短小齒輪齒，如圖1 (C)所示，這致使減少的齒面的加工面積和重合度?；蛘?，為了避免干涉，在US4，308，760中揭示了齒頂部形成為使得防止與匹配構件的齒根接觸。齒頂部的形狀可與匹配齒輪件的根部的形狀匹配。從US1，390，414還已知提供沿縱向凸形(齒頂部和齒根部)的齒以降低接觸彎曲應力。
[0028]本發(fā)明提出改進頂錐元素的形狀以使齒輪副的一個構件的齒頂線與齒輪副的匹配構件的相應齒根線適配的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0029]本發(fā)明涉及一種確定用于螺旋錐齒輪和準雙曲線齒輪的優(yōu)化頂錐元素的方法。確定齒輪副的一個構件的齒根圓角的形狀且將該形狀轉換為齒輪副的另一構件的齒頂。用本發(fā)明的方法，優(yōu)化齒根-齒頂間隙并使重合度最大，同時避免匹配齒輪構件之間的齒根-齒頂干涉。
[0030]本發(fā)明方法包括生產(chǎn)齒輪坯件，齒輪坯件具有外表面，其中由所述齒輪坯件制造的齒輪具有當所述齒輪和所述匹配齒輪運行嚙合時不與匹配齒輪的齒根圓角干涉的齒頂線。該方法包括下列步驟:定義齒輪和匹配齒輪中每個的齒面并定義匹配齒輪的齒根圓角線的形狀。該方法還包括確定當所述齒輪與所述匹配齒輪嚙合運行時所述匹配齒輪的所述齒根圓角與所述齒輪的齒頂之間接觸干涉的位置；以及確定所述齒輪的所述齒頂線的更改形狀，其中所述更改形狀匹配所述匹配齒輪的所述齒根圓角線的形狀。然后加工所述齒輪坯件，其中將所述齒頂線的所述更改形狀加工到所述齒輪坯件的外表面。具有由通過本發(fā)明方法生產(chǎn)的齒輪坯件制造的齒輪的齒輪組在與具有由不是通過本發(fā)明方法加工生產(chǎn)的齒輪坯件制造的齒輪的齒輪組相比時呈現(xiàn)增加的齒重合度；以及在具有由通過本發(fā)明方法生產(chǎn)的齒輪坯件制造的齒輪的齒輪組中避免接觸干涉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1 (a)示出由于轉動圓形切削件的齒的齒根部分的彎曲形狀。
[0032]圖1 (b)示出齒根表面和小齒輪齒頂上角部干擾和邊緣接觸的實例。
[0033]圖1 (C)顯示已縮短來避免齒根齒頂干擾的齒的實例。
[0034]圖2示出理論齒輪展成機。
[0035]圖3示出四段組成刀具幾何形狀。
[0036]圖4示出切削件相位角Qitj
[0037]圖5示出錐齒輪的L-R軸向平面內(nèi)η排m列網(wǎng)格限定的齒面。
[0038]圖6示出使用齒面網(wǎng)格點展成的準雙曲面齒輪有限元模型的實例。
[0039]圖7示出對應于圖6所示準雙曲面齒輪模型的構造的應用坐標系。
[0040]圖8示出對應于齒輪凸側和凹側的齒輪修正剖析圖的實例。
[0041]圖9表示投影為小齒輪凹面和凸面上共軛線且表示在L-R坐標系中的凸面和凹面的齒輪圓角線。
[0042]圖10示出齒輪凸面和凹面上可能嚙合線的分布。
[0043]圖11示出由輪齒接觸分析(TCA)探測的具有齒根齒頂干擾的端面銑齒準雙曲面齒輪設計的實例。
[0044]圖12示出通過TCA確定和驗證的優(yōu)化的彎曲小齒輪齒頂線。
【具體實施方式】
[0045]在詳細解釋本發(fā)明的任何特征和至少一種構造之前，應該理解到，本發(fā)明不局限于其對結構細節(jié)的應用和以下詳細描述中闡述的或附圖中所示的部件的布置。本發(fā)明可具有其它構造并可以其它方式實踐或?qū)嵤?。而且，應理解本文所采用的措辭和術語是為說明的目的而不應認為是限制。[0046]該說明書中使用的術語“發(fā)明”、“該發(fā)明”以及“本發(fā)明”用于泛指該說明書和以下本專利權利要求書中的所有主題。包含這些術語的表述不應理解為限于本文描述的主題或限于以下任何權利要求的含義或范圍。此外，該說明書并不尋求在本申請任何特定部分、段落、表述或附圖中描述或限制由權利要求書覆蓋的主題。該主題應參照整個說明書、所有附圖和以下權利要求書來理解。
[0047]在本發(fā)明的方法中，所要求齒輪的齒面較佳地由技術人員已知的基本機床設定和切削刃幾何形狀限定。
[0048]通用展成模型(UGM)是一種端面滾齒和端面銑齒的螺旋錐齒輪和準雙曲面錐齒輪的齒面幾何形狀建模的已知方法。UGM使用多項式、諸如如下6次多項式表示的基本機床設定(圖2)計算齒面坐標。
【權利要求】
1.一種生產(chǎn)齒輪坯件的方法，所述齒輪坯件具有外表面，其中由所述齒輪坯件制造的齒輪具有當所述齒輪和匹配齒輪嚙合運行時不與所述匹配齒輪的齒根圓角干涉的齒頂線，所述方法包括: 定義所述齒輪和所述匹配齒輪中每個的齒面； 定義所述匹配齒輪的齒根圓角線的形狀； 確定當所述齒輪與所述匹配齒輪嚙合運行時所述匹配齒輪的所述齒根圓角與所述齒輪的齒頂之間接觸干涉的位置； 確定所述齒輪的所述齒頂線的更改形狀，其中所述更改形狀匹配所述匹配齒輪的所述齒根圓角線的形狀； 加工所述齒輪坯件，其中將所述齒頂線的所述更改形狀加工到所述齒輪坯件的外表面； 其中具有由通過所述加工生產(chǎn)的齒輪坯件制造的齒輪的齒輪組在與具有由不是通過所述加工生產(chǎn)的齒輪坯件制造的齒輪的齒輪組相比時呈現(xiàn)增加的齒重合度；以及 其中避免具有由通過所述加工生產(chǎn)的齒輪坯件制造的齒輪的所述齒輪組中的所述接觸干涉。
2.如權利要求1所述的方法，其中根據(jù)基本機床設定和切削刃幾何形狀定義所述齒面。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述基本機床設定表示理論錐齒輪展成機器的動態(tài)元素。
4.如權利要求2所述的方法，其中所述切削刃幾何形狀包括用于所述切削刃的齒頂修緣、齒廓、齒根修緣和邊緣半徑信息。
5.如權利要求2所述的方法，其中所述齒面由為所述齒面定義的齒面網(wǎng)格中每個點的位置矢量、單位法向矢量和切向矢量定義。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述接觸干涉通過確定所述齒面的修正來確認。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述齒輪的所述更改的齒頂線是所述匹配齒輪的所述齒根圓角線的共軛假想線。
8.如權利要求7所述的方法，其中在所述更改的齒頂線與所述齒根圓角線之間包括預定間隙量以消除干涉。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述齒輪坯件是小錐齒輪齒輪坯件。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述齒輪坯件是錐齒圈齒輪坯件。
11.如權利要求1所述的方法，其中對小錐齒輪齒輪坯件和錐齒圈齒輪坯件中的每個實施所述方法，且其中所述坯件中所述每個隨后制造成形成齒輪組的匹配構件。
12.—種包括能夠共同哨合轉動的第一齒輪和第二齒輪的齒輪組， 所述第一齒輪包括具有定義齒根圓角線和齒頂線的齒的多個齒； 所述第二齒輪包括具有定義齒根圓角線和齒頂線的齒的多個齒； 其中嚙合時，所述第一齒輪的所述齒頂線是所述第二齒輪的所述齒根圓角線的共軛假想線，且所述第二齒輪的所述齒頂線是所述第一齒輪的所述齒根圓角線的共軛假想線。
13.如權利要求12所述的齒輪組，其特征在于，在所述第一和第二齒輪的所述齒頂線與所述齒根線之間包括預定間隙量以消除干涉。
【文檔編號】B23F19/00GK103732340SQ201280037199
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年7月27日 優(yōu)先權日:2011年7月29日
【發(fā)明者】樊奇 申請人:格里森工場