專利名稱：齒輪精加工方法和齒輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有齒制品(例如齒輪)的精加工。特別是，本發(fā)明揭示了一種齒輪精加工的方法，借助該方法，可以大大降低齒輪嚙合滾動時的噪聲。
背景技術(shù)：
在齒輪制造業(yè)眾所周知，相互嚙合的齒面之間的承載接觸區(qū)應(yīng)該被限制成齒邊界范圍以內(nèi)的接觸區(qū)，藉以防止齒表面在它們的邊緣處接觸，這種接觸可能會導(dǎo)致齒損壞和/或齒輪失效。
為了限制齒的接觸區(qū)，必須對理論上共軛的齒側(cè)面進行修正(或稱改形)，即，限制無載或輕載情況下的接觸區(qū)，以便實現(xiàn)對例如齒輪箱誤差、齒輪元件和組件的不精確度以及偏斜等因素的不敏感性。因此，與各相配齒側(cè)面的整個表面在滾動過程中接觸的情況(在這種理論狀況下，齒側(cè)面完全共軛，并且傳動系統(tǒng)具有零偏斜度和零誤差)不同，修正過的齒側(cè)面通常只在一個點上或沿著一條線接觸。因此，相配的齒側(cè)面只是在該點或沿該線共軛。接觸區(qū)是這樣限制的，盡管有偏斜、誤差和載荷，接觸區(qū)總是保持在齒邊界以內(nèi)。
在錐齒輪的情況下，有三種生成齒側(cè)面改形的機制，這種改形旨在定位齒的承載接觸區(qū)。這些改形通常被稱之為“鼓形”。具體地說，三種鼓形是(1)“縱向”鼓形，即沿著齒的長度方向(從小端到大端或者說是面寬)的改形；(2)“齒廓”鼓形，即沿著齒的齒廓方向(從齒根到齒頂)的改形；以及(3)“齒扭曲”鼓形，即齒沿著長度方向(從小端到大端)的扭曲。可以將上述的一種或多種鼓形應(yīng)用于齒表面，但通常是一起采用這三種鼓形。
然而，在有鼓形的情況下，滾動嚙合的非共軛元件會造成運動誤差。通常，隨著鼓形的增大，被引入相配齒對的運動誤差也變大。增大的鼓形可保護齒免遭邊緣接觸的損壞，但隨之升高的運動誤差會使齒輪不能平順地滾動。
運動誤差會帶來噪聲。噪聲很大程度上是因為兩個相配的齒相互撞擊而造成的。已經(jīng)知道，當(dāng)一對相配的齒作拋物線形的嚙合滾動時，其中一個元件的齒的角速度相對于另一個元件的齒而言有一個線性的降低。因此，相對的角速度有一個恒定不變的負值。然而，當(dāng)接觸過程從當(dāng)前的一對嚙合的齒變化至下一對嚙合的齒時，相對速度瞬時地升高，這是因為下一對齒最初的相對速度高于當(dāng)前這對齒的最終相對速度。如果速度突然升高，相對的角加速度也會有一個瞬間極大的升高，這實際上是一種沖擊(即噪聲)，反映了下一對齒在第一接觸時刻的撞擊情況。這種噪聲在每一對齒剛開始接觸時反復(fù)地發(fā)生。這樣接觸的結(jié)果是，產(chǎn)生一種齒的嚙合頻率和/或其倍數(shù)的噪聲。
已經(jīng)被用來解決齒輪噪聲問題的一個方法是研磨。最高磨除發(fā)生在撞擊時刻，因為這時候會出現(xiàn)兩個嚙合元件的峰值扭矩。換言之，可以在研磨過程中除去會導(dǎo)致干擾的材料。然而，對齒輪組的表面研究表明，來自于研磨劑的某些研磨顆粒會粘附于齒側(cè)面，這意味著當(dāng)齒輪組工作時會發(fā)生一種連續(xù)的“輕微研磨”。此外，研磨劑顆粒趨向于從齒表面移入齒輪組的潤滑油中，這樣甚至?xí)M一步地放大這種負面效應(yīng)。
在紐約Rochester的Rochester技術(shù)學(xué)院(1992年，pp.135-139)出版的《錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪》中，闡述了一種通過沿接觸路徑引入一個四階鼓形來降低齒輪噪聲的方法。該方案的不利之處是，它只是在高載荷情況下有效，但是在對噪聲很關(guān)鍵的低載荷情況下卻并不有效。
Litvin等人在《機械、傳動和自動化設(shè)計年報》(第109卷，1987年，pp.163-170)上發(fā)表的“具有共軛齒面的螺旋錐齒輪的生成方法”一文中，描述了另外一種用來降低齒輪噪聲的理論建議。在該方案中，建議沿著接觸線來引入鼓形。然而，該方法并不能有效地降低噪聲。
本發(fā)明的目的在于，提供一種用于對有齒制品進行機加工的方法，該方法可以大大降低由于齒進入嚙合狀態(tài)而產(chǎn)生的噪聲。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種齒輪，它具有至少一個根據(jù)上述方法制作的齒面。
發(fā)明概要本發(fā)明涉及一種利用精加工工具對齒輪的齒側(cè)面進行機加工的方法。該方法包括使工具(例如一磨削工具)轉(zhuǎn)動，并使工具與齒側(cè)面接觸。在工具和齒輪之間形成相對運動，以使工具沿一路徑通過齒側(cè)面。其中，所述路徑可以產(chǎn)生這樣一種形式的齒側(cè)面幾何形狀，即，當(dāng)齒側(cè)面在無載或輕載情況下與一相配的齒側(cè)面相嚙合而形成一個齒對時，可以形成一運動曲線，該曲線與一緊挨在前面的齒對和一緊挨在后面的齒對的運動曲線至少有兩次交叉。
齒對的運動曲線可以描繪出一個四階甚至更高的偶數(shù)階函數(shù)，并且其形狀最好是具有兩個由兩個交叉點分隔的最大值。齒對的運動曲線描繪了在輕載或無載情況下齒對的各齒側(cè)面從一最初的嚙合入口到一最終的嚙合出口，即齒轉(zhuǎn)動量高于1.0齒距(最好是大約1.5齒距至3.0齒距)的接觸情況。
附圖簡要說明

圖1是示出齒側(cè)面扭轉(zhuǎn)鼓形的修正示意圖；圖2示出了由于齒側(cè)面扭轉(zhuǎn)鼓形所形成的接觸圖案；圖3(a)是一運動曲線圖，示出了齒側(cè)面扭轉(zhuǎn)的鼓形齒面在嚙合時的運動誤差；圖3(b)示出了一用于限定拋物線鼓形元件的坐標(biāo)系統(tǒng)；圖4a、4b和4c分別示出了在齒嚙合過程中的角度傳送、角速度變化和角加速度；圖5是一經(jīng)研磨的齒輪組的運動曲線圖；圖6是一具有沿接觸路徑的四階鼓形的齒輪組的運動曲線圖；圖7是一具有接觸線鼓形的齒輪組的運動曲線圖；圖8a和8b示出了將一研磨齒輪組與一具有接觸線鼓形的齒輪組作比較而獲得的噪聲測試結(jié)果；圖9示意性地示出了一自由式六軸齒輪加工機床；圖10示出了本發(fā)明的運動曲線圖；圖11a、11b和11c分別示出了根據(jù)圖10的運動曲線圖所形成的一個齒面的非工作側(cè)的修正示意圖、接觸圖和運動曲線圖；圖12a、12b和12c分別示出了根據(jù)圖10的運動曲線圖所形成的一個齒面的工作側(cè)的修正示意圖、接觸圖和運動曲線圖；圖13a和13b示出了根據(jù)圖10的曲線圖所生成的一齒輪的非工作側(cè)和工噪聲測試結(jié)果；圖14a和14b針對一傳統(tǒng)的運動曲線圖和本發(fā)明的運動曲線圖，對撞擊點上的曲線傾斜角進行了比較。
對較佳實施例的詳細描述下面將結(jié)合附圖來描述本發(fā)明。
圖1—3是能表示齒輪副元件的相配齒面之間的接觸特性的示意圖。這些示意圖本身是該領(lǐng)域眾所周知的，并不是本發(fā)明的目的，而僅僅是用來對本發(fā)明進行解釋和描述的。如圖1—3所示的那些示意圖是根據(jù)被輸入計算機程序(已知為“齒接觸分析(TCA)程序”)的數(shù)據(jù)(例如基本的齒輪設(shè)計參數(shù)齒接觸數(shù)據(jù)、工具和工藝數(shù)據(jù)等)來描繪的。TCA程序是眾所周知的，并且可以從例如紐約Rochester的格里森工場購得。
圖1示出了在本技術(shù)領(lǐng)域已知為是“修正”的示意圖，其中示出了相配的齒輪齒面2和4的“地形”之間的關(guān)系。表面2被稱之為表示平面，而表面4是修正面。然而，在實踐中，可以將表面2、4看成是分別表示相配合的一錐形環(huán)狀齒輪和一錐形或準(zhǔn)雙曲面小齒輪的齒面地形。該修正示意圖表示環(huán)狀齒輪與小齒輪之間的相互配合情況，也就是沿整個齒側(cè)面的一個個滾動位置的配合情況。在圖1中，該修正示意圖表示齒側(cè)面扭轉(zhuǎn)鼓形。作為參考，如果相配的齒面2、4完全共軛(沒有鼓形)，表示平面4(小齒輪齒面)就是位于表示平面2(環(huán)狀齒輪)上方的一個平面，在縱坐標(biāo)方向上沒有偏差。
圖2是一齒接觸示意圖，示出了以上結(jié)合圖1所述的環(huán)狀齒輪與鼓形小齒輪之間的接觸圖案。接觸圖案6表示在一個齒面投影面8上。該接觸圖案6由一系列接觸線10組成，并具有一由線12表示的接觸路徑，線12沿著齒根一齒頂?shù)姆较虼┻^接觸圖案6。在鼓形齒輪中，每一對齒的從嚙合開始至結(jié)束的接觸線均具有一不受載荷的接觸點。這些點限定了接觸路徑。
圖3(a)是表示主要由鼓形引入的(但諸如零部件的不精確性和偏斜也會起相對小一些的作用)運動誤差的運動曲線圖。運動曲線圖示出了(1)Δφ和(2)t之間的關(guān)系，前者表示一個齒輪副中的一個元件相對于另一個元件的角度位置的差值，后者表示時間。當(dāng)然，熟悉本領(lǐng)域的人員應(yīng)該可以理解，由于排除齒輪比，可能會造成角度位置的變化。
實踐中，所有的真實運動誤差均具有如圖3(b)所示的、由拋物線形鼓形元件所導(dǎo)致的拋物線形狀，其中如圖1所示的縱向、齒廓和齒側(cè)面扭轉(zhuǎn)鼓形分別表示在坐標(biāo)系的X、Y、Z軸上，并遵從拋物線公式z＝Ax2＋By2＋Cxy。在圖3(a)中，Δφ表示轉(zhuǎn)動著的齒對中的各齒的角度位置之差，而t表示時間。運動中的當(dāng)前齒對的運動誤差由曲線A表示，前一個齒對的運動誤差曲線的結(jié)束部分由曲線P表示，而后一個齒對的運動誤差曲線的開始部分由曲線F表示。
現(xiàn)請參見運動曲線圖中的各條曲線，例如圖3(a)中的曲線A、P和F，任何時間點上的角度位置之差都可以由特定曲線與時間線之間的距離Δφ來確定。例如，在圖3(a)中，在時間T1，齒對P的運動誤差的大小是由軸線t與在T1正下方的曲線P之間的距離來表示的。類似地，在時間T2，齒對A的運動誤差的大小是由軸線t與在T2正下方的曲線A之間的距離來表示的。由于運動誤差是由軸線t上的一個點與該軸線下方的一條曲線之間的距離來表示的，因而可以將軸線t和一特定的曲線看成是可表示一對齒的各元件的相對角度運動，在任何一個時間點上的軸線與曲線之間的距離(Δφ)可表示運動誤差的大小。
時間線t是這樣定位的，即，它正切于運動曲線圖上所描繪的曲線的一個或多個最大點。這些曲線最大點表示齒對共軛的各個點，在這些點上不存在運動誤差。如果一特定的運動誤差曲線由一與時間線t重合的線構(gòu)成，那么共軛的就是一條線而不是一個點。在圖3(a)中，當(dāng)前齒輪齒對的運動誤差曲線A的最大值在14處，這個點就是共軛點。關(guān)于齒對上的載荷問題，在運動曲線圖中，位于時間線t上的任何一點正下方的曲線表示齒對在該時間點上所攜帶的載荷。例如，在時間T1，載荷由齒對P攜帶，在時間T2，載荷由齒對A攜帶，而在時間T3，載荷由齒對F攜帶。
現(xiàn)請參見圖3(a)，從曲線P開始，可以看到，前一個齒對向著嚙合結(jié)束位置(點16)轉(zhuǎn)動，在該位置上，當(dāng)前齒對的運動曲線A與曲線P相交。點16表示當(dāng)前齒對的兩個齒面發(fā)生撞擊的那一個點，在該點上，可以將任何的載荷從前一齒對P傳遞至當(dāng)前齒對A。在點16，運動誤差(點16與時間線t之間的距離)相當(dāng)大，但是隨著齒對向著最大點14的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，運動誤差逐漸變小，直到共軛點14。一旦經(jīng)過點14，該齒對繼續(xù)向著它們的嚙合結(jié)束點18轉(zhuǎn)動，在此過程中，運動誤差又逐漸變大。在點18，下齒對F的相配齒面彼此撞擊，可以將任何的載荷傳遞至齒對F。點16和18之間的距離表示一個齒距。
如上所述，運動誤差所導(dǎo)致的噪聲很大程度上是由于兩個相配的齒在沒有載荷或輕載的情況下相互撞擊而造成的。圖4(a)、4(b)和4(c)分別示出了針對相配的當(dāng)前齒對和下一齒對而言的角度傳送、速度和加速度。
圖4(a)描繪了一個典型的拋物線曲線，其中示出了當(dāng)前齒對A和下一齒對F的角度傳送值Δφ。曲線A可以用等式Δφ＝a＋bt－ct2來表示。
圖4(b)示出了相對角速度的變化Δω，這是上述等式的一階導(dǎo)數(shù)。因此，Δω=dΔφdt=b-2ct,]]>這表明隨著齒對的滾動嚙合，齒的相對角速度線性地降低。
圖4c示出了齒對的相對角加速度的變化，這種變化可以由上述等式的導(dǎo)數(shù)來表示。Δa=dΔωdt=-2c,]]>這是一條直線，因而相對的角加速度是恒定不變的。
然而，當(dāng)接觸過程從當(dāng)前嚙合的齒對變化至下一對嚙合齒對時，如圖3中的18所示，由于下一齒對的最初相對速度高于當(dāng)前齒對的最終相對速度，因而使相對速度有一個瞬間地升高。如果有這種速度的突然升高，則相對的角加速度也會有一個有效的瞬間極大的升高22，這實際上是一個脈沖(即噪聲)，反映了下一對齒在最初接觸點18處的撞擊。這種噪聲會隨著每一對齒的最初接觸而反復(fù)出現(xiàn)。
通常知道，穩(wěn)定的單調(diào)落(monotonic dropping)函數(shù)和穩(wěn)定的單調(diào)升(monotonic dropping)函數(shù)的交叉沒有任何重疊，只是一個交叉點。應(yīng)用到運動曲線圖的交叉點附近，該交叉點就是撞擊點，如以上結(jié)合圖4(a)-4(c)所討論的那樣，這個撞擊點是噪聲的主要來源。
圖5表示一研磨過的錐齒輪對的運動誤差曲線圖，并示出了一拋物線形的運動曲線和借助研磨的改形。如前所述，研磨時的最高磨除率發(fā)生在撞擊的瞬間。因此，由于絕大多數(shù)導(dǎo)致齒面噪聲的材料在撞擊點上，這些材料主要可通過研磨來除去。這種研磨作用表現(xiàn)為在運動誤差曲線的頂部出現(xiàn)平坦部分，并且在入口區(qū)形成正弦的或三階的調(diào)諧。由于運動曲線在入口區(qū)不是穩(wěn)定地單調(diào)，因而可減小曲線P和A在入口處出現(xiàn)急劇或陡峭的交叉。換言之，在入口處，曲線A的坡度改變成更匹配于曲線P的坡度，這樣就導(dǎo)致曲線A和P相互“調(diào)和”(參見下文中的圖14(a)和14(b))。因此，可以削弱撞擊，并降低由于撞擊所造成的噪聲。
運動曲線在入口處的形狀建議了曲線A與曲線P或曲線A與曲線F的重疊潛能。重疊的曲線是多個齒嚙合的標(biāo)志，這種概念是已知的。然而，實現(xiàn)重疊的唯一方案是在無載荷情況下的共軛齒接觸，這在實際條件下不可能實現(xiàn)。
圖6的運動誤差曲線示出了與前述的沿接觸路徑的四階鼓形相關(guān)的情況。在入口與最大值之間的曲線部分被改形成為在撞擊點處具有更好的調(diào)和曲線A和P的形式，從而能減小峰值加速度(圖4c)。然而，在最大值和“出口”之間的運動曲線部分仍然是拋物線形的。該方案表明，只有在能有效地使運動曲線(包括拋物線區(qū)域)變平坦的載荷情況下(即，在這種載荷情況下，可以使Δφ的零點有效地向下移動，從而使曲線P、A和F變平)才比較有利，這樣可以使曲線在入口點處更好地調(diào)和，從而降低撞擊和噪聲。當(dāng)把載荷除去時，運動曲線返回到圖6形式和入口點，在表現(xiàn)出改善的噪聲狀況的同時，仍是一個撞擊噪聲源。
圖7示出了由前面討論過的接觸線鼓形所形成的運動曲線。該方案需要圍繞齒的平均點有高精度，由于當(dāng)齒輪組裝配起來時齒輪組的各元件在實際工作位置上的定位以及齒側(cè)面所需的精度的緣故，這種高精度實際上是不能實現(xiàn)的。
雖然運動曲線P、A和F的承載部分看起來一同在最高位置上形成了一連續(xù)的水平線(線t)從而表示沒有運動誤差，但噪聲測試表明，與傳統(tǒng)的拋物線形運動誤差形狀相比，噪聲沒有明顯的下降。另外的研究表明，在兩根水平直線的運動誤差曲線之間(例如，入口點處的P和A)有小的間隙，這會導(dǎo)致某些加速度峰值以及齒對剛度(tooth-pair-stiffness)的階梯變化。
兩根水平運動曲線之間的過渡區(qū)可以具有一間隙、重疊，或者這兩根運動曲線可以略微有一些不對準(zhǔn)。在任何情況下，全世界的“驅(qū)動—從動”系統(tǒng)都不希望有的齒對剛度的階梯變化會妨礙平順的滾動，并導(dǎo)致噪聲。由于接觸線鼓形需要很高的精度，因而它不可能避免直線運動曲線之間的小突變，即由于齒側(cè)面形式的變化或小齒輪與環(huán)狀齒輪之間的不對準(zhǔn)所造成的階梯變化。
為了實現(xiàn)圖6所示的接觸鼓形的四階路徑和圖7所示的接觸線鼓形所需的齒側(cè)面改形，在一自由式錐齒輪磨床(如以下圖9所示)上對齒輪進行磨削，這種磨削是利用Stadtfeld的美國專利5,580,298中所揭示的原理來進行的，該專利的內(nèi)容可援引在此以作參考。
對磨削后的齒輪進行噪聲測試，并與一研磨過的齒輪組的噪聲進行對比。噪聲測量值是齒嚙合的第一個六諧波頻率(first six harmonic)。這種噪聲值是通過對一單個的齒側(cè)面測量和對車輛測試的齒輪組噪聲讀數(shù)進行快速傅立葉變換(FFT)而獲得的。在圖8中，示出了研磨后的主齒輪組和具有接觸線鼓形(圖7)的齒輪組的FFT結(jié)果。對于接觸線鼓形而言，理論預(yù)期值與測試結(jié)果之間有顯著的差別。即使在輕載(只是足以避免相配的齒側(cè)面在60 RPM的轉(zhuǎn)速下分離)情況下，齒輪組也會發(fā)出粗糙的嗡嗡聲。圖8中的FFT結(jié)果反映了這種具有第一諧波嚙合頻率的高水平噪聲。
具有沿接觸路徑的四階鼓形的齒輪噪聲水平低于圖8所示的具有接觸線鼓形的齒輪，但是高于圖8中的研磨齒輪組。
在上述討論的情況下，沒有第一諧波頻率的齒輪組的要求包括正切的調(diào)和運動曲線、不敏感于不對準(zhǔn)現(xiàn)象和齒側(cè)面成形誤差、齒對剛度沒有階梯變化、消除由于修正而導(dǎo)致的一階和更高階的干擾、在無載和輕載情況下實現(xiàn)最高的可能有效接觸率、以及防止或消散齒嚙合頻率(包括它們的更高的諧波倍數(shù))。
根據(jù)本發(fā)明，發(fā)明人研制了一種齒面形狀以及一種對齒側(cè)面進行精加工的方法，借助該方法，可以產(chǎn)生一種在無載或輕載情況下由代表相配齒側(cè)面的運動曲線所限定的表面，其中噪聲降低甚至消散。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，術(shù)語“輕載”是定義成其大小可以達到齒輪(環(huán)狀齒輪或小齒輪)材料的耐久載荷的百分之二十五(25％)。圖10示出了利用本發(fā)明的技術(shù)而獲得的一較佳的運動曲線圖。
圖10所示的運動曲線圖是由四階函數(shù)構(gòu)成的，雖然四階函數(shù)是比較理想的，但也可以構(gòu)思采用更高的偶數(shù)階函數(shù)。請注意看當(dāng)前齒對A的運動曲線，其中，在齒嚙合的“入口”發(fā)生第一次撞擊(由齒對A來承受載荷)之后，在轉(zhuǎn)動0.40齒距之后，發(fā)生第二次撞擊。在第二次撞擊之后，前一個齒對P在0.39齒距范圍內(nèi)接受載荷，在此末端發(fā)生第三次撞擊，這時，當(dāng)前齒對A在0.21齒距范圍內(nèi)重新接受載荷。在第四次撞擊時，下一齒對F在0.40齒距范圍內(nèi)接受載荷，直到發(fā)生第五次撞擊，到那時，當(dāng)前齒對在0.39齒距范圍內(nèi)接受載荷，直到“出口”?？梢钥吹?，從“入口”到“出口”，當(dāng)前齒對A從進入到結(jié)束嚙合的距離是1.79齒距。
多次不同的撞擊沿時間軸線t的間隔是不同的?？拷矒酎c的曲線(左右兩邊)的切線之間的傾角遠大于傳統(tǒng)拋物線形運動誤差曲線24在靠近撞擊點處的切線之間的傾角。圖14(a)示出了一種傳統(tǒng)的運動曲線，從中可以看到，傳統(tǒng)運動曲線的切線60之間的夾角62是大約90度，而在圖14(b)這個圖10某一部分的放大圖中可以看到，在第三和第四撞擊點處的切線64與曲線A(接近水平)的傾角66都是大約135度。
圖11和12示出了一個展成的、端面銑削和磨削的小齒輪的非工作側(cè)(圖11a—11c)和工作側(cè)(圖12a—12c)的實際接觸分析(修正圖、齒接觸圖和運動曲線圖)。將圖11和12與圖10作比較可以發(fā)現(xiàn)，拋物線形的傳統(tǒng)動態(tài)曲線已經(jīng)被轉(zhuǎn)變成一種延伸距離超過1.0齒距，最好是大約1.5—2.0齒距的運動曲線。延長運動誤差曲線的長度并且在所述的延伸長度上產(chǎn)生多個與前和/或后齒對運動誤差曲線的撞擊點，可以有效地消除現(xiàn)有的拋物線根部(即傳統(tǒng)運動誤差曲線的V形交叉點)，從而消除尖銳的撞擊和伴隨而來的噪聲。將兩個最大值與最小值結(jié)合起來的四階或更高階的函數(shù)可以對研磨過的齒輪組甚至更好的齒輪組提供調(diào)節(jié)作用。這樣還可以與前和后運動曲線圖相結(jié)合而產(chǎn)生五個(不是一個)限定的撞擊點。三個不同的齒在實際觀察到的齒的嚙合過程中的很多次小的撞擊可以降低甚至消散噪聲。由于各次撞擊之間所耗費的時間并不是連續(xù)間隔地重復(fù)，而是如圖10所示的那樣以變化的齒距間隔，因而可以進一步地降低噪聲。由于在減噪嚙合過程中的多次撞擊的重要性，當(dāng)前齒對的運動曲線應(yīng)該與前齒對的運動曲線和后齒對的運動曲線之一或兩者交叉至少兩次。
應(yīng)該理解，雖然可以將直線的時間線t和一相關(guān)的曲線(例如圖10中的曲線A)看成是表示一對齒的各元件的相對角度運動，但并不能推斷所有的運動誤差都是因為一個齒輪副的一個元件(如該曲線所示)的齒側(cè)面幾何形狀以及該齒輪副的另一個沒有運動誤差的元件(如直線t所示)所造成的。必須提醒的是，時間軸線t和特定的曲線可以被看成是表示一齒對的各元件的相對角度運動，在任何一個時間點上的時間軸線和特定曲線之間的距離表示運動誤差的大小。因此，一對齒的兩個元件均有一些運動誤差，但是只有誤差的總量才有意義，這個誤差總量由運動曲線圖來表示。
在本發(fā)明中，熟悉本領(lǐng)域的人員應(yīng)該認識到，可以對一個相配齒輪組中的兩個元件中任何一個的齒面進行機加工，以獲得所需的運動曲線，而另一個元件的齒面則保持某些基準(zhǔn)條件，例如理論的共軛齒面。然而，本發(fā)明還構(gòu)思出，可以借助相關(guān)的工具對兩個相配元件都進行機加工，因而當(dāng)嚙合時，相配的齒面可以一起提供所需的運動曲線圖。在該情況下，運動曲線圖會與圖10所示的方式一樣具有一根直的時間線和相關(guān)的運動曲線。即使兩個元件包括一些運動誤差，該運動曲線圖還是可以表示一個元件相對于另一個元件的誤差總量。
某些人認為不必重視運動曲線圖的出口區(qū)域，但這并不正確。前一運動曲線的出口部分導(dǎo)入當(dāng)前運動曲線的入口。例如研磨過的齒輪組的運動曲線(圖5)已經(jīng)清楚地示出了這一點。由于一個完整的齒嚙合過程有五個入口和出口點，因而入口和出口區(qū)之間的關(guān)系已經(jīng)變得更加重要。現(xiàn)請參見圖14，其中示出了在一撞擊點的入口和出口側(cè)(左右兩側(cè))的切線圍成了一個高于135度的角度。理想的是，最好是形成180度的夾角，但是傳統(tǒng)的拋物線形曲線的夾角低于90度。這個角度是由前一曲線的出口端和當(dāng)前曲線的入口端形成的，對運動曲線兩端的重要性是一樣的。
圖13的上部示出了工作側(cè)(小齒輪凹面，大齒輪凸面)的測試結(jié)果。第一和第四嚙合頻率之間的峰值大小大致相同，都是5—6微輻射(micro-radiant)?？梢詫⒌谖搴透咧C波值的不規(guī)則性判斷成總的噪聲散發(fā)額定值的一個優(yōu)點。
圖13的下部示出了非工作側(cè)的測試結(jié)果。運動誤差的第一、第三、第四和第六諧波值幾乎具有相同的大小。所有其它的峰值都是5微輻射或更小。
本發(fā)明的方法最好是在一自由式齒輪加工機床上進行，該機床可以是如圖9所示的、授予Krenzer等人的美國專利4,981,402所揭示的類型。該機床包括一機床底座30、刀架32和工作頭34。刀架滑臺36是安裝成可以通過滑道38相對于刀架32作直線移動(AY)，而刀架32是安裝成可以通過滑道40相對于機床底座30作直線移動(AX)。刀具42安裝在刀架滑臺36上，并且可圍繞刀具軸線WT轉(zhuǎn)動。
工作頭34是安裝成可以通過滑道46相對于工作臺44作弧線(樞轉(zhuǎn))運動(Ap)，而工作臺44是安裝成可以通過滑道48相對于機床底座30作直線移動(Az)。被加工齒輪50安裝在工作頭34上，并且可圍繞被加工齒輪軸線WG轉(zhuǎn)動。
在通過本發(fā)明的方法生成圖11和12所示的齒側(cè)面時，可以按照特定的齒面和所需的接觸圖案來獲得一個運動曲線圖，即，利用齒接觸分析軟件(例如從格里森工場購得的T2000 TCA軟件)以及前述美國專利5,580,298所揭示的工藝來獲得正確的運動曲線圖。作為參考，相配的齒輪元件是一個縱向鼓形的、非展成的、端面銑削的環(huán)狀齒輪。例如，該工藝包括如下步驟1. 從一個基本的TCA程序開始，以便進一步地優(yōu)化；2. 將縱向曲率引入非工作側(cè)和工作側(cè)；3. 在工作側(cè)將對角接觸方向修正成一個中等的“內(nèi)對角接觸”；4. 在工作側(cè)引入齒廓鼓形；5. 在工作側(cè)進一步地修正對角接觸方向；6. 在工作側(cè)使運動曲線正確地定位；7. 在非工作側(cè)將對角接觸方向修正成一個中等的“內(nèi)對角接觸”；8. 在非工作側(cè)接觸位置在齒廓方向；9. 在非工作側(cè)在對角接觸方向上連續(xù)地進行修正；10. 在非工作側(cè)引入齒廓鼓形；11. 在非工作側(cè)使運動曲線正確地定位；12. 在工作側(cè)使運動曲線正確地定位；13. 在工作側(cè)引入齒廓鼓形。
上述的優(yōu)化步驟可用來提供如圖11c和12c所示的運動曲線圖。一旦確定了所需的運動曲線，就可以設(shè)定機床的設(shè)定參數(shù)(例如磨床的設(shè)定參數(shù))，以引導(dǎo)一刀具圍繞和/或沿著圖9所示機床的軸線相對于工件表面運動，從而形成所需的齒面。
例如，在通過磨削形成圖11和12所示的齒面時，采用下列機床設(shè)定參數(shù)1. 徑向距離78.20042. 傾斜角20.983. 回轉(zhuǎn)角-23.904. 工件偏移21.86035. 機床根角-3.786. 機床中心至交叉點-0.83797. 滑動底座14.53638. 滾動比3.307469
9. 改形滾動-2C-0.0288610. 改形滾動-6D-0.0064011. 改形滾動-24E0.6668312. 改形滾動-120F-0.1043413. 螺旋運動-一階7.908114. 螺旋運動-二階4.635615. 螺旋運動-三階3.853316. 螺旋運動-四階-90.571517. 垂直運動-一階0.000018. 垂直運動-二階0.000019. 垂直運動-三階0.000020. 垂直運動-四階0.000021. 徑向運動-一階0.149022. 徑向運動-二階0.890223. 徑向運動-三階-4.033424. 徑向運動-四階-45.8678此外，在對砂輪進行修整時，在修整過程中采用以下參數(shù)1. 雙面刀盤型/OB/IB雙面刀盤型2. 砂輪直徑151.89703. 錯刀量1.80194. 外壓力角13.50045. 內(nèi)壓力角27.99496. 外廓齒形的曲率半徑547.1897. 內(nèi)廓齒形的曲率半徑456.839在按照圖10所示的運動曲線圖來對工件的齒面進行磨削時，不必采用傳統(tǒng)的研磨工藝。例如，按照本發(fā)明的磨削，熱處理的偏差不會對最終成形的齒側(cè)面造成任何影響。各部件不必像研磨齒輪組那樣成對地儲存。不會有夾帶在齒面上的或作為研磨劑污染物出現(xiàn)的研磨顆粒。對齒根部的轉(zhuǎn)接圓角的磨削可以顯著降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，與轉(zhuǎn)接圓角的強度相關(guān)的磨削齒輪組的壽命至少可以延長2倍。
本發(fā)明提供了具有良好滾動性和可調(diào)節(jié)性的齒輪，它們特別是沒有噪聲，即使在有偏斜、裝配不精確或齒輪箱誤差的情況下也能實現(xiàn)無聲地運轉(zhuǎn)。
雖然本發(fā)明是針對錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪來描述的，但是本發(fā)明同樣可以應(yīng)用于正齒輪和斜齒齒輪。
另外，本發(fā)明并不限于磨削，也可以通過其它的精加工工藝(例如刮削、剃齒、珩磨以及圓柱滾齒、錐形滾刀的錐齒輪加工、插齒成形、滾軋、端面銑削和端面滾齒加工)來進行，藉以在加工之后磨削或研磨除去一些材料。還有，本發(fā)明可以應(yīng)用于鍛造齒輪，因為所需的齒面幾何形狀可以結(jié)合于鍛模。
雖然以上結(jié)合若干個較佳實施例對本發(fā)明進行了描述，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于這些特定的形式。本發(fā)明旨在涵蓋對于熟悉本領(lǐng)域的人員很明顯的、不偏離所附權(quán)利要求的精神和實質(zhì)的那些改型。
權(quán)利要求
1. 一種利用精加工工具對齒輪的齒側(cè)面進行機加工的方法，所述方法包括如下步驟使所述精加工工具轉(zhuǎn)動，并使所述工具與所述齒側(cè)面接觸；在所述工具和所述齒輪之間形成相對運動，以使所述工具沿一路徑通過所述齒側(cè)面；其中，所述路徑可以產(chǎn)生這樣一種形式的齒側(cè)面幾何形狀，即，當(dāng)齒側(cè)面在無載或輕載情況下與一相配的齒側(cè)面相嚙合而形成一個齒對時，可以形成一運動曲線，該曲線與一緊挨在前面的齒對和一緊挨在后面的齒對的運動曲線至少有兩次交叉。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述齒對的所述運動曲線大體描繪了一個四階或更高的偶數(shù)階函數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述運動曲線大體描繪了一個四階函數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述齒對的所述運動曲線的形狀是，具有兩個由兩個交叉點分隔的最大值。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述齒對的所述運動曲線描繪了所述齒對的各齒側(cè)面從一最初的嚙合入口到一最終的嚙合出口，即齒轉(zhuǎn)動量高于1.0齒距的接觸情況。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，從所述最初的嚙合入口至所述最終的嚙合出口的齒輪轉(zhuǎn)動量是大約1.5齒距至3.0齒距。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具包括下列工具之一，它們是砂輪、刮削刀具、剃齒刀具、珩磨刀具、端面銑削刀具、端面滾齒刀具、圓柱滾齒或錐形滾齒刀具。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具包括一砂輪。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述齒輪包括錐齒輪、準(zhǔn)雙曲面齒輪、圓柱齒輪或斜齒齒輪。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述齒輪包括錐齒輪或準(zhǔn)雙曲面齒輪。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述齒輪包括錐形小齒輪或準(zhǔn)雙曲面小齒輪。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述運動曲線保持不受施加于所述齒對的載荷的影響。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述相配的齒側(cè)面是一共軛齒側(cè)面。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述相配的齒側(cè)面是非共軛齒側(cè)面。
15. 一種利用一工具對齒輪的齒側(cè)面進行機加工的方法，所述方法包括如下步驟使所述精加工工具轉(zhuǎn)動，并使所述工具與所述齒側(cè)面接觸；在所述工具和所述齒輪之間形成相對運動，以使所述工具沿一路徑通過所述齒側(cè)面；其中，所述路徑可以產(chǎn)生這樣一種形式的齒側(cè)面幾何形狀，即，當(dāng)齒側(cè)面在無載或輕載情況下與一相配的齒側(cè)面相嚙合而形成一個齒對時，可以形成一運動曲線，該曲線描繪了所述齒對的各個齒從一最初的嚙合入口至一最終的嚙合出口，即齒轉(zhuǎn)動量高于1.0齒距的接觸情況。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，從所述最初的嚙合入口至所述最終的嚙合出口的齒輪轉(zhuǎn)動量是大約1.5齒距至3.0齒距。
17. 一種利用一工具對齒輪的齒側(cè)面進行機加工的方法，所述方法包括如下步驟使所述工具轉(zhuǎn)動，并使所述工具與所述齒側(cè)面接觸；在所述工具和所述齒輪之間形成相對運動，以使所述工具沿一路徑橫穿過所述齒側(cè)面；其中，所述路徑可以產(chǎn)生這樣一種形式的齒側(cè)面幾何形狀，即，當(dāng)齒側(cè)面在無載或輕載情況下與一相配的齒側(cè)面相嚙合而形成一個齒對時，可以形成一運動曲線，該曲線描繪了所述齒對的各個齒的包括兩個或多個嚙合入口和兩個或多個嚙合出口，即齒轉(zhuǎn)動量高于1.0齒距的接觸情況。
18. 一種相配齒輪元件的齒側(cè)面機加工方法，該方法是借助一第一工具來加工其中一個相配齒輪元件的齒側(cè)面，并借助一第二工具來加工另一個相配齒輪元件的齒側(cè)面，所述方法包括如下步驟使所述第一工具轉(zhuǎn)動，并使所述第一工具與所述一個相配齒輪元件的齒側(cè)面接觸；在所述第一工具和所述一個相配齒輪元件之間形成相對運動，以使所述第一工具沿一第一路徑通過所述齒側(cè)面；使所述第二工具轉(zhuǎn)動，并使所述第二工具與所述另一個相配齒輪元件的齒側(cè)面接觸；在所述第二工具和所述另一個相配齒輪元件之間形成相對運動，以使所述第二工具沿一第二路徑通過所述齒側(cè)面；其中，所述第一和第二路徑可以產(chǎn)生這樣一種形式的齒側(cè)面幾何形狀，即，當(dāng)所述的兩個相配齒輪元件在無載或輕載情況下相互嚙合而形成一個齒對時，可以形成一運動曲線，該曲線與一緊挨在前面的齒對和一緊挨在后面的齒對的運動曲線至少有兩次交叉。
19. 一種齒輪，具有多個齒側(cè)面，其中至少一個齒側(cè)面具有這樣一種形式的齒側(cè)面幾何形狀，即，當(dāng)其在無載或輕載情況下與一相配的齒側(cè)面相嚙合而形成一個齒對時，可以形成一運動曲線，該曲線與一緊挨在前面的齒對和一緊挨在后面的齒對的運動曲線至少有兩次交叉。
全文摘要
一種利用精加工工具對齒輪的齒側(cè)面進行機加工的方法。該方法包括:使工具(例如一磨削工具)轉(zhuǎn)動,并使工具與齒側(cè)面接觸。在工具和齒輪之間形成相對運動,以使工具沿一路徑橫穿過齒側(cè)面。其中,所述路徑可以產(chǎn)生這樣一種形式的齒側(cè)面幾何形狀,即,當(dāng)齒側(cè)面在無載或輕載情況下與一相配的齒側(cè)面相嚙合而形成一個齒對時,可以形成一運動曲線(A),該曲線與一緊挨在前面的齒對(P)和一緊挨在后面的齒對(F)的運動曲線至少有兩次交叉。齒對的運動曲線描繪了齒對的各齒側(cè)面從一最初的嚙合入口到一最終的嚙合出口,即齒轉(zhuǎn)動量高于1.0齒距(最好是大約1.5齒距至3.0齒距)的接觸情況。
文檔編號F16H55/22GK1326391SQ99813427
公開日2001年12月12日 申請日期1999年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月23日
發(fā)明者H·J·斯帕達費爾德 申請人:格里森工場