[发明专利]弧线齿面齿轮副及其加工方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及传动机械领域，具体是一种弧线齿面齿轮副及其加工方法。

(二)背景技术

面齿轮传动副(Face Gear Drive)是一种圆柱齿轮与圆锥齿轮相啮合的齿轮传动，可以应用于两轮轴线正交与非正交的场合。当两轮轴线正交，即轴夹角γ＝90°时，圆锥齿轮的轮齿将分布在一个圆平面上，锥齿轮即成为面齿轮，从而泛称为面齿轮传动。由于面齿轮副在分流-汇流传动中的独特性，使其在航空领域的应用表现出了潜在的优势。面齿轮的分流-汇流装置与传统的弧齿锥齿轮分流-汇流传动装置相比较，结构简化，重量减轻22％，动力传输密度(单位重量所传输的动力)提高35％。目前，面齿轮传动主要集中于两种齿形的应用和研究：一是小齿轮是渐开线圆柱直齿轮，另一种是小齿轮是渐开线圆柱斜齿轮。

直齿面齿轮传动副结构相对紧凑，齿轮副的加工易于在经过改造的普通插齿机或滚齿机上实现，具有低成本的特性。其优点是直齿面齿轮传动不但可以应用于玩具、仪表、手工工具等低速轻载的场合，而且还可应用于高速重载条件下的航空动力传动装置的分流传动结构。此外，面齿轮传动工作过程中轮系振动小、噪音低、使用寿命长，由于在分流装置中小轮浮动安装，能够自定心，消除了轴向力，保证了对安装误差的低敏感性。具有螺旋角的斜齿面齿轮传动是在直齿面齿轮传动理论的基础上发展起来的，目前国外的研究还仅仅是处于理论探讨阶段，国内的相关研究工作也已经起步。与直齿面齿轮传动相比较，斜齿面齿轮传动的优点是接触齿面宽度较大、承载能力较高，接触线的长度从小到大逐渐接触，然后又逐渐分开，因此，运转较平稳，噪声较小。经过沿齿廓方向抛物线修形的面齿轮可以吸收由于安装误差所产生的线性不连续传动误差，减小振动和噪声。

直齿面齿轮接触迹线沿齿面的齿廓方向分布，边缘接触往往是不可避免的，在某一区域导致接触应力过于集中，齿面抗接触疲劳较差是其明显的缺点。斜齿面齿轮传动在一定程度上可以避免由于边沿接触而引起应力过于集中现象，但直齿面齿轮和斜齿面齿轮对于安装中的轴线误差比较敏感，理论上很小的轴线误差就能引起接触区转移到边缘，产生应力集中和啮合冲击，使齿轮迅速损坏。

斜齿面齿轮的加工往往需要对现有的斜齿轮加工机床进行改造，重新设计滚刀，研究加工工艺，其加工复杂是其明显的不足。另外，由于附加在轴承和机体上的较大轴向力，在许多情况下使斜齿面齿轮的应用还存在一定的困难。因此目前仍停留在研究阶段，商品化尚需较长的时间。

直齿面齿轮和斜齿面齿轮至今在国内尚未解决磨齿问题，因此硬齿面热后加工并达到航空齿轮的精度要求还有很长的一段路要走。

美国格里森公司在专利号为3915060的发明专利中(Method for cutting pairedof gears having arcuate tooth traces)首先提出采用大刀盘拉切齿法加工弧形齿线圆柱齿轮的方法，西安交通大学马振群在其博士学位论文《对称弧线圆柱齿轮的设计制造及关键技术研究》中提出利用具有刀倾角的双面刀盘展成法在多轴联动数控机床上切制对称弧线圆柱齿轮的思想，并对对称弧线圆柱齿轮副的啮合理论进行了详细的分析。

(三)发明内容

为了克服直齿面齿轮传动和斜齿面齿轮传动边缘接触，接触应力过于集中，加工成本高，普通机床与刀具难以实现加工以及磨齿等难以解决的问题，基于面齿轮啮合传动理论，本发明提出了一种弧线齿面齿轮传动副及其加工方法。

本发明是由大轮和小轮啮合而成的齿轮副，其大轮是弧线齿面齿轮，小轮是对称弧线圆柱齿轮。本发明中的弧线齿面齿轮和与之啮合的对称弧线圆柱齿轮的几何外形沿齿长方向均为弧线齿形，并且两轮的弧线方向相同。

弧线齿面齿轮齿面结构比较复杂，弧线齿形螺旋角在齿宽中点处为零度，沿齿长向两端逐渐加大，压力角在齿宽中点处等于刀具齿形角，其大小随截面位置的变化而略有不同；考虑到在加工过程中根切及齿顶变尖等问题，齿厚随截面位置的不同而变化，由小端到大端逐渐变大；齿顶高系数h_a^*和顶隙系数c^*均取国家规定的标准值。对称弧线圆柱齿轮的特点是沿齿宽方向的中央对称截面上保留了渐开线齿形，且螺旋角为零度，压力角等于刀具齿形角。其它端截面处为近似渐开线齿形，螺旋角沿齿线向两端逐渐加大，压力角的大小随截面位置的变化而略有不同。