[發明專利]一種基于羊角螺旋線齒條刀的齒輪副設計方法

有效

• 申請號: 202010172485.8
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN111322373B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 蘇進展;常樂浩;封碩;賀朝霞
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: F16H55/08
• 分類號: F16H55/08;F16H55/17;G06F30/17
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 郭瑤

本發明公開一種基于羊角螺旋線齒條刀的齒輪副設計方法，包括：采用羊角螺旋線刃代替齒條刀的直線刃和圓弧刃，借助漸開線齒廓的展成原理，獲得共軛齒輪副的齒廓；由輪齒基本參數建立幾何約束條件，計算出羊角螺旋線的形狀參數；建立齒條刀具的齒廓坐標系和動坐標系，獲得齒條刀的位置矢量和法向矢量。通過控制齒條刀沿著節線的移動速度和工件繞著自身軸線的旋轉速度的運動關系，借助齊次坐標變換和平面嚙合原理，推導出大小輪的齒面方程，建立齒輪副模型。本發明通過凹凸齒條刀獲得齒輪副凹凸接觸，提高齒面接觸強度；通過齒條刀的凹形齒頂加工齒根，增大輪齒齒根厚度，提高輪齒彎曲強度和減小最少不發生根切的齒數。

技術領域

本發明屬于齒輪傳動技術領域，特別涉及一種基于羊角螺旋線齒條刀的齒輪副設計方法。

背景技術

齒廓和齒線是決定齒輪齒面形狀及嚙合性能的兩個關鍵因素。齒輪傳動技術的發展主要也是圍繞著這兩方面來展開的。在高速重載場合，為了改善漸開線圓柱齒輪的傳動性能，通常都需要對輪齒修形，修形后的漸開線圓柱齒輪在齒廓和齒線方向上都是凸齒對凸齒的嚙合傳動，因而齒輪副的誘導曲率半徑較小，齒面接觸應力大，承載能力受到一定的限制。凹凸齒廓接觸的齒輪副能夠增大誘導曲率半徑，提高齒面接觸強度。增大齒根圓角半徑是提高齒根彎曲強度的有效措施，圓角半徑增加會造成實際工作齒高的減小，從而產生齒頂齒根干涉現象，發生邊緣接觸現象，甚至造成輪齒失效。羊角螺旋線多用作緩和曲線，緩和直路線與圓曲路線之間曲線變化的作用，其特點是：從坐標原點開始，起始曲率為0，函數曲線的曲率呈線性增長，用于直線與任何圓弧曲線的光滑連接，保證連接點與圓弧曲線的曲率完全一致，廣泛應用道路設計的拐彎處，如高速公路，高速鐵路等。因此，若將羊角螺旋線應用到齒條刀的切削刃上，用于光滑連接直線頂刃和直線根刃，可改善齒輪副的嚙合性能。

發明內容

為了解決漸開線齒輪傳動中存在的齒面接觸強度和和齒根彎曲薄弱，以及最小根切齒數的限制等不足，本發明專利提供了一種基于羊角螺旋線齒條刀的齒輪副設計方法，通過凹凸齒條刀獲得齒輪副凹凸接觸，提高齒面接觸強度；通過齒條刀的凹形齒頂加工齒根，增大輪齒齒根厚度，提高輪齒彎曲強度和減小最少不發生根切的齒數，從而使得該新齒形齒輪副適用于重載和大速比傳動的場合。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于羊角螺旋線齒條刀的齒輪副設計方法，包括以下步驟：

(1)將齒條刀的法向齒廓設計為羊角螺旋線，通過幾何約束關系，確定羊角螺旋線的形狀參數；建立齒廓坐標系和齒條刀動坐標系，借助坐標變換，獲得齒條刀的位置矢量和法向矢量；

(2)借助標準漸開線圓柱齒輪的展成原理，通過控制齒條刀沿著節線的移動速度和工件繞著自身軸線的旋轉速度的關系，借助齊次坐標變換和平面嚙合原理，推導出大小輪的齒面方程，建立齒輪副模型；

(3)通過位置系數調整羊角螺旋線的凹凸程度，從而控制齒輪副的凹凸接觸程度。

作為本發明的進一步改進，所述法向齒廓是采用羊角螺旋線刃代替齒條刀的直線刃和圓弧刃，借助漸開線齒廓的展成原理，獲得共軛齒輪副的齒廓。

作為本發明的進一步改進，步驟(1)中，所述齒條刀的切削刃分為上下兩部分，分別為加工齒頂的上部分羊角螺旋線和加工齒根的下部分羊角螺旋線，上下兩部分羊角螺旋線是關于節點對稱的曲線；下部分羊角螺旋線從節點開始到與根刃相切處終止，而上部分羊角螺旋線則是下部分羊角螺旋線關于節點對稱的曲線的一部分。

作為本發明的進一步改進，步驟(1)中，獲得齒條刀的位置矢量和法向矢量具體包括：

在切削刃的節點O_t建立齒廓參考坐標系，x_t方向與x_c方向的夾角為齒條刀的壓力角α_n，y_t垂直x_t指向刀具實體，建立坐標系S_t，在坐標系S_t中，上下羊角螺旋線表示為：