人字齿面齿轮传动机构及其人字齿面齿轮的铣齿加工方法

技术领域

本发明属于齿轮传动技术领域，具体涉及一种人字齿面齿轮传动机构及其人字齿面齿轮的铣齿加工方法。

背景技术

面齿轮作为一种新型传动具有很多优点，如重合度高、承载能力高、用于功率分支传动中，分流精度高。鉴于其传动优势，最早应用于直升机主传动系统，随着制造技术的进步，面齿轮传动在车辆、风电等传动领域亦有所应用。

面齿轮传动是一种圆柱齿轮与锥齿轮相啮合的传动方式，首先进入实际应用阶段的是直齿面齿轮传动，即直齿圆柱齿轮与面齿轮组成的啮合传动机构。为了进一步开发性能优良的面齿轮传动机构，或便于面齿轮的加工，出现了一些新型的面齿轮传动机构，主要有：

(1)斜齿面齿轮传动机构：如图1所示为由芝加哥大学的Litvin、波音公司的Heath等人所研发的斜齿面齿轮传动机构。相比于直齿面齿轮，应用斜齿面齿轮能显著提高传动系统的功重比，减低噪音，减轻振动，降低成本。

(2)弧线齿面齿轮传动机构：公开号为CN101225878A的发明专利公开了一种弧线齿面齿轮副及其加工方法，该弧线齿面齿轮副由于小轮与大轮的轮齿相互包容，具有点接触特性、承载能力大、传动效率高的优点。公开号为US2013/0042711A1的发明专利公开了一种斜交弧线齿面齿轮传动机构，如图2所示，这种面齿轮机构可以实现双向旋转与双向直移，并且可以实现斜交轴间的动力或速度的传递。

(3)Conical面齿轮传动机构：公开号为US005941124A的发明专利公开了Conical面齿轮传动机构及其制造方法与应用实例。如图3所示，在该机构中，渐开线螺旋面构成了小轮齿形，面齿轮的齿形通过共轭原理定义。该机构允许在高速传动条件下传递大扭矩，可用于直升机传动系统。

(4)Coniface面齿轮传动机构：格林森公司为了使得面齿轮的加工可采用通用刀具和凤凰机床来实现，研究了用平面刀具加工面齿轮的方法，并将该方法加工的面齿轮称为Coniface面齿轮。其专利公开号为US20120099939A1。

(5)其他为改善面齿轮传动啮合与承载性能的齿面设计：公开号为CN101725671A的发明专利公开了一种高重合度面齿轮传动机构，该面齿轮机构具有动态特性好、载能力高的特点，重合度大于等于2。公开号为US005845533A的发明专利公开了一种修形面齿轮传动，对其滚刀的齿廓进行了修形，并改变了刀具的沿工件轴线的进给量，以实现对齿向修形；该专利的实施目的为：通过简单而又便宜的度量手段，使工程师能够选择最有利的承载方式的齿侧间隙，这个间隙不受小轮轴向位置的影响；简化面齿轮传动的安装，使得小轮轴向位置对啮合没有任何影响。

从上述这些专利所论述的内容可知，其目标是追求承载能力更大、啮合性能更优、制造方便、传动平稳、噪音小等优良性能。

然而上述类型的面齿轮存在如下问题：对于传统的直齿、Coniface面齿轮存在重合度小、承载能力不高的特点、伴随有振动与噪音；对于斜齿、Conical面齿轮，由于引入了螺旋角，将削弱了面齿轮传动中，小轮无轴向力这一优势；以上各类面齿轮传动都需要设计成点接触的啮合形式(避免安装误差、支撑变形引起的边缘接触，或轮齿不能接触等不利影响)，不能有效利用其齿宽承载。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计新颖合理、承载能力大、啮合性能好、传动平稳、噪音小、实用性强、使用效果好的人字齿面齿轮传动机构。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种人字齿面齿轮传动机构，其特征在于：包括轴线相互垂直设置且相互啮合的人字齿面齿轮和人字齿圆柱齿轮，所述人字齿面齿轮包括圆盘形轮体和设于圆盘形轮体中间位置处的齿轮轴，所述圆盘形轮体的一侧表面设有以齿轮轴的中心为圆心的环形分布的第一人字齿，所述人字齿圆柱齿轮的轮体外圆周上设置有第二人字齿，所述第一人字齿由对接呈人字形的第一右旋轮齿和第一左旋轮齿组成，所述第二人字齿由对接呈人字形的第二左旋轮齿和第二右旋轮齿组成，所述第二左旋轮齿与第一右旋轮齿相啮合，所述第二右旋轮齿与第一左旋轮齿相啮合。

上述的人字齿面齿轮传动机构，其特征在于：所述第一人字齿的数量为第二人字齿的数量的6～15倍。

本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、能够最大限度上利用人字齿面齿轮的齿宽的对人字齿面齿轮传动机构中人字齿面齿轮的第一人字齿进行铣齿加工的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、构建铣齿加工装置：所述铣齿加工装置包括人字齿面齿轮安装轴、指状铣刀、铣刀安装轴和铣刀运动机构，用于加工人字齿面齿轮的圆盘形轮体与人字齿面齿轮安装轴固定连接；所述铣刀运动机构包括第一转盘和与第一转盘转动连接的第二转盘，以及Z向运动滑块、Y向运动滑块、X向运动导轨和X向运动滑块，所述Z向运动滑块嵌入安装在第二转盘中且能够在第二转盘内做Z轴方向上的运动，所述Y向运动滑块与Z向运动滑块在Y轴方向上滑动连接，所述X向运动导轨与Y向运动滑块固定连接，所述X向运动滑块与X向运动导轨在X轴方向上滑动连接，所述指状铣刀与铣刀安装轴固定连接，所述铣刀安装轴转动连接在X向运动滑块上；

步骤二、采用铣齿加工装置在圆盘形轮体上粗加工第一人字齿：第二转盘转动，Z向运动滑块在Z轴方向上运动，且第二转盘的转角ξ_s与Z向运动滑块的位移S满足S＝Pξ_s，P为人字齿圆柱齿轮的螺旋导程，在第二转盘与Z向运动滑块的合成螺旋齿向进给运动的驱动下，使指状铣刀在齿向做螺旋进给运动；与此同时，X向运动滑块带动指状铣刀沿X向运动导轨滑动，使指状铣刀在圆盘形轮体上做齿廓方向的进给运动；与此同时，盘形轮体随驱动轴旋转，指状铣刀在第一转盘的驱动下旋转，驱动轴与第一转盘的运动构成了指状铣刀与要在圆盘形轮体上加工的第一人字齿的啮合运动，驱动轴的转角φ₁与第一转盘的转角φ_B满足φ₁＝φ_BN₂/N₁，N₂为第二人字齿的齿数，N₁为第一人字齿的齿数；与此同时，指状铣刀随铣刀安装轴旋转；用来粗切出全齿高为2.25m的第一人字齿；m为人字齿面齿轮的模数；

步骤三、第一人字齿精加工修形：第二转盘转动，Z向运动滑块在Z轴方向上运动，且第二转盘的转角ξ_s与Z向运动滑块的位移S满足S＝Pξ_s，在第二转盘与Z向运动滑块的合成螺旋齿向进给运动的驱动下，使指状铣刀在齿向做螺旋进给运动；与此同时，X向运动滑块带动指状铣刀沿X向运动导轨滑动，使指状铣刀在圆盘形轮体上做齿廓方向的进给与修形运动；与此同时，盘形轮体随驱动轴旋转，指状铣刀在第一转盘的驱动下旋转，驱动轴与第一转盘的运动构成了指状铣刀与要在圆盘形轮体上加工的第一人字齿的啮合运动，驱动轴的转角φ₁与第一转盘的转角φ_B满足φ₁＝φ_BN₂/N₁；与此同时，指状铣刀随铣刀安装轴旋转，用来精切出全齿高为2.25m+aS²的第一人字齿；其中，a为齿向抛物线修形参数。

上述的方法，其特征在于：所述指状铣刀的刀刃形状与人字齿圆柱齿轮齿廓的法向截线形状相同。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明人字齿面齿轮传动机构的结构简单，设计新颖合理。

2、本发明人字齿面齿轮传动机构具有对称的轮齿，双齿承载，增加了面齿轮的有效齿宽，消除了人字齿圆柱齿轮的轴向力，承载能力大幅增加。

3、本发明人字齿面齿轮传动机构的人字齿圆柱齿轮可自动轴向对中，均载效果好。

4、本发明人字齿面齿轮传动机构的动力传递平顺，噪音低。

5、本发明人字齿面齿轮铣齿加工方法的方法步骤简单，实现方便，可加工无退刀槽人字齿面齿轮，能够最大限度上利用人字齿面齿轮的齿宽。

6、本发明人字齿面齿轮铣齿加工方法应用了齿面修形技术，对第一人字齿进行了精加工修形，能够根据啮合性能的需要，合理规划第一人字齿接触路径的位置。

7、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明人字齿面齿轮传动机构的设计新颖合理，承载能力大，啮合性能好，传动平稳、噪音小，实用性强，使用效果好，人字齿面齿轮的铣齿加工方法的方法步骤简单，实现方便，能够最大限度上利用人字齿面齿轮的齿宽。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为斜齿面齿轮传动机构的结构示意图。

图2为斜交弧线齿面齿轮传动机构的结构示意图。

图3为Conical面齿轮传动机构的结构示意图。

图4为本发明人字齿面齿轮传动机构的结构示意图。

图5为本发明第一人字齿的结构示意图。

图6为本发明第二人字齿的结构示意图。

图7为本发明铣齿加工装置的结构示意图。

附图标记说明:

1—人字齿面齿轮；2—人字齿圆柱齿轮；3—第一人字齿；

4—第二人字齿；5—第二左旋轮齿；6—第二右旋轮齿；

7—第一右旋轮齿；8—第一左旋轮齿；9—圆盘形轮体；

10—轴孔延长段；11—人字齿面齿轮安装轴；12—指状铣刀；

13—第一转盘；14—第二转盘；15—Z向运动滑块；

16—Y向运动滑块；17—X向运动导轨；18—X向运动滑块；

19—铣刀安装轴；20—机架。

具体实施方式

如图4、图5和图6所示，本发明的人字齿面齿轮传动机构，包括轴线相互垂直设置且相互啮合的人字齿面齿轮1和人字齿圆柱齿轮2，所述人字齿面齿轮1包括圆盘形轮体9和设于圆盘形轮体9中间位置处的齿轮轴10，所述圆盘形轮体9的一侧表面设有以齿轮轴10的中心为圆心的环形分布的第一人字齿3，所述人字齿圆柱齿轮2的轮体外圆周上设置有第二人字齿4，所述第一人字齿3由对接呈人字形的第一右旋轮齿7和第一左旋轮齿8组成，所述第二人字齿4由对接呈人字形的第二左旋轮齿5和第二右旋轮齿6组成，所述第二左旋轮齿5与第一右旋轮齿7相啮合，所述第二右旋轮齿6与第一左旋轮齿8相啮合。

如图4所示，本实施例中，所述第一人字齿3的数量为第二人字齿4的数量的6～15倍。

本发明对人字齿面齿轮传动机构中人字齿面齿轮的第一人字齿进行铣齿加工的方法，包括以下步骤：

步骤一、构建铣齿加工装置：如图7所示，所述铣齿加工装置包括人字齿面齿轮安装轴11、指状铣刀12、铣刀安装轴19和铣刀运动机构，用于加工人字齿面齿轮1的圆盘形轮体9与人字齿面齿轮安装轴11固定连接；所述铣刀运动机构包括第一转盘13和与第一转盘13转动连接的第二转盘14，以及Z向运动滑块15、Y向运动滑块16、X向运动导轨17和X向运动滑块18，所述Z向运动滑块15嵌入安装在第二转盘14中且能够在第二转盘14内做Z轴方向上的运动，所述Y向运动滑块16与Z向运动滑块15在Y轴方向上滑动连接，所述X向运动导轨17与Y向运动滑块16固定连接，所述X向运动滑块18与X向运动导轨17在X轴方向上滑动连接，所述指状铣刀12与铣刀安装轴19固定连接，所述铣刀安装轴19转动连接在X向运动滑块18上；

本实施例中，所述指状铣刀12的刀刃形状与人字齿圆柱齿轮2齿廓的法向截线形状相同。

具体实施时，人字齿面齿轮安装轴11和铣刀安装轴19均采用电机带动旋转，第一转盘13转动连接在机架20上，所述Z向运动滑块15由丝杠副带动在第一转盘13内做Z轴方向上的运动，所述Y向运动滑块16套装在Z向运动滑块15上且由丝杠副带动在Y轴方向上滑动，所述X向运动滑块18套装在X向运动导轨17上且由丝杠副带动在X轴方向上滑动。

步骤二、采用铣齿加工装置在圆盘形轮体9上粗加工第一人字齿3：第二转盘14转动，Z向运动滑块15在Z轴方向上运动，且第二转盘14的转角ξ_s与Z向运动滑块15的位移S满足S＝Pξ_s，P为人字齿圆柱齿轮2的螺旋导程，在第二转盘14与Z向运动滑块15的合成螺旋齿向进给运动的驱动下，使指状铣刀12在齿向做螺旋进给运动；与此同时，X向运动滑块18带动指状铣刀12沿X向运动导轨17滑动，使指状铣刀12在圆盘形轮体9上做齿廓方向的进给运动；与此同时，盘形轮体9随驱动轴11旋转，指状铣刀12在第一转盘13的驱动下旋转，驱动轴11与第一转盘13的运动构成了指状铣刀12与要在圆盘形轮体9上加工的第一人字齿3的啮合运动，驱动轴11的转角φ₁与第一转盘13的转角φ_B满足φ₁＝φ_BN₂/N₁，N₂为第二人字齿4的齿数，N₁为第一人字齿3的齿数；与此同时，指状铣刀12随铣刀安装轴19旋转；用来粗切出全齿高为2.25m的第一人字齿3；m为人字齿面齿轮1的模数；

步骤三、第一人字齿3精加工修形：第二转盘14转动，Z向运动滑块15在Z轴方向上运动，且第二转盘14的转角ξ_s与Z向运动滑块15的位移S满足S＝Pξ_s，在第二转盘14与Z向运动滑块15的合成螺旋齿向进给运动的驱动下，使指状铣刀12在齿向做螺旋进给运动；与此同时，X向运动滑块18带动指状铣刀12沿X向运动导轨17滑动，使指状铣刀12在圆盘形轮体9上做齿廓方向的进给与修形运动；与此同时，盘形轮体9随驱动轴11旋转，指状铣刀12在第一转盘13的驱动下旋转，驱动轴11与第一转盘13的运动构成了指状铣刀12与要在圆盘形轮体9上加工的第一人字齿3的啮合运动，驱动轴11的转角φ₁与第一转盘13的转角φ_B满足φ₁＝φ_BN₂/N₁；与此同时，指状铣刀12随铣刀安装轴19旋转，用来精切出全齿高为2.25m+aS²的第一人字齿3；其中，a为齿向抛物线修形参数，用来控制齿向切削深度，具体取值为0.00001～0.0001。通过对第一人字齿进行了精加工修形，能够根据啮合性能的需要，合理规划第一人字齿接触路径的位置。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。