CN109899481B - 一种斜齿轮及具有该斜齿轮的传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜齿轮及具有该斜齿轮的传动机构，斜齿轮包括具有若干轮齿的齿圈、腹板和齿轮轴，齿轮轴贯穿腹板并与腹板连接，腹板的一个侧面设有加强部；具有垂直于齿轮轴轴线且平分腹板的平面A以及垂直于齿轮轴轴线且平分各轮齿的平面B，平面A相对于平面B在齿轮轴轴向上偏移一设定距离，且平面A和加强部位于平面B的同一侧。传动机构包括至少一个上述的斜齿轮，且斜齿轮的平面A相对于平面B的偏移方向与该斜齿轮所受轴向力方向一致。本发明具有轻量化、均载性能好、结构简单紧凑、易于加工制作等优点。

Description

一种斜齿轮及具有该斜齿轮的传动机构

技术领域

本发明涉及传动零部件技术领域，具体涉及一种斜齿轮及具有该斜齿轮的传动机构。

背景技术

斜齿圆柱齿轮由于自身重合度高、承载能力强等优点，广泛应用于航空航天领域中。但由于航空设备对零件有轻量化、高强度的要求，传统航空斜齿轮的腹板均设计为两侧面垂直于齿轮轴的薄板结构，薄板结构的腹板位于齿宽中间位置(也即垂直于齿轮轴且平分腹板的平面与垂直于齿轮轴且平分各轮齿的平面重合)，同时腹板上设有多个减重孔以降低斜齿轮质量，因此斜齿轮的腹板柔性大大增加。由于斜齿轮自身结构特点，在啮合过程中无法避免的会产生轴向力作用，导致斜齿轮的腹板在轴向力与扭矩的作用下容易产生较大的弯曲变形，出现严重的偏载现象，无法保证应有的啮合刚度要求，从而造成斜齿轮使用性能的下降，甚至会造成整个航空设备的失效甚至破坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种轻量化、均载性能好、结构简单紧凑、易于加工制作的斜齿轮及具有该斜齿轮的传动机构。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种斜齿轮，包括具有若干轮齿的齿圈、腹板和齿轮轴，所述齿轮轴贯穿所述腹板并与所述腹板连接，所述腹板的一个侧面设有加强部；具有垂直于所述齿轮轴轴线且平分所述腹板的平面A以及垂直于所述齿轮轴轴线且平分各轮齿的平面B，所述平面A相对于所述平面B在齿轮轴轴向上偏移一设定距离，且所述平面A和所述加强部位于所述平面B的同一侧。

作为上述斜齿轮的进一步改进：

所述设定距离为所述斜齿轮齿宽的1/8至1/6。

所述加强部呈圆锥形，且圆锥形的加强部的轴线与所述齿轮轴的轴线重合。

所述腹板设有加强部的侧面整体设置为圆锥面并形成所述加强部。

所述加强部的侧面与平面A的夹角为小于等于5°。

所述腹板的半径为200～300毫米，所述腹板的厚度小于等于14毫米，所述斜齿轮的齿宽为40～50毫米。

所述腹板上设有若干绕齿轮轴均匀分布的减重孔。

所述腹板与加强部相对的侧面为与齿轮轴轴线垂直的平面。

一种传动机构，包括至少一个上述的斜齿轮，所述斜齿轮的平面A相对于平面B的偏移方向与该斜齿轮所受轴向力方向一致。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的斜齿轮在腹板的一侧面设置加强部，同时使垂直于齿轮轴轴线且平分腹板的平面A相对于垂直于齿轮轴轴线且平分各轮齿的平面B在齿轮轴轴向上偏移一设定距离，且平面A和加强部位于平面B的同一侧，将该斜齿轮应用到传动机构中进行啮合传动时，使平面A相对于平面B的偏移方向与该斜齿轮所受的轴向力方向一致，可在满足斜齿轮轻量化要求的前提下，明显改善斜齿轮的偏载情况，大大提高斜齿轮均载性能，增加斜齿轮啮合刚度，提高斜齿轮使用性能。其具有重量轻、结构简单紧凑、易于加工制作的优点。

本发明的传动机构由于采用了本发明的斜齿轮，并使斜齿轮的平面A相对于平面B的偏移方向与该斜齿轮所受轴向力方向一致，能够提高斜齿轮的载性能，保证啮合刚度要求，提高传动机构工作的稳定可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为d组斜齿轮的剖视结构示意图。

图2为a组斜齿轮的剖视结构示意图。

图3为b组斜齿轮的剖视结构示意图。

图4为c组斜齿轮的剖视结构示意图。

图5为e组斜齿轮的剖视结构示意图。

图6为f组斜齿轮的剖视结构示意图。

图7为a-f组斜齿轮的传递误差曲线图。

图8为a-f组斜齿轮的啮合刚度曲线图。

图9为a-c组斜齿轮中加强部的最大接触应力曲线图。

图10为d-f组斜齿轮中加强部的最大接触应力曲线图。

图11为斜齿轮最大接触应力随加强部的锥角变化曲线图。

图12为各组斜齿轮腹板平移后的传递误差曲线图。

图13为各组斜齿轮腹板平移后的啮合刚度曲线图。

图14为各组斜齿轮腹板平移后的第一最大接触应力曲线图。

图15为各组斜齿轮腹板平移后的第二最大接触应力曲线图。

图16为本发明斜齿轮的最大接触应力云图。

图17为传统斜齿轮的最大接触应力云图。

图18为本发明斜齿轮的立体结构示意图。

图19为本发明斜齿轮的剖视结构示意图。

图例说明：

1、齿圈；11、轮齿；2、腹板；21、加强部；3、齿轮轴；4、加强结构。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图18和图19所示，本实施例的斜齿轮，包括具有若干轮齿11的齿圈1、腹板2和齿轮轴3，齿轮轴3贯穿腹板2并与腹板2连接，腹板2的一个侧面设有加强部21；具有垂直于齿轮轴3轴线且平分腹板2的平面A以及垂直于齿轮轴3轴线且平分各轮齿11的平面B，平面A相对于平面B在齿轮轴3轴向上偏移一设定距离，且平面A和加强部21位于平面B的同一侧。该斜齿轮在腹板2的一侧面设置加强部21，同时使垂直于齿轮轴3轴线且平分腹板2的平面A相对于垂直于齿轮轴3轴线且平分各轮齿11的平面B在齿轮轴3轴向上偏移一设定距离，且平面A和加强部21位于平面B的同一侧，将该斜齿轮应用到传动机构中进行啮合传动时，使平面A相对于平面B的偏移方向与该斜齿轮所受的轴向力方向一致，可在满足斜齿轮轻量化要求的前提下，明显改善斜齿轮的偏载情况，大大提高斜齿轮均载性能，增加斜齿轮啮合刚度，提高斜齿轮使用性能。其具有重量轻、结构简单紧凑、易于加工制作的优点。

本实施例中，平面A相对于平面B在齿轮轴3轴向上偏移的设定距离为斜齿轮齿宽的1/8至1/6，在该偏移距离范围内，斜齿轮具有最优的均载性能和啮合性能。

本实施例中，加强部21呈圆锥形，且圆锥形的加强部21的轴线与齿轮轴3的轴线重合，将加强部21设置成圆锥形，在满足同样均载性能的情况下能够进一步降低斜齿轮的质量。在齿轮轴3轴向沿远离平面A的方向，圆锥形的加强部21的直径逐渐减小。

本实施例中，腹板2设有加强部21的侧面整体设置为圆锥面并形成加强部21，在满足同样均载性能的情况下使斜齿轮的质量最小。

本实施例中，加强部21的侧面与平面A的夹角θ为小于等于5°。斜齿轮均载性能是随着夹角θ的增加而呈现单调递增规律的，但夹角θ越大斜齿轮质量也越大，受轻量化指标要求，在满足最大质量上限的前提下该夹角θ的取值尽可能大。当夹角θ小于5度时能够在均载性能和轻量化要求之间得到较好的折中。

本实施例中，腹板2的半径为200～300毫米，腹板2的厚度小于等于14毫米，斜齿轮的齿宽为40～50毫米。

本实施例中，腹板2上设有若干减重孔，若干减重孔绕齿轮轴3均匀分布，能够降低斜齿轮质量。

本实施例中，腹板2与加强部21相对的侧面为与齿轮轴3轴线垂直的平面，利于减轻斜齿轮重量，降低制作难度。

一种传动机构，包括至少一个本实施例所述的斜齿轮，该斜齿轮与传动机构中的传动部件啮合进行传动，传动部件可以是斜齿轮或蜗杆等，在该传动机构中，斜齿轮的平面A相对于平面B的偏移方向与该斜齿轮所受轴向力方向一致，这样能够提高斜齿轮的载性能，保证啮合刚度要求。

以下通过仿真分析证明采用本实施例的斜齿轮可以提高斜齿轮均载性能和啮合刚度：

分析的斜齿轮基本参数：轮齿11的齿数为115，模数为2.75，压力角为22.5度，螺旋角为30度，齿宽为47毫米，载荷为500牛米，腹板2厚度为14毫米，减重孔为7个。

结合斜齿轮的基本参数利用CAD软件绘制生成a-f六组不同结构形式的斜齿轮，六组斜齿轮中垂直于齿轮轴3轴线且平分腹板2的平面A与垂直于齿轮轴3轴线且平分各轮齿11的平面B重合，其中：

a组为在腹板2两个侧面均设有圆锥形加强部21的斜齿轮，在齿轮轴3轴向上沿逐渐远离平面A的方向圆锥形加强部21的直径逐渐减小，各圆锥形加强部21的侧面与平面A之间的夹角θ＝5°，参见图2；该组斜齿轮称为双边下锥形结构设计斜齿轮。

b组为在腹板2两个侧面均设有带锥形孔的加强结构4的斜齿轮，在齿轮轴3轴向上沿逐渐远离平面A的方向锥形孔的直径逐渐增大，其中锥形孔的内壁与平面A之间的夹角θ＝5°，参见图3；该组斜齿轮称为双边上锥形结构设计斜齿轮。

c组为在腹板2一个侧面设有带锥形孔的加强结构4的斜齿轮，在齿轮轴3轴向上沿逐渐远离平面A的方向锥形孔的直径逐渐增大，且加强结构4位于腹板2对应于斜齿轮所受轴向力方向的一侧，其中锥形孔的内壁与平面A之间的夹角θ＝5°，参见图4；该组斜齿轮称为轴正向单边上锥形结构设计斜齿轮。

d组为在腹板2一个侧面设有圆锥形加强部21的斜齿轮，在齿轮轴3轴向上沿逐渐远离平面A的方向圆锥形加强部21的直径逐渐减小，且圆锥形加强部21位于腹板2对应于斜齿轮所受轴向力方向的一侧，其中圆锥形加强部21的侧面与平面A之间的夹角θ＝5°，参见图1；该组斜齿轮称为轴正向单边下锥形结构设计斜齿轮。

e组为在腹板2一侧设置圆锥形加强部21的斜齿轮，在齿轮轴3轴向上沿逐渐远离平面A的方向圆锥形加强部21的直径逐渐减小，且圆锥形加强部21位于腹板2对应于斜齿轮所受轴向力方向的另一侧，其中圆锥形加强部21的侧面与平面A之间的夹角θ＝5°，参见图5；该组斜齿轮称为轴反向单边下锥形结构设计斜齿轮。

f组为在腹板2一侧设有带锥形孔的加强结构4的斜齿轮，在齿轮轴3轴向上沿逐渐远离平面A的方向锥形孔的直径逐渐增大，且加强结构4位于腹板2对应于斜齿轮所受轴向力方向的另一侧，其中锥形孔的内壁与平面A之间的夹角θ＝5°，参见图6；该组斜齿轮称为轴反向单边上锥形结构设计斜齿轮。

利用abaqus有限元进行仿真计算，分别比较传统斜齿轮以及上述六组斜齿轮的质量增量、传动误差、啮合刚度以及最大接触应力曲线。其中，传统斜齿轮的腹板2为两侧面垂直于齿轮轴3的薄板，其余基本参数与上述六组斜齿轮相同。

分别测量上述六组斜齿轮的质量，并与传统斜齿轮的质量23.9kg进行对比如下：a组斜齿轮的质量为28.0kg，增加17.1％；b组斜齿轮的质量为29.3kg，增加22.6％；c组斜齿轮的质量为26.6kg，增加11.3％；d组斜齿轮的质量为25.9kg，增加8.4％；e组斜齿轮的质量为25.9kg，增加8.4％；f组斜齿轮的质量为26.6kg，增加11.3％。

图7为各组斜齿轮的传递误差曲线图，图8为各组斜齿轮的啮合刚度曲线图，图7和图8中，标注为“原始”的曲线对应传统斜齿轮。通过图7和图8发现，各组斜齿轮的传递误差曲线均值均小于传统斜齿轮的传递误差数值，其中，a组改善最大，下降约60微米，f组改善最小，下降约20微米；各组之间传递误差幅值改变不大；由传递误差与啮合刚度之间的关系可得，啮合刚度与传递误差的整体变化趋势一致，即各组斜齿轮的啮合刚度数值均上升，其中，a组啮合刚度最大，约7.2e+7N/m，f组啮合刚度最小，约4.0e+7N/m；以传递误差曲线与啮合刚度为评判依据，分别比较a、b组，c、d组，e、f组可以发现，下锥形结构设计方法性能远远优越于上锥形结构设计方法；分别对比a、d组，b、e组发现，双边锥形结构设计方法性能较优越于单边锥形结构设计方法，但结合轻量化要求指标，双边锥形结构设计方法质量增量为单边锥形结构设计方法的两倍；分别对比c、f组，d、e组发现，由于斜齿轮所受轴向力方向为Z轴正方向，因此锥形结构为Z轴正方向的设计方法性能略优于锥形结构为Z轴负方向的设计方法，但两者区别不大。

图9为a-c组斜齿轮中加强部21的最大接触应力曲线图，图10为d-f组斜齿轮中加强部21的最大接触应力曲线图，图9和图10中，标注为“原始”的曲线对应传统斜齿轮。通过图9和图10发现，各组斜齿轮的一个齿面从啮入至啮出过程中最大接触应力曲线趋势一致，且均存在啮入时的应力集中情况，各组斜齿轮较原始参数下最大接触应力数值均出现不同程度的降低，其中，a组最大接触应力为519.2Mpa，下降27.9％；b组最大接触应力为561.1Mpa，下降22.1％；c组最大接触应力为600.8Mpa，下降16.5％；d组最大接触应力为560.9Mpa，下降22.1％；e组最大接触应力为590.2Mpa，下降18.0％；f组最大接触应力为631.5Mpa，下降12.3％，即最大接触应力数值由小至大为：a<d<b<e<c<f<传统斜齿轮。

以d组斜齿轮为例，通过改变圆锥形加强部21的侧面与平面A夹角来探讨斜齿轮均载性能随锥角变化的规律，如图11所示，斜齿轮均载性能随夹角的增加而变好，但同时质量也会增加。

同理，通过平移腹板2位置可以在完全不改变斜齿轮质量，保证轻量化设计的前提下改善斜齿轮均载性能。通过研究发现，斜齿轮腹板2弯曲方向为Z轴正方向，因此，将斜齿轮腹板2从中心位置沿Z轴正方向依次平移2mm、4mm、6mm、8mm、10mm和14mm。同时，为保证研究结论的可靠性以及逻辑的缜密性，依然设置一组仿真分析为沿Z轴负方向平移6mm，目的在于对比正负两方向对于均载性能的影响。依然对比各组传递误差曲线，啮合刚度以及最大接触应力。

通过图12和图13可以发现，当斜齿轮腹板2位置进行平移后，斜齿轮的传动误差曲线及啮合刚度均发生了不同程度的降低与增加，改善了斜齿轮的啮合性能。同时，从图12和图13中可以得出，当斜齿轮腹板2向Z轴正向平移6mm时，啮合性能最优；而当腹板2分别向Z轴正向平移8mm，10mm及14mm时，三组模型的传递误差曲线与啮合刚度曲线数值几乎一致，且啮合性能均较差；当齿轮腹板2向Z轴负向移动时，仅针对传递误差曲线与啮合刚度而言，该斜齿轮啮合性能有所改善。由此可以得出结论，斜齿轮通过平移腹板2位置可以改善啮合性能，但改善程度随着斜齿轮腹板2平移距离的增加呈先增大后减小的趋势，最优位置应位于Z轴正向平移齿宽1/8至1/6距离之间。

通过图14和图15可以发现，当斜齿轮腹板2向Z轴正向分别移动4mm、6mm、8mm、10mm、14mm以及Z轴负向移动6mm时，一个轮齿11从啮入至啮出过程中的最大接触应力分别为628.6Mpa、605Mpa、591.4Mpa、570.6Mpa、531Mpa及717Mpa，相较于传统斜齿轮最大接触应力719.9Mpa，当腹板2沿Z轴正向移动时，最大接触应力均下降，但各组之间最大接触应力数值区别不大，为20Mpa左右。而当腹板2向Z轴负向移动时，最大接触应力数值几乎不变，且啮入时的应力突变数值增加。由此可以得出结论，当斜齿轮腹板2沿Z轴正向移动时，斜齿轮最大接触应力数值随移动的距离增加而减小，当斜齿轮腹板沿Z轴负向移动时，斜齿轮最大接触应力不变或增大。

由以上各种分析可以得出，斜齿轮均载性能最优的为将腹板2沿轴向力方向移动齿宽的1/8至1/6距离，且腹板2的结构采用轴向力方向一侧为上小下大的单边锥形结构设计。

同时，通过仿真计算，传统平板式腹板结构斜齿轮最大接触应力时的应力云图如图17所示，可以发现传统腹板结构在啮合过程中最大接触应力对应的接触印痕明显发生了偏移。而本发明斜齿轮最大接触应力时的应力云图如图16所示，接触印痕明显处于齿宽中点附近，证明此种结构的真实有效性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种斜齿轮，包括具有若干轮齿(11)的齿圈(1)、腹板(2)和齿轮轴(3)，所述齿轮轴(3)贯穿所述腹板(2)并与所述腹板(2)连接，其特征在于：所述腹板(2)的一个侧面设有加强部(21)；具有垂直于所述齿轮轴(3)轴线且平分所述腹板(2)的平面A以及垂直于所述齿轮轴(3)轴线且平分各轮齿(11)的平面B，所述平面A相对于所述平面B在齿轮轴(3)轴向上偏移一设定距离，且所述平面A和所述加强部(21)位于所述平面B的同一侧，所述加强部(21)呈圆锥形，且圆锥形的 加强部(21)的轴线与所述齿轮轴(3)的轴线重合，所述加强部(21)的侧面与平面A的夹角小于等于5°，所述腹板(2)上设有若干绕齿轮轴(3)均匀分布的减重孔。

2.根据权利要求1所述的斜齿轮，其特征在于：所述设定距离为所述斜齿轮齿宽的1/8至1/6。

3.根据权利要求1所述的斜齿轮，其特征在于：所述腹板(2)设有加强部(21)的侧面整体设置为圆锥面并形成所述加强部(21)。

4.根据权利要求1所述的斜齿轮，其特征在于：所述腹板(2)的半径为200～300毫米，所述腹板(2)的厚度小于等于14毫米，所述斜齿轮的齿宽为40～50毫米。

5.根据权利要求1所述的斜齿轮，其特征在于：所述腹板(2)与加强部(21)相对的侧面为与齿轮轴(3)轴线垂直的平面。

6.一种传动机构，其特征在于：包括至少一个权利要求1至5中任一项所述的斜齿轮，所述斜齿轮的平面A相对于平面B的偏移方向与该斜齿轮所受轴向力方向一致。