[发明专利]一种高强度锥齿轮齿形设计方法

说明书

本发明公开了一种高强度锥齿轮齿形设计方法，涵盖圆锥齿轮与非圆锥齿轮。本发明高强度锥齿轮采用LogiX齿形，节线(圆锥齿轮退化为节圆)以上部分(齿顶)为凸形，以下部分(齿根)为凹形，传动过程中，一对轮齿能够实现凸‑凹啮合；齿形由一系列特征点连接而成，特征点的曲率中心在节曲线(节圆)上，一对齿形在对应的特征点啮合时，曲率中心重合，且落在节点处，满足瞬时纯滚动条件；与渐开线齿形相比，其齿面接触应力和滑移率大幅减小，摩擦降低，且能实现更少齿数传动，强度和效率显著提高。

技术领域

本发明属于机械设计领域，具体涉及一种高强度锥齿轮齿形设计方法，涵盖圆锥齿轮与非圆锥齿轮。

技术背景

锥齿轮用于相交轴传动，强度是其最重要性能指标之一。目前圆锥齿轮普遍采用渐开线齿形，其理论齿形为球面渐开线。渐开线有许多优良性质，但也存在诸多不足，首先，由于其形状为凸形，一对锥齿轮传动为凸-凸啮合，接触应力较大，接触强度受限；其次，除在节锥上两齿面属于纯滚动接触外，其它部位都存在滑动，且离节锥越远，滑移率越大，导致摩擦、磨损严重；再有，由于渐开线本身形状、根切等原因，齿轮齿数不能太少，轮齿根部也往往不够宽厚，弯曲强度也嫌薄弱。在高速、重载等应用领域，其弱点显得尤为突出。

近年来，非圆锥齿轮传动也在一些领域获得广泛应用，其齿形设计更加复杂，渐开线往往难以满足性能要求。

1990年，日本学者T.Komori等(A New Gears Profile Having Zero RelativeCurvature at Many Contact Points(Logix Tooth Profile),Transactions of theASME,Vol.112,September,1990)提出了一种新齿形，命名为LogiX齿形，主要用于圆柱齿轮，属于平面啮合，其形状为凸-凹组合式，以节圆为分界点，节圆以上(齿顶)齿形为凸形，节圆以下(齿根)齿形为凹性，一对齿轮传动时，组成凸-凹啮合，接触应力大幅降低；再有，由于logiX齿形由一系列特征点连接而成，特征点的曲率中心在节圆上，一对齿形在对应的特征点啮合时，曲率中心重合，且落在节点处，满足瞬时纯滚动条件，虽然在相邻连接点间过渡时存在相对滑动，但由于连接点(纯滚动啮合点)可以设计得足够多，滑移率值不会太大，摩擦降低，轮齿接触强度和传动效率得以显著提高。此外，与渐开线齿形相比，LogiX齿形轮齿根部更厚，弯曲强度也能得到一定改善。进一步，采用LogiX齿形，齿轮齿数还可以设计的更少，弯曲强度还可以进一步提高。

推而广之，对于平面非圆柱齿轮，节圆变成了非圆节线，上述LogiX原理仍然有效。

如何将上述LogiX齿形原理应用于锥齿轮，则是本发明的主要内容。由于锥齿轮传动属于空间啮合，其理论计算及设计应在球面上进行，适用于平面齿轮啮合的LogiX齿形设计方法无法直接移植到球面上。

发明内容

本发明提供一种高强度锥齿轮齿形设计方法，涵盖圆锥齿轮与非圆锥齿轮齿形设计。

一种基于LogiX齿形原理的锥齿轮齿形设计方法，包括球面节曲线向平面的映射、平面齿形构造、平面齿形向球面的逆向映射；球面节曲线向平面的映射和平面齿形向球面的逆向映射均采用保测地曲率方法，即保证球面曲线的测地曲率与平面曲线的相对曲率相等；平面齿形构造采用LogiX齿形原理：齿形由凸-凹两部分组成，节曲线以上部分(齿顶)为凸形，以下部分(齿根)为凹形，传动过程中，一对轮齿齿形能够实现凸-凹啮合；齿形由一系列特征点连接而成，特征点的曲率中心在节曲线上，一对齿形在对应的特征点啮合时，曲率中心重合，且落在节点上，满足瞬时纯滚动条件。

锥齿轮涵盖圆锥齿轮与非圆锥齿轮，圆锥齿轮是非圆锥齿轮的特例。