漸開線圓柱齒輪齒根過渡曲線及其圓角半徑大小以往在汽車齒輪制造中一般不太予以注意。我們知道，齒輪的加工方法不同或采用的刀具不同，加工出的齒根過渡曲線則不相同，即使采用同一種加工方法用同一類刀具加工，若切齒刀具的齒頂圓角半徑不同，所得到的齒根過渡曲線圓角也不相同。我國齒輪國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了基準(zhǔn)齒廓的齒根圓角半徑 ，除非產(chǎn)品圖紙對(duì)齒根圓角半徑有特別注明要求之外，通常都沒有嚴(yán)格檢驗(yàn)并控制這一參數(shù)。但是，近年來為降低變速器齒輪噪聲，隨著小壓力角細(xì)高齒齒輪應(yīng)用的推廣以及為提高齒輪強(qiáng)度，特別在重型汽車變速器齒輪中采用加大齒輪齒根過渡曲線的圓角半徑，即采用齒頂為整圓弧的切齒刀具愈來愈廣泛，因?yàn)橛眉哟簖X輪齒根過渡曲線的圓角半徑來提高齒輪強(qiáng)度已經(jīng)愈來愈受到了重視，我廠在近期開發(fā)生產(chǎn)重型變速器時(shí)，也均采用了齒頂為整圓弧的磨前滾刀，下面想對(duì)此做一介紹。一、漸開線圓柱齒輪齒根過渡曲線的分析與比較目前在齒輪生產(chǎn)中根據(jù)所采用的切齒加工刀具以及刀具齒頂圓弧形狀所切出的齒根過渡曲線大致可分為以下五種形狀：（1）采用齒條型刀具（如滾刀）加工齒輪時(shí)，如果刀具齒廓的頂部具有兩個(gè)圓角（見圖1—a）則切出的齒根過渡曲線如圖2—a所示，I、Ⅱ兩段為延伸漸開線的等距曲線，Ⅲ段為齒輪的根圓圓��；（2）采用齒條型刀具加工齒輪時(shí)，如果刀具齒廓的頂部只具有一個(gè)圓角（即整圓弧，見圖1—b），則切出的齒根過渡曲線如圖2—b所示，I 段為一整段延伸漸開線的等距曲線；（3）采用齒輪型刀具（如插齒刀）加工齒輪時(shí)，如果刀具刀齒的頂部具有兩個(gè)圓角（見圖3—a），則切出的齒根過渡曲線如圖2—a所示，Ⅰ、Ⅱ兩段為延伸外擺線的等距曲線，Ⅲ段為齒輪的根圓圓��；（4）采用齒輪型刀具加工齒輪時(shí)，如果刀具刀齒的頂部只具有一個(gè)圓角（即整圓弧，見圖3—b），則切出的齒根過渡曲線如圖2—b所示，Ⅰ段即為一整段延伸外擺線的等距曲線；（5）采用齒頂為整圓弧的成型銑刀加工齒輪時(shí)，切出的齒根過渡曲線如圖2—b所示，Ⅰ段即為一整段圓弧。在參考資料（1）中，列出了為計(jì)算齒輪齒根應(yīng)力需求得的齒根過渡曲線的計(jì)算方程式，對(duì)上述五種過渡曲線的方程式利用歐拉—沙伐爾（Euler—Savary）定理求出過渡曲線曲率半徑后進(jìn)行分析這五種過渡曲線對(duì)齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的影響，其結(jié)論為：齒輪型刀具加工出的齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度最高，齒條型刀具加工出的齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度居中，齒根過渡曲線為一整圓弧的齒 a） b） 圖1 齒條型刀具齒頂圓角 圖2 齒輪齒根過渡曲線 圖3—a 插齒刀齒頂有兩圓角情況 圖3—b 插齒刀的齒頂為一個(gè)整圓弧 輪彎曲疲勞強(qiáng)度最低；而對(duì)于上述前四種過渡曲線，頂部為一整圓弧的刀具加工出的齒輪比頂部為兩個(gè)圓角的刀具加工出的齒輪強(qiáng)度要高。對(duì) 的齒輪來講，經(jīng)理論計(jì)算前四種過渡曲線與第五種過渡曲線相比，其齒根局部最大應(yīng)力降低的百分?jǐn)?shù)分別為：第一種過渡曲線：↓4.69% 第二種過渡曲線：↓5.57% 第三種過渡曲線：↓10.2% 第四種過渡曲線：↓10.7% 同時(shí)對(duì)齒輪齒根五種過渡曲線進(jìn)行光彈試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明前四種過渡曲線與第五種過渡曲線相比，齒根局部最大應(yīng)力降低的百分?jǐn)?shù)分別為：第一種過渡曲線：↓5.38% 第二種過渡曲線：↓5.59% 第三種過渡曲線：↓9.07% 第四種過渡曲線：↓12.2% 可以看出，試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相當(dāng)吻合，兩者差別不超過1.5%。根據(jù)以上理論計(jì)算及試驗(yàn)實(shí)測(cè)的驗(yàn)證，可得出如下結(jié)論：（1）用齒輪型刀具加工的齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度最高；用齒條型刀具加工的齒輪，彎曲疲勞強(qiáng)度次之；齒根過渡曲線即為圓弧者彎曲疲勞強(qiáng)度最低；（2）對(duì)于過渡曲線為延伸漸開線的等距曲線或延伸外擺線的等距曲線而頂部為一整圓弧的刀具加工出的齒輪比頂部為兩個(gè)圓角的刀具加工出的齒輪強(qiáng)度要高。二、齒頂整圓弧磨前滾刀的設(shè)計(jì) 從上述分析可知齒頂為整圓弧的齒輪刀具比一般常用的齒頂為雙圓角的齒輪刀具所加工出來的齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度要高，而在實(shí)踐中眾所周知，刀具的齒頂圓角半徑越小，切出的齒輪齒根過渡曲線上危險(xiǎn)點(diǎn)處的曲率半徑就越小，應(yīng)力集中也就越嚴(yán)重，從而對(duì)輪齒的彎曲強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響，這一點(diǎn)也成為齒輪發(fā)生輪齒折斷時(shí)分析產(chǎn)生原因時(shí)常被提及的問題之一。近期我廠在開發(fā)生產(chǎn)重型汽車變速器時(shí)，為提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度而全部采用了齒頂整圓弧磨前齒輪滾刀進(jìn)行切齒加工，雖然如上所述齒頂整圓弧插齒刀加工出的齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度最高，但考慮加工效率，除非受齒輪結(jié)構(gòu)條件所限，實(shí)際上大多均采用齒輪滾刀來切齒。由于汽車齒輪行業(yè)常用齒頂帶有凸角的磨前滾刀，下面對(duì)其設(shè)計(jì)做一介紹。圖4為齒頂整圓弧帶凸角的磨前滾刀齒形圖。 圖4 整圓弧帶凸角的磨前滾刀齒形 圖5 用滾刀切齒時(shí)齒輪上漸開線的起始點(diǎn) 1、 整圓弧磨前滾刀的齒頂圓弧半徑 如圖4所示，齒頂為整圓弧的滾刀齒頂圓弧半徑計(jì)算公式如下： （1）其中： ——滾刀的分圓齒厚； ——滾刀齒形角； H——滾刀凸角厚度；根據(jù)留磨余量和齒輪齒根處的沉切量來計(jì)算；也可根據(jù)留磨余量按經(jīng)驗(yàn)選取。 ——滾刀的齒頂高； 2、 凸角高度 如圖4所示，凸角高度 可按下式計(jì)算： （2） 其中： ——滾刀齒頂圓弧半徑； ——非造形切削刃切削角； 3、 非造形切削刃切削角 非造形切削刃切削角 可按參考資料（2）介紹的公式進(jìn)行計(jì)算，但由于需采用迭代運(yùn)算，比較煩瑣，通常 推薦采用為： 。我廠從韓國DRAGON公司訂購的磨前滾刀，若滾刀齒形角為20°時(shí)取12°，滾刀齒形角為24°時(shí)取16°，而意大利SU公司均取12°（見表1）。 4、我廠近期開發(fā)的重型變速器中的齒輪均采用整圓弧的磨前滾刀，為此曾分別向意大利SU公司和韓國DRAGON公司（下表簡(jiǎn)稱DR）訂購了該變速器齒輪用的磨前滾刀，根據(jù)兩公司提供的滾刀圖紙中所標(biāo)注的參數(shù)和用上述公式計(jì)算是一致的，現(xiàn)將兩公司設(shè)計(jì)的滾刀參數(shù)列表如下： 表1 工件參數(shù) 滾刀齒頂整圓弧半徑 mm 凸角高度 mm 凸角厚度H mm 非切削刃角度 SU DR SU DR SU DR SU DR 20°,m3.628,Z41 1.55 1.55 2.104 2.17 0.14 0.144 12° 12° 20°,m4.1,Z33 1.90 1.90 2.426 2.429 0.15 0.144 12° 12° 20°,m4.1,Z35 1.88 1.879 2.416 2.412 0.15 0.144 12° 12° 20°,m4.4,Z38 2.04 2.0 2.599 2.57 0.16 0.15 12° 12° 20°,m4.4,Z26 2.0 2.0 2.434 2.524 0.14 0.144 12° 12° 20°,m4.7,Z20 2.13 2.146 2.665 2.696 0.16 0.156 12° 12° 20°,m4.7,Z41 2.15 2.166 2.68 2.71 0.16 0.156 12° 12° 24°,m5.55,Z41 1.80 1.826 1.995 2.333 0.16 0.156 12° 16° 24°,m5.55,Z37 1.80 1.823 1.992 2.331 0.16 0.156 12° 16° 24°,m5.55,Z17 1.76 1.788 1.968 2.308 0.16 0.156 12° 16° 5、 過渡曲線起始點(diǎn)半徑 按公式1計(jì)算出整圓弧磨前滾刀的齒頂圓弧半徑 后，在實(shí)際切齒加工中限制該圓弧半徑 的條件是:用該滾刀所切出的齒輪與配對(duì)齒輪嚙合時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生過渡曲線干涉，即應(yīng)驗(yàn)算齒根上過渡曲線起始點(diǎn)處的半徑 是否小于齒輪與配對(duì)齒輪嚙合時(shí)的有效嚙合起始點(diǎn)半徑 。有的資料介紹如圖5所示，按公式3來求得被加工齒輪過渡曲線起始點(diǎn)半徑 ： （3） 式中： ——被切齒輪的分度圓半徑； ——滾刀有效齒頂高， ； 這樣的計(jì)算對(duì)帶有凸角的整圓弧滾刀來講是不精確的，實(shí)際上應(yīng)該按照滾刀齒頂圓角的運(yùn)動(dòng)軌跡是一延伸漸開線的等距線，利用等距線的座標(biāo)方程式來求得，這是最精確的，但比較繁瑣。由于齒根過渡曲線是由帶有凸角的滾刀齒頂?shù)膱A弧部分在滾切中的包絡(luò)線所形成的，可將 圖6 過渡曲線起始點(diǎn)半徑近似計(jì)算圖示 齒輪的過渡曲線和齒形曲線都視作為是一圓弧來考慮，而沉切點(diǎn)是為這兩圓弧的交點(diǎn)，由此近似求得沉切點(diǎn)的半徑，不但計(jì)算變得較為簡(jiǎn)單，同時(shí)計(jì)算出的值是十分接近理論值，在實(shí)際上是完全可以應(yīng)用。圖6表示了帶有凸角的圓弧滾刀和漸開線齒輪輪齒相嚙合的情況，圖中圓弧的中心M同節(jié)點(diǎn)C相連接之直線垂直于滾刀的直線切削刃，CM和圓弧的交點(diǎn)為K。在上述圖示的位置，滾刀的節(jié)線沿齒輪的分度圓滾動(dòng)時(shí)，K點(diǎn)描出的曲線的曲率半徑可近似地看作 ，曲率中心是C點(diǎn)的圓弧，而將精加工后的漸開線齒形近似地看作以切點(diǎn)N為中心，半徑為R2的一段圓弧，這時(shí)沉切點(diǎn)就可作為這兩段圓弧的交點(diǎn)而能近似地求出沉切點(diǎn)的半徑，即過渡曲線起始點(diǎn)的半徑 ，其計(jì)算公式如下： （4） 其中 R1和R2如圖6所示可按滾刀齒頂高、齒頂圓弧半徑、凸角厚度、留磨余量等值求得。表2列出了SU和DR兩公司計(jì)算的滾齒和磨齒后的過渡曲線起始點(diǎn)半徑和用上述近似公式計(jì)算出的值的比較。 表2 單位：mm 工件參數(shù) 滾齒后過渡曲線起始點(diǎn)半徑 磨齒后過渡曲線起始點(diǎn)半徑 SU DR 公式4 SU DR 公式4 ,m3.628,Z41 81.21 81.23 81.38 80.63 80.58 80.85 ,m4.1,Z33 72.04 72.04 72.11 71.36 71.32 71.50 ,m4.1,Z35 76.38 76.38 76.40 75.67 75.68 75.59 ,m4.4,Z38 87.96 87.93 87.96 87.24 87.18 87.40 ,m4.4,Z26 59.96 60.02 60.03 59.30 59.39 59.42 ,m4.7,Z20 48.23 48.23 48.32 47.59 47.59 47.71 ,m4.7,Z41 99.25 99.27 99.34 98.51 98.51 98.63 ,m5.55,Z41 111.07 111.17 111.56 110.45 110.48 110.71 ,m5.55,Z37 99.56 99.59 100.03 98.90 98.92 99.14 ,m5.55,Z17 44.93 44.91 44.96 44.32 44.35 44.41 通常在進(jìn)行滾刀設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)計(jì)算在被加工齒輪漸開線有效嚙合起始點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生少許沉切而不能保證 這也是允許的，但在后面的磨齒加工后一定要保證 ，如果計(jì)算得到磨齒后還不能保證 ，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)允許前提下可以適當(dāng)加大 或者減小滾刀凸角厚度H來重新驗(yàn)算，以最終保證 的要求。三、后言 1、從上述分析可知齒頂為整圓弧的切齒刀具加工出的齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度要高于齒頂為雙圓弧切齒刀具切出的，為此，目前在重型變速器齒輪生產(chǎn)中較多采用齒頂為整圓弧的齒輪滾刀來進(jìn)行切齒加工，本文介紹了齒頂為整圓弧磨前滾刀的設(shè)計(jì)也可用于模數(shù)較大的齒頂整圓弧剃前滾刀的設(shè)計(jì)；而對(duì)于滾刀其它參數(shù)如修緣部分的計(jì)算可參照現(xiàn)有的剃前滾刀的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。 2、應(yīng)用齒頂為整圓弧齒輪滾刀切齒和齒輪采用強(qiáng)力噴丸一樣可作為提高齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的一種工藝輔助手段，為保證齒輪的強(qiáng)度，最主要的是在齒輪設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以保證。 3、整圓弧齒輪滾刀在鏟磨時(shí)應(yīng)保證齒頂圓弧和非造形切削刃的圓滑連接，不然易加快滾刀齒頂?shù)哪p。 |
