减速齿轮箱电机及其齿轮论文和设计-王振

全文摘要

本实用新型公开了一种减速齿轮箱电机及其齿轮，包括：多个依次相接的轮齿；轮齿的齿根部为U型槽结构，以及在轮齿的齿顶迹线与齿根部之间设有渐开线齿廓；轮齿的齿高模数比K1＝h1\/m；其中h1为齿高；m为模数；K1＝3～6.8。本实用新型的减速齿轮箱电机及其齿轮通过加高齿高，齿高加高可以增加轮齿的挠度与弹性变形，使齿轮的撞击声减小。

主设计要求

1.一种齿轮，其特征在于，包括：多个依次相接的轮齿；所述轮齿的齿根部为U型槽结构(1)，以及在所述轮齿的齿顶迹线(5)与齿根部之间设有渐开线齿廓(4)；所述轮齿的齿高模数比K1＝h1\/m；其中h1为齿高；m为模数；K1＝3～6.8。

设计方案

1.一种齿轮，其特征在于，包括：多个依次相接的轮齿；所述轮齿的齿根部为U型槽结构(1)，以及在所述轮齿的齿顶迹线(5)与齿根部之间设有渐开线齿廓(4)；

所述轮齿的齿高模数比K_{1<\/sub>＝h_{1<\/sub>\/m；其中h_{1<\/sub>为齿高；m为模数；K_{1<\/sub>＝3～6.8。}}}}

2.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述U型槽结构(1)包括第一圆弧部(2)和对称设置的且分别与所述第一圆弧部(2)的两端相连的一对第二圆弧部(3)；

一对所述第二圆弧部(3)的对称轴为所述轮齿的齿槽中心线；

所述第二圆弧部(3)与第一圆弧部(2)相切，且第二圆弧部(3)与第一圆弧部(2)相切形成的切点即为第二圆弧部(3)与第一圆弧部(2)之间的连接点；以及

所述第二圆弧部(3)与所述渐开线齿廓(4)相切，且第二圆弧部(3)与渐开线齿廓(4)相切形成的切点即为第二圆弧部(3)与渐开线齿廓(4)之间的连接点。

3.根据权利要求2所述的齿轮，其特征在于，所述第二圆弧部(3)对应的圆的直径大于所述第一圆弧部(2)对应的圆的直径。

4.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述U型槽结构(1)包括第一圆弧部(2)和对称设置的且分别与所述第一圆弧部(2)的两端相连的一对直线段；

所述第一圆弧部(2)与直线段的连接点处采用圆弧连接；以及

所述直线段与渐开线齿廓(4)的连接点处采用圆弧连接。

5.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述齿高模数比K_{1<\/sub>为5。}

6.根据权利要求2～5任一项所述的齿轮，其特征在于，齿高h_{1<\/sub>＝(da-d_{f1<\/sub>)\/2；其中}}

齿顶圆为da＝d_{f1<\/sub>+2h_{1<\/sub>＝m(z+2h_{1<\/sub>*+2x)；}}}

齿根圆为d_{f1<\/sub>，d_{f1<\/sub>是以齿轮中心为圆点且与第一圆弧部(2)外切的圆的直径；}}

x为变位齿轮的变位系数。

7.根据权利要求6所述的齿轮，其特征在于，所述第一圆弧部(2)对应的圆的半径r1：

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及机械齿轮技术领域，尤其涉及一种减速齿轮箱电机及其齿轮。

背景技术

现有技术中齿轮传动在机械传动中属于最常见的一种传动方式。理论上，一对齿轮啮合处，其中一个齿轮的轮齿齿廓应当与对应的另一齿轮的齿槽之间无侧隙。但实际上，为补偿由于加工、装配误差及温度变化而引起的温度变化而引起的尺寸变化，以防止负载状态下发生相互啮合的齿轮产生过渡曲线干涉或被卡死的现象，在轮齿的非工作齿廓面必须留有一定的齿侧间隙，这个间隙被称为齿隙。

齿隙用来防止由于加工、装配误差及热变形使齿轮啮合过程中卡涩，降低齿轮传动效率；齿轮在传动过程中，发生过渡曲线干涉，加快齿轮磨损。齿隙还可以给齿廓面留有润滑油膜的空间。同时由于齿隙的存在也带来了一些问题与缺陷，尤其对于对噪音要求较高的电机减速齿轮传动系统。主要表现为：

(1)在低负载减速齿轮系统中，当电机需要频繁启停或者正反转切换的过程中，由于齿隙的存在会导致启动过程中轮齿工作齿廓面瞬间撞击，产生较大的轮齿撞击声。

(2)对于正常运行过程中本体振动加大的电机，减速齿轮箱内的齿轮由于受到振动的影响，齿轮在啮合传递过程中也会出现相互振动，出现齿轮传递啮合振动导致的齿轮声。

(3)电机在平稳输出运行过程中，当负载受外力或外部负载传动结构原因导致负载施加在电机输出轴上的力与电机输出的力方向相同时，此时电机内部齿轮传动系统中原本正常啮合的齿廓面会出现分离现象，形成间隙。当负载力不停变化时，也会导致运行过程轮齿齿廓面来回撞击的现象，产生较大的齿轮撞击声。如风扇摆头驱动电机使用的是在电机外部增加凸轮连杆结构，摆头过程中的的负载是连续变化的，且在摆动换向的过程中，驱动电机输出轴受力方向也是变化的，在运行过程中会出现电机轮齿撞击声，使得用户舒适感与体验感变差。

(4)在电机启动、正反转切换或者电机输出轴外部受力等情况下的齿轮啮合撞击，容易产生断齿。

现有技术为了解决轮齿撞击声和断齿的问题，一般是通过降低齿轮侧隙来解决，往往是通过对零部件加工精度和装配要求进行更高的标准要求，来降低齿轮啮合卡死现象，这样的方式会导致对电机制造成本增加。而且对于某些减速齿轮箱电机，如单相同步电机启动本身存在死点的现象，若齿轮侧隙过小会导致电机的启动不良。

现有技术中还有一种是如CN85200867U实用新型专利中描述柔性齿轮轮齿根部的圆弧槽边缘是由直线和圆弧组成，这样的结构存在的问题为在直线和圆弧的连接的交界处产生应力集中，在齿轮啮合的交变载荷作用下，影响齿轮的强度与寿命。

实用新型内容

本实用新型的第一目的是提供一种齿轮，以解决增加轮齿的挠度与弹性变形以减小齿轮之间的撞击声的技术问题。

本实用新型的第二目的是提供一种减速齿轮箱电机，以解决增加轮齿的挠度与弹性变形以减小齿轮之间的撞击声的技术问题。

本实用新型的齿轮是这样实现的：

一种齿轮，包括：多个依次相接的轮齿；所述轮齿的齿根部为U型槽结构，以及在所述轮齿的齿顶迹线与齿根部之间设有渐开线齿廓；

所述轮齿的齿高模数比K1＝h1\/m；其中h1为齿高；m为模数；K1＝3～ 6.8。

在本实用新型可选的实施例中，所述U型槽结构包括第一圆弧部和对称设置的且分别与所述第一圆弧部的两端相连的一对第二圆弧部；

一对所述第二圆弧部的对称轴为所述轮齿的齿槽中心线；

所述第二圆弧部与第一圆弧部相切，且第二圆弧部与第一圆弧部相切形成的切点即为第二圆弧部与第一圆弧部之间的连接点；以及

所述第二圆弧部与所述渐开线齿廓相切，且第二圆弧部与渐开线齿廓相切形成的切点即为第二圆弧部与渐开线齿廓之间的连接点。

在本实用新型较佳的实施例中，所述第二圆弧部对应的圆的直径大于所述第一圆弧部对应的圆的直径。

在本实用新型可选的实施例中，所述U型槽结构包括第一圆弧部和对称设置的且分别与所述第一圆弧部的两端相连的一对直线段；

所述第一圆弧部与直线段的连接点处采用圆弧连接；以及

所述直线段与渐开线齿廓的连接点处采用圆弧连接。

在本实用新型较佳的实施例中，所述齿高模数比K1为5。

在本实用新型可选的实施例中，齿高h1＝(da-df1)\/2；其中

齿顶圆为da＝df1+2h1＝m(z+2h1*+2x)；

齿根圆为df1，df1是以齿轮中心为圆点且与第一圆弧部(2)外切的圆的直径；

x为变位齿轮的变位系数。

在本实用新型可选的实施例中，所述第一圆弧部对应的圆的半径r1：

其中

z为齿数；α为分度圆上压力角。

本实用新型的减速齿轮箱电机是这样实现的：

一种减速齿轮箱电机，所述减速齿轮箱电机的初级传动从动轮轮片采用所述齿轮；齿轮采用注塑工艺制造。

采用了上述技术方案，本实用新型具有以下的有益效果：本实用新型的减速齿轮箱电机及其齿轮，通过加高齿高，齿高加高可以增加轮齿的挠度与弹性变形，使齿轮的撞击声减小。电机在启动、换向或者运行过程中当齿轮轮齿发生撞击现象，齿高加高在弹性变形的作用下，可以吸收部分能量，降低齿轮撞击声同时也能降低齿根断齿的风险，可延长齿轮寿命。齿高增加了高度，使得轮齿弹性与挠度加大，可降低由零件加工精度和装配工艺误差导致电机卡死的风险，同时也利于存在启动死点的减速齿轮箱电机启动。

进一步的，通过设计的U型槽结构的第二圆弧部与第一圆弧部的圆弧相连(也叫光滑连接)，相比现有技术中的齿轮的齿根部在圆弧部与直线部的交界处产生的应力集中显现，本实用新型的圆弧相连结构可以降低轮齿受力过程中在第二圆弧部和第一圆弧部的连接点处应力集中导致断齿的风险，从而在齿轮啮合的交变载荷作用下，提高齿轮的强度和延长齿轮的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的实施例的齿轮的轮齿的结构示意图；

图2为本实用新型的齿轮的实施例的轮齿的第二圆弧部的成形示意图；

图3为标准齿轮齿高的示意图；

图4为本实用新型的实施例的齿轮的齿高的示意图；

图5为本实用新型的实施例的齿轮的局部结构示意图；

图6为本实用新型的实施例的减速齿轮箱电机的传动结构的示意图；

图7为图6的A部的10倍放大结构图；

图8为本实用新型的实施例的减速齿轮箱电机的初级传动从动轮轮片的示意图；

图9为本实用新型的实施例的减速齿轮箱电机的爆炸结构图；

图10为图9中的局部放大结构图；

图11为图1的B部的放大结构图；

图12为图2的C部的放大结构图。

图中：U型槽结构1、第一圆弧部2、第二圆弧部3、渐开线齿廓4、齿顶迹线5、初级传动从动轮轮片7、初级传动主动轮8。

具体实施方式

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例1：

请参阅图1至图5以及图11和图12所示，本实施例提供了一种齿轮，包括：多个依次相接的轮齿；轮齿的齿根部为U型槽结构1，以及在轮齿的齿顶迹线5与齿根部之间设有渐开线齿廓4。

本实施例的轮齿的齿高模数比K1＝h1\/m；其中h1为齿高；m为模数； K1的范围为3～6.8。对于此处的K1的范围，优选的，K1为5。

具体的，当齿高模数比K1低于3时，轮齿的齿高低，对于改善冲击能量的吸收较小，因为对于齿轮之间存在的撞击声改善效果不明显。而当齿高模数比K1高于6.8时，轮齿齿高过高，弹性变形过大，则影响齿轮的传动效率，使齿轮传动效率变低，同时也会带来断齿的风险。而当齿高模数比K1为5时，则既能改善齿轮传动的撞击声，也兼顾保证齿轮强度和较高的传动效率。

在本实施例中，具体的U型槽结构1包括第一圆弧部2和对称设置的且分别与第一圆弧部2的两端相连的一对第二圆弧部3，此处的第二圆弧部 3对应的圆的直径大于第一圆弧部2对应的圆的直径。一对对称设置的第二圆弧部3的对称轴为轮齿的齿槽中心线。

需要特别说明的是，本实施例中的U型槽结构1中，第二圆弧部3与第一圆弧部2相切，且第二圆弧部3与第一圆弧部2相切形成的切点即为第二圆弧部3与第一圆弧部2之间的连接点。以及，第二圆弧部3与渐开线齿廓4相切，且第二圆弧部3与渐开线齿廓4相切形成的切点即为第二圆弧部3与渐开线齿廓4之间的连接点。

此处需要辅助解释的是，绘制机件图形时经常需要圆弧光滑地连接圆弧或直线，这种用圆弧光滑地连接相邻两线段的方法，称为圆弧连接(也叫光滑连接)。圆弧连接，实质上就是圆弧与直线或圆弧与圆弧相切，其切点即为连接点。圆弧连接的方式相比圆弧与圆弧或者圆弧与直线相连的过程中，在相连的两个部分之间形成交界处的“拐点”的结构来说，可以明显避免在交界处的“拐点”的应力集中现象。

因此，对于本实施例设计的在第二圆弧部3与第一圆弧部2之间，以及第二圆弧部3与渐开线齿廓4之间的连接点相切的圆弧连接的方式，不但可以避免轮齿受力过程局部应力集中导致断齿的风险，更重要的是可以使齿轮受载的齿形变均匀，可吸收更多的冲击载荷，提高齿轮啮合的重合度，提高齿轮强度，从而延长齿轮的寿命同时降低齿轮的运行噪音。

还需要说明的是，对于两轮轮齿在啮合过程中，并非全部齿廓都参加工作，而只是限于从齿顶到齿根的一段齿廓参与啮合，称为齿廓工作段，而齿根的第一圆弧部2的那一段齿廓不参与啮合，称为齿廓非工作段。

请参阅图2所示，第二圆弧部3具体的形成过程如下：

由切线判定定理：一直线若与一圆有交点，且连接交点与圆心的直线与该直线垂直，那么这条直线就是圆的切线。

直线a为第二圆弧部3与渐开线齿廓4的连接点的公切线；

直线b为第一圆弧部2与第二圆弧部3的连接点的公切线；

直线c为过第二圆弧部3与渐开线齿廓4的连接点且垂直于直线a的直线；

直线d为过第一圆弧部2与渐开线齿廓4的连接点且垂直于直线b的直线；

圆e为以直线a与直线b的交点为圆心，半径为过第二圆弧部3与渐开线齿廓4的连接点的圆或者半径为过第一圆弧部2与第二圆弧部3的连接点的圆；而第二圆弧部3为圆e上的一段圆弧。

需要说明的是，请参阅图3所示，标准齿轮齿高计算公式为：h＝m (2ha*+c*),其中，ha*为齿顶高系数，c*为顶系系数。我国对齿顶高系数ha*和顶系系数c*规定了标准值。正常齿制：ha*＝1，c*＝0.25；短齿制：ha*＝0.8，c*＝0.3；小模数齿轮(m＜1)：c*＝0.35，因h＝m(2ha*+c*)，所以(2ha*+c*)＝h\/m,设齿高模数比(2ha*+c*)＝h\/m＝K，通过上述齿顶高系数ha*和顶系系数c*的取值，可以计算得出标准齿轮的轮齿的齿高模数K的范围为1.85～2.35。

请参阅图4所示，本实施例的齿轮考虑变位齿轮，齿高模数比K1＝h1\/m。齿高h1＝(da-df1)\/2；其中齿顶圆为da＝df1+2h1＝m(z+2h1*+2x)；齿根圆为 df1，df1是以齿轮中心为圆点且与第一圆弧部2外切的圆的直径；x为变位齿轮的变位系数。本实施例中的轮齿的齿高模数比K1优选为5。通过加高齿高，齿高加高可以增加轮齿的挠度与弹性变形，使齿轮的撞击声减小。电机在启动、换向或者运行过程中当齿轮轮齿发生撞击现象，齿高加高在弹性变形的作用下，可以吸收部分能量，降低齿轮撞击声同时也能降低齿根断齿的风险，可延长齿轮寿命。齿高增加了高度，使得轮齿弹性与挠度加大，可降低由零件加工精度和装配工艺误差导致电机卡死的风险，同时也利于存在启动死点的减速齿轮箱电机启动。

对于本实施例的第一圆弧部2对应的圆的半径r1，请参阅图5所示，点A、点B为基圆上一齿槽两侧渐开线齿廓4的起点，根据渐开线的性质，渐开线上任意一点法线必然与基圆相切。点O为基圆圆心，因此线段OA在点A处与以点A为起点的渐开线相切。点C为弧AB的中点，过点O与点C 作一条中心线L1。df1为齿根圆直径，点01为第一圆弧部2对应的圆的圆心，点01位于中心线L1上，且第一圆弧部2与齿根圆外切，并与线段OA 相切，切点为点E。点D为过点C做直线0A的法线，与直线OA的交点；

设第一圆弧部2的半径为r1,则r1＝01E。求r1的值。设ηb为基圆槽宽半角。

由上述描述可知，△0DC与△0E01为相似三角形，CD⊥0D，O1E⊥0E，根据相似三角形对应边成比例的性质定理，得出：

OO1\/OC＝O1E\/CD---公式(1)

∵OC＝db\/2---公式(2)

OO1＝df1\/2+O1E---公式(3)

CD＝OC*sinηb＝db*sinηb---公式(4)

又∵h1＝mk1＝(da-df1)\/2

∴df1＝da-2mk1---公式(5)

由条件可知r1＝01E---公式(6)

将公式(2)\/(3)\/(4)\/(5)\/(6)，带入公式(1)，可以得出：

r1＝(da-2mk1)sinηb\/2(1-sinηb)---公式(7)

渐开线直齿圆柱齿轮参数及基本公式如下表：

将直齿圆柱齿轮参数公式带入公式7可得出：

本实施例的第二圆弧部3和渐开线齿廓4相切，切点即为连接点，连接点优选在基圆上。由于本实施例的的第二圆弧部3和渐开线齿廓4相切，同时第二圆弧部3还与第一圆弧部2相切。根据作图原理，在保证齿高h1 的情况下，第一圆弧部2的半径r1：

都可以满足设计要求。因市场上常用线切割钼丝的直径最小为0.03mm，所以最窄可切割半径为0.035mm的圆弧。故此，本实施例的r1的最小值应大于0.035mm。

所以r1的取值范围是：

为方便设计取值，本实施例给出的齿根圆角半径r1的优选设计值：

实施例2：

在实施例1的齿轮的基础上，本实施例提供的齿轮与实施例1的齿轮大致结构相同，区别在于本实施例的齿轮的U型槽结构1包括第一圆弧部2 和对称设置的且分别与第一圆弧部2的两端相连的一对直线段；第一圆弧部2与直线段的连接点处采用圆弧连接；以及直线段与渐开线齿廓4的连接点处采用圆弧连接。

此处同样需要辅助说明的是，绘制机件图形时经常需要圆弧光滑地连接圆弧或直线，这种用圆弧光滑地连接相邻两线段的方法，称为圆弧连接(光滑连接)。圆弧连接(光滑连接)，实质上就是圆弧与直线或圆弧与圆弧相切，其切点即为连接点。因此，对于本实施例中的直线段与第一圆弧部2 之间，以及直线段与渐开线齿廓4之间采用圆弧连接也同样可以避免在上述部件之间的交界处的“拐点”问题，从而避免轮齿受力过程局部应力集中导致断齿的风险。

实施例3：

请参阅图6至图10所示，在实施例1或实施例2的齿轮的基础上，本实施例提供了一种减速齿轮箱电机，本实施例的减速齿轮箱电机的初级传动从动轮轮片采用实施例1或实施例2的齿轮，齿轮采用注塑工艺制造，本实施例中的初级传动从动轮轮片7与初级传动主动轮8啮合。

根据本实施例的技术方案，对于齿高模数比K1进行调整使得K1的范围为3～6.8，在同步电机的初级传动从动轮轮片上验证实施，具体请参阅下表所示，试验发现当K1的范围为3～6.8时均能满足产品寿命及噪音要求，且对降低啮合噪音有很大的改善。本实施例之所以对同步电机的初级传动从动轮轮片进行试验，是因为减速齿轮箱电机的初级传动齿轮的转速最高，转速最高对应的齿轮噪音也是最大的，故此，本实施例通过试验观察本实施例设计齿高模数比K1的范围对于初级传动从动轮轮片的降噪影响。

具体的，通过加高齿轮的齿高，齿高的加高可以增加轮齿的挠度与弹性变形，使齿轮之间的撞击声减小。电机在启动、换向或者运行过程中当齿轮的轮齿发生撞击现象，齿高加高在弹性变形的作用下，可以吸收部分能量，降低齿轮撞击声同时也能降低齿根断齿的风险，从而延长齿轮寿命。此外，齿高增加了高度，还使得轮齿弹性与挠度加大，可降低由零件加工精度和装配工艺误差导致电机卡死的风险，同时也利于存在启动死点的减速齿轮箱电机启动。

以上的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

设计图

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