專利名稱：拋光的齒輪表面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及齒輪，尤其，涉及例如變速器齒輪的具有導致接觸疲勞壽命增加，抗磨性提高和性能改善的減小了表面粗糙度的齒輪。
背境人們已熟知多種精加工齒輪的齒的方法。例如，在齒輪滾銑和剃削過程中，齒輪轉(zhuǎn)動與齒輪狀切削刀具相嚙合。齒輪狀刀具具有沿平行于轉(zhuǎn)動平面的齒的側(cè)邊上下延伸的切削刃。同時在平行于齒輪和刀具軸線的平面中伴隨著齒輪與刀具之間的相對移動。形成的精加工表面粗糙度在40至80微英寸Ra的范圍內(nèi)，其中Ra為算術(shù)平均粗糙度。
已知另一種精加工齒輪的齒的方法是齒輪磨削。在齒輪磨削期間，形成的精加工表面粗糙度一般為15至35微英寸Ra。
在另一種齒輪精加工方法中，是進行搪磨。那時，齒輪轉(zhuǎn)動與齒輪形狀的搪磨頭相嚙合。在齒輪的齒那側(cè)的搪磨頭部分由相當硬且存高彈性的塑料制成。通過轉(zhuǎn)動搪磨頭與齒輪嚙合同時提供平行于齒輪軸線的移動行程而進行搪磨工作。這樣把精加工動作均勻地分配給每個齒輪齒。這樣形成的粗糙度一般為15至35微英寸Ra。細磨粒搪磨可提供低達12至13微英寸Ra的表面粗糙度。
然而，這些精加工方法中沒有一種可以改進表面光潔度在大約10～12微英寸以下且不明顯增加成本和處理時間的。
用以為金屬零件進行電鍍的拋光混合物已是可買到的，利用含細研磨顆粒的液體拋光混合物。例如美國專利No.4,491,500介紹一種用于精制金屬表面的物理化學工藝方法。所公開的二步驟工藝方法首先利用一種液體化學制品接著再用一種磨光液體進行處理。它還包括在被處理表面形成相當軟的鍍層，接著用物理方法去除此軟鍍層和繼續(xù)的修整。通過一些形式的機械動作首先平整粗糙度大于70口米的較粗的區(qū)域。美國專利No.4,818,333說明一種類似的工藝方法，其中心是集中在用于工藝方法的高密度磨光介質(zhì)的成份上。這些工藝方法可形成小于3微英寸Ra的光潔度。因此，為降低表面粗糙度而說明這些工藝方法和化學制品。
在為達到超平滑和清潔表面的電鍍技術(shù)中，化學精加工技術(shù)，諸如酸洗和光澤浸漬等技術(shù)也廣為人知。
齒輪的主要故障形式是剝蝕或微剝蝕，磨損和咬接。當一個齒輪與小齒輪相互作用時，齒輪的齒必須相互接觸。如果沒有潤滑，齒就會相互刮傷，相互咬接，磨損，剝蝕和破裂。潤滑便會使這些效應(yīng)的開始延期發(fā)生。因此，潤滑得愈好，齒輪的壽命就愈長。表面太粗糙的齒輪具有當齒相互作用時損壞齒輪的齒的表面尖鋒，表面太平滑，例如低于3微-英寸Ra的齒輪則不能在齒附近保持足夠的潤滑，結(jié)果會增加齒的磨損速率。
因此，為了增長齒輪的壽命和提高齒輪的綜合性能，有必要使齒輪具有低于大約10微英寸Ra的改進了的表面光潔度的適當形狀的齒。
本發(fā)明介紹一種為改進接觸疲勞壽命，改進抗磨損性，減少摩擦和改進齒輪性能而具有大約5微英寸與10微英寸Ra之間的表面光潔度的齒輪。
大多數(shù)齒輪是用各種齒輪切削和成形技術(shù)，包括滾銑和剃削，制造的，這樣形成的表面粗糙度大于15微-英寸Ra。現(xiàn)已有幾種為減小表面粗糙度而對金屬表面進行拋光的方法，包括化學加速的振動拋光，電化學拋光和機械拋光。當表面粗糙度減小至大約5微英寸Ra與10微英寸Ra之間時，最大接觸應(yīng)力可減小大于50％。同樣，表面下的剪切應(yīng)力可能減小大約30％至50％。減小的接觸應(yīng)力和減小的剪切應(yīng)力是由于改進了在齒輪的齒之間的潤滑情況的緣故而造成的。就是說，齒輪表面愈平滑，從而粗糙度愈低，則薄膜厚度比口就愈高，且總的潤滑作用就愈大。當薄膜厚度比增加時，潤滑較好，因此摩擦較小，且表面由潤滑劑層隔離得較好。由于兩個表面沒有最有限的直接尖鋒的接觸，故接觸壓力和表面下的應(yīng)力均減小了。同樣，由于直接的粗糙表面尖鋒接觸和損耗是高摩擦和熱生成的主要原因這一事實，故齒輪的齒接觸時的熱生成和溫升也將減小。降低工作溫度和更好地控制熱平衡狀況會大大地改善用戶的滿意度，增加壽命并降低諸如變速箱輪產(chǎn)品的擔保成本。它也將降低能量消耗及提高效率。
但，也可能具有一種太平滑的齒輪。例如，一個表面粗糙度為大約1微英寸Ra至3微英寸Ra的齒輪就太平滑，會導致減小潤滑油的滯留時間。這是由于潤滑劑需要一定程度的表面粗糙度以便于其粘附。
參考以下附圖更詳細地說明本發(fā)明的優(yōu)先實施例，其中

圖1是一正齒輪副的透視圖；圖2是描繪該齒輪及齒不同部分的正齒輪局部側(cè)視圖；圖3表示具有一般滾銑和剃削表面光潔度的表面的透視圖；圖4表示接著進行物理化學拋光的表面的透視圖。
圖1是一個正齒輪組件10的透視圖。正齒輪組件10由一個齒輪12和一個小齒輪14組成。按照慣例，小齒輪14是兩個齒輪中較小的。正齒輪10用于在平行軸16，18之間傳遞運動及功率。齒20通常是直的并通常平行于軸線而延伸。
圖2是描繪齒輪12和齒20不同部分的正齒輪局部側(cè)視圖。即圓直徑22是齒輪12測量的基準，且代表齒輪的尺寸。圓周齒距24是圍繞節(jié)圓26圓周測量的自一個齒20中心至下一個齒的中心的距離。齒12的徑節(jié)是相對一英寸節(jié)圓直徑的齒數(shù)。例如，如果齒輪12有16個齒及其節(jié)圓直徑為4英寸，則該齒輪具有每英寸節(jié)圓直徑4個齒并稱4為徑節(jié)，即2D.P.。正齒輪10通常由鑄鐵，鋼，青銅和黃銅，或其它高強度金屬制成。然而，它們也可用尼龍或其它塑料制造以便無聲運行。
精通本技術(shù)的人們應(yīng)當理解本發(fā)明涉及不同型式的齒輪，包括，但不限于，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的齒條齒輪系統(tǒng)；內(nèi)齒輪系統(tǒng)，斜齒輪系統(tǒng)，人字齒輪系統(tǒng)，傘齒輪系統(tǒng)，蝸輪系統(tǒng)和行星齒輪系統(tǒng)。
表1表示不同表面光潔度的分析結(jié)果及相應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括粗糙度和薄膜厚度。合成的粗糙度，口，以微米為單位。薄膜厚度比，口，為平均薄膜厚度ha除以合成粗糙度的比。接觸載荷比，Wc，是不平度接觸載荷與總載荷之比。最大無量綱壓力為p/ph其中ph是最大赫茲壓力。顯而易見，總的合成粗糙度或算術(shù)平均粗糙度愈低，薄膜厚度比，口就愈高。因此，可看到較低的最大壓力比和較低的最大基體剪切應(yīng)力，也看到減小的接觸載荷比和摩擦系數(shù)。平滑表面代表理想情況并且為了相互比較而已。當表面是理論上平滑時，它便具有一計算的摩擦系數(shù)0.02679，并且由于表面太平滑而幾乎不存在任何潤滑作用。為得到最佳齒輪磨損；在齒輪表面有足夠的潤滑滯留是必要的。相反，當表面太粗糙時，沒有足夠的潤滑且導致表面尖鋒相互接觸的增加。其結(jié)果是給齒輪更多的潤滑，會帶來相應(yīng)的為熟悉本技術(shù)的人們所知的各種好處，包括減小齒輪應(yīng)力和延長由疲勞造成的故障發(fā)生的時間。例如，齒輪的疲勞壽命可明顯地從拋光前的11～12小時改善到拋光后的大于100小時。
因此，最佳的齒輪表明光潔度是大約5微英寸和10微英寸Ra之間。當表明粗糙度降至大約5微英寸Ra至10微英寸Ra之間時，最大接觸應(yīng)力可減小不止50％。同樣，表面下的剪切應(yīng)力可減小大約30％至50％。
表1
圖3表示具有一般滾銑和剃削表面光潔度的表面的透視圖，圖中，Ra為算術(shù)平均粗糙度，Kq為粗糙度的均方根，即□，以及R2為最大峰谷測量值。該Ra為大約0.6988□米，即大約25.5微英寸，而Rq為大約0.8864□米，即大約34.9微英寸。
圖4表示接著進行物理化學拋光的表面的透視圖。這里，接著對齒輪的齒的表面進行拋光處理，Ra為大約0.1987□米，即大約7.82微英寸，而Rq為大約0.304□米，即大約11.97微英寸。
拋光齒輪表面的結(jié)果是增加具有降低了表面不平整的表面。
在此優(yōu)先實施例中，齒輪表面被精加工，或拋光至大約5微英寸Ra和10微英寸Ra之間。任何金屬齒輪均可被使用，并且被精加工或拋光的表面最好為齒輪功能表面。該齒輪功能表面也被認為是與另一個齒輪的齒接觸的齒輪齒的表面。任何齒輪尺寸均適用，包括具有每英寸直徑大約3至大約8個齒的變速器齒輪到每英寸直徑多于8～10個齒的齒輪。此外，被精加工或拋光的表面圖象可以為各向同性的或非各向同性的。
雖然已選擇了各種優(yōu)先實施例來說明本發(fā)明，但精通本技術(shù)的人們應(yīng)當理解在不背離在所屬權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明的范圍的情況下可作出種種變更和修改。例如，可采用任何已知的方法，例如，電化學拋光，機械超級精加工，機械研磨拋光和化學加速的振動拋光對齒輪進行精加工或拋光。所采用的具體的拋光或精加工方法并不重要，只要光潔度相當均勻并在大約5至大約10微英寸之間。此外，精加工或拋光工藝方法最好對齒輪齒的幾何形狀及功能不產(chǎn)生負面影響。
權(quán)利要求
1.一種齒輪及小齒輪，包括一個具有第一組齒(20)的第一齒輪(12)，所述的第一齒輪(12)具有第一表面區(qū)，所述的第一表面區(qū)具有第一表面光潔度；和一個具有用以與所述第一組齒(20)嚙合并在所述的第一齒輪(12)和所述的第二齒輪(14)間傳遞運動和動力的第二組齒的第二齒輪(14)，所述的第二齒輪具有第二表面區(qū)，所述的第二表面區(qū)具有第二表面光潔度；其中，所述的第一表面光潔度具有大約3微英寸至大約12微英寸的算術(shù)平均粗糙度。
2.按權(quán)利要求1所述的齒輪和小齒輪，其特征在于，所述的第一表面光潔度具有大約5微英寸至大約10微英寸的算術(shù)平均粗糙度。
3.按權(quán)利要求1所述的齒輪和小齒輪，其特征在于，所述的第一表面區(qū)是在所述的第一組齒上。
4.按權(quán)利要求1所述的齒輪及小齒輪，其特征在于，所述的第二表面光潔度具有大約3微英寸至大約12微英寸的算術(shù)平均粗糙度。
5.按權(quán)利要求4所述的齒輪及小齒輪，其特征在于，所述的第二表面光潔度具有大約5微英寸至大約10微英寸的算術(shù)平均粗糙度。
6.按權(quán)利要求1所述的齒輪及小齒輪，其特征在于，所述的第二表面區(qū)是在所述的第二組齒上。
7.齒輪包括一個具有第一組齒(20)的第一齒輪(12)，所述的第一齒輪(12)具有第一表面區(qū)，所述的第一表面區(qū)具有第一表面光潔度；和其中，所述的第一表面光潔度具有大約3微英寸至大約12微英寸的算術(shù)平均粗糙度。
8.按權(quán)利要求7所述的齒輪，其特征在于，所述的第一表面光潔度具有大約5微英寸至大約10微英寸的算術(shù)平均粗糙度。
9.按權(quán)利要求7所述的齒輪，其特征在于，所述的第一表面區(qū)是在所述的第一組齒(20)上。
10.按權(quán)利要求7所述的齒輪，其特征在于，所述的齒輪是一正齒輪、和內(nèi)齒輪、一斜齒輪、一人字齒輪、一傘齒輪、一蝸輪和一行星齒輪中的一個。
11.按權(quán)利要求7所述的齒輪，其特征在于，所述的第一組齒(20)還包括大約8至大約12個齒。
12.按權(quán)利要求7所述的齒輪，其特征在于，還包括一個具有第二組齒的小齒輪(14)，所述的小齒輪具有第二表面區(qū)，所述的第二表面區(qū)具有第二表面光潔度。
13.按權(quán)利要求12所述的小齒輪，其特征在于，所述的第二表面光潔度具有大約3微英寸至大約12微英寸的算術(shù)平均粗糙度。
14.按權(quán)利要求12所述的小齒輪，其特征在于，所述的第二表面光潔度具有大約5微英寸至大約10微英寸的算術(shù)平均粗糙度。
全文摘要
經(jīng)最佳精加工的齒輪(12),(14)具有大約5微英寸Ra至10微英寸Ra之間的表面粗糙度。當減小齒輪齒(20)的表面粗糙度時,可減小其最大接觸應(yīng)力大于50%。同樣,表面下的剪切應(yīng)力可減小大約30%。之所以減小接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力是由于改進了齒輪齒(20)之間的潤滑狀況的緣故。大于10微英寸Ra的表面粗糙度會導致表面尖峰的接觸增加,而低于3微英寸的表面粗糙度則太平滑以致不能在齒輪的齒之間保持適當潤滑。
文檔編號F16H55/17GK1329959SQ0112187
公開日2002年1月9日 申請日期2001年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月30日
發(fā)明者D·朱, M·P·布洛爾德, P·M·瓦茨 申請人:易通公司