加固齿轮齿的装置和方法

专利名称：加固齿轮齿的装置和方法
技术领域：
本发明主要涉及一种用于仅对外部自动传动齿轮元件的根部进行 单独抛光或使其产生塑性形变从而增大齿轮齿的抗弯强度的经过改进 的装置和方法。
背景技术：
齿轮组或齿轮系对于需要转动和动力传输的机械和机电系统来说 是普通的，并且因而常常被用在从简单复杂度的手表和发条玩具到高 级现代自动传动装置的系统中， 一套齿轮组包括两个或更多个机械齿 轮元件。每一齿轮元件能够与齿轮组中至少一个其它齿轮元件相接合、 啮合或相反配合，以便在包括齿轮组的各个齿轮元件之间传递动力和 运动，为任意给定应用而选择的特定齿轮元件或一系列元件取决于应 用齿轮组的系统的动力学特性以及包括所述齿轮组的各个齿轮元件分别所承受的作用力或栽荷。复杂的机械系统，如自动传动系统，通常使用一个或多个行星齿 轮组，这些齿轮组由任意数量的互相啮合的外齿轮元件如恒星齿轮或环形齿轮和内齿轮元件如小齿轮构成，所用术语"外(external)" 和《内(internal)"指的是环绕齿轮元件的齿轮齿的突出方向。传 动系统的行星齿轮组内的每一个配合齿轮元件具有多个配合或啮合的 齿轮齿，每一齿轮齿通常具有渐开线表面轮廓.在渐开线轮廓中，在 齿轮齿的弯曲齿轮齿面可旋转地接合和脱开时，在平坦的平面内保持 配合齿轮齿之间的接触，从而使配合齿轮齿之间的所有物理接触隔离 成齿轮齿面(gear flank)的作用或接触面部分。在配合齿轮齿之间 设置非接触的根部，每一根部具有基本上呈半圆形的轮廓'通常通过 作为部分齿轮成形步骤的铣削或滚铣工艺形成渐开线齿轮齿根部的半 圓形轮廓，所述工艺将多余的材料从金属齿轮毛坯中切除或去除.虽 然渐开线设计具有许多已公知的内在优点，但是渐开线齿轮元件所承 受的旋转力会在齿轮齿的根部上施加相当大的拉伸应力或弯曲力，这 一点也是已公知的。
因此，加强齿轮元件以防止由于施加到其上的各种应力而使其失 效是有利的。所述的加强通常采取通过对整个齿轮元件进行初始热处 理而产生硬化的形式。之后，经过热处理的齿轮元件通常需要进行另 外的精整步骤以便成形出齿轮齿面的表面粗糙轮廓，从而增大齿轮元 件的总体微级硬度.两个或更多个普通的精整步骤为磨蚀性研磨和喷 丸硬化处理，对于磨蚀性研磨而言，利用一种研磨工具来机械刮削和 研磨齿轮齿的整个轮廊，包括外露的齿轮根部.对齿轮齿整个轮廓的 完全刮削常常被认为是必要的，以便避免沿着连续的齿轮齿表面出现 "台阶"和不平滑.常用的磨蚀性研磨技术包括金刚石研磨，更普通的是立方氮化硼或CBN研磨.对于喷丸硬化处理(也被称为金属颗粒 喷丸)而言，金属丸或小球被喷向或射入暴露的齿轮表面中以使受到 撞击的表面层产生塑性形变，从而产生残余压缩应力并且增大表面的 显微硬度.然而，由于齿轮元件的所有暴露表面都均等地受到金属丸 的轰击，因此齿轮齿的暴露齿轮齿面的粗糙轮廓的改变将会超出所需 的改变，由此，所述齿轮元件将不得不经受另外的精整步骤，如抛光 和/或玻璃珠喷丸处理。发明内容因此，提供一种用于增长齿轮元件的使用寿命的经过改进的齿轮 齿加固方法，所迷齿轮元件具有多个突出的齿轮齿.所迷方法包括作 为初级步猓的对所述齿轮元件进行热处理，然后使暴露的齿轮根部表 面塑性变形达到预定深度而不会因而使齿轮齿面的暴露作用面产生塑 性形变。在如此仅硬化齿轮根部时，增加齿轮根部的压缩残余应力而 不改变齿轮齿面的轮廓，从而改善齿轮齿的总抗弯强度.在本发明的一方面中，利用一种经过改进的环形工具来增加外齿 轮元件的根部强度，所述环形工具具有多个受到硬化的向内突出的抛 光齿，所述抛光齿可与外齿轮元件的齿轮齿根部相配合并且可使齿根 面产生预定程度的塑性形变，而不会在齿轮元件通过环形工具时接触 齿轮元件的暴露齿轮齿面.在本发明的另一方面中，经过改进的环形工具至少部分由硬质合 金制成并且还具有多个用于限制成形的齿轮元件的尺寸的拉削表面， 并且所述齿轮元件是从包括恒星齿轮和小齿轮的外齿轮元件组中选择 出来的.
本领域的技术人员结合附图通过下面对实施本发明的最佳实施方 式的详细描述可以容易地理解本发明的上述特征和优点以及其它特征 和优点。


图1示意性地示出了一种典型的行星齿轮组的配合齿轮元件；图2为根据本发明的配合齿轮齿的不完整示意图，所述齿轮齿分别具有渐开线轮廓和根部；图3为根据本发明的经过改进的环形工具和配合齿轮元件的示意性透视图；和图4为所述经过改进的环形工具的抛光齿部分的不完整示意图。
具体实施方式
参见附图，在多幅附图中使用相似的附图标记表示相同或相似的 部件，在图1中示出了齿轮组10,这里所示的为一种典型的行星齿轮 组，该齿轮组包括笫一外齿轮元件12、笫一内齿轮元件13和多个第二 外齿轮元件14。虽然图1示出的是行星齿轮组，但是齿轮组10还可采 取其它形式，如线性齿轮系和具有更多数量啮合齿轮的更复杂的行星 齿轮组.在图1中，相互啮合的笫一和笫二外齿轮元件12， 14分别为 典型的恒星齿轮和小齿轮，为了说明本发明在下文中将使用这些齿轮。 然而，本发明将同等地适用于齿轮组或齿轮系内任意对的配合齿轮元 件.如图1和2所示，笫一和笫二外齿轮元件12,14分别具有多个齿 轮齿16a，16b,这些齿轮齿自齿轮元件12,14径向向外延伸，齿轮齿 16a，16b在齿轮元件12， 14的外圆周上等距间隔。齿轮元件12具有多 个齿轮齿16a,所述齿轮齿16a可与配合齿轮元件14的多个同样的可 啮合齿轮齿16b相互啮合或接合， 一旦这样相互接合在一起，齿轮齿 16a，16b之后协同作用以传递旋转运动，如图1中各箭头18所示'齿 轮齿16a，16b的轮廊优选为常用于车辆传动系统和其它高速、高应力 系统的渐开线轮廓。图2中更为详细地示出了这种渐开线轮廓，所述齿轮元件12的多个齿轮齿16a中的每一个都具有一对相对的 作用面或齿轮齿面20a,所述齿轮齿面20a包括配合齿轮之间的整个接 触面。这些接触面在图2中被示为近似于直线或路径AB。与之类似， 每一个同样的齿轮齿16b也具有一对与齿轮齿16a的齿轮齿面20a相 对的齿轮齿面20b，并且所述齿轮齿面20b的接触面大致类似于直线或
路径CD.齿轮元件12具有基本上或大体上呈半圆形的根部22a，所述 根部22a具有设置在每一齿轮齿16a之间的由虚线表示的可塑性变形 的齿根面24a。与之相类似的是，齿轮元件14还优选包括同样的基本 上或大体上呈半圆形的根部22b，所述根部22b具有设置在每一齿轮齿 16b之间的由虚线表示的可塑性变形的齿根面24b.当配合的齿轮齿16a，16b形成直接接触和接合、旋转且随后脱开 接合从而完成一个完整的旋转循环时，相互反向的力分别作用在配合 齿轮元件12， 14的作用面或齿轮齿面20a,20b上.因此弯曲疲劳会由 于作用在齿轮齿面20a，20b上的相互反向的力或张应力而出现在各自 根部22a，22b的齿轮齿面20a，20b下方或径向向内的方向上，如图2 中箭头21a，21b所示。大致沿着箭头21a，21b所示的方向可能会产生 材料失效或裂紋扩展，除非齿轮元件12,14的根部22a，22b具有足够 的强度来抵抗拉伸应力。因此根据本发明，通过使根部22a，22b硬化 以便形成塑性变形的齿根面24a，24b而增长齿轮组10的寿命，这样会 分别增加齿轮齿16a， 16b的抗弯强度，同时还不会接触齿轮齿面20a， 20b 和/或改变齿轮齿面20a, 20b的几何形状。再次参见图2，如前所述，齿轮元件12,14分别具有基本上呈半圆 形的根部22a，22b,每一根部具有可塑性变形的齿根面24a，24b。根部 22a，22b在初始齿轮制造期间通常由齿轮毛坯铣削或滚铣而形成，利用 齿轮滚铣工艺的动力学通常独立决定了根部22a，22b的最终几何形状。 相比之下，根据本发明，根部22a，22b的几何形状由拉削(broaching) 和抛光决定，其与对齿轮元件12， 14的根部22a， 22b的硬化分开。为了分开对根部22a，22b的硬化，提供一种如图3和4所示的经 过改进的成形工具或环形工具30。环形工具30优选具有圃形的圆周28 和多个径向向内突出的抛光齿32.参见图4，每一抛光齿32具有相同 的、基本上呈半圃形和大致凸出的硬化成形面38，该成形面38用于使 相对的根部22a，22b (图2)产生塑性变形并且从配合的根部2h， Hb 的表面上将任意多余的材料拉削或切削掉.塑性变形通常由或利用某 种材料来成形或涂覆所述多个抛光齿32来提供，所述材料相对于所要 成形的齿轮元件的根部22a，22b的表面硬度而言具有合适的升高的表 面硬度。通常通过沿着抛光齿32的整个成形面38成形切削面或拉削 边缘(broaching edge) 36而进行拉削*具体而言，本发明的拉削性能由图4所示的突出和凸出拉削边缘36 提供，拉削边缘36基本上跨越基本上或大致呈半圆形的抛光面38的 整个跨度并用于从所要成形齿轮元件上移除多余的储存材料。优选地
是，每一抛光齿32的拉削边缘36通过略凹面44提供，所述略凹面44 由合适尖锐的切削面包围或环绕，如图4所示，当被成形的齿轮元件 通过环形工具30时，将多余的材料移除是通过拉削边缘36切削掉、 刮掉或拉削掉超过环形工具30的中心直径42的材料而完成的，所述 齿轮元件为图3所示的典型的齿轮元件12.将多余的齿轮元件材料尤 其是根部22a周围的多余材料拉削掉是必要的，以便防止由于在根部 22a上或其周围存在多余材料而对环形工具30和/或齿轮元件12造成 损伤.多余材料可能会存在在成形齿轮元件的根部，如齿轮元件12,14 的根部22a，22b上或其周围，这是由于在生产齿轮毛坯(未示出)期 间在根部22a，22b成形时所使用的较大公差可能会被遗留到用于成形 根部22a，22b的初始滚铣工艺之后。此外，在初始硬化热处理期间所 使用的热量可在成形之后使齿轮毛坯膨胀和扭曲，增加齿轮元件的几 何尺寸，直到所述几何尺寸不再在公差范围内为止，由于会发生损伤， 齿轮元件或大于所需的所要成形的齿轮元件的环形工具30或两者都被 迫通过环形工具30，拉削边缘36切削或拉削掉多余的材料，从而本发 明防止产生这种损伤。环形工具30也提供了一种抛光能力，因而具有合适的尺寸和形状， 从而能够使要成形的齿轮元件产生所需深度的塑性变形。在图3中， 齿轮元件12被用作示例性或典型的齿轮，但是本领域的技术人员可以 理解齿轮元件14或另外的外齿轮元件同样可被应用，如此后的说明。 外齿轮如齿轮元件12在适于使接触根部22a的齿根面24a产生预定程 度塑性变形的外力作用下是可通过的。齿轮齿16a的根部22a的塑性 变形层24a以及齿轮齿16b的根部22b的塑性变形层24b在图2中由 虚线表示。与环形工具30作为成形工具一样，工具制造领域的技术人 员可以意识到可使用各种方法来将环形工具30保持相对于所要成形齿 轮元件静止不动.例如，环形工具30可被固定在手动夹具内或一件固 定设备如压机的夹紧部分内，而齿轮元件，如图3中的齿轮元件12， 在适于使齿根面24a发生所需程度塑性变形的力的作用下移动通过环 形工具30,会影响到可塑性变形的齿根面24a，24b的最终深度和根部22a，22b 的几何形状的各种变量包括相对硬度和几何变量和/或配合的环形工具 30与所要成形的齿轮元件之间的公差。理想地是，所要成形的齿轮元 件在抛光之前进行热处理，以便防止由于马氏体转变而引起的抛光残 余应力优点的损失.同样，用于移动齿轮元件使之通过环形工具30的 力的大小是所需预定程度的拉削和/或抛光的函数，并且可用于在齿根
面上，如在齿轮元件12的齿根面24a上产生所需的表面硬度。如前所 述，为了确保使齿根面，如齿根面24a,产生合适的硬化，环形工具30, 尤其是所述多个抛光齿32，由具有足够大的表面硬度的材料构成，所 述材料的表面硬度大于被硬化齿轮元件的表面硬度，以便通过在环形 工具30与齿轮元件之间产生相互的、有力的接触，使齿根面24a，24b 产生足够的塑性形变。优选地，至少抛光齿32的成形面38部分是使用硬质合金或合适 的高速工具钢制成的，其具有比成形齿轮元件的R。大至少约5-10Rc洛 氏硬度C标度(R。).由于典型的外齿轮元件12， 14优选由5120钢或其 它具有约55-65R。的硬度的合适材料制成，因此配合的抛光齿32的优 选硬度约为60-75 Re，尽管更硬的抛光齿也可使用专用的75 R。或更大 硬度级的硬质合金。抛光齿32的非成形面40在拉削或抛光工艺期间 不与成形齿轮元件的任意表面接触，所述非成形面40描述了不包括成 形面38的齿轮齿表面的范闺并且近似地由沿图4中点E和F之间的抛 光齿32的曲线的线表示。因此，对非成形面40的硬化是不必要的， 尽管为了确保环形工具30的整体结构一致需要对环形工具30的所有 材料表面进行均等硬化.环形工具30的尺寸和抛光齿32的数量、形状和尺寸取决于要成 形齿轮元件的设计。也就是说，由于环形工具30为一种被已成形的或 经过热处理的齿轮元件，如齿轮元件12，通过的工具或模具，因此环 形工具30的几何形状适于配合所要进行硬化的齿轮元件12的几何形 状。例如，如图3所示，如果齿轮元件12具有20个隔开的齿轮齿16a， 那么就需要具有20个隔开的相对抛光齿32的环形工具30,并且环形 工具30具有合适的尺寸以在影响根部22a产生所需变化所需的力的作 用下允许预选的配合齿轮元件12能够通过环形工具30.如前文所述，配合的旋转齿轮元件，如齿轮元件12，14，产生相互 的拉伸应力，然后其自身就会显示出分别从根部22a,22b径向向外的 弯曲疲劳。每一齿轮元件12,14具有预定的材料强度，如果传递给齿 轮齿16a，16b的拉伸应力超过了这一材料强度，那么齿轮元件l2，14 中的一个或两个将会以裂紋开裂的形式失效，之后，其会随着拉伸应 力的继续作用而扩散。为了将材料强度增加达到高于传递给配合的齿 轮元件12,14的拉伸应力的程度，通过向典型的齿轮元件12， 14的根 部22a，22b施加压缩残余应力，从而增加齿轮元件的材料强度，如本 说明书所述，在齿轮元件12已经通过经过改进的环形工具30之后， 利用环形工具30产生所需的压缩残余应力，该压缩残余应力表现为齿
轮元件，如恒星齿轮12，的齿根面，如齿根面24a，产生塑性变形的 形式.本领域的技术人员可以理解过度的塑性形变可能会损伤齿轮元 件，而不足的塑性形变则不会产生足以将齿轮元件的材料强度提高到 足以防止由于弯曲疲劳而产生损坏的压缩残余应力。为了获得所需的 平衡，根据本发明，可塑性变形的齿根面24a，24b的塑性形变的优选 深度约为2到5微米(in).为了给予这一程度的变形，拉削合格之后 的齿轮元件12,14的轮廓比环形工具30的轮廓大约2到5 )li。按照这 种方式，使更软的齿轮元件通过更硬的环形工具30将会产生所需的2 到5iu的根部22a，22b形变。尽管在前面已经结合外齿轮元件对本发明进行了描述，但是本领 域的技术人员可以理解通过使环形工具30的抛光齿32的排列反向， 即通过这种结构使向外突出的抛光齿32仅仅抛光如图1所示的环形齿 轮13的齿根部分，本发明同样可应用于内齿轮元件.虽然已经对实施本发明的最优方式进行了描述，但是熟悉本发明 领域的技术人员可以理解用于实践本发明的各种替换设计和实施例 落入所附权利要求书的范围内，
权利要求
1.一种延长齿轮元件使用寿命的方法，所述齿轮元件具有多个突出的齿轮齿，每一齿轮齿具有一对齿轮齿面部分，其中每一所述齿轮齿还具有位于每一所述齿轮齿之间的大致凹入的根部，并且每一所述根部具有可塑性变形的齿根面，所述方法包括使每一所述齿根面塑性变形达到足够深度以便因而增加所述齿轮齿的抗弯强度而不会使所述齿轮齿面部分产生塑性形变。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述使每一所述齿根面塑性变 形包括使用具有一定设计和几何形状的工具，所述设计和几何形状足 以相对于所述工具移动所述齿轮元件，以便通过仅仅抛光所述根部来 控制所述根部上压缩应力的量和深度。
3. 如权利要求2所述的方法，其中所述工具具有多个突出的抛光 齿，在进行所述移动时每一所述抛光齿接触相应的根部，从而使所述 根部塑性变形达到所述足够深度。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述足够深度为约2到5 i 的预定深度。
5. 如权利要求3所述的方法，其中所述抛光齿具有比所述根部的 表面硬度大约5到10Re的表面現变。
6. 如权利要求3所述的方法，其中所述齿轮元件是从包括恒星齿 轮和小齿轮的外齿轮组中选择出的。
7. 如权利要求5所述的方法，其中所述抛光齿至少部分由硬质合 金制成。
8. —种用于增加齿轮齿或经过热处理的齿轮元件的抗弯强度的装 置，所述齿轮元件具有多个向外突出的齿轮齿，其中每一所迷的齿轮 齿具有多个根部，每一根部具有齿根面和多个齿轮齿面，所述装置包 括环形工具，所述环形工具具有多个向内突出的抛光齿，所述 多个抛光齿可与相应的根部配合并且可使相应的根部的齿根面产 生预定深度的塑性形变，而不会在所述齿轮元件的齿与所述环形 工具的齿配合时接触相应的齿轮齿面。
9. 如权利要求8所述的装置，其中所迷齿轮齿具有渐开线轮廓， 并且所述根部具有大致呈圃形的轮廓。
10. 如权利要求8所述的装置，其中所述抛光齿具有比所迷根 部的表面現复大约5到10Re的表面現变。
11. 如权利要求8所述的装置，其中所述抛光齿至少部分由硬 质合金制成。
12. 如权利要求8所述的装置，其中所述齿轮元件是从包括恒 星齿轮和小齿轮的外齿轮组中选择出的。
13. 如权利要求8所述的装置，其中所述预定深度为约2到5 微米。
14. 一种用于抛光车辆传动系统中的经过热处理的外齿轮元件 的根部的环形工具，该环形工具包括大致呈圆形的主环，所述主环具 有多个由主环径向向内突出的经过硬化的抛光齿，其中在所述齿轮元 件通过所述环形工具时，所述抛光齿可给予所述根部一已塑性变形的 层。
15. 如权利要求14所迷的环形工具，其中所迷主环和/或所述抛 光齿至少部分地包括硬质合金。
16. 如权利要求14所述的环形工具，其中所述多个齿轮齿中的 每一齿轮齿具有渐开线轮廓，并且所述多个齿轮齿根部中的每一根部 具有大致呈半圃形的轮廓。
17. 如权利要求14所述的环形工具，其中所述外齿轮元件是从 包括恒星齿轮和小齿轮的组中选择出的。
18. 如权利要求14所述的环形工具，其中所述已塑性变形的层 约为2到5微米。
19. 如权利要求14所述的环形工具，其中所述抛光齿具有比所 述根部的表面^L大约5到10Re的表面逸变。
全文摘要
一种用于增加旋转齿轮元件的使用寿命的装置和方法，所述齿轮元件包括多个向外突出的齿轮齿，每一齿轮齿具有渐开线轮廓，并且每一齿轮齿具有一对齿轮齿面和一对大致呈半圆形的根部。使用一种具有硬化过的向内突出的抛光齿的环形工具来仅使被成形齿轮元件的根部产生塑性变形，同时避免在所述齿轮元件通过环形工具时与所述齿轮齿面接触。所述环形工具还包括多个拉削面或切削边缘，以从根部表面上移除多余的储层材料。所述环形工具增加了被成形齿轮元件根部的残余压缩应力，从而在齿轮元件的根部内产生了最优的残余应力轮廓和更大的抗弯强度。
文档编号B23F1/08GK101118006SQ20071013991
公开日2008年2月6日 申请日期2007年8月3日 优先权日2006年8月3日
发明者G·莫尔杜克霍维奇 申请人:通用汽车环球科技运作公司