一种新型循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副的制作方法

本发明涉及汽车转向器技术领域，尤其是一种新型循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副。

背景技术：

循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副是汽车转向器中最重要的零部件，国内现有的结构设计是齿条采用直线齿廓(如图3所示)、齿扇为非渐开线齿廓的非圆齿扇设计(如图4所示)，从而实现转向器的变传动比要求(如图5、图9所示)，为了加工这种齿条和非圆齿扇，通常齿条采用直线齿廓的成型铣刀依次铣削齿条的各个齿槽而加工得到齿条，同时还必须要采用成形铣削和成形磨削等工艺制造得到插齿刀具—工艺齿条；而齿扇是在数控插齿机上，按照设定的传动比曲线，采用插齿刀具—工艺齿条、通过齿扇毛坯和工艺齿条的展成运动而加工得到。因此现有的这种变传动比转向器齿扇齿条副结构的加工工艺过于复杂，工艺周期长，制造环节多，加工效率、加工精度都难以提高。

为了克服上述存在的问题，本申请人从结构设计源头出发，发明了《一种新型循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副》，此发明齿扇齿廓采用渐开线的标准齿廓(如图6所示)，齿条齿廓采用曲线而非直线的设计(如图7所示)，能满足转向器变传动比性能要求(如图8、图9所示)；此发明标准齿扇不仅可插削加工，而且可采用滚齿加工，工艺选择范围宽，通用性好，滚齿加工效率及加工精度更高；此发明齿条为曲线齿廓，对于直线或曲线齿廓的齿条采用成形法加工，工艺差异并不是很大，因此大大地简化齿条和齿扇的加工工艺，综合经济效益显著。

根据检索，国内尚未有与本发明相同的专利申请。

技术实现要素：

针对上述所述，本发明提供一种齿扇齿廓采用渐开线标准齿廓，齿条齿廓采用曲线齿廓，能满足转向器变传动比性能要求的，可简化加工工艺、缩短工艺周期、提高加工效率、加工精度的新型循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该一种新型循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副包括齿扇、齿条，所述的齿扇采用渐开线标准齿扇；所述的齿条采用曲线齿廓；所述的转向器摇臂轴齿扇齿条副满足现有转向器变传动比要求；所述的齿扇的渐开线标准齿扇由模数、整圈齿数、压力角、齿顶圆直径、齿根圆直径和齿扇夹角参数确定；所述的齿条其齿条的曲线齿廓形状由该齿条的成型刀具的曲线齿廓形状确定；所述的齿条的成型刀具其齿条的曲线齿廓形状可依据非圆齿轮啮合原理求解曲线齿廓坐标制作成型刀具，用以加工齿条；所述的齿条的成型刀具曲线齿廓形状可依据非圆齿轮啮合原理求解曲线齿廓坐标，其步骤如下：

①、汽车循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副的齿扇采用标准渐开线齿扇设计，其数学模型如下：

标准渐开线齿扇的每一条齿廓可表示为：

式中：(x1,y1)表示齿扇齿廓坐标，rb表示标准渐开线齿扇的基圆半径，θ为参数，表示渐开线的展角与压力角之和，表示该渐开线齿廓起始点偏离x轴正向角度，每条齿廓对应的值不相同，齿廓在齿的右边时，y1取正值，齿廓在齿的左边时，y1取负值；

②、汽车循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副的齿条采用曲线齿廓的齿条设计，其数学模型如下：

变传动比的非圆齿扇节曲线r可由转向器的传动比计算，计算方法为：

式中：p表示转向器中丝杆螺母副的导程，i表示转向器的传动比；

根据齿扇的齿廓坐标方程，利用非圆齿轮啮合原理，计算出齿条齿廓坐标方程为：

式中：(x2,y2)表示对应齿扇齿廓啮合的齿条齿廓坐标，表示齿条平移的距离；由齿条曲线齿廓坐标制作齿条曲线齿廓的成型刀具，用以加工曲线齿廓的齿条。

本发明的有益效果是：

本发明一种新型循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副，能满足转向器变传动比性能需求，简化加工工艺、缩短工艺周期、提高加工效率、提高加工精度，综合经济效益显著。

本发明可推广运用于所有汽车方向机生产企业。

附图说明

图1是本发明一种新型循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副装配关系示意图。图中：1-本发明齿扇、2-本发明齿条。

图2是本发明一种新型循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副啮合原理图。

图3是现有齿条直线齿廓结构示意图。

图4是现有非圆齿扇齿廓结构示意图。

图5是现有齿扇齿条副装配关系示意图。

图6是本发明齿扇标准渐开线齿廓结构示意图。

图7是本发明齿条曲线齿廓结构示意图。

图8是本发明齿扇齿条副装配关系示意图。图中：1本发明齿扇的1-8条齿廓线与2本发明齿条对应的1-8条齿廓线示意图。

图9是变传动比曲线，现有的齿扇齿条副以及本发明的齿扇齿条副都需要满足该传动比曲线。

图10是现有的齿扇齿条副与本发明齿扇齿条副在设计制造流程上的对比，从图中可以看出，现有的齿扇齿条副是先根据直线齿廓的齿条，按变传动比曲线，设计和制造非圆齿扇；本发明则是根据标准渐开线齿廓齿扇及传动比曲线，反求齿条曲线齿廓的成型刀具。

具体实施方式

利用附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种新型循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副包括齿扇1、齿条2，所述的齿扇1采用渐开线标准齿扇；所述的齿条2采用曲线齿廓；所述的转向器摇臂轴齿扇齿条副满足现有转向器变传动比要求；所述的齿扇1的渐开线标准齿扇由模数、整圈齿数、压力角、齿顶圆直径、齿根圆直径和齿扇夹角参数确定；所述的齿条2其齿条的曲线齿廓形状由该齿条2的成型刀具的曲线齿廓形状确定；所述的齿条2的成型刀具其齿条的曲线齿廓形状可依据非圆齿轮啮合原理求解曲线齿廓坐标制作成型刀具，用以加工齿条2；所述的齿条2的成型刀具曲线齿廓形状可依据非圆齿轮啮合原理求解曲线齿廓坐标，其步骤如下：

(一)建立齿扇数学模型

非圆齿扇齿条啮合原理如图2所示，建立定坐标系[o,x,y]，与齿扇固接的动坐标系[o1,x1,y1]和与齿条固接的动坐标系[o2,x2,y2]，齿条坐标系图中未表示，s1和s2分别表示齿扇齿条的节曲线，p点表示齿扇坐标系相对定坐标系转角为时的瞬心点，r表示瞬心点的向径长度，(x1,y1)和(x2,y2)分别表示齿扇和齿条齿廓上的任意一点，k点为图示转角的啮合点，由非圆齿轮啮合原理可知，线段pk为齿扇和齿条齿廓在啮合点k的公法线，

因为齿扇齿廓为标准渐开线齿廓，所以齿扇的每一条齿廓可表示为：

式中：(x1,y1)表示齿扇齿廓坐标，rb表示标准渐开线齿扇的基圆半径，θ为参数，表示渐开线的展角与压力角之和，表示该渐开线齿廓起始点偏离x轴正向角度，每条齿廓对应的值不相同，齿廓在齿的右边时，y1取正值，齿廓在齿的左边时，y1取负值；

式(1)是齿扇齿廓坐标关于渐开线展角和压力角之和的方程，还需要将其转化为关于齿扇转角的参数方程，渐开线展角和压力角之和与齿扇转角的关系为：

式中：α表示齿扇齿廓分度圆压力角；

(二)建立齿条数学模型

变传动比的非圆齿扇节曲线r可由转向器的传动比计算，计算方法为：

式中：p表示转向器中丝杆螺母副的导程，i表示转向器的传动比；

根据齿扇的齿廓坐标方程，利用非圆齿轮啮合原理，计算出齿条齿廓坐标方程为：

式中：(x2,y2)表示对应齿扇齿廓啮合的齿条齿廓坐标，表示齿条平移的距离；

(三)计算实例

依据现有的某种型号摇臂轴齿扇齿条副的相关参数，结合前述的摇臂轴齿扇齿条副的设计方法，对本发明摇臂轴齿扇齿条副的齿廓形状进行了设计。计算实例主要参数如表一、表二所示，齿扇齿条副的传动比曲线如图9所示：

表一工件加工主要参数表

表二标准渐开线摇臂轴齿扇参数表

(四)计算结果

本发明标准齿扇渐开线齿廓坐标数值和齿条曲线齿廓坐标数值为表三和表四所示，对应的如图6所示是本发明齿扇标准渐开线齿廓结构示意图。

如图7所示是求解得到的本发明齿条曲线齿廓结构示意图。如图8所示是本发明齿扇齿条副装配关系示意图。

表三本发明渐开线齿扇齿廓坐标

注：本表中的坐标尺寸坐标系选取如图7所示。

表四本发明齿条曲线齿廓坐标

图10是现有的齿扇齿条副与本发明齿扇齿条副设计制造流程上的对比，从图中可以看出，现有的齿扇齿条副是先根据直线齿廓的齿条，按变传动比曲线，设计和制造非圆齿扇，本发明是根据标准渐开线齿廓齿扇以及传动比曲线，反求非直线齿廓的齿条成型刀具。因而本发明新型循环球式变传动比转向器摇臂轴齿扇齿条副，其齿扇渐开线标准齿扇，可插削加工、滚齿加工，工艺选择范围宽，通用性好，滚齿加工效率、加工精度高；其齿条曲线齿廓，可成型刀具加工，大大地简化加工工艺，本发明综合经济效益显著。可推广运用于所有汽车方向机生产企业。