申请/专利权人：先进电机集团有限公司

申请日：2018-02-14

公开（公告）日：2024-04-23

公开（公告）号：CN110300865B

主分类号：F16H48/40

分类号：F16H48/40;F16H55/17;F16H48/38

优先权：["20170215 GB 1702473.8"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.23#授权;2023.01.20#专利申请权的转移;2020.02.28#实质审查的生效;2019.10.01#公开

摘要：一种用于传动系统中的齿轮。齿轮包括外部环形元件，在外部环形元件的径向外表面上具有齿轮齿；和内部支撑元件，其与外部环形元件同轴布置。齿轮还包括第一侧壁和相对的第二侧壁，每个侧壁从外部环形元件延伸到内部支撑元件以形成环形空间。第一侧壁和第二侧壁中的至少一个相对于垂直于齿轮的旋转轴线的方向以大于0度的角度从外部环形元件延伸。

主权项：1.一种用于传动系统中的齿轮，所述齿轮包括：外部环形元件，所述外部环形元件具有螺旋地布置在其径向外表面上的齿轮齿；内部支撑元件，所述内部支撑元件与所述外部环形元件同轴布置；相对的第一侧壁和第二侧壁，每个侧壁从所述外部环形元件延伸到所述内部支撑元件以形成环形空间，其中所述第一侧壁和所述第二侧壁两者相对于垂直于所述齿轮的旋转轴线的方向以大于0度的角度从所述外部环形元件延伸；其中所述第一侧壁和所述第二侧壁中的每一个的倾斜角沿着其从所述外部环形元件到所述内部支撑元件的各自的长度是恒定的，所述第一侧壁和所述第二侧壁中的每一个刚性地连接到所述外部环形元件和所述内部支撑元件中的每一个，或者与所述外部环形元件和所述内部支撑元件中的每一个成为一体，并且所述第一侧壁和所述第二侧壁中的每一个是刚性的，使得在使用中所述第一侧壁和所述第二侧壁抵抗由在轴向方向上的齿轮负载力引起的所述外部环形元件的径向旋转；并且其中所述内部支撑元件是从所述第一侧壁延伸到所述第二侧壁的轴向延伸的轴。

全文数据：具有倾斜侧壁的用于传动系统的齿轮本发明涉及一种用于传动系统中的齿轮。特别地但不排他地，本发明的实施例涉及一种齿轮，其可以更好地承受与高速传动系统相关联的增加的负载。传动系统中的齿轮传统上是实心齿轮，以获得最大的刚度和增加的强度。然而，实心齿轮可能是不理想的，因为其会明显增加传动系统的重量，致使经济性降低，并且生产成本可能是高的。当在使用中向齿轮施加载荷时，齿轮通常会经历轴向平移和旋转效应即外缘的弯曲。这是由于来自相邻的啮合的齿轮的、作用在螺旋齿轮上的力包括轴向分量。力的轴向分量会导致齿轮在外缘处弯曲。这种弯曲在与匹配齿轮的接触点处产生围绕相切于轮缘圆周处的轴线的、垂直于齿轮主旋转轴线的齿轮外缘旋转。通常，在传动应用中，即使微小的旋转齿轮的弯曲也可阻止齿轮的齿如预期的那样与相邻齿轮的齿啮合在一起非共轭啮合。这会增加齿轮局部接触应力、传动误差和噪音，从而导致齿轮过早失效。齿轮轮缘的纯轴向平移偏转通常不会对相邻齿轮的啮合产生不利影响，也因此对齿轮噪音、局部接触应力或磨损产生最小影响。过去，中空齿轮被设计用来减轻传动系统的重量。这种中空齿轮被用于相对较大的传动装置系统中，例如船用或风力涡轮机齿轮，以减轻重量，从而降低成本。然而，与实心齿轮相比，中空齿轮会对齿轮的刚度和强度有不利地影响，从而增加上文讨论的轮缘的旋转效应和轴向平移的风险。WO2015106962涉及一种用于具有中空驱动齿轮的机动交通工具的差动齿轮装置。根据本发明的第一方面，提供一种用于在传动系统中使用的齿轮，该齿轮包括：外部环形元件，在其径向外表面上具有齿轮齿；内部支撑元件，其与外部环形元件同轴布置；相对的第一侧壁和第二侧壁，每个侧壁从外部环形元件延伸到内部支撑元件以形成环形空间，其中，第一侧壁和第二侧壁中的至少一个相对于垂直于齿轮的旋转轴线的方向以大于0度的角度从外部环形元件延伸。本发明的某些实施例提供的优点是，该齿轮更能抵抗通常与高速传动系统相关联的较高的齿轮载荷。本发明的某些实施例提供的优点是，与已知的齿轮相比，齿轮的重量可以减少。本发明的某些实施例提供的优点是，与已知的齿轮相比，由轴向力引起的齿轮轮缘的旋转偏转可以减少。本发明的某些实施例提供的优点是，与已知齿轮相比，齿轮齿的磨损减少，导致齿轮寿命得以延长。本发明的某些实施例提供的优点是，与已知系统相比，传动系统中的齿轮噪声可以降低。在下文中参考附图进一步描述本发明的实施例，其中：图1是中空齿轮的示例的前视图；图2是图1中的中空齿轮的横截面图；图3是图1中的中空齿轮的贯穿切割部cut-through的透视图；图4是附接到差动齿轮组件的中空齿轮的示例的贯穿切割部的透视图；和图5a示出了图1的中空齿轮的轴向平移；图5b示出了实心平行侧壁齿轮的轴向平移；图6a示出了图1的中空齿轮的径向旋转；和图6b示出了实心平行侧壁齿轮的径向旋转。在附图中，相同的参考编号指代相同的部分。图1至图3示出了齿轮100的一个示例。齿轮100适于用于各种传动系统中。齿轮100尤其适用于高速传动系统、高负载下的传动系统或需要最小化重量的传动系统。例如，齿轮100可用于交通工具例如汽车、轮船、直升机或需要不同转速和扭矩的固定机器例如风力涡轮机的传动系统中。齿轮100对于电动汽车工业中的传动系统中的重量减轻特别有用，在电动汽车工业中，重量和性能是至关重要的。传动系统是本领域技术人员众所周知的，因此为了简洁起见，将不详细描述。齿轮100包括外部环形元件102。外部环形元件102围绕齿轮100的外周边延伸，形成环形圈。外部环形元件102也沿轴向方向延伸，以形成大体上为圆柱形的外表面。在外部环形元件102的径向外表面上即，在齿轮100的周边表面上，有多个齿轮齿104。齿轮齿104从外部环形元件102的径向外表面径向向外突出，使得齿轮齿104在使用中可以与相邻齿轮或小齿轮的齿轮齿啮合。在这个例子中，齿轮齿104是斜齿轮齿，每个齿形成围绕齿轮100延伸的螺旋的一部分。换句话说，齿轮齿104螺旋地布置在外部环形元件102的径向外表面上。齿轮齿104被布置成彼此平行，并且围绕齿轮100的周边等距间隔开。在该示例中，齿轮直径约为200mm，在外周边处具有约22mm的轴向厚度。齿轮齿104从环形元件102的径向外表面径向向外突出约5mm。齿轮齿104定位成与齿轮的轴向方向成大约15°的角度，每个齿形成围绕齿轮100延伸的螺旋的一部分。齿轮齿104彼此平行布置，每个齿之间的节距相等，约为7mm。齿轮齿104与外部环形元件102一体地形成。齿轮100还包括内部支撑元件106。内部支撑元件106形成齿轮100的径向内部部分，并且配置成支撑齿轮的径向外部部件包括外部环形元件102。内部支撑元件106与外部环形元件102同轴布置，使得内部支撑元件106和外部环形元件102两者共用同一旋转轴。在这个例子中，内部支撑元件106是轴向延伸的轴。在这个例子中，轴大体上是圆柱形的，并且具有中空的孔。在其它实施例中，可能使用实心的轴。齿轮100的旋转轴纵向延伸穿过轴的中心。相对的第一侧壁和第二侧壁108、110将内部环形元件106连接到外部环形元件102。每个侧壁108、110从外部环形元件102延伸到内部支撑元件106。内部支撑元件106、外部环形元件102以及第一侧壁和第二侧壁108、110在齿轮100内形成环形空间112。在横截面中，如图2所示，第一侧壁和第二侧壁108、110中的每一个以角度θ从外部环形元件102延伸。角度θ大于90度。角度θ是相应侧壁和外部环形元件102的径向内表面之间的角度。在该示例中，外部环形元件102大体上是圆柱形的，并且轴向延伸即，在平行于齿轮旋转轴线的纵向方向上。因此，角度θ也可以可选择地以侧壁和轴向方向之间的角度界定。在该示例中，第一侧壁和第二侧壁108、110各自以大约110°的角度θ从外部环形元件102延伸。在该示例中，两个侧壁108、110在外部环形元件102和内部支撑元件之间恒定地倾斜。在这个例子中，第一侧壁和第二侧壁108、110在形状上都大体上是截头圆锥形的。可选地，第一侧壁和第二侧壁108、110的角度可以相对于垂直于齿轮100的旋转轴线A-B的方向来测量。因此，第一侧壁和第二侧壁108、110相对于垂直于齿轮100的旋转轴线A-B的方向以大于0度的角度从外部环形元件102延伸。在图1至图3所示的例子中，第一侧壁和第二侧壁相对于垂直于齿轮100的旋转轴线A-B的方向以大约20°的角度从外部环形元件102延伸。从图1和2中最佳地看出的，第一侧壁和第二侧壁108、110各自从外部环形元件102朝向内部支撑元件106向外张开，使得齿轮100在中心处比在外周边处厚即具有更大的轴向长度。也就是说，内部支撑元件106的轴向长度大于外部环形元件102的轴向长度。在其他示例中，每个侧壁108、110从外部环形元件112延伸的角度θ可以适当地在90°和140°之间，或者在100°和130°之间，或者在100°和120°之间，或者在105°和115°之间。也就是说，第一侧壁和第二侧壁108、110可以相对于垂直于齿轮100的旋转轴线A-B的方向以一角度从外部环形元件102延伸，该角度适当地在0°和50°之间，或者在10°和40°之间，或者在10°和30°之间，或者在15°和25°之间。适当地，第一侧壁和第二侧壁108、110都以相同的角度从外部环形元件102延伸即，第一侧壁和第二侧壁108、110各自具有相等且相反的倾斜角。适当地，侧壁108、110中的至少一个在外部环形元件102和内部支撑元件106之间恒定地倾斜，使得侧壁108、110以等于180°减去角度θ的角度α与内部支撑元件相遇。例如，当角度θ为110°时，角度α为70°。第一侧壁和第二侧壁108、110中的每一个的倾斜角沿着其在外部环形元件102和内部支撑元件106之间的相应长度适当地是恒定的。第一侧壁和第二侧壁108、110中的每一个的厚度被配置成优化齿轮100的刚性，同时与实心齿轮相比仍然保持重量减轻。例如，可以在汽车应用中使用的直径为200mm的齿轮可以具有壁厚在2mm和6mm之间的第一侧壁和第二侧壁108、110。适当地，壁厚可以是大约4mm。第一侧壁和第二侧壁108、110刚性连接到内部支撑元件106和外部环形元件102例如，通过焊接。在其他示例中，内部支撑元件106、外部环形元件102以及第一侧壁和第二侧壁108、110可以一体形成例如，在模具中，或者通过制造加工。在其他示例中，侧壁可以热膨胀或收缩以利用固定装置配合和或保持在适当位置。在该示例中，齿轮100的部件包括内部支撑元件106、第一侧壁和第二侧壁108、110、外部环形元件102和齿轮齿104都由钢形成。在其他示例中，外部环形元件102可以由齿轮钢制成，而其他部件106、108和110可以由更便宜的钢或其他材料制成。在另一个例子中，每个齿轮部件可以由任何合适的材料制成，非金属的或其他的。齿轮100可以通过首先形成内部支撑元件106、外部环形元件102包括齿轮齿104以及第一侧壁和第二侧壁108、110中的每一个来制造。这些部件中的每一个都可以使用合适的工具由合适的钢铸造、锻造或加工而成。然后，第一侧壁和第二侧壁108、110通过焊接刚性附接到与内部支撑元件106和外部环形元件102中的每一个，以形成具有环形空间112的齿轮100。可选地，外部环形元件102、一个侧壁108和内部支撑元件106可以由一个实心件加工成一个部件。最后，剩余的壁110可以焊接在合适位置。在一些示例中，也可以在侧壁108和110上设置入孔accessholes、切口或一些其他局部特征。在使用中，齿轮100布置在传动系统内，以与一个或多个相邻的齿轮啮合。因此，该齿轮受到来自相邻齿轮的齿轮加载力。如上文所讨论的，通常这些力会造成齿轮环形元件102轴向偏转和径向旋转。下表1说明了不同齿轮类型的轴向径向旋转的差异。第一齿轮是典型的具有平行侧壁的实心齿轮，其轮缘宽度即外周边处的厚度为22mm。第二齿轮是实心齿轮，其形成有截头圆锥形侧面，其也具有22mm的轮缘宽度。如表中所示，实心圆锥形侧面齿轮明显比实心平行侧面齿轮重。根据上面关于图1至图3讨论的本发明的实施例，第三齿轮是形成有截头圆锥形侧壁的中空齿轮。中空圆锥形侧壁齿轮也具有22mm的轮缘宽度，且具有比实心平行侧壁齿轮轻约43％的质量。表1齿轮布置齿轮轮缘宽度齿轮质量轴向偏转径向旋转实心平行侧壁22mm5.2kg0.0156mm0.0004rads实心圆锥形侧壁22mm7.25kg0.004mm0.0002rads中空圆锥形侧壁22mm2.97kg0.0176mm0.0001rads表1中的每个齿轮都受到典型的且相同的齿轮载荷。如表1所示，与实心平行侧壁齿轮相比，中空圆锥形侧壁齿轮的径向旋转减少75％，与实心圆锥形侧壁齿轮相比，中空圆锥形侧壁齿轮的径向旋转减少50％。图5a和5b分别示出了中空圆锥形侧壁齿轮和实心平行侧壁齿轮的轴向偏转效应。图6a和6b分别示出了中空圆锥形侧壁齿轮和实心平行侧壁齿轮的径向旋转效应。在图6a和6b中清楚地示出，中空圆锥形侧壁齿轮比实心平行侧壁齿轮经历显著小的径向旋转。旋转的齿轮的偏转导致每个齿轮齿在经过相邻齿轮齿时不对准，这导致了在齿通过频率下齿的不想要的过早的碰撞。这通常会导致较高的频率噪声，并且还对齿轮寿命产生不利影响。中空圆锥形侧壁齿轮的径向旋转的减少降低了相邻齿轮齿的不对准，从而减少了非共轭局部接触应力、传动误差和噪声，因此减少了齿轮的磨损，并由此增加了齿轮的寿命。尽管中空圆锥形侧壁齿轮的轴向偏转略有增加，但这并不重要，因为线性平移通常不导致相邻齿轮齿的不对准，因此对齿轮噪音或磨损没有太大影响。因此，从表1中可以看出，与传统的平行侧壁实心齿轮相比，中空圆锥形侧壁齿轮提供了显著的重量减轻的优点，并且具有显著减少的径向旋转偏转。在这里描述的齿轮的其它例子中可以看到类似的效应，其中第一侧壁和第二侧壁中的至少一个以大于90度的角度从外部环形元件延伸即，其中第一侧壁和第二侧壁相对于垂直于齿轮旋转轴线的方向以大于0度的角度从外部环形元件延伸。在一些示例中，齿轮100可以形成差动齿轮组件的一部分。图4示出了齿轮400，其包括差动齿轮箱体组件，差动齿轮箱组件具有作为内部支撑元件的差动齿轮轴部件406。在这个例子中，第一侧壁和第二侧壁连接到包含差动齿轮的差动轴部件406。齿轮400的其他部件可以构造成类似于关于图1至图3描述的齿轮100，因此将不再详细描述。尽管在上述示例中，齿轮包括斜齿轮齿，但是根据齿轮的预期用途，也可以提供其他合适的齿轮齿。例如，齿轮齿可以径向方向突出，并沿轴向延伸以形成直齿轮。尽管在上述示例中，第一侧壁和第二侧壁各自具有相等且相反的倾斜角，但是在其他示例中，第一侧壁和第二侧壁可各自具有不同的倾斜角。例如，第一侧壁可以以垂直于齿轮100的旋转轴线的角度在外部环形元件102和内部支撑元件106之间延伸，而第二侧壁可以以大于90°的角度即，相对于垂直于齿轮的旋转轴线的方向大于0度从外部环形元件102延伸。在另一个例子中，第一侧壁和第二侧壁都可以以大于90°的不同角度从外部环形元件延伸。例如，第一侧壁可以以大约100°的角度即，相对于垂直于齿轮的旋转轴线的方向大约10度从外部环形元件延伸，而第二侧壁可以以大约110°的角度即，相对于垂直于齿轮的旋转轴线的方向大约20度从外部环形元件延伸。在一些例子中，第一和第二侧壁可以不是完全截头圆锥形的。例如，侧壁中的一个或两个可以包括中断截头圆锥形形状的附加特征。例如，附加特征可以包括具有不同倾斜角的侧壁的区域，或者在侧壁的表面中具有凹槽或突起。在其他示例中，第一侧壁和第二侧壁中的至少一个可以在倾斜角上具有连续的梯度例如，从外部环形元件处的100°的角度开始，并逐渐增加到内部支撑元件处的110°的倾斜角。尽管在上述示例中，内部支撑元件是轴，但是内部支撑元件也可以是不同的支撑结构。例如，内部支撑元件可以是差动齿轮组件的箱体。图4中示出了一个例子。在图4所示的例子中，第一侧壁和第二侧壁各自具有不同的倾斜角。然而，也可以使用如上关于图1的示例所述的任意倾斜角包括相等和相反的倾斜角。尽管上述示例涉及特定尺寸的齿轮，但是根据应用，齿轮可以是各种尺寸。例如，齿轮的直径可以在50mm至4000mm的范围内。第一侧壁和第二侧壁的合适倾斜角可以在不同尺寸的齿轮之间变化，并且对于所有尺寸都在上文讨论的范围内。然而，对于较大直径的齿轮，侧壁的厚度可能更大，其中齿轮齿的几何形状也将改变。例如，适于用于风力涡轮机中的齿轮可以具有0.5m至4m之间的直径。用于这种尺寸的齿轮的第一侧壁和第二侧壁可以在5mm和100mm之间，并且适当地在40mm左右。齿轮齿可以从齿轮的周边表面围绕齿轮轮缘突出，并且与齿轮模数的必要增加成比例地间隔开。对于上述示例，齿轮与实心齿轮相比重量减轻，这可以降低制造所需的材料成本、与燃料经济性相关的成本例如，当用于交通工具时以及运输和安装成本。减重的齿轮也更适于用于高速传动系统，特别是电动汽车或航空航天工业，在这些行业中，重量减少可以显著提高性能。尽管齿轮具有显著减少的重量，但齿轮的构造，尤其是侧壁，有助于齿轮围绕重要轴线保持或具有比实心齿轮更大的刚度。齿轮增加的刚度在使用中抵抗负载力，使得齿轮的径向旋转被减少或最小化。齿轮轮缘的径向旋转的减少具有显著的优点，因为减少了齿轮齿与相邻齿轮的齿的不对准。当相邻齿轮的齿相互啮合时，这防止或显著减少了非共轭齿冲击。这样，齿轮的局部接触应力、传动误差以及噪音和磨损都减少了。齿轮的第一侧壁和第二侧壁的位置有助于抵抗齿轮负载力，特别是在轴向方向上的齿轮负载力，这有助于抵抗齿轮轮缘的径向旋转。这有助于确保齿轮的齿不会相对于相邻齿轮不对准，从而减少齿轮齿接触，减少齿轮局部接触应力、传动误差和噪音，从而减缓齿轮的过早磨损。贯穿本说明书的描述和权利要求中，词语“包括comprise”和“包含contain”及其变型意指“包括但不限于”，并且它们不意图并且不排除其他部分、添加物、组成部分、整体integers或步骤。贯穿本说明书的描述和权利要求，单数涵盖复数，除非上下文另有要求。特别地，在使用不定冠词的情况下，本说明书应理解为考虑复数以及单数，除非上下文另有要求。结合本发明的特定方面、实施方案或示例描述的特征、整体、特性、化合物、化学部分或组应被理解为可适用于本文描述的任何其它方面、实施方案或示例，除非与其不相容。在本说明书包括任何伴随的权利要求、摘要和附图中公开的所有特征和或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合被组合，除了其中这类特征和或步骤中的至少某些是相互地排他的组合之外。本发明并不限于任何前述实施例的细节。本发明扩展至在本说明书包括任何伴随的权利要求、摘要和附图中公开的特征中的任何新颖的特征或任何新颖的组合，或扩展至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。阅读者的注意力被指向与结合本申请的本说明书同时地或在本说明书之前被提交的并且与本说明书一起向公众开放的所有的论文和文献，并且所有的这类论文和文献的内容通过引用并入本文。

权利要求：1.一种用于传动系统中的齿轮，所述齿轮包括：外部环形元件，所述外部环形元件在其径向外表面上具有齿轮齿；内部支撑元件，所述内部支撑元件与所述外部环形元件同轴布置；相对的第一侧壁和第二侧壁，每个侧壁从所述外部环形元件延伸到所述内部支撑元件以形成环形空间，其中所述第一侧壁和所述第二侧壁中的至少一个相对于垂直于所述齿轮的旋转轴线的方向以大于0度的角度从所述外部环形元件延伸。2.根据权利要求1所述的齿轮，其中，所述第一侧壁和所述第二侧壁中的至少一个在所述外部环形元件和所述内部支撑元件之间恒定地倾斜。3.根据权利要求1或权利要求2所述的齿轮，其中，所述第一侧壁和所述第二侧壁两者相对于垂直于所述齿轮的所述旋转轴线的方向以大于0度的角度从所述外部环形元件延伸。4.根据前述任一项权利要求所述的齿轮，其中，所述第一侧壁和所述第二侧壁中的至少一个相对于垂直于所述齿轮的所述旋转轴线的方向以10度和50度之间的角度从所述外部环形元件延伸。5.根据前述任一项权利要求所述的齿轮，其中，所述第一侧壁和所述第二侧壁中的每一个的倾斜角沿着其在所述外部环形元件和所述内部支撑元件之间的各自的长度是恒定的。6.根据前述任一项权利要求所述的齿轮，其中，所述第一侧壁和所述第二侧壁具有相等且相反的倾斜角。7.根据前述任一项权利要求所述的齿轮，其中，所述第一侧壁和所述第二侧壁中的至少一个是截头圆锥形的形状。8.根据前述任一项权利要求所述的齿轮，其中，所述内部支撑元件的轴向长度大于所述外部环形元件的轴向长度。9.根据前述任一项权利要求所述的齿轮，其中，所述内部支撑元件是轴向延伸的轴。10.根据权利要求1至8中任一项所述的齿轮，其中，所述内部支撑元件包括差动齿轮组件。11.根据前述任一项权利要求所述的齿轮，其中，所述第一侧壁和所述第二侧壁刚性地连接到所述外部环形元件和所述内部支撑元件中的每一个，或者与所述外部环形元件和所述内部支撑元件中的每一个成为一体。12.根据前述任一项权利要求所述的齿轮，其中，所述第一侧壁和所述第二侧壁具有2mm和6mm之间的壁厚。13.根据前述任一项权利要求所述的齿轮，其中，所述齿轮齿螺旋地布置在所述外部环形元件的所述径向外表面上。14.一种传动系统，其包括根据权利要求1至13中的任一项所述的齿轮。

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