面齿轮传动的特点及其啮合原理

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1、讳’善CS,'LA98．PG-012面齿轮传动的特点及其啮合原理南京航空航天大学朱如鹏潘升材高德平【摘要1本文论述了面齿轮传动的基本特点．对面齿轮传动的应用中受到刀具数量多和齿宽窄的限制提出了新认识。同时给出了正交面齿轮传动中面齿轮齿面的形成和啮合传动的原理与公式。关键词机械传动啮合传动面齿轮齿轮1引言面齿轮传动(FaceGearDrive)是一种圆柱齿轮与圆锥齿轮相啮合的齿轮传动，它有许多独特的优点11112】。但是，由于一些传统的片面认识，使得面齿轮传动缺乏研究，主要用f低速轻载的传动中。而近几年来面齿轮传动技术在直升机这样的重要传动装置的研究中

2、得到麻用，其研究有了进一步的发展f1卜f”。但国内对面齿轮传动的研究则很少。本文论述了面齿轮传动的基本特点，并对芷交面齿轮传动中的齿面形成和啮合原理及公式作了介绍。2面齿轮传动的特点面齿轮传动的原理如图1所示，其中齿轮I为渐开线直齿圆柱齿轮，齿轮2为圆锥齿轮，两轮轴线相交，其夹角为y。因此，面齿轮传动实际上是圆柱齿轮与鼬锥齿轮的啮合传动。当T=90。时，圆锥齿轮的轮齿将分布在一个圊平面上，锥齿轮即为面齿轮；从而泛称为面齿轮传动。圜l砬齿轮传动简图'12线很明显，为了使面齿轮传动能够正常啮合传动，其中的锥齿轮并非为一般的普通圆锥齿轮，而是用与其相配对的

3、圆柱齿轮相同尺寸的齿轮插刀经范成原理加]：出来的。由于这种齿轮机构实现了相交轴问的传动，因此与酱通的锥齿轮传动类似，其节面为锥面。啮合角隧齿宽上的位置不同而变化，对于某个特定的位置来说它是常数。肖位置向丽齿轮的轴线变化时，啮合角逐渐变小，盎小雨轮的节锥半径等于圆柱齿轮的基圆_、#径的位置时，啮合角变为0。。面齿轮的齿宽是不能到达啮合角等于O。的位置。事实上，在这点之前，切削加工过程中刀具的刀顶过渡部分会切掉面齿轮的共轭齿廓，郎产生根切现象。在小齿轮的节锥半径等于圆柱齿轮的分度圃半径处，其啮合角即为分度圆的压力角。在离开面齿轮轴线愈远的位置，其啮合角愈

4、大，齿顶厚愈小n到达一定位置处，面齿轮的齿顶厚为O，产生尖项现象。从上述可知，由于面齿轮的轮齿一端易根切，另一端齿顶会变尖，因此面齿轮的齿宽受到一定的限制，影响承载能力。通常情况下，面齿轮传动具有如下儿方面的优点：1．小齿轮为渐开线圆柱齿轮，其轴向移动产生的误差对传动性能几乎没有影响。在普通圆锥齿轮传动中，两锥齿轮的锥顶要重合，轴向误差将会引起严重的偏载现象。在一些重要的锥齿轮传动中(如航空螺旋锥齿轮传动)还要专门进行防位错(即防止锥项分离)设计16J。2．面齿轮传动比普通的锥齿轮传动具有较大的重台度。据有关文献中介绍Il】，理论上面齿轮的重合度可达

5、2以上。重台度大对提高承载能力和增加传动的平稳性是相当重要的。3，小齿轮为童齿圆柱齿轮时小齿轮上无轴向力作用。这可以简化支承，并相应地会减小系统的结构重量。这对于空闻受到限制和要求重量轻的场合是极为有用的。4．小齿轮为渐开线齿轮，根据渐开线的性质可知，同时啮合齿对的公法线相同，且在不同的瞬时也不改变。这对于动力传动极为有利。s．对于点接触砸齿轮传动，在理论上仍然能保证定传动比传动。而常用的点接触锥齿轮传动从原理上已不能保证定传动比传动，其传动比是在一定范围内波动的。因此，相对来说面齿轮传动的振动小和噪音低。根据传统的观点，面齿轮传动的主要缺点有两方面

6、：1．由于加工面齿轮的刀具的尺寸与实际啮合中的圆柱齿轮相同，因此，从理论上讲加工面齿轮的刀具将是无穷多。2．由于受根切和齿顶变尖的限制，面齿轮的齿宽不能设计得太长，从而使面齿轮的承载能力受到了影响。本文作者认为以上两方面的缺点，要根据具体的使用场合作具体的分析。首先，对于具体的产品(如航空产品、汽车产品等)其型号是一定的或有限的，从面齿轮的参数也是一定的或有限的几组，并不是要求很多。其次，对于要求尺寸小、重量轻的产品(如航空产品)面齿轮的尺寸受到限制与其正好相对应同时现代材料的优良性能也可以弥补尺寸受到限制这一缺点。第三，采用现代设计方法f如有限元、

7、优化’漫计等)可以使齿轮的几何设计得十分精确，从而使有效的齿宽得到充分的利用。3面齿轮齿面的形成如图2所示，面齿轮2是用直齿渐开线齿轮刀具经范成加工而成，现采用4个坐标系：、4’，蔫●．70，n，q，IJ—。__．‘一，一；，Ir曩．曩．—■-呻，，’}h与刀其1和齿轮2⋯同转动的两个动坐标系墨(o。嘣∥玉)和是(02-xzv222)；7j具1和齿轮2初始位置的两个固定坐标系‰(o。吨溉)和S；o(Oz-xz妒2：z,,)。其中，坐栝原点os和Q部在。点；‰和岛同轴，为刀具的转动轴线；Z20和句同轴，为被加j￡面齿轮的转动轴线。用体和仇分别表示刀。具

8、的转角和齿轮2的转角，在以下的讨论中设磊和勿轴问夹角为90。。如图3所示，刀具渐开线齿西方程为‘(蚝，晓)=