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面齿轮传动篇(1):齿轮传动
10.11 斜齿圆柱齿轮传动
10.11.1 斜齿圆柱齿轮齿面的形成及啮合特点
由于圆柱齿轮是有一定宽度的，因此轮齿的齿廓沿轴线方向形成一曲面。直齿轮轮齿渐开线曲面的形成如图所示。平面与基圆柱相切于母线，当平面沿基圆柱作纯滚动时，其上与母线平行的直线KK在空间所走过的轨迹即为渐开线曲面，平面称为发生面，形成的曲面即为直齿轮的齿廓曲面。
斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成如图所示，当平面沿基圆柱作纯滚动时，其上与母线成一倾斜角βb的斜直线KK在空间所走过的轨迹为渐开线螺旋面，该螺旋面即为斜齿圆柱齿轮齿廓曲面，βb称为基圆柱上的螺旋角。
直齿圆柱齿轮啮合时，齿面的接触线均平行于齿轮轴线。因此轮齿是沿整个齿宽同时进入啮合、同时脱离啮合的，载荷沿齿宽突然加上及卸下。因此直齿轮传动的平稳性较差，容易产生冲击和噪声，不适合用于高速和重载的传动中。 一对平行轴斜齿圆柱齿轮啮合时，斜齿轮的齿廓是逐渐进入啮合、逐渐脱离啮合的。如图所示，斜齿轮齿廓接触线的长度由零逐渐增加，又逐渐缩短，直至脱离接触，载荷也不是突然加上或卸下的，因此斜齿轮传动工作较平稳。
10.11.2 斜齿圆柱齿轮的主要参数和几何尺寸计算
斜齿轮的轮齿为螺旋形，在垂直于齿轮轴线的端面（下标以t表示）和垂直于齿廓螺旋面的法面（下标以n表示）上有不同的参数。斜齿轮的端面是标准的渐开线，但从斜齿轮的加工和受力角度看，斜齿轮的法面参数为标准值。
1. 螺旋角
2. 模数
3. 压力角
4. 齿顶高系数与顶隙系数
斜齿轮的齿顶高和齿根高不论从端面还是从法面来看都是相等的，即
han*mn=hat*mt 及 cn*mn=ct*mt han*=1, cn*=0.25
5. 斜齿轮的几何尺寸计算
10.11.3 斜齿轮正确啮合的条件和重合度
1. 正确啮合的条件
一对外啮合斜齿轮传动的正确啮合条件为：1）两斜齿轮的法面模数相等；2）两斜齿轮的法面压力角相等；3）两斜齿轮的螺旋角大小相等，方向相反。若不满足条件3），就成为交错轴斜齿轮传动。
2. 斜齿轮传动的重合度
斜齿轮传动的重合度要比直齿轮大。
10.11.4 斜齿圆柱齿轮的当量齿轮
10.11.5 斜齿圆柱齿轮的强度计算
1.受力分析
图示为斜齿圆柱齿轮传动中主动轮上的受力分析图。Fn1作用在齿面的法面内，忽略摩擦力的影响，Fn1可分解成3个互相垂直的分力，即圆周力Ft1、径向力Fr1和轴向力Fa1，其值分别为
圆周力 Ft1=2T1/d1
径向力 Fr1=Ft1 tgαn/cosβ
轴向力 Fa1=Ft1 tgβ
式中T1为主动轮传递的转距，单位为N mm；d1为主动轮分度圆直径，单位为 mm；β为分度圆上的螺旋角；αn为法面压力角。 圆周力Ft和径向力Fr的方向判断与直齿轮传动相同，轴向力Fa沿齿轮轴线方向，具体指向是根据主动轮的螺旋线旋向和转动方向采用“主动轮左右手法则”来确定：如主动轮是左旋斜齿轮，则用左手，方法是四指弯曲表示主动轮转向，拇指顺着轴线的指向就表示主动轮上的轴向力方向；主动轮是右旋斜齿轮，则用右手。从动轮轴向力方向与主动轮相反。
Ft1=-Ft2；Fr1=-Fr2；Fa1=-Fa2
2. 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算
按当量直齿圆柱齿轮来进行的。
(1) 齿面接触疲劳强度计算
(2) 齿根弯曲疲劳强度计算
面齿轮传动篇(2):【学堂】面齿轮传动在阀门电动装置上的应用
摘要：
阀门电动装置( 以下均称“电动装置”) 的基本功能是完成截断类阀门的驱动与控制，如：闸阀、截止阀、球阀、蝶阀等阀门的启闭。阀门与电动装置通过选配组合成为电动阀门，广泛地应用于各工业领域的管道系统。作为管道系统控制单元，电动装置与阀门的正确匹配及其合理使用是电动阀门产品设计性能的保证。基于此，本文将着重分析探讨面齿轮传动在阀门电动装置上的应用，以期能为以后的实际工作起到一定的借鉴作用。
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面齿轮传动及特点
面齿轮传动(Face Gear Drive) 是一种圆柱齿轮与面齿轮相啮合的传动，主要用于实现传递轴与被传递轴包含一交角的运动。
面齿轮传动主要特点表现1面齿轮传动是通过面齿轮与圆柱齿轮的相互啮合来实现传动。由于小齿轮为圆柱齿轮，其轴向移动产生的误差对传动性能几乎没有影响。而在锥齿轮传动过程中，两锥齿轮的锥顶要重合。如果产生轴向误差，将会引起严重的偏载现象。因此，在一些重要的锥齿轮传动中，要专门进行防位错( 防止锥顶分离) 设计。同时，由于面齿轮传动的小齿轮是直齿圆柱齿轮，无轴向作用力，可以简化支撑，减轻系统的结构重量，这对于航空工业中空间受限和要求轻量化的场合非常有利。
2虽然面齿轮传动仍然属于点接触传动，但在理论上仍然能够保证定传动比传动，因此面齿轮传动的振动和噪声较低。而点接触锥齿轮传动从原理上已不能保证定传动比传动，其传动比会在一定范围内波动。3由于锥齿轮在制作过程中很多都是采用配对制造，即在制造过程中，首先加工出小齿轮，然后根据小齿轮的齿面加工出与之配套使用的大齿轮。因此，一对锥齿轮在使用过程中不能像圆柱齿轮那样具有互换性。由于小齿轮更容易磨损，失效更快，因此在更换时只能同时更换一对锥齿轮。而面齿轮传动的小齿轮是直齿圆柱齿轮，因此具有较高的互换性。
4由于锥齿轮( 特别是弧齿锥齿轮）的齿面形状比较复杂，在制造过程中，齿面的形状也不统一，因此由不同厂家生产的锥齿轮通常齿面形状不一样，参数也不同( 如格里森制、奥利康制锥齿轮），这对于锥齿轮的加工制造、检测及维修造成了很大麻烦。而面齿轮则具有统一的理论齿面。
5与锥齿轮传动相比，面齿轮传动具有较大的重合度。面齿轮的重合度可以达到2.0 以上，而重合度大对于提高承载能力和增加传动的平稳性很重要。
6与锥齿轮传动相比，面齿轮传动可以减轻重量，结构也更紧凑。这一特点对于重量限制要求较高的航空工业特别重要。
阀门电动装置功能机选型
“传统控制”型式是指完全依据JB/T8528-1997 标准，电动装置内置的行程与转矩机构为电触点控制，位置指示用可变电阻实现连续电流信号输出，驱动电动机为单一转速。
以下为“传统控制”型电动装置控制功能选型应注意的问题：
1⃣ 除阀门终端位置行程控制触点外( 标准配置一般为开关方向各一个常开、一个常闭触点) 是否还需要终端行程无源触点。如果需要应提出触点数和状态。
2⃣是否需要阀门在行程中某一位置的无源触点，如果需要应提出触点数和状态。
3⃣ 除转矩开关控制触点外( 标准配置一般为开关方向各一个常开、一个常闭触点) 是否需要无源触点，需要应提出触点数。
4⃣ 应提供被控阀门全行程转圈数，以便配置电动装置位置指示机构速比，同时说明是否需要阀门位置电流变送器(VOT)以提供标准的阀位反馈信号( 常用4mA-20mA)。
5⃣ 是否需要整体型控制，即控制组件与主机一体( 有时也称一体化控制)。
6⃣ 当电动装置为整体型时，还应说明是否需要鉴相、断相、自动换相等功能，因为这些功能通常不是标配。
7⃣ 当电动装置需要调节功能时，应注意被控阀门的调节频率，以确定电动机的制式或判断阀门专用电动机能否适用。
8⃣ 是否需要加装数字通讯接口，如现场总线等功能。
面齿轮传动在阀门
电动装置上的应用
在阀门电动装置的行程传动部件上应用面齿轮传动时，几何参数的设计是相当重要的。通常，主要从以下几个方面来进行设计。
1⃣ 根据电动装置行程控制精度要求及行程控制机构的总传动比，初步确定面齿轮传动的传动比i。
2⃣依据电动装置的输出轴及行程轴的结构，初步确面齿轮的外径D2 及直齿圆柱齿轮的齿顶圆直径d a1。
3⃣ 面齿轮的几何尺寸的计算主要应确定两个参数：最小内半径r2 和最大外半径D2。最小内半径根据齿根不发生根切条件确定，最大外半径根据齿顶不变尖条件确定。许多相关文献都对其进行过描述，作者对其中一些文献也进行过研究，并找到其中一种比较适用的方法，有助于设计应用于阀门电动装置行程传动机构上的面齿轮传动。
首先，根据初选的面齿轮的外径D2 及直齿圆柱齿轮的齿顶圆直径da1 及传动比i，初选面齿轮的齿数、模数。然后，由面齿轮齿数来确定面齿轮加工的刀具齿数( 通常选取刀具齿数比圆柱齿轮多1~3齿，这样加工出来的面齿轮的齿廓曲率变大，有利于圆柱齿轮与面齿轮接触的局部化)，面齿轮的最小内半径系数r* 及最大外半径系数R*，分别乘以初选的模数即得出面齿轮的最小内半径r 和最大外半径R。再与初选的面齿轮的外径D2 比较，找出最合适的面齿轮齿数与模数。
4⃣ 最后根据上述确定的齿轮齿数、模数、面齿轮外径和内径，设计面齿轮、圆柱直齿轮的零件图。
原文作者：
面齿轮传动篇(3):齿轮传动的设计原理
分析齿轮传动失效形式的目的在于找出失效原因，以便确定设计准则，使所设计的齿轮传动在预定的使用期限内能正常工作。 齿轮传动的失效主要在轮齿部分，齿轮的其它部分如轮缘、轮幅和轮毂，只要采取合理的结构尺寸，一般很少破坏。 轮齿的失效形式可分为轮齿的折断、齿面点蚀、磨损、胶合和塑性变形等。1、轮齿折断
轮齿折断a过载折断：短期过载、过大冲击 b疲劳折断：弯曲变应力的作用 轮齿折断a全局折断：直齿轮轮齿折断 b局部折断：斜齿轮接触线倾斜、齿宽方向接触不良 通常发生在轮齿的根部。因轮齿受力似悬臂梁受力情况，齿的根部应力最大且有应力集中。轮齿折断是一种最危险的失效形式，应避免其发生。
设计保证σF≤[σF] 增大齿根圆角半径 适当降低齿根圆角表面粗糙度 齿根处采用强化措施(如喷丸处理) 避免出现热处理裂纹 减轻加工损伤，如磨削烧伤、滚切拉伤2、齿面疲劳点蚀 齿轮工作时，齿面受脉动循环变应力的作用。在这种变应力的作用之下，齿面首先产生疲劳裂纹，然后齿面金属小块剥落，形成小凹坑。这种小凹坑不断增多或扩展成大凹坑，这种现象称为齿面点蚀。
实践表明齿面点蚀首先出现在节线附近的齿根表面处。因节线附近相对滑动速度低，不易形成油膜，齿啮合对数少。
润滑油的品质对齿面点蚀有重要影响。粘度低的润滑油加快裂纹的扩展。 收敛性点蚀 点蚀 扩展性点蚀 闭式软齿面齿轮出现的是收敛性点蚀 闭式硬齿面齿轮不太容易出现疲劳点蚀，但一经发生就将形成扩展性点蚀 开式齿轮传动一般看不到点蚀现象 设计保证σH≤[σH]提高齿面硬度降低齿面粗糙度采用合理的变位，大的变位系数和xΣ=x1+x2可以增大综合曲率半径增大润滑油粘度 减小动载荷3、齿面磨损 磨粒磨损：硬颗粒进入啮合面 齿面磨损 研磨磨损：齿面相互摩擦 齿面磨损产生的后果是严重的：齿廓失去正确形状，侧隙增大，冲击与噪声变得更为明显，甚至折断轮齿。 磨损是开式齿轮传动的主要损伤形式。 跑合： 闭式齿轮传动在开始运转期间，由于齿面粗糙而压强很大，因此也发生齿面研磨磨损；运转一段时间之后，齿面粗糙度降低，压强减小，加上润滑条件的改善，磨损现象逐渐减少，这一过程称为磨合（跑合）跑合无害有益，但应及时更换箱体内的润滑油，以免出现磨粒磨损。 防止或减轻的途径采用硬齿面或采用闭式齿轮传动降低表面粗糙度值减低滑动系数注意润滑油的清洁加防护装置4、齿面胶合 在高速重载的齿轮传动中，由于齿面间压力大，相对滑动速度高，因而发热量大，使啮合区温度增高而引起润滑失效，相啮合两齿面金属直接接触并在瞬间相互粘连，齿轮继续转动时，较弱齿面上的金属沿滑动方向被撕出沟纹这种现象称为齿面胶合。 在低速重载传动中，也可能出现胶合。 在齿顶及齿根处，相对滑动速度较大，因此胶合沟纹首先出现在齿顶面及齿根面啮合处。
防止或减轻的途径采用角度变位齿轮传动以降低滑动系数采用较小模数，降低相对滑动速度选用抗胶合能力强的润滑剂（极压润滑剂）选用粘度较大的润滑油选择抗胶合好的齿轮副材料材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差提高齿面硬度和降低表面粗糙度值使用前进行跑合5、轮齿塑性变形 齿面较软的齿轮在载荷及摩擦力较大时，轮齿表面金属可能产生塑性流动，从而失去原来的正确齿形，这种现象称为轮齿的塑性变形。 产生的场合：低速重载和起动、过载频繁的齿轮传动。
变形与速度方向的关系
防止或减轻的途径 适当提高润滑油的粘度 适当提高齿面硬度
计算准则 针对上述各种失效形式，应分别建立相应的计算方法，但对于齿面磨损和塑性变形，目前尚未建立起行之有效的计算方法和设计资料，只能作相应的条件性计算，或采取防止措施而不计算。设计时，齿轮承载能力计算所应依据的设计准则，取决于齿轮可能出现的失效形式： 在闭式传动中，对软齿面齿轮，轮齿的主要失效形式是齿面疲劳点蚀，也可能发生轮齿折断。设计时常是按齿面接触疲劳强度确定轮齿参数，再校核齿根弯曲疲劳强度。对于硬质齿面齿轮，视材料和参数不同，点蚀和折断都可能发生，高速重载时还可能出现胶合，设计时应按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度设计传动参数，当速度很高时，校核齿面胶合强度。 对于开式齿轮传动，其主要失效形式是齿面磨损，但往往是在轮齿磨薄以后发生折断。因此，目前多是按齿根弯曲疲劳强度设计，并考虑磨损而将模数适当加大。 齿轮传动是重要的机械传动，强度计算已标准化 GB3480—83：渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法，适用一般机械传动 GB6313—86：渐开线圆柱齿轮胶合承载能力计算方法，适用高速、重载齿轮传动 GB10063—88：通用机械渐开线圆柱齿轮承载能力简化计算方法，适用通用机械齿轮传动
