等頂隙弧齒錐齒輪的優化設計

曹俊

摘要：在機械傳動行業中主要有帶傳動、鏈傳動以及齒輪傳動，在齒輪傳動中主要有圓柱齒輪傳動、行星齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動以及錐齒輪傳動。由于錐齒輪能夠實現輸入軸和輸出軸空間嚙合傳動且傳遞效率較高而得到廣泛的應用。其中等頂隙弧齒錐齒輪可以進行磨削加工，在重載高速的工況中應用很普遍，但是其軸向力大，且隨轉向會發生變化。軸向力過大會降低軸承的壽命，如何優化設計去使錐齒輪產生的軸向力和圓柱斜齒輪產生的軸向力進行部分抵消是我們研究的方向。

關鍵詞：齒輪傳動;弧齒;錐齒輪;軸向力

0? 引言

錐齒輪傳動齒輪箱在各行業的應用非常普遍，主要以格里森錐齒輪和克林貝格制等高齒錐齒輪為主。由于格里森弧齒錐齒輪可以磨削齒面，加工效率較高，其具有承載能力高、運轉平穩、噪聲小、對安裝誤差和變形不敏感，常用于v>5m/s或轉速n>1000rpm及重載傳動。但是其軸向力大，且隨轉向發生變化，本文介紹一種設計方法使大錐齒輪的軸向力與其同軸的圓柱斜齒輪的軸向力方向相反，可以抵消一大部分，從而減小對軸承的壽命的影響。

1? 弧齒錐齒輪受力分析

扭矩方向（旋轉方向）為：從小端向大端方向看：順時針為右旋，逆時針為左旋;旋向方向為：從小端向大端方向看;順時針為右旋，逆時針為左旋;軸向力方向為：小端指向大端為正;大端指向小端為負;徑向力方向為：指向軸心的方向為正。

1.1 主動齒輪受力分析（表1）

由于弧齒錐齒輪的β=35°，α=20°，可以得到表2。

其中：軸向力方向為：小端指向大端為正;大端指向小端為負;徑向力方向為：指向軸心的方向為正。

1.2 從動齒輪受力分析（表3）

由于弧齒錐齒輪的β=35°，α=20°，可以得到表4。

其中：軸向力方向為：小端指向大端為正;大端指向小端為負;徑向力方向為：指向軸心的方向為正。

2? B3SH12減速機錐齒輪軸向力分析

該減速機為礦山皮帶機用減速機，其速比區間為25：1～40：1，根據模塊化設計理念，我們將錐齒輪的軸向力進行計算分析。

2.1 減速機裝配示意圖（圖1）

根據圖1我們可以得出輸入錐齒輪的輪齒旋向為右旋，大錐齒輪的輪齒旋向為左旋，二級軸齒輪的旋向為左旋，二級盤齒輪的旋向為右旋。

2.2 減速機錐齒輪軸向力分析

2.2.1 扭矩方向? 從輸入錐齒輪軸小端來看為順時針旋轉，來分別分析錐齒輪產生的軸向力方向：（表5）

2.2.2 扭矩方向? 從輸入錐齒輪軸小端來看為逆時針旋轉，來分別分析錐齒輪產生的軸向力方向。（表6）

2.3 盤齒輪和二級軸齒輪的軸向力分析計算? 按照減速機額定功率的0.5倍來選取工作機功率來分別計算不同速比區間的盤齒輪和二級軸齒輪的軸向力。

2.3.1 扭矩方向? 從輸入錐齒輪軸小端來看為順時針旋轉，來分別計算大錐齒輪產生的軸向力，二級軸齒輪產生的軸向力和合力大小及方向。（表7）

根據表7可以得出在速比為20：1～28：1的范圍內大錐齒輪和二級軸齒輪的軸向力可以抵消一部分，但是在速比為31.5：1～40：1的范圍內軸向力為兩者疊加。具體如圖2。

根據圖2可以得出大錐齒輪的軸向力大小相對二級軸齒輪的軸向力大小要小，合成后的軸向力在速比為20：1～28：1的范圍內部分抵消，在速比為31.5：1～40：1的范圍內兩者疊加。

2.3.2 扭矩方向? 從輸入錐齒輪軸小端來看為逆時針旋轉，來分別計算大錐齒輪產生的軸向力，二級軸齒輪產生的軸向力和合力大小及方向。（表8）

根據表8可以得出在速比為20：1～40：1的范圍內大錐齒輪和二級軸齒輪的軸向力大部分進行抵消，具體如圖3。

根據圖3可以得出大錐齒輪的軸向力大小相對二級軸齒輪的軸向力大小接近，方向相反，合成后的軸向力在全速比范圍內進行大部分抵消，其合成后的軸向力大大減小，減低了對軸承壽命的影響。

3? 結語

通過以上的分析可以得出我們可以根據工作機的運行特點來設計減速機的布置形式及齒輪的旋向，使大錐齒輪的軸向力和二級軸齒輪的軸向力進行大部分抵消，從而可以大大降低了軸承所受的軸向力，提高軸承的壽命。

參考文獻：

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2016.

[2]朱孝錄.齒輪傳動設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2005.