袁義剛

（廣東柳菱宏通實(shí)業(yè)有限公司，廣東梅州 514016）

角度變位直齒圓錐齒輪的計(jì)算公式

袁義剛

（廣東柳菱宏通實(shí)業(yè)有限公司，廣東梅州 514016）

為了滿(mǎn)足直齒圓錐齒輪實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的需要，根據(jù)角度變位直齒圓柱齒輪的計(jì)算公式和直齒圓錐齒輪當(dāng)量齒輪推導(dǎo)出角度變位的計(jì)算公式，再利用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言VB生成計(jì)算程序。實(shí)踐證明：運(yùn)用此方法推導(dǎo)出的計(jì)算公式是可靠的，且角度變位設(shè)計(jì)有利于提高齒輪傳動(dòng)質(zhì)量。

角度變位；直齒錐齒輪；計(jì)算公式；當(dāng)量齒輪

直齒圓錐齒輪副是用來(lái)傳遞兩相交軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，其有三種基本變位類(lèi)型：高度變位、切向變位和角度變位[1]。實(shí)際應(yīng)用最多的是高度變位和高-切（高度變位和切向變位的綜合）變位，角度變位則很少采用。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、齒輪手冊(cè)等相關(guān)資料時(shí)，幾乎都是高度變位直齒圓錐齒輪的計(jì)算公式，角度變位直齒圓錐齒輪的計(jì)算公式往往都用“角度變位計(jì)算比較復(fù)雜”一言帶過(guò)，甚至干脆根本就沒(méi)有提及。作者在工作中經(jīng)常要用到角度變位的計(jì)算公式，來(lái)計(jì)算汽車(chē)差速器中的角度變位直齒圓錐齒輪。

1 角度變位的方法

直齒圓錐齒輪的角度變位方法與高度變位相同，但齒輪副大、小輪的徑向變位量不相等，即變位系數(shù)的絕對(duì)值不相等（x∑=x1+x2≠0），如圖1所示。其主要特點(diǎn)是：

（1）當(dāng)量中心距發(fā)生變化，其值不等于當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)中心距；

（2）當(dāng)量齒輪的分度圓與節(jié)圓不重合，即圓錐齒輪的節(jié)圓錐與分度圓錐不重合；

（3）平面和球面漸開(kāi)線(xiàn)齒形都在嚙合節(jié)點(diǎn)處；

（4）變位后的節(jié)錐角與變位前的節(jié)錐角相等；

（5）變位后的外錐距與變位前的外錐距不相等；

（6）嚙合角與分度圓壓力角不相等。

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，常采用正傳動(dòng)角度變位（即x∑=x1+x2＞0），嚙合角α'＞壓力角α，在節(jié)點(diǎn)嚙合時(shí)的齒廓綜合曲率半徑ρ∑相應(yīng)增大，從而提高了齒面接觸強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)合理分配齒輪副兩輪的變位系數(shù)，且齒輪副大、小兩輪均采用正變位（即x1＞0，x2＞0），再輔以切向變位，就能使大小齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度都能得到相應(yīng)的提高。因此，這種齒輪傳動(dòng)類(lèi)型有利于提高齒面接觸強(qiáng)度，改善齒輪傳動(dòng)質(zhì)量，使齒輪副的承載能力有較大提高。

直齒圓錐齒輪采用角度變位可以實(shí)現(xiàn)高度變位所不能實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)效果，當(dāng)齒輪副齒數(shù)和較小，滿(mǎn)足不了z1/cosδ1+z2/cosδ2≥34時(shí)，可采用角度變位方法來(lái)設(shè)計(jì)直齒圓錐齒輪[1]。制造角度變位傳動(dòng)類(lèi)型的直齒圓錐齒輪，在加工設(shè)備和工藝上均無(wú)特殊要求，與目前普遍加工高度變位直齒圓錐齒輪的加工設(shè)備及加工條件完全一樣，無(wú)新增要求，也不增加制造上的難度。

圖1 直齒圓錐齒輪變位傳動(dòng)

2 角度變位的計(jì)算公式

直齒圓錐齒輪副正確嚙合的條件為圓錐齒輪副兩輪大端的模數(shù)和壓力角分別相等。直齒圓錐齒輪以大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，所以其計(jì)算也應(yīng)以大端為準(zhǔn)[2]。根據(jù)直齒圓錐齒輪當(dāng)量齒輪的概念，可以直接把直齒圓柱齒輪角度變位的計(jì)算方法應(yīng)用于直齒圓錐齒輪。再結(jié)合高度變位直齒圓錐齒輪的計(jì)算公式，綜合推導(dǎo)出角度變位直齒圓錐齒輪的計(jì)算公式，如圖2所示。

圖2 直齒圓錐齒輪傳動(dòng)嚙合圖示

2.1 確定基本參數(shù)

根據(jù)圓錐齒輪的設(shè)計(jì)原則和標(biāo)準(zhǔn)，先確定直齒圓錐齒輪副的齒數(shù)z（小輪齒數(shù)為z1，大輪齒數(shù)為z2）、大端模數(shù)m、壓力角α、軸交角∑（∑= 90°）、齒頂高系數(shù)ha*、頂隙系數(shù)c*、變位系數(shù)x（小輪為x1，大輪為x2）、切向變位系數(shù)xt（小輪為xt1，大輪為xt2=-xt1），如圖3所示。

2.2 計(jì)算嚙合角α'

根據(jù)齒輪傳動(dòng)的無(wú)側(cè)隙嚙合方程invα'= 2 tanα(x1+x2)/(z1+z2)+invα[1]，可知角度變位直齒圓錐齒輪的嚙合角為invα'=2tanα(x1+x2)/(zv1+zv2)+invα。此處要用到反漸開(kāi)線(xiàn)函數(shù)，由數(shù)學(xué)公式可得：invα'=tanα'-α'（α'為弧度）。

圖3 直齒圓錐齒輪傳動(dòng)

2.3 角度變位的計(jì)算公式

當(dāng)直齒圓錐齒輪副的齒數(shù)比確定時(shí)，相嚙合齒輪副的節(jié)錐就確定了。角度變位直齒圓錐齒輪的嚙合節(jié)錐母線(xiàn)與背錐母線(xiàn)相互垂直。

節(jié)錐角：δ1=arctan（z1/z2），δ2=arctan（z2/z1），且δ1+δ2=90°。

當(dāng)量齒輪齒數(shù)：zv1=z1/cosδ1，zv2=z2/cosδ2，當(dāng)量齒輪齒數(shù)比圓錐齒輪齒數(shù)至少增大1/cosδ倍，有利于消除根切現(xiàn)象。

由角度變位直齒圓柱齒輪的計(jì)算方法可得：中心距變動(dòng)系數(shù)：

y=(zv1+zv2)(cosα/cosα'-1)/2，

齒頂高降低系數(shù)：

Δy=x∑-y=(x1+x2)-y，

分度圓直徑：

d1=mz1，d2=mz2；

齒頂高：

ha1=m（ha*+x1-Δy），ha2=m（ha*+x2-Δy）；齒根高：

hf1=m（ha*+c*-x1)，hf2=m（ha*+c*-x2）；全齒高：

h=m(2ha*+c*-Δy)。

由高度變位直齒圓錐齒輪的計(jì)算方法可得：

當(dāng)量齒輪分度圓直徑：

dv1=mzv1，dv1=mzv1

當(dāng)量齒輪節(jié)圓直徑：

當(dāng)量齒輪齒頂圓直徑：

當(dāng)量齒輪齒根圓直徑：

dvf1=dv1-2hf1，dvf2=dv2-2hf2。

角度變位后的外錐距：

角度變位直齒圓錐齒輪的節(jié)圓錐與分度圓錐不重合，所以齒根角是相對(duì)嚙合節(jié)錐而言的。

角度變位后的齒根角：

直齒圓錐齒輪一般采用等頂隙收縮，以保證輪齒沿齒長(zhǎng)方向有相同的齒頂間隙。這種收縮齒制有利于提高圓錐齒輪的承載能力和刀具使用壽命，也有利于齒輪制造和儲(chǔ)油潤(rùn)滑[2]，所以這里只給出了等頂隙收縮面錐角的計(jì)算公式。

面錐角：δa1=δ1+θf(wàn)2，δa2=δ2+θf(wàn)1；

根錐角：δf1=δ1-θf(wàn)1，δf2=δ2-θf(wàn)2；

外端直徑：da1=dva1cosδ1，da2=dva2cosδ2；

節(jié)圓直徑：d1'=2La

'sinδ1，d2'=2La

'sinδ2。

直齒圓錐齒輪副兩輪的安裝距是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定的，冠頂距由嚙合齒輪副的幾何關(guān)系確定。

冠頂距：

由高度變位直齒圓錐齒輪的大端分度圓齒厚計(jì)算方法，可以求得角度變位直齒圓錐齒輪的齒厚計(jì)算公式。

大端分度圓弧齒厚：

s1=m(0.5π+2x1tanα+xt1)，

s2=m(0.5π+2x2tanα+xt2)。

大端分度圓弦齒厚：

大端分度圓弦齒高：

直齒圓錐齒輪在機(jī)床上實(shí)際加工時(shí)，是按照分度圓錐角計(jì)算滾比掛輪安裝和加工的，所以加工時(shí)必須計(jì)算出直齒圓錐齒輪的分度圓錐角。

分度圓錐角：

2.4 基于VB編程生成計(jì)算程序

從理論上講，為了提高齒面接觸強(qiáng)度，采用角度變位比高度交位效果要好。但在實(shí)際應(yīng)用中，角度變位在直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)中并沒(méi)有得到普遍的采用，其主要原因之一就是角度變位計(jì)算過(guò)于復(fù)雜和繁瑣，同時(shí)靠常規(guī)手工計(jì)算，也難保證必要的計(jì)算精度。應(yīng)用計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言VB，就能順利解決這一難題，為直齒圓錐齒輪設(shè)計(jì)中采用角度變位提供了可行的條件。把推導(dǎo)出直齒圓錐齒輪角度變位的計(jì)算公式利用計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言VB生成計(jì)算程序，如圖4所示。汽車(chē)差速器直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用，利用以上推導(dǎo)出的角度變位計(jì)算公式生成的計(jì)算程序滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。

圖4 直齒圓錐齒輪傳動(dòng)計(jì)算程序

3 結(jié)論

在直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)中，綜合采用角度變位和切向變位的設(shè)計(jì)方法，再結(jié)合其他齒輪參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣將提供更多更好的可行設(shè)計(jì)方案，從而大大提高直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)質(zhì)量。角度變位直齒圓錐齒輪可按設(shè)計(jì)者意圖改善傳動(dòng)質(zhì)量，大幅度提高齒輪的承載能力，工藝和加工設(shè)備又無(wú)特殊要求。因此，綜合采用角度變位和切向變位設(shè)計(jì)方法，可明顯提高直齒圓錐齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度，同時(shí)也保證了抗膠合耐磨損的性能，從而提高了直齒圓錐齒輪的使用壽命。

角度變位是直齒圓錐齒輪一種變位形式。直齒圓柱齒輪角度變位的計(jì)算方法完全適用于直齒圓錐齒輪當(dāng)量齒輪的計(jì)算，與高度變位相比較，角度變位直齒圓錐齒輪在特定的設(shè)計(jì)條件下，對(duì)小齒數(shù)和等速傳動(dòng)齒輪副具有明顯的優(yōu)越性，是應(yīng)當(dāng)?shù)靡詮V泛推廣和應(yīng)用的變位形式。本文推導(dǎo)出的角度變位直齒圓錐齒輪的計(jì)算公式，便于初學(xué)者和直齒圓錐齒輪設(shè)計(jì)者使用。

［1］齒輪手冊(cè)編委會(huì).齒輪手冊(cè)：上冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［2］孫桓，陳作模.機(jī)械原理：第六版［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］羅洪鈞，梁桂慶，李盛年.圓錐齒輪弦齒厚的計(jì)算方法［J］.山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，27（1）：91-93.

Angular Deflection Calculation Formula of the Straight Bevel Gear

YUAN Yi-gang
（Guangdong Liuling Hongtong Industrial Co.，Ltd.，Meizhou514016，China）

In order to meet the actual production of straight bevel gears and design needs,according to the angular displacement spur gear calculation formula and the equivalent of straight bevel gear derive formulas of the angular displacement gear,and then use computer programming languages VB generated calculation program.Practice has proved that the use of this method to derive the formula is reliable, and the angular displacement design is conducive to improving the quality of gear transmission.

angular deflection；straight bevel gear；calculation formula；equivalent gear

TH123

A

1009－9492(2014)01－0080－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.021

袁義剛，男，1985年生，四川綿陽(yáng)人，大學(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域：錐齒輪設(shè)計(jì)與制造。

(編輯：王智圣)

2013－07－24