等顶隙弧齿锥齿轮的优化设计

曹俊

摘要：在机械传动行业中主要有带传动、链传动以及齿轮传动，在齿轮传动中主要有圆柱齿轮传动、行星齿轮传动、蜗轮蜗杆传动以及锥齿轮传动。由于锥齿轮能够实现输入轴和输出轴空间啮合传动且传递效率较高而得到广泛的应用。其中等顶隙弧齿锥齿轮可以进行磨削加工，在重载高速的工况中应用很普遍，但是其轴向力大，且随转向会发生变化。轴向力过大会降低轴承的寿命，如何优化设计去使锥齿轮产生的轴向力和圆柱斜齿轮产生的轴向力进行部分抵消是我们研究的方向。

关键词：齿轮传动;弧齿;锥齿轮;轴向力

0  引言

锥齿轮传动齿轮箱在各行业的应用非常普遍，主要以格里森锥齿轮和克林贝格制等高齿锥齿轮为主。由于格里森弧齿锥齿轮可以磨削齿面，加工效率较高，其具有承载能力高、运转平稳、噪声小、对安装误差和变形不敏感，常用于v>5m/s或转速n>1000rpm及重载传动。但是其轴向力大，且随转向发生变化，本文介绍一种设计方法使大锥齿轮的轴向力与其同轴的圆柱斜齿轮的轴向力方向相反，可以抵消一大部分，从而减小对轴承的寿命的影响。

1  弧齿锥齿轮受力分析

扭矩方向（旋转方向）为：从小端向大端方向看：顺时针为右旋，逆时针为左旋;旋向方向为：从小端向大端方向看;顺时针为右旋，逆时针为左旋;轴向力方向为：小端指向大端为正;大端指向小端为负;径向力方向为：指向轴心的方向为正。

1.1 主动齿轮受力分析（表1）

由于弧齿锥齿轮的β=35°，α=20°，可以得到表2。

其中：轴向力方向为：小端指向大端为正;大端指向小端为负;径向力方向为：指向轴心的方向为正。

1.2 从动齿轮受力分析（表3）

由于弧齿锥齿轮的β=35°，α=20°，可以得到表4。

其中：轴向力方向为：小端指向大端为正;大端指向小端为负;径向力方向为：指向轴心的方向为正。

2  B3SH12减速机锥齿轮轴向力分析

该减速机为矿山皮带机用减速机，其速比区间为25：1～40：1，根据模块化设计理念，我们将锥齿轮的轴向力进行计算分析。

2.1 减速机装配示意图（图1）

根据图1我们可以得出输入锥齿轮的轮齿旋向为右旋，大锥齿轮的轮齿旋向为左旋，二级轴齿轮的旋向为左旋，二级盘齿轮的旋向为右旋。

2.2 减速机锥齿轮轴向力分析

2.2.1 扭矩方向  从输入锥齿轮轴小端来看为顺时针旋转，来分别分析锥齿轮产生的轴向力方向：（表5）

2.2.2 扭矩方向  从输入锥齿轮轴小端来看为逆时针旋转，来分别分析锥齿轮产生的轴向力方向。（表6）

2.3 盘齿轮和二级轴齿轮的轴向力分析计算  按照减速机额定功率的0.5倍来选取工作机功率来分别计算不同速比区间的盘齿轮和二级轴齿轮的轴向力。

2.3.1 扭矩方向  从输入锥齿轮轴小端来看为顺时针旋转，来分别计算大锥齿轮产生的轴向力，二级轴齿轮产生的轴向力和合力大小及方向。（表7）

根据表7可以得出在速比为20：1～28：1的范围内大锥齿轮和二级轴齿轮的轴向力可以抵消一部分，但是在速比为31.5：1～40：1的范围内轴向力为两者叠加。具体如图2。

根据图2可以得出大锥齿轮的轴向力大小相对二级轴齿轮的轴向力大小要小，合成后的轴向力在速比为20：1～28：1的范围内部分抵消，在速比为31.5：1～40：1的范围内两者叠加。

2.3.2 扭矩方向  从输入锥齿轮轴小端来看为逆时针旋转，来分别计算大锥齿轮产生的轴向力，二级轴齿轮产生的轴向力和合力大小及方向。（表8）

根据表8可以得出在速比为20：1～40：1的范围内大锥齿轮和二级轴齿轮的轴向力大部分进行抵消，具体如图3。

根据图3可以得出大锥齿轮的轴向力大小相对二级軸齿轮的轴向力大小接近，方向相反，合成后的轴向力在全速比范围内进行大部分抵消，其合成后的轴向力大大减小，减低了对轴承寿命的影响。

3  结语

通过以上的分析可以得出我们可以根据工作机的运行特点来设计减速机的布置形式及齿轮的旋向，使大锥齿轮的轴向力和二级轴齿轮的轴向力进行大部分抵消，从而可以大大降低了轴承所受的轴向力，提高轴承的寿命。

参考文献：

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2016.

[2]朱孝录.齿轮传动设计手册[M].北京：化学工业出版社，2005.