簡要介紹了面齒輪傳動的傳動原理與特點(diǎn)。通過與錐齒輪傳動對比，闡述了面齒輪傳動在閥門電動裝置上應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性，最后提出了設(shè)計(jì)應(yīng)用于閥門電動裝置行程控制機(jī)構(gòu)上的面齒輪的適用方法。應(yīng)用實(shí)例表明，采用面齒輪傳動副的行程傳動機(jī)構(gòu)所采集的信號穩(wěn)定連續(xù)。

一、前言

　　閥門電動裝置(亦稱電動執(zhí)行機(jī)構(gòu))是電動閥門的驅(qū)動裝置，用以控制閥門的開啟和關(guān)閉，是對閥門實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控、集控和自動控制的必不可少的驅(qū)動設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電站、石化、冶金、礦山及公用事業(yè)等領(lǐng)域中。

　　傳統(tǒng)閥門電動裝置上采集并傳遞位置反饋信號的行程傳動機(jī)構(gòu)，大都是采用錐齒輪傳動或者交錯(cuò)軸斜齒輪傳動副(如圖1所示)，其制造精度要求高，裝配、調(diào)整麻煩，增加電動裝置的整機(jī)成本。此外，安裝調(diào)整不可避免地會引起誤差，容易導(dǎo)致行程傳動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)齒面磨損，甚至卡死等故障。

　　鑒于上述原因，提出將面齒輪傳動應(yīng)用于閥門電動裝置的行程傳動機(jī)構(gòu)中，可大大減少上述故障的產(chǎn)生。同時(shí)由于面齒輪傳動中的小齒輪為圓柱直齒輪，安裝時(shí)軸向無需調(diào)整，簡化了裝配，同時(shí)軸向出現(xiàn)的安裝誤差對傳動沒有影響，大大提高了行程傳動的可靠性。

　　早期的面齒輪傳動用于傳遞精度低、載荷低的傳動系統(tǒng)中，如無鏈?zhǔn)阶孕熊�、釣魚卷線器等。隨著對面齒輪的研究逐漸深入，面齒輪已開始越來越多地應(yīng)用于需要高精度、高 速、高動力的航空器上。美國軍方將面齒輪傳動應(yīng)用于新型直升機(jī)主減速器傳動裝置中(如圖2所示)，比起原來采用錐齒輪傳動，傳動裝置的重量下降40%，承載能力提高35%，且分流效果好，振動小，噪聲低。由于面齒輪在國防工業(yè)中的廣泛使用，提升了人們對面齒輪的研究應(yīng)用興趣。

二、面齒輪傳動

　　1.面齒輪傳動原理

　　面齒輪傳動是一種圓柱直齒輪與錐齒輪相嚙合的傳動，主要用于實(shí)現(xiàn)傳遞兩軸間包含一個(gè)交角的運(yùn)動。為使面齒輪傳動能夠正常嚙合傳動，其中的錐齒輪并非一般的普通錐齒輪，而是用與其相配對的圓柱齒輪相同齒數(shù)(或多1～3個(gè)齒)的齒輪插刀經(jīng)范成原理加工而成的的。面齒輪傳動可以應(yīng)用于兩齒輪軸正交與非正交兩種場合。當(dāng)兩輪軸正交，即軸夾角為90°時(shí)，錐齒輪的輪齒將分布在一個(gè)圓平面上，即稱作為面齒輪，從而泛稱為面齒輪傳動，如圖3所示。

圖3 正交面齒輪傳動

　　2.面齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn)

　　鑒于面齒輪傳動的獨(dú)特性，其具有如下的優(yōu)點(diǎn)。

　　1)小齒輪為直齒圓柱齒輪，其軸向位置誤差對傳動性能幾乎沒有影響，無需防位錯(cuò)設(shè)計(jì)。

　　2)面齒輪傳動具有較大的重合度。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，其理論重合度可高達(dá)2.0以上，其在空載下的重合度一般可達(dá)到1.6～1.8，在受載時(shí)會更高。

　　3)小齒輪為直齒圓柱齒輪，傳動時(shí)小齒輪上無軸向力作用。

　　4)面齒輪傳動雖為點(diǎn)接觸，但仍然能保證定傳動比傳動。

　　3.在閥門電動裝置上應(yīng)用的優(yōu)越性

　　與傳統(tǒng)閥門電動裝置中行程傳動機(jī)構(gòu)采用的錐齒輪傳動相比，面齒輪傳動有如下優(yōu)越性。

　　1)普通錐齒輪傳動中，兩錐齒輪的錐頂必須重合，軸向誤差將會引起嚴(yán)重的偏載現(xiàn)象。因此，必須專門進(jìn)行防位錯(cuò)設(shè)計(jì)(即防止錐頂分離或偏位)。面齒輪傳動不會產(chǎn)生偏載現(xiàn)象，無需防位錯(cuò)設(shè)計(jì)。

　　2)錐齒輪傳動的重合度一般為1～1.6，低于面齒輪傳動。而較大的重合度，有利于提高承載能力和增加傳動的平穩(wěn)性。

　　3)小齒輪上無軸向力作用，行程軸軸向安裝無需調(diào)整，這樣可以簡化電動裝置行程傳動軸上的支承結(jié)構(gòu)，降低了電動裝置的總體高度，從而減輕了電動裝置的重量。同時(shí)，結(jié)構(gòu)的簡化使得行程傳動更加可靠。

　　4)錐齒輪傳動從原理上不能保證定傳動比傳動，其傳動比是在一定范圍內(nèi)波動的。行程傳動機(jī)構(gòu)采用定傳動比的面齒輪傳動后，其傳動平穩(wěn)，振動小，噪聲低，因而采集的行程位置反饋信號就更加穩(wěn)定，對電動裝置的控制更精確。

　　5)此外，從齒輪的加工工藝上看，錐齒輪的加工一般為銑齒或刨齒。銑齒一般都是采用“三刀法”來近似加工出齒形;刨齒一般采用平頂產(chǎn)形或平面產(chǎn)形法，平頂產(chǎn)形加工出來的齒形是近似漸開線，而平面產(chǎn)形的機(jī)床機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不同齒根角齒輪加工時(shí)刀具調(diào)整復(fù)雜，成本高;而面齒輪的加工是采用展成法，制作的齒輪齒形更接近于實(shí)際傳動，因而傳動更加平穩(wěn)，強(qiáng)度更好，壽命更長。

三、設(shè)計(jì)方法

　　在閥門電動裝置的行程傳動部件上應(yīng)用面齒輪傳動時(shí)，幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)是相當(dāng)重要的。通常，主要從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　1)根據(jù)電動裝置行程控制精度要求及行程控制機(jī)構(gòu)的總傳動比，初步確定面齒輪傳動的傳動比i。

　　2)依據(jù)電動裝置的輸出軸及行程軸的結(jié)構(gòu)，初步確面齒輪的外徑D2及直齒圓柱齒輪的齒頂圓直徑da1。

　　3)面齒輪的幾何尺寸的計(jì)算主要應(yīng)確定兩個(gè)參數(shù)：最小內(nèi)半徑r2和最大外半徑D2。最小內(nèi)半徑根據(jù)齒根不發(fā)生根切條件確定，最大外半徑根據(jù)齒頂不變尖條件確定。許多相關(guān)文獻(xiàn)都對其進(jìn)行過描述，作者對其中一些文獻(xiàn)也進(jìn)行過研究，并找到其中一種比較適用的方法，有助于設(shè)計(jì)應(yīng)用于閥門電動裝置行程傳動機(jī)構(gòu)上的面齒輪傳動。

　　首先，根據(jù)初選的面齒輪的外徑D2及直齒圓柱齒輪的齒頂圓直徑da1及傳動比i，初選面齒輪的齒數(shù)、模數(shù)。

　　然后，由面齒輪齒數(shù)來確定面齒輪加工的刀具齒數(shù)(通常選取刀具齒數(shù)比圓柱齒輪多1～3齒，這樣加工出來的面齒輪的齒廓曲率變大，有利于圓柱齒輪與面齒輪接觸的局部化)，查圖4、圖5得出面齒輪的最小內(nèi)半徑系數(shù)r*及最大外半徑系數(shù)R*，分別乘以初選的模數(shù)即得出面齒輪的最小內(nèi)半徑r和最大外半徑R。再與初選的面齒輪的外徑D2比較，找出最合適的面齒輪齒數(shù)與模數(shù)。圖4、5適用傳動比為4～6、圓柱直齒輪齒數(shù)為17～50的面齒輪傳動，能滿足目前閥門電動裝置行程傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

　　4)最后根據(jù)上述確定的齒輪齒數(shù)、模數(shù)、面齒輪外徑和內(nèi)徑，設(shè)計(jì)面齒輪、圓柱直齒輪的零件圖。

圖4 正交面齒輪的最小內(nèi)半徑系數(shù)r*

圖5 正交面齒輪的最大外半徑系數(shù)R*

四、應(yīng)用實(shí)例

　　在我廠DZW閥門電動裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的直齒圓柱齒輪及面齒輪參數(shù)見下表。

　　根據(jù)DZW閥門電動裝置的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)面齒輪傳動部件在電動裝置中的安裝形式。在設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)行程傳動部件及輸出軸部件的結(jié)構(gòu)完全可以簡化或縮小安裝空間。為不影響原產(chǎn)品的功能及其批量生產(chǎn)，試驗(yàn)樣機(jī)上所設(shè)計(jì)的面齒輪及圓柱齒輪的安裝接口分別與原大、小錐齒輪相同，如圖6所示。

　　通過LabVIEW測試軟件對行程軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了測試，如圖7所示。理論行程軸輸出轉(zhuǎn)速為225.82r/min，測試出的轉(zhuǎn)速為224.4～226.8r/min之間。測試結(jié)果表明行程軸轉(zhuǎn)速波動很小，傳動平穩(wěn)，完全滿足了提供準(zhǔn)確穩(wěn)定的行程位置反饋信號的要求。

五、結(jié)語

　　結(jié)合面齒輪傳動原理、特點(diǎn)及面齒輪的加工，介紹了設(shè)計(jì)面齒輪的適用方法，并通過面齒輪傳動在閥門電動裝置上的應(yīng)用來分析了它的傳動優(yōu)勢。實(shí)例表明，采用面齒輪傳動的行程傳動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，行程傳動軸轉(zhuǎn)速波動小，所傳遞的行程位置信號穩(wěn)定可靠，精度高;同時(shí)，行程傳動機(jī)構(gòu)采用面齒輪傳動后，降低了電動裝置的總體高度，從而減輕了電動裝置的重量，降低了電動裝置的成本，面齒輪傳動在閥門電動裝置上的應(yīng)用值得廣泛推廣。

圖7 LabVIEW測試面齒輪傳動的行程軸轉(zhuǎn)速

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