摘 要 目的 为使准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮几何计算方法达到统一.方法 分析了这两种锥齿轮几何计算方法的特点，并定义两个偏置角系数.同时，进行了两种锥齿轮的算例分析.结果 给出了适合于这两种锥齿轮几何计算的统一基本公式和迭代方法.结论这种统一方法对锥齿轮的标准化、系列化和CAD技术的应用具有一定意义.
关键词 齿轮； 准双曲面齿轮； 螺旋锥齿轮； 齿轮设计
分类号 TH19
Unified Methods for the Design of Hypoid
Gears and Spiral Bevel Gears
Wan Xiaoli Wan Xiaofeng Jiang Xizhuo Liang Guiming
(School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)
Abstract Aim To unify the design methods of hypoid gears and spiral bevel gears. Methods The geometric calculation of these two kinds of bevel gears was analyzed and two coefficents of offset angle were defined. Many instances of these two bevel gears were checked. Results Some basic equations and the methods of evaluation were given, which can be used not only to hypoid gears but also to spiral bevel gears. Conclusion The unified method is helpful to the standardization and seriation of bevel gears and to CAD technique.
Key words gear; hypoid gear; spiral bevel gear; gear design
准双曲面齿轮传动是锥齿轮传动中的普遍形式，螺旋锥齿轮是它的一种特殊情况.当准双曲面齿轮的偏置距E12=0时，就成为螺旋锥齿轮传动.在外形和加工方法上，准双曲面齿轮与螺旋锥齿轮无本质区别，切齿计算方法差别也不大［1，2］.在实际设计中，它们的几何计算方法却不相同.当偏置距E12趋近于零时，现行的准双曲面齿轮的几何计算公式误差增大，甚至失效.因此螺旋锥齿轮设计的几何计算不能采用准双曲面齿轮几何计算公式和计算方法.在CAD软件开发中必须对这两种锥齿轮分别进行处理.
作者提出一种适合于准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮设计的统一几何计算方法，其特点是当偏置距E12较大时，它与准双曲面齿轮现行计算结果一致；当偏置距E12为零时，得到正确的螺旋锥齿轮几何参数；当E12较小时，计算误差很小.因此在锥齿轮CAD软件开发中，可将这两种锥齿轮甚至包括直齿锥齿轮统一处理.
1 分度锥参数基本公式
准双曲面齿轮与螺旋锥齿轮几何计算中最大的区别在于分度锥参数的确定方法.分析现行准双曲面齿轮几何计算公式可知，当偏置距E12趋近于零时，齿轮的偏置角η，ε，ε′也趋近于零，因而导致公式计算误差增大甚至失效.
作者在分析过程中发现，虽然E12趋近于零时，齿轮的偏置角η，ε，ε′也趋近于零，但它们属于同阶无穷小.即极限和存在.令
式中 e1和e2为偏置角系数.根据偏置角系数，可给出分度锥参数基本公式为
式中 k为放大系数；
上面这组基本公式不仅适合于准双曲面齿轮，也适合于螺旋锥齿轮，不会因E12=0而失效.
2 分度锥参数的求解
上面给出的基本公式是一组非线性方程组，其中有5个参数是在几何计算前确定的.根据传动和强度等要求先确定齿轮的偏置距E12，轴交角σ=90°-Σ，齿轮齿数z1和z2，大齿轮中点端面模数mt2，小齿轮中点螺旋角β1.则上面基本公式中 的已知参数为i12=z2/z1, r2=mt2z2/2,及E12，σ，β1.
由于基本公式是非线性方程组，在此采用迭代法求解.即初选k和e1值，按下面步骤进行迭代：
若｜k*-k｜≤ξ(由计算精度确定的某一小量)，则可进行下面的迭代；否则改变k初值重新迭代.
式中 rc为刀盘半径.
若｜k0-kc｜＞ξ，则改变e1初值重新迭代，直到｜k0-kc｜≤ξ为止.迭代完毕，便得到了所有的分度锥参数.然后根据齿宽、齿高系数、变位系数和齿根倾斜类型，按准双曲面齿轮的方法进行其它所有几何尺寸参数的计算.
3 算 例
作者采用上面的统一公式和算法分别对准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮两种情况进行了大量的计算分析.表1是偏置距E12=0的螺旋锥齿轮算例结果；表2是偏置距E12=30mm的准双曲面齿轮算例结果.大量的计算分析结果表明：当E12=0时，上面方法所确定的分度锥参数与现行螺旋锥齿轮几何计算结果一致；当E12≠0时，上面方法与现行准双曲面齿轮几何计算结果一致；特别是当E12非常小时，本方法所得结果比较精确.因此，可用上面方法将这两种锥齿轮的几何计算方法统一起来.这对CAD软件开发特别有利.
表1 螺旋锥齿轮参数
参数
表2 准双曲面齿轮参数
参数
4 统一设计中的问题
现行准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮的标准参数，如模数、齿高系数、变位系数等都定义在大端.这对准双曲面齿轮会导致理论啮合节点偏离齿宽中点而与螺旋锥齿轮不同.因此建议将标准参数定义在齿宽中点，这样也可以与强度计算方法一致［3］.此外，现行准双曲面齿轮标准参数中的螺旋角是小齿轮螺旋角，而标准参数中的模数是大齿轮端面模数.建议标准参数取大齿轮螺旋角和法向模数，这样更合理.
5 结 论
大量算例和实际应用表明，作者提出的几何计算方法是可行的.作者已经根据此原理开发了CAD应用软件，并用于实际设计中.这样就使准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮甚至直齿锥齿轮设计中的几何计算方法的统一有了依据.结果也在一定程度上揭示了准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮理论上的本质联系.对锥齿轮的标准化、系列化和CAD技术也有一定的意义.
