簡要介紹了面齒輪傳動的傳動原理與特點。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用的可行性和優越性，最后提出了設計應用于閥門電動裝置行程控制機構上的面齒輪的適用方法。應用實例表明，采用面齒輪傳動副的行程傳動機構所采集的信號穩定連續。

一、前言

　　閥門電動裝置(亦稱電動執行機構)是電動閥門的驅動裝置，用以控制閥門的開啟和關閉，是對閥門實現遠控、集控和自動控制的必不可少的驅動設備，廣泛應用于電站、石化、冶金、礦山及公用事業等領域中。

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

　　鑒于上述原因，提出將面齒輪傳動應用于閥門電動裝置的行程傳動機構中，可大大減少上述故障的產生。同時由于面齒輪傳動中的小齒輪為圓柱直齒輪，安裝時軸向無需調整，簡化了裝配，同時軸向出現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、載荷低的傳動系統中，如無鏈式自行車、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用于新型直升機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中的廣泛使用，提升了人們對面齒輪的研究應用興趣。

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，主要用于實現傳遞兩軸間包含一個交角的運動。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(或多1～3個齒)的齒輪插刀經范成原理加工而成的的。面齒輪傳動可以應用于兩齒輪軸正交與非正交兩種場合。當兩輪軸正交，即軸夾角為90°時，錐齒輪的輪齒將分布在一個圓平面上，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.面齒輪傳動的優點

　　鑒于面齒輪傳動的獨特性，其具有如下的優點。

　　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，無需防位錯設計。

　　2)面齒輪傳動具有較大的重合度。據有關文獻介紹，其理論重合度可高達2.0以上，其在空載下的重合度一般可達到1.6～1.8，在受載時會更高。

　　3)小齒輪為直齒圓柱齒輪，傳動時小齒輪上無軸向力作用。

　　4)面齒輪傳動雖為點接觸，但仍然能保證定傳動比傳動。

　　3.在閥門電動裝置上應用的優越性

　　與傳統閥門電動裝置中行程傳動機構采用的錐齒輪傳動相比，面齒輪傳動有如下優越性。

　　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重的偏載現象。因此，必須專門進行防位錯設計(即防止錐頂分離或偏位)。面齒輪傳動不會產生偏載現象，無需防位錯設計。

　　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性。

　　3)小齒輪上無軸向力作用，行程軸軸向安裝無需調整，這樣可以簡化電動裝置行程傳動軸上的支承結構，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，結構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波動的。行程傳動機構采用定傳動比的面齒輪傳動后，其傳動平穩，振動小，噪聲低，因而采集的行程位置反饋信號就更加穩定，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形或平面產形法，平頂產形加工出來的齒形是近似漸開線，而平面產形的機床機構復雜，不同齒根角齒輪加工時刀具調整復雜，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際傳動，因而傳動更加平穩，強度更好，壽命更長。

三、設計方法

　　在閥門電動裝置的行程傳動部件上應用面齒輪傳動時，幾何參數的設計是相當重要的。通常，主要從以下幾個方面來進行設計。

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

　　2)依據電動裝置的輸出軸及行程軸的結構，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算主要應確定兩個參數：最小內半徑r2和最大外半徑D2。最小內半徑根據齒根不發生根切條件確定，最大外半徑根據齒頂不變尖條件確定。許多相關文獻都對其進行過描述，作者對其中一些文獻也進行過研究，并找到其中一種比較適用的方法，有助于設計應用于閥門電動裝置行程傳動機構上的面齒輪傳動。

　　首先，根據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、模數。

　　然后，由面齒輪齒數來確定面齒輪加工的刀具齒數(通常選取刀具齒數比圓柱齒輪多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半徑系數r*及最大外半徑系數R*，分別乘以初選的模數即得出面齒輪的最小內半徑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與模數。圖4、5適用傳動比為4～6、圓柱直齒輪齒數為17～50的面齒輪傳動，能滿足目前閥門電動裝置行程傳動機構設計要求。

　　4)最后根據上述確定的齒輪齒數、模數、面齒輪外徑和內徑，設計面齒輪、圓柱直齒輪的零件圖。

圖4 正交面齒輪的最小內半徑系數r*

圖5 正交面齒輪的最大外半徑系數R*

四、應用實例

　　在我廠DZW閥門電動裝置上進行試驗，設計的直齒圓柱齒輪及面齒輪參數見下表。

　　根據DZW閥門電動裝置的機構特點，設計面齒輪傳動部件在電動裝置中的安裝形式。在設計過程中，發現行程傳動部件及輸出軸部件的結構完全可以簡化或縮小安裝空間。為不影響原產品的功能及其批量生產，試驗樣機上所設計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速進行了測試，如圖7所示。理論行程軸輸出轉速為225.82r/min，測試出的轉速為224.4～226.8r/min之間。測試結果表明行程軸轉速波動很小，傳動平穩，完全滿足了提供準確穩定的行程位置反饋信號的要求。

五、結語

　　結合面齒輪傳動原理、特點及面齒輪的加工，介紹了設計面齒輪的適用方法，并通過面齒輪傳動在閥門電動裝置上的應用來分析了它的傳動優勢。實例表明，采用面齒輪傳動的行程傳動機構，結構簡單，安裝方便，行程傳動軸轉速波動小，所傳遞的行程位置信號穩定可靠，精度高;同時，行程傳動機構采用面齒輪傳動后，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用值得廣泛推廣。

圖7 LabVIEW測試面齒輪傳動的行程軸轉速

參考文獻

　　[1]朱如鵬，高德平.在面齒輪設計中避免根切和齒頂變尖的設計方法的研究[J].中國機械工程，1999，10(11)：1274-1277.

　　[2]王志，石照耀.面齒輪傳動的特點及研究進展[J].工具技術，2009，(10).

　　[3]方宣琳.正交面齒輪傳動彎曲應力分析研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

　　[4]LitvinFL，ZhangY，WangJC，etal.Designandgeometryofface-geardrives[J].JournalofMechanicalDesign，1992，114：642-647.