几种正交锥齿轮的静态强度比较

常用的正交锥齿轮的类型，在格里森?中有直齿锥齿轮，弧齿锥齿轮和零度螺旋角锥齿轮，本试验是用几乎相当的基本参数完成的三种模型，体积都差不多大小，导入ANSYS后，设置几乎一样，在承载时，用完全一样的扭矩进行静态分析得到的三种结果，得出一个初步的结论。

一，直齿锥齿轮的设计参数和模型
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2023-11-30 09:55 上传

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模型图


二，弧齿锥齿轮参数设计数据： 1圆弧齿螺旋伞计算结果.zip (1.38 KB, 下载次数: 2)

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模型图


三，零度螺旋角锥齿轮设计计算数据： 2圆弧齿螺旋伞计算结果5度.zip (1.39 KB, 下载次数: 2)

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模型图



导入ANSYS软件后，材料取用普通结构钢，因为这种材料具有S_N曲线，可以计算出零件的循环次数

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1弧齿锥齿轮静力分析报告.zip (345.45 KB, 下载次数: 2)

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2零度螺旋角锥齿轮静力分析报告.zip (295.89 KB, 下载次数: 2)

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希望朋友们根据参数值，给出合理的评论，谢谢。

hyfjy 发表于 2023-11-30 10:12

结论是在相同的大端模数条件下，如果齿数，齿宽相等，直齿锥齿轮与零度螺旋角的锥齿轮强度差不多，而弧齿锥齿轮小轮的应力会比较大，也就是循环次会较小。本例均设置扭矩为1000Nm，小轮固定，大轮施加扭矩。

齿面破坏是齿轮失效的最主要因素，弧齿的接触面积大了很多，抗疲劳上有绝对优势

分成2个问题，强度，和面破坏。

齿根的强度，从直角，变成带角度，一定降低了，这没问题，没错误。但只要模数足够大，我一定能保证强度足够用。

谈到面破坏，首先是强度够了，然后才谈面破坏。

我这只是说，咱先跳过强度的问题（先承认强度降低了），然后再说面破坏

在强度足够的前提下，
你图1和图2，仅仅是目测，弧齿的面积也大于直齿，转100年，弧齿应该比直齿寿命长，你看这么说，合理吧？


强度和面疲劳，这是2个事

halfsmoke 发表于 2023-12-2 06:33
分成2个问题，强度，和面破坏。

齿根的强度，从直角，变成带角度，一定降低了，这没问题，没错误。但只要 ...

前提是当体积取成相同大小（近似）时，根据有限元学说中对应力与循环次数的关系，在相同扭矩下，零件产生应力大的总循环次数会明显减少。反之，应力较小的零件允许的总循环次数会增加，也就是在条件相同的情况下，寿命会增加。这一结论的前提是体积相等，承受的条件也相同，这个前提离开了，什么都不可以比了，当直齿变成螺旋齿，无论你怎样设计，要与直齿抗弯强度相等，只能增加体积或者是减少负载，这都超出了对这一问题的分析前提，所有螺旋结构的齿轮零件，产生的优势是运动平稳，速度可以变高，但优势中不会有强度也同时增加的结论，我们对圆柱齿轮的分析也是这样的结论，许多人不相信，公司按设计要求完成了零件的制造，无论是什么材料，最后破坏性试验的结果都是这个结论，圆柱直齿轮在同样负载下，总是斜齿轮先被折断齿。从有限元分析中可以看到，同样的端面模数，齿宽，体积是差不多的，但齿的厚度减弱了，螺旋角越大，这种现象越明显，从理论力学上说，悬臂梁的高度增加，抗弯截面模量的增加与高度增加的平方成正比，所以齿的厚薄决定了抗弯强度的增加。这样的问题在普通设计时，对体积没有什么严格的要求限制时，对设计人员来说，怎么设计都不是问题，而在微小型机械传动设计中，对齿轮的齿数，总是希望在有限的体积下设计出强度最高的零件，就会有严格的要求了。

对于螺旋锥齿轮，齿面的齿廓面积是增加了，但在对齿面的压应力分析中，是试验的瞬间真正承载着力量的接触区域，这个接触区域是与齿面的曲率有关的一个参数，当接触副是凸凸接触时，接触应力是比较大的，而瞬时接触的总面积可以在图上看出来，直齿锥齿轮的总接触面积会比较大，那怕螺旋齿轮有二三个齿是同时接触的，但接触部位的面积之和仍然不会大于直齿锥齿轮，总负载我们限制是一样的，面积小了，应力必然就会增加，在有限元分析中，我们通过观察在静态下应力的方向可以知道，齿面的压应力也同样是螺旋锥齿轮会比较大，所以上述结论也表明，在体积和负载相同时，同样是直齿锥齿轮的齿面应力循环次数会大于弧齿锥齿轮，当弧齿的螺旋角较小时，或取为较小的螺旋角时，会比较接近于直齿锥齿轮的应力，寿命也同样会接近直齿锥齿轮，所以在设计资料上说，零度锥齿轮可以代替直齿锥齿轮。

你这算颠覆咱认知挑战书本了，牛逼，哈哈

用直齿圆柱齿轮与斜齿圆柱齿轮已经做过实物验证了，请提出经典书本中论述弧齿锥齿轮与直齿锥齿轮在体积相等或近似相等时，弧齿锥齿轮的承载能力一定大于直齿锥齿轮的论据。或者自己已经证实的论据。我认为至目前为止，书本提及的弧齿锥齿轮只说是工作平稳，噪音低，线速度可允许较高，等等优点，而并没有对同样体积的零件承载力断然下结论。也许我们对圆柱齿轮的实物测试不具有代表？

halfsmoke 发表于 2023-12-3 15:46
你这算颠覆咱认知挑战书本了，牛逼，哈哈

直齿圆柱齿轮的静态分析应力的分布 - 普通圆柱齿轮 - 齿轮论坛 www.gearbbs.net - Powered by Discuz!

本人在齿轮论坛中曾经也对体积接近的圆柱齿轮和斜齿轮进行过有限元静态扭矩应力的对比，在此启发下，组织了公司的一项测试，最后用于行星机构的结论就是未级输出时，能用直齿圆柱齿轮输出的不可用斜齿圆柱齿轮。在微小机械结构的设计中，尤其是对体积非常敏感的地方，只能用直齿圆柱齿轮结构。
在对体积不敏感的地方，大型的工程机械中，设计齿轮传动时，当直齿轮改变斜齿轮时，一定要增加体积，尤其是少齿数齿轮的体积，齿数越少，对体积越敏感，齿根的拉应力也就越容易增加，其后果就是小轮更加容易以断齿导致失效的结果。