面齒輪傳動(dòng)在閥門(mén)電動(dòng)裝置上的應用
簡(jiǎn)要介紹了面齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)原理與特點(diǎn)。通過(guò)與錐齒輪傳動(dòng)對比，闡述了面齒輪傳動(dòng)在閥門(mén)電動(dòng)裝置上應用的可行性和優(yōu)越性，最后提出了設計應用于閥門(mén)電動(dòng)裝置行程控制機構上的面齒輪的適用方法。應用實(shí)例表明，采用面齒輪傳動(dòng)副的行程傳動(dòng)機構所采集的信號穩定連續。
一、前言
閥門(mén)電動(dòng)裝置(亦稱(chēng)電動(dòng)執行機構)是電動(dòng)閥門(mén)的驅動(dòng)裝置，用以控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，是對閥門(mén)實(shí)現遠控、集控和自動(dòng)控制的必不可少的驅動(dòng)設備，廣泛應用于電站、石化、冶金、礦山及公用事業(yè)等領(lǐng)域中。
傳統閥門(mén)電動(dòng)裝置上采集并傳遞位置反饋信號的行程傳動(dòng)機構，大都是采用錐齒輪傳動(dòng)或者交錯軸斜齒輪傳動(dòng)副(如圖1所示)，其制造精度要求高，裝配、調整麻煩，增加電動(dòng)裝置的整機成本。此外，安裝調整不可避免地會(huì )引起誤差，容易導致行程傳動(dòng)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(dòng)應用于閥門(mén)電動(dòng)裝置的行程傳動(dòng)機構中，可大大減少上述故障的產(chǎn)生。同時(shí)由于面齒輪傳動(dòng)中的小齒輪為圓柱直齒輪，安裝時(shí)軸向無(wú)需調整，簡(jiǎn)化了裝配，同時(shí)軸向出現的安裝誤差對傳動(dòng)沒(méi)有影響，大大提高了行程傳動(dòng)的可靠性。
早期的面齒輪傳動(dòng)用于傳遞精度低、載荷低的傳動(dòng)系統中，如無(wú)鏈式自行車(chē)、釣魚(yú)卷線(xiàn)器等。隨著(zhù)對面齒輪的研究逐漸深入，面齒輪已開(kāi)始越來(lái)越多地應用于需要高精度、高 速、高動(dòng)力的航空器上。美國軍方將面齒輪傳動(dòng)應用于新型直升機主減速器傳動(dòng)裝置中(如圖2所示)，比起原來(lái)采用錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)裝置的重量下降40%，承載能力提高35%，且分流效果好，振動(dòng)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用興趣。
二、面齒輪傳動(dòng)
1.面齒輪傳動(dòng)原理
面齒輪傳動(dòng)是一種圓柱直齒輪與錐齒輪相嚙合的傳動(dòng)，主要用于實(shí)現傳遞兩軸間包含一個(gè)交角的運動(dòng)。為使面齒輪傳動(dòng)能夠正常嚙合傳動(dòng)，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(gè)齒)的齒輪插刀經(jīng)范成原理加工而成的的。面齒輪傳動(dòng)可以應用于兩齒輪軸正交與非正交兩種場(chǎng)合。當兩輪軸正交，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(chēng)作為面齒輪，從而泛稱(chēng)為面齒輪傳動(dòng)，如圖3所示。
圖3 正交面齒輪傳動(dòng)
2.面齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)
鑒于面齒輪傳動(dòng)的獨特性，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(dòng)性能幾乎沒(méi)有影響，無(wú)需防位錯設計。
2)面齒輪傳動(dòng)具有較大的重合度。據有關(guān)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(shí)會(huì )更高。
3)小齒輪為直齒圓柱齒輪，傳動(dòng)時(shí)小齒輪上無(wú)軸向力作用。
4)面齒輪傳動(dòng)雖為點(diǎn)接觸，但仍然能保證定傳動(dòng)比傳動(dòng)。
3.在閥門(mén)電動(dòng)裝置上應用的優(yōu)越性
與傳統閥門(mén)電動(dòng)裝置中行程傳動(dòng)機構采用的錐齒輪傳動(dòng)相比，面齒輪傳動(dòng)有如下優(yōu)越性。
1)普通錐齒輪傳動(dòng)中，兩錐齒輪的錐頂必須重合，軸向誤差將會(huì )引起嚴重的偏載現象。因此，必須專(zhuān)門(mén)進(jìn)行防位錯設計(即防止錐頂分離或偏位)。面齒輪傳動(dòng)不會(huì )產(chǎn)生偏載現象，無(wú)需防位錯設計。
2)錐齒輪傳動(dòng)的重合度一般為1～1.6，低于面齒輪傳動(dòng)。而較大的重合度，有利于提高承載能力和增加傳動(dòng)的平穩性。
3)小齒輪上無(wú)軸向力作用，行程軸軸向安裝無(wú)需調整，這樣可以簡(jiǎn)化電動(dòng)裝置行程傳動(dòng)軸上的支承結構，降低了電動(dòng)裝置的總體高度，從而減輕了電動(dòng)裝置的重量。同時(shí)，結構的簡(jiǎn)化使得行程傳動(dòng)更加可靠。
4)錐齒輪傳動(dòng)從原理上不能保證定傳動(dòng)比傳動(dòng)，其傳動(dòng)比是在一定范圍內波動(dòng)的。行程傳動(dòng)機構采用定傳動(dòng)比的面齒輪傳動(dòng)后，其傳動(dòng)平穩，振動(dòng)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(dòng)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(lái)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(lái)的齒形是近似漸開(kāi)線(xiàn)，而平面產(chǎn)形的機床機構復雜，不同齒根角齒輪加工時(shí)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(shí)際傳動(dòng)，因而傳動(dòng)更加平穩，強度更好，壽命更長(cháng)。
三、設計方法
在閥門(mén)電動(dòng)裝置的行程傳動(dòng)部件上應用面齒輪傳動(dòng)時(shí)，幾何參數的設計是相當重要的。通常，主要從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行設計。
1)根據電動(dòng)裝置行程控制精度要求及行程控制機構的總傳動(dòng)比，初步確定面齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比i。
2)依據電動(dòng)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(gè)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(fā)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(guān)文獻都對其進(jìn)行過(guò)描述，作者對其中一些文獻也進(jìn)行過(guò)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(mén)電動(dòng)裝置行程傳動(dòng)機構上的面齒輪傳動(dòng)。
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(dòng)比i，初選面齒輪的齒數、模數。
然后，由面齒輪齒數來(lái)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(lái)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(dòng)比為4～6、圓柱直齒輪齒數為17～50的面齒輪傳動(dòng)，能滿(mǎn)足目前閥門(mén)電動(dòng)裝置行程傳動(dòng)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(shí)例
在我廠(chǎng)DZW閥門(mén)電動(dòng)裝置上進(jìn)行試驗，設計的直齒圓柱齒輪及面齒輪參數見(jiàn)下表。
根據DZW閥門(mén)電動(dòng)裝置的機構特點(diǎn)，設計面齒輪傳動(dòng)部件在電動(dòng)裝置中的安裝形式。在設計過(guò)程中，發(fā)現行程傳動(dòng)部件及輸出軸部件的結構完全可以簡(jiǎn)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(guò)LabVIEW測試軟件對行程軸的轉速進(jìn)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(dòng)很小，傳動(dòng)平穩，完全滿(mǎn)足了提供準確穩定的行程位置反饋信號的要求。
五、結語(yǔ)
結合面齒輪傳動(dòng)原理、特點(diǎn)及面齒輪的加工，介紹了設計面齒輪的適用方法，并通過(guò)面齒輪傳動(dòng)在閥門(mén)電動(dòng)裝置上的應用來(lái)分析了它的傳動(dòng)優(yōu)勢。實(shí)例表明，采用面齒輪傳動(dòng)的行程傳動(dòng)機構，結構簡(jiǎn)單，安裝方便，行程傳動(dòng)軸轉速波動(dòng)小，所傳遞的行程位置信號穩定可靠，精度高;同時(shí)，行程傳動(dòng)機構采用面齒輪傳動(dòng)后，降低了電動(dòng)裝置的總體高度，從而減輕了電動(dòng)裝置的重量，降低了電動(dòng)裝置的成本，面齒輪傳動(dòng)在閥門(mén)電動(dòng)裝置上的應用值得廣泛推廣。
圖7 LabVIEW測試面齒輪傳動(dòng)的行程軸轉速
參考文獻
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