结合渐开线齿廓弧齿圆柱齿轮齿面生成原理,增大弧线齿圆柱齿轮凹齿面的圆弧半径,推导圆柱齿轮齿面方程,得到截面单齿厚度延轴线不同的弧线齿圆柱齿轮。以弧线齿圆柱齿轮为假想刀具,推导出弧线齿面齿轮齿面方程,将有无齿线修形的面齿轮做对比,并进行了内径分析。结果表明,在保持原有面齿轮设计参数不变的情况下,修形后的面齿轮与原面齿轮内径处的齿厚相差0.113 mm,且面齿轮单齿齿厚沿着齿宽由内向外逐渐增大;同时,修形后的弧线齿面齿轮外径端面并不是尖状,而呈现平面状,从而避免了修形后的面齿轮出现外径齿顶变尖现象。因此,对小轮齿线修形可增加面齿轮单齿厚度,提高面齿轮传动强度;也为后续齿线修形生成的弧线齿面齿轮抗偏载及啮合特性等方面提供了理论基础。

齿轮高速运行时,风阻功率损失是导致传动效率低的主要因素之一。基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术建立了弧齿圆柱齿轮周围空气流域模型并进行数字孪生,得出弧齿圆柱齿轮周围空气流域内的速度矢量图及风阻损失功率。结果表明,弧齿圆柱齿轮周围设置挡板可有效减小风阻功率的损失,轴向挡板间距越小,弧齿圆柱齿轮的风阻功率损失越小。轴向挡板间隙为2 mm时的风阻功率损失相比于轴向挡板间隙为10 mm时的风阻功率损失减小27.80%。而对于径向挡板来说,并不是间隙越小弧齿圆柱齿轮的风阻功率损失越小。不同齿形的齿轮在相同条件下风阻功率损失不同,同等条件下对比发现,压力角为25°的直齿轮相比于标准斜齿轮的风阻功率损失减小了23.84%。

弧齿圆柱齿轮是一种没有完全市场化的平行轴传动齿轮,该类齿轮的轮齿沿齿宽方向呈圆弧曲线,具有无轴向力、润滑性能好等特点。通过查阅大量文献,对弧齿圆柱齿轮的研究现状进行详细分析,主要从工艺与加工方法、齿面建模方法、接触特性等几个方面进行了阐述,并基于现有研究状况对弧齿圆柱齿轮今后的研究方向提出了一些建议。

提出一种新型的弧齿齿轮泵,通过对齿面方程的分析,论证了周向模数相等的弧齿圆柱齿轮副可以顺畅啮合,两啮合齿面可以实现线接触,一对弧齿圆柱齿轮可以构建弧齿齿轮泵。在此基础上,推导出弧齿齿轮泵的瞬间流量表达式,以及流量脉动与齿线圆弧半径的关系。研究结果表明,主要参数相同的弧齿齿轮泵的流量脉动小于直齿齿轮泵的流量脉动。