1.2.2 面齿轮传动

面齿轮传动也称为端面齿轮传动，是由圆柱齿轮与锥齿轮相啮合所构成的齿轮传动。与锥齿轮相比，具有结构简单、无轴向力、互换性高、振动和噪声低、重合度系数大、传递平稳、传动比恒定、对安装误差不敏感等特点[55]，图1-7所示为面齿轮传动示意图，1为面齿轮，2为圆柱齿轮。

图1-4 复合型章动活齿传动机构简图

1—输入轴 2—固定中心轮 3—输入侧活齿 4—行星齿轮 5—输出侧活齿 6—转动中心轮 7—机架

图1-5 滚珠齿章动活齿传动装置结构图

1、11、13—端盖 2—输入轴 3—钢球 4—挡圈 5—机座 6、10、19—垫片 7—套筒 8—转动盘 9—输出轴 12、15、18—轴承 14—章动盘 16—滚珠齿 17—固定盘

图1-6 滚锥齿章动活齿传动装置结构图

1—输入轴 2、10—轴承端盖 3、4、6、11—轴承 5—辊子 7—挡圈 8—轴承衬套 9—输出轴 12—箱体 13—圆螺母 14—转动齿盘 15—行星盘 16—固定齿盘 17—端盖

图1-7 面齿轮传动示意图

1—面齿轮 2—圆柱齿轮

20世纪50年代，Bloomfield介绍了面齿轮传动，并利用几何投影法研究了面齿轮齿形变化特点[56]。20世纪90年代，伊利诺伊大学的Litvin等对面齿轮进行了深入的研究，推导了面齿轮齿面方程，利用有限元法（见图1-8）分析了面齿轮传动应力情况，为面齿轮的应用奠定了重要的理论基础[57]。

图1-8 面齿轮传动有限元分析

随着研究深入，面齿轮传动技术得到越来越多的重视。美国军方与NASA联合开展的ART（the Advanced Rotorcraft Transmission）计划研究了面齿轮在高速重载工况下的性能。结果表明，同工况下，应用面齿轮传动的直升机主减速器重量下降40%，且动力分流效果好、振动小、噪声低[58]。20世纪90年代末，美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）在TRP（Technology Reinvestment Program）项目中继续支持面齿轮传动的相关研究。在美国波音公司和美国陆军航空及导弹司令部的支持下，美国RDS-21计划（Rotorcraft Drive Systems for the 21st Century）研究了面齿轮在AH-64武装直升机上的应用[59]。

欧洲一些发达国家把面齿轮传动称为“21世纪旋翼机传动的希望所在”，对面齿轮开展了结构设计、齿形理论设计及相关试验改进研究。此外，欧洲、日本学者研究了加工误差、安装误差及齿廓修形量对面齿轮接触区、载荷分布的影响[60]。法国国立应用科学学院（Institut National des Sciences Appliquées，INSA）对面齿轮传动的准静态应力进行了分析，完成了传动过程中的应力测试试验。

国内面齿轮的研究直到20世纪90年代才开始。其中南京航空航天大学的朱如鹏教授等人一直致力于面齿轮传动的研究，主要研究了面齿轮啮合原理与几何设计、轮齿接触分析、承载能力及振动特性分析等[61]。北京航空航天大学的王延忠教授将其相关的研究成果推广应用到Y20大型运输机航空动力辅助装置及大功率坦克主传动系统上，为我国面齿轮传动的推广应用做出了重要贡献。

面齿轮传动已经在直升机、汽车中开始应用。阿帕奇武装直升机上应用面齿轮传动技术（见图1-9），将传动系统的功率重量比提高了35%。奥迪公司在第七代Quattro中央差速器（见图1-10）中应用了面齿轮传动技术，使其重量比Torsen差速器减少了1/3。瑞士ASSAG公司推出了多款面齿轮传动装置（见图1-11）。

图1-9 面齿轮传动在直升机传动系统中的应用

图1-10 第七代Quattro中央差速器

图1-11 面齿轮传动装置