内啮合斜齿螺旋齿轮传动结构设计

　　做传动结构设计快十二年，经手的齿轮副少说也有三百多套，这次的内啮合螺旋齿轮结构，是去年给精密电源调压设备做传动端适配时反复迭代了五版才定的方案。很多刚入行的设计师做齿轮设计总先算模数齿数，其实第一步得先卡安装边界——当时设备留给传动机构的径向空间只有72mm，轴向安装位不能超过48mm，输入端要和调压机构的内齿圈直接啮合，输出端要承接伺服电机的小模数齿轮，常规直齿内齿轮要么啮合重合度不够跑起来有冲击，要么轴向尺寸超差塞不进腔体，最后才敲定用螺旋角18度的内斜齿结构。

　　从实际使用场景来说，这类内啮合螺旋齿轮大多用在空间局促的精密传动位，比如小型调压变压器的档位切换机构、精密机床的进给传动单元、小型伺服电动缸的减速端，和外啮合齿轮比，内啮合的中心距更小，同样传动比下结构能缩30%左右，而且螺旋齿的啮合是渐进式的，齿面接触是从齿端逐步滑向整个齿宽，不会像直齿那样整齿突然撞击，跑起来噪音能压在42分贝以内，刚好满足精密电控设备的低噪要求。

　　设计的时候最先卡的是安装边界：内齿圈的齿顶圆直径做的是68mm，齿根圆留了2.5mm的壁厚，避免高频传动下齿根应力集中开裂，轴向齿宽做了36mm，两端各留3mm的定位止口，和腔体配合的时候用H7/h6的间隙配合，不用额外打定位销就能保证同轴度，装配的时候直接压入腔体就行，能省两道装配工序。齿形参数上选的是1.25模，齿数32，螺旋角18度左旋，和配对的外斜齿轮啮合的时候重合度能到2.3，也就是说任意时刻都有至少两个齿同时参与啮合，单齿承受的载荷能降40%左右，哪怕设备长期在调压动作下频繁正反转，齿面也不会出现早期点蚀。

　　很多人做内螺旋齿轮容易忽略齿向修形，我最初的几版方案没做修形，样机跑了两百小时就出现齿端偏磨，后来把齿端做了0.15mm的倒坡修缘，啮合的时候齿端不会出现硬接触，哪怕安装的时候有0.02mm以内的同轴度误差，也不会出现偏载卡滞。齿面的粗糙度要求是Ra1.6，不用做太高的抛光，毕竟是油浴润滑，齿面留细微的纹理反而能存住润滑油，长期运转不用频繁补脂。另外内齿的退刀槽做了3mm宽，用插齿机加工的时候不会刮到已加工齿面，批量加工的时候良率能到98%以上，不会出现批量废件的问题。

　　实际装配的时候要注意，这类螺旋齿轮的轴向力会指向腔体定位端面，所以定位端的推力轴承预紧力要调到8N左右，预紧力太大的话传动效率会降到85%以下，太小的话正反转的时候会有轴向窜动，档位切换的时候会有虚位。之前有客户把这个结构用到小型自动化生产线的分度机构上，一开始没调轴承预紧力，分度精度一直飘在±0.2度，调完预紧力之后精度稳定在±0.05度，完全满足生产要求。还有个容易踩的坑是螺旋角的方向配对，如果内齿做左旋，配对的外斜齿也要做左旋，很多新手会按外啮合的相反旋向做，装上去根本转不动，还会打齿。

　　从受力角度算的话，这个结构在额定转速300rpm的时候，能传递1.2N·m的扭矩，完全满足小型调压设备、精密进给机构的载荷要求，而且因为是内啮合结构，两个齿轮的旋转方向相同，不用额外加惰轮改向，能省出一个惰轮的安装空间，整个传动链的长度能缩短20mm左右，对空间紧凑的小型设备来说非常友好。另外齿根的过渡圆角做了R0.3mm，比标准的R0.2mm圆角应力集中系数低15%，频繁正反转的工况下疲劳寿命能提升60%以上，按每天动作1000次算，正常使用寿命能到8年以上，不用频繁更换传动件。