Meshing characteristics and stress analysis of equiangular spiral profile face gears

DING Shuaiqiang; CAI Zhiqin; YAO Bin; XU Shuidian; LI Zhisheng

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2026.03.014

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Meshing characteristics and stress analysis of equiangular spiral profile face gears

Dynamic Performance and Mesh Characteristics | 更新时间：2026-05-27

- Meshing characteristics and stress analysis of equiangular spiral profile face gears
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 50, Issue 3, Pages: 120-131(2026)
- 作者机构：
  
  1.厦门大学航空航天学院，厦门 361102
  2.重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室，重庆 400044
  3.传孚科技（厦门）有限公司，厦门 361102］
  4.中国机械总院集团郑州机械研究所有限公司，郑州 450001
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2026.03.014
  CLC： TH114
- Received：03 December 2024，
  
  Published：15 March 2026
- 稿件说明：
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丁帅强，蔡志钦，姚斌，等. 等角螺旋线齿廓面齿轮啮合特性与应力分析［J］. 机械传动，2026，50（3）：120-131.

DING Shuaiqiang，CAI Zhiqin，YAO Bin，et al. Meshing characteristics and stress analysis of equiangular spiral profile face gears［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（3）：120-131.
丁帅强，蔡志钦，姚斌，等. 等角螺旋线齿廓面齿轮啮合特性与应力分析［J］. 机械传动，2026，50（3）：120-131. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2026.03.014.

DING Shuaiqiang，CAI Zhiqin，YAO Bin，et al. Meshing characteristics and stress analysis of equiangular spiral profile face gears［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（3）：120-131. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2026.03.014.

摘要

目的

随着工业领域对面齿轮传动系统承载能力与使用寿命的要求不断提高，为进一步增强面齿轮传动的承载性能，提出一种基于等角螺旋线齿廓的面齿轮副传动设计方法。

方法

研究了等角螺旋线面齿轮齿面形成原理；通过求解啮入点、啮出点、内齿廓齿顶点和外齿廓齿根点的啮合参数，推导了等角螺旋线面齿轮齿面离散模型；利用数值计算实例验证了齿面模型的正确性；分析了等角螺旋线面齿轮的主曲率、滑动率与压力角等关键特征参数，证明通过圆柱齿轮齿廓共轭的面齿轮齿廓仍为等角螺旋线；推导面齿轮接触应力与弯曲应力的理论解析模型，通过仿真验证了理论模型的准确性。

结果

仿真结果表明，等角螺旋线面齿轮应力明显小于渐开线面齿轮；等角螺旋线面齿轮承载能力显著高于渐开线面齿轮。研究为面齿轮传动的承载能力提升提供了一种新的设计思路。

Abstract

Objective

With the increasing demand for the load-bearing capacity and service life of face gear transmission systems in the industrial field

a design method for face gear pair transmission based on equiangular spiral tooth profile was proposed to further enhance the load-bearing performance of face gear transmission.

Methods

The formation principle of the tooth surface of face gear with equiangular spiral was studied

and the discrete model of the tooth surface of face gear with equiangular spiral was derived by solving the meshing parameters of the meshing inlet point

meshing outlet point

the top point of the inner tooth profile and the root point of the outer tooth profile. The correctness of the tooth surface model was verified by using the numerical computation examples. The key characteristic parameters such as principal curvature

sliding rate and pressure angle of face gear with equiangular spiral were analyzed to prove that the tooth profile of face gear which are conjugated through the tooth profile of cylindrical gear are still equiangular spiral. The theoretical analytical model for the contact stress and bending stress of face gear was derived

and the accuracy of the theoretical model was verified through simulation.

Results

The simulation results show that the stress of equiangular spiral face gear is significantly smaller than that of involute face gear. It is concluded that the load bearing capacity of equiangular spiral face gear is significantly higher than that of involute face gear. This study provides a new design idea for improving the load bearing capacity of face gear transmission.

关键词

Keywords

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