Research on meshing performance of high-order segmented topology modification in face gear pair

HE Qinyi; GUO Hui; RUAN Yuhang; ZHOU Zhenyu; LIU Li; HOU Zhihui; MEI Xiangqian

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Research on meshing performance of high-order segmented topology modification in face gear pair

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-01-21

- Research on meshing performance of high-order segmented topology modification in face gear pair
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 1, Pages: 11-19(2026)
- 作者机构：
  
  1.西北工业大学陕西省齿轮传动重点实验室，西安 710072
  2.中国航发湖南动力机械研究所传动中心，株洲 412002
- 作者简介：
  
  GUO Hui, E-mail: guohui502@nwpu.edu.cn
- 基金信息：
  
  Program of Helicopter Transmission System Capability Enhancement(TC230Y04S-1);Program of Shannxi Key Research and Development(2023GXLH-087);Project from Ministry of Industry and Information Technology(2023ZY01050)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.002
  CLC： TH114
- Received：25 September 2024，
  
  Published：15 January 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
何沁怡，郭辉，阮宇航，等. 高阶分段拓扑修形面齿轮副啮合性能研究［J］. 机械强度，2026，48（1）：11-19.

HE Qinyi，GUO Hui，RUAN Yuhang，et al. Research on meshing performance of high-order segmented topology modification in face gear pair［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（1）：11-19.
何沁怡，郭辉，阮宇航，等. 高阶分段拓扑修形面齿轮副啮合性能研究［J］. 机械强度，2026，48（1）：11-19. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.002.

HE Qinyi，GUO Hui，RUAN Yuhang，et al. Research on meshing performance of high-order segmented topology modification in face gear pair［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（1）：11-19. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.002.

摘要

目的

为提高面齿轮传动的承载性能并降低对安装错位的敏感性，提出一种基于预设接触路径的高阶分段拓扑修形方法。

方法

首先，分别设计了沿小齿轮预设接触路径与瞬时接触线方向上的2阶、4阶分段修形函数，根据曲面叠加方法建立了修形后齿面方程。然后，推导了考虑安装误差的齿面接触分析方程，研究了在不同安装误差条件下预设接触路径角度、修形长度、修形曲线阶次及最大修形量等参数对面齿轮副接触特性的影响规律。最后，采用有限元法对比分析了不同修形函数和修形量条件下面齿轮副的承载接触特性。

结果

计算结果表明，相较于2阶修形，采用4阶修形方法的齿面接触应力以及承载传动误差幅值均有所降低，且接触印痕从面齿轮内径齿根向外径齿顶延伸。高阶分段修形方法能够降低面齿轮副对安装误差的敏感度，优化齿面载荷分布并提升啮合性能。

Abstract

Objective

In order to enhance the load-bearing performance of face gear transmission and reduce its sensitivity to installation misalignment

a high-order segmented topological modification method based on a predefined contact path was proposed.

Methods

Firstly

2nd-order and 4th-order segmented modification functions were designed along the predefined contact path of the pinion and the instantaneous contact line direction

respectively. Based on the surface superposition method

the equation of the modified tooth surface was established. Subsequently

the tooth contact analysis (TCA) equation incorporating installation errors was derived. The influence of parameters such as predefined contact path angle

modification length

modification curve order

and maximum modification amount on the contact characteristics of face gear pair under different installation error conditions was investigated. Finally

a comparative analysis of the load-bearing contact characteristics of the face gear pair under different modification functions and modification amounts was conducted using the finite element method.

Results

The calculation results show that compared to 2nd-order modification

the 4th-order modification method reduces the contact stresses of the tooth surface and the error amplitude of load-bearing transmission. Furthermore

the contact trace extends from the root of the inner diameter tooth of the face gear to the tip of the outer diameter tooth. The high-order segmented modification method can reduce the sensitivity of the face gear pair to installation errors

optimize the load distribution of the tooth surface

and enhance meshing performance.

关键词

Keywords

references

LITVIN F L ， GONZALEZ-PEREZ I ， FUENTES A ， et al . Design，generation and stress analysis of face-gear drive with helical pinion ［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering ， 2005 ， 194 （ 36/37/38 ）： 3870 - 3901 .

夏长久，王时龙，孙守利，等 . 五轴数控成形磨齿机几何误差-齿面误差模型及关键误差识别［J］. 计算机集成制造系统， 2020 ， 26 （ 5 ）： 1191 - 1201 .

XIA Changjiu ， WANG Shilong ， SUN Shouli ， et al . Geometric error to tooth surface error model and identification of crucial errors in five-axis CNC gear profile grinding machines ［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems ， 2020 ， 26 （ 5 ）： 1191 - 1201 . （In Chinese）

朱如鹏，潘升材，高德平 . 正交面齿轮传动中齿宽设计的研究［J］. 机械科学与技术， 1999 ， 18 （ 4 ）： 566 - 567 .

ZHU Rupeng ， PAN Shengcai ， GAO Deping . Study of the design of tooth width of right shaft angle face gear drive ［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering ， 1999 ， 18 （ 4 ）： 566 - 567 . （In Chinese）

LITVIN F L ， ZHANG Y ， WANG J C ， et al . Design and geometry of face-gear drives ［J］. Journal of Mechanical Design ， 1992 ， 114 （ 4 ）： 642 - 647 .

ZANZI C ， PEDRERO J I . Application of modified geometry of face gear drive ［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering ， 2005 ， 194 （ 27/28/29 ）： 3047 - 3066 .

INOUE T ， KUROKAWA S . Derivation of path of contact and tooth flank modification by minimizing transmission error on face gear ［J］. Journal of Advanced Mechanical Design，Systems，and Manu-facturing ， 2012 ， 6 （ 1 ）： 15 - 22 .

WANG Y Z ， SU G Y ， LIU D W ， et al . A hobbing method for spur face gears with bidirectional modification ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2022 ， 119 （ 1 ）： 275 - 286 .

付学中，方宗德，关亚彬，等 . 采用NSGA-Ⅱ算法的面齿轮副小轮拓扑修形多目标优化［J］. 西安交通大学学报， 2017 ， 51 （ 7 ）： 98 - 104 .

FU Xuezhong ， FANG Zongde ， GUAN Yabin ， et al . NSGA-Ⅱ based multi-objective optimization on topologically modified pinions for face gear pairs ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University ， 2017 ， 51 （ 7 ）： 98 - 104 . （In Chinese）

唐进元，陈兴明，罗才旺 . 考虑齿向修形与安装误差的圆柱齿轮接触分析［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2012 ， 43 （ 5 ）： 1703 - 1709 .

TANG Jinyuan ， CHEN Xingming ， LUO Caiwang . Contact analysis of spur gears based on longitudinal modification and alignment errors ［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2012 ， 43 （ 5 ）： 1703 - 1709 . （In Chinese）

彭先龙，胡锡文，方宗德 . 构造拓扑修形齿面的面齿轮传动主动设计［J］. 航空动力学报， 2014 ， 29 （ 5 ）： 1216 - 1222 .

PENG Xianlong ， HU Xiwen ， FANG Zongde . Active design of face gear drive for modifying ease-off topology flank ［J］. Journal of Aerospace Power ， 2014 ， 29 （ 5 ）： 1216 - 1222 . （In Chinese）

沈云波，程文冬，刘玄 . 基于啮合要求的面齿轮拓扑修形齿面主动设计［J］. 兰州理工大学学报， 2016 ， 42 （ 3 ）： 41 - 45 .

SHEN Yunbo ， CHENG Wendong ， LIU Xuan . Initiative design of topologically modified tooth surface for face gear based on meshing requirement ［J］. Journal of Lanzhou University of Technology ， 2016 ， 42 （ 3 ）： 41 - 45 . （In Chinese）

吴聪，李大庆，魏冰阳 . 小轮双向修形参数对面齿轮副啮合性能的影响［J］. 航空动力学报， 2012 ， 27 （ 11 ）： 2629 - 2634 .

WU Cong ， LI Daqing ， WEI Bingyang . Meshing performance of face gear drive based on pinion asymmetric double crowned ［J］. Journal of Aerospace Power ， 2012 ， 27 （ 11 ）： 2629 - 2634 . （In Chinese）

LITVIN F L ， FUENTES A . Gear geometry and applied theory ［M］. 2nd ed . Cambridge ： Cambridge University Press ， 2004 .

赵宁，曾晓春，郭辉，等 . 斜齿面齿轮齿面仿真及其轮齿接触分析［J］. 航空动力学报， 2008 ， 23 （ 10 ）： 1927 - 1932 .

ZHAO Ning ， ZENG Xiaochun ， GUO Hui ， et al . Tooth contact analysis of face gear drive with helical pinion and simulation of the tooth face ［J］. Journal of Aerospace Power ， 2008 ， 23 （ 10 ）： 1927 - 1932 . （In Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Research on finite element helical line direction modification of flexspline profile in harmonic reducer

MESHING PERFORMANCE ANALYSIS OF FLEXIBLE GEAR TOOTH PROFILE MODIFICATION OF HARMONIC REDUCER (MT)

MESHING PERFORMANCE ANALYSIS OF TAPERED ROLLER ENVELOPING END FACE MESHING WORM DRIVE (MT)

NONLINEAR CHARACTERISTICS OF HERRINGBONE GEAR FOUR-BRANCHING TRANSMISSION CONSIDERING GEAR BACKLASH EFFECT

Related Author

Liu Li

Zhou Zhenyu

MA Jingkai

WANG Zhonghou

ZHOU Weihong

WANG Fa

CHEN Mingzhi

XU ShaoYan

Related Institution

Transmission Center, China Aero Engine Hunan Power Machinery Research Institute

School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology

Zhejiang Provincial Key Lab of Part Rolling Technology, Ningbo University

Ningbo Zhongda Leader Intelligent Transmission Co., Ltd.

School of Mechanical Engineering, Xihua University

⁰