锥齿轮的设计已经十分完善，全球范围内均采用齿面几何优化方法，以确保令人满意的低噪声，同时满足表面应力和弯曲应力的相关要求。

　　但是如何计算齿轮的使用寿命呢?在其熟悉的KIMoS(螺旋锥齿轮集成制造)软件包中，Klngenlnerg 增加了一个基于计算使用寿命方面的最新研发成果，来计算锥齿轮或准双曲面齿轮副的使用寿命的模块。

　　设计锥齿轮是一项相当复杂的任务。与圆柱齿轮不同，锥齿轮需要进行成对设计的。设计工程师必须考虑到许多相互冲突的目标，包括最小尺寸、最大负荷能力、降低噪音和易于在目前的铣齿机上制造。但有一个方面经常被忽略了：齿轮的疲劳强度呢?

　　如果轮齿上的最大载荷不超过材料的载荷极限，则轮齿将在卸下载荷后恢复到其初始状态。这个假设适用于几种混合加载应用场合。但是当我们谈论几百万个载荷应用时，在比材料的载荷极限要低得多的载荷下将会发生损，这种现象是疲劳现象。

　　疲劳强度测试是OEM和一级齿轮供应商的核心能力，可通过变速箱的耐久测试完成。这些试验采用经验定义的载荷谱进行，从而产生与实际使用条件下相同的损伤形式。用于这些锥齿轮耐久性试验的设备之一是OerlikonTS30锥齿轮试验台。

图1 Klingelnberg的TS30测试台架

　　如果我们能计算出锥齿轮的使用寿命，就可以不用昂贵的的测试方法和测试时间来做试验了，从而起到更好的效果且节约设计成本。

　　在最新版本的KIMoS中，Klingelnberg可以计算锥齿轮的特定工作载荷的使用寿命，以及面滚加工和面铣加工的相关参数。要计算锥齿轮的疲劳强度，必须知道三个基本要素：齿轮的精确形状，齿轮材料的相关参数以及齿轮副的运转工况，以上所有参数均加载到KIMOS中。齿轮疲劳强度计算公式依赖于Miner的线性累积损伤假设理论基础。

图2 未进行齿面修形的齿面接触形状

图3 进行齿面修形后的齿面接触形状

　　对齿轮对的累积损伤可以通过综合计算负载谱、齿面的负载集中度来预测轮齿表面，以及齿根的弯曲应力和材料的循环应力-应变特性。如果点蚀和破损的总累积损坏可用，KIMoS可以计算锥齿轮副的使用寿命。

图4 未进行齿面修形的齿轮副载荷谱和沃勒曲线

　　要生成具有极其有限的负荷情况下的负荷频谱，必须使用一种计数方法。如果首先使用包含许多不同负载循环的实际负载条件(例如使用瀑布流方法)，则可以计算这些循环事件，从而可以将数量极少的负载情况下的实际操作负载循环转换为载荷谱。

图5 齿面修形后的齿轮副载荷谱和沃勒曲线

　　齿形齿轮的使用寿命计算是否会取代将来的最终测试?答案是一个明确的不。但是计算疲劳强度可以对不同的设计进行非常有效的比较。当其中一种设计存在耐久测试数据时，可以相当准确地估计另一个类似的齿轮副的预期使用寿命。这就是为什么KIMoS让设计工程师能够设计一个不仅满足几何形状和噪声的要求，而且还要考虑疲劳寿命的设计。

　　下面的示例显示了两种具有相同尺寸数据的设计，但对于图2和图3所示的齿面修形参数都有所不同。齿轮速比数据为i=13/38齿，被动齿轮外节圆直径为250毫米，下偏移为20毫米。这个示例显示了齿面修形的潜力，左边的设计的使用寿命约为14 000 h，受小齿轮上齿根应力的限制。右边的设计的使用寿命约为34 000 h，但在这里，计算出的故障原因也将是小齿轮的断齿。

　　KIMoS不仅使设计工程师能够优化噪声行为和负荷能力，而且还支持在特定载荷情况下的齿轮副的使用寿命优化。这为轻量化设计的新潜力铺平了道路，并使设计者能够完成更有效和坚固的齿轮设计。