人字齿轮是机械传动系统中重要的组成部分,具有传动功率大、可靠性高、精度高和承载能力强等优点,在航空航天、船舶等重型机械领域发挥着重要作用。在人字齿轮的应用和研究过程中,一直类比和沿用斜齿轮的诸多特性和结论,至今还没有专门的人字齿轮技术规范。但是研究发现人字齿轮和斜齿轮在某些方面存在着明显差异,探索人字齿轮与斜齿轮的独特差异能够为人字齿轮的深入研究和应用提供理论指导,为此完成了如下研究分析:首先,构造了人字齿廓渐开线及过渡曲线的参数方程,运用Pro/E软件建立了精确的人字齿轮三维参数化模型,并进行了参数化设置。只需输入人字齿轮的基本参数便可快速、精确地得到相应的渐开线人字齿轮模型,提高了齿轮精确建模的效率,为有限元分析奠定基础。其次,根据人字齿轮的动态啮合,分析了齿轮接触线的变化规律,确定了齿轮接触线的计算方法。探究了螺旋角对人字齿轮的有效接触宽度的影响,研究表明不能盲目将人字齿轮等效为斜齿轮进行分析计算。在确定了人字齿轮接触线长度的基础上,计算出齿轮接触面积的变化规律,分析发现人字齿轮的接触面积呈非线性变化,从而为人字齿轮啮合刚度的分析提供了依据。进而,运用Weber和有限元方法对人字齿轮的刚度进行了对比分析,发现两方法之间相差约1.2%;在分析Velex方法的基础上提出了改进Velex方法,与Weber方法进行了人字齿轮啮合刚度的对比分析,仅相差6.8%,说明改进Velex方法分析啮合刚度的有效性;同时分析了人字齿轮的螺旋角、变位系数、轮齿宽度等参数对啮合刚度的影响;通过对比研究人字齿轮和斜齿轮模型发现,人字齿轮的啮合刚度是单边斜齿轮的2.3倍,人字齿轮不可简单看作是两组斜齿轮的性能叠加。最后,在分析啮合齿面相对滑动原理的基础上,计算了人字齿轮的相对滑动速度和摩擦热之间的关系,用有限元方法对齿轮啮合过程中的摩擦生热进行了仿真分析。研究了单齿模型温度场的变化,在稳态热分析中研究变位系数对温度场的影响,发现正变位有利于减小齿轮传动产生的摩擦热。通过热-结构耦合的方法研究了人字齿轮的热应力,探究了温度对齿轮应力的影响,研究发现人字齿轮与斜齿轮的热应力分析也存在明显差异。