CN100535475C - 双自由度直线环面蜗杆传动及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型双自由度直线环面蜗杆传动及其制造方法，属于环面蜗杆传动。技术方案包括环面蜗杆(1)、蜗轮(2)、刀座(3)、蜗轮滚刀(4)、蜗杆轴线(5)、蜗轮轴线(6)、刀座轴线(7)和直线刀刃(8)；由直线刀刃(8)作双自由度运动形成环面蜗杆(1)的螺旋面，得到双自由度直线环面蜗杆；用产形面与这种环面蜗杆螺旋面相同的蜗轮滚刀(4)，去展成蜗轮(2)的齿面，由环面蜗杆(1)、蜗轮(2)组成双自由度直线环面蜗杆传动。这种环面蜗杆传动不仅具有直廓环面蜗杆传动的优点，而且具有更好的接触区和接触质量，环面蜗杆(1)和蜗轮(2)可以在普遍滚齿机上加工。

Description

双自由度直线环面蜗杆传动及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种新型的环面蜗杆传动及其制造方法，属于环面蜗杆传动。

技术背景

直廓环面蜗杆传动，在国内外应用较广，其中最著名的品牌为美国的“Cone Drive”，已有80多年历史。

加工直廓环面蜗杆时，车刀装在回转刀座上，直线刀刃在蜗杆轴线平面上，且与半径为r_b的成形圆相切；蜗杆毛坯与刀座按传动比i_1d作相对运动时，车出蜗杆螺旋面。蜗杆的转角是唯一的独立运动参数，直线刀刃只有1个自由度。用产形面与直廓环面蜗杆螺旋面相同的滚刀，在滚齿机上加工蜗轮齿面。

直廓环面蜗杆采用修形使接触线分布比较合理，直线齿廓的环面蜗杆和滚刀便于加工和检验，软齿面蜗杆和锡青铜蜗轮跑合效果好，从而承载能力高，传动效率高，特别适用于加工头数较多、包络法不能加工的环面蜗杆。

直廓环面蜗杆传动的缺点是：不修形的原始型，虽然双线接触，但其中一条是蜗轮中间平面和齿面相交的直线，是常接触线，而其余接触线分布在蜗轮齿面的半边，不仅未充分利用齿面，而且常接触线工作条件差，易发生点蚀。通过修形，去掉接触质量最差的常接触线，对接触质量有所改善，但齿面上单线接触，而接触线集中在蜗轮齿面的一部分，未能充分利用全齿面。

发明内容

本发明的目的是要提供一种双自由度直线形成螺旋面的环面蜗杆传动及其制造方法，这种环面蜗杆传动不仅具有直廓环面蜗杆传动的优点，而且比直廓环面蜗杆传动具有更好的接触区和接触质量。

为了达到本发明的目的，所采用的技术方案包括环面蜗杆1、蜗轮2、刀座3、蜗轮滚刀4、蜗杆轴线5、蜗轮轴线6、刀座轴线7和直线刀刃8(如图1所示)，蜗杆轴线5、蜗轮轴线6和刀座轴线7固定，环面蜗杆1和蜗轮滚刀4可互换地安装在同一蜗杆轴线5上，蜗杆轴线5与蜗轮轴线6垂直交错，公垂线段O₁O₂即为中心距a，环面蜗杆1和蜗轮2的传动比为i₁₂。由刀座3上的直线刀刃8加工环面蜗杆1，刀座轴线7与蜗杆轴线5垂直交错，其轴心初始位置O₀在O₁O₂线上，中心距为a_d＝a+Δa，Δa为中心距修形量，Δa可取正值、负值或0，环面蜗杆1转角为时，刀座3除按传动比i_1d转动外，还沿刀座轴线7移动s使刀座3的轴心移至O₃，根据蜗杆的尺寸，s在零点附近一定范围内的正负区间内取值，刀座3的转角

则由两部分合成，即

其中

为刀座3由环面蜗杆1转角

按i_1d配滚比交换齿轮得到的转角，为刀座3轴向移动s需要的附加转角，i_1d为环面蜗杆1与刀座3的传动比，i_1d＝i₁₂+Δi，Δi为加工环面蜗杆1时传动比的修形量，Δi＝0或Δi＞0或Δi＜0，P_d为刀座3的位移s与附加转角

之比，是一个常量，刀座3安装初始位置与加工直廓环面蜗杆时相同(见图1虚线)；刀座3位移为s、转角为

时，直线刀刃8的位置如图1实线所示。加工环面蜗杆1时，直线刀刃8作双自由度运动：

和s是两个独立的运动参数，刀座3的转角

是和s的函数。这种由直线刀刃作双自由度运动形成环面蜗杆的螺旋面，得到一种新型的环面蜗杆，称为双自由度直线环面蜗杆。

用产形面与双自由度直线环面蜗杆螺旋面相同的蜗轮滚刀4，去替换环面蜗杆1展成蜗轮2的齿面，由环面蜗杆1、蜗轮2、蜗杆轴线5和蜗轮轴线6组成一种新型的环面蜗杆传动，称为双自由度直线环面蜗杆传动。

上述的双自由度直线环面蜗杆传动及其制造方法中，通过合理选择刀座3的位移s与附加转角

的比值P_d，可以控制蜗轮2的齿面接触区和环面蜗杆1的有效工作长度。

上述的双自由度直线环面蜗杆传动及其制造方法中，在加工环面蜗杆1时，取Δa＝0和Δi＝0，即环面蜗杆1与刀座3的传动比i_1d＝i₁₂，中心距a_d＝a，与双自由度直线环面蜗杆传动的工作状况相同，刀座轴线7与蜗轮轴线6重合，直线刀刃8作双自由度运动，得到原始型双自由度直线环面蜗杆传动。

上述的双自由度直线环面蜗杆传动及其制造方法中，在加工环面蜗杆1时，取Δa＞0或Δi＜0的单参数修形，或者Δa和Δi双参数综合修形须满足Δa＞Δim_tz₁，m_t为蜗轮端面模数，z₁为环面蜗杆头数，直线刀刃8作双自由度运动，得到修形双自由度直线环面蜗杆传动。

上述的双自由度直线环面蜗杆传动及其制造方法中，环面蜗杆1和蜗轮2可以在普遍滚齿机上加工。

上述的双自由度直线环面蜗杆传动及其制造方法中，当s＝0时，以

为独立运动参数，直线刀刃8作单自由度运动，加工出的是直廓环面蜗杆。

附图说明

图1为双自由度直线环面蜗杆传动及其制造方法的原理图。加工环面蜗杆1时，刀座3安装在刀座轴线7上，环面蜗杆1的毛坯安装在蜗杆轴线5上，当环面蜗杆1的转角为

时，刀座3的转角为沿刀座轴线7的位移为s，完成环面蜗杆1的加工；用产形面与双自由度直线环面蜗杆螺旋面相同的蜗轮滚刀4加工蜗轮2时，蜗轮2的毛坯安装在蜗轮轴线6上，蜗轮滚刀4安装在蜗杆轴线5上，按传动比i₁₂完成蜗轮2的加工；环面蜗杆1安装在蜗杆轴线5上，蜗轮2安装在蜗轮轴线6上，当环面蜗杆1的转角为

时，蜗轮2的转角为

组成双自由度直线环面蜗杆传动。

图2为原始型双自由度直线环面蜗杆传动和参数相同的直廓环面蜗杆传动的接触线和接触区分布情况图。其中，图2a)上部为原始型双自由度直线环面蜗杆传动的瞬时接触线分布状况，1′和1、2′和2、3′和3、4′和4分别是蜗轮齿面的左右接触区上对应于不同蜗杆转角

的一对瞬时接触线，每条接触线上都计算了3个点：a、b和c；中部为蜗轮齿面的接触区，接触区分左接触区EFHG和右接触区KECDFJ；下部为啮合面边界线在蜗杆轴线5平面上的投影。图2b)为参数与图2a)相同的直廓环面蜗杆传动的接触线和接触区分布情况图，其右接触区只有一条常接触线A(E)B(F)，左接触区只是很小的一个区域ABB′A′，1′、2′、3′、4′和5′是左接触区上对应于不同蜗杆转角

的瞬时接触线簇，常接触线A(E)B(F)在蜗杆轴线5平面上的投影为A(B)C(D)。

图2a)和图2b)两种环面蜗杆都是用直线刀刃加工，区别在于前者采用双自由度法加工，接触质量有很大提高，其优点如下：

1)蜗轮齿面上无常接触线这一易失效区域；

2)双瞬时接触线均布，覆盖整个蜗轮齿面，充分利用蜗轮齿面；

3)通过调整P_d值可以得到好的接触区。

图3为修形双自由度直线环面蜗杆传动和参数相同的直廓环面蜗杆传动的接触线和接触区分布情况图。其中，图3a)为修形双自由度直线环面蜗杆传动的瞬时接触线和接触区分布情况图，1′和1、2′和2、3′和3、4′和4分别是蜗轮齿面的左右接触区上对应于不同蜗杆转角

的一对瞬时接触线，但左接触区偏大，所以其上比右接触区多出两条瞬时接触线5′和6′，每条接触线上都计算了3个点：a、b和c；中部为蜗轮齿面的接触区，接触区分左接触区CDHG、右接触区ABNM，EF为曲率干涉界限，右接触区域EFNM是被切掉的一部分(虚线部分)；下部为啮合面边界线在蜗杆轴线5平面上的投影。图3b)为综合修形II型直廓环面蜗杆传动的瞬时接触线和接触区分布情况图，1′、2′、3′、4′和5′是左接触区上对应于不同蜗杆转角

的瞬时接触线簇，左接触区为A′B′C′D′。蜗轮齿面单线接触。

图3a)与图3b)相比，前者以双自由度方法加工，接触质量有很大提高：

1)蜗轮齿面上无易失效的二次接触区。

2)修形之后啮入端仍有相当一段双线接触区。

3)接触线覆盖蜗轮齿面，能充分利用蜗轮齿面。

具体实施方案

下面根据附图对本发明的实施例进行描述。

双自由度直线环面蜗杆加工方法可在普通滚齿机上实现。如图1所示，将环面蜗杆1的毛坯装在滚刀架上(图1蜗杆轴线5位置)，刀座3装在滚齿机工作台上(图1刀座轴线7位置)，两轴线垂直交错，中心距为a_d。由滚刀架得到环面蜗杆1的毛坯的转角

滚刀架沿立柱(平行于刀座轴线7)移动，相当于刀座3与之方向相反、位移相同相对于环面蜗杆1的毛坯的移动s；按环面蜗杆1的毛坯与刀座3的传动比i_1d计算滚比交换齿轮得到

由滚齿机的差动装置得附加转角两者合成工作台(即刀座3)的转角

车刀装在滚齿机工作台上，其直线刀刃8的初始位置在蜗杆轴线5的平面上，与半径为r_b的成形圆相切(见图1虚线所示位置)。车刀的直线刀刃8作双自由度运动，加工出双自由度直线环面蜗杆1的螺旋面。

大批量生产时可设计专用机床加工这种蜗杆。

用产形面与双自由度直线环面蜗杆螺旋面相同的蜗轮滚刀4，图1中以蜗轮滚刀4置换蜗杆1，将蜗轮2的毛坯装在蜗轮轴线6的位置置换刀座；蜗轮滚刀4和蜗轮2的毛坯的中心距和传动比分别为a和i₁₂，与环面蜗杆传动时相同，在滚齿机上加工蜗轮2的齿面。

设计原始型双自由度直线环面蜗杆时，取中心距a＝250mm，传动比i₁₂＝40/1，蜗杆成形圆直径d_b＝160mm，蜗杆喉部分度圆直径d₁＝90mm，选择P_d＝1098.9mm/rad，Δa＝0，Δi＝0，绘出瞬时接触线与接触区，蜗轮齿面全部接触而且环面蜗杆螺旋面全长工作，如图2a)所示。

设计修形双自由度直线环面蜗杆传动时，选择P_d＝1215.75mm/rad，取Δa＝1.2mm和Δi＝0.2双参数综合修形，得到瞬时接触线分布状况和接触区图形，如图3a)所示。

采用Δi和Δa双参数综合修形，参数的选择范围大，齿面接触质量高，效果好。宜先给出Δi值，便于按i_1d＝i₁₂+Δi确定滚比交换齿轮，然后由Δi值确定Δa值，从而得到相应的Δi和Δa双参数综合修形双自由度直线环面蜗杆传动。

发明人：李海涛，魏文军，董学朱

Claims (5)

1.双自由度直线环面蜗杆传动包括环面蜗杆(1)、蜗轮(2)、蜗杆轴线(5)、蜗轮轴线(6)，蜗杆轴线(5)与蜗轮轴线(6)垂直交错，公垂线段O₁O₂为中心距a，环面蜗杆(1)和蜗轮(2)的传动比为i₁₂，蜗轮(2)的齿面由与环面蜗杆(1)齿面相同的蜗轮滚刀(4)产形面展成，双自由度直线环面蜗杆传动分为原始型和修形型，其特征是，环面蜗杆(1)的齿面是由直线刀刃(8)作双自由度运动形成的螺旋面。

2.一种制造权利要求1所述的双自由度直线环面蜗杆传动的方法，包括刀座轴线(7)固定，环面蜗杆(1)和蜗轮滚刀(4)可互换地安装在同一蜗杆轴线(5)上，由刀座(3)上的直线刀刃(8)加工环面蜗杆(1)，刀座轴线(7)与蜗杆轴线(5)垂直交错，中心距为a_d＝a+Δa，Δa为中心距修形量，Δa可取正值、负值或0，环面蜗杆(1)与刀座(3)的传动比为i_1d，i_1d＝i₁₂+Δi，Δi为加工环面蜗杆(1)时传动比的修形量，Δi可取正值、负值或0，其特征在于，刀座(3)的轴心初始位置O₀在O₁O₂线上，环面蜗杆(1)转角为时，刀座(3)除按传动比i_1d转动外，还沿刀座轴线(7)移动s使刀座(3)的轴心移至O₃，根据环面蜗杆(1)的尺寸，s在零点附近一定范围内的正负区间内取值，刀座(3)的转角

则由两部分合成，即

其中

为刀座(3)由环面蜗杆(1)转角

按i_1d配滚比交换齿轮得到的转角，

为刀座(3)轴向移动s需要的附加转角，P_d为刀座(3)的位移s与附加转角

之比，是一个常量，刀座(3)安装初始位置与加工直廓环面蜗杆时相同，加工环面蜗杆(1)时，刀座(3)位移为s、转角为

直线刀刃(8)作双自由度运动：

和s是两个独立的运动参数，刀座(3)的转角

是

和s的函数，从而形成环面蜗杆(1)的螺旋面；用产形面与环面蜗杆(1)的螺旋面相同的蜗轮滚刀(4)，去替换环面蜗杆(1)展成蜗轮(2)的齿面。

3.根据权利要求2所述的双自由度直线环面蜗杆传动制造方法，其特征在于，通过合理选择刀座(3)的位移s与附加转角

的比值P_d，可以控制蜗轮(2)的齿面接触区和环面蜗杆(1)的有效工作长度。

4.根据权利要求2或3所述的双自由度直线环面蜗杆传动制造方法，其特征在于，在加工环面蜗杆(1)时，取Δa＝0和Δi＝0，即环面蜗杆(1)与刀座(3)的传动比i_1d＝i₁₂，中心距a_d＝a，与双自由度直线环面蜗杆传动的工作状况相同，刀座轴线(7)与蜗轮轴线(6)重合，直线刀刃(8)作双自由度运动，得到原始型双自由度直线环面蜗杆传动。

5.根据权利要求2或3所述的双自由度直线环面蜗杆传动制造方法，其特征在于，在加工环面蜗杆(1)时，取Δa＞0或Δi＜0的单参数修形，或者Δa和Δi双参数综合修形须满足Δa＞Δim_tz₁，m_t为蜗轮端面模数，z₁为环面蜗杆头数，直线刀刃(8)作双自由度运动，得到修形型双自由度直线环面蜗杆传动。

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