CN101745703A - 一种角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副及其制造方法。其技术方案是：先制造环面蜗杆，以双圆环面盘形砂轮[2]磨削环面蜗杆毛坯[1]，刀座轴线k_od与蜗杆毛坯[1]轴线k_ol夹角为90°加轴线偏转角Δ∑；刀座作螺旋运动，参数为p_d；蜗杆毛坯[1]与刀座间的传动比为i_ld，中心距为a_d，角修形参数Δ∑、i_ld、a_d和p_d按本技术方案的公式确定。再滚切蜗轮，所用环面滚刀的产形面与上述环面蜗杆螺旋面相一致；刀具与蜗轮毛坯的相对位置和相对运动与相应的环面蜗杆副相同，作径向进给，直至环面滚刀与蜗轮毛坯中心距等于蜗杆副中心距a。本发明制造的角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副承载能力大、传动效率高、使用寿命长，可以用于多头数、小传动比的情况。

Description

一种角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副及其制造方法

技术领域

本发明属于二次包络环面蜗杆副制造技术领域，具体涉及一种角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副及其制造方法。

背景技术

双圆环面二次包络环面蜗杆传动，以圆环面作为蜗杆螺旋面的产形母面，可以同时加工蜗杆齿槽的两侧螺旋面；蜗轮齿面由产形面与蜗杆螺旋面一致的环面滚刀范成。除了出色的制造工艺性和能够应用于多头数、小传动比的场合外，双圆环面二包传动还具备一系列优良的啮合特性，例如蜗杆双线工作区长，蜗轮齿面接触区宽阔且瞬时接触线分布合理，诱导主曲率值合乎等强度原则及润滑特性优良等。

不过，与传统环面蜗杆传动相似，双圆环面二包副蜗轮齿面中部也存在二次接触区，该区域内瞬时接触线相互交叉，蜗杆蜗轮接触频率高，容易发生疲劳点蚀。由此可见，二次接触区是蜗轮齿面的薄弱部位，制约着传动副承载能力的充分发挥与进一步提高。

发明内容

本发明旨在克服已有技术缺陷，目的在于提供一种蜗轮齿面不存在二次接触区且与环面蜗杆螺旋面密切的角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副及其制造方法，用该方法制造的角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副承载能力大、传动效率高、使用寿命长，可以用于多头数、小传动比的情况。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该种角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副的制造方法按以下两个步骤进行：

第一步：制造环面蜗杆，以安装于刀座上的双圆环面盘形砂轮[2]磨削展成与动坐标系σ₁(o₁；i₁，j₁，k₁)相固连的环面蜗杆毛坯[1]，刀座与动坐标系σ_d(o_d；i_d，j_d，k_d)相固连，相对于刀座静坐标系σ_od(o_od；i_od，j_od，k_od)做螺旋运动，刀座的螺旋运动参数为p_d，环面蜗杆毛坯[1]相对于环面蜗杆静坐标系σ_o1(o₁；i_o1，j_o1，k_o1)做回转运动。

若以向上方向为刀座轴线k_od的正向和从左向右方向为环面蜗杆毛坯[1]轴线k_o1的正向，则刀座轴线k_od的正向与环面蜗杆毛坯[1]轴线k_o1的正向夹角为90°加轴线偏转角Δ∑。

轴线偏转角Δ∑是相对于加工无修形的(标准的)双圆环面包络环面蜗杆而言的，加工无修形的(标准的)双圆环面包络环面蜗杆时，刀座轴线与环面蜗杆毛坯[1]轴线相互垂直；加工本发明所述的角修正型双圆环面包络环面蜗杆时，刀座轴线与环面蜗杆毛坯[1]轴线不垂直，刀座轴线相对于与环面蜗杆毛坯[1]轴线垂直的位置，偏转的角度为轴线偏转角Δ∑。

轴线偏转角Δ∑和环面蜗杆毛坯[1]与刀座间的工艺传动比i_1d为基本角修形参数，二者中任意一个给定后，另一个按如下公式确定：

i_1d＝i₁₂cosΔ∑-sinΔ∑                             (1)

或

$\mathrm{\Δ\Σ}=\arccos \frac{i_{1d}}{\sqrt{i_{12}^2+1}}-\arcsin \frac{1}{i_{12}}$ (2)

式(1)和(2)中：

i₁₂为环面蜗杆副的传动比。

刀座轴线k_od和环面蜗杆毛坯[1]轴线k_o1的公垂线段的长度为加工环面蜗杆毛坯[1]的工艺中心距a_d。

第二步：制造蜗轮，用环面滚刀滚切蜗轮毛坯，该环面滚刀的产形面与第一步所述的环面蜗杆螺旋面相一致；滚切过程中，环面滚刀轴线与蜗轮毛坯轴线相互垂直，环面滚刀与蜗轮毛坯间的传动比为蜗杆副的传动比i₁₂，环面滚刀作径向进给，直至环面滚刀轴线与蜗轮毛坯轴线的公垂线段长度等于蜗杆副中心距a。

由一次包络得到的环面蜗杆螺旋齿面与二次包络得到的蜗轮齿面相啮合，形成角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副。

在上述技术方案中：双圆环面盘形砂轮[2]具有两个关于中间平面对称的圆环形产形面，双圆环面盘形砂轮[2]轴截面内的工作廓线是圆弧；加工环面蜗杆毛坯[1]的工艺中心距a_d为

a_d＝acos²Δ∑；                        (3)

刀座的螺旋运动参数p_d为

$p_d=\frac{a\sin \mathrm{\Δ\Σ}}{i_{12}-\tan \mathrm{\Δ\Σ}}$ (4)

由于采用上述技术方案，本发明除了具备标准的双圆环面二包传动承载能力大、传动效率高、使用寿命长等优点之外，还具备以下特点：

(1)环面蜗杆螺旋面、蜗轮齿面名义原接触区及新接触区三者相互密切，沿瞬时接触线奇点轨迹互相交叉，因此名义原接触区及新接触区各自只有一部分保留在蜗轮齿面上。虽然环面蜗杆螺旋面和新接触区的贴近程度远远超过它和名义原接触区的贴近程度，但相对于标准的双圆环面二包传动，名义原接触区的微观啮合质量还是得到了改善。

(2)与标准传动不同，蜗轮齿面瞬时接触线奇点轨迹不再是名义原接触线族的包络线，名义原接触线与蜗轮齿面瞬时接触线奇点轨迹相交于二次包络二界共轭点。二次包络二界共轭点一侧的名义原接触线在蜗轮齿面上保留下来，形成名义原接触区；另一侧的名义原接触线(对应于标准的双圆环面二包传动蜗杆螺旋面单线工作区和蜗轮齿面二次接触区)进入蜗杆实体，不能参与实际啮合。因此，蜗轮齿面的二次接触区被切去，瞬时接触线分布稀疏、均匀且无交叉。同时环面蜗杆只能部分地参与啮合，但是环面蜗杆的全部工作长度都是双线工作区。

(3)由于可以通过刀座轴线偏转角Δ∑调节双圆环面盘形砂轮[2]轴线与环面蜗杆毛坯[1]轴线的夹角，因此能够灵活、方便地保证角修正双圆环面包络环面蜗杆的边齿项厚。这一点对于磨削多头数角修正环面蜗杆极为有利，同时也是本发明所述环面蜗杆传动能够用于多头数、小传动比场合的重要原因之一。

附图说明

图1为本发明的一种加工环面蜗杆毛坯[1]的位置示意图；

图2为本发明磨削环面蜗杆毛坯[1]所用双圆环面盘形砂轮[2]的轴截面图；

图3为本发明加工的蜗轮齿面共轭区与瞬时接触线族的示意图；

图4为本发明加工的环面蜗杆螺旋面上接触区的投影边界及瞬时接触线族的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的描述，并非对保护范围的限制。

实施例1

一种角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副及其制造方法。本实施例1的制造方法采用以下两个步骤进行：

第一步：制造环面蜗杆，如图1和2所示：以安装于刀座上的双圆环面盘形砂轮[2]磨削展成与动坐标系σ₁(o₁；i₁，j₁，k₁)相固连的环面蜗杆毛坯[1]，刀座与动坐标系σ_d(o_d；i_d，j_d，k_d)相固连，相对于刀座静坐标系σ_od(o_od；i_od，j_od，k_od)做螺旋运动，刀座的螺旋运动参数为p_d，环面蜗杆毛坯[1]相对于环面蜗杆静坐标系σ_o1(o₁；i_o1，j_o1，k_o1)做回转运动。

若以向上方向为刀座轴线k_od的正向和从左向右方向为环面蜗杆毛坯[1]轴线k_o1的正向，则刀座轴线k_od的正向与环面蜗杆毛坯[1]轴线k_o1的正向夹角为90°加轴线偏转角Δ∑。

轴线偏转角Δ∑是相对于加工无修形的(标准的)双圆环面包络环面蜗杆而言的，加工无修形的(标准的)双圆环面包络环面蜗杆时，刀座轴线与环面蜗杆毛坯[1]轴线相互垂直；加工本发明所述的角修正型双圆环面包络环面蜗杆时，刀座轴线与环面蜗杆毛坯[1]轴线不垂直，刀座轴线相对于与环面蜗杆毛坯[1]轴线垂直的位置，偏转的角度为轴线偏转角Δ∑。

轴线偏转角Δ∑和环面蜗杆毛坯[1]与刀座间的工艺传动比i_1d为基本角修形参数，二者中任意一个给定后，另一个按如下公式确定：

i_1d＝i₁₂cosΔ∑-sinΔ∑

或

$\mathrm{\Δ\Σ}=\arccos \frac{i_{1d}}{\sqrt{i_{12}^2+1}}-\arctan \frac{1}{i_{12}}$

式(1)和(2)中：

i₁₂为环面蜗杆副的传动比。

刀座轴线k_od和环面蜗杆毛坯[1]轴线k_o1的公垂线段的长度为加工环面蜗杆毛坯[1]的工艺中心距a_d。

本实施例1中，环面蜗杆与蜗轮的中心距a＝200mm，环面蜗杆的头数Z₁＝3，环面蜗杆与蜗轮传动比i₁₂＝12。由于环面蜗杆头数少、传动比大，可以选定工艺传动比i_1d为基本角修形变量，取i_1d＝11.4＜i₁₂，根据式(2)可得到

刀座轴线k_od和环面蜗杆毛坯[1]轴线k_o1的公垂线段的长度为加工蜗杆的工艺中心距a_d，根据式(3)和实施例1计算得到的Δ∑，得到

a_d＝acos²Δ∑＝200×(cos14.02°)²＝188.26mm

且刀座的螺旋运动参数p_d为：

第二步：制造蜗轮，用环面滚刀滚切蜗轮毛坯，该环面滚刀的产形面与第一步所述的环面蜗杆螺旋面相一致；滚切过程中，环面滚刀轴线与蜗轮毛坯轴线相互垂直，环面滚刀与蜗轮毛坯间的传动比为蜗杆副的传动比i₁₂＝12，环面滚刀作径向进给，直至环面滚刀轴线与蜗轮毛坯轴线的公垂线段长度等于蜗杆副中心距a＝200mm。

由一次包络得到的环面蜗杆螺旋齿面与二次包络得到的蜗轮齿面相啮合，形成角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副。

所述的双圆环面盘形砂轮[2]如图2所示，具有两个关于中间平面对称的圆环形产形面[I]和[II]，该双圆环面盘形砂轮[2]轴截面内的工作廓线AB和A′B′是圆弧。

本实施例蜗轮齿面上的共轭区和瞬时接触线族，和相应的投影在坐标系(o₁；j_o1，k_o1)中的蜗杆螺旋面上的共轭区和瞬时接触线族，如图3和图4所示。蜗轮齿面共轭区ABHG宽阔，覆盖了大部分蜗轮齿面。EF线是传动副瞬时接触线奇点的轨迹，蜗轮齿面上，名义原接触区ABFE与二次包络新接触区EFHG，沿该线光滑相连。蜗轮齿面上，名义原接触线a，b，…与新接触线a′，b′，…相交在二包二界共轭点。名义原接触线位于该点一侧的部分，保留在蜗轮齿面上，形成名义原接触区ABFE；另一侧的部分进入蜗杆实体，不能参与实际啮合，因此与之相对应的二次接触区在蜗轮齿面上不复存在。同时造成蜗杆螺旋面上，啮出端与EF线之间的部分不能参与和蜗轮的实际啮合，形成无效区，但是蜗杆的整个工作长度，在理论上都是双线工作区。

此外，名义原接触区ABFE、二次包络新接触区EFHG以及蜗杆螺旋面，沿EF线相互交叉、相互密切。因此，名义原接触区ABFE与蜗杆螺旋面的诱导主曲率小、接触应力水平降低。

实施例2

一种角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副，由环面蜗杆及蜗轮组成，环面蜗杆与蜗轮的中心距为a＝320mm，环面蜗杆的头数Z₁＝12，环面蜗杆与蜗轮传动比i₁₂＝4。

由于蜗杆头数多、传动比小，可以选定刀座轴线偏转角Δ∑为基本角修形变量，取Δ∑＝20°，于是能够算出工艺传动比i_1d为

i_1d＝i₁₂cosΔ∑-sinΔ∑＝4×cos20°-sin20°＝3.42

进而得到工艺中心距a_d和刀座的螺旋运动参数p_d分别为

a_d＝acos²Δ∑＝320×(cos20°)²＝282.57nm

其余同实施例1。

本实施例，不但具备角修正型双圆环面二包传动的一系列优良啮合特性，例如：蜗轮齿面无二次接触区，整个共轭区覆盖大部分蜗轮齿面且和蜗杆螺旋面密切，蜗杆也具备较长的工作长度；同时环面蜗杆具备足够的边齿顶厚，也不发生根切。这就说明角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆传动能够应用于多头数、小传动比的场合。

本具体实施方式除了具备标准双圆环面二包传动承载能力大、传动效率高、使用寿命长等优点之外，还具备以下特点：

(1)环面蜗杆螺旋面、蜗轮齿面名义原接触区及新接触区三者相互密切，沿瞬时接触线奇点轨迹互相交叉，因此名义原接触区及新接触区各自只有一部分保留在蜗轮齿面上。虽然环面蜗杆螺旋面和新接触区的贴近程度远远超过它和名义原接触区的贴近程度，但相对于标准的双圆环面二包传动，名义原接触区的微观啮合质量还是得到了改善。

(2)与标准传动不同，蜗轮齿面瞬时接触线奇点轨迹不再是名义原接触线族的包络线，名义原接触线与蜗轮齿面瞬时接触线奇点轨迹相交于二次包络二界共轭点。二次包络二界共轭点一侧的名义原接触线在蜗轮齿面上保留下来，形成名义原接触区；另一侧的名义原接触线(对应于标准的双圆环面二包传动蜗杆螺旋面单线工作区和蜗轮齿面二次接触区)进入蜗杆实体，不能参与实际啮合。因此，蜗轮齿面的二次接触区被切去，瞬时接触线分布稀疏、均匀且无交叉。同时环面蜗杆只能部分地参与啮合，但是环面蜗杆的全部工作长度都是双线工作区。

(3)由于可以通过刀座轴线偏转角Δ∑调节双圆环面盘形砂轮[2]轴线与环面蜗杆毛坯[1]轴线的夹角，因此能够灵活、方便地保证角修正双圆环面包络环面蜗杆的边齿顶厚。这一点对于磨削多头数角修正环面蜗杆极为有利，同时也是本发明所述环面蜗杆传动能够用于多头数、小传动比场合的重要原因之一。

Claims (4)

1.一种角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副的制造方法，其特征在于按以下两个步骤进行：

第一步：制造环面蜗杆，以安装于刀座上的双圆环面盘形砂轮[2]磨削展成与动坐标系σ₁(o₁；i₁，j₁，k₁)相固连的环面蜗杆毛坯[1]，刀座与动坐标系σ_d(o_d；i_d，j_d，k_d)相固连，相对于刀座静坐标系σ_od(o_od；i_od，j_od，k_od)做螺旋运动，刀座的螺旋运动参数为p_d，环面蜗杆毛坯[1]相对于环面蜗杆静坐标系σ_o1(o₁；i_o1，j_o1，k_o1)做回转运动；

若以向上方向为刀座轴线k_od的正向和从左向右方向为环面蜗杆毛坯[1]轴线k_o1的正向，则刀座轴线k_od的正向与环面蜗杆毛坯[1]轴线k_o1的正向夹角为90°加轴线偏转角Δ∑；

轴线偏转角Δ∑和环面蜗杆毛坯[1]与刀座间的工艺传动比i_1d为基本角修形参数，二者中任意一个给定后，另一个按如下公式确定：

i_1d＝i₁₂ cosΔ∑-sinΔ∑(1)

或

$\mathrm{\Δ\Σ}=\arccos \frac{i_{1d}}{\sqrt{i_{12}^2+1}}-\arctan \frac{1}{i_{12}}---\left(2\right)$

式(1)和(2)中：

i₁₂为环面蜗杆副的传动比；

刀座轴线k_od和环面蜗杆毛坯[1]轴线k_o1的公垂线段的长度为加工环面蜗杆毛坯[1]的工艺中心距a_d；

第二步：制造蜗轮，用环面滚刀滚切蜗轮毛坯，该环面滚刀的产形面与第一步所述的环面蜗杆螺旋面相一致；滚切过程中，环面滚刀轴线与蜗轮毛坯轴线相互垂直，环面滚刀与蜗轮毛坯间的传动比为蜗杆副的传动比i₁₂，环面滚刀作径向进给，直至环面滚刀轴线与蜗轮毛坯轴线的公垂线段长度等于蜗杆副中心距a；

由一次包络得到的环面蜗杆螺旋齿面与二次包络得到的蜗轮齿面相啮合，形成角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副。

2.根据权利要求1所述的角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副，其特征在于所述的双圆环面盘形砂轮[2]具有两个关于中间平面对称的圆环形产形面，双圆环面盘形砂轮[2]轴截面内的工作廓线是圆弧。

3.根据权利要求1所述的角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副，其特征在于所述的加工环面蜗杆毛坯[1]的工艺中心距a_d为

a_d＝a cos²Δ∑；(3)

刀座的螺旋运动参数p_d为

$p_d=\frac{a\sin \mathrm{\Δ\Σ}}{i_{12}-\tan \mathrm{\Δ\Σ}}$

4.根据权利要求1所述的角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副制造方法所制造的角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副。

Images