CN102672283A - 一种偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，包括如下步骤：a.根据实加工参数与蜗杆设计原理，确定蜗杆的齿面方程；b.根据蜗杆的齿面方程以及齿面啮合理论，按照蜗轮蜗杆的安装位置，得出蜗轮的齿面方程；c.对蜗轮进行齿向和齿廓修形，使蜗轮和蜗杆形成接触区为椭圆形的点接触，并且接触区的长轴方向垂直于蜗轮和蜗杆的齿面的相对运动方向，以形成极压润滑的有利接触条件。本发明在设计出相互啮合的蜗轮和蜗杆后，对蜗轮进行了修形，使齿面啮合成为点接触，方便调整啮合印痕，吸收安装误差，同时使蜗轮蜗杆的接触区为椭圆形，并使接触区的长轴垂直于蜗轮和蜗杆的齿面相对运动的方向，以便使相互啮合的蜗轮和蜗杆得到状态良好的润滑状态。

Description

一种偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法

技术领域

本发明属于蜗杆传动技术领域，主要涉及一种偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法。 

背景技术

偏置蜗杆传动是一种用于两交错轴之间运动传递的新型蜗杆传动，偏置蜗杆传动的蜗杆可以是圆锥形或圆柱形，分别称为锥蜗杆或圆柱蜗杆，该蜗杆与蜗轮的轴线有一夹角，所以这种传动形式称为偏置蜗杆传动。 

偏置蜗杆传动具有重量轻、重合度大、承载能力强、效率高等优点，特别适合大减速比、小体积、大功率、冲击强、需要平顺工作以及可以实现齿侧间隙主动控制的场合。另外，偏置蜗杆传动时，瞬时接触线切线方向与相对滑动速度夹角接近90°，当齿面光洁度较高，并采用极压润滑油时，容易实现良好的液体动力润滑，因而可用渗碳淬火钢或氮化钢替代青铜或铸铁做锥蜗轮材料，因此，在各类机械传动领域中，该传动形式得到快速的推广使用。 

传统的偏置蜗杆传动设计，以蜗杆的加工为主，据此确定机床加工参数和蜗杆滚刀参数，对相配对的蜗轮进行加工，然后验证加工后的偏置蜗杆副是否满足传动性能，并反复这一过程，这种方法具有一定的主观性和不确定性，极大地依赖设计者的经验，不能充分满足偏置蜗杆传动性能的要求。申请号为97125884.8的中国专利说明书公开了一种点-线接触偏置蜗杆传动装置及其制造方法，该发明提供了一种能提高承载能力和传动效率并可实现齿面点啮合传动的偏置蜗杆传动，但采用该方法设计出来的蜗杆不能对接触区的形状和位置进行控制，从而难以控制偏置蜗杆传动副的啮合质量。申请号为200910067019.7的中国专利说明书公开了一种双导程直线接触偏置蜗杆的设计与制造方法，该发明使蜗轮和蜗杆的结构简单， 可以使用现有的机床和刀具切削齿面，但也不能有效控制接触区的形状和位置，不能形成有效的极压润滑接触条件。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，以解决现有技术中在设计偏置蜗杆蜗轮时因无法控制接触区的形状和位置而造成的传动润滑效果不好的问题。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，该方法包括如下步骤： 

a.根据实际加工参数与蜗杆设计原理，确定蜗杆的齿面方程； 

b.根据蜗杆的齿面方程以及齿面啮合理论，按照蜗轮蜗杆的安装位置，得出与蜗杆完全共轭的蜗轮的齿面方程； 

c.对蜗轮进行齿向和齿廓修形，使蜗轮和蜗杆形成接触区为椭圆形的点接触，并且接触区的长轴方向垂直于蜗轮和蜗杆的齿面的相对运动方向，以形成极压润滑的有利接触条件。 

所述蜗杆采用成型盘铣刀进行加工，蜗杆的齿面方程根据成型盘铣刀的齿面方程与实际加工参数得出。 

所述蜗轮的齿面方程按如下公式得出： 

r₂＝M_2oM_o1r₁

$M_{o1}=\left[\begin{array}{cccc}\cos {\mathrm{\φ}}_1& 0& -{\sin \mathrm{\φ}}_1& 0\\ 0& 1& 0& H\\ \sin {\mathrm{\φ}}_1& 0& \cos {\mathrm{\φ}}_1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$M_{2o}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -J\\ 0& {\cos \mathrm{\φ}}_2& \sin {\mathrm{\φ}}_2& -E{\sin \mathrm{\φ}}_2\\ 0& -\sin {\mathrm{\φ}}_2& \cos {\mathrm{\φ}}_2& -\mathrm{Eos}{\mathrm{\φ}}_2\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中：r₂为蜗轮的齿面方程；r₁为蜗杆的齿面方程，H、E、J为蜗杆坐标系S₁的坐标原点o₁和蜗轮S₂的坐标原点o₂相对于固定坐标系 S_o(x，y，z)的安装位置，H为o₁相对于固定坐标系原点在y向的坐标，E为o₂相对于固定坐标系原点在z向的坐标，J为o₂相对于固定坐标系原点在x向的坐标，Φ₁为蜗杆转动的角度，Φ₂为蜗轮转动的角度，Φ₁与Φ₂的比值为传动比。 

蜗杆加工时，将成型盘铣刀的轴线与蜗杆的轴线之间的夹角调整为蜗杆的导程角，蜗杆绕其轴线旋转，成型盘铣刀旋转并沿蜗杆母线方向等导程移动，从而加工出蜗杆；或者成型盘铣刀仅旋转，蜗杆旋转并沿其母线方向等导程移动，从而加工出蜗杆。所述的蜗杆为单导程蜗杆或双导程蜗杆。 

所述的蜗轮在数控加工中心上采用指形铣刀进行加工。 

先加工出蜗轮的模具，然后采用精锻的方法加工出蜗轮。 

本发明在设计出相互啮合的蜗轮和蜗杆后，对蜗轮进行了修形，使齿面啮合成为点接触，方便调整啮合印痕，吸收安装误差，同时使得蜗轮蜗杆的接触区为椭圆形，并使接触区的长轴方向垂直于蜗轮和蜗杆的齿面相对运动的方向，能使得相互啮合的蜗轮和蜗杆得到状态良好的润滑状态。 

本发明的蜗杆是采用成型盘铣刀进行加工的，优化了动态啮合性能，不需要制造蜗轮滚刀，克服了传统制造中蜗轮滚刀难以制造的问题，减少了制造成本。 

附图说明

图1为蜗杆的加工示意图； 

图2为根据蜗杆的齿面方程推导蜗轮的齿面方程的坐标转换图； 

图3为本发明实施例的偏置蜗杆副的啮合示意图； 

图4为对蜗轮进行修形的示意图。 

具体实施方式

一种偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法的实施例，该方法中的蜗杆是通过成型盘铣刀进行加工的，首先，根据成型盘铣刀的齿面方程与实际加工参数，再结合蜗杆设计原理确定蜗杆的齿面方程；如图1所示，在进行蜗杆加工时，将成型盘铣刀1的轴线与蜗杆胚2的轴线之间的夹角调整为蜗杆的导 程角，蜗杆胚2保持不动，成型盘铣刀1沿蜗杆母线方向等导程移动，从而加工出蜗杆；然后，根据蜗杆的齿面方程以及齿面啮合理论，按照蜗轮和蜗杆的安装位置，得出与蜗杆完全共轭的蜗轮的齿面方程。 

如图3所示为全共轭的偏置蜗杆传动副的啮合示意图，蜗杆3与蜗轮4啮合传动。依据这种传动方式可以得到齿面与蜗杆齿面完全共轭的蜗轮的齿面方程。 

如图2所示，蜗杆绕y轴旋转，蜗轮绕x轴旋转，H，E，J分别是蜗杆和蜗轮的安装位置，H为o₁相对于固定坐标系原点在y向的坐标，E为o₂相对于固定坐标系原点在z向的坐标，J为o₂相对于固定坐标系原点在x向的坐标，Φ₁为蜗杆转动的角度，Φ₂为蜗轮转动的角度，Φ₁与Φ₂的比值为传动比，蜗杆转动Φ₁角，蜗轮Φ₂角，Φ₁与Φ₂的比值为传动比，蜗杆的齿面方程可以根据成形成型盘铣刀的齿面方程，按照实际的加工参数推导得到，设蜗杆的齿面方程为r₁，蜗轮的齿面方程r₂按照如下的公式进行坐标转换得到：蜗轮的齿面方程按如下公式得出： 

r₂＝M_2oM_o1r₁

$M_{o1}=\left[\begin{array}{cccc}\cos {\mathrm{\φ}}_1& 0& -{\sin \mathrm{\φ}}_1& 0\\ 0& 1& 0& H\\ \sin {\mathrm{\φ}}_1& 0& \cos {\mathrm{\φ}}_1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$M_{2o}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -J\\ 0& {\cos \mathrm{\φ}}_2& \sin {\mathrm{\φ}}_2& -E{\sin \mathrm{\φ}}_2\\ 0& -\sin {\mathrm{\φ}}_2& \cos {\mathrm{\φ}}_2& -\mathrm{Eos}{\mathrm{\φ}}_2\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

蜗轮是在数控加工中心上采用指形铣刀加工成型的。 

本实施例的蜗杆为单导程蜗杆。 

最后，为了使蜗杆蜗轮形成理想的接触区，需要对蜗轮齿面进行修形，如附图4所示，这里的修型包括齿廓修形5和齿向修形6，修形后，使蜗轮和蜗杆形成接触区为椭圆形的点接触，并且使接触区7的长轴方向垂直于蜗轮和蜗 杆的齿面的相对运动方向8，以形成极压润滑的有利接触条件。 

本实施例中在进行蜗杆加工时，蜗杆保持不动，成型盘铣刀沿蜗杆母线方向等导程移动，也可以让成型盘铣刀不动，蜗杆沿其母线方向等导程移动。 

本实施例中的蜗杆为单导程蜗杆，也可以是双导程蜗杆。 

本实施例中的蜗轮在数控加工中心上采用指形铣刀进行加工，也可以先加工出蜗轮的模具，然后采用精锻的方法加工出蜗轮。 

实例分析： 

按照所述的方法，设计偏置蜗杆头数为1，节锥角为5度，节圆半径为30毫米，沿节锥母线模数为4，锥蜗轮齿数51，成形成型盘铣刀直径为100毫米，成型盘铣刀的齿形角为20度，蜗杆螺旋方向为右旋，蜗杆中点导程角为7度，蜗轮分锥角82度，蜗杆中点半径15毫米，中心偏距25.4，蜗杆和蜗轮的中心距为100毫米，蜗轮齿廓修形参数中凸量为0.01毫米，齿向修形参数0.02毫米。 

Claims (7)

1.一种偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

a.根据实际加工参数与蜗杆设计原理，确定蜗杆的齿面方程；

b.根据蜗杆的齿面方程以及齿面啮合理论，按照蜗轮蜗杆的安装位置，得出与蜗杆完全共轭的蜗轮的齿面方程；

c.对蜗轮进行齿向和齿廓修形，使蜗轮和蜗杆形成接触区为椭圆形的点接触，并且接触区的长轴方向垂直于蜗轮和蜗杆的齿面的相对运动方向，以形成极压润滑的有利接触条件。

2.根据权利要求1所述的偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，其特征在于：所述蜗杆采用成型盘铣刀进行加工，蜗杆的齿面方程根据成型盘铣刀的齿面方程与实际加工参数得出。

3.根据权利要求1或2所述的偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，其特征在于：所述蜗轮的齿面方程按如下公式得出：

r₂＝M_2oM_o1r₁

$M_{o1}=\left[\begin{array}{cccc}\cos {\mathrm{\φ}}_1& 0& -{\sin \mathrm{\φ}}_1& 0\\ 0& 1& 0& H\\ \sin {\mathrm{\φ}}_1& 0& \cos {\mathrm{\φ}}_1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$M_{2o}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -J\\ 0& {\cos \mathrm{\φ}}_2& \sin {\mathrm{\φ}}_2& -E{\sin \mathrm{\φ}}_2\\ 0& -\sin {\mathrm{\φ}}_2& \cos {\mathrm{\φ}}_2& -\mathrm{Eos}{\mathrm{\φ}}_2\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中：r₂为蜗轮的齿面方程；r₁为蜗杆的齿面方程，H、E、J为蜗杆坐标系S₁的坐标原点o₁和蜗轮S₂的坐标原点o₂相对于固定坐标系S_o(x，y，z)的安装位置，H为o₁相对于固定坐标系原点在y向的坐标，E为o₂相对于固定坐标系原点在z向的坐标，J为o₂相对于固定坐标系原点在x向的坐标，Φ₁为蜗杆转动的角度，Φ₂为蜗轮转动的角度，Φ₁与Φ₂的比值为传动比。

4.根据权利要求2所述的偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，其特征在于：在进行蜗杆加工时，将成型盘铣刀的轴线与蜗杆的轴线之间的夹角调整为蜗杆的导程角，蜗杆绕其轴线旋转，成型盘铣刀旋转并沿蜗杆母线方向等导程移动，从而加工出蜗杆；或者成型盘铣刀仅旋转，蜗杆旋转并沿其母线方向等导程移动，从而加工出蜗杆。

5.根据权利要求3所述的偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，其特征在于：所述的蜗杆为单导程蜗杆或双导程蜗杆。

6.根据权利要求5所述的偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，其特征在于：所述的蜗轮在数控加工中心上采用指形铣刀进行加工。

7.根据权利要求5所述的偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，其特征在于：先加工出蜗轮的模具，然后采用精锻的方法加工出蜗轮。

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