CN103742601A - 精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动 - Google Patents

精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动，包括齿轮和环面蜗杆，所述齿轮采用硬齿面耐磨材料制成，齿轮的齿面为渐开面，且轮齿沿其轴向呈楔形；环面蜗杆采用中硬材料制成，且环面蜗杆的两侧齿面是分别以齿轮的相应两侧渐开螺旋齿面为母面，按齿轮与环面蜗杆之间的啮合关系展成运动形成的包络面。该发明传动比范围大、承载能力高、传动可靠性高、易实现高精度加工，且可通过变齿厚渐开线齿轮轴向位置的移动进行齿侧间隙调整和齿面磨损量补偿，适用于电梯曳引机、机床分度台、工业机器人、雷达和火炮俯仰及回转系统等精密重载设备中。

Description

精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动
技术领域
本发明属于机械传动领域，尤其是属于蜗杆传动中的精密重载蜗杆传动。
背景技术
蜗杆传动属于交错轴传动，具有结构紧凑、传动平稳、噪音低及运动误差小等特点。长期以来，国内外通常把蜗杆传动分为“运动传动”和“动力传动”两大类，前者主要考虑的是如何提高蜗杆传动的“精度”；后者主要考虑的是如何使蜗杆传动达到“重载、高效、高寿”。然而，随着生产力和工业技术的发展，电梯曳引机、机床分度台、工业机器人、雷达和火炮俯仰及回转系统等行业急切需要一种承载能力大、精度高、齿侧间隙可调并能补偿磨损量的精密重载蜗杆传动。
目前，用于“动力传动”的重载蜗杆传动以圆弧齿圆柱蜗杆传动(尼曼蜗杆传动)和环面蜗杆传动(直廓环面蜗杆传动、平面包络环面蜗杆传动、锥面包络环面蜗杆传动及渐开面包络环面蜗杆传动)为主，其具备凸凹接触、多齿啮合等特点，因而承载能力高；但存在加工精度低、齿侧间隙不可调、齿面磨损量不能补偿等不足。而且，现有蜗杆传动的蜗轮材料都采用铜合金，其主要原因是：现有蜗杆传动的原理为蜗杆包络蜗轮，故蜗轮齿面为复杂曲面，只能滚切加工、无法精确磨削加工，齿面精度低，需要软材料(铜蜗轮)与硬材料(钢蜗杆)配对进行跑和，同时提高抗胶合能力。
用于“运动传动”的精密蜗杆传动有以下六种：
双导程圆柱蜗杆传动，它的蜗杆是由两侧齿面模数大小不等的圆柱蜗杆，其两侧螺旋齿面的导程不等，由于导程差的积累，使蜗杆的齿厚沿其轴线逐渐变化；蜗轮由相应的复合模数滚刀加工而成。调整蜗杆的轴向位置，可调整传动副的齿侧间隙或补偿轮齿的磨损量。该传动已被国内外应用于滚齿机等的精密分布机构中。该传动的主要不足在于：a) 加工蜗轮的复合模数滚刀铲磨困难，蜗轮不可磨削，精密制造成本高；b) 蜗轮蜗杆啮合传动时相邻齿对的齿侧间隙不相等，不能保证每对齿的齿侧间隙都符合精度要求；c) 蜗轮与蜗杆同时啮合的齿对数极小、承载能力低、易磨损、精度寿命短，难以胜任高速精密运动或重载精密运动的要求。
威氏蜗杆传动，它的蜗杆齿面是以正平面为母面，按蜗轮与蜗杆的啮合关系作展成运动形成的包络面，因此用简单的方法即可实现齿面磨削，这一优点使得该蜗杆可以采用淬火钢制造，以承受重的静载荷和低速载荷。由于其蜗轮齿两侧面的接触区成反对称分布，故当将其沿齿宽中央平面剖分制造时，通过相对于蜗轮周向转动两半个蜗轮，便可以达到调整或补偿齿侧间隙的目的，适用于精密蜗杆传动。该传动的不足之处在于：a) 由正平面包络形成的环面蜗杆，当传动比较小时，蜗杆入口端的齿面将产生根切；b) 由于错位消隙的缘故，两半个蜗轮分别于与蜗杆左右两齿面同时接触，蜗杆传动齿面间的相对滑动速度较大，故导致齿面容易磨损且传动效率低；c) 若采用键连接蜗轮与轴，为保证起哄半个蜗轮相对于另半个蜗轮错位传动，务必要将蜗轮的键槽随错位加宽，这给传动的侧隙调整带来了不便。
OTT分段式圆柱蜗杆传动及Cone分段式环面蜗杆传动：德国OTT公司和美国Cone Drive公司先后推出了分段式精密蜗杆传动，其蜗杆由半截蜗杆轴和半截空心蜗杆组成的，蜗轮齿面进行合理的修形，使其能够适应蜗杆的剖分式设计。齿侧间隙调整在蜗杆轴固定、空心蜗杆受一定轴向预紧力的情况下进行，通过旋转空心蜗杆，使得两截蜗杆的工作面与蜗轮齿发生接触，设置好齿侧间隙，用涨紧套将两截蜗杆固联，齿侧间隙的调整较方便，在磨损后重新调整齿侧间隙也能获得满意的接触状态。该传动的不足之处在于：a) 两段蜗杆通过涨紧套固连，其受力结构不好且调整较为不便；b) 正反转时分别只有其中一段蜗杆与蜗轮正常啮合，故其同时啮合的齿数对是正常情况的一半、承载能力较低。
变齿厚圆柱齿轮蜗杆副，该传动是一种以变齿厚圆柱齿轮作为蜗轮，和与之共轭的包络环面蜗杆构成的可调整齿侧间隙的一次包络环面蜗杆副，可用于小侧隙或无侧隙的精密分度场合等。该传动的不足之处在于：负载运行后蜗轮齿面和蜗杆齿面均会发生磨损，然后齿面磨损后无法进行侧隙间隙补偿。
侧隙可调式平面包络环面蜗杆传动，该传动的蜗轮轮齿的两侧齿平面倾角不等，轮齿沿轴向呈楔形，并使左右两侧齿面的接触线都落在轮齿偏薄的半边，因而通过轴向移位，可以实现全部齿侧间隙的合理调整，除了具有斜齿平面蜗轮多齿啮合、承载能力和效率高的优点之外，还具有可制造精度高、齿侧间隙或空回量小、磨损可补偿等多优点。该传动的不足之处在于：a) 现有机床无法完成斜齿平面蜗轮的高精度加工；b) 在蜗杆齿面磨损后，蜗轮轴向调整无法精确补偿，需经过跑合才能达到正确的啮合关系。
无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动，该传动中的蜗杆是以蜗轮齿面为原始母面，经一次包络形成的环面蜗杆，蜗轮轮齿则是两个能够绕其自身轴线转动的滚子，该传动不仅具有滚子包络环面传动效率高、啮合齿数多、承载能力强/侧隙可调及零侧隙等优点。该传动的不足之处在于：a) 双滚子的结构使其支撑轴较小，故承载能力较低；b) 剖分蜗轮型式使其侧隙调整和磨损量补偿极为不方便。
发明内容
本发明的目的在于克服上述重载蜗杆传动的精度不高、精密蜗杆传动的承载能力较低等缺点，提出一种兼具承载能力高、精度高、侧隙可调且磨损量能补偿等优点的精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动。
本发明的目的通过下述技术方案来实现： 
一种精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动，包括齿轮和环面蜗杆，所述齿轮采用硬齿面耐磨材料制成，齿轮的齿面为渐开面，且轮齿沿其轴向呈楔形；环面蜗杆采用中硬材料制成，且环面蜗杆的两侧齿面是分别以齿轮的相应两侧渐开螺旋齿面为母面，按齿轮与环面蜗杆之间的啮合关系展成运动形成的包络面。
进一步，所述齿轮采用轴承钢制成，环面蜗杆采用中碳合金钢制成。
进一步，齿轮的轮齿两侧螺旋面导程不相等，使其两侧齿面上的接触线位于同一端。
进一步，所述齿轮的齿面硬度高于环面蜗杆的齿面硬度。
进一步，所述齿轮左右两侧齿面的接触线均位于齿轮的薄端。
进一步，所述齿轮沿其轴线向薄齿端移动，调节齿侧间隙逐渐减小至零间隙。
进一步，所述齿侧间隙                                                与齿轮移动距离
Figure 2014100111447100002DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系为，
Figure 332302DEST_PATH_IMAGE004
，
其中，
Figure 274850DEST_PATH_IMAGE003
为齿轮的移动距离，
Figure 650468DEST_PATH_IMAGE001
为齿侧间隙，
Figure 2014100111447100002DEST_PATH_IMAGE005
为齿轮的分度圆半径，
Figure 71085DEST_PATH_IMAGE006
为齿轮左侧螺旋齿面的导程，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为齿轮右侧螺旋齿面的导程。
一种上述精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动的加工方法：
齿轮加工，首先对待加工齿轮进行滚齿加工后淬火处理，然后利用高精度磨齿机采用成形法分别磨削左右齿面，从而得到成品齿轮；
环面蜗杆加工，首先对待加工蜗杆开槽后调质处理，然后在滚齿机或专用机床上将砂轮修整成渐开面进而模拟其包络母面，砂轮绕齿轮的轴心以
Figure DEST_PATH_IMAGE009
的角速度转动，同时蜗杆绕其自身轴心
Figure 532470DEST_PATH_IMAGE010
以
Figure 2014100111447100002DEST_PATH_IMAGE011
的角速度转动，
Figure 395384DEST_PATH_IMAGE009
和之间按传动副的传动比进行关联运动，再将磨齿后的蜗杆和与齿轮齿形一致的高精度珩磨轮进行珩磨，进而使蜗杆的齿面保持中硬度及高精度；
最后，齿轮与环面蜗杆啮合形成蜗杆传动副，且齿轮与环面蜗杆左右齿面对应有五对齿啮合。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本传动保留了环面蜗杆传动的多齿接触的优点；同时，区别于传统的蜗杆包络蜗轮，采用蜗轮包络蜗杆，因此可以采用钢制材料进行精确磨齿，变齿厚渐开线齿轮可高精度成形磨削加工，蜗杆齿面可由与变齿厚渐开线齿轮齿形一致的修磨轮进行高精度珩齿加工，因而传动副可实现高精度加工，得到高精度传动副；此外，齿轮采用变齿厚形式及硬齿面耐磨材料，保证了传动副的侧隙可调及齿面磨损量能补偿。
2.本传动相比于双导程圆柱蜗杆传动、分段式蜗杆传动及无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动等精密蜗杆传动，其啮合性能更优、承载能力更高。
3.本传动的齿轮为整体式齿轮，相比于剖分式蜗轮的威氏蜗杆传动和无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动，其可靠性更高且齿侧间隙调整更为方便。
4.本传动的齿轮齿面高于环面蜗杆齿面，相比于变齿厚圆柱齿轮蜗杆副，其优点在于负载运行后必然磨损蜗杆齿面，而通过改变齿轮的轴向位置，可方便快捷地调整传动副侧隙或补偿蜗杆齿面磨损量。
5.本传动的变齿厚渐开线斜齿轮，相比于侧隙可调式平面包络环面蜗杆传动的变齿厚平面齿轮，可采用高精度磨齿加工机床使其精度更高、成本更低，且能从原理上保证侧隙调整及磨损补偿的实施。
附图说明
图1为本发明所涉及的精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动；
图2为本发明所涉及的变齿厚渐开线斜齿轮；
图3为本发明所涉及的环面蜗杆的包络成形原理；
图4为本发明传动的接触线分布图，其中实线为斜齿轮左侧齿面接触线，虚线为斜齿轮右侧齿面接触线；
图5为本发明所涉及传动的齿侧间隙调整及磨损量补偿示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
参见图1至图5所示，一种精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动，由变齿厚渐开线斜齿轮1和环面蜗杆2啮合而成，所述斜齿轮1采用轴承钢制成，斜齿轮1的齿面为渐开面，且轮齿沿其轴向呈楔形，斜齿轮1的轮齿两侧螺旋面导程不相等，使其两侧齿面上的接触线位于同一端；环面蜗杆2采用中碳合金钢制成，且环面蜗杆2的两侧齿面是分别以斜齿轮1的相应两侧渐开螺旋齿面为母面，按斜齿轮1与环面蜗杆2之间的啮合关系展成运动形成的包络面。
斜齿轮1与环面蜗杆2啮合形成高精度的蜗杆传动副，其接触线分布情况如图4所示，其中，实线为斜齿轮左侧齿面接触线，虚线为斜齿轮右侧齿面接触线，所述斜齿轮1的齿面硬度高于环面蜗杆2的齿面硬度，斜齿轮1左右两侧齿面的接触线均位于斜齿轮1的薄端，有利于环面蜗杆2磨损后的补偿。斜齿轮1与环面蜗杆2左右齿面对应有五对齿啮合，从而实现传动副的重载性能。
参见图5，斜齿轮1沿其轴线向薄齿端移动，传动副的齿侧间隙将逐渐减小至零间隙。在环面蜗杆2齿面磨损后齿侧间隙达到时，沿图5所示箭头方向（即斜齿轮1沿其轴线从厚齿端至薄齿端方向）将斜齿轮移动距离
Figure 840906DEST_PATH_IMAGE003
，即可完成传动副磨损量的补偿达到零齿侧间隙的要求。
所述齿侧间隙
Figure 253433DEST_PATH_IMAGE001
与斜齿轮移动距离
Figure 281431DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系为，
Figure 400697DEST_PATH_IMAGE004
，
其中，
Figure 590370DEST_PATH_IMAGE012
为斜齿轮的移动距离，为齿侧间隙，
Figure 993987DEST_PATH_IMAGE005
为斜齿轮的分度圆半径，
Figure 295655DEST_PATH_IMAGE006
为斜齿轮左侧螺旋齿面的导程，
Figure 593912DEST_PATH_IMAGE007
为斜齿轮右侧螺旋齿面的导程。
该传动副在负载运行过程中，斜齿轮1的齿面不发生磨损，只磨损环面蜗杆2的齿面，通过轴线移动斜齿轮1即可实现对传动副齿侧间隙的调整和齿面磨损量的补偿。
该传动副属于一次包络环面蜗杆传动，啮合齿数多，且斜齿轮1采用钢制，因而具有承载能力高的优点。斜齿轮1采用变齿厚渐开线齿轮，可利用成形法分别对两侧齿面进行高精度的磨削加工，环面蜗杆2齿面可由与变齿厚渐开线齿轮齿形一致的修磨轮进行高精度的珩齿加工，因而传动副可实现高精度加工。斜齿轮1采用两侧螺旋面螺旋角不等的变齿厚渐开线齿轮，其轮齿齿厚沿其轴向逐渐变化，基于螺旋面的轴向移动与周向转动等效原理，通过轴向移动变齿厚渐开线齿轮实现传动副的齿侧间隙可调整。变齿厚渐开线齿轮采用高硬度耐磨材料，环面蜗杆2采用中等硬度普通合金材料，且每一周期内环面蜗杆2齿面的工作次数是变齿厚渐开线齿轮齿面的数十倍，故在负载运行中主要磨损环面蜗杆齿面，而变齿厚渐开线齿轮齿面几乎不磨损，因此，通过轴向移动变齿厚渐开线齿轮实现传动副的齿面磨损量可补偿。
一种上述精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动的加工方法：
斜齿轮1加工，首先对待加工齿轮进行滚齿加工后淬火处理，然后利用高精度磨齿机采用成形法分别磨削左右齿面，从而得到高精度斜齿轮；
环面蜗杆2加工，首先对待加工蜗杆开槽后调质处理，然后在滚齿机或专用机床上将砂轮修整成渐开面进而模拟其包络母面3，砂轮绕斜齿轮1的轴心
Figure 981031DEST_PATH_IMAGE008
以
Figure 350833DEST_PATH_IMAGE009
的角速度转动，同时环面蜗杆2绕其自身轴心
Figure 173252DEST_PATH_IMAGE010
以
Figure 970307DEST_PATH_IMAGE011
的角速度转动，
Figure 516826DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 690318DEST_PATH_IMAGE011
之间按传动副的传动比进行关联运动，再将磨齿后的环面蜗杆2和与斜齿轮1齿形一致的高精度珩磨轮进行珩磨，进而使环面蜗杆2的齿面保持中硬度及高精度；
最后，斜齿轮1与环面蜗杆2啮合形成蜗杆传动副，且斜齿轮1与环面蜗杆2左右齿面对应有五对齿啮合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动，包括齿轮和环面蜗杆，其特征在于：所述齿轮采用硬齿面耐磨材料制成，齿轮的齿面为渐开面，且轮齿沿其轴向呈楔形；环面蜗杆采用中硬材料制成，且环面蜗杆的两侧齿面是分别以齿轮的相应两侧渐开螺旋齿面为母面，按齿轮与环面蜗杆之间的啮合关系展成运动形成的包络面。
2.根据权利要求1所述的精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动，其特征在于：所述齿轮采用轴承钢制成，环面蜗杆采用中碳合金钢制成。
3.根据权利要求1所述的精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动，其特征在于：齿轮的轮齿两侧螺旋面导程不相等，使其两侧齿面上的接触线位于同一端。
4.根据权利要求1所述的精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动，其特征在于：所述齿轮的齿面硬度高于环面蜗杆的齿面硬度。
5.根据权利要求1所述的精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动，其特征在于：所述齿轮左右两侧齿面的接触线均位于齿轮的薄端。
6.根据权利要求1所述的精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动，其特征在于：所述齿轮沿其轴线向薄齿端移动，调节齿侧间隙逐渐减小至零间隙。
7.根据权利要求6所述的精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动，其特征在于：所述齿侧间隙                                               
Figure 2014100111447100001DEST_PATH_IMAGE002
与齿轮移动距离之间的关系为，
Figure 2014100111447100001DEST_PATH_IMAGE006
，
其中，
Figure 430996DEST_PATH_IMAGE004
为齿轮的移动距离，
Figure 410453DEST_PATH_IMAGE002
为齿侧间隙，
Figure 2014100111447100001DEST_PATH_IMAGE008
为齿轮的分度圆半径，
Figure 2014100111447100001DEST_PATH_IMAGE010
为齿轮左侧螺旋齿面的导程，为齿轮右侧螺旋齿面的导程。
8.一种上述权利要求1至7任一项所述精密重载型变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动的加工方法：
齿轮加工，首先对待加工齿轮进行滚齿加工后淬火处理，然后利用高精度磨齿机采用成形法分别磨削左右齿面，从而得到成品齿轮；
环面蜗杆加工，首先对待加工蜗杆开槽后调质处理，然后在滚齿机或专用机床上将砂轮修整成渐开面进而模拟其包络母面，砂轮绕齿轮的轴心
Figure 2014100111447100001DEST_PATH_IMAGE014
以
Figure 2014100111447100001DEST_PATH_IMAGE016
的角速度转动，同时蜗杆绕其自身轴心以
Figure 2014100111447100001DEST_PATH_IMAGE020
的角速度转动，和
Figure 166760DEST_PATH_IMAGE020
之间按传动副的传动比进行关联运动，再将磨齿后的蜗杆和与齿轮齿形一致的高精度珩磨轮进行珩磨，进而使蜗杆的齿面保持中硬度及高精度；
最后，齿轮与环面蜗杆啮合形成蜗杆传动副，且齿轮与环面蜗杆左右齿面对应有五对齿啮合。
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