CN111911593A - 一种非正交蜗杆传动副及其建模方法和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非正交蜗杆传动副及其建模方法和制造方法，属于机械传动技术领域。非正交蜗杆传动副包括相互匹配的圆柱蜗杆和蜗轮，所述蜗轮为圆柱状，所述圆柱蜗杆和所述蜗轮之间的轴交角为Σ，其中，0＜Σ＜90°。该非正交蜗杆传动副应用于非90°空间交错轴线的运动和动力传动。相比于传统圆柱蜗杆传动，非正交圆柱蜗杆传动同时参与啮合的齿数多而承载能力大幅提升，瞬时接触线方向与相对滑动方向的夹角(润滑角)更接近90°且具有人工油涵而易于形成动压油膜，有利于蜗杆副齿面润滑及延长使用寿命，适用于火炮分度机构、雷达旋转机构、光热塔定日镜回转机构、起重运输机械以及冶金机械等重载设备中。

Description

一种非正交蜗杆传动副及其建模方法和制造方法

技术领域

本发明属于机械传动技术领域，具体涉及一种非正交蜗杆传动副及其建模方法和制造方法。

背景技术

蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮副组成的、用来传递空间交错轴间的运动和动力的一种机械传动，通常轴交角为90°。其特点是传动比范围大、结构紧凑、传动平稳、噪音低及运动误差小等。按照蜗杆分度曲面的形状，蜗杆传动可分为三大类：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和圆锥蜗杆传动。

现有的圆柱蜗杆传动，其设计优化主要是从齿数、螺旋角、中心距等参数等角度考虑，而忽视了从空间啮合原理的角度创新；通常蜗杆和蜗轮的轴交角为90°，无法满足大量非正交传动要求的复杂工况；受限于同时参与啮合的齿对数较少，在承载能力上很难有大的提升。

发明内容

鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种非正交蜗杆传动副及其建模方法和制造方法，该非正交蜗杆传动副应用于非90°空间交错轴线的运动和动力传动。相比于传统圆柱蜗杆传动，非正交圆柱蜗杆传动同时参与啮合的齿数多而承载能力大幅提升，瞬时接触线方向与相对滑动方向的夹角(润滑角)更接近90°且具有人工油涵而易于形成动压油膜，有利于蜗杆副齿面润滑及延长使用寿命，适用于火炮分度机构、雷达旋转机构、光热塔定日镜回转机构、起重运输机械以及冶金机械等重载设备中。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例提供了一种非正交蜗杆传动副，所述非正交蜗杆传动副包括相互匹配的圆柱蜗杆和蜗轮，所述蜗轮为圆柱状，所述圆柱蜗杆和所述蜗轮之间的轴交角为Σ，其中，0＜Σ＜90°。

作为上述实施例的可选方案，所述圆柱蜗杆齿面为曲线展成或曲面包络形成的圆柱螺旋面；所述蜗轮的齿面为比圆柱蜗杆直径大的螺旋面在非对偶成形的条件下包络形成。

作为上述实施例的可选方案，所述圆柱蜗杆为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆、锥面包络蜗杆和圆弧圆柱蜗杆中的一种。

作为上述实施例的可选方案，所述圆柱蜗杆采用圆弧圆柱蜗杆，所述圆柱蜗杆的齿面方程为：

所述蜗轮的齿面方程为：

其中，β为砂轮齿廓母线的转角，d为圆柱蜗杆的圆弧中心到砂轮轴线的距离，γ_u为圆柱蜗杆与砂轮轴线的交错角，ψ为圆柱蜗杆与砂轮的相对运动参数，即砂轮磨削圆柱蜗杆螺旋面时，砂轮相对于初始位置转过的角度，p为圆柱蜗杆的螺旋参数，计算公式为p＝r₁tanγ，其中r₁为圆柱蜗杆的分度圆直径，其中r₂为蜗轮的分度圆直径，γ为蜗杆的导程角，Au为圆柱蜗杆与砂轮两轴线的最小距离，n为蜗杆齿面任意点幺法矢，V₁₂为蜗杆齿面与蜗轮齿面相对运动速度。

矩阵K为圆柱蜗杆齿面到蜗轮齿面的矢量变换矩阵，

A₀为圆柱蜗杆与蜗轮两轴线的最小距离，θ’为确定砂轮齿廓母线上任意点P的位置参数，

为圆柱蜗杆的角位移，

为蜗轮的角位移。

作为上述实施例的可选方案，所述圆柱蜗杆通过砂轮加工，所述砂轮的齿廓方程为：

其中，ρ为齿廓曲线圆弧半径。

本发明实施例还提供了一种如上述的非正交蜗杆传动副的建模方法，所述非正交蜗杆传动副采用普通圆柱蜗杆，所述建模方法包括：

建立用于加工圆柱蜗杆的车刀刃口方程；

通过坐标变换，求解圆柱蜗杆的齿面方程；

结合蜗杆的齿面与蜗轮的齿面相包络时的啮合方程式，求解蜗轮的齿面；

缝合形成圆柱蜗杆和蜗轮的三维精确模型。

本发明实施例还提供了一种如上述的非正交蜗杆传动副的建模方法，所述非正交蜗杆传动副采用圆弧圆柱蜗杆，所述建模方法包括：

建立用于磨削圆柱蜗杆的砂轮的齿廓方程；

结合砂轮表面与蜗杆齿面相包络时的啮合方程式，求解所述圆柱蜗杆的齿面方程；

结合蜗杆齿面与蜗轮齿面相包络时的啮合方程式，求解蜗轮的齿面方程；

缝合形成圆柱蜗杆和蜗轮的三维精确模型。

本发明实施例还提供了一种如上述的非正交蜗杆传动副的制造方法，所述制造方法包括圆柱蜗杆加工方法和与之配对的非正交蜗轮加工方法；

所述圆柱蜗杆加工方法包括：

所述圆柱蜗杆为普通圆柱蜗杆，使蜗杆毛坯绕自身轴线做等角速度旋转运动且使车刀沿着蜗杆毛坯的轴线作等速直线运动；或

所述圆柱蜗杆为圆弧齿圆柱蜗杆，使蜗杆毛坯绕自身轴线做等角速度旋转运动且使环面砂轮沿蜗杆毛坯轴线做等速直线运动，其中，环面砂轮的轴向剖面为圆弧且装置在圆柱蜗杆的法面内

所述非正交蜗轮加工方法包括：

取直径为d′的蜗轮滚刀，将蜗轮滚刀与蜗轮毛坯匹配，使蜗轮滚刀与蜗轮毛坯的轴线夹角为Σ′且加工中心距为a′，假定配合后的圆柱蜗杆与蜗轮的轴线夹角为Σ且中心距为a，Σ′≠Σ且a′≠a；

蜗轮滚刀和蜗轮毛坯按照传动比i₂₁对滚，切出蜗轮；

其中，d′为蜗轮滚刀的直径，d为圆柱蜗杆的直径，d′＞d，i₂₁为配对的圆柱蜗杆和蜗轮的传动比。

需要说明的是，本实施例中所说的“配合后的圆柱蜗杆与蜗轮”是指加工完成后匹配的圆柱蜗杆与蜗轮。

本发明的有益效果是：

本发明提供的非正交蜗杆传动副，通过改变圆柱蜗杆和蜗轮的轴交角，从空间啮合的原理入手对圆柱蜗杆传动进行优化，具有如下优点：

1.该非正交蜗杆传动副保留了传统圆柱蜗杆传动的诸多优点；同时，区别于传统的蜗杆轴线与蜗轮轴线正交的情况，采用蜗杆轴线与蜗轮轴线非正交的形式，因此可以适应多种复杂工况下的传动要求。

2.相比于传统正交圆柱蜗杆副，该非正交蜗杆传动副调整蜗杆副的轴交角Σ，增大非正交蜗杆传动副之间的瞬时接触线方向与相对滑动方向的夹角(润滑角)，易于形成动压油膜，有利于非正交蜗杆传动副的润滑性能的提升和使用寿命的延长。

3.相比于传统正交圆柱蜗杆副，该非正交蜗杆传动副随着圆柱蜗杆轴线和蜗轮轴线交角在一定程度内的减小，同时参与啮合的齿对数增多，其啮合性能更优、承载能力更高。

4.该非正交蜗杆传动副中的圆柱蜗杆与传统圆柱蜗杆相同，蜗轮的加工也可以利用现有刀具和机床完成，无需研发新的刀具和机床。

5.本非正交蜗杆传动副中蜗轮加工时，可适当选择滚刀直径d′，改变蜗杆非正交蜗杆传动副共轭齿面间出入口处的油涵大小，易于形成动压油膜，有利于非正交蜗杆传动副的润滑性能的提升和使用寿命的延长；适当选择圆柱滚刀轴线与蜗轮毛坯轴线夹角Σ′及加工中心距a′，可有效控制非正交蜗杆传动副齿面的初试接触区域，有利于提高非正交蜗杆传动副的跑合性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1示出了本发明实施例提供的一种非正交蜗杆传动副的传动原理示意图；

图2示出了图1的另外一个视角下的原理示意图；

图3示出了图1的蜗轮结构示意；

图4示出了非正交蜗杆传动副的润滑角示意图；

图5示出了非正交蜗杆传动副的接触线示意图；

图6示出了蜗轮的加工示意图。

图标：10-非正交蜗杆传动副；11-圆柱蜗杆；12-蜗轮；13-圆柱蜗杆轴线；14-蜗轮轴线；15-瞬时接触线；16-相对滑动速度方向；17-润滑角；18-蜗轮滚刀；19-蜗轮毛坯；20-圆柱滚刀轴线；21-蜗轮毛坯轴线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

第一实施例

请参照图1-图3所示，本发明的实施例提供了一种非正交蜗杆传动副10，该非正交蜗杆传动副10为空间啮合传动。

具体的，非正交蜗杆传动副10包括相互匹配的圆柱蜗杆11和蜗轮12，蜗轮12为圆柱状，圆柱蜗杆11和蜗轮12之间的轴交角为Σ，其中，0＜Σ＜90°。

其中，圆柱蜗杆11齿面为曲线展成或曲面包络形成的圆柱螺旋面；蜗轮12的齿面为比圆柱蜗杆11直径大的螺旋面在非对偶成形的条件下包络形成。

需要说明的是，蜗轮12齿面的螺旋面直径比圆柱蜗杆11的直径略大，例如可以是1.02倍-1.05倍等，直径差值不能过大。

此外，圆柱蜗杆11为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆、锥面包络蜗杆和圆弧圆柱蜗杆11中的一种。

圆柱蜗杆11的齿面为圆柱螺旋面，是一条母线绕蜗杆轴线做螺旋运动所形成的螺旋面。普通圆柱蜗杆11传动的蜗杆齿面(锥面包络圆柱蜗杆11除外)一般是在车床上用直线刀刃的车刀车制而成的。根据车刀安装位置的不同，所加工的蜗杆齿面在不同截面中的齿廓曲线也不同。

根据不同的齿廓曲线，普通圆柱蜗杆11可分为阿基米德圆柱蜗杆11、渐开线圆柱蜗杆11、法向直廓圆柱蜗杆11和锥面包络圆柱蜗杆11等四种。

与上述各类蜗杆配对的蜗轮12的齿廓，则完全随蜗杆的齿廓而变化，一般是在滚齿机上用滚刀或飞刀加工的。圆弧圆柱蜗杆11传动与普通圆柱蜗杆11传动相似，只是齿廓形状有所区别，其齿面一般为圆弧形凹面，与之配对的蜗轮12齿廓则为凸弧形，蜗杆和蜗轮12两共轭齿面是凹凸啮合。

圆弧圆柱蜗杆11传动又可分为圆环面包络圆柱蜗杆11传动和轴向圆弧齿圆柱蜗杆11传动两大类。其一是蜗杆轴向剖面为圆弧形齿廓，用圆弧形车刀加工，切削时，刀刃平面通过蜗杆轴线；另一种蜗杆用轴向剖面为圆弧的环面砂轮，装置在蜗杆螺旋线的法面内，由砂轮面包络而成，可获得很高的精度。

为了得到与各类圆柱蜗杆11配对的蜗轮12，取产形轮与圆柱蜗杆11螺旋面相同的圆柱滚刀在滚齿机上加工，得到共轭的圆柱蜗杆11副。

普通圆柱蜗杆11传动的特点为传动比大，工作平稳，振动冲击小，噪声小；圆弧圆柱蜗杆11传动的特点为共轭齿面为凹凸啮合，大量曲率小，因而单位齿面压力减小，接触强度提高，承载能力增加，同时瞬时接触线15方向与相对滑动方向的夹角(润滑角17)较大，易于形成和保持油膜，传动效率高。

请参照图4、图5所示，非正交蜗杆传动副10中圆柱蜗杆轴线13和蜗轮轴线14之间的夹角不再是90°，所以其空间坐标变换和啮合关系也都发生了变化，显性表征为蜗轮12的齿形发生了改变，瞬时接触线15的方向与相对滑动速度方向16的夹角(润滑角17)更大，易于形成和保持油膜，有利于非正交蜗杆传动副10的润滑性能的提升。

请参见图5所示，非正交蜗杆传动副10随着圆柱蜗杆轴线13和蜗轮轴线14交角在一定程度内的减小，非正交蜗杆传动副10同时参与啮合的齿对数增多，其啮合性能更优、承载能力更高。

在本实施例中，圆柱蜗杆11采用圆弧圆柱蜗杆11，该圆弧圆柱蜗杆11采用砂轮磨削加工。

其中，砂轮的齿廓方程为：

圆柱蜗杆11的齿面方程为：

蜗轮12的齿面方程为：

其中，ρ为齿廓曲线圆弧半径，β为砂轮齿廓母线的转角。

d为圆柱蜗杆11的圆弧中心到砂轮轴线的距离，γ_u为圆柱蜗杆11与砂轮轴线的交错角，ψ为圆柱蜗杆11与砂轮的相对运动参数，即砂轮磨削圆柱蜗杆11螺旋面时，砂轮相对于初始位置转过的角度，p为圆柱蜗杆11的螺旋参数，计算公式为p＝r₁tanγ，其中r₁为圆柱蜗杆11的分度圆直径，其中r₂为蜗轮12的分度圆直径，γ为蜗杆的导程角，Au为圆柱蜗杆11与砂轮两轴线的最小距离，n为蜗杆齿面任意点幺法矢，V₁₂为蜗杆齿面与蜗轮12齿面相对运动速度。

矩阵K为圆柱蜗杆11齿面到蜗轮12齿面的矢量变换矩阵，具体为：

其中，A₀为圆柱蜗杆11与蜗轮12两轴线的最小距离，θ’为确定砂轮齿廓母线上任意点P的位置参数，

为圆柱蜗杆11的角位移，

为蜗轮12的角位移。

第二实施例

对应的，本发明实施例还提供了一种非正交蜗杆传动副10的建模方法，该建模方法用于对上述实施例中的非正交蜗杆传动副10进行建模，其中，非正交蜗杆传动副10采用普通圆柱蜗杆11。

则建模方法为：

建立用于加工圆柱蜗杆11的车刀刃口方程；

通过坐标变换，求解圆柱蜗杆11的齿面方程；

结合蜗杆的齿面与蜗轮12的齿面相包络时的啮合方程式，求解蜗轮12的齿面；

缝合形成圆柱蜗杆11和蜗轮12的三维精确模型。

第三实施例

对应的，本发明实施例还提供了一种非正交蜗杆传动副10的建模方法，该建模方法用于对上述实施例中的非正交蜗杆传动副10进行建模，其中，非正交蜗杆传动副10采用圆弧圆柱蜗杆11。

建模方法为：

建立用于磨削圆柱蜗杆11的砂轮的齿廓方程；

结合砂轮表面与蜗杆齿面相包络时的啮合方程式，求解圆柱蜗杆11的齿面方程；

结合蜗杆齿面与蜗轮12齿面相包络时的啮合方程式，求解蜗轮12的齿面方程；

缝合形成圆柱蜗杆11和蜗轮12的三维精确模型。

第四实施例

此外，本发明实施例还提供了一种如上述的非正交蜗杆传动副10的制造方法，制造方法包括圆柱蜗杆11加工方法和与之配对的非正交蜗轮12加工方法。

其中，圆柱蜗杆11加工方法的步骤为：

使蜗杆毛坯绕自身轴线做旋转运动；

若圆柱蜗杆11为普通圆柱蜗杆，则采用车刀加工，则使车刀沿着蜗杆毛坯的轴线作直线运动，两运动合成螺旋运动，车刀轨迹在蜗杆毛坯上形成的曲面就是圆柱蜗杆11齿面。

若圆柱蜗杆11为磨削的圆弧齿圆柱蜗杆11，采用砂轮加工，则将轴向剖面为圆弧的环面砂轮，装置在圆柱蜗杆11的法面内且包络形成圆柱蜗杆11。

请参照图6所示，非正交蜗轮加工方法的步骤为：

取直径为d′的蜗轮滚刀18，将蜗轮滚刀18与蜗轮毛坯19匹配，使蜗轮滚刀18与蜗轮毛坯19的轴线夹角为Σ′且加工中心距为a′，假定配合后的圆柱蜗杆11与蜗轮12的轴线夹角为Σ且中心距为a，Σ′≠Σ且a′≠a；

蜗轮滚刀18和蜗轮毛坯19按照传动比i₂₁对滚，切出蜗轮12；

其中，d′为蜗轮滚刀18的直径，d为圆柱蜗杆11的直径，d′＞d，i₂₁为配对的圆柱蜗杆11和蜗轮12的传动比。

调整蜗轮滚刀18倾角Σ′，可得到不同交错角的圆柱蜗杆11副，满足不同工况的需求；当滚刀倾角Σ′＝90°时，可得到普通圆柱蜗杆11副。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非正交蜗杆传动副，其特征在于，所述非正交蜗杆传动副包括相互匹配的圆柱蜗杆和蜗轮，所述蜗轮为圆柱状，所述圆柱蜗杆和所述蜗轮之间的轴交角为Σ，其中，0＜Σ＜90°。

2.根据权利要求1所述的非正交蜗杆传动副，其特征在于，所述圆柱蜗杆齿面为曲线展成或曲面包络形成的圆柱螺旋面；所述蜗轮的齿面为比圆柱蜗杆直径大的螺旋面在非对偶成形的条件下包络形成。

3.根据权利要求1所述的非正交蜗杆传动副，其特征在于，所述圆柱蜗杆为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆、锥面包络蜗杆和圆弧圆柱蜗杆中的一种。

4.根据权利要求1所述的非正交蜗杆传动副，其特征在于，所述圆柱蜗杆采用圆弧圆柱蜗杆，所述圆柱蜗杆的齿面方程为：

所述蜗轮的齿面方程为：

其中，β为砂轮齿廓母线的转角，d为圆柱蜗杆的圆弧中心到砂轮轴线的距离，γ_u为圆柱蜗杆与砂轮轴线的交错角，ψ为圆柱蜗杆与砂轮的相对运动参数，即砂轮磨削圆柱蜗杆螺旋面时，砂轮相对于初始位置转过的角度，p为圆柱蜗杆的螺旋参数，计算公式为p＝r₁tanγ，其中r₁为圆柱蜗杆的分度圆直径，其中r₂为蜗轮的分度圆直径，γ为蜗杆的导程角，Au为圆柱蜗杆与砂轮两轴线的最小距离，n为蜗杆齿面任意点幺法矢，V₁₂为蜗杆齿面与蜗轮齿面相对运动速度；

矩阵K为圆柱蜗杆齿面到蜗轮齿面的矢量变换矩阵，

A₀为圆柱蜗杆与蜗轮两轴线的最小距离，θ’为确定砂轮齿廓母线上任意点P的位置参数，

为圆柱蜗杆的角位移，

为蜗轮的角位移。

5.根据权利要求4所述的非正交蜗杆传动副，其特征在于，所述圆柱蜗杆通过砂轮加工，所述砂轮的齿廓方程为：

其中，ρ为齿廓曲线圆弧半径。

6.一种如权利要求1-3任意一项所述的非正交蜗杆传动副的建模方法，所述非正交蜗杆传动副采用普通圆柱蜗杆，其特征在于，所述建模方法包括：

建立用于加工圆柱蜗杆的车刀刃口方程；

通过坐标变换，求解圆柱蜗杆的齿面方程；

结合蜗杆的齿面与蜗轮的齿面相包络时的啮合方程式，求解蜗轮的齿面；

缝合形成圆柱蜗杆和蜗轮的三维精确模型。

7.一种如权利要求1-5任意一项所述的非正交蜗杆传动副的建模方法，所述非正交蜗杆传动副采用圆弧圆柱蜗杆，其特征在于，所述建模方法包括：

建立用于磨削圆柱蜗杆的砂轮的齿廓方程；

结合砂轮表面与蜗杆齿面相包络时的啮合方程式，求解所述圆柱蜗杆的齿面方程；

结合蜗杆齿面与蜗轮齿面相包络时的啮合方程式，求解蜗轮的齿面方程；

缝合形成圆柱蜗杆和蜗轮的三维精确模型。

8.一种如权利要求1-5任意一项所述的非正交蜗杆传动副的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括圆柱蜗杆加工方法和与之配对的非正交蜗轮加工方法；

所述圆柱蜗杆加工方法包括：

所述圆柱蜗杆为普通圆柱蜗杆，使蜗杆毛坯绕自身轴线做等角速度旋转运动且使车刀沿着蜗杆毛坯的轴线作等速直线运动；或

所述圆柱蜗杆为圆弧齿圆柱蜗杆，使蜗杆毛坯绕自身轴线做等角速度旋转运动且使环面砂轮沿蜗杆毛坯轴线做等速直线运动，其中，环面砂轮的轴向剖面为圆弧且装置在圆柱蜗杆的法面内

所述非正交蜗轮加工方法包括：

取直径为d′的蜗轮滚刀，将蜗轮滚刀与蜗轮毛坯匹配，使蜗轮滚刀与蜗轮毛坯的轴线夹角为Σ′且加工中心距为a′，假定配合后的圆柱蜗杆与蜗轮的轴线夹角为Σ且中心距为a，Σ′≠Σ且a′≠a；

蜗轮滚刀和蜗轮毛坯按照传动比i₂₁对滚，切出蜗轮；

其中，d′为蜗轮滚刀的直径，d为圆柱蜗杆的直径，d′＞d，i₂₁为配对的圆柱蜗杆和蜗轮的传动比。

Images