CN113007313A - 一种高效啮合蜗轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效啮合蜗轮，包括蜗轮本体和蜗齿，其通过在相邻周线上的第一蜗齿和第二蜗齿的几何中心和/或重心的连线与蜗轮的轴线在空间上具有间隔角的设置方式使一定范围的夹角成为调控传动运动的缓冲带。上述设置能够在蜗齿与蜗杆彼此啮合时实现平稳运动。

Description

一种高效啮合蜗轮

本发明是申请号为201910520215.9，申请日为2019年06月14日，申请类型为发明，申请名称为一种蜗轮的分案申请。

技术领域

本发明涉及机械传动技术领域，尤其涉及一种蜗轮。

背景技术

蜗轮蜗杆传动用于两轴交错、传动比大、传递功率不太大或间歇工作的场合，由于具有传动平稳、噪音小、冲击载荷小，且具有自锁性等优点，作为机械传动中的一种重要传动方式在国防、冶金、造船、建筑、化工等行业得到广泛的应用。然而，普通蜗杆传动普遍具有以下显著缺点：

普通蜗杆传动在传动过程中容易发生磨损，其原因在于传动副在共轭齿面处相对运动速度总大于蜗杆圆周速度或蜗轮圆周速度，因此在任何位置接触点的相对速度都不会为零且始终处于滑动摩擦状态，即啮合齿轮间有较大的相对滑动速度，从而会导致齿面的磨损、发热和能量的消耗，这就使得普通蜗杆传动的摩擦损耗功率大，传动效率低，齿面磨损快，精度寿命低。

为了能够有效地解决上述技术问题，公开号为CN109578520A的中国专利公开的一种滚动摩擦蜗轮蜗杆。其包括蜗杆、蜗轮芯、蜗轮齿柱和向心推力轴承。滚动摩擦蜗轮蜗杆的形式把传动标准蜗轮的齿去掉，取而代之的是在去掉蜗轮齿之后的新型的蜗轮芯上面安装蜗轮齿柱；蜗杆可以采用传统的圆柱蜗杆，或者采用环面蜗杆以增加重合度，提高承载力。蜗轮齿柱和蜗杆齿面是线接触，蜗轮齿柱通过向心力推力轴承安装在蜗轮芯上面的沉孔，环形阵列分布，蜗杆传动通过滚动摩擦推动蜗轮齿柱转动，蜗轮齿柱通过向心推力轴承带动蜗轮芯转动，实现了滚动摩擦的蜗轮蜗杆传动。

公开号为CN109578521A的中国专利公开的新型滚动摩擦蜗轮蜗杆。包括蜗轮芯，端盖，蜗轮齿柱，向心推力轴承，蜗杆，螺栓，螺母；其形式为在对应于传统标准蜗轮的一个整体形状为圆柱环形的蜗轮芯上面安装环形阵列分布的蜗轮齿柱，以代替传统标准蜗轮；蜗轮齿柱和蜗杆齿面是线接触，环形阵列分布的所有的蜗轮齿柱的回转中心线通过对应传统标准蜗轮分度圆及其圆心并且和蜗杆的轴线共面；蜗杆转动通过滚动摩擦依次推动蜗轮齿柱，蜗轮芯、端盖转动，实现了一种加工制造相对简单容易的新型滚动摩擦的蜗轮蜗杆传动装置。

例如，公开号为CN102338195B的中国专利公开的一种滚珠蜗轮蜗杆传动副，蜗轮的传动啮合面上等距分布深沟滚珠轨道，深沟滚珠轨道连接滚珠循环通道，滚珠能够在深沟滚珠轨道和滚珠循环通道中循环滚动；蜗杆外圆啮合面上有螺旋滚珠轨道，蜗轮蜗杆通过滚珠啮合传动。本发明将传统蜗轮蜗杆之间的齿牙滑动摩擦变成滚珠的滚动摩擦，滚珠蜗杆转动时，滚珠蜗轮上只有啮合部分的滚珠及其所在循环通道中的滚珠参与循环，因此传动过程中磨损大大减小，传动效率得以很大提高。本发明除了具备传统蜗轮蜗杆优点之外，还具有磨损小、寿命长、效率高、能耗低的优势。采用弧面滚珠蜗杆时，有多行滚珠同时啮合，可用于承载力大的重型设备。

此外，蜗杆传动为了在啮合齿廓之间形成润滑油膜，避免因轮齿摩檫发热膨胀而卡死，其共轭齿的两个非工作齿廓之间必须留有间隙，此间隙称为齿侧间隙，简称侧隙。为保证蜗杆副正常的啮合和传动此侧隙通常用以储藏润滑油并用来补偿传动所产生的热变性、弹性变形、制造和安装误差等。但是，在需要正反转的传动中，齿侧间隙的存在会产生齿间冲击，同时影响齿轮传动的平稳性。上述蜗轮蜗杆传动的技术问题难以满足现代工业中高精度、高效率和低能耗的传动要求，例如工业机器人、数控机床、印刷设备、自动火炮和雷达等系统中的传动装置，这些传动装置都部件要求高效率，还要求高精度和高寿命。

结合目前的发展需求地可知，公开号为CN109578520A的专利能够降低蜗轮齿与蜗道之间的磨损，但是仍然无法解决蜗轮齿与蜗道之间在传动中出现的平稳性不好的技术问题。因此，该专利提供的传动装置由于平稳性不佳会导致其产生传动误差，仍然不满足当前的发展需求，例如在应用于有回程要求的传动结构中，尤其是在需要频繁正反转的蜗杆传动伺服驱动系统中，啮合间隙的存在将会引起较大的累积误差，严重影响整个系统的传动精度、位置精度和动态响应特性。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

为了能够使得传动装置能够适应于当前发展的新需求，本发明旨在进一步地提高蜗轮蜗杆的传动平稳性以及降低蜗轮和蜗杆之间的冲击载荷，提高蜗轮蜗杆的疲劳寿命。针对现有技术之不足，本发明提供了一种蜗轮，包括蜗轮本体和蜗齿，所述蜗齿能够在其自转的情况下与蜗杆上的蜗道彼此接合，在所述蜗轮本体转动和/或所述蜗杆转动之时，分别分布在至少两条于所述蜗轮本体轴向上彼此错开且相互平行的周线上的至少两个相邻蜗齿在所述蜗齿自转的情况下，同时与所述蜗道至少在局部形成线接触，并且位于相邻周线上的所述蜗齿在所述蜗轮本体的周向上是位置固定地两两相互错开的，从而在接合的蜗道内能够与所述蜗道形成彼此相邻的间隔的滚动摩擦副。

优选地，本发明还公开了一种蜗轮，包括蜗轮本体和蜗齿，间隔的响铃的所述蜗齿能够在其自转的情况下与蜗杆上的蜗道彼此接合，所述蜗齿按照能够绕其自身轴线转动的方式周向排列于所述蜗轮本体，从而在所述蜗轮的蜗齿与所述蜗杆的蜗道以滚动摩擦的方式彼此啮合的情况下，所述蜗轮与所述蜗杆能够基于蜗齿和蜗道的线接触实现传动。

根据一种优选的实施方式，所述至少两个相邻的蜗齿的间隔内能够在所述至少两个相邻的蜗齿彼此以相向转动的的方式与所述蜗道形成间隔的滚动摩擦副情况下形成油膜。

根据一种优选的实施方式，在所述蜗杆转动的情况下，基于所述蜗齿与所述蜗道的部分线接触，所述蜗齿受到来自于所述蜗道施加的径向力和切向力，所述蜗齿呈滚子形状，以使得在所述切向力驱动所述蜗齿自转以实现蜗齿与蜗道滚动摩擦的情况下，所述径向力能够以使得所述蜗齿绕所述蜗轮本体的轴线公转的方式驱动所述蜗轮本体转动。

根据一种优选的实施方式，所述蜗轮至少包括第一蜗齿和第二蜗齿，其中，所述第一蜗齿设置于所述蜗轮的第一周线上，所述第二蜗齿设置于所述蜗轮的第二周线上，彼此相邻的所述第一蜗齿和所述第二蜗齿能够按照使得在所述蜗轮正转或者反转的情况下分别与所述蜗道的两蜗道侧面部分线接触的方式设置于所述蜗轮，以使得所述蜗轮能够基于所述第一蜗齿、所述第二蜗齿分别与所述蜗道形成的间隔式滚动摩擦副和所述蜗杆实现无侧隙的回程传动。

根据一种优选的实施方式，所述蜗轮至少包括第一蜗齿和第二蜗齿，其中，所述第一蜗齿设置于所述蜗轮的第一周线，所述第二蜗齿设置于所述蜗轮的第二周线，彼此相邻的第一蜗齿和第二蜗齿按照分别能够与所述蜗道的同一蜗道侧面部分线接触的且能够先后依次进入所述蜗道的方式设置于所述蜗轮，以使得所述蜗轮能够基于所述第一蜗齿、所述第二蜗齿分别与所述蜗道形成的间隔式滚动摩擦副和所述蜗杆实现无侧隙的单程传动。

根据一种优选的实施方式，在相邻周线上的的第一蜗齿和第二蜗齿的几何中心和/或重心的连线与蜗轮的轴线在空间上具有间隔角的情况下，所述相邻周线之间距离按照能够使得第一蜗齿和第二蜗齿分别与所述蜗道的同一蜗道侧面部分线接触的且能够先后依次进入所述蜗道的方式设置；或者，所述相邻周线之间距离按照能够使得第一蜗齿与所述蜗道的第一蜗道侧面线接触且第二蜗齿与所述蜗道的第二蜗道侧面线接触的方式设置。

根据一种优选的实施方式，在所述呈滚子形状的蜗齿与所述蜗道的线接触的情况下，所述蜗轮能够按照所述蜗齿与所述蜗道彼此不滑移的方式与所述蜗杆实现传动。

根据一种优选的实施方式，在同一周线上的蜗齿同时进入所述蜗道并与所述蜗道线接触的情况下，靠近蜗杆轴向中间位置的蜗齿所承受的径向力大于靠近蜗杆轴向两端位置的与该蜗齿在同一条周线上的蜗齿所承受的径向力。

根据一种优选的实施方式，在同一周线上的蜗齿同时进入所述蜗道并与所述蜗道线接触的情况下，靠近蜗杆轴向中间位置的蜗齿所承受的切向力大于靠近蜗杆轴向两端位置的与该蜗齿在同一条轴线上的蜗齿所承受的径向力。

根据一种优选的实施方式，本发明还公开了一种包括了前述蜗轮的变速传动装置，所述变速传动装置包括能够与所述蜗轮相互啮合的蜗杆，所述蜗轮包括蜗轮本体和蜗齿，在所述蜗轮本体转动和/或所述蜗杆转动之时，分别分布在至少两条于所述蜗轮本体轴向上彼此错开且相互平行的周线上的至少两个相邻蜗齿在所述蜗齿自转的情况下，同时与所述蜗道至少在局部形成线接触，并且位于相邻周线上的所述蜗齿在所述蜗轮本体的周向上是位置固定地两两相互错开的，从而在接合的蜗道内能够与所述蜗道形成彼此相邻的间隔的滚动摩擦副。

根据一种优选的实施方式，所述装置包括与所述蜗轮连接的蜗轮传动轴和与所述蜗杆连接的蜗杆传动轴。

本发明提供一种的蜗轮，至少具有根据下优势：

1)、基于蜗齿自转的同时绕蜗轮公转，蜗轮蜗杆之间滚动摩擦，具有降低磨损和降低噪音等优势。

2)、在磨损降低了的情况下，传动过程中基于蜗齿和蜗道之间的间隔式滚动摩擦接触，蜗轮和蜗齿之间能够实现无侧隙传动，减低传动误差提高传动精度，并且在传动误差减小的情况下，蜗轮和蜗杆之间的接触力连续甚至无突变，从而能够提高传动的平稳性以及基于接触力的连续蜗轮和蜗杆之间的磨损进一步地降低。

3)、本发明的蜗轮上的蜗齿基于蜗杆的蜗道结构设置，能够满足低磨损和高精度的需要频繁正反转的蜗杆传动系统中，例如伺服驱动系统。

4)、在传动过程中，蜗轮和蜗杆之间的接触力连续甚至无突变，从而会使得蜗道与蜗齿之间摩擦生热量大大降低，在传动过程中降低了蜗道和蜗齿配种中由于摩擦生热导致的热膨胀而生成的间隙，能够进一步地提高传动的平稳性和精度。

5)、能够增加传动系统的寿命，其中包括蜗杆的疲劳寿命、蜗轮的疲劳寿命以及轴承系统的疲劳寿命，首先基于蜗齿和蜗道之间的滚动摩擦会达到降低蜗杆承受的轴线载荷的效果，从而会提高蜗杆的轴承系统的疲劳寿命；其次是，由于基于蜗齿和蜗道之间的间隔式摩擦副能够降低每个蜗齿以及蜗道的接触力，从而会提高蜗杆的疲劳寿命和蜗轮的疲劳寿命。

6)、相比较与传动的蜗轮的蜗齿与蜗轮本体一体式成型而言，蜗齿与蜗轮本体是按照可拆卸的方式连接，使得本发明的蜗齿易更换。

7)由于采用了蜗齿滚动的方式来实现变速，蜗齿与蜗道之间滚动摩擦，蜗齿并且采用较软的合金制造，例如铜合金。

附图说明

图1是本发明提供的一种蜗轮的第一视角下的结构示意图；

图2是本发明提供的一种蜗轮的第二视角下的结构示意图；

图3是本发明提供的蜗齿和蜗道的一种优选的啮合示意图；和

图4是蜗齿的受力和运动分析示意图。

附图标记列表

1：蜗轮 1a-2：第二蜗齿

2：蜗杆 2a：蜗道

1a：蜗齿 2a-1：第一蜗道侧面

1b：蜗轮本体 2a-2：第二蜗道侧面

1a-1：第一蜗齿 α：间隔角

β：自转角

具体实施方式

下面结合附图1-4进行详细说明。

蜗轮蜗杆传动常用来传递两交错轴之间的运动和动力。其一般具有特点：(1)可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。(2)两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。(3)蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。(5)具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在起重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。(6)传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高。(7)蜗杆轴向力较大。

优选地，传统蜗轮蜗杆的部至少分啮合条件适用于本发明提供的蜗轮蜗杆啮合的条件，其中包括：

(1)蜗轮1的轴线在传动状态下与蜗杆2的轴线相互正交，

(2)蜗轮1的分度圆与蜗杆2的分度面彼此相切。

本发明中，蜗轮1包括蜗轮本体1b和蜗齿1a。蜗轮本体1b中包括用于连接传动轴的键槽。蜗轮本体1b上安装有能够自转的蜗齿1a。例如，蜗齿1能够通过向心推力轴承安装。优选地，如图2所示，蜗齿1a按照能够绕其自身轴线转动的方式周向排列于蜗轮本体1b。基于此，结合图3，在蜗轮1转动时或者蜗杆2转动时，蜗齿1a和蜗道1b以滚动摩擦的方式彼此啮合能够实现线接触，从而使得蜗轮1与蜗杆2能够实现低摩擦的变速运动。

在所述蜗轮本体1b转动和/或所述蜗杆2转动之时，分别分布在至少两条于所述蜗轮本体1轴向上彼此错开且相互平行的周线上的至少两个相邻蜗齿1a在所述蜗齿1a自转的情况下，同时与所述蜗道2a至少在局部形成线接触，并且位于相邻周线上的所述蜗齿1a在所述蜗轮本体1b的周向上是位置固定地两两相互错开的，从而在接合的蜗道2a内能够与所述蜗道2a形成彼此相邻的间隔的滚动摩擦副。在本发明中，蜗齿1a至少布置于两条周线。周线是蜗轮本体1a上的一条环形闭合曲线，其与蜗轮本体1a的轮廓线同心。例如，蜗轮本体2a的轮廓线是圆形，则周线是与该圆形彼此同心的另一圆形。如图3所示，基于蜗轮本体1b转动和/或蜗杆2的转动，设置于蜗轮本体1b的不同周线上的相邻的至少两个蜗齿1a在蜗齿1a自转的情况下能够同时与蜗道2a部分线接触。蜗轮1能够基于至少两个蜗齿1a与蜗道1b形成的间隔式滚动摩擦副和蜗杆2实现低摩擦无侧隙连续变速运动。本发明提供的蜗轮，相对于现有蜗轮和现有的蜗轮蜗杆传动装置而言，至少具有如下优势：1)、基于蜗齿与蜗道之间的线接触，蜗齿自转的同时绕蜗轮公转，从而能够将传统的蜗轮蜗杆之间滑动摩擦变为滚动摩擦，具有降低磨损和降低噪音等优势。2)、在磨损降低了的情况下，在传动过程中基于蜗齿和蜗道之间的间隔式滚动摩擦接触，蜗轮和蜗齿之间能够实现无侧隙传动，能够减低传动误差提高传动精度，并且在传动误差减小的情况下，蜗轮和蜗杆之间的接触力连续甚至无突变，从而能够提高传动的平稳性以及基于接触力的连续蜗轮和蜗杆之间的磨损进一步地降低。3)、本发明的蜗轮上的蜗齿基于蜗杆的蜗道结构设置，能够满足低磨损和高精度的需要频繁正反转的蜗杆传动系统中，例如伺服驱动系统。4)、在传动过程中，蜗轮和蜗杆之间的接触力连续甚至无突变，从而会使得蜗道与蜗齿之间摩擦生热量大大降低，在传动过程中降低了蜗道和蜗齿配种中由于摩擦生热导致的热膨胀而生成的间隙，能够进一步地提高传动的平稳性和精度。5)、能够增加传动系统的寿命，其中包括蜗杆的疲劳寿命、蜗轮的疲劳寿命以及轴承系统的疲劳寿命，首先基于蜗齿和蜗道之间的滚动摩擦会达到降低蜗杆承受的轴线载荷的效果，从而会提高蜗杆的轴承系统的疲劳寿命；其次是，由于基于蜗齿和蜗道之间的间隔式摩擦副能够降低每个蜗齿以及蜗道的接触力，从而会提高蜗杆的疲劳寿命和蜗轮的疲劳寿命。6)、相比较与传动的蜗轮的蜗齿与蜗轮本体一体式成型而言，蜗齿与蜗轮本体是按照可拆卸的方式连接，使得本发明的蜗齿易更换。7)由于采用了蜗齿滚动的方式来实现变速，蜗齿与蜗道之间滚动摩擦，蜗齿并且采用较软的合金制造，例如铜合金。8)在传统的蜗轮蜗杆传动过程中，由于蜗轮与蜗杆之间属于滑动摩擦，润滑油主要是借助两者的滑动摩擦来对两者润滑，润滑效果不好，且容易因为发热造成润滑油的失效。而在本发明中，两个蜗齿构成的滚动摩擦副使得两个蜗齿彼此相向转动，使得在两者间隔之间的润滑油出现卷吸效果，进而利于形成油膜。在传动过程中，刚进入蜗道内的两个蜗齿彼此相向转动快，两者间的卷吸效果强，而此时蜗齿与蜗道之间的径向力越小，刚进入的蜗齿还不是主要的传力部件，润滑油会跟随蜗齿的转动在其表面形成油膜；而当两个蜗齿已经进入到蜗道内的中段时，两个蜗齿彼此相向转动慢，两者间的卷吸效果弱，而此时蜗齿与蜗道之间的径向力变大，蜗齿成为主要的传力部件，但是基于其之前刚进入时形成的油膜而在传力时使得蜗齿和蜗道无硬摩擦。在传动过程中，主要传力的一侧的蜗齿转动速度慢，另一侧的蜗齿转动速度快，转动速度快的蜗齿会基于其离心力而驱使润滑油流向转动速度慢的蜗齿，使得该传力的蜗齿与蜗道充分润滑。此外，间隔因滚子顶部变形量大于根部，形成锥形趋势的间隔空间，在转动中驱使油膜往根部运行，从而能够改善蜗齿及其与蜗轮本体1b之间连接部位的润滑效果，有效地降低了蜗齿与蜗轮本体之间的磨损及发热量，进而能够提高蜗齿的使用寿命及承载能力。

在本发明中，蜗齿1a和蜗道2a的接触线是瞬时变化的。诱导法曲率是评价蜗杆啮合性能的重要指标之一，它为两个线接触的共轭曲面在接触点处沿任意切线方向两曲面的法曲率之差，称为沿该方向的诱导法曲率。诱导法曲率表明了两共轭齿面在接触点沿指定切线方向的贴近程度。它对两共轭齿面的接触强度、油膜的承载能力、传动效率、使用寿命等都有很大的影响。在本发明中，蜗齿至少有三种形态，即滚柱、滚锥和球状。其中，滚柱的诱导法曲率最大，能够更好地实现蜗轮和蜗杆的啮合。

优选地，至少两个相邻的蜗齿1a的间隔内能够在至少两个相邻的蜗齿1a彼此以相向转动的的方式与蜗道2a形成间隔的滚动摩擦副情况下形成油膜。该油膜是在两个相邻的蜗齿转动过程中，基于其转动而使得润滑油具有离心力而形成，油膜的形成是动态的，能够改善蜗齿及其与蜗轮本体之间连接部位的润滑效果，有效地降低了蜗齿与蜗轮本体之间的磨损及发热量，进而能够提高蜗齿的使用寿命及承载能力。

优选地，基于呈滚子形状的蜗齿1a与蜗道2a的线接触，蜗轮1能够按照蜗齿1a与蜗道2a彼此不滑移的方式与蜗杆2实现传动。在某一时刻，蜗齿1a和蜗道2a形成的接触点构成一条接触线，在接触线上的所有接触点上能够引发蜗轮的转动或者蜗杆的转动径向力F_r以及驱动蜗齿转动的法向力，而不会产生使得蜗齿1a相对蜗道2a滑动的滑动摩擦力。例如，在蜗杆2转动的情况下，基于蜗齿1a与蜗道2a的部分线接触，蜗齿1a受到来自于蜗道2a施加的径向力F_r和切向力F_t。在切向力Ft驱动蜗齿1a自转以实现蜗齿1a与蜗道2a滚动摩擦的情况下，径向力Fr能够使得蜗齿1a按照与其周线同心的虚拟圆的轨迹绕蜗轮本体1b的轴线公转的方式驱动蜗轮本体转动。

实施例1

本实施例公开一种优选的蜗轮结构。如图1和2所示。

优选地，不同周线上的相邻的至少两个蜗齿1a的几何中心和/或重心的连线与蜗轮的轴线在空间上呈间隔角α。优选地，该间隔角α与蜗道2a的螺旋升角相互适应。优选地，0<α≤45°。

优选地，相邻两条周线的距离定义为c。相邻蜗齿1a之间的间隔由c和α共同决定。距离c与α满足以下关系来确定相邻两个蜗齿1a之间的间隔：

c/cosα≥(r₁+r₂)

式中，r₁和r₂分别为两个蜗齿的半径。在一种优选的实施方式中，r₁和r₂相等。

优选地，当α趋向于0的情况下，此时，能够使得两个蜗齿承载能力均匀，提高蜗轮的承载能力。当α趋向于或等于45°的情况下，能够实现蜗轮与蜗杆之间的自锁。为了能够有效地保证蜗轮的承载能力和蜗齿的安装效果，α优选在5～20°。

这能够在蜗轮1与蜗杆2传动的情况下，不同周线上的相邻的至少两个蜗齿1a能够与蜗道2a的同一侧彼此部分线接触。如图1所示，蜗齿1a布置有两条周线，两条周线以蜗杆的轴线对称布置。优选地，在第一条周线上均布排列有第一蜗齿1a-1。在第二条周线上均布排列有第二蜗齿1a-2。在第一视角下观察，第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2在轴向上是错开的排列的。优选地，基于相邻的至少两个蜗轮1在不同的周线上，相邻的至少两个蜗齿1a之间能够按照依次进入蜗道2a并与蜗道2a啮合的形式部分线接触。在这种情况下，不同周线上的两个蜗齿之间的轴向距离c较小。蜗齿1a与蜗道2a接触时，两者的接触线是蜗齿1a上的一条空间曲线。例如，当蜗齿是滚柱形或者滚锥形时，两者的接触线近似一条直线。当蜗齿是球状时，其齿面接触线为一曲线。

优选地，如图4所示，在蜗杆2转动的情况下，基于蜗齿1a与蜗道2a的部分线接触，蜗齿1a受到来自于蜗道2a施加的径向力F_r和切向力F_t。在切向力Ft驱动蜗齿1a自转以实现蜗齿1a与蜗道2a滚动摩擦的情况下，径向力Fr能够使得蜗齿1a按照与其周线同心的虚拟圆的轨迹绕蜗轮本体1b的轴线公转的方式驱动蜗轮本体转动。该虚拟圆可以是分度圆。蜗齿自传的速度为ω。径向力F_r和切向力F_t的比值与自转角β相关。在传动过程中，自转角β是不断变化的。因此，蜗齿的自传速度也是不断变化的。

本发明还公开了，在相邻的至少两个蜗齿1a均与蜗道2a的同一侧接触的情况下，相邻的至少两个蜗齿1a径向力F_r能够按照使得蜗齿1a与蜗道2a的线接触比例按照先增加后稳定再减小的方式变化。在蜗道2a中，可以出现至少一对相邻的蜗齿1a。例如，相邻的第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2进入到蜗道1a与之啮合时，基于蜗齿1a受到径向力F_r，相邻的第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2先与蜗道1a低比例线接触，逐步地与蜗道1a高比例稳定线接触，随后与蜗道1a再次低比例线接触。这种变化能够使得相邻的第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2能够先以辅助传动，再到主传动而后脱离与蜗道1a啮合。从而，基于蜗齿1a的滚动摩擦，每一个蜗齿轮1a都能够等磨损，能够充分地保证蜗轮1的传动精度。

本发明还公开了，相邻的至少两个蜗齿1a切向力F_t能够按照使得蜗轮1的转速稳定和/或蜗杆2的转速稳定的方式变化。在传动过程中，相邻的第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2进入到蜗道1a与之啮合时，相邻的第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2能够先以辅助传动，再到主传动而后脱离与蜗道1a啮合的方式承载，在承载时，相邻的至少两个蜗齿1a切向力F_t能够使得蜗轮1的转速稳定和/或蜗杆2的转速稳定。

本发明还公开了，在第一蜗齿1a-1与其相邻的第二蜗齿1a-2分别能够和蜗道2a的同一侧同时接触的情况下，第一蜗齿1a-1的自转速度变慢而第一蜗齿1a-1的相邻的第二蜗齿1a-2的自转速度变快，以使得蜗轮本体1b的转动速度和/或蜗杆2的转动速度能够基于第一蜗齿1a-1、第二蜗齿1a-2分别和蜗道2a形成的间隔式滚动摩擦副保持不变。蜗轮本体1b的转动速度和蜗杆2的转动速度彼此不同以实现变速。优选地，在蜗杆2转动的情况下，基于蜗齿1a与蜗道2a的部分线接触，蜗齿1a受到来自于蜗道2a施加的径向力F_r和切向力F_t。在径向力F_r驱动蜗齿1a自转以实现蜗齿1a与蜗道2a滚动摩擦的情况下，切向力F_t能够使得蜗齿1a按照与其周线同心的虚拟圆的轨迹绕蜗轮本体1b的周线公转的方式驱动蜗轮本体转动。例如，虚拟圆可以是分度圆。

本发明还公开了，首先进入蜗道2a的第一蜗齿1a-1的径向力F_r按照如下方式变化：在第一时间段(t_o，t₁)内大于相邻的后于该第一蜗齿1a-1进入蜗道2a的第二蜗齿1a-2的径向力；在第一时刻t₁等于相邻的后于该第一蜗齿1a-1进入蜗道2a的第二蜗齿1a-2径向力F_r；在第二时间段内(t₁，t₂)小于相邻的后于该第一蜗齿1a-1进入蜗道2a的第二蜗齿1a-2径向力F_r；在第二时刻t₂与相邻的后于该第一蜗齿1a-1进入蜗道2a的第二蜗齿1a-2径向力变为0。t_o时刻是后进入的第二蜗齿1a-2与蜗道2a接触的时刻。t₁时刻是第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2的自转速度相等的时刻。t₂时刻是第二蜗齿1a-2与蜗道1a-2脱离的时刻。优选地，首先进入蜗道2a的第一蜗齿1a-1的切向力F_t按照如下方式变化：在第一时间段(t_o，t₁)内大于相邻的后于该第一蜗齿1a-1进入蜗道2a的第二蜗齿1a-2的切向力F_t；在第一时刻t₁等于相邻的后于该第一蜗齿1a-1进入蜗道2a的第二蜗齿1a-2切向力F_r；在第二时间段内(t₁，t₂)小于相邻的后于该第一蜗齿1a-1进入蜗道2a的第二蜗齿1a-2切向力F_t；在第二时刻t₂与相邻的后于该第一蜗齿1a-1进入蜗道2a的第二蜗齿1a-2切向力F_t变为0。基于第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2之间受力的匹配关系，不同周线之间相邻的蜗齿能够以第一蜗齿1a-1先作为主啮合齿再作为副啮合齿而第二蜗齿1a-2先作为副啮合齿再作为主啮合齿的方式形成间隔式的滚动摩擦副，从而实现低摩擦无侧隙连续变速运动。

优选地，在同一周线上的蜗齿1a同时进入蜗道2a并与蜗道2a线接触的情况下，靠近蜗杆2轴向中间位置的蜗齿1a所承受的径向力F_r大于靠近蜗杆2轴向两端位置的与该蜗齿1a在同一条轴线上的蜗齿所承受的径向力F_r。同一周线上的蜗齿1a的径向力F_r按照这种匹配关系，使得蜗轮本体的转动主要依靠靠近蜗杆2轴向中间位置的蜗齿1a来传动，而以两侧的1a作为辅助。

优选地，在同一周线上的蜗齿1a同时进入蜗道2a并与蜗道2a线接触的情况下，靠近蜗杆2轴向中间位置的蜗齿1a所承受的切向力F_t大于靠近蜗杆2轴向两端位置的与该蜗齿1a在同一条轴线上的蜗齿所承受的径向力F_t。由于中间位置的蜗齿1a作为主要的传力部件，基于同一周线上的蜗齿1a的径向力F_r按照这种匹配关系，蜗齿1a的磨损会降低。

优选地，蜗轮1至少包括第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-1。第一蜗齿1a-1设置于蜗轮1的第一周线。第二蜗齿1a-2设置于蜗轮1的第二周线。彼此相邻的第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2按照分别能够与蜗道2a的同一蜗道侧面部分线接触的且能够先后依次进入蜗道2a的方式设置于蜗轮1，以使得蜗轮1能够基于第一蜗齿1a-1、第二蜗齿1a-2分别与蜗道2a形成的间隔式滚动摩擦副和蜗杆2实现无侧隙的单程传动。

实施例2

本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。本实施例公开了，在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。本实施例公开一种优选的蜗轮。

优选地，如图3所示，两条周线在第二视角下彼此相互重合并且与蜗轮本体2a的轴线也是重合的。第二视角是在第一视角下的A向投影视角。蜗轮1至少包括第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-1，其中，第一蜗齿1a-1设置于蜗轮1的第一周线上，第二蜗齿1a-2设置于蜗轮1的第二周线上，彼此相邻的第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2能够按照使得在蜗轮1正转或者反转的情况下分别与蜗道2a的两蜗道侧面部分线接触的方式设置于蜗轮1。

例如，不同周线上的相邻的至少两个蜗齿1a的几何中心和/或重心的连线与蜗轮的轴线在空间上呈间隔角α，间隔角α与蜗道2a的螺旋升角相互匹配，以使得在蜗轮1与蜗杆2传动的情况下，不同周线上的相邻的至少两个蜗齿1a分别能够与所述蜗道2a的两侧彼此部分线接触。如图3所示。在这种情况下，不同周线上的两个蜗齿之间的轴向距离较大。蜗齿1a包括第一蜗齿1a-1和第二蜗齿1a-2，其中，第一蜗齿1a-1设置于第一周线，第二蜗齿1a-2设置于第二周线。

在蜗轮本体1b的正转ω₁和/或蜗杆2-ω₂的反转时，第一蜗齿1a-1与蜗道2a的一侧高比例线接触，第二蜗齿1a-2与蜗道的另一侧低比例线接触或者无接触。高比例线接触是指蜗齿1a与蜗道2a的实际接触线的长度占理论接触线长度的60％～100％。低比例线接触是指蜗齿1a与蜗道2a的实际接触线的长度占理论接触线长度的0％～20％。在蜗轮正转ω₁时，第一蜗齿1a-1与蜗道2a的第一蜗道侧面2a-1高比例线接触且第二蜗齿1a-2与蜗道2a的第二蜗道侧面2a-2低比例线接触，第一周线上的第一蜗齿1a-1始终作为蜗轮与蜗杆之间传动的主要传递部件，而第二周线上的第二蜗齿1a-2始终作为蜗轮与蜗杆之间传动的辅助第一蜗齿1a-1传动，此时蜗轮1和蜗杆2能够基于第一蜗齿1a-1与第一蜗道侧面2a-1形成第一滚动摩擦副以及第二蜗齿1a-2与第二蜗道侧面2a-2形成的与第一滚动摩擦副相互间隔的第二滚动摩擦副传动，使得第一蜗齿1a-1的受力在传动过程中受力能够连续，这种有利于防止产生冲击载荷，对蜗齿产生碰击。而在蜗轮本体1b的反转-ω₁和/或蜗杆2的正转ω₂时，第二蜗齿1a-2与蜗道的另一侧高比例线接触，第一蜗齿1a-1与蜗道2a的一侧低比例线接触或者无接触。优选地，蜗轮反转-ω₁时，第一蜗齿1a-1与蜗道2a的第一蜗道侧面2a-1低比例线接触且第二蜗齿1a-2与蜗道2a的第二蜗道侧面2a-2高比例线接触，第二周线上的第二蜗齿1a-2始终作为蜗轮与蜗杆之间传动的主要传递部件，而第一周线上的第一蜗齿1a-1始终作为蜗轮与蜗杆之间传动的辅助第二蜗齿1a-2传动，此时蜗轮1和蜗杆2能够基于第一蜗齿1a-1与第一蜗道侧面2a-1形成第一滚动摩擦副以及第二蜗齿1a-2与第二蜗道侧面2a-2形成的与第一滚动摩擦副相互间隔的第二滚动摩擦副传动，使得第二蜗齿1a-2的受力在传动过程中受力能够连续，防止产生冲击载荷，对蜗齿产生碰击。基于上述的设置方式，蜗轮和蜗杆能够实现在正反转的情况下，在减小摩擦力的情况下，能够实现回程无侧隙，以能够满足在高精度的需要频繁正反转的蜗杆传动系统中。因此，蜗轮1能够基于第一蜗齿1a-1、第二蜗齿1a-2与蜗道2a形成的间隔式滚动摩擦副和蜗杆2实现低摩擦无侧隙的回程变速运动。

实施例3

本实施例可以是对实施例1、2或者其结合的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。本实施例公开了，在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。本实施例公开一种优选的蜗轮。

本实施例公开一种变速传动装置。该变速传动装置的变速机构采用的一种新型的蜗轮。在蜗轮本体1b

转动和/或蜗杆2转动之时，分别分布在至少两条于蜗轮本体轴向上彼此错开且相互平行的周线上的至少两个相邻蜗齿1a在蜗齿1a自转的情况下，同时与蜗道2a至少在局部形成线接触，并且位于相邻周线上的蜗齿1a在蜗轮本体的周向上是位置固定地两两相互错开的，从而在接合的蜗道2a内能够与蜗道2a形成彼此相邻的间隔的滚动摩擦副。例如，变速传动装置包括能够与蜗轮相互啮合的蜗杆，蜗轮包括蜗轮本体1b和蜗齿1a。蜗杆2的蜗道2a能够与设置于蜗轮本体1b的不同周线上的相邻的至少两个蜗齿1a在蜗齿1a自转的情况下部分线接触，以使得传动装置能够基于蜗齿1a与蜗道2a形成的间隔式滚动摩擦副实现低摩擦无侧隙连续变速运动。

该传动装置具有如下优势：1)、基于蜗齿自转的同时绕蜗轮公转，蜗轮蜗杆之间滚动摩擦，具有降低磨损和降低噪音等优势。2)、蜗轮和蜗齿之间能够实现无侧隙传动，减低传动误差提高传动精度和能够提高传动的平稳性。3)、本发明能够满足低磨损和高精度的需要频繁正反转的蜗杆传动系统中，例如伺服驱动系统。4)、在传动过程中，蜗道与蜗齿之间摩擦生热量大大降低，在传动过程中降低了蜗道和蜗齿配种中由于摩擦生热导致的热膨胀而生成的间隙，能够进一步地提高传动的平稳性和精度。5)、能够增加传动系统的寿命，其中包括蜗杆的疲劳寿命、蜗轮的疲劳寿命以及轴承系统的疲劳寿命。6)、蜗齿与蜗轮本体是按照可拆卸的方式连接，使得本发明的蜗齿易更换。7)由于采用了蜗齿滚动的方式来实现变速，蜗齿与蜗道之间滚动摩擦，蜗齿并且采用较软的合金制造，例如铜合金。

优选地，本发明还公开了一种变速传动装置，装置包括与蜗轮1连接的蜗轮传动轴和与蜗杆2连接的蜗杆传动轴。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高效啮合蜗轮，包括蜗轮本体(1b)和蜗齿(1a)，其特征在于，相邻周线上的第一蜗齿(1a-1)和第二蜗齿(1a-2)的几何中心和/或重心的连线与蜗轮(1)的轴线在空间上具有间隔角α，以使得所述相邻周线之间距离(c)按照能够使得第一蜗齿(1a-1)和第二蜗齿(1a-2)分别与所述蜗道(2a)的同一蜗道侧面部分线接触的且能够先后依次进入所述蜗道(2a)的方式设置，或所述相邻周线之间距离(c)按照能够使得第一蜗齿(1a-1)与所述蜗道(2a)的第一蜗道侧面(2a-1)线接触且第二蜗齿(1a-2)与所述蜗道(2a)的第二蜗道侧面(2a-2)线接触的方式设置；

距离c与α满足以下关系来确定相邻两个蜗齿(1a)之间的间隔：

c/cosα≥(r₁+r₂)

式中，r₁和r₂分别为两个蜗齿的半径。

2.根据权利要求1所述的蜗轮，其特征在于，不同周线上的相邻的至少两个蜗齿(1a)的几何中心和/或重心的连线与蜗轮的轴线在空间上呈间隔角α。

3.根据权利要求1或2所述的蜗轮，其特征在于，当α趋向于0的情况下，此时，能够使得两个蜗齿承载能力均匀，提高蜗轮的承载能力，当α趋向于或等于45°的情况下，能够实现蜗轮与蜗杆之间的自锁。

4.根据权利要求3所述的蜗轮，其特征在于，在α处于0～45°范围时，所述蜗轮(1)与所述蜗杆(2)传动使不同周线上的相邻的至少两个蜗齿(1a)能够与蜗道(2a)的同一侧彼此部分线接触。

5.根据权利要求4所述的蜗轮，其特征在于，在蜗杆(2)转动的情况下，基于蜗齿(1a)与蜗道(2a)的部分线接触，蜗齿(1a)受到来自于蜗道(2a)施加的径向力F_r和切向力F_t。

6.根据权利要求5所述的蜗轮，其特征在于，所述在相邻的至少两个所述蜗齿(1a)均与所述蜗道(2a)的同一侧接触的情况下，相邻的至少两个蜗齿(1a)径向力F_r能够按照使得蜗齿(1a)与蜗道(2a)的线接触比例按照先增加后稳定再减小的方式变化，在蜗道(2a)中，可以出现至少一对相邻的蜗齿(1a)。

7.根据权利要求6所述的蜗轮，其特征在于，相邻的至少两个所述蜗齿(1a)切向力F_t能够按照使得所述蜗轮(1)的转速稳定和/或蜗杆(2)的转速稳定的方式变化，在传动过程中，相邻的第一蜗齿(1a-1)和第二蜗齿(1a-2)进入到蜗道(1a)与之啮合时，相邻的第一蜗齿(1a-1)和第二蜗齿(1a-2)能够先以辅助传动，再到主传动而后脱离与蜗道(1a)啮合的方式承载，在承载时，相邻的至少两个蜗齿(1a)切向力F_t能够使得蜗轮(1)的转速稳定和/或蜗杆(2)的转速稳定。

8.根据权利要求7所述的蜗轮，其特征在于，在第一蜗齿(1a-1)与其相邻的第二蜗齿(1a-2)分别能够和蜗道(2a)的同一侧同时接触的情况下，第一蜗齿(1a-1)的自转速度变慢而第一蜗齿(1a-1)的相邻的第二蜗齿(1a-2)的自转速度变快，以使得蜗轮本体(1b)的转动速度和/或蜗杆(2)的转动速度能够基于第一蜗齿(1a-1)、第二蜗齿(1a-2)分别和蜗道(2a)形成的间隔式滚动摩擦副保持不变。

9.根据权利要求8所述的蜗轮，其特征在于，首先进入蜗道(2a)的第一蜗齿(1a-1)的径向力F_r按照如下方式变化：在第一时间段(t_o，t₁)内大于相邻的后于该第一蜗齿(1a-1)进入蜗道(2a)的第二蜗齿(1a-2)的径向力；在第一时刻t₁等于相邻的后于该第一蜗齿(1a-1)进入蜗道(2a)的第二蜗齿(1a-2)径向力F_r；在第二时间段内(t₁，t₂)小于相邻的后于该第一蜗齿(1a-1)进入蜗道(2a)的第二蜗齿(1a-2)径向力F_r；在第二时刻t₂与相邻的后于该第一蜗齿(1a-1)进入蜗道(2a)的第二蜗齿(1a-2)径向力变为0。

10.根据权利要求9所述的蜗轮，其特征在于，不同周线之间相邻的蜗齿能够以第一蜗齿(1a-1)先作为主啮合齿再作为副啮合齿而第二蜗齿(1a-2)先作为副啮合齿再作为主啮合齿的方式形成间隔式的滚动摩擦副，从而实现低摩擦无侧隙连续变速运动。

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