CN113028029A - 圆柱环面组合式蜗杆、传动副及其设计和成型方法 - Google Patents

圆柱环面组合式蜗杆、传动副及其设计和成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种圆柱环面组合式蜗杆、传动副及其设计和成型方法，包括圆柱环面组合式蜗杆以及与该蜗杆啮合的渐开线斜齿轮。所述蜗杆沿轴线方向由半截圆柱蜗杆和半截环面蜗杆拼接而成。所述半截圆柱蜗杆为渐开线圆柱蜗杆，其与配对的渐开线斜齿轮构成点接触啮合关系；所述半截环面蜗杆的齿面是以配对的渐开线斜齿轮齿面为母面并按啮合关系展成形成的包络面，其与配对的渐开线斜齿轮构成多齿线接触啮合关系。本发明的蜗杆及蜗杆传动副不仅具备圆柱蜗杆易成型、制造成本低的优点，也具备环面蜗杆承载能力大、传动效率高的优点，而且结构紧凑、具有自锁性，特别适用于通信设备、汽车电子、智能家居、医疗器械等设备中。

Description

圆柱环面组合式蜗杆、传动副及其设计和成型方法
技术领域
本发明属于机械传动技术领域，特别是涉及一种圆柱环面组合式蜗杆、传动副及其设计和成型方法。
背景技术
微型传动具有功率小、输出动力小的特点，其不以传递动力为主，而侧重于控制调节、传动运动，主要起到控制、变速、转向等作用。近年来微型传动在通信设备、智能手机、智能家居服务机器人等新兴产业和医疗器械、汽车电子等传统产业中的应用越来越广泛。微型传动系统采用的主要材料以工程塑料和金属粉末材料为主，生产工艺以模具成型工艺(具体包括塑料注射成型、金属粉末注射成型、粉末冶金成型等)为主，使其具有产品设计自由度高、工艺流程简单、质量轻、能耗低、生产效率高等优势，能更好的适应下游精密控制、微型化、轻量化、低成本、低噪音、大规模生产等的需求。
蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成，主要用于传递空间交错轴间的运动和动力，通常轴交角为90°。基于其传动比范围大、结构紧凑、传动平稳、噪音低及运动误差小等特点，蜗杆传动在微型传动领域得到了大量应用。圆柱蜗杆制造成本低，能够一次注塑成型，但是其承载能力较小；环面蜗杆承载能力大，传动效率高，但是由于其沿轴向两头大中间小的特点，难以一次注塑成型，制造成本高且拼接精度低，因此亟须一种兼具承载能力大、易脱模特点的蜗杆及蜗杆传动副。
如何解决上述现有技术存在的缺陷成为了该领域技术人员努力的方向。
发明内容
本发明的目的就是提供一种圆柱环面组合式蜗杆、传动副及其设计和成型方法，该蜗杆传动副传动比范围大、承载能力高，具有自锁性，并且基于其外形和齿形特点，能够通过注塑或粉末冶金等快速成形工艺进行高效率、低成本制造，能完全解决上述现有技术的不足之处。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种圆柱环面组合式蜗杆，所述蜗杆是由圆柱蜗杆和环面蜗杆拼接而成。
进一步，所述蜗杆沿轴线方向由半截圆柱蜗杆和半截环面蜗杆拼接而成，且均能与配对的渐开线斜齿轮构成正确啮合。
进一步，所述半截圆柱蜗杆为渐开线圆柱蜗杆，其与配对的渐开线斜齿轮构成点接触啮合关系；所述半截环面蜗杆的齿面是以配对的渐开线斜齿轮齿面为母面并按啮合关系展成形成的包络面，其与配对的渐开线斜齿轮构成多齿线接触啮合关系。
进一步，所述半截圆柱蜗杆与半截环面蜗杆的蜗杆头数和旋向均相同。
进一步，所述半截环面蜗杆的齿顶圆直径沿轴线方向逐渐减小至与半截圆柱蜗杆的齿顶圆直径一致。
一种圆柱环面组合式蜗杆传动副，包括上述的蜗杆以及与该蜗杆啮合的渐开线斜齿轮。
一种圆柱环面组合式蜗杆传动副的设计方法，包括上述传动副，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据使用实际需求，确定传动副的中心距a和传动比i；
步骤2，确定配对的渐开线斜齿轮设计参数，包括齿数Z2、模数m、压力角α、齿面螺旋角β；
步骤3，根据渐开线斜齿轮齿面方程得到齿轮齿面，通过缝合形成渐开线斜齿轮的三维精确模型；
步骤4，根据渐开线斜齿轮设计参数，确定半截圆柱蜗杆的设计参数，包括蜗杆头数Z1、直径系数q、导程角γ；
步骤5，根据渐开线圆柱蜗杆齿面方程得到半截圆柱蜗杆的齿面，通过缝合形成半截圆柱蜗杆的三维精确模型；
步骤6，根据渐开线斜齿轮通过包络得到的环面蜗杆齿面方程，求解得到半截环面蜗杆的齿面，通过缝合形成半截环面蜗杆的三维精确模型；
步骤7，在三维模型中将半截圆柱蜗杆和半截环面蜗杆进行合并拼接，得到圆柱环面组合式蜗杆的三维精确模型。
进一步，所述半截环面蜗杆的齿顶圆直径沿轴线方向逐渐减小至与半截圆柱蜗杆的齿顶圆直径一致，在三维模型中找到半截圆柱蜗杆和半截环面蜗杆在齿顶圆的相切处，以此为界限对多余部分进行修剪后完成两部分模型的合并，得到圆柱环面组合式蜗杆的三维精确模型。
所述渐开线斜齿轮齿面方程为：
Figure BDA0002932396290000031
其中，
Figure BDA0002932396290000032
分别是渐开线斜齿轮齿面方程沿x、y、z轴方向的分量，rb2是渐开线斜齿轮的基圆半径，δg是渐开线在基圆柱上的转角，θg和ug分别是齿轮沿齿宽方向和齿高方向的齿面参数，α是齿轮齿面压力角，β是齿面螺旋角；
所述渐开线圆柱蜗杆齿面方程为：
Figure BDA0002932396290000033
其中，
Figure BDA0002932396290000041
分别是渐开线圆柱蜗杆齿面方程沿x、y、z轴方向的分量，rb1是渐开线圆柱蜗杆的基圆半径，δw是车刀相对于初始位置转过的角度，θw是基圆柱的螺旋升角，λw是车刀直线刃口参数，p是蜗杆螺旋运动参数，p＝mn/2，mn为传动副法向模数；
所述环面蜗杆齿面方程为：
Figure BDA0002932396290000042
其中，r11为渐开线斜齿轮齿面包络面，
Figure BDA0002932396290000043
为渐开线斜齿轮的角位移，θg和ug分别是齿轮沿齿宽方向和齿高方向的齿面参数，r2为斜齿轮齿面方程，Φ表示环面蜗杆与渐开线斜齿轮的啮合函数，n为渐开线斜齿轮齿面法向量，V12为斜齿轮齿面与环面蜗杆齿面相对运动速度，矩阵M12为斜齿轮齿面到环面蜗杆齿面的矢量变换矩阵；
Figure BDA0002932396290000044
其中，
Figure BDA0002932396290000045
和
Figure BDA0002932396290000046
分别为环面蜗杆和渐开线斜齿轮的角位移，α为传动副中心距。
一种圆柱环面组合式蜗杆传动副的成型方法，包括上述的传动副，其特征在于：根据圆柱环面组合式蜗杆的精确三维模型制作蜗杆注塑成型模具，根据渐开线斜齿轮的精确三维模型制作齿轮注塑成型模具，分别将蜗杆注塑成型模具和齿轮注塑成型模具架设到注塑成型机上进行注塑成型，在脱模时采用螺旋旋转方式脱模，从而得到圆柱环面组合式蜗杆和渐开线斜齿轮，将圆柱环面组合式蜗杆和渐开线斜齿轮啮合即得圆柱环面组合式蜗杆传动副。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：该蜗杆及蜗杆传动副不仅具备圆柱蜗杆易成型、制造成本低的优点，也具备环面蜗杆承载能力大、传动效率高的优点，而且结构紧凑、具有自锁性，特别适用于通信设备、汽车电子、智能家居、医疗器械等设备中。
附图说明
图1是本发明圆柱环面组合式蜗杆传动副的立体结构示意图；
图2是本发明中圆柱环面组合式蜗杆的结构示意图；
图3是本发明中渐开线斜齿轮的结构示意图；
图4是本发明的设计流程图；
图5是本发明中蜗杆注塑成型模具的结构示意图；
图6是本发明中齿轮注塑成型模具的结构示意图；
图7是本发明中圆柱环面组合式蜗杆的脱模过程示意图；
图8是本发明中渐开线斜齿轮脱模过程示意图；
图9是本发明中蜗杆注塑成型模具上模的结构示意图；
图10是发明中蜗杆注塑成型模具下模的结构示意图。
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。
如图1至图10所示，一种圆柱环面组合式蜗杆，所述蜗杆是由圆柱蜗杆和环面蜗杆拼接而成。具体的讲，所述蜗杆1沿轴线方向由半截圆柱蜗杆1-1和半截环面蜗杆1-2拼接而成，且均能与配对的渐开线斜齿轮2构成正确啮合。
所述半截圆柱蜗杆1-1为渐开线圆柱蜗杆，其与配对的渐开线斜齿轮2构成点接触啮合关系；所述半截环面蜗杆1-2的齿面是以配对的渐开线斜齿轮2齿面为母面并按啮合关系展成形成的包络面，其与配对的渐开线斜齿轮2构成多齿线接触啮合关系。
所述半截圆柱蜗杆1-1与半截环面蜗杆1-2的蜗杆头数Z1和旋向分别对应相同。
如图2所示，所述半截环面蜗杆1-2的齿顶圆直径沿轴线方向逐渐减小至与半截圆柱蜗杆1-1的齿顶圆直径一致，此处即为拼接位置1-3，在拼接位置1-3将半截圆柱蜗杆1-1和半截环面蜗杆1-2进行拼接为一体。
一种圆柱环面组合式蜗杆传动副，包括上述的蜗杆1以及与该蜗杆1啮合的渐开线斜齿轮2，参见图1。
所述渐开线圆柱蜗杆与渐开线斜齿轮2的模数m、旋向相同，蜗杆导程角γ和齿轮螺旋角β满足γ+β＝90°。
参见图4，一种圆柱环面组合式蜗杆传动副的设计方法，包括上述传动副，其设计方法包括以下步骤：
步骤1，根据使用实际需求，确定传动副的中心距a和传动比i；
此处的实际需求包括在不同使用场合中承载能力、转速、减速比等不同的要求；
步骤2，确定配对的渐开线斜齿轮设计参数，包括齿数Z2、模数m、压力角α、齿面螺旋角β；
步骤3，根据渐开线斜齿轮齿面方程得到齿轮齿面，通过缝合形成渐开线斜齿轮的三维精确模型；
步骤4，根据渐开线斜齿轮设计参数，确定半截圆柱蜗杆的设计参数，包括蜗杆头数Z1、直径系数q、导程角γ；
步骤5，根据渐开线圆柱蜗杆齿面方程得到半截圆柱蜗杆的齿面，通过缝合形成半截圆柱蜗杆的三维精确模型；
步骤6，根据渐开线斜齿轮通过包络得到的环面蜗杆齿面方程，求解得到半截环面蜗杆的齿面，通过缝合形成半截环面蜗杆的三维精确模型；
步骤7，在三维模型中将半截圆柱蜗杆和半截环面蜗杆进行合并拼接，得到圆柱环面组合式蜗杆的三维精确模型。
所述半截环面蜗杆的齿顶圆直径沿轴线方向逐渐减小至与半截圆柱蜗杆的齿顶圆直径一致，在三维模型中找到半截圆柱蜗杆和半截环面蜗杆在齿顶圆的相切处，以此为界限对多余部分进行修剪后完成两部分模型的合并，得到圆柱环面组合式蜗杆的三维精确模型。
所述渐开线斜齿轮齿面方程为：
Figure BDA0002932396290000071
其中，
Figure BDA0002932396290000072
分别是渐开线斜齿轮齿面方程沿x、y、z轴方向的分量，rb2是渐开线斜齿轮的基圆半径，δg是渐开线在基圆柱上的转角，θg和ug分别是齿轮沿齿宽方向和齿高方向的齿面参数，α是齿轮齿面压力角，β是齿面螺旋角；
所述渐开线圆柱蜗杆齿面方程为：
Figure BDA0002932396290000073
其中，
Figure BDA0002932396290000074
分别是渐开线圆柱蜗杆齿面方程沿x、y、z轴方向的分量，rb1是渐开线圆柱蜗杆的基圆半径，δw是车刀相对于初始位置转过的角度，θw是基圆柱的螺旋升角，λw是车刀直线刃口参数，p是蜗杆螺旋运动参数，p＝mn/2，mn为传动副法向模数；
所述环面蜗杆齿面方程为：
Figure BDA0002932396290000081
其中，r11为渐开线斜齿轮齿面包络面，
Figure BDA0002932396290000082
为渐开线斜齿轮的角位移，θg和ug分别是齿轮沿齿宽方向和齿高方向的齿面参数，r2为斜齿轮齿面方程，Φ表示环面蜗杆与渐开线斜齿轮的啮合函数，n为渐开线斜齿轮齿面法向量，V12为斜齿轮齿面与环面蜗杆齿面相对运动速度，矩阵M12为斜齿轮齿面到环面蜗杆齿面的矢量变换矩阵；
Figure BDA0002932396290000083
其中，
Figure BDA0002932396290000084
和
Figure BDA0002932396290000085
分别为环面蜗杆和渐开线斜齿轮的角位移，α为传动副中心距。
参见图5至图10，一种圆柱环面组合式蜗杆传动副的成型方法，包括上述传动副中的圆柱环面组合式蜗杆的成型方法和渐开线斜齿轮的成型方法。
圆柱环面组合式蜗杆的成型方法：根据圆柱环面组合式蜗杆的精确三维模型制作蜗杆注塑成型模具3，该模具包括上模3-1和下模3-2，上模3-1上具有上模腔3-1-1以及与上模腔相通的浇口3-1-2，下模3-2上具有下模腔3-2-1，上、下模腔3-1-1、3-2-1构成圆柱环面组合式蜗杆1的整体结构形状，该模具的分模面8位于环面蜗杆喉圆柱与蜗杆轴4的过渡处，上模腔3-1-1在合模处设有一螺旋状凸起部3-1-3，该凸起部沿蜗杆旋向其高度逐渐降低直至与分模面平齐，与之对应的下模腔3-2-1上设有一螺旋状凹槽3-2-2，上模腔3-1-1的凸起部与下模腔3-2-1的凹槽完全匹配。上模腔3-1-1上的螺旋状凸起部3-1-3以环面蜗杆上工作面与非工作面的交界1-4处为起始，完全包裹住环面蜗杆上的非工作面。该分模面沿着环面蜗杆喉圆柱与蜗杆轴4的过渡部位与上模腔凸起部的边缘分布，从而分模面完全脱离了蜗杆齿面的工作面，使得在注塑成型后分模面上产生的飞边毛刺不会对圆柱环面组合式蜗杆传动副的传动性能产生影响。在下模3-2底端设有顶出机构，该顶出机构包括一个能旋转的顶针3-3，且该顶针3-3位于蜗杆的轴线上。将蜗杆注塑成型模具架设到注塑成型机上进行注塑成型，具体的讲，在注塑成型机上的合模机构带动下，上、下模3-1、3-2合模锁紧，注塑成型机上的喷嘴通过浇口3-1-2向模具的型腔中注入熔料至型腔填满，然后经过保压和冷却阶段后，熔料在模具型腔中定型，然后合模机构带动上、下模3-1、3-2开模，顶针3-3位于圆柱环面蜗杆的蜗杆轴内，在顶出机构的作用下顶针带着圆柱环面蜗杆沿蜗杆轴线做螺旋运动，顺着蜗杆旋向将蜗杆旋出从而实现脱模，即得圆柱环面组合式蜗杆。
渐开线斜齿轮的成型方法：根据渐开线斜齿轮2的精确三维模型制作齿轮注塑成型模具5，该模具包括具有型腔的上模5-1和下模5-2，上、下模5-1、5-2的型腔构成渐开线斜齿轮2的整体形状，该模具的分模面位于渐开线斜齿轮的一端端面，在下模5-2底端设有顶出机构，该顶出机构包括一个能旋转的顶针5-3，且该顶针5-3位于齿轮的轴线上。将齿轮注塑成型模具架设到注塑成型机上进行注塑成型，具体的讲，在注塑成型机上的合模机构带动下，上、下模合模锁紧，注塑成型机上的喷嘴向模具的型腔中注入熔料至型腔填满，然后经过保压和冷却阶段后，熔料在模具型腔中定型，然后合模机构带动上、下模开模，在顶出机构的作用下顶针带着渐开线斜齿轮轴线做螺旋运动，顺着齿轮旋向将齿轮旋出从而实现脱模，即得渐开线斜齿轮。
将圆柱环面组合式蜗杆和渐开线斜齿轮啮合即得圆柱环面组合式蜗杆传动副。
与现有技术相比，本发明的蜗杆及蜗杆传动副不仅具备圆柱蜗杆易成型、制造成本低的优点，也具备环面蜗杆承载能力大、传动效率高的优点，而且结构紧凑、具有自锁性，特别适用于通信设备、汽车电子、智能家居、医疗器械等设备中。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种圆柱环面组合式蜗杆，其特征在于：所述蜗杆是由圆柱蜗杆和环面蜗杆拼接而成。
2.根据权利要求1所述的圆柱环面组合式蜗杆，其特征在于：所述蜗杆沿轴线方向由半截圆柱蜗杆和半截环面蜗杆拼接而成，且均能与配对的渐开线斜齿轮构成正确啮合。
3.根据权利要求2所述的圆柱环面组合式蜗杆，其特征在于：所述半截圆柱蜗杆为渐开线圆柱蜗杆，其与配对的渐开线斜齿轮构成点接触啮合关系；所述半截环面蜗杆的齿面是以配对的渐开线斜齿轮齿面为母面并按啮合关系展成形成的包络面，其与配对的渐开线斜齿轮构成多齿线接触啮合关系。
4.根据权利要求3所述的圆柱环面组合式蜗杆，其特征在于：所述半截圆柱蜗杆与半截环面蜗杆的蜗杆头数和旋向均相同。
5.根据权利要求3所述的圆柱环面组合式蜗杆，其特征在于：所述半截环面蜗杆的齿顶圆直径沿轴线方向逐渐减小至与半截圆柱蜗杆的齿顶圆直径一致。
6.一种圆柱环面组合式蜗杆传动副，其特征在于：包括上述权利要求1-5任意一项所述的蜗杆以及与该蜗杆啮合的渐开线斜齿轮。
7.一种圆柱环面组合式蜗杆传动副的设计方法，包括权利要求6所述的传动副，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据使用实际需求，确定传动副的中心距a和传动比i；
步骤2，确定配对的渐开线斜齿轮设计参数，包括齿数Z2、模数m、压力角α、齿面螺旋角β；
步骤3，根据渐开线斜齿轮齿面方程得到齿轮齿面，通过缝合形成渐开线斜齿轮的三维精确模型；
步骤4，根据渐开线斜齿轮设计参数，确定半截圆柱蜗杆的设计参数，包括蜗杆头数Z1、直径系数q、导程角γ；
步骤5，根据渐开线圆柱蜗杆齿面方程得到半截圆柱蜗杆的齿面，通过缝合形成半截圆柱蜗杆的三维精确模型；
步骤6，根据渐开线斜齿轮通过包络得到的环面蜗杆齿面方程，求解得到半截环面蜗杆的齿面，通过缝合形成半截环面蜗杆的三维精确模型；
步骤7，在三维模型中将半截圆柱蜗杆和半截环面蜗杆进行合并拼接，得到圆柱环面组合式蜗杆的三维精确模型。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：所述半截环面蜗杆的齿顶圆直径沿轴线方向逐渐减小至与半截圆柱蜗杆的齿顶圆直径一致，在三维模型中找到半截圆柱蜗杆和半截环面蜗杆在齿顶圆的相切处，以此为界限对多余部分进行修剪后完成两部分模型的合并，得到圆柱环面组合式蜗杆的三维精确模型。
9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：
所述渐开线斜齿轮齿面方程为：
Figure FDA0002932396280000021
其中，
Figure FDA0002932396280000022
分别是渐开线斜齿轮齿面方程沿x、y、z轴方向的分量，rb2是渐开线斜齿轮的基圆半径，δg是渐开线在基圆柱上的转角，θg和ug分别是齿轮沿齿宽方向和齿高方向的齿面参数，α是齿轮齿面压力角，β是齿面螺旋角；
所述渐开线圆柱蜗杆齿面方程为：
Figure FDA0002932396280000031
其中，
Figure FDA0002932396280000032
分别是渐开线圆柱蜗杆齿面方程沿x、y、z轴方向的分量，rb1是渐开线圆柱蜗杆的基圆半径，δw是车刀相对于初始位置转过的角度，θw是基圆柱的螺旋升角，λw是车刀直线刃口参数，p是蜗杆螺旋运动参数，p＝mn/2，mn为传动副法向模数；
所述环面蜗杆齿面方程为：
Figure FDA0002932396280000033
其中，r11为渐开线斜齿轮齿面包络面，
Figure FDA0002932396280000034
为渐开线斜齿轮的角位移，θg和ug分别是齿轮沿齿宽方向和齿高方向的齿面参数，r2为斜齿轮齿面方程，Φ表示环面蜗杆与渐开线斜齿轮的啮合函数，n为渐开线斜齿轮齿面法向量，V12为斜齿轮齿面与环面蜗杆齿面相对运动速度，矩阵M12为斜齿轮齿面到环面蜗杆齿面的矢量变换矩阵；
Figure FDA0002932396280000035
其中，
Figure FDA0002932396280000036
和
Figure FDA0002932396280000037
分别为环面蜗杆和渐开线斜齿轮的角位移，α为传动副中心距。
10.一种圆柱环面组合式蜗杆传动副的成型方法，包括权利要求6所述的传动副，其特征在于：根据圆柱环面组合式蜗杆的精确三维模型制作蜗杆注塑成型模具，根据渐开线斜齿轮的精确三维模型制作齿轮注塑成型模具，分别将蜗杆注塑成型模具和齿轮注塑成型模具架设到注塑成型机上进行注塑成型,在脱模时采用螺旋旋转方式脱模，从而得到圆柱环面组合式蜗杆和渐开线斜齿轮，将圆柱环面组合式蜗杆和渐开线斜齿轮啮合即得圆柱环面组合式蜗杆传动副。
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