CN113175498B - 一种组合式蜗轮蜗杆传动机构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式蜗轮蜗杆传动机构的加工方法，其特征在于，加工方法至少包括如下步骤：S1、蜗杆加工步骤：蜗杆经过分段加工形成关于彼此对接中心部位彼此镜像对称的第一蜗杆齿和第二蜗杆齿，第一蜗杆齿和第二蜗杆齿的各齿面是基于不同齿型的齿轮齿面作为母面经过共轭运动而包络形成的，其中，在沿蜗杆轴线剖视的视图中，第一半段蜗杆经过不同母面能够包络出大致呈线性变化的第一蜗杆一齿面和呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的第一蜗杆二齿面，第二半段蜗杆经过不同母面能够包络出大致呈线性变化的第二蜗杆二齿面和呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的第二蜗杆一齿面。

Description

一种组合式蜗轮蜗杆传动机构及其加工方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种组合式蜗轮蜗杆传动机构及其加工方法。

背景技术

蜗轮蜗杆传动方式被广泛应用，蜗轮和蜗杆均通过转轴、轴承等安装在机体上，蜗杆外侧加工有螺旋齿，蜗轮周边加工有与螺旋齿相配的蜗轮齿，驱动装置带动蜗杆转动，通过螺旋齿带动蜗轮转动，达到传递动力的目的。由于蜗轮蜗杆传动摩擦力较大，磨损严重，运行一定时间后螺旋齿与蜗轮齿之间会产生较大间隙，目前使用的蜗轮蜗杆结构无法调整上述间隙，使传动精度下降，噪声增大，运行不平稳。

CN104139219 A公开了一种平面包络环面蜗杆五轴联动砂轮磨削加工方法，采用的加工机床是五轴联动数控机床，按照平面包络环面蜗杆的成型原理，通过机床五轴联动，使得砂轮磨削平面与虚拟齿轮的齿面重合，并绕虚拟齿轮旋转轴线旋转，同时工件蜗杆绕自身轴线旋转，两者的旋转速度和方向通过蜗杆副的旋向和传动比确定，虚拟齿轮轴线与工件蜗杆轴线距离等于蜗杆副中心距，从而利用砂轮平面包络磨削出平面包络环面蜗杆齿面。该发明第一次将五轴联动加工技术应用于平面包络环面蜗杆的磨削加工中，利用五轴加工机床的柔性和精密性，可大幅度提高平面包络环面蜗杆的磨削范围和磨削精度。

CN104625663 A公开了一种平面二次包络蜗杆加工方法，首先根据零件材料和结构选择合适的侧铣刀具，随后根据选择的侧铣刀具确定侧铣工艺参数，接着五轴联动粗加工蜗杆，然后对粗加工后的蜗杆进行淬火热处理，最后五轴联动精加工蜗杆，其创新点在于：所述五轴联动粗加工蜗杆之后增加五轴联动半精加工蜗杆步骤，形成三级加工方法。本发明公开的平面二次包络蜗杆加工方法，解决了现有技术中改装机床加工精度较差，加工时间太长的难题，产品精度大大的提高，减少了装配的工时，提高了蜗杆承载力，使之传动效率得到大大提高，同时也提高锁紧块的使用寿命。

上述专利都针对平面二次蜗轮蜗杆的加工方法进行了改进，以获得更加精准且传动效率更高的蜗轮蜗杆传动机构。但对于某些对传动精度要求更高而对传动效率要求不高的特定领域，如何在降低传动摩擦的同时能够进一步地提高传动精度的问题还不能很好地解决。

CN102734389 A公开了一种可消除齿侧间隙的蜗杆传动装置，不仅能减小或者消除齿侧间隙,实现精密传动，而且承载能力大,且便于加工制造。它包括蜗杆和蜗轮，所述蜗杆由同轴安装的左段蜗杆、右段蜗杆构成，其左右齿面分别由正弦线形砂轮异面一次包络而成；所述蜗轮在径向均匀分布有正弦形状轮齿，轮齿由与蜗杆形状一致的滚刀二次包络而成；所述左段蜗杆、右段蜗杆之间设置有调整其相对位置和相对旋转角度的调节机构。该专利的蜗杆采用了两段式组装结构，以便于装配和便于调节齿侧间隙。但事实上该专利蜗杆的齿形大体一致，在用于顺时针和逆时针传动时，不需要考虑材料硬度及其热处理过程带来的问题，其加工方式及组成结构上都能够进行更优化以使得传动精度进一步提高。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请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

针对现有技术的不足，为解决蜗轮蜗杆传动机构的降低传动摩擦并提高传动精度的问题，本发明旨在提供一种组合式蜗轮蜗杆传动机构及其加工方法，以通过在同一蜗杆齿上设置不同结构的齿面，并在啮合时以特定的啮合方式实现蜗轮蜗杆的啮合，从而达到消除蜗轮蜗杆正反转过程中的齿侧间隙以降低传动摩擦并极大程度提高蜗轮蜗杆传动精度的目的。

本发明公开了一种组合式蜗轮蜗杆传动机构的加工方法，其可以包括如下步骤：蜗杆加工步骤、滚刀加工步骤及蜗轮加工步骤。

S1、蜗杆加工步骤：蜗杆由第一半段蜗杆和第二半段蜗杆经过分段加工再组合的形式制造而成。第一半段蜗杆和第二半段蜗杆分别使用各自相应的磨具以加工成结构彼此不同的第一蜗杆齿和第二蜗杆齿。第一蜗杆齿和第二蜗杆齿是关于彼此对接中心部位彼此镜像对称的。第一蜗杆齿和第二蜗杆齿的各齿面基于不同齿型的齿轮齿面作为母面经过共轭运动而包络形成。

S2、滚刀加工步骤：滚刀至少包括第一滚刀和第二滚刀。第一滚刀的工艺参数根据第一蜗杆二齿面的设计结构而确定，第二滚刀的工艺参数根据第二蜗杆一齿面的设计结构而确定。

S3、蜗轮加工步骤：利用加工而成的滚刀在蜗轮的毛坯上沿周向磨削出若干间隔排列的蜗轮齿。第一滚刀能够磨削出蜗轮齿的蜗轮一齿面，第二滚刀能够磨削出蜗轮齿的蜗轮二齿面。

该技术方案的优点在于：本发明采用了二次包络的加工方法，以使得蜗杆与蜗轮能够通过相互匹配的蜗杆齿结构和蜗轮齿结构轻松地完成啮合，以降低蜗杆与蜗轮在加工成型后的相互啮合时磨合过程中产生的匹配成本，从而一定程度地提升蜗轮蜗杆传动机构的传动精度。同时，蜗杆采用分段加工再组合的形式构成，以使得不同分段的蜗杆能够通过不同的磨具进行加工以获得不同齿形结构的蜗杆齿。分段加工的方法是基于蜗杆的顺时针转动和逆时针转动的独立考虑，顺时针转动所采用的驱动齿不同于逆时针转动所采用的驱动齿，在实际使用场合中，经常会出现某个方向的旋转驱动明显多于另一个方向的旋转驱动，以使得蜗杆的一侧蜗杆齿面会比另一侧齿面的磨损量更大，通过蜗杆的分段组合，使得其中任意一个半段的蜗杆出现过度磨损或损坏时能够便于修理或更换。采用本设计后，备件数量得到极大地降低。同时，在蜗杆的分段加工时，可以根据蜗杆的实际工作过程，对两个半段的蜗杆选用不同硬度的材料通过不同热处理方法加工而成，其中，对磨损量更高的其中一个半段蜗杆采用硬度更高的材料以对应的热处理方式制成。蜗杆的两个半段分别在可选材料中选择适宜的材料并通过对应的热处理方式加工而成，通过排列组合的方式可以形成若干种不同硬度的组合式蜗杆以适应于不同的实际情况。可选地，蜗杆的材料牌号可包括45、40Cr、40CrNi、 35SiMn、42SiMn、37SiMn2MoV、38SiMnMo、20Cr、20CrV、18CrMnTi、20CrMnTi、12CrNi3A、20MnVB、20SiMnVB、38CrMnTi和35CrMo等。可选地，蜗杆的热处理方式可包括表面淬火、渗碳淬火和调制等。进一步地，任一分段的蜗杆在加工蜗杆齿时，同一蜗杆齿上的两个蜗杆齿面也可加工成不同结构，以使得在蜗杆上至少存在四种不同结构的蜗杆齿面。根据四种蜗杆齿面中的其中两种经过二次包络对应地形成蜗轮的在蜗轮齿上的两种蜗轮齿面，从而使得至少能够通过两组对应的蜗杆齿面和蜗轮齿面的啮合实现蜗轮蜗杆的啮合。

在沿蜗杆轴线剖视的视图中，第一半段蜗杆经过不同母面包络出大致呈线性变化的第一蜗杆一齿面和呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的第一蜗杆二齿面，第一蜗杆一齿面和第一蜗杆二齿面通过大致呈平台状的第一蜗杆齿顶连接。在沿蜗杆轴线剖视的视图中，第二半段蜗杆经过不同母面包络出大致呈线性变化的第二蜗杆二齿面和呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的第二蜗杆一齿面，第二蜗杆二齿面和第二蜗杆一齿面通过大致呈平台状的第二蜗杆齿顶连接。蜗杆在加工之前，根据第一蜗杆齿和第二蜗杆齿的设计结构基于特定公式计算出对应的第一半段蜗杆和第二半段蜗杆的工艺参数。蜗杆在对第一蜗杆齿和第二蜗杆齿的各齿面进行加工时能够使用不同的磨具以形成不同的端面齿廓，其中，第一蜗杆二齿面和第二蜗杆一齿面分别由对应的渐开线圆柱轮作为产形轮所展成。以刀具切削刃在空间的运动轨迹作为一个齿而形成的齿轮，称为产形轮。蜗杆在分段加工过程中，根据公式的计算以保证蜗杆沿蜗杆的轴线方向的齿廓和蜗杆齿的环面直径是按照以第一半段蜗杆和第二半段蜗杆的对接部位为中心，在朝向两侧的方向上非线性变化地排布的。

该技术方案的优点在于：第一蜗杆一齿面和第一蜗杆二齿面的齿面结构互不相同，第二蜗杆二齿面和第二蜗杆一齿面的齿面结构也互不相同，其中，第一蜗杆一齿面和第二蜗杆二齿面采用的是类平面齿包络结构，而第一蜗杆二齿面和第二蜗杆一齿面采用的是类渐开线包络结构。两种结构相较而言，类平面齿包络结构加工更加方便，但啮合时的摩擦更大，传动精度更低；而类渐开线包络结构对于高精度无间隙传动是必须提供的，不仅要依靠极为严格的数学计算，还要依靠高精度的“虚拟齿盘”来模拟加工以及实际加工，其加工成本更加高昂，但所能获得的传动精度也更高。因此在通过将部分用于啮合的蜗杆齿面加工成类渐开线包络结构以保证啮合时传动精度的同时，通过将部分不用于啮合的蜗杆齿面加工成类平面齿包络结构以降低加工成本。进一步地，由于加工方法采用的是二次包络形式，使得加工而成的蜗轮上的两类蜗轮齿面也对应于蜗杆上的类渐开线包络结构，从而使得蜗轮蜗杆能够以线接触的方式贴靠。因此本发明的技术方案能够更适用于某些对传动精度要求更高而对传动效率要求不高、同时还需求更低的生产成本的特定领域。同时，蜗轮结构在加工前可通过特定公式对工艺参数进行提前计算，以使得加工而成的蜗杆精确度更高，从而保证经过二次包络形成的蜗轮能够很好地与蜗杆匹配。根据蜗杆的设计结构在加工时可采用镜像对称的齿形设计，加工过程中磨具需要针对设计的齿形结构经过公式计算并设定加工程序，对于复杂的复合型齿面结构需要精确的加工程序以控制磨具进行复杂的磨削，并且磨削过程中角度、进刀深度、旋转速度等都需要精密地数学计算以及严格的加工控制，采用本发明的方法加工出来的传动组件属于少量生产的精度要求非常高、加工要求非常高的类型，其不属于大规模生产使用的传统传动部件，而是用于极为精密的传动领域，因此本发明采用的镜像对称设计使得在加工这种蜗杆时，可在输入加工程序后以减少零件更换的方式使镜像对称的部位机械能连续磨削，以节约加工时间成本。

第一半段蜗杆和第二半段蜗杆中的其中一个半段蜗杆在加工时设置有蜗杆轴，另一个半段蜗杆在加工时对应于蜗杆轴的区域预留有蜗杆轴孔，以使得蜗杆轴能够以穿过蜗杆轴孔的方式使第一半段蜗杆和第二半段蜗杆同轴套设。第一半段蜗杆和第二半段蜗杆在彼此对接部位设置有弹簧张紧装置，以调整第一半段蜗杆和第二半段蜗杆的各自齿面与蜗轮的蜗轮齿面之间的齿侧间隙。加工而成的蜗杆和蜗轮能够以如下方式实现组合，从而制得组合式蜗轮蜗杆传动机构：蜗轮一齿面能够与第一蜗杆二齿面啮合而不与第二蜗杆二齿面啮合，蜗轮二齿面能够与第二蜗杆一齿面啮合而不与第一蜗杆二齿面啮合。

该技术方案的优点在于：分段加工的蜗杆在独立加工完成后可通过蜗杆轴与蜗杆轴孔的套接以实现完整蜗杆的组合。组合成的蜗杆在与蜗轮啮合时，蜗轮一齿面能够与第一蜗杆二齿面啮合而不与第二蜗杆二齿面啮合，蜗轮二齿面能够与第二蜗杆一齿面啮合而不与第一蜗杆二齿面啮合。通过上述啮合方式，能够使蜗杆不论处于正转还是反转的过程中，蜗杆上的其中一类蜗杆齿面都能够与蜗轮上的对应的蜗轮齿面啮合，从而很好地减小蜗轮蜗杆之间的齿侧间隙，同时还可通过在两个半段蜗杆的彼此对接位置设置弹簧张紧装置，使得在蜗轮蜗杆传动机构的运行过程中，第一蜗杆二齿面能够一直与蜗轮一齿面啮合，第二蜗杆一齿面能够一直与蜗轮二齿面啮合，以进一步调整蜗轮蜗杆的齿侧间隙直至消除。

本发明还公开了一种组合式蜗轮蜗杆传动机构，其是利用上述任一加工方法加工而成。蜗轮蜗杆传动机构可以包括蜗杆和蜗轮。蜗杆由第一半段蜗杆和第二半段蜗杆同轴套设而成，在沿蜗杆轴线剖视的视图中，第一半段蜗杆上的第一蜗杆齿的大致呈线性变化的第一蜗杆一齿面能够经由大致呈平台状的第一蜗杆齿顶延伸至呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的第一蜗杆二齿面，使得至少一个第一蜗杆二齿面在起到驱动作用时以线接触的方式贴靠蜗轮的相应蜗轮齿的蜗轮一齿面，并且第二半段蜗杆上的第二蜗杆齿的大致呈线性变化的第二蜗杆二齿面能够经由大致呈平台状的第二蜗杆齿顶延伸至呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的第二蜗杆一齿面，使得至少一个第二蜗杆一齿面在起到驱动作用时以线接触的方式贴靠蜗轮的相应蜗轮齿的蜗轮二齿面。

该技术方案的优点在于：采用了上述加工方法加工而成的蜗轮和蜗杆能够在进行对接啮合时，能够仅使部分蜗杆齿面与对应的蜗轮齿面啮合，其中，能够啮合的蜗杆齿面和蜗轮齿面都是呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的。因此，两者在进行啮合时是以线接触的方式贴靠的，衔接处的方式贴靠能够将蜗轮蜗杆在传动时的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而在降低传动过程中的摩擦的同时，还能够提高传动的精度。线接触的方式贴靠对于高精度无间隙传动是必须提供的，不仅要依靠极为严格的数学计算，还要依靠高精度的“虚拟齿盘”来模拟加工以及实际加工，其加工成本极为高昂；而本发明蜗杆两个半段上的蜗杆齿分别承担单向驱动任务的方式决定了加工呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的蜗杆齿面所带来的高昂成本不必用于大致呈线性变化的蜗杆齿面。

附图说明

图1为第一蜗杆齿磨削的加工示意图；

图2为第二蜗杆齿磨削的加工示意图；

图3为蜗轮一齿面磨削的加工示意图；

图4为蜗轮二齿面磨削的加工示意图；

图5为蜗轮蜗杆传动机构在啮合处的结构示意图。

附图标记列表

100：蜗杆 110：第一半段蜗杆

111：第一蜗杆齿 112：第一蜗杆一齿面

113：第一蜗杆二齿面 114：第一蜗杆齿顶

115：第一蜗杆齿廓 120：第二半段蜗杆

121：第二蜗杆齿 122：第二蜗杆一齿面

123：第二蜗杆二齿面 124：第二蜗杆齿顶

125：第二蜗杆齿廓 130：蜗杆轴

140：蜗杆旋转轴线 200：蜗轮

210：蜗轮齿 211：蜗轮一齿面

212：蜗轮二齿面 213：蜗轮齿顶

214：蜗轮齿廓 240：蜗轮旋转轴线

300：磨具 301：磨具旋转轴线

400：滚刀 401：滚刀旋转轴线

500：蜗杆第一转动方向 510：蜗杆第二转动方向

520：磨具第一转动方向 530：磨具第二转动方向

540：蜗轮第一转动方向 550：蜗轮第二转动方向

560：滚刀第一转动方向 570：滚刀第二转动方向

X：第一方向的正方向 Y：第二方向的正方向

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

本发明提供了一种蜗轮蜗杆传动机构的加工方法，其包括蜗杆100加工步骤S1、滚刀400加工步骤S2及蜗轮200加工步骤S3。

在本实施例中，蜗轮蜗杆传动机构的加工可先根据蜗杆100的设计结构以确定蜗杆100的工艺参数，再根据蜗杆100的工艺参数来加工对应的滚刀400，最后利用加工而成的滚刀400对蜗轮200进行加工以获得匹配于蜗杆100齿面的蜗轮200齿面，从而使得加工而成的蜗轮200与蜗杆100 之间能够通过蜗轮200齿面和蜗杆100齿面的相互啮合而构成完整的蜗轮蜗杆传动机构。

图1和图2为蜗杆100的分段加工示意图，其中，蜗杆100的轴向定义为第一方向，第一方向的正方向X为第一半段蜗杆110指向第二半段蜗杆120的方向，图1为第一蜗杆齿111磨削的加工示意图，图2为第二蜗杆齿121磨削的加工示意图。

在一优选实施方式中，进行蜗杆100加工时可将蜗杆100分为第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120以利用磨具300绕磨具旋转轴线301的高速旋转进行分段加工，其中，第一半段蜗杆110在加工时绕蜗杆旋转轴线 140沿蜗杆第一转动方向500转动的情况下，第二半段蜗杆120在加工时绕蜗杆旋转轴线140沿蜗杆第二旋转方向510转动，同时磨具300也朝相反方向转动进行磨削以使得加工而成的两个半段蜗杆的螺旋方向相同。优选地，磨具300采用砂轮对蜗杆100进行磨削。第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120通过磨具300能够加工出对应的若干第一蜗杆齿111和若干第二蜗杆齿121。第一蜗杆齿111和第二蜗杆齿121的齿面结构不相同但关于彼此对接中心部位彼此镜像对称。第一蜗杆齿111和第二蜗杆齿121各自都具有两个蜗杆齿面和连接于蜗杆齿面之间的蜗杆齿顶。第一蜗杆齿111 的第一蜗杆一齿面112和第一蜗杆二齿面113能够分别由不同齿形的齿轮齿面作为母面经过共轭运动包络而成，以使得大致呈线性变化的第一蜗杆一齿面112能够经由大致呈平台状的第一蜗杆齿顶114延伸至呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的第一蜗杆二齿面113。第二蜗杆齿121的第二蜗杆一齿面122和第二蜗杆二齿面123能够分别由不同齿形的齿轮齿面作为母面经过共轭运动包络而成，以使得大致呈线性变化的第二蜗杆二齿面123能够经由大致呈平台状的第二蜗杆齿顶124延伸至呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的第二蜗杆一齿面122 。蜗杆100在对第一蜗杆齿111和第二蜗杆齿121的各齿面进行加工时可以使用不同的磨具以形成不同的端面齿廓，其中，第一蜗杆二齿面113和第二蜗杆一齿面122可以分别由对应的渐开线圆柱轮作为产形轮所展成，第一蜗杆一齿面112和第二蜗杆二齿面123 可以分别由对应的平面齿齿轮作为产形轮所展成。

在一种优选实施方式中，蜗杆100的第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120可以采用不同的材料以不同的热处理方法加工而成。可选地，蜗杆 100的材料牌号可包括45、40Cr、40CrNi、35SiMn、42SiMn、37SiMn2MoV、 38SiMnMo、20Cr、20CrV、18CrMnTi、20CrMnTi、12CrNi3A、20MnVB、 20SiMnVB、38CrMnTi和35CrMo等。可选地，蜗杆100的热处理方式可包括表面淬火、渗碳淬火和调制等。不同材料的蜗杆100能够经过特定对应的热处理方式以获得不同硬度。例如，部分材料经过表面淬火可获得硬度 HRC在45至55之间，部分材料经过渗碳淬火可获得硬度HRC在58至63 之间，部分材料经过调制可获得硬度HRC在30至38之间，其中特殊地， 45钢经过调制可获得硬度HRC在255至270之间，但尽可用于不重要的传动。

在一优选实施方式中，蜗杆100加工步骤S1可包括如下分步骤：

S1.1、选用两个蜗杆100毛坯以备后续分别加工成第一半段蜗杆110 和第二半段蜗杆120，其中，可根据预期的实际运行过程，将长时间需要承载传动负荷的其中一个半段蜗杆选用能够获得更高硬度的材质；

S1.2、利用磨具300对绕着蜗杆旋转轴线140转动的第一半段蜗杆110 和第二半段蜗杆120的毛坯进行磨削粗加工以形成各自对应的粗加工件；

S1.3、将第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120各自的粗加工件根据其选用的材料和预期的硬度进行对应的热处理，其中，对于需要更长时间承载传动负荷的一个半段蜗杆可进行能够获得更高硬度的热处理过程；

S1.4、对第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120各自的热处理件经过精确度更高地精加工，以获得预期设计结构的第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120，其中，第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120中的其中一个半段蜗杆在加工时预留有蜗杆轴130，而另一个半段蜗杆在加工时预留有蜗杆轴孔，在分段加工完成后，通过蜗杆轴130与蜗杆轴孔的套设以构成完整的蜗杆100。

在一种优选实施方式中，第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120在分别加工各自的齿廓时，需要根据蜗杆头数、蜗轮齿数、蜗轮蜗杆中心距、蜗杆齿顶高、蜗杆齿根高、蜗轮齿顶高、蜗轮齿根高、截面齿型角、牙型角、调整间隙等参数通过公式计算来分别求得彼此具有不同设计结构的第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120所对应的工艺参数。

根据齿轮啮合理论，齿面在啮合过程中的产生的啮合点处的公共法矢量与其相对运动速度矢量相正交，即在啮合点处，两啮合齿面沿公共法矢量方向的相对位置保持静止，则可得两齿面在啮合点处的啮合方程：

其中，ν¹²是啮合位置的相对运动速度，n为啮合位置的公共法矢量。

将啮合点处的相对速度矢量投影到n轴上，即可得到该传动的啮合函数：

其中，Φ为啮合函数，M₁、M₂、M₃均为方程系数，

为蜗杆起始角，δ_F为安装倾角，β为母平面倾角，A为中心距，i为传动比。u、v为啮合点在动坐标系中的数值。

在一优选实施方式中，在进行蜗杆100分段加工前，第一半段蜗杆110 和第二半段蜗杆120根据设计结构基于计算公式获得的工艺参数，可以保证至少位于啮合间隙处的第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120在各自相向端面上的蜗杆齿面的齿顶倒角相互配合，从而形成蜗杆100侧面流畅的螺旋线，由此可避免设计结构不同的第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120在啮合间隙处无法匹配的情况发生。

由于第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120的工艺参数互不相同以使得第一蜗杆齿111与第二蜗杆齿121具有不同的结构，因此在进行二次包络环面加工时，可根据第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120不同的齿面结构加工出对应的不同结构的滚刀400。优选地，滚刀400可包括第一滚刀410和第二滚刀420，其中，第一滚刀410的设计结构根据第一蜗杆二齿面113的结构确定，第二滚刀420的设计结构可根据第二蜗杆一齿面122 的结构确定。第一滚刀410可用于加工蜗轮一齿面211，第二滚刀420可用于加工蜗轮二齿面212。滚刀400的主要参数可包括模数﹑齿形角﹑分度圆直径﹑螺旋升角和螺纹头数等。可选地，根据滚刀400的外径大小，可将滚刀400制成套装式或带柄式。

在一优选实施方式中，滚刀400加工步骤S2可包括如下分步骤：

S2.1、根据第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120各自的设计结构，确定滚刀400中第一滚刀410和第二滚刀420的设计结构，并进行依次加工；

S2.2、根据滚刀400的基本结构，在普通磨床上用磨轮对滚刀400的毛坯加工出所需滚刀400的内孔、外圆、两个端面及所有的前刀面，并使各前刀面的前角为零度，以得到半成品滚刀；

S2.3、将滚刀400齿形按放大比例放大n倍，用线切割加工出与放大n 倍后的滚刀400齿形相匹配的样板，并用加工好的标准样板去检验该样板，得到符合技术要求的合格样板；

S2.4、将上述加工好的样板安装在样板磨床上并缩小n倍，由样板磨床加工出轧辊铣刀，然后用标准样板检验该轧辊铣刀，得到符合技术要求的合格的轧辊铣刀；

S2.5、在铣床上，用上述合格的轧辊铣刀加工出退火后的轧辊，并用标准样板检验该轧辊，得到符合技术要求的合格轧辊；

S2.6、在轧辊机床上，用上述合格的轧辊挤压出金刚石磨轮的轮齿，并用标准样板检验该金刚石磨轮的轮齿，得到符合技术要求的合格金刚石磨轮的轮齿；

S2.7、在铲磨机床上，用上述加工好的金刚石磨轮的轮齿对的半成品滚刀进行铲磨，加工获得滚刀400的齿形，并用滚刀样板检验该滚刀400的齿形，获得符合加工要求的合格的滚刀400。

图3和图4均为蜗轮200的加工示意图，其中，蜗轮200的周向定义为第二方向，第二方向的正方向Y为同一蜗齿230的蜗轮一齿面211指向蜗轮二齿面212的方向。图3为蜗轮一齿面211磨削的加工示意图，图4 为蜗轮二齿面212磨削的加工示意图。

利用制得的第一滚刀410和第二滚刀420分别对蜗轮一齿面211和蜗轮二齿面212进行磨削。在利用滚刀400加工蜗轮200时，通过机床的联动使得滚刀旋转轴线401与虚拟蜗杆旋转轴线重合，并使滚刀400绕滚刀旋转轴线401转动，同时蜗轮200绕自身的蜗轮旋转轴线240转动，两者的旋转速度和方向通过蜗轮蜗杆传动机构的旋向和传动比确定，从而利用滚刀400在蜗轮200周向间隔磨削出蜗轮齿210。在使用第一滚刀410加工蜗轮一齿面211和使用第二滚刀420加工蜗轮二齿面212的两种情况下，滚刀400绕滚刀旋转轴线401的旋转方向与蜗轮200绕蜗轮旋转轴线240 的旋转方向均相反。

加工而成的蜗轮200在周向间隔排设有若干蜗轮齿210，优选地，蜗轮齿210等距排设。蜗轮齿210的两个齿面通过蜗轮齿定213连接，其中，蜗轮齿210的两个齿面包括蜗轮一齿面211和蜗轮二齿面212。蜗轮一齿面211和蜗轮二齿面212均加工成呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的结构。蜗轮一齿面211和蜗轮二齿面212的结构可镜像对称以保证传动的平稳运行。

在一优选实施方式中，蜗轮200加工步骤S3可包括如下分步骤：

S3.1、将第一滚刀410安装于蜗轮加工装置上，对齿坯进行滚齿一次粗加工，在完成一次粗加工后将第一滚刀410更换为第二滚刀420，以对齿坯进行滚齿二次粗加工，从而制得粗加工的蜗轮200，其中，第一滚刀410 与第二滚刀420的安装顺序可以调换；

S3.2、将剃刀或珩轮用蜗杆磨床进行磨削，并将蜗轮加工装置上的第一滚刀410或第二滚刀420拆下，以更换为磨削后的剃刀或珩轮；

S3.3、对制得的粗加工的蜗轮200进行强力剃齿或强力珩齿，制得精加工的蜗轮200。

加工而成的蜗杆100的轴向模数和/或轴向压力角应当与加工而成的蜗轮200的端面模数和/或端面压力角相匹配，以使得蜗杆100与蜗轮200 可以正确地通过齿面的啮合以形成完整的蜗轮蜗杆传动机构，其中，第一蜗杆二齿面113啮合于蜗轮一齿面211，第二蜗杆一齿面122啮合于蜗轮二齿面212，用以消除蜗轮蜗杆传动机构在正反转过程中的齿侧间隙。同时第一蜗杆一齿面112不与蜗轮二齿面212接触，第二蜗杆二齿面123不与蜗轮一齿面211，存在的间隙有利于蜗轮齿210的啮入和啮出，也有利于对齿侧间隙进行调节。蜗杆100与蜗轮200在交错角吻合的情况下，蜗杆100 的螺旋线旋向匹配于蜗轮200的螺旋线旋向。

实施例2

本发明还公开了一种采用实施例1中所述加工方法加工而成的蜗轮蜗杆传动机构，如图5所示为蜗轮蜗杆传动机构在啮合处的结构示意图。

蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆100在沿其轴线剖视的视图中，第一半段蜗杆 110上的第一蜗杆齿111的大致呈线性变化的第一蜗杆一齿面112能够经由大致呈平台状的第一蜗杆齿顶114延伸至呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的第一蜗杆二齿面113，使得至少一个第一蜗杆二齿面113在起到驱动作用时以线接触的方式贴靠蜗轮200的相应蜗轮齿210的蜗轮一齿面 211，并且第二半段蜗杆120上的第二蜗杆齿121的大致呈线性变化的第二蜗杆二齿面123能够经由大致呈平台状的第二蜗杆齿顶124延伸至呈非线性变化、尤其是大致呈隆凸形的第二蜗杆一齿面122，使得至少一个第二蜗杆一齿面122在起到驱动作用时以线接触的方式贴靠蜗轮200的相应蜗轮齿210的蜗轮二齿面212。

蜗轮蜗杆传动机构由旋转轴线彼此异面的蜗杆100与蜗轮200在模数和/或压力角匹配的情况下啮合而成。优选地，轴线异面是指蜗轮旋转轴线 240与蜗杆旋转轴线140彼此为异面直线，蜗杆旋转轴线140以及蜗轮旋转轴线240不在同一面上，两者既不相交又不平行。优选地，蜗杆旋转轴线 140以及蜗轮旋转轴线240彼此正交。通过该设置方式，能够减少蜗齿230 与蜗道160之间的摩擦，从而减轻蜗轮200与蜗杆100之间的磨损，从而提高传动精度。蜗杆100与蜗轮200在交错角吻合的情况下，蜗杆100的螺旋线旋向匹配于蜗轮200的螺旋线旋向。

蜗杆100包括齿面结构不同的同轴安装的第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120，以使得第一半段蜗杆110上第一蜗杆齿111之间的第一蜗杆齿廓115与第二半段蜗杆120上第二蜗杆齿121之间的第二蜗杆齿廓125 的结构也互不相同。蜗杆100还可包括蜗杆轴130，其中，蜗杆轴130可与第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120的其中一个一体式同轴安装，并与第一半段蜗杆110和第二半段蜗杆120中的另一个可拆卸地同轴安装。第一半段蜗杆110与第二半段蜗杆120相向端面之间沿周向间隔设置有用于调整齿侧间隙的弹簧张紧装置，齿侧间隙还可通过设置于蜗杆轴130与第一半段蜗杆110或第二半段蜗杆120之间的胀紧套部件进行调节。可选地，蜗杆100一般采用合金材料制作。

蜗轮200沿其周向间隔排列设置有若干能够与蜗杆100的第一蜗杆齿廓115和第二蜗杆齿廓125相互接合的蜗轮齿210，其中，蜗轮齿210的蜗轮一齿面211能够啮合于第一蜗杆二齿面113，蜗轮齿210的蜗轮二齿面212能够啮合于第二蜗杆一齿面122。优选地，蜗轮200可以采用GCr15 的合金钢，其弹性模量E＝206000MPa，泊松比μ＝0.3。

至少在弹簧张紧装置的作用下，蜗轮蜗杆传动机构在运行过程中，第一蜗杆二齿面113一直与蜗轮一齿面211保持啮合，以使得蜗轮200的蜗轮齿210进入第一半段蜗杆110的第一蜗杆齿廓115时，贴合于蜗轮一齿面 211的第一蜗杆二齿面113可以对蜗轮齿210提供向右的支撑力，同时第二蜗杆一齿面122一直与蜗轮二齿面212保持啮合，以使得蜗轮200的蜗轮齿210进入第二半段蜗杆120的第二蜗杆齿廓125时，贴合于蜗轮二齿面212的第二蜗杆一齿面122可以对蜗杆齿210提供向左的支撑力。因此，处于啮合处不同位置的蜗杆齿210都会受到由两侧指向于蜗杆200的两个半段彼此对接中心部位的方向上的支撑力，以使得蜗轮200的蜗轮齿210 能够在蜗杆100的齿廓间滑动，并完全消除蜗轮蜗杆传动机构正反转过程中的齿侧间隙。

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 (4)

1.一种组合式蜗轮蜗杆传动机构的加工方法，其特征在于，

所述加工方法至少包括如下步骤：

S1、蜗杆(100)加工步骤：所述蜗杆(100)经过分段加工形成关于彼此对接中心部位彼此镜像对称的第一蜗杆齿(111)和第二蜗杆齿(121)，所述第一蜗杆齿(111)和所述第二蜗杆齿(121)的各齿面是基于不同齿型的齿轮齿面作为母面经过共轭运动而包络形成的，其中，在沿所述蜗杆(100)轴线剖视的视图中，

第一半段蜗杆(110)经过不同母面能够包络出呈线性变化的第一蜗杆一齿面(112)和呈非线性变化的第一蜗杆二齿面(113)，

第二半段蜗杆(120)经过不同母面能够包络出呈线性变化的第二蜗杆二齿面(123)和呈非线性变化的第二蜗杆一齿面(122)；

所述蜗杆(100)在对所述第一蜗杆齿(111)和所述第二蜗杆齿(121)的各齿面进行加工时能够使用不同的磨具以形成不同的端面齿廓，其中，所述第一蜗杆二齿面(113)和所述第二蜗杆一齿面(122)分别由对应的渐开线圆柱轮作为产形轮所展成；

所述蜗杆(100)在分段加工过程中，根据设计结构的计算以保证所述蜗杆(100)沿所述蜗杆(100)的轴线方向的齿廓和蜗杆齿的环面直径是按照以第一半段蜗杆(110)和第二半段蜗杆(120)的对接部位为中心，在朝向两侧的方向上非线性变化地排布的；

所述第一半段蜗杆(110)和所述第二半段蜗杆(120)中的其中一个半段蜗杆在加工时设置有蜗杆轴(130)，另一个半段蜗杆在加工时对应于所述蜗杆轴(130)的区域预留有蜗杆轴孔，以使得所述蜗杆轴(130)能够以穿过所述蜗杆轴孔的方式使所述第一半段蜗杆(110)和所述第二半段蜗杆(120)同轴套设；

所述第一半段蜗杆(110)和所述第二半段蜗杆(120)在彼此对接部位设置有弹簧张紧装置，以调整所述第一半段蜗杆(110)和所述第二半段蜗杆(120)的各自齿面与所述蜗轮(200)的蜗轮齿面之间的齿侧间隙；

所述加工方法还包括如下步骤：

S2、滚刀(400)加工步骤：所述滚刀至少包括第一滚刀和第二滚刀，其中，所述第一滚刀的工艺参数根据所述第一蜗杆二齿面(113)的设计结构而确定，所述第二滚刀的工艺参数根据所述第二蜗杆一齿面(122)的设计结构而确定；

S3、蜗轮(200)加工步骤：利用加工而成的所述滚刀在所述蜗轮(200)的毛坯上沿周向磨削出若干间隔排列的蜗轮齿(210)，其中，

所述第一滚刀能够磨削出所述蜗轮齿(210)的蜗轮一齿面(211)，所述第二滚刀能够磨削出所述蜗轮齿(210)的蜗轮二齿面(212)；

加工而成的所述蜗杆(100)和所述蜗轮(200)能够以如下方式实现组合，从而制得所述组合式蜗轮蜗杆传动机构：

所述蜗轮一齿面(211)能够与所述第一蜗杆二齿面(113)啮合而不与所述第二蜗杆二齿面(123 )啮合，

所述蜗轮二齿面(212)能够与所述第二蜗杆一齿面(122 )啮合而不与所述第一蜗杆二齿面(113)啮合；

其中，第一半段蜗杆(110)在加工时绕蜗杆旋转轴线(140)沿蜗杆第一转动方向(500)转动的情况下，第二半段蜗杆(120)在加工时绕蜗杆旋转轴线(140)沿蜗杆第二旋转方向(510)转动，同时磨具(300)也朝相反方向转动进行磨削以使得加工而成的两个半段蜗杆的螺旋方向相同。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述蜗杆(100)在加工之前，根据所述第一蜗杆齿(111)和所述第二蜗杆齿(121)的设计结构基于以下公式计算出对应的所述第一半段蜗杆(110)和所述第二半段蜗杆(120)的工艺参数：

根据齿轮啮合理论，齿面在啮合过程中的产生的啮合点处的公共法矢量与其相对运动速度矢量相正交，即在啮合点处，两啮合齿面沿公共法矢量方向的相对位置保持静止，则可得两齿面在啮合点处的啮合方程：

ν¹²·n＝0

其中，ν¹²是啮合位置的相对运动速度，n为啮合位置的公共法矢量，

将啮合点处的相对速度矢量投影到n轴上，即可得到该传动的啮合函数：

其中，Φ为啮合函数，M₁、M₂、M₃均为方程系数，

为蜗杆起始角，δ_F为安装倾角，β为母平面倾角，A为中心距，i为传动比，u、v为啮合点在动坐标系中的数值。

3.一种组合式蜗轮蜗杆传动机构，其特征在于，所述组合式蜗杆蜗轮传动机构是利用权利要求1或2所述的加工方法加工而成。

4.根据权利要求3所述的蜗轮蜗杆传动机构，其包括：蜗杆(100)和蜗轮(200)，其中，所述蜗杆(100)由第一半段蜗杆(110)和第二半段蜗杆(120)同轴套设而成，

其特征在于，

在沿所述蜗杆(100)轴线剖视的视图中，

所述第一半段蜗杆(110)上的第一蜗杆齿(111)的呈线性变化的第一蜗杆一齿面(112)能够经由呈平台状的第一蜗杆齿顶(114)延伸至呈非线性变化的第一蜗杆二齿面(113)，使得至少一个第一蜗杆二齿面(113)在起到驱动作用时以线接触的方式贴靠所述蜗轮(200)的相应蜗轮齿(210)的蜗轮一齿面(211)，

并且所述第二半段蜗杆(120)上的第二蜗杆齿(121)的呈线性变化的第二蜗杆二齿面(123)能够经由呈平台状的第二蜗杆齿顶(124)延伸至呈非线性变化的第二蜗杆一齿面(122)，使得至少一个第二蜗杆一齿面(122)在起到驱动作用时以线接触的方式贴靠所述蜗轮(200)的相应蜗轮齿(210)的蜗轮二齿面(212)。

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