直線接觸蝸桿的設(shè)計與制造

何國昆

康樂保（中國）有限公司，廣東珠海 510006

直線接觸蝸桿的設(shè)計與制造

何國昆

康樂保（中國）有限公司，廣東珠海 510006

與傳統(tǒng)的曲線接觸蝸桿裝置相比，直線接觸蝸桿的具備較高的傳動性能及承載能力，當(dāng)前在機械傳動中應(yīng)用較多的均為曲線接觸蝸桿裝置，有關(guān)直線接觸蝸桿傳動的理論及實踐內(nèi)容均較少，筆者根據(jù)自己的工作及實踐經(jīng)驗，介紹了直線接觸蝸桿傳動的設(shè)計原理及設(shè)計參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上闡述了蝸桿的加工及制作方法，以供同行參考。

直線接觸；蝸桿傳動；設(shè)計原理；設(shè)計幾何參數(shù)；安裝幾何參數(shù)；制作方法

0 引言

在機械傳動裝置中蝸桿傳動因工作無噪聲、結(jié)構(gòu)緊湊等特點而得到了廣泛的應(yīng)用，在這些不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，均對接觸蝸桿傳動提出了不同的側(cè)重點要求，主要包括：蝸桿的承載能力、傳動效率以及蝸桿傳動比等方面。當(dāng)前，常見的機床及儀器儀表等領(lǐng)域?qū)ξ仐U的要求集中在精度、成本以及耐久性方面，為滿足這一條件，當(dāng)前的漸開線齒輪就是選用鋼質(zhì)材料并進行精密打磨，以滿足于高精度的嚙合傳動。但此法在蝸桿傳動中無法實現(xiàn)，考慮到螺旋齒圓柱齒輪在一定條件下可以由點接觸方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€接觸方式，故只需增大其中一個齒輪的螺旋角，即減少其上的齒輪個數(shù)，這樣就可以實現(xiàn)類似于斜齒輪傳動的直線接觸蝸桿傳動形式，此種傳動方式特點及制造方法均來源于齒輪傳動，卻可以獲得遠大于齒輪傳動的傳動比，下面本文就針對此種直線接觸蝸桿傳動的設(shè)計原理、設(shè)計參數(shù)及加工方法分別進行闡述。

1 直線接觸蝸桿傳動的設(shè)計原理

1.1 直線接觸蝸桿的特點

直線接觸蝸桿傳動是采用空間螺旋齒輪轉(zhuǎn)動相錯的形式實現(xiàn)的，即兩齒輪的外包絡(luò)面具有零度齒形角的齒條齒面，兩齒輪的中心距為內(nèi)柱半徑之和。在此種結(jié)合形式下，齒輪的共軛齒面會沿一條與齒輪內(nèi)柱螺旋線相切的直線相接觸，由于其中一個齒輪的螺旋角較大且齒數(shù)較少，故兩齒輪軸此時會形成90度的垂直轉(zhuǎn)動交角，從而使得傳動變?yōu)橹本€接觸蝸桿傳動。與傳統(tǒng)蝸桿的曲線接觸相比，在兩漸開螺旋面斜齒輪轉(zhuǎn)動過程中，二輪的瞬時接觸并非以往的點點接觸，而是直線嚙合，這是直線接觸蝸桿傳動的顯著特點，也是其命名的由來，正是由于齒輪間的直線接觸，使得直線蝸桿傳動可以實現(xiàn)高精度傳動，但在提高傳動比的同時，直線蝸桿傳動在齒形及其方向上會存在著不同的運動速度，即而造成了動力傳動性能在一定程度上有所下降。由于直線接觸蝸桿的傳動本質(zhì)是由一對漸開的斜齒輪實現(xiàn)，而齒輪的設(shè)計及加工手段可輕易實現(xiàn)，故直線接觸蝸桿可在成本相同的基礎(chǔ)上實現(xiàn)傳動能力的提升。

1.2 直線接觸蝸桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

要實現(xiàn)蝸桿傳動直線接觸，就必須滿足兩個條件：第一個是齒輪軸相錯設(shè)計，第二個是嚙合過程中斜齒輪的輪齒必須與蝸桿基圓柱相接觸，由于直線接觸蝸桿僅有一側(cè)齒面具備螺旋漸開面特點，故采用直線接觸蝸桿傳動僅能靠單一的蝸桿螺旋面實現(xiàn)，反方向上的傳動無法實現(xiàn)，可進行正方向傳動的一側(cè)齒面稱為工作齒面，另一側(cè)稱為非工作齒面，直線接觸蝸桿傳動示意圖如圖1所示。

圖1為一雙蝸桿傳動裝置，圖中F面為工作齒面內(nèi)參與嚙合傳動的一個漸開螺旋面。α角為蝸桿齒頂?shù)腻F形角，將蝸桿齒頂設(shè)計為錐形角的形式是為了盡量減小蝸桿的體積。圖中的D1即為蝸桿較小一端的直徑，L1為螺旋長度，B為兩個蝸桿小端之間的距離。用于傳動的副材料可采用鋼質(zhì)材料，這樣一方面有利于齒輪齒面的淬硬處理；另一方面解決了精密磨齒工藝的問題，同時還可以提高蝸桿的傳動精度及耐久性，這樣的設(shè)計降低了蝸桿的制造成本。

2 確定蝸桿幾何參數(shù)

直線接觸蝸桿工作幾何參數(shù)的確定主要依靠蝸桿工作的傳動比、承載能力及自身剛度決定，這一步可以說是設(shè)計直線接觸蝸桿最關(guān)鍵性的一步。單蝸桿傳動示意圖可看作是圖2中的一半，蝸桿的幾何參數(shù)可對比斜齒輪的參數(shù)進行計算，具體的計算公式及參數(shù)意義如下：1）法向壓力角αn，αn應(yīng)與配偶齒輪要保持一致；2）法向模數(shù)mn，mn應(yīng)與配偶齒輪要保持一致；3）頭數(shù)i，一般取i=1；4）旋向，應(yīng)與斜齒輪旋向一致；5）螺旋升角λ，λ=βb，此升角與斜齒輪基圓螺旋角保持一致；6）法向齒距P，P=πmcosα；7）基圓半徑R，n0n0nnb0軸向齒距螺旋長度L，L＝（2～3）P，其中P為軸向齒距；110010）蝸桿小端直徑D1，D1=2Rb+0.5mn，當(dāng)斜齒輪齒槽根部經(jīng)過處理后，D1可相應(yīng)加大；11）齒頂錐面錐頂半角δ，δ=20°，一般的齒頂錐面錐頂半角均可取為20°；12）齒槽深h，h=2.5mn，齒槽深一般取為2.5～2.6mn；13）工作側(cè)內(nèi)凹角μ，一般取內(nèi)凹角μ =10°；14）齒背角η，η=2αn，對于非工作側(cè)的齒背角一般取為40°；15）蝸桿小端齒厚度b0，基圓柱上對應(yīng)的蝸桿小端齒厚取b0=mn。

3 確定安裝幾何參數(shù)

做好蝸桿的設(shè)計幾何參數(shù)后，即可著手蝸桿安裝幾何參數(shù)的確定，在安裝時，應(yīng)保證蝸桿與齒輪中心間距A=Rb+r0及相錯角φ=λ+βb，且使蝸桿的漸開螺旋面與零度齒形角媒介齒條齒面共切于同一處，以使齒輪接觸時接觸處為空間相錯嚙合傳動。當(dāng)采用雙蝸桿傳動時，必須通過改變蝸桿軸向之間的相對距離來調(diào)節(jié)兩工作面間的間距，以使雙蝸桿可以協(xié)調(diào)工作，設(shè)齒輪的公法線長度為W，根據(jù)齒輪工作原理，有W應(yīng)不小于2B的長度，B為蝸桿端面距齒輪中心的間距，B在理論上等于漸開線起始點的曲率半徑，故綜上可得蝸桿的安裝幾何參數(shù)如下：1）中心距A， A=rb1+rb2；2）漸開線起始半徑ρ其中Ri，Rb分別為齒輪根圓半徑，基圓半徑；3）交錯角φ，φ=βb1+βb2，一般φ要控制在90度；4）雙蝸桿小端間距2B，B=ρ，ρ為斜齒輪漸開線起始點曲率半徑；5）齒輪的公法線長W，應(yīng)滿足W≥2B。

4 蝸桿的加工及制作方法

在加工及制作過程中，必須要重視工作齒面及輔助面的削磨，對工作齒面要按照螺旋漸開面的切削方式進行加工，螺旋漸開面的切削要按螺距進行，其中λ為螺旋漸開面的升角，另外為保證蝸桿的高精度傳動，對齒輪的工作面必須進行打磨加工，且加工時必須保證漸開螺旋面直母線的測量不應(yīng)凹入，砂輪打磨時，砂輪的外邊緣點不應(yīng)超出基圓中心高。對于蝸輪來說，采用滾刀、剃齒刀切制出的蝸輪齒面，均不是可展曲面，無法進行磨削，故采用齒輪代替蝸輪，可采用先進精密的加工工藝，同時在進行傳動裝配時，可采用軸向及徑向的雙向裝配，避免了裝配中心平面偏移所帶來的誤差。

5 結(jié)論

經(jīng)過本文對直線接觸蝸桿設(shè)計及安裝全過程的闡述，現(xiàn)總結(jié)內(nèi)容如下：1）直線接觸蝸桿傳動的原理是采用兩個具備漸開螺旋面的斜齒輪，在齒輪傳動時，兩齒輪的共軛齒面會沿一條與齒輪內(nèi)柱螺旋線相切的直線相接觸，即而形成兩齒輪成90°的垂直轉(zhuǎn)動交角，達到直線接觸蝸桿傳動的目的；2）與傳統(tǒng)曲線接觸蝸桿相比，直線觸蝸桿可在成本不變的情況下實現(xiàn)高精度傳動及提高傳動比；3）直線接觸蝸桿的設(shè)計必須確定好蝸桿的設(shè)計幾何參數(shù)，故需要以相應(yīng)的規(guī)范及計算公式來進行計算，設(shè)計及計算完成后按照相應(yīng)的安裝幾何參數(shù)進行安裝才能確保直線接觸蝸桿裝置的正常工作。

[1]吳序堂.齒輪嚙合原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[2]李特文，盧賢占，高業(yè)田，等譯.齒輪嚙合原理[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

[3]西安交通大學(xué)機制教研室.磨齒工作原理[M].北京：機械工業(yè)出版社出版，1997.

[4]西北工業(yè)大學(xué).機械設(shè)計[M].北京：人民教育出版社，1980.

TH13

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1674-6708（2010）24-0188-02