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正基元齿轮 平面二次包络蜗轮蜗杆副技术

相比普通圆柱蜗杆副,平面二次包络蜗轮副有几个明显优势:增加扭矩、提高精度和延长使用寿命。

蜗轮副的概念产生于古代,现在普遍公认,阿基米德是蜗轮副的发明者,使用蜗杆转动带齿的轮,达芬奇在500多年前就想像到了平面二次包络蜗轮副,并带给了我们平面二次包络蜗轮副的概念,但却是塞缪尔在1920年后期,才开发了实用的技术来生产平面二次包络蜗轮副。

蜗轮的种类
有三种形式的蜗轮,无喉圆、单喉圆、双喉圆,如图1所示:

平面二次包络蜗轮副技术 

无喉圆蜗轮副,蜗杆和从动蜗轮均无喉圆,单喉圆蜗轮副,一个部件(通常是从动蜗轮)有喉圆,双喉圆蜗轮副,蜗杆和从动蜗轮均有喉圆。

改善接触斑点
相比其他类型的蜗轮副,平面二次包络蜗轮副具有几个关键优势;

圆柱蜗轮副,只有一或两个轮齿与蜗杆接触。平面二次包络蜗轮副,基于不同的传动比,可以有三至十一个轮齿与蜗杆接触。与蜗杆接触的从动蜗轮齿数的增加显著的增加了扭矩能力,同时也增加了抗冲击载荷能力。

除了与蜗杆接触的从动蜗轮齿数的增加,平面二次包络蜗轮副也增加了每一个轮齿的接触面积,蜗杆螺纹和从动蜗轮轮齿的瞬时实际接触区域是多线接触,平面二次包络蜗轮副的多线接触可以增加扭矩传输能力并降低每个轮齿承受的压力。

平面二次包络蜗轮副技术


图2 显示了一个圆柱蜗杆副,有两个轮与蜗杆啮合。每对啮合轮齿的接触线延伸到轮齿齿宽的一半。就像一个轮齿的转动是通过其圆弧与蜗杆接触,这条接触线从齿顶扫到齿根,这条接触线与蜗杆螺纹的滑动方向大体一致。

平面二次包络蜗轮副技术

任何时刻均有三至十一个轮齿与蜗杆啮合(本图为五个轮齿)。在啮合周期的关键部分,平面二次包络蜗轮副产生两条而不是一条接触线,由于一个轮齿的转动是通过其圆弧与蜗杆接触,一条接触线保持在齿的中心,另一条接触线从轮齿左侧(啮入端)滑向轮齿中心。轮齿通过接触圆。ǖ4和5)运动的最后,这两条接触圆弧在轮齿中心处汇集成一条接触线。这些接触线与蜗杆螺纹滑动方向接近垂直。
由于轮齿的转动是通过其圆弧与蜗杆接触,一条接触线保持在轮齿中心位置,同时,另一条接触线从齿的一端扫向轮齿中心。两条接触线在啮合周期快结束时会合为一条。

二次包络技术的先进性
二次双包络设计的优势是显而易见的,首先,总荷载由更多的轮齿来分配承载,进而这些被分配了的荷载又由两条接触线承载,这种载荷的优化分配极大地增强了蜗轮副的承载能力。其次,加强了的扭矩承载能力可以实现用小尺寸的减速机完成同样载荷的扭矩传递,结果是减速机的尺寸更小、重量更轻。平面二次包络蜗轮副能够实现的承载能力,需要更大尺寸和重量的圆柱蜗轮副才能实现。

优异的润滑特性
与蜗杆啮合的蜗轮齿数的增加,使得蜗轮轮齿上任意点处的载荷都得以降低,从而改善润滑性能。另外,由于双包络蜗轮轮齿的几何形状进行了优化,由此产生的在每个轮齿上有两条接触线,这两条接触线进一步分散了载荷并改善润滑,而且由于接触线与蜗杆螺纹的滑动方向接近垂直,润滑油更容易被引入介于轮齿和螺纹表面之间的空隙。由于方向的垂直,使得润滑油在接触线宽度方向上通过的距离非常短。而对于普通圆柱蜗杆来说,蜗杆螺纹的滑动方向却是平行于接触线的方向,这种平行移动增加了润滑油被挤出,进而造成金属对金属的直接接触摩擦的可能性。

平面二次包络蜗轮副的设计
平面二次包络蜗轮副的设计基于一个独特的齿形概念,作为渐开线或其他圆弧齿形的替代,绝大多数的平面二次包络蜗轮副,其蜗轮轮齿和蜗杆螺纹都具有直边齿形,而且该直边齿形与同一基圆的相切。(见图5)

平面二次包络蜗轮副技术

绝大多数的平面二次包络蜗轮副,其蜗轮轮齿和蜗杆螺纹都具有直边齿形,且该直边与同一基圆的相切。经过多年的经验积累,已经建立了能够满足实际应用要求的各种参数的比例关系,如螺旋角、压力角、蜗轮齿数、齿宽、蜗杆节圆直径和蜗杆齿根圆直径的关系、齿厚及侧隙。这些参数曾经被用于建立一个标准的平面二次包络蜗轮副生产线和能满足特种应用的专用蜗轮副生产线。

平面二次包络蜗轮副是典型的55%比45%齿厚比设计,即蜗轮齿距55%和蜗杆齿距45%。这种均衡设计的原因是由于蜗杆的材质是合金钢(120,000 psi yield),强度高于蜗轮,, 蜗轮的材质是锡青铜(25,000 psi yield),强度低于蜗杆。通过使蜗轮齿厚大于蜗杆齿厚,使得这两个数字的相对强度更接近一致。

侧隙
齿轮侧隙一般定义为相啮合齿之间的间隙。为便于测量和计算,侧隙被定义为一个数值,这个数值是在蜗轮节圆上的齿槽宽超过相啮合蜗杆齿厚的数值;蛘呖梢运,侧隙是当蜗杆固定时,蜗轮在节线上的移动量(毫米)或蜗轮的转动量(度或弧分)。

应用
相比圆柱蜗轮副,平面二次包络蜗轮副的侧隙很小,平面二次包络蜗轮副的高精度特性,使其特别适用于像金属切割和成型机械、印刷和包装机械等对精度控制严格的应用场合。

平面二次包络蜗轮副可应用于各种需要实现精确位置控制和增加承载能力的各种工业领域。

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