直線接觸蝸桿的設計與制造

何國昆

康樂保（中國）有限公司，廣東珠海 510006

直線接觸蝸桿的設計與制造

何國昆

康樂保（中國）有限公司，廣東珠海 510006

與傳統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，當前在機械傳動中應用較多的均為曲線接觸蝸桿裝置，有關直線接觸蝸桿傳動的理論及實踐內容均較少，筆者根據自己的工作及實踐經驗，介紹了直線接觸蝸桿傳動的設計原理及設計參數，并在此基礎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；設計原理；設計幾何參數；安裝幾何參數；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、結構緊湊等特點而得到了廣泛的應用，在這些不同的應用領域中，均對接觸蝸桿傳動提出了不同的側重點要求，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。當前，常見的機床及儀器儀表等領域對蝸桿的要求集中在精度、成本以及耐久性方面，為滿足這一條件，當前的漸開線齒輪就是選用鋼質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，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，這樣就可以實現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計原理、設計參數及加工方法分別進行闡述。

1 直線接觸蝸桿傳動的設計原理

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動相錯的形式實現的，即兩齒輪的外包絡面具有零度齒形角的齒條齒面，兩齒輪的中心距為內柱半徑之和。在此種結合形式下，齒輪的共軛齒面會沿一條與齒輪內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較少，故兩齒輪軸此時會形成90度的垂直轉動交角，從而使得傳動變?yōu)橹本€接觸蝸桿傳動。與傳統蝸桿的曲線接觸相比，在兩漸開螺旋面斜齒輪轉動過程中，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是由一對漸開的斜齒輪實現，而齒輪的設計及加工手段可輕易實現，故直線接觸蝸桿可在成本相同的基礎上實現傳動能力的提升。

1.2 直線接觸蝸桿的結構設計原理

要實現蝸桿傳動直線接觸，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，反方向上的傳動無法實現，可進行正方向傳動的一側齒面稱為工作齒面，另一側稱為非工作齒面，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面為工作齒面內參與嚙合傳動的一個漸開螺旋面。α角為蝸桿齒頂的錐形角，將蝸桿齒頂設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，這樣的設計降低了蝸桿的制造成本。

2 確定蝸桿幾何參數

直線接觸蝸桿工作幾何參數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，這一步可以說是設計直線接觸蝸桿最關鍵性的一步。單蝸桿傳動示意圖可看作是圖2中的一半，蝸桿的幾何參數可對比斜齒輪的參數進行計算，具體的計算公式及參數意義如下：1）法向壓力角αn，αn應與配偶齒輪要保持一致；2）法向模數mn，mn應與配偶齒輪要保持一致；3）頭數i，一般取i=1；4）旋向，應與斜齒輪旋向一致；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，當斜齒輪齒槽根部經過處理后，D1可相應加大；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）工作側內凹角μ，一般取內凹角μ =10°；14）齒背角η，η=2αn，對于非工作側的齒背角一般取為40°；15）蝸桿小端齒厚度b0，基圓柱上對應的蝸桿小端齒厚取b0=mn。

3 確定安裝幾何參數

做好蝸桿的設計幾何參數后，即可著手蝸桿安裝幾何參數的確定，在安裝時，應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節(jié)兩工作面間的間距，以使雙蝸桿可以協調工作，設齒輪的公法線長度為W，根據齒輪工作原理，有W應不小于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凹入，砂輪打磨時，砂輪的外邊緣點不應超出基圓中心高。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 結論

經過本文對直線接觸蝸桿設計及安裝全過程的闡述，現總結內容如下：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°的垂直轉動交角，達到直線接觸蝸桿傳動的目的；2）與傳統曲線接觸蝸桿相比，直線觸蝸桿可在成本不變的情況下實現高精度傳動及提高傳動比；3）直線接觸蝸桿的設計必須確定好蝸桿的設計幾何參數，故需要以相應的規(guī)范及計算公式來進行計算，設計及計算完成后按照相應的安裝幾何參數進行安裝才能確保直線接觸蝸桿裝置的正常工作。

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[3]西安交通大學機制教研室.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.機械設計[M].北京：人民教育出版社，1980.

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1674-6708（2010）24-0188-02