平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的現(xiàn)狀及有關(guān)技術(shù)問(wèn)題研究

孫俊鴿

（洛陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

蝸桿傳動(dòng)是空間中兩個(gè)相交軸之間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳動(dòng)方式。兩軸夾角可以是任意值，常用的夾角為90°。采用蝸桿傳動(dòng)時(shí)，其交錯(cuò)軸之間可以傳遞運(yùn)動(dòng)和功率，如圖1所示。其主要的優(yōu)點(diǎn)有：1）蝸桿傳動(dòng)這種傳動(dòng)方式相對(duì)于其他的傳動(dòng)方式，能夠獲得比較大的傳動(dòng)比，并且在結(jié)構(gòu)緊湊度上遠(yuǎn)高于交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)。2）由于蝸桿副在嚙合的過(guò)程中，嚙合時(shí)的齒面為線接觸，承載能力相較于其他類型的蝸桿傳動(dòng)更高。3）能夠在嚙合的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)多個(gè)齒嚙合并且傳遞能力穩(wěn)定，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中造成的噪聲也較小。4）具有自鎖性[1]。

圖1 平面運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

當(dāng)前的蝸桿傳動(dòng)具有多種類型，其中主要有兩種分類方式，比如：圓柱形蝸桿、環(huán)形蝸桿等主要是通過(guò)蝸桿自身的旋轉(zhuǎn)形狀來(lái)分類；線性包絡(luò)面、錐形包絡(luò)面和平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副等主要是通過(guò)包絡(luò)面的不同進(jìn)行分類；平面包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)在以上這些蝸桿傳動(dòng)形式中出現(xiàn)得最晚。可以將平面包絡(luò)蝸桿副進(jìn)一步分為平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)和平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，其中的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)又可分為兩種類型：一種是直平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿，另一種是斜平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿[1]。以上這兩種類型現(xiàn)如今應(yīng)用最廣泛的是斜平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿，其使用的范圍基本上覆蓋了全國(guó)，但是主要體現(xiàn)在冶金和礦山機(jī)械等領(lǐng)域，起到了較好的效果[2]。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

為了克服傳統(tǒng)蝸桿傳動(dòng)效率低和熱耗高等缺點(diǎn)，筆者研制了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副。相對(duì)于其他的蝸桿傳動(dòng)，其具有較強(qiáng)的承載能力、較高的傳動(dòng)效率、較長(zhǎng)的使用壽命等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨线@些優(yōu)點(diǎn)，平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)深受很多領(lǐng)域的歡迎，比如重載、中高速等等。同時(shí)，作為一種新型的傳動(dòng)方式，在國(guó)內(nèi)外有很多人進(jìn)行研究，我國(guó)作為制造大國(guó)，在其設(shè)計(jì)和制造方面飛速發(fā)展。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)蝸桿傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，其自1970年被發(fā)明以來(lái)主要被應(yīng)用在重載領(lǐng)域，并由此引起了世界許多國(guó)家的重視，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正在積極研究和發(fā)展蝸桿傳動(dòng)。在早期主要使用的是圓柱蝸桿副，在生產(chǎn)圓柱蝸桿副的眾多企業(yè)中，能夠作為其標(biāo)志的就是美國(guó)Ex-Cell-O公司生產(chǎn)的CONE DRIVE和在制造領(lǐng)域飛速發(fā)展的德國(guó)生產(chǎn)的NIMMAN蝸桿傳動(dòng)，在中國(guó)我們經(jīng)常將CONE DRIVE稱為直廓環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。緊接著，隨著各國(guó)研究的深入，第一對(duì)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)蝸輪副終于在1865年應(yīng)運(yùn)而生，而這項(xiàng)成果是由英國(guó)人Hindley第一次提出并成功完成的。接下來(lái)世界上又出現(xiàn)了平面蝸桿傳動(dòng)，其是由美國(guó)人E.Wildhaber于1922年發(fā)明的，但是當(dāng)時(shí)主要是用于精密分度（天文望遠(yuǎn)鏡、齒輪測(cè)量?jī)x器、圓度刻線機(jī)等）領(lǐng)域[2]。雖然較以前發(fā)明的蝸桿傳動(dòng)更進(jìn)了一步，其具有采用的制造工藝方法相對(duì)于前面出現(xiàn)的更簡(jiǎn)單但卻能得到較高的精度等優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)也有缺點(diǎn)，比如其蝸輪的齒面與蝸輪的軸線要一直保持平行，導(dǎo)致其只能在大傳動(dòng)比領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。為了克服以上蝸桿傳動(dòng)的缺點(diǎn)，日本的佐藤在1951年發(fā)明了應(yīng)用更加廣泛的斜齒平面蝸輪傳動(dòng)，并由RIKEI公司進(jìn)行生產(chǎn)，被稱為PLANA WORM。與前面的蝸桿傳動(dòng)相比，其最基本的不同之處就是蝸輪齒面和自己本身的軸線需要傾斜一定的角度，這樣使得應(yīng)用范圍發(fā)生了改變，由原來(lái)的只適用于大傳動(dòng)比領(lǐng)域一下子擴(kuò)大到能夠在中、小傳動(dòng)比領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。直到1969年又發(fā)生了新的變化，平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的專利被日本的石川昌一取得，平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)在加工方法上得到了創(chuàng)新，開(kāi)始出現(xiàn)使用展成法進(jìn)行加工的情況。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)（簡(jiǎn)稱平面二包）是我國(guó)1970年代首創(chuàng)的一種新型機(jī)械傳動(dòng)形式，其平面運(yùn)動(dòng)加工簡(jiǎn)圖如圖2所示。它是在美國(guó)“Cone”蝸桿（俗稱球面蝸桿）和日本東京工業(yè)大學(xué)“斜平面蝸輪”的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。該傳動(dòng)形式比國(guó)際王牌產(chǎn)品美國(guó)的CONE DRIVE工藝性能更好，蝸桿齒面可以淬火并用砂輪磨削，嚙合質(zhì)量高。由于該蝸桿副齒面嚙合時(shí)呈雙線接觸，接觸點(diǎn)的法向速度大，綜合曲率半徑大，接觸應(yīng)力小，易形成油膜，具有承載能力大、效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)美國(guó)Ex-Cell-O公司測(cè)試該產(chǎn)品承載能力為其相應(yīng)產(chǎn)品的2.2倍。曾在《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)》中被譽(yù)為“當(dāng)代最優(yōu)秀的蝸桿傳動(dòng)”。鑒于平面二包的優(yōu)越性，為了推廣先進(jìn)蝸桿傳動(dòng)產(chǎn)品，國(guó)家頒布了GB/T 16444—2008《平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿減速器》，并宣布淘汰落后的阿基米德蝸桿減速器[3-4]。

圖2 平面運(yùn)動(dòng)加工簡(jiǎn)圖

在國(guó)內(nèi)，我國(guó)研發(fā)并且成功生產(chǎn)了斜平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，這些成果主要是由一些高校與我國(guó)尖端的科研單位進(jìn)行合作共同完成的。而最具代表性的就是胡來(lái)瑢教授的課題組，該課題組為我國(guó)雙包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)作出了很大的貢獻(xiàn)，比如：研究了角修正直平面雙包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)及圓環(huán)面雙包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，而且在1989年至1994年之間相繼成功完成了理論研究、樣機(jī)設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)[5]。

我國(guó)平面蝸桿工作也有很多是由相關(guān)的科研單位完成的。鄭州機(jī)械研究所于20世紀(jì)60年代初就開(kāi)始進(jìn)行平面蝸桿副的研究工作，并相繼取得了很多成果，比如：早期的中心距540 mm的環(huán)面蝸桿平面蝸桿副就是由鄭州機(jī)械研究所與首鋼機(jī)械廠共同合作，于1964年研制成功的，緊接著就被應(yīng)用在30 t轉(zhuǎn)爐的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，經(jīng)過(guò)應(yīng)用之后得到了良好的效果。我國(guó)其他的科研單位也作出了很大的貢獻(xiàn)，首鋼機(jī)械廠于1971年在前面成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究和創(chuàng)新，成就了我國(guó)第一套“平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副”的誕生，我們將其稱為“SG-71型蝸桿副”，這項(xiàng)偉大成果的誕生是我們?cè)谄矫姘j(luò)環(huán)面蝸桿制造技術(shù)方面的一次重大改革，也從此開(kāi)啟了我國(guó)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿研究的新紀(jì)元。20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代間，平面二次包絡(luò)蝸桿副就在我國(guó)廣泛應(yīng)用，這一改變主要是由中心距1 200 m和多頭小傳動(dòng)比這兩種平副的成功研制產(chǎn)生的，以上兩種平副分別是由西安冶金機(jī)械廠和湘鋼與北科大合作完成的。緊接著我國(guó)于1996年6月17日頒布了GB/T 16445—1996《平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)精度》，這一標(biāo)準(zhǔn)的頒布使平面二次包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)在全國(guó)大范圍使用，同時(shí)還提高了我國(guó)機(jī)械傳動(dòng)制造方面的產(chǎn)品質(zhì)量[6]。直至今日，平面二次包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)在我國(guó)很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，比如冶金、船舶、礦山機(jī)械等等。

2 平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副有關(guān)技術(shù)問(wèn)題的研究趨勢(shì)

平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的廣泛使用使其研究也進(jìn)入了一個(gè)新的階段。由于平面包絡(luò)蝸桿副的參數(shù)選擇以及制造水平的選擇都會(huì)對(duì)最后生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，故其大部分研究由前期制造工藝方法轉(zhuǎn)為蝸桿副本身各種參數(shù)的選擇[7]。但是如果我們自己計(jì)算、設(shè)計(jì)各種參數(shù)，不僅效率低，還可能由于各參數(shù)的影響因素太多，導(dǎo)致計(jì)算的精度、準(zhǔn)確度不夠。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其增加了很多軟件設(shè)施和功能，比如計(jì)算效率、編程和繪圖功能等等，這樣一來(lái)計(jì)算機(jī)可以根據(jù)我們?cè)O(shè)置的合理參數(shù)得到又快又準(zhǔn)的結(jié)果。還可以進(jìn)一步根據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)的各種軟件得到不同的效果，比如：通過(guò)MATLAB軟件可以模擬各種函數(shù)，這樣就能得到平面二次包絡(luò)蝸桿副嚙合時(shí)接觸線各種不同的參數(shù)及其變化情況；同時(shí)，還能夠?qū)⑦@些變化制作成動(dòng)畫或者圖片等，根據(jù)制作的圖形和動(dòng)畫，我們可以對(duì)其進(jìn)行分析研究，并在之后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，直到能得到我們所需要的效果。故現(xiàn)今平面二包蝸桿副的研究方向與計(jì)算機(jī)分不開(kāi)，主要有以下幾個(gè)方面：

1）可以使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的Pro/E或UG等三維實(shí)體建模仿真軟件，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真以及運(yùn)動(dòng)仿真，之后再根據(jù)以上的仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析處理，直到得到我們想要的結(jié)果。

2）在制造和安裝過(guò)程中，平面二次包絡(luò)蝸桿副可能會(huì)因?yàn)楦鞣N因素產(chǎn)生不同程度的誤差，幾乎是不可避免的。這些誤差也可能會(huì)隨之在其運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生不同程度的故障，這就需要在選擇蝸桿副各種參數(shù)時(shí)特別注意，以保證蝸桿副能夠更好地嚙合。

3）采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的三維仿真軟件，可以對(duì)蝸桿副的齒形加工過(guò)程和成形過(guò)程進(jìn)行可視化處理，這樣一來(lái)蝸桿副齒形的加工過(guò)程就顯得更加形象和直觀，同時(shí)還可以為蝸桿副嚙合性能的進(jìn)一步研究、干涉研究等等奠定良好的基礎(chǔ)。

4）數(shù)控加工的刀軌生成。根據(jù)平面二次包絡(luò)環(huán)面副的幾何信息和嚙合信息，結(jié)合平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的三維模型，采用數(shù)控加工方法模擬出其刀具的軌跡，這樣可以幫助我們優(yōu)化加工方法和刀具路徑[8-9]。

3 總結(jié)

平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副按照加工時(shí)采用的磨削工藝參數(shù)的不同可以將其分為兩種不同的類型：一種為原始型，另一種為修正型。它們最大的不同是原始型加工時(shí)的參數(shù)值與設(shè)計(jì)值都一樣，但是修正型根據(jù)需求做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整[10]。如果原始型和修正型蝸桿副的參數(shù)略有變化，就會(huì)使得蝸桿副齒面結(jié)構(gòu)和接觸區(qū)的分布發(fā)生變化，這將直接影響到蝸桿傳動(dòng)的嚙合質(zhì)量。目前原始型蝸桿副的嚙合理論比較成熟，修正型蝸桿副由于嚙合方程的復(fù)雜性，對(duì)于它的研究正在進(jìn)行，許多問(wèn)題需要解決。

蝸桿副齒面的曲面結(jié)構(gòu)將直接影響蝸桿副的性能優(yōu)劣，合理的曲面結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮蝸桿副的優(yōu)點(diǎn)，相反則會(huì)影響蝸桿副的嚙合傳動(dòng)，損害蝸輪蝸桿元件。蝸桿副的曲面結(jié)構(gòu)與它的結(jié)構(gòu)參數(shù)、傳動(dòng)參數(shù)有直接的關(guān)系，因此，對(duì)蝸桿副齒面進(jìn)行接觸分析，討論齒面不同接觸線的出現(xiàn)條件，意義重大，能夠?yàn)榻窈笪仐U副的力學(xué)分析、誤差分析以及仿真建立一定的基礎(chǔ)。