平面二次包络环面蜗杆副的现状及有关技术问题研究

孙俊鸽

（洛阳职业技术学院，河南 洛阳 471000）

0 引言

蜗杆传动是空间中两个相交轴之间传递运动和动力的传动方式。两轴夹角可以是任意值，常用的夹角为90°。采用蜗杆传动时，其交错轴之间可以传递运动和功率，如图1所示。其主要的优点有：1）蜗杆传动这种传动方式相对于其他的传动方式，能够获得比较大的传动比，并且在结构紧凑度上远高于交错轴斜齿轮机构。2）由于蜗杆副在啮合的过程中，啮合时的齿面为线接触，承载能力相较于其他类型的蜗杆传动更高。3）能够在啮合的过程中实现多个齿啮合并且传递能力稳定，同时，运动过程中造成的噪声也较小。4）具有自锁性[1]。

图1 平面运动简图

当前的蜗杆传动具有多种类型，其中主要有两种分类方式，比如：圆柱形蜗杆、环形蜗杆等主要是通过蜗杆自身的旋转形状来分类；线性包络面、锥形包络面和平面包络环面蜗杆副等主要是通过包络面的不同进行分类；平面包络蜗杆传动在以上这些蜗杆传动形式中出现得最晚。可以将平面包络蜗杆副进一步分为平面一次包络环面蜗杆传动和平面二次包络环面蜗杆传动，其中的平面二次包络环面蜗杆传动又可分为两种类型：一种是直平面包络环面蜗杆，另一种是斜平面包络环面蜗杆[1]。以上这两种类型现如今应用最广泛的是斜平面包络环面蜗杆，其使用的范围基本上覆盖了全国，但是主要体现在冶金和矿山机械等领域，起到了较好的效果[2]。

1 国内外研究进展

为了克服传统蜗杆传动效率低和热耗高等缺点，笔者研制了平面二次包络环面蜗杆副。相对于其他的蜗杆传动，其具有较强的承载能力、较高的传动效率、较长的使用寿命等优点。基于以上这些优点，平面二次包络环面蜗杆传动深受很多领域的欢迎，比如重载、中高速等等。同时，作为一种新型的传动方式，在国内外有很多人进行研究，我国作为制造大国，在其设计和制造方面飞速发展。

1.1 国外研究现状

根据蜗杆传动的优点，其自1970年被发明以来主要被应用在重载领域，并由此引起了世界许多国家的重视，特别是工业发达国家正在积极研究和发展蜗杆传动。在早期主要使用的是圆柱蜗杆副，在生产圆柱蜗杆副的众多企业中，能够作为其标志的就是美国Ex-Cell-O公司生产的CONE DRIVE和在制造领域飞速发展的德国生产的NIMMAN蜗杆传动，在中国我们经常将CONE DRIVE称为直廓环面蜗杆传动。紧接着，随着各国研究的深入，第一对环面蜗杆传动蜗轮副终于在1865年应运而生，而这项成果是由英国人Hindley第一次提出并成功完成的。接下来世界上又出现了平面蜗杆传动，其是由美国人E.Wildhaber于1922年发明的，但是当时主要是用于精密分度（天文望远镜、齿轮测量仪器、圆度刻线机等）领域[2]。虽然较以前发明的蜗杆传动更进了一步，其具有采用的制造工艺方法相对于前面出现的更简单但却能得到较高的精度等优点；但同时也有缺点，比如其蜗轮的齿面与蜗轮的轴线要一直保持平行，导致其只能在大传动比领域进行应用。为了克服以上蜗杆传动的缺点，日本的佐藤在1951年发明了应用更加广泛的斜齿平面蜗轮传动，并由RIKEI公司进行生产，被称为PLANA WORM。与前面的蜗杆传动相比，其最基本的不同之处就是蜗轮齿面和自己本身的轴线需要倾斜一定的角度，这样使得应用范围发生了改变，由原来的只适用于大传动比领域一下子扩大到能够在中、小传动比领域进行应用。直到1969年又发生了新的变化，平面包络环面蜗杆传动的专利被日本的石川昌一取得，平面包络环面蜗杆传动在加工方法上得到了创新，开始出现使用展成法进行加工的情况。

1.2 国内研究现状

平面二次包络环面蜗杆传动（简称平面二包）是我国1970年代首创的一种新型机械传动形式，其平面运动加工简图如图2所示。它是在美国“Cone”蜗杆（俗称球面蜗杆）和日本东京工业大学“斜平面蜗轮”的基础上发展而来的。该传动形式比国际王牌产品美国的CONE DRIVE工艺性能更好，蜗杆齿面可以淬火并用砂轮磨削，啮合质量高。由于该蜗杆副齿面啮合时呈双线接触，接触点的法向速度大，综合曲率半径大，接触应力小，易形成油膜，具有承载能力大、效率高、使用寿命长等优点。经美国Ex-Cell-O公司测试该产品承载能力为其相应产品的2.2倍。曾在《世界制造技术与装备市场》中被誉为“当代最优秀的蜗杆传动”。鉴于平面二包的优越性，为了推广先进蜗杆传动产品，国家颁布了GB/T 16444—2008《平面二次包络环面蜗杆减速器》，并宣布淘汰落后的阿基米德蜗杆减速器[3-4]。

图2 平面运动加工简图

在国内，我国研发并且成功生产了斜平面二次包络环面蜗杆传动，这些成果主要是由一些高校与我国尖端的科研单位进行合作共同完成的。而最具代表性的就是胡来瑢教授的课题组，该课题组为我国双包络环面蜗杆传动作出了很大的贡献，比如：研究了角修正直平面双包络环面蜗杆传动及圆环面双包络环面蜗杆传动，而且在1989年至1994年之间相继成功完成了理论研究、样机设计和性能试验[5]。

我国平面蜗杆工作也有很多是由相关的科研单位完成的。郑州机械研究所于20世纪60年代初就开始进行平面蜗杆副的研究工作，并相继取得了很多成果，比如：早期的中心距540 mm的环面蜗杆平面蜗杆副就是由郑州机械研究所与首钢机械厂共同合作，于1964年研制成功的，紧接着就被应用在30 t转炉的倾转机构中，经过应用之后得到了良好的效果。我国其他的科研单位也作出了很大的贡献，首钢机械厂于1971年在前面成果的基础上进行了研究和创新，成就了我国第一套“平面二次包络环面蜗杆副”的诞生，我们将其称为“SG-71型蜗杆副”，这项伟大成果的诞生是我们在平面包络环面蜗杆制造技术方面的一次重大改革，也从此开启了我国平面二次包络环面蜗杆研究的新纪元。20世纪70年代到20世纪80年代间，平面二次包络蜗杆副就在我国广泛应用，这一改变主要是由中心距1 200 m和多头小传动比这两种平副的成功研制产生的，以上两种平副分别是由西安冶金机械厂和湘钢与北科大合作完成的。紧接着我国于1996年6月17日颁布了GB/T 16445—1996《平面二次包络环面蜗杆传动精度》，这一标准的颁布使平面二次包络蜗杆传动在全国大范围使用，同时还提高了我国机械传动制造方面的产品质量[6]。直至今日，平面二次包络蜗杆传动在我国很多领域都得到了广泛应用，比如冶金、船舶、矿山机械等等。

2 平面二次包络环面蜗杆副有关技术问题的研究趋势

平面包络环面蜗杆副的广泛使用使其研究也进入了一个新的阶段。由于平面包络蜗杆副的参数选择以及制造水平的选择都会对最后生产的产品质量产生影响，故其大部分研究由前期制造工艺方法转为蜗杆副本身各种参数的选择[7]。但是如果我们自己计算、设计各种参数，不仅效率低，还可能由于各参数的影响因素太多，导致计算的精度、准确度不够。随着计算机技术的飞速发展，其增加了很多软件设施和功能，比如计算效率、编程和绘图功能等等，这样一来计算机可以根据我们设置的合理参数得到又快又准的结果。还可以进一步根据计算机内的各种软件得到不同的效果，比如：通过MATLAB软件可以模拟各种函数，这样就能得到平面二次包络蜗杆副啮合时接触线各种不同的参数及其变化情况；同时，还能够将这些变化制作成动画或者图片等，根据制作的图形和动画，我们可以对其进行分析研究，并在之后对其进行优化处理，直到能得到我们所需要的效果。故现今平面二包蜗杆副的研究方向与计算机分不开，主要有以下几个方面：

1）可以使用计算机系统中的Pro/E或UG等三维实体建模仿真软件，对其进行结构仿真以及运动仿真，之后再根据以上的仿真结果进行优化分析处理，直到得到我们想要的结果。

2）在制造和安装过程中，平面二次包络蜗杆副可能会因为各种因素产生不同程度的误差，几乎是不可避免的。这些误差也可能会随之在其运动的过程中产生不同程度的故障，这就需要在选择蜗杆副各种参数时特别注意，以保证蜗杆副能够更好地啮合。

3）采用计算机系统中的三维仿真软件，可以对蜗杆副的齿形加工过程和成形过程进行可视化处理，这样一来蜗杆副齿形的加工过程就显得更加形象和直观，同时还可以为蜗杆副啮合性能的进一步研究、干涉研究等等奠定良好的基础。

4）数控加工的刀轨生成。根据平面二次包络环面副的几何信息和啮合信息，结合平面二次包络环面蜗杆副的三维模型，采用数控加工方法模拟出其刀具的轨迹，这样可以帮助我们优化加工方法和刀具路径[8-9]。

3 总结

平面二次包络环面蜗杆副按照加工时采用的磨削工艺参数的不同可以将其分为两种不同的类型：一种为原始型，另一种为修正型。它们最大的不同是原始型加工时的参数值与设计值都一样，但是修正型根据需求做了适当的调整[10]。如果原始型和修正型蜗杆副的参数略有变化，就会使得蜗杆副齿面结构和接触区的分布发生变化，这将直接影响到蜗杆传动的啮合质量。目前原始型蜗杆副的啮合理论比较成熟，修正型蜗杆副由于啮合方程的复杂性，对于它的研究正在进行，许多问题需要解决。

蜗杆副齿面的曲面结构将直接影响蜗杆副的性能优劣，合理的曲面结构能充分发挥蜗杆副的优点，相反则会影响蜗杆副的啮合传动，损害蜗轮蜗杆元件。蜗杆副的曲面结构与它的结构参数、传动参数有直接的关系，因此，对蜗杆副齿面进行接触分析，讨论齿面不同接触线的出现条件，意义重大，能够为今后蜗杆副的力学分析、误差分析以及仿真建立一定的基础。