《机械传动》 第42卷 第8期文章编号：1004-2539()08-0116-05DOI:10.16578/j.issn.1004.2539..08.022
引用格式：柳在鑫, 李金宽, 朱焱,等. 倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动加工及性能测试[J]. 机械传动, , 42(8):116-120.
LIU Zaixin, LI Jinkuan, ZHU Yan, et al.Machiningandperformancetestingofinclineddouble-roller enveloping hourglassworm drive[J].Journal of Mechanical Transmission, , 42(8):116-120.
倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动加工及性能测试
柳在鑫 李金宽 朱 焱 廖鸿辉
(西华大学 机械工程学院， 四川 成都 610039 )
摘要为了消除环面蜗杆传动的齿侧间隙，提出一种新型倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动。基于倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动的啮合几何学基础，对传动副的啮合性能进行了分析；加工制造并装配了首台倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动减速机样机；在磁粉加载式机械传动性能试验台上，对样机在几种特定转速情况下的传动性能进行了试验研究。研究表明，倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动副具有良好的啮合性能，该传动副测试样机传动效率在70.5%～75.8%之间，平均油温低于50 ℃，噪声在70～100 dB之间，箱体油温较低、温升较小。
关键词环面蜗杆传动 啮合性能分析 加工 性能试验
0 引言
机械传动过程中，由于传动副的制造误差、装配误差、轮齿的弹性变形及齿面摩擦带来的热膨胀等原因，在一对啮合齿轮的两个非工作齿廓之间会存在一定的齿侧间隙。而机电装备进给系统，特别对于数控机床的连续控制系统等，传动副中齿侧间隙的存在，会使系统反向运动时进给运动滞后于指令系统而产生反向死区，进而影响传动链的系统精度和加工精度。此外，高速滚齿机及硬齿面滚齿机等机床中的分度装置、工业机器人回转手臂减速器、高速电梯中的曳引机减速器、舰艇的倾摆系统、雷达及高速精确打击火炮中的俯仰-回转系统等都要求其传动副具有较小的齿侧间隙甚至无侧隙、并能及时补偿齿面运行过程中的磨损量，以提高系统跟踪精度及稳定性，减小系统的振动、冲击及噪声。因此，必须采取有效的措施来进行传动副的齿侧间隙调整和齿面磨损量补偿。
各国科研工作者针对消除齿侧间隙问题进行了相关研究。目前，国内外一些齿轮加工机床上的分度装置，较多采用双导程圆柱蜗杆传动来消除蜗杆传动过程中的齿侧间隙，该方法通过轴向调整蜗杆的位置，来调整传动过程中的齿侧间隙，并补偿工作磨损所造成的传动误差[1-2]；重庆大学张光辉教授提出侧隙可调式变齿厚平面蜗轮包络环面蜗杆传动[3-4]，蜗轮齿厚沿轴向逐渐变化，能够合理调整及补偿齿侧间隙；针对工程实践中对蜗杆传动提出的无侧隙要求，西华大学王进戈教授提出一种新型蜗杆传动——无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动[5-6]；陈永洪提出了变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动[7-8]。倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动[9]221-225[10]459-464[11-13]是滚子齿轮包络环面蜗杆传动的又一形式，蜗轮做成剖分式的两半片蜗轮(其中一半为固定蜗轮， 一半为活动蜗轮)，每半片蜗轮上均布有一排滚子作为蜗轮轮齿，固定蜗轮与活动蜗轮错位布置，且蜗轮轮齿轴线与蜗轮径向倾斜一定夹角。
本文中我们针对倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动，以前期的啮合性能、润滑性能以及承载能力分析为基础，建立了该传动副的实体模型，在改进的机床上对环面蜗杆和蜗轮进行了加工、装配。最后对该传动副进行了效率、油池温度和噪声等性能试验。
1 啮合性能分析1.1传动副啮合几何学
如图1所示，建立该传动副的坐标系。S1′(O1′;i1′，j1′，k1′)为蜗杆的静坐标系，S2′(O2′;i2′，j2′，k2′)为蜗轮的静坐标系；S1(O1;i1，j1，k1)为蜗杆的动坐标系，S2(O2;i2，j2，k2)为蜗轮的动坐标系。在滚柱柱顶中心O0建立与蜗轮相固联的坐标系S0(O0;i0，j0，k0)，滚柱的回转轴与蜗轮径向的夹角即为滚柱的倾斜角γ，且O0在蜗轮动坐标系S2中的坐标为(a2，b2，c2)。图中，A为中心距，α为齿周角，c2为滚柱偏距，φ1、φ2分别为蜗杆、蜗轮的转角。
图1 坐标系设置
图2 活动坐标系的设置
在蜗轮轮齿接触点P处，建立如图2所示的活动坐标系Sp(Op;e1，e2，n)，在传动过程中，由于接触点的位置不断改变，故构成了连续的活动坐标系Sp，其变化规律反映了齿面的几何特性[14]。
根据图2所示的活动坐标系，蜗轮齿面(滚柱面)在坐标系S0中的向量方程为
r0(θ，u)=Rcosθi0+Rsinθj0+uk0
(1)
式中，u和θ为滚柱母平面参数；R为滚柱半径。
根据齿轮啮合原理可知，该传动副的啮合方程可表示为[9]223
(2)
传动副瞬时接触方程为[9]223
(3)
传动副接触线法线方向的诱导法曲率为[9]223
(4)
式中，
θ-(D2sinφ2+D1cosφ2)cosθ，
B1=i21(b2+D1y0+D2z0)-(c2+x0)cosφ2，
B2=(c2+x0)sinφ2-i21(a2+D2y0-D1z0)，
B3=(a2+D2y0-D1z0)cosφ2，
-(b2+D1y0+D2z0)sinφ2-A。
接触点处的润滑角为[9]223
(5)
式中，
传动副的自转角为[9]223
(6)
1.2传动副啮合性能
依据式(1)～式(6)，计算分析倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动的瞬时接触线分布情况、诱导法曲率、润滑角及自转角等，该传动副啮合性能如图3所示，图中，r2为蜗轮齿根圆到齿顶圆的取值范围。传动副几何参数如表1所示。
从图3中可以看出，在倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动过程中，瞬时有3对齿同时啮合，接触线沿齿高方向均匀分布，从啮入到啮出，接触线靠近滚子轴线。出口区的诱导法曲率沿齿高方向减小，而出口区的诱导法曲率沿齿高方向增大，且入口区的诱导法曲率大于出口区的诱导法曲率；润滑角沿齿高方向增大，入口区的润滑角最大，大于80°；自转角沿齿高方向增大，且从啮入到啮出，自转角先减小后增大，在喉部附近自转角达到最小值。可见该传动副具有良好的啮合性能。
图3 斜式双滚子包络环面蜗杆传动的啮合性能
表1传动副参数
2 蜗杆和蜗轮的加工2.1环面蜗杆齿面加工
倾斜式双滚子包络环面蜗杆属于变齿厚变齿形蜗杆，其轴向或法向齿厚沿螺旋线方向的分布规律为中间薄、两头厚[10]462，成形法不适用于倾斜式双滚子包络环面蜗杆齿面的加工，只有以滚柱为产形面，并按传动副的相对运动关系包络展成加工才能获得准确的齿面。因此，需要制齿设备能够提供两垂直轴间的进给运动、联动旋转运动和必要的调整等辅助运动。目前改装滚齿机床和专用环面蜗杆机床均能满足倾斜式双滚子包络环面蜗杆的齿面加工需求。基于单件小批量的样件试制生产模式和现有的设备现状，选用改装滚齿机进行样件试制。
在改装滚齿机上加工倾斜式双滚子包络环面蜗杆的原理如图4所示。环面蜗杆样件安装在滚齿机刀架上，安装有刀具或磨具的电主轴放置在改装后的滚齿机工作台上，通过滚齿机刀架与工作台之间的内联运动，实现刀具与环面蜗杆之间的包络展成运动；变频器控制电主轴高速旋转，实现环面蜗杆加工的切削主运动，进而完成蜗杆齿面加工。如图5所示。
环面蜗杆样件材料选择中碳合金钢40Cr，加工环面蜗杆的工艺流程为：下料→粗车环面→调质→半精车、精车环面→磨削工艺基准→滚齿机上切齿开槽→铣齿面→铣去不完整齿→滚齿机上粗铣齿部→齿部辉光离子氮化→修整工艺基准→粗磨、半精磨、精磨齿面→精车各轴颈及轴向尺寸→渗氮处理、齿面抛光→打磨齿底部→铣削键槽→磨各轴颈→入库。其中，环面蜗杆齿面、轴承安装处的表面粗糙度为0.8 μm，其余为1.6 μm。蜗杆齿面硬度为HV 1 000。
图4 环面蜗杆加工原理图
图5 环面蜗杆的加工过程
2.2蜗轮结构及加工
倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动副的蜗轮是由2个以滚柱为齿的半蜗轮通过消隙机构组成。蜗轮轮齿是以3个深沟球轴承组成的滚柱，并通过轴用弹性挡圈固定在滚柱齿心轴上；滚柱齿心轴通过过盈配合均匀分布在固定半蜗轮和活动半蜗轮上；活动半蜗轮的孔与固定半蜗轮的轴精密配合，并利用轴用挡圈、固定螺钉及消隙机构固定，形成具有齿厚调整功能的精密倾斜式双滚子蜗轮。其中，滚柱齿心轴和深沟球轴承采用40CrNiMoA，固定半蜗轮和活动半蜗轮采用3Cr13。由于滚柱轮齿的尺寸、形状以及位置精度对蜗杆传动的啮合性能影响都很大，误差过大容易使得蜗杆副产生干涉或者根本无法配合，即使能啮合，在加载时也容易使得滚柱折断，因此蜗轮分度圆上滚柱齿距极限偏差为±0.005 mm。蜗轮轮齿采用686ZZ深沟球轴承。
按上述原理，试制精密倾斜式双滚子蜗轮如图6所示。
图6 蜗轮加工
3 传动性能试验
此次试验是为了测试倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动减速器样机的综合传动性能，主要包括其在不同转速下的传动效率、油温及噪声等。
3.1试验原理及设备
该传动性能试验台由三相异步交流电机及变频器、磁粉加载器，辅以相应的操作面板及电器控制柜，与测试样机和传感器构成一套测试系统[15]。实验前，装配样机，样机采用浸油润滑方式，将普通蜗轮蜗杆油CKE-320加满至油窗位置。搭建试验现场如图7所示，利用百分表进行各轴之间对中找正，保证各轴的同心度在0.08 mm以内。试验设备相关性能参数如表2所示。
在性能测试试验之前，首先对样机进行空载试验和跑合试验：驱动电机转速逐步增加至500 r/min，且磁粉加载器不启动加载的情况下，正反转空载各运转3 h，检测连接紧固件有无松动、系统是否运转平稳、密封位置和油封处有无漏油、有无异常振动噪声等；在驱动电机转速为500 r/min、负载电机力矩分别为2 N·m、5 N·m和10 N·m的情况下各正反转运行3 h，查看倾斜式双滚子包络环面蜗杆副齿面接触斑点情况并及时更换润滑油。
在性能测试试验过程中，通过调节变频调速系统调制电流频率进而控制三相异步电机的输出转速，其将电能转换为机械能后再经测试样机实现转速和转矩的调整，由磁粉加载器对其进行加载，进而形成一个功率封闭链。输入输出端的转矩转速传感器分别与测试样机的蜗杆轴和蜗轮轴相连接，其以电信号的方式将转速及转矩传输到操作台的转矩仪，转矩仪再将电信号转换成数值信号后传输至工控机，并由测控软件进行数据采集。温度计由人工将其植入箱体润滑油中进行测试和读取，噪声计由手持进行测量和读取，每隔10 min采集1次温度及噪声数据，并记录在事先准备好的实验记录本上。
图7 试验现场
表2设备性能参数
3.2测试结果及分析
倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动减速器样机在跑合完成后，更换润滑油并清洗蜗杆副及箱体，对样机进行各级转速下的负载性能试验，检测其传动效率、减速器油池油温及噪声。
在负载力矩从0逐渐增至20 N·m、驱动电机转速分别为400 r/min、700 r/min和1 000 r/min情况下，测试样机的载荷-效率曲线如图8所示。由图8可知，传动效率随载荷的增加而增加至稳定值；随着转速的增加，传动效率略有提高；样机的最大传动效率为75.8%。
在蜗杆转速分别为400 r/min、700 r/min和1 000 r/min情况下运转，磁粉加载器加载使负载力矩为20 N·m的情况下进行测试，样机的油池油温随时间的变化情况如图9所示，油池温度在120 min时达到平衡，最高平衡油温为49.5 ℃，最高温升为34.5 ℃；样机的噪声随时间的变化情况如图10所示，噪声在70～100 dB之间；随着输入转速的增加，样机的油池温度及噪声均随之增大。
与普通蜗杆传动减速器相比，该新型倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动的明显优点在于：样机箱体油池油温及温升远低于普通蜗杆传动，这是由于该新型传动副利用滚柱作为蜗轮轮齿，将齿面之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减小了齿面间的摩擦发热进而温升较小。
图8 样机的载荷-效率曲线
图9 样机油池油温
图10 样机噪声
4 结论
提出了一种新型倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动形式，基于研究试验，得出结论如下：
(1)该新型倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动，具有多齿接触、良好的啮合性能，并且可以通过设置在齿轮内部的消隙装置消除传动回程误差。
(2)在改装后的滚齿机上加工出了首台倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动减速器样机。
(3)对倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动进行了台架试验，测试样机的传动效率在70.5%～75.8%之间，样机箱体油池油温低于50 ℃，噪声在70～100 dB之间。该新型蜗杆传动副的箱体油温较低、温升较小。
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MachiningandPerformanceTestingofInclinedDouble-rollerEnvelopingHourglassWormDrive
Liu Zaixin Li Jinkuan Zhu Yan Liao Honghui
(School of Mechanical Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)
AbstractTo eliminate the gear backlash, a new inclined double-roller enveloping hourglass worm drive is proposed. The meshing performance is analyzed based on the meshing geometry of inclined double-roller enveloping hourglass worm drive. The physical prototype of inclined double-roller enveloping hourglass worm drive is machined. The transmission performance test of this prototype is carried out on the magnetic powder loading mechanical transmission performance test-bed. The research shows that the inclined double-roller enveloping hourglass worm drive has good meshing performance. The transmission efficiency of the test prototype is between 70.5%～75.8%, the average oil temperature is below 50 ℃, the noise is between 70～100 dB, the oil is relatively low and the temperature rise is relatively small.
KeywordsHourglass worm gear drive Meshing performance analysis Machining Performance testing
收稿日期：-11-26
收修改稿日期：-12-24
基金项目：教育部春晖计划项目(Z105)
四川省教育厅重点项目(17ZA0358)
西华大学自然科学基金项目(Z148)
作者简介：柳在鑫(1978— )， 男， 湖北黄梅人， 博士， 副教授， 硕士研究生导师， 研究方向为机械传动。
专家点评：
本文的特点是以倾斜式双滚子作为蜗轮轮齿，这种传动的使用前景尚待实践检验。但论文作者毕竟制造出样机，并进行了传动效率、油温和噪声试验，因此有一定的参考价值。文章有独创性，数据正确可靠，撰写结构完整，总体评价优。
END
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