孫俊鴿

（洛陽職業(yè)技術學院，河南 洛陽 471000）

0 引言

蝸桿傳動是空間中兩個相交軸之間傳遞運動和動力的傳動方式。兩軸夾角可以是任意值，常用的夾角為90°。采用蝸桿傳動時，其交錯軸之間可以傳遞運動和功率，如圖1所示。其主要的優(yōu)點有：1）蝸桿傳動這種傳動方式相對于其他的傳動方式，能夠獲得比較大的傳動比，并且在結(jié)構(gòu)緊湊度上遠高于交錯軸斜齒輪機構(gòu)。2）由于蝸桿副在嚙合的過程中，嚙合時的齒面為線接觸，承載能力相較于其他類型的蝸桿傳動更高。3）能夠在嚙合的過程中實現(xiàn)多個齒嚙合并且傳遞能力穩(wěn)定，同時，運動過程中造成的噪聲也較小。4）具有自鎖性[1]。

圖1 平面運動簡圖

當前的蝸桿傳動具有多種類型，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蝸桿自身的旋轉(zhuǎn)形狀來分類；線性包絡面、錐形包絡面和平面包絡環(huán)面蝸桿副等主要是通過包絡面的不同進行分類；平面包絡蝸桿傳動在以上這些蝸桿傳動形式中出現(xiàn)得最晚?？梢詫⑵矫姘j蝸桿副進一步分為平面一次包絡環(huán)面蝸桿傳動和平面二次包絡環(huán)面蝸桿傳動，其中的平面二次包絡環(huán)面蝸桿傳動又可分為兩種類型：一種是直平面包絡環(huán)面蝸桿，另一種是斜平面包絡環(huán)面蝸桿[1]。以上這兩種類型現(xiàn)如今應用最廣泛的是斜平面包絡環(huán)面蝸桿，其使用的范圍基本上覆蓋了全國，但是主要體現(xiàn)在冶金和礦山機械等領域，起到了較好的效果[2]。

1 國內(nèi)外研究進展

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

1.1 國外研究現(xiàn)狀

根據(jù)蝸桿傳動的優(yōu)點，其自1970年被發(fā)明以來主要被應用在重載領域，并由此引起了世界許多國家的重視，特別是工業(yè)發(fā)達國家正在積極研究和發(fā)展蝸桿傳動。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，能夠作為其標志的就是美國Ex-Cell-O公司生產(chǎn)的CONE DRIVE和在制造領域飛速發(fā)展的德國生產(chǎn)的NIMMAN蝸桿傳動，在中國我們經(jīng)常將CONE DRIVE稱為直廓環(huán)面蝸桿傳動。緊接著，隨著各國研究的深入，第一對環(huán)面蝸桿傳動蝸輪副終于在1865年應運而生，而這項成果是由英國人Hindley第一次提出并成功完成的。接下來世界上又出現(xiàn)了平面蝸桿傳動，其是由美國人E.Wildhaber于1922年發(fā)明的，但是當時主要是用于精密分度（天文望遠鏡、齒輪測量儀器、圓度刻線機等）領域[2]。雖然較以前發(fā)明的蝸桿傳動更進了一步，其具有采用的制造工藝方法相對于前面出現(xiàn)的更簡單但卻能得到較高的精度等優(yōu)點；但同時也有缺點，比如其蝸輪的齒面與蝸輪的軸線要一直保持平行，導致其只能在大傳動比領域進行應用。為了克服以上蝸桿傳動的缺點，日本的佐藤在1951年發(fā)明了應用更加廣泛的斜齒平面蝸輪傳動，并由RIKEI公司進行生產(chǎn)，被稱為PLANA WORM。與前面的蝸桿傳動相比，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，這樣使得應用范圍發(fā)生了改變，由原來的只適用于大傳動比領域一下子擴大到能夠在中、小傳動比領域進行應用。直到1969年又發(fā)生了新的變化，平面包絡環(huán)面蝸桿傳動的專利被日本的石川昌一取得，平面包絡環(huán)面蝸桿傳動在加工方法上得到了創(chuàng)新，開始出現(xiàn)使用展成法進行加工的情況。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

平面二次包絡環(huán)面蝸桿傳動（簡稱平面二包）是我國1970年代首創(chuàng)的一種新型機械傳動形式，其平面運動加工簡圖如圖2所示。它是在美國“Cone”蝸桿（俗稱球面蝸桿）和日本東京工業(yè)大學“斜平面蝸輪”的基礎上發(fā)展而來的。該傳動形式比國際王牌產(chǎn)品美國的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呈雙線接觸，接觸點的法向速度大，綜合曲率半徑大，接觸應力小，易形成油膜，具有承載能力大、效率高、使用壽命長等優(yōu)點。經(jīng)美國Ex-Cell-O公司測試該產(chǎn)品承載能力為其相應產(chǎn)品的2.2倍。曾在《世界制造技術與裝備市場》中被譽為“當代最優(yōu)秀的蝸桿傳動”。鑒于平面二包的優(yōu)越性，為了推廣先進蝸桿傳動產(chǎn)品，國家頒布了GB/T 16444—2008《平面二次包絡環(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 平面運動加工簡圖

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

我國平面蝸桿工作也有很多是由相關的科研單位完成的。鄭州機械研究所于20世紀60年代初就開始進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械研究所與首鋼機械廠共同合作，于1964年研制成功的，緊接著就被應用在30 t轉(zhuǎn)爐的傾轉(zhuǎn)機構(gòu)中，經(jīng)過應用之后得到了良好的效果。我國其他的科研單位也作出了很大的貢獻，首鋼機械廠于1971年在前面成果的基礎上進行了研究和創(chuàng)新，成就了我國第一套“平面二次包絡環(huán)面蝸桿副”的誕生，我們將其稱為“SG-71型蝸桿副”，這項偉大成果的誕生是我們在平面包絡環(huán)面蝸桿制造技術方面的一次重大改革，也從此開啟了我國平面二次包絡環(huán)面蝸桿研究的新紀元。20世紀70年代到20世紀80年代間，平面二次包絡蝸桿副就在我國廣泛應用，這一改變主要是由中心距1 200 m和多頭小傳動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械廠和湘鋼與北科大合作完成的。緊接著我國于1996年6月17日頒布了GB/T 16445—1996《平面二次包絡環(huán)面蝸桿傳動精度》，這一標準的頒布使平面二次包絡蝸桿傳動在全國大范圍使用，同時還提高了我國機械傳動制造方面的產(chǎn)品質(zhì)量[6]。直至今日，平面二次包絡蝸桿傳動在我國很多領域都得到了廣泛應用，比如冶金、船舶、礦山機械等等。

2 平面二次包絡環(huán)面蝸桿副有關技術問題的研究趨勢

平面包絡環(huán)面蝸桿副的廣泛使用使其研究也進入了一個新的階段。由于平面包絡蝸桿副的參數(shù)選擇以及制造水平的選擇都會對最后生產(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算、設計各種參數(shù)，不僅效率低，還可能由于各參數(shù)的影響因素太多，導致計算的精度、準確度不夠。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，其增加了很多軟件設施和功能，比如計算效率、編程和繪圖功能等等，這樣一來計算機可以根據(jù)我們設置的合理參數(shù)得到又快又準的結(jié)果。還可以進一步根據(jù)計算機內(nèi)的各種軟件得到不同的效果，比如：通過MATLAB軟件可以模擬各種函數(shù)，這樣就能得到平面二次包絡蝸桿副嚙合時接觸線各種不同的參數(shù)及其變化情況；同時，還能夠?qū)⑦@些變化制作成動畫或者圖片等，根據(jù)制作的圖形和動畫，我們可以對其進行分析研究，并在之后對其進行優(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算機分不開，主要有以下幾個方面：

1）可以使用計算機系統(tǒng)中的Pro/E或UG等三維實體建模仿真軟件，對其進行結(jié)構(gòu)仿真以及運動仿真，之后再根據(jù)以上的仿真結(jié)果進行優(yōu)化分析處理，直到得到我們想要的結(jié)果。

2）在制造和安裝過程中，平面二次包絡蝸桿副可能會因為各種因素產(chǎn)生不同程度的誤差，幾乎是不可避免的。這些誤差也可能會隨之在其運動的過程中產(chǎn)生不同程度的故障，這就需要在選擇蝸桿副各種參數(shù)時特別注意，以保證蝸桿副能夠更好地嚙合。

3）采用計算機系統(tǒng)中的三維仿真軟件，可以對蝸桿副的齒形加工過程和成形過程進行可視化處理，這樣一來蝸桿副齒形的加工過程就顯得更加形象和直觀，同時還可以為蝸桿副嚙合性能的進一步研究、干涉研究等等奠定良好的基礎。

4）數(shù)控加工的刀軌生成。根據(jù)平面二次包絡環(huán)面副的幾何信息和嚙合信息，結(jié)合平面二次包絡環(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)

平面二次包絡環(huán)面蝸桿副按照加工時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的參數(shù)值與設計值都一樣，但是修正型根據(jù)需求做了適當?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雜性，對于它的研究正在進行，許多問題需要解決。

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，相反則會影響蝸桿副的嚙合傳動，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)、傳動參數(shù)有直接的關系，因此，對蝸桿副齒面進行接觸分析，討論齒面不同接觸線的出現(xiàn)條件，意義重大，能夠為今后蝸桿副的力學分析、誤差分析以及仿真建立一定的基礎。