包络环面蜗杆传动的技术现状及进展

络环面蜗杆传动的技术现状、 理论研究的进展情况及研究展望。
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包络环面蜗杆副的种类及特征
目前， 我国生产的包络环面蜗杆副主要有： 平面一
次包络环面蜗杆副； 平面二次包络环面蜗杆副； 锥面二 次包络环面蜗杆副等。 以直齿或斜齿平面蜗轮为产形轮而展成包络环面 蜗杆称为平面包络环面蜗杆， 这些特定齿面的蜗轮可 以和它们各自的包络环面蜗杆组成蜗杆传动， 称为平 面一次包络环面蜗杆传动。其中直齿平面蜗杆传动是 由美国格里森公司 )*+,-./01/ 于 !(%% 年发明的， 适用 于大传动比场合； 斜齿平面蜗杆传动是由日本的佐藤 于 !(&% 年发明的， 适用于中、 小传动比， 最小传动比 ! 2 !"。该平面包络蜗杆的形成过程称为第一次包络， 如果以此包络环面蜗杆为产形轮再展成一个蜗轮， 其 过程称为第二次包络； 平面包络环面蜗杆与由它展成 的蜗轮构成的传动， 称为平面二次包络环面蜗杆传动 （曾称 34 $ 5! 型蜗杆传动） 。平面二次包络环面蜗杆 副与普通圆柱蜗杆及直廓环面蜗杆相比较， 具有接触 齿数多、 蜗杆齿面可淬硬精确磨削、 齿面硬度高、 齿面 光洁、 精度高、 齿面接触面较大， 并有瞬时双线接触、 接 触线总长度长、 综合曲率半径大、 接触应力小、 啮合润 滑角大， 啮合中容易形成动压油膜， 减少齿面磨损等特 点。 由于平面二次包络蜗杆传动具有上述优点， 因此， 自该传动型式诞生以来， 很快在全国各行各业中被推 广， 现已大量应用于冶金设备， 并在造船、 采矿、 机械、 建筑、 军工、 化工等各行业中采用， 受到普遍欢迎。 由于在多头小速比的场合， 平面二次包络环面蜗 杆会产生蜗杆齿面根切和边齿齿顶变尖等现象， 而且 头数越多越严重， 因此， 一般速比不能小于 6， 按正常 情况只能做到 # 个头。直廓环面蜗杆则在工艺上十分 复杂， 成本较高， 国内最多只能做到 7 个头。 锥面二次包络环面蜗杆传动 （即 34 $ 6& 型蜗杆传
型蜗轮付予以替代， 从 !"#( 年开
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包络环面蜗杆传动的技术现状及进展
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在精度检测方面， 首钢机械厂与成都工具研究所 于 !"#" 年合作研制成功蜗杆精度测量仪， 可以实现蜗 杆分头误差、 运动误差、 螺旋线误差、 周节累积误差、 接 触斑点等项目的检测。
面蜗杆传动。 最近几年， 包络环面蜗杆传动设计、 制造和选用等 内容已编入 《齿轮手册》 、 《 齿轮制造手册》 、 《 现代机械 传动手册》 《机械传动装置选用手册》 、 、 《 机械设计手 册》 和 《机械工程手册》 等， 为此类产品的选用、 设计和 制造提供了依据， 但相关大学教材中还未编入。中国 机械工程学会机械传动分会与中国齿轮专业协会应促 成将包络环面蜗杆传动编入机械专业大学教科书中， 以使这一技术得到更广泛推广应用。
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包络环面蜗杆传动的技术现状及进展
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包络环面蜗杆传动的技术现状及进展
（首钢机械厂， 北京 !""" ）
张建刚
王建军
姜来德
摘要 关键词
叙述了包络环面蜗杆传动的种类特征及平面二次包络蜗杆传动在我国的诞生过程， 以及包 包络 环面蜗杆 技术现状 杆之间的一种新型环面蜗杆传动， 它既具有平面包络 环面蜗杆可以淬硬磨削、 制造工艺较易实现的特点， 又 具有直廓环面蜗杆可避免蜗杆边齿齿顶变尖和根切的 优点。但是， 它在蜗轮齿面接触区面积上不如平面二 次包络环面蜗杆传动大， 而比直廓环面蜗杆传动宽； 在 边齿齿顶变尖和根切方面不如直廓环面蜗杆那样根本 不会产生， 而平面包络环面蜗杆当速比小于 !" 时却难 于避免。 为了更好地发挥各自的优势， 当蜗杆头数为 ! 8 # 时， 可制成平面二次包络环面蜗杆副， 而当蜗杆头数大 于 # 时， 则可制成锥面二次包络环面蜗杆副。
万方数据 动） 是介于平面二次包络环面蜗杆传动和直廓环面蜗
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包络环面蜗杆传动的发展及现状
首钢公司开始在很多冶金设备上装 !(7" 年左右，ຫໍສະໝຸດ Baidu
备了各种规格的直廓环面蜗杆副和普通圆柱蜗杆等重 载蜗杆减速器， 由于普通圆柱蜗杆寿命短、 易损坏， 而 直廓环面蜗杆无备件， 直接影响了冶金企业的连续生 产。为了解决这一难题， 从 !(7’ 年开始， 首钢机械厂 与原一机部机械科学研究院齿轮研究室合作， 于当年 研制出中心距 %&"99 的第一套直齿平面蜗杆副， 用于 首钢焦化厂配煤机上； 第二年又合作制造出中 心 距 传动比 #& 的大型直齿平面蜗杆减速器， 用于 &#"99， 首钢炼钢厂 ’" 吨转炉倾动机构， 取代了当时质量难以 过关的直廓环面蜗杆传动。这台减速器从 !(7& 年开 始使用， 钢水容量从 ’" 吨扩大到 #6 吨， 后因箱体等各 部件老化拆下， 共使用了 %# 年。 首钢机械厂张德华等同志在总 !(5" 年 8 !(5! 年， 结研制直齿平面蜗杆副的经验基础上， 先后解决了两 项关键问题， 一是利用旧皮带车床改装出一台能加工 中心距 %&"99 的环面蜗杆专用车床， 一是设计制造出 专用磨头。这两项关键设备与工装是运用平面包络技 术研制新型传动的基本条件， 缺一不可。 !(5! 年， 在 制造斜齿平面蜗轮副的基础上， 制造了我国第一套平 面二次包络环面蜗杆副。可见， 专用车床和专用磨头
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机械传动
-**) 年
是运用平面包络技术的关键所在， 这两项专用工具的 出现， 标志着我国平面包络技术研究进入了新阶段。 重庆大学张光辉教授 !"#$ 年底至 !"#% 年初到首钢机 械厂调研， 了解到包络蜗杆制造状况时很感兴趣， 向冶 金部做了专题汇报。 冶金部迅速组织了有关大专院校、 科研单位对该 项目进行理论研究、 鉴定和推广工作； 冶金部和北京市 “首钢 （ &’） —#! 型蜗杆 于 !"#! 年命名这种蜗杆副为 副” ； “二等发明奖” ； 几乎 !"#" 年获得国家科委颁发的 与首钢的发明同时， 日本出现过与之相同的技术， 但没 有象首钢是在 !"#! 年就制造出产品。!"(% 年为了解 决多头小速比蜗杆传动， 在北京冶金设备研究所合作 下， 首钢机械厂又研制成功了锥面包络环面蜗杆传动 磨削装置， 并获国家专利， 产品获北京市科技进步奖。 平面包络环面蜗杆传动在我国问世以后， 受到各 方面的重视， 许多高等院校、 科研单位、 工矿企业开展 了对这种传动的研究、 实验和试制工作， 取得了很大成 果。较早进行理论研究的单位有重庆大学、 北京科技 大学、 进行这项研究的单位还有郑州机械研究所。以 后逐渐参加研究 的单位有乐山冶金机械轧辊厂、 西安 冶金机械厂、 南开大学、 北京理工大学、 天津市机械研 究所、 上海冶金设备总厂、 湘潭钢铁公司、 西安冶金建 筑学院、 太原钢铁公司、 武汉钢铁公司、 鞍山钢铁公司、 中国矿业大学、 中国农业大学等。在诸多单位对平面 二次包络环面蜗杆传动进行讨论研究期间， 我国齿轮 传动学术界形成了理论与实践紧密结合， 不断取得新 成果的欣欣向荣的局面。理论研究的成就推动着平面 二次包络环面蜗杆传动在我国的传播和推广。目前， 年生产量 我国已有 )* 余家生产环面蜗杆副的厂家， 其中轧机压下蜗杆传动用的平面二次 #*** 台套左右， 包络环面蜗杆传动产品从 !"($ 年开始获得质量银牌 奖， 典型产品太钢第七轧钢厂八辊 !$** 冷轧机的中心 距为 #+*,, 压下蜗轮副和太钢第六轧钢厂 -)** 冷轧 机的中心距为 !-**,, 压下蜗轮副已分别运行 -* 余 年。再如， 首钢的大型鱼雷罐车全部 %- 台车中的倾动 机构采用了 ! . %+* " -%* 双级减速装置。蜗轮副均为 平面二次包络蜗轮副， 有的已运行 !* 年以上。 在引进设备消化、 吸收和创新中， 采用包络环面蜗 杆传动工作也取得突出效果。橡胶轮胎定型硫化机于 !"#( 年开始由化工部北京橡胶设计院负责消化设计， 其中的主传动原为日本生产的尼曼蜗杆和延伸渐开线 蜗杆减速器， 以及美国的 /012 34562 环面蜗杆减速机。
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理论研究成果和进展
在冶金部组织力量对平面二次包络环面蜗杆传动
进行理论研究的时候， 我国学术界已经为这次研究奠 定了坚实的理论基础， 特别是我国著名数学家， 南开大 学吴大任教授领导的齿轮啮合理论研究组的一系列论 文， 在国内产生了巨大影响。我国关于平面包络环面 蜗杆传动理论研究是很深入、 丰富的， 除了进行常规的 接触线及根切分析以外， 还完成了以下工作。 （!）推导并计算了诱导法曲率、 接触线与相对速 度的夹角。 证明 （%）对二次接触原理进行了严格数学论证， 了第二次接触面产生的必然性。 （$）分析论证了二类界点邻域内啮合状态。 （&）提出了避免啮合干涉的设计方法和工艺措 施。 （’）研究了蜗杆 （滚刀） 齿顶变尖及根切规律， 在 全面考核啮合性能的基础上， 提出了以蜗杆齿顶变尖 和根切做为齿面参数选择的界限条件。 （(）进行了广泛的变位传动研究， 变位因素包括 中心距， 传动比， 蜗杆轴向位移， 平面倾角变化等， 计算 分析了这些因素对啮合性能的影响， 提出了最佳修形 方法。 （)）分析了平面包络环面蜗杆传动用于小传动比 场合存在的问题， 提出了解决方法， （ 即采用锥面包络 环面蜗杆传动） 。 以上理论研究成果推动了包络环面蜗杆传动制造 技术水平的不断提高和完善， 在包络蜗杆传动研究与 应用方面， 目前， 我国保持世界先进水平。 近年来， 首钢机械厂与中国农业大学合作提出了 平面二次包络环面蜗杆副最佳修形方法， 锥面二次包 络环面蜗杆副最佳修形方法， 经实践取得了较好的效 果， 使蜗轮付啮合状态达到最好的接触质量。 !""$ 年首钢机械厂与重庆大学合作进行了锥面 包络环面蜗杆失配啮合传动的研究， 该研究解决了包 络环面蜗杆对制造误差的敏感性， 消除由制造误差造 成的齿面边缘接触， 以期获得对制造误差的不敏感， 易 于加工装配， 经短期运行后能实现理想接触的新型环
万方数据 设计中采用 &’—#!
始， 国内主要橡胶机械厂生产的轮胎硫化机全部使用 了 #$ —#! 型蜗轮减速器， 性能使用良好， 现在硫化机 已经批量向东南亚等国家出口。至今全国已配套近 用于硫化机设备。截止到目前， 仅首钢公 )*** 台套， 司就生产制造包络环面蜗杆副 !(*** 余台套。其中有 很多产品， 直接用于顶替原引进蜗杆减速器或配套出 口的设备上。 目前我国包络环面蜗杆可生产范围为中心距 蜗杆头数 ! 7 "， 传动比 % . % 7 !** （单 %*,, 7 !-**,,， 级， 其中 % . % 7 !* 为锥面包络） 。中心距 +(% & (,,， 蜗 杆头数 ( 的锥面包络环面蜗杆副用于首钢二炼钢厂 从 !""! 年安装使用至今。 )%*8 天车主提升减速机中， 环面蜗杆专用机床设计制造已从厂家自行研制到 专业机床厂生产， 数控专用蜗杆机床已经出现， 如大连 第二机床厂可加工中心距 )-*,, 的数控专用蜗杆机 床， 宝鸡广环机床有限公司 ’9—:%* 多功能数控蜗杆 郑州机械研究所与重庆机 机床可加工中心距 %**,,， 床厂也合作研制成功了数控机床。另外天津华盛昌齿 轮公司与德国克林贝格公司合作生产的 ;</)%=>" 轴 可磨 数控专用蜗杆磨床在 -* 世纪 "* 年代投入使用， 削精度 % 级环面蜗杆， 中心距可加工 %**,,。数控蜗 杆磨床的应用， 一方面提高了工件的加工精度及质量， 另一方面也提高了生产效率， 降低了劳动强度， 自动化 程度大为提高。如磨齿时， 原无数控时每面分别磨螺 旋、 入口、 出口倒坡， 应用数控就可将入口、 螺旋出口一 次磨出。 在产 品 标 准 制 订 方 面，已 将 冶 金 企 业 标 准 《平面二次包络环面蜗杆传动精度及公差 ?9@!*!—($ 标准》 、 《 轧机压下平面二次包络环面蜗 ?@ A 9B-*-—(" 杆传动装置技术条件》 上升到机械行业 C@9!"*-!—(" 《平面包络环面蜗杆减速机》 。 冶金部组织首钢机械厂、 上海冶金 !"(" 年开始， 设备总厂、 西安冶金机械厂、 北京冶金设备研究院， 北 京理工大学经过多年的努力， 完成了产品标准起草、 样 机设计制造、 试验， 经国标工作组多次征求国内企业及 有关院校意见后于 !""+ 年 + 月发布了 《平面二次包络 环面蜗杆传动术语、 几何要素代号、 减速器系列润滑和 承载 能 力、 精 度、 减 速 机 技 术 条 件》 国家标准 （ ’@ A ， 这标志着我国平面二次包络环 !""+） =!+$$- 7 !+$$+： 面蜗杆制造水平步入成熟期。 产品设计方面， “平面 !"($ 年首钢机械厂开发了 二次包络环面蜗杆传动参数优化设计” 软件。利用计 算机对参数优选。