專利名稱：以柔性材料為蝸輪齒表面的平面齒單包絡(luò)環(huán)面蝸輪副的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種在蝸輪齒表面覆蓋一層柔性材料的平面齒單包絡(luò)環(huán)面蝸輪副。這里所說的柔性材料是指其彈性模量E比鋼和銅等金屬材料小得多的高分子材料及其復(fù)合材料。
蝸輪傳動是一種常用的大速比傳動型式。但其機(jī)械效率太低，磨損嚴(yán)重，限制了該傳動的應(yīng)用。究其原因，是由于蝸輪和蝸桿的齒面間難以形成完全油膜潤滑。實(shí)踐證明，絕大多數(shù)的蝸輪傳動都工作于混合摩擦或邊界摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)大，磨損是其主要的損壞形式，難以避免。
象蝸輪副這類線接觸的摩擦副，要形成油膜必須具備三個基本條件第一，接觸線必須是一條連續(xù)線；第二，接觸線的方向必須盡可能地與滑動速度垂直；第三，摩擦副接觸線入口處必須有一個合適“楔形角”的間隙，使摩擦面帶入接觸線的流體被擠壓而形成高壓膜，膜的厚度應(yīng)足夠厚以達(dá)到完全液體潤滑。這個楔形角有一個最佳值，太大太小都不適宜。
傳統(tǒng)的平面齒環(huán)面蝸輪副有以下特點(diǎn)一是接觸線和滑動方向非常接近垂直；二是理論上同時接觸的齒數(shù)5～8對，比其它蝸輪副多得多。但是，這些有利條件在現(xiàn)有的平面齒蝸輪副中卻也難以形成全膜潤滑。其原因在于第一，理論上雖然可以是線接觸，但在加工和裝配時，難以避免的很小誤差都會使線接觸成為點(diǎn)接觸。受力后，接觸點(diǎn)會被壓低，必須壓低到與接觸線上最大誤差一樣大時，才能實(shí)現(xiàn)線接觸，否則，接觸的最多只是一些不連續(xù)的點(diǎn)，形不成連續(xù)的接觸線。第二，理論上的多齒接觸，由于蝸輪的分度誤差而不能實(shí)現(xiàn)。第三，蝸輪蝸桿齒面間的接觸線入口處間隙的楔形角遠(yuǎn)大于其形成完全油膜的最佳值。
本實(shí)用新型的目的是對現(xiàn)有的單包絡(luò)環(huán)面蝸輪副進(jìn)行改進(jìn)，提供一種以柔性材料為蝸輪齒面的平面齒環(huán)面蝸輪副，使其能實(shí)現(xiàn)真正的多齒接觸，并形成完善的線接觸；蝸輪蝸桿齒面間形成適當(dāng)?shù)男ㄐ伍g隙，以形成動壓油膜，從而實(shí)現(xiàn)蝸輪副的低的摩擦系數(shù)和高的機(jī)械效率。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的在由蝸桿、平面齒蝸輪組成的平面齒單包絡(luò)環(huán)面蝸輪副中，在平面齒蝸輪的齒面上用粘貼、燒結(jié)或機(jī)械固定的方法覆蓋一層柔性材料，此材料為高分子材料或其復(fù)合材料，其彈性模量E比銅小20～200倍。柔性材料的厚度及其彈性模量E應(yīng)使蝸輪齒面在承受正常載荷時，其壓縮變形大于接觸線上的最大誤差，以實(shí)現(xiàn)真正的多齒接觸和完善的線接觸。所說的蝸輪副包括用油或水基潤滑劑潤滑的蝸輪副。
由于本實(shí)用新型在蝸輪齒面上覆蓋了一層柔性材料，柔性材料的變形有利于產(chǎn)生合理的楔形間隙，使蝸輪蝸桿的齒面間產(chǎn)生較厚的油膜，因而大大提高了機(jī)械效率。現(xiàn)在通過


圖1楔形間隙產(chǎn)生的示意圖進(jìn)一步說明。
圖1中，上面的曲線代表蝸桿齒面，下面的直線代表蝸輪齒面(柔性材料)，當(dāng)二者之間有壓力W存在時，柔性材料便產(chǎn)生壓縮變形。接觸寬度2b可達(dá)5～20mm，接觸區(qū)附近也被壓低形成一個很好的楔形角α。按照重載下的彈流理論，潤滑膜厚度h主要依賴于入口區(qū)的間隙情況，并與E10.4成反比。蝸桿轉(zhuǎn)動時，潤滑劑被帶入接觸區(qū)而形成彈流膜，使蝸桿和蝸輪的齒面完全分離，達(dá)到液體摩擦，摩擦系數(shù)f很小。所以說彈性模量的降低，可大幅度地增大膜厚和改善潤滑效果。試驗(yàn)表明，在很低的速度下，也可以獲得0.01以下的摩擦系數(shù)，機(jī)械效率可提高15％，在大速比時也可達(dá)85～90％。
圖2表示了蝸輪蝸桿的嚙合情況.由于彈性變形抵消了誤差，一般同時接觸的齒數(shù)可達(dá)5～8對，圖2所示為6對齒。圖3還給出了蝸輪齒面上同時出現(xiàn)的線接觸(為清楚起見，6個齒面上的接觸線畫在同一齒面上了)，接觸線為直線，接近與滑動速度垂直，沿齒高方向，潤滑效果很好。
本實(shí)用新型所采用的彈性模量E很低的柔性材料作為蝸輪齒面，并不會降低其承載能力。對于這種E值很低的材料(如加強(qiáng)并改性的鑄型尼龍(MC-PA)、聚酰亞胺(PI)、加強(qiáng)聚胺酯(PU)、氫化丁晴橡膠(H-NBR)等)，由于彈性變形，將會有很寬的接觸帶，接觸應(yīng)力有較大的降低。計算表明，正常載荷下其接觸應(yīng)力σH約為20～50MPa，而材料的壓縮強(qiáng)度為110～180MPa。有的復(fù)合材料接近鑄青銅的強(qiáng)度(220MPa)，而彈性模量卻只有其1/30，σH只有其1/5。因此，用這種柔性復(fù)合材料制造的蝸輪副不比青銅蝸輪副的強(qiáng)度低。另外，高分子材料的耐油性、耐候性、耐腐蝕性均較好，一般也耐100～150℃的溫度，PI可在300℃下長期工作，不成問題。用于摩擦副的高分子復(fù)合材料的耐磨性、減摩性和自潤性都比青銅優(yōu)秀，可望獲得更長的使用壽命。
本實(shí)用新型所采用的摩擦副材料配對，由于潤滑條件好，對潤滑劑的要求較低?？捎靡话愕臐櫥蜕踔了M(jìn)行潤滑，油的粘度可不必太高。
本實(shí)用新型所采用的結(jié)構(gòu)方式，可以節(jié)約大量昂貴的青銅，蝸輪采用一般的鑄鋼或鑄鐵制造，齒面覆蓋的低模量材料用量很少，一般在0.3～1.5kg，蝸輪造價可大幅度降低。即使采用非常高級的復(fù)合材料也不會提高造價，這也為蝸輪副的性能改善提供了回旋余地。另外，也解決了塑料蝸輪的齒根強(qiáng)度問題。
本實(shí)用新型所采用的齒形為平面齒。這樣，一方面可以簡化加工，易于提高精度，另一方面，可以不用去制造工藝復(fù)雜、價格昂貴的蝸輪滾刀。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明。
圖1是本實(shí)用新型楔形間隙產(chǎn)生的示意圖。
圖2是本實(shí)用新型蝸輪和蝸桿的結(jié)構(gòu)及其嚙合情況圖。
圖3是圖2的左視圖。
圖4是用粘結(jié)+機(jī)械固定將柔性材料覆蓋在蝸輪齒面上的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.平面齒蝸輪 2.柔性材料 3.齒形壓板 4.壓緊螺釘5.蝸桿。
圖2是本實(shí)用新型的一個實(shí)施例。蝸桿(5)采用40Cr，表面淬火HRC47～52，表面粗糙度0.8。平面齒蝸輪(1)采用ZG45，調(diào)質(zhì)HB200～230，齒面粗糙度1.6。蝸輪齒面用粘結(jié)的固定方法覆蓋一層厚2mm的改性PI，其彈性模量為5100MPa，采用20#機(jī)械油潤滑。其基本參數(shù)如下中心距a＝220mm，傳動比i＝50，蝸桿頭數(shù)Z1＝1，蝸輪齒數(shù)22＝50，模數(shù)m＝7.4mm，壓力角α＝23.5°，蝸桿旋向右，同時工作齒數(shù)6，蝸桿直徑d1＝70mm，蝸輪直徑d2＝370mm.輸入轉(zhuǎn)速n1＝1500rpm，輸入功率P1＝15kw，精度等級7級。
蝸輪副的參數(shù)可按一般平面齒環(huán)面蝸桿傳動設(shè)計。
在圖4所示的實(shí)施例中，柔性材料(2)也可用粘結(jié)+機(jī)械固定的方法覆蓋在輪齒體(1)的蝸輪齒面上，此時薄片狀的柔性材料先用工業(yè)粘結(jié)劑粘貼在蝸輪齒面上，然后用齒形壓板(3)通過壓緊螺釘(4)在齒端面壓緊。齒形壓板的齒數(shù)與蝸輪相同，齒厚和外徑比蝸輪的略小，精度不要求很高。柔性材料的厚度按蝸輪的耐磨損能力和蝸輪齒面在承受正常載荷時，材料的壓縮變形大于接觸線上的最大誤差計算，一般為0.15m～0.6m(m為模數(shù))。材料彈性模量E的選用，以保證獲得足夠厚的膜厚和＜0.015的摩擦系數(shù)考慮。材料的強(qiáng)度和塑性可適當(dāng)考慮。如果采用可靠的粘貼方法或燒結(jié)的方法，可以不用機(jī)械加固。
附圖2所示的實(shí)施例中，蝸輪副為單向傳動。蝸桿采用45#調(diào)質(zhì)，HB220～245，齒面粗糙度0.8，可拋光處理。蝸輪采用ZG45，正火，HB200～230。單側(cè)工作齒面用燒結(jié)方法固定一層厚2mm的加強(qiáng)聚甲醛(POM)。用燒結(jié)方法強(qiáng)度高，可靠性好，不再使用齒形壓板，POM直接制成與齒面大小一致的片狀。POM的彈性模量為2100MPa，用N32機(jī)械油或輕負(fù)荷齒輪油潤滑。
在本實(shí)用新型中，對于單向傳動的蝸輪副，只需在蝸輪齒的受力面上覆蓋柔性材料，對于雙向傳動的蝸輪副，則必須在蝸輪齒的兩面覆蓋柔性材料。蝸輪的本體材料為一般的鑄鐵或鑄鋼。例如圖2所示的實(shí)施例中，如用于水下工作的雙向傳動，則需在蝸輪兩側(cè)齒面均粘貼柔性材料。為防水下生銹，蝸桿采用不銹鋼，調(diào)質(zhì)，HB220～245.齒面經(jīng)磨削后粗糙度0.8。蝸輪采用QT60-2，正火，HB200～230。齒兩側(cè)均用強(qiáng)力工業(yè)粘結(jié)劑粘結(jié)有1.5～2mm厚的加強(qiáng)H-NBR，彈性模量500MPa.直接用水潤滑，不需密封。
權(quán)利要求1.一種以柔性材料覆蓋在蝸輪齒面的平面齒單包絡(luò)環(huán)面蝸輪傳動副，主要由蝸桿(5)、平面齒蝸輪(1)組成，其特征是在平面齒蝸輪(1)的齒面上用粘貼、燒結(jié)或機(jī)械固定的方法覆蓋一層柔性材料(2)，此材料為高分子材料或其復(fù)合材料，其彈性模量E比銅小20～200倍；所選用的柔性材料的厚度及其彈性模量E應(yīng)使蝸輪齒面在承受正常載荷時，材料的壓縮變形大于接觸線上的最大誤差，以實(shí)現(xiàn)真正的多齒接觸，并形成完善的線接觸；所說的蝸輪副包括用油或水基潤滑劑潤滑的蝸輪副。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面齒環(huán)面蝸輪副，其特征是對于單向傳動的蝸輪副，只需在蝸輪齒的受力面上覆蓋柔性材料；對于雙向傳動的蝸輪副，則必須在蝸輪齒的兩面覆蓋柔性材料；蝸輪的本體材料為一般的鑄鐵或鑄鋼。
專利摘要一種以柔性材料覆蓋在蝸輪齒面的平面齒單包絡(luò)環(huán)面蝸輪傳動副，在平面齒蝸輪的齒面上用粘貼、燒結(jié)或機(jī)械固定的方法覆蓋一層柔性材料，此材料為高分子材料或其復(fù)合材料。其彈性模量E比銅小20～200倍。所選用的柔性材料的厚度及其彈性模量E應(yīng)使蝸輪齒面在承受正常載荷時，材料的壓縮變形大于接觸線上最大的誤差，以實(shí)現(xiàn)真正的多齒接觸，并形成完善的線接觸。本實(shí)用新型可使蝸輪蝸桿齒面間形成適當(dāng)?shù)男ㄐ伍g隙，以形成動壓油膜，從而實(shí)現(xiàn)蝸輪副的低的摩擦系數(shù)和高的機(jī)械效率。
文檔編號F16H1/16GK2249332SQ95229090
公開日1997年3月12日 申請日期1995年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月26日
發(fā)明者雷天覺, 劉紅旗 申請人:機(jī)械工業(yè)部機(jī)械科學(xué)研究院, 洛陽工學(xué)院