专利名称：以柔性材料为蜗轮齿表面的平面齿单包络环面蜗轮副的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种在蜗轮齿表面覆盖一层柔性材料的平面齿单包络环面蜗轮副。这里所说的柔性材料是指其弹性模量E比钢和铜等金属材料小得多的高分子材料及其复合材料。
蜗轮传动是一种常用的大速比传动型式。但其机械效率太低，磨损严重，限制了该传动的应用。究其原因，是由于蜗轮和蜗杆的齿面间难以形成完全油膜润滑。实践证明，绝大多数的蜗轮传动都工作于混合摩擦或边界摩擦状态，摩擦系数大，磨损是其主要的损坏形式，难以避免。
象蜗轮副这类线接触的摩擦副，要形成油膜必须具备三个基本条件第一，接触线必须是一条连续线；第二，接触线的方向必须尽可能地与滑动速度垂直；第三，摩擦副接触线入口处必须有一个合适“楔形角”的间隙，使摩擦面带入接触线的流体被挤压而形成高压膜，膜的厚度应足够厚以达到完全液体润滑。这个楔形角有一个最佳值，太大太小都不适宜。
传统的平面齿环面蜗轮副有以下特点一是接触线和滑动方向非常接近垂直；二是理论上同时接触的齿数5～8对，比其它蜗轮副多得多。但是，这些有利条件在现有的平面齿蜗轮副中却也难以形成全膜润滑。其原因在于第一，理论上虽然可以是线接触，但在加工和装配时，难以避免的很小误差都会使线接触成为点接触。受力后，接触点会被压低，必须压低到与接触线上最大误差一样大时，才能实现线接触，否则，接触的最多只是一些不连续的点，形不成连续的接触线。第二，理论上的多齿接触，由于蜗轮的分度误差而不能实现。第三，蜗轮蜗杆齿面间的接触线入口处间隙的楔形角远大于其形成完全油膜的最佳值。
本实用新型的目的是对现有的单包络环面蜗轮副进行改进，提供一种以柔性材料为蜗轮齿面的平面齿环面蜗轮副，使其能实现真正的多齿接触，并形成完善的线接触；蜗轮蜗杆齿面间形成适当的楔形间隙，以形成动压油膜，从而实现蜗轮副的低的摩擦系数和高的机械效率。
本实用新型的目的是这样实现的在由蜗杆、平面齿蜗轮组成的平面齿单包络环面蜗轮副中，在平面齿蜗轮的齿面上用粘贴、烧结或机械固定的方法覆盖一层柔性材料，此材料为高分子材料或其复合材料，其弹性模量E比铜小20～200倍。柔性材料的厚度及其弹性模量E应使蜗轮齿面在承受正常载荷时，其压缩变形大于接触线上的最大误差，以实现真正的多齿接触和完善的线接触。所说的蜗轮副包括用油或水基润滑剂润滑的蜗轮副。
由于本实用新型在蜗轮齿面上覆盖了一层柔性材料，柔性材料的变形有利于产生合理的楔形间隙，使蜗轮蜗杆的齿面间产生较厚的油膜，因而大大提高了机械效率。现在通过
图1楔形间隙产生的示意图进一步说明。
图1中，上面的曲线代表蜗杆齿面，下面的直线代表蜗轮齿面(柔性材料)，当二者之间有压力W存在时，柔性材料便产生压缩变形。接触宽度2b可达5～20mm，接触区附近也被压低形成一个很好的楔形角α。按照重载下的弹流理论，润滑膜厚度h主要依赖于入口区的间隙情况，并与E10.4成反比。蜗杆转动时，润滑剂被带入接触区而形成弹流膜，使蜗杆和蜗轮的齿面完全分离，达到液体摩擦，摩擦系数f很小。所以说弹性模量的降低，可大幅度地增大膜厚和改善润滑效果。试验表明，在很低的速度下，也可以获得0.01以下的摩擦系数，机械效率可提高15％，在大速比时也可达85～90％。
图2表示了蜗轮蜗杆的啮合情况.由于弹性变形抵消了误差，一般同时接触的齿数可达5～8对，图2所示为6对齿。图3还给出了蜗轮齿面上同时出现的线接触(为清楚起见，6个齿面上的接触线画在同一齿面上了)，接触线为直线，接近与滑动速度垂直，沿齿高方向，润滑效果很好。
本实用新型所采用的弹性模量E很低的柔性材料作为蜗轮齿面，并不会降低其承载能力。对于这种E值很低的材料(如加强并改性的铸型尼龙(MC-PA)、聚酰亚胺(PI)、加强聚胺酯(PU)、氢化丁晴橡胶(H-NBR)等)，由于弹性变形，将会有很宽的接触带，接触应力有较大的降低。计算表明，正常载荷下其接触应力σH约为20～50MPa，而材料的压缩强度为110～180MPa。有的复合材料接近铸青铜的强度(220MPa)，而弹性模量却只有其1/30，σH只有其1/5。因此，用这种柔性复合材料制造的蜗轮副不比青铜蜗轮副的强度低。另外，高分子材料的耐油性、耐候性、耐腐蚀性均较好，一般也耐100～150℃的温度，PI可在300℃下长期工作，不成问题。用于摩擦副的高分子复合材料的耐磨性、减摩性和自润性都比青铜优秀，可望获得更长的使用寿命。
本实用新型所采用的摩擦副材料配对，由于润滑条件好，对润滑剂的要求较低。可用一般的润滑油甚至水进行润滑，油的粘度可不必太高。
本实用新型所采用的结构方式，可以节约大量昂贵的青铜，蜗轮采用一般的铸钢或铸铁制造，齿面覆盖的低模量材料用量很少，一般在0.3～1.5kg，蜗轮造价可大幅度降低。即使采用非常高级的复合材料也不会提高造价，这也为蜗轮副的性能改善提供了回旋余地。另外，也解决了塑料蜗轮的齿根强度问题。
本实用新型所采用的齿形为平面齿。这样，一方面可以简化加工，易于提高精度，另一方面，可以不用去制造工艺复杂、价格昂贵的蜗轮滚刀。
以下结合附图和实施例进一步说明。
图1是本实用新型楔形间隙产生的示意图。
图2是本实用新型蜗轮和蜗杆的结构及其啮合情况图。
图3是图2的左视图。
图4是用粘结+机械固定将柔性材料覆盖在蜗轮齿面上的结构示意图。
图中1.平面齿蜗轮 2.柔性材料 3.齿形压板 4.压紧螺钉5.蜗杆。
图2是本实用新型的一个实施例。蜗杆(5)采用40Cr，表面淬火HRC47～52，表面粗糙度0.8。平面齿蜗轮(1)采用ZG45，调质HB200～230，齿面粗糙度1.6。蜗轮齿面用粘结的固定方法覆盖一层厚2mm的改性PI，其弹性模量为5100MPa，采用20#机械油润滑。其基本参数如下中心距a＝220mm，传动比i＝50，蜗杆头数Z1＝1，蜗轮齿数22＝50，模数m＝7.4mm，压力角α＝23.5°，蜗杆旋向右，同时工作齿数6，蜗杆直径d1＝70mm，蜗轮直径d2＝370mm.输入转速n1＝1500rpm，输入功率P1＝15kw，精度等级7级。
蜗轮副的参数可按一般平面齿环面蜗杆传动设计。
在图4所示的实施例中，柔性材料(2)也可用粘结+机械固定的方法覆盖在轮齿体(1)的蜗轮齿面上，此时薄片状的柔性材料先用工业粘结剂粘贴在蜗轮齿面上，然后用齿形压板(3)通过压紧螺钉(4)在齿端面压紧。齿形压板的齿数与蜗轮相同，齿厚和外径比蜗轮的略小，精度不要求很高。柔性材料的厚度按蜗轮的耐磨损能力和蜗轮齿面在承受正常载荷时，材料的压缩变形大于接触线上的最大误差计算，一般为0.15m～0.6m(m为模数)。材料弹性模量E的选用，以保证获得足够厚的膜厚和＜0.015的摩擦系数考虑。材料的强度和塑性可适当考虑。如果采用可靠的粘贴方法或烧结的方法，可以不用机械加固。
附图2所示的实施例中，蜗轮副为单向传动。蜗杆采用45#调质，HB220～245，齿面粗糙度0.8，可抛光处理。蜗轮采用ZG45，正火，HB200～230。单侧工作齿面用烧结方法固定一层厚2mm的加强聚甲醛(POM)。用烧结方法强度高，可靠性好，不再使用齿形压板，POM直接制成与齿面大小一致的片状。POM的弹性模量为2100MPa，用N32机械油或轻负荷齿轮油润滑。
在本实用新型中，对于单向传动的蜗轮副，只需在蜗轮齿的受力面上覆盖柔性材料，对于双向传动的蜗轮副，则必须在蜗轮齿的两面覆盖柔性材料。蜗轮的本体材料为一般的铸铁或铸钢。例如图2所示的实施例中，如用于水下工作的双向传动，则需在蜗轮两侧齿面均粘贴柔性材料。为防水下生锈，蜗杆采用不锈钢，调质，HB220～245.齿面经磨削后粗糙度0.8。蜗轮采用QT60-2，正火，HB200～230。齿两侧均用强力工业粘结剂粘结有1.5～2mm厚的加强H-NBR，弹性模量500MPa.直接用水润滑，不需密封。
权利要求1.一种以柔性材料覆盖在蜗轮齿面的平面齿单包络环面蜗轮传动副，主要由蜗杆(5)、平面齿蜗轮(1)组成，其特征是在平面齿蜗轮(1)的齿面上用粘贴、烧结或机械固定的方法覆盖一层柔性材料(2)，此材料为高分子材料或其复合材料，其弹性模量E比铜小20～200倍；所选用的柔性材料的厚度及其弹性模量E应使蜗轮齿面在承受正常载荷时，材料的压缩变形大于接触线上的最大误差，以实现真正的多齿接触，并形成完善的线接触；所说的蜗轮副包括用油或水基润滑剂润滑的蜗轮副。
2.根据权利要求1所述的平面齿环面蜗轮副，其特征是对于单向传动的蜗轮副，只需在蜗轮齿的受力面上覆盖柔性材料；对于双向传动的蜗轮副，则必须在蜗轮齿的两面覆盖柔性材料；蜗轮的本体材料为一般的铸铁或铸钢。
专利摘要一种以柔性材料覆盖在蜗轮齿面的平面齿单包络环面蜗轮传动副，在平面齿蜗轮的齿面上用粘贴、烧结或机械固定的方法覆盖一层柔性材料，此材料为高分子材料或其复合材料。其弹性模量E比铜小20～200倍。所选用的柔性材料的厚度及其弹性模量E应使蜗轮齿面在承受正常载荷时，材料的压缩变形大于接触线上最大的误差，以实现真正的多齿接触，并形成完善的线接触。本实用新型可使蜗轮蜗杆齿面间形成适当的楔形间隙，以形成动压油膜，从而实现蜗轮副的低的摩擦系数和高的机械效率。
文档编号F16H1/16GK2249332SQ95229090
公开日1997年3月12日 申请日期1995年12月26日 优先权日1995年12月26日
发明者雷天觉, 刘红旗 申请人:机械工业部机械科学研究院, 洛阳工学院