滚珠蜗杆蜗轮副的制作方法与工艺

本发明属于机械传动领域，广泛应用于空间交错两轴之间的传动，运动可以是减速或增速,最常见的是轴交角Σ=90度的减速运动，踪迹遍布于各种各类机械之中，有重型动力传输,也常用于工作母机和精密仪器的精密分度传动。

背景技术：
蜗杆蜗轮传动在机械设备中应用非常广泛，主要优点是传动平稳，振动冲击很小，噪音很低，结构简单紧凑，传动速比大，一次减速比一般为5～70，最大可达数百。蜗杆传动的主要缺点是：传动过程中蜗杆螺牙与蜗轮螺牙侧面的滑动摩擦力很大，造成发热快、温升高、能耗大、效率低，也是造成蜗杆蜗轮传动失效的根本原因。为了保留蜗杆传动的优点、又能克服其缺点，近几十年来，不少人将滚动技术应用到蜗杆蜗轮传动中，出现了多种类型的滚珠蜗杆蜗轮传动方式，国家也授予了发明者十几项专利权。在已经提出的多项传动方式中，最值得关注的还是外形滚道槽和现行蜗杆副相同的滚珠蜗杆副，其特征是蜗杆蜗轮的外缘都设置有螺旋槽、槽的法向截面为单圆弧、双圆弧、直廓槽（也有称梯形），蜗杆外形有圆柱、也有环面，包络方式有单包络、也有双包络。同一副蜗杆蜗轮的螺旋槽截面尺寸相同，装配时两者槽口相对齐，组成多排螺旋管，管内布满滚珠，两者槽顶分布于滚珠中心两侧，蜗杆通过滚珠与蜗轮啮合，蜗杆旋转时由于螺旋侧面的推压作用，带动滚珠旋转滚动，滚珠在螺旋槽内旋转时，其轴向移动分量必然带动蜗轮做旋转运动，用这种方式实现蜗杆蜗轮的滚动啮合传动，其原理与滚珠丝杠副有相同之处，目前虽无成熟产品，但可行性很高，成功几率很大，现有蜗杆蜗轮加工设备也完全能满足需要。目前的关键问题是滚珠的循环回流方式存在问题较多，缺乏实用性。因此，一些专利虽已公布十几年到二十多年，迄今仍未投入实用，市场更无此类商品出售。在此列出几种已经公告的专利技术方案进行分析，探讨其中滚珠循环回流方式的缺点和问题，这也是本发明提出时所直接面对的背景技术。①公告号：CN1403726A发明专利滚珠蜗轮蜗杆传动装置②公告号：CN102338195A发明专利一种滚珠蜗轮蜗杆传动副③公告号：CN2107567U实用新型滚珠蜗杆④公告号：CN1039090A发明专利双包环面滚珠蜗杆传动①②两项专利都是滚珠在蜗轮内循环，两者滚珠都是在蜗轮螺旋槽和两侧盖板内的半圆形滚道槽及蜗轮内的轴向孔组成的通道内循环回流，不同的是第①项蜗轮两侧的端盖外形是两个半圆圈，圈的截面是凹形半圆槽，在整圈的半圆环槽径向分成数量与蜗轮螺旋槽数相等的半圆槽，且装配时相互对应，蜗轮两侧则是两个凸形光滑半圆圈，顶面中间是螺旋槽，蜗轮两侧有两排轴向孔，外圈是通孔，内圈是半圆通孔，文字说明内圈是滚道孔，图形则清楚显示外圈是滚道孔。第②项两侧端盖是圆盘形，盘的一侧平面也设有半圆形槽，蜗轮的滚珠循环通孔是一排（大件）或者两排（小型蜗轮），蜗轮本身两侧面还设置径向半圆形通道槽。上述两个文件的技术方案有如下缺点：一、加工制造困难，生产成本高。蜗轮两侧与端盖都采用半圆弧槽加工费时，工艺性不太好，特别是文件①中的端盖，形状特殊，又是薄壳件，生产中还需要配备专用工艺装备，生产成本高。两者都要求端盖径向滚道槽外端与蜗轮螺旋槽口对齐，内端与蜗轮内轴向滚道通孔对正，然而当端盖盖上后，这些槽端和轴向滚道通孔肉眼看不见，装配时稍微偏一点都会引起滚珠进出障碍。同样，文件②蜗轮两侧和端盖都有径向辐射状半圆滚道槽，两半圆槽的形状位置误差一定会要求很严，稍有偏差，或装配时稍有错位，槽口未对齐，不成正圆孔，必将造成滚珠流动障碍，甚至无法流动。还有轴向通道孔中心要求与蜗轮中心平行，然而蜗轮螺旋槽中心与蜗轮中心有一螺旋角，因此按照文件设计的两侧孔槽肯定对不上。二、实用范围被严格限定。文件①的技术方案将使蜗轮的轴向长度增加较多，再加上大圆弧端盖，使得整体结构体积比现行蜗轮加大很多，应用范围会受到影响。文件②的方案中圆盘形端盖仅适用于该文件设定的圆弧深沟滚道蜗轮（这种圆弧深沟滚道直径和滚珠相同，槽深大于滚珠半径，开口小于滚珠直径）。不适用于具有本案所述特征的滚珠蜗杆蜗轮副，因为他的圆盘形端盖边缘只能到达滚珠最大直径处，不能深入到蜗杆螺旋槽底部，无法引导滚珠循环回流。文件③④都是滚珠在蜗杆内循环的方案，也都存在一些不足之处，例如：文件③的蜗杆内腔还增设一些附件，滚珠循环通道过于复杂，对传动效率有不利影响,并且生产加工量增大，还需加大蜗杆直径及一端的装配尺寸。文件④的滚珠循环方式中的第一种来自滚珠丝杠副，滚珠丝杠和螺母是整圆接触，且有3～5列滚珠同时承载，由滚珠变轨而减少的受载滚珠数所占比例很少，对丝杠副的承载能力影响很小，而蜗杆上的滚珠所受的离心力不利于变轨运动，这和滚珠丝杠正好相反，因此必须减小变轨倾斜角度，增大变轨长度，而蜗轮上的螺旋槽很短，由于变轨而造成承载能力的降低不可小视，第二种循环回珠即插管式将造成的承载能力损失比第一种还大，这是蜗杆设计者很难接受的方案。第三种循环方式即键式回珠器看起来理论上较好，但蜗杆要分成蜗杆套与蜗杆两件，蜗杆直径增加较大，而蜗杆轴的刚度不好，蜗杆套与键的位置未有效固定。还有些技术方案对蜗杆的工作转速很高（一般都在1000r/min以上）注意不够，滚珠循环运动的可靠性、安全性隐患较大，也有些设计工艺性不好，有些甚至无法加工制造。所有滚珠在环面蜗杆中循环回流的已有专利，都忽略了一个重要事实：环面蜗杆螺旋槽到蜗杆中心的半径是两端大，中间小，因此槽内滚珠移动的线速度便是中间慢，两头快。工作前螺旋槽内布满滚珠，蜗杆旋转时会出现这种现象：中点以前的滚珠越往前移动速度越快，如果前面无阻挡，则滚珠间的距离也越往前越大；相反，由于中点滚珠移动速度最慢，中点以后也应是越往后移动速度越快，但有前面滚珠的阻挡不能前移，因此必然出现后半段滚珠的紧贴挤压，并导致蜗杆-滚珠-蜗轮之间不能实现纯滚动摩擦，必然伴生滑动摩擦，从而增大能耗，降低传动效率。

技术实现要素：
本发明的内容和目的就是针对滚珠蜗杆蜗轮传动中的关键技术——滚珠循环回流途径和方法提出几种结构简单、加工方便、工作安全可靠的方案和措施，以满足不同类型和用途的需要。本发明的技术方案是这样实现的：一种滚珠蜗杆蜗轮副，滚珠通过安装在蜗轮两侧的弧形导管和蜗轮本体上的轴向通孔在蜗轮内循环；蜗轮上每一螺旋槽的两端都有导管和轴向通孔相连，组成独立的滚珠循环通道，导管外端外半圆做成弧形钩齿状，伸入到蜗杆螺旋槽底部，滚珠在离心力的作用下，能自然顺畅地进入弧形导管，再经轴向通孔进入对面导管,最后回流到蜗轮螺旋槽，完成循环回流；此种滚珠循环回流方式适用于环面、柱面蜗轮和直齿、斜齿平面齿蜗轮；齿槽截面形状可为单圆弧、双圆弧或直廓槽形；当蜗轮直径太小，导管无法与蜗轮焊接，或需要考虑方便更换导管和滚珠时，可以用压盘隔层软垫将导管直接压紧固定在蜗轮上，实施程序和要点是：用普通胶将导管粘接在螺旋槽端口和轴向通孔的连接处，导管上加一层软垫，再在软垫上加一压盘，用螺钉通过压盘将导管压紧固定在蜗轮上；压盘就是一个圆盘，外径略大于短导管最高点组成的直经，内孔与蜗轮孔外圆柱体配合，后者与蜗轮孔同心，软垫是一个环形垫，用耐油软橡胶或其他耐油弹性材料制成，外径与压盘外径相同，内径大小覆盖长导管高点。更进一步地，导管分长短两种,分别与蜗轮上的螺旋槽及内外两圈轴向滚道通孔相连接，导管弯内焊有筋板，筋板可以和蜗轮焊接或胶接，这样便增加了一个连接部位，加强连接强度；导管的曲率以滚珠最易顺畅流动为原则选取，短导管可以是半个圆环，长导管的曲率半径应与短导管基本一致，伸入蜗杆螺旋槽的导管前端外半圆做成弧形钩齿状；导管的孔径比滚珠直径稍微大一点。更进一步地，蜗轮上设了两圈轴向滚道通孔,交错分列在两个与蜗轮轴心同心的圆上,而且圆心在蜗轮螺旋槽端口中心与蜗轮中心的连线上,每个通孔两端都设置了与导管对接的台阶孔及焊接坡口,蜗轮周边螺旋槽的端口与导管连接处也做了相同处置,以便于导管与蜗轮的焊接或胶接。一种滚珠蜗杆蜗轮副，其滚珠通过安装在蜗轮两侧的弧形钩齿导向盘、径向滚道槽、调向弧面、轴向滚道通孔组成的环形通道，实现在蜗轮内循环；蜗轮每一螺旋槽的滚珠都有一个独立的循环通道，导向盘周边的弧形钩齿数量与蜗轮螺旋槽数相等，齿尖在螺旋槽端口中心线上；蜗杆蜗轮装配后，弧形钩齿伸入到蜗杆螺旋槽底部，导向盘的环形平面与蜗轮侧面的V形径向滚道槽构成滚珠的径向通道，供滚珠通过而不会从旁边掉出，蜗杆旋转时，滚珠随蜗杆推动蜗轮旋转的同时快速沿蜗轮螺旋槽移动，当脱离啮合区后，会在离心力作用下，沿着脱离点弧线的切线方向往外飞，此时弧形钩齿便能因势利导顺利地将滚珠导入循环通道；此种滚珠循环回流方式适用于环面、柱面蜗轮和直齿、斜齿平面齿蜗轮；齿槽截面形状可为单圆弧、双圆弧或直廓槽形。优选地，蜗轮两侧的径向滚道槽的法向截面是中间带退刀槽的V型槽，直廓槽线，分长短两种，呈辐射状分布，长短交错排列，径向滚道槽的外端与螺旋槽端口对接，径向管道槽的中心线在螺旋槽端口中心点与蜗轮中心的连线上，内端与轴向滚道通孔相接，轴向滚道通孔分列在两个与蜗轮轴心同心的圆上，外圈的孔与短径向滚道槽相连，内圈上的孔与长径向滚道槽相接，孔的中心（应该是内圈的孔的中心吧）在同心圆线与径向滚道中心线的交点上，蜗轮螺旋槽在蜗轮上有一螺旋升角，因而轴向滚道通孔是不与蜗轮轴线平行的斜孔；螺旋槽两端与轴向滚道通孔两端都作了过渡圆弧。优选地，安装在蜗轮两侧的弧形钩齿导向盘的圆周上分布了与蜗轮螺旋槽数相等的弧形钩齿，导向盘的中央是一个里大外小的弧形收缩锥体，在弧形钩齿与弧形收缩锥体之间是一环形平面；导向盘的环形平面与蜗轮侧面的V形径向滚道槽构成滚珠的径向通道，在短径向滚道槽内移动的滚珠会在在弧形调向块的引导下进入轴向滚道通孔，在长径向滚道槽内移动的滚珠会在导向盘的弧形收缩锥面的引导下进入轴向滚道通孔，从轴向通孔到达蜗轮另一侧面后，对面导向盘的弧面调向块和弧形收缩锥面引导滚珠沿着对面的径向通道前行经弧形钩齿进入蜗杆蜗轮的螺旋槽，完成循环流动；弧形钩齿导向盘按加工方法分为机械切削加工型；和簿板冲压成型。本发明的技术方案产生的积极效果如下：一、上述四种滚珠循环方案，涵盖了各种类型滚珠蜗杆蜗轮副的需求，能满足生产使用的需要；二、避免了现行滑动摩擦的缺陷，实现完整的高质量的滚动传动，为大幅提高滚珠蜗杆蜗轮的传动效率、节约能耗寻找了一条可行的途径。三、四种循环回流方案，五种结构类型，具有结构简单、生产加工方便、不需研制增添任何新型设备，制造成本低廉。四、完全省去大量有色金属铜锌镍的使用，蜗轮完全采用价格比铜合金便宜数倍的钢材制造，不仅可以降低生产成本，还可提高承载能力、延长使用寿命。附图说明图1是导管式滚珠蜗杆蜗轮副的装配图，上图是正视图，下图是俯视图。图中：1-蜗杆，2-滚珠，3-蜗轮，4-外防护罩，5-短导管，6-长导管，7-轴向长滚道通孔，8-轴向短滚道通孔。图2是导管式滚珠蜗杆蜗轮副的蜗轮，图中清楚标示出蜗轮螺旋槽与滚珠轴向滚道通孔的位置关系。图3是导管式滚珠蜗杆蜗轮副的弧形导管图，分长短两种，弯内焊有筋板，目的是增加连接部位，加强连接强度。采用大圆弧形导管是为了使滚珠循环更流畅，阻力更小。图4是导管式滚珠蜗杆蜗轮副另一种导管固定方式，主要用于导管不太方便焊接，或需要适时调整更换导管、滚珠者，采用这种更加灵活的压盘固定方式，简单方便可靠。图5是图4中的压盘，用于压紧固定导管用。图6是软垫，置于导管与压盘之间，用来均衡导管所受的压力。图7是滚珠通过安装于蜗轮两侧的弧形钩齿导向盘、蜗轮两侧的径向滚道槽和轴向滚道通孔，实现在蜗轮内循环的滚珠蜗杆蜗轮副的装配图，是滚珠在蜗轮内循环的另一种方式。图中：1-蜗杆，3-蜗轮，2-滚珠，11-弧形钩齿导向盘，12-弧面调向块，13-调向块固定螺钉，14-弧形钩齿导向盘的固定螺钉，4-外防护罩.图8是图7中的蜗轮结构型式图，图中显示出蜗轮两侧径向滚道槽和轴向滚道通孔的位置关系及形状特点。图9是弧形钩齿导向盘，用来引导滚珠循环回流的导向件。有两种型式。（a）是机械切削加工成型件；（b）是薄板冲压成型。前者适用于单件小批量生产，后者适用大批量生产。图10是图7的12号零件弧面调向块，用来引导滚珠调换方向。图11是滚珠通过导管在蜗轮内循环回流的滚珠蜗杆蜗轮副应用实例—滚珠蜗杆蜗轮减速机，图中标出的主要零件是27-箱体底座，1-环面蜗杆，28-蜗轮轴承盖，3-蜗轮，29-蜗轮轴，6-长导管，5-短导管，4-外防护罩（用螺栓固定在箱体右墙壁上），30-箱体上半部，箱体是从蜗轮轴向所在的水平面剖分为上下两部分，主要是为了便于装配和维修，2-滚珠（经精密加工和筛选的钢球），31-轴承盒，B1-蜗轮轴承，只承载径向载荷，B2-蜗轮轴承，承载径向和轴向载荷，B3、B4-蜗杆轴承，仅承载径向载荷，B5-蜗杆轴承，承载双向轴向载荷。蜗杆蜗轮类型属环面双包络滚珠蜗杆蜗轮副，螺线槽法向截面为双圆弧形。具体实施方式实施例一一种滚珠蜗杆蜗轮副，其滚珠通过装在蜗轮两侧的弧形导管和蜗轮本体上的轴向通孔实现在蜗轮内循环（图1）。其特征是蜗轮上每一螺旋槽的两端都有弧形导管、轴向滚道通孔组成独立的滚珠循环通道，导管外端外半圆做成弧形钩齿状，伸入到蜗杆螺旋槽底部，滚珠在离心力的作用下，能自然顺畅地进入弧形导管，再经轴向滚道通孔进入另一侧导管，最后回流到蜗轮螺旋槽，完成循环回流。所述的一种滚珠蜗杆蜗轮副，蜗轮上设了两圈轴向滚道通孔，交错分列在两个同心圆上（图2）。这样分布的目的是为了便于导管在蜗轮上的安装连接。每一个通孔的两端都设置了与导管对接的台阶孔及焊接坡口，便于导管与蜗轮的焊接或胶接，蜗轮周边螺旋槽的两端与导管连接处也做了相同设置。由于螺旋槽与轴向滚道通孔之间的距离有两种，因此需要长短两种导管（图3），导管的弧形曲率以滚珠能最易顺畅流动为原则选择，短导管可以是个半圆环，长导管的曲率半径应与短导管相同，伸入蜗杆螺旋槽的导管前端外半圆做成弧形钩齿状，以便滚珠的进出导向。导管与蜗轮的连接方式有三种，第一种采用焊接；第二种在轻载低速平静的工作环境工作的也可采用高强度胶粘。为了增加连接强度，导管下面弯内（见图3）焊接一块筋板，筋板再与蜗轮连接。第三种方法是在导管上面采用压盘将其固定在蜗轮上（图4），省去焊接带来的麻烦，但也增加了一层厚度。工作程序和方法是：1）将导管用胶水固定在对接位置，这只需要普通胶水，固定导管是为了方便装压盘；2）导管上面加一环形软垫；3）将压盘（图5）隔层软垫压紧导管，拧紧螺钉便能将其固定在蜗轮上。两侧导管同法固定。加软垫的作用是为了均衡导管受力，以免由于导管制作尺寸偏差而出现高的被压变形，低的没有压紧的现象。软垫可用耐油软橡胶或其他耐油弹性材料制成。压盘就是一个圆盘，外径略大于短导管最高点组成的直经，内孔与蜗轮孔外圆柱体配合，后者与蜗轮孔同心，软垫是一个环形垫，用耐油软橡胶或其他耐油弹性材料制成，外径与压盘外径相同，内径大小以能覆盖长导管高点为宜。滚珠通过导管在蜗轮内循环的方式，适用于圆柱、环面蜗轮和直齿、斜齿的平面齿蜗轮，蜗轮螺旋槽的截面型式可为单圆弧，双圆弧或直廓槽型等。蜗轮的外圆周设有外防护罩，确保滚珠不掉出，防护罩由两个半圆环组成，其中一个半圆环开有缺口，以便蜗杆进入与蜗轮啮合，防护罩可固定在箱体底部（蜗轮立式安装），或者固定在箱体侧壁，用于蜗轮卧式安装（见图21）上述说明及附图1～图6既清楚地说明了应用导管进行滚珠循环回流的结构特征和具体循环方式，所用构件的形状特征、安装固定方式，同时也说明了根据不同使用情况和要求可采取的几种不同实施方式。实施例二一种滚珠蜗杆蜗轮副，其滚珠通过安装于蜗轮两侧的弧形钩齿导向盘、蜗轮本体两侧的径向滚道槽及槽内端的弧面调向块（与短径向槽相配）、或弧形收缩锥弧面（与长径向槽相配）、轴向滚道通孔实现在蜗轮内循环（图7）。特征是蜗轮本体在两侧制作了径向滚道槽（图8）。槽的法向截面是中间带退刀槽的V型直廓槽面,高度小于滚珠半径，开口小于螺旋槽的宽度，分长短两种，呈辐射状分布。长短交错排列。槽的外端与螺旋槽口相连，槽的中心线在端口中心点与蜗轮轴心的连线上，内端与轴向滚珠通孔相接，轴向滚道通孔分列在两个与蜗轮轴心同心的圆上，外圈的孔与短径向滚道槽相连，内圈上的孔与长径向滚道槽相连，孔的中心在同心圆线与径向滚道中心线的交点上，蜗轮螺旋槽在蜗轮上有一螺旋升角，因而轴向滚道通孔是不与蜗轮轴线平行的斜孔。所述的弧形钩齿导向盘安装于蜗轮两侧（图9），圆周分布了与蜗轮螺旋槽数相等的弯曲的弧形钩齿，钩齿中心对正螺旋槽端口中心线，导向盘的中心是一个里大外小的弧形收缩锥体，两者之间是环形平面，环形平面和蜗轮上的径向V型滚道槽构成滚珠的径向通道，短径向通道和内侧轴向滚道通孔的端口安装了弧面调向块，长径向通道和内侧轴向滚道通孔端口紧贴导向盘的弧形收缩锥，蜗轮另一侧的同样位置也有同样功能零件，此两件的作用是引领滚珠进出轴向滚道通孔。具有上述结构特征的滚珠蜗杆蜗轮副，当蜗杆旋转时，驱动力带动滚珠推动蜗轮旋转的同时，滚珠也沿着螺旋线往端口移动，当滚珠脱离蜗轮螺旋槽啮合区后，在离心力的作用下沿着脱离点圆弧切线方向飞出，此时弧形钩齿已伸入到蜗杆螺旋底部滚珠的侧面，便能因势利导顺利地将滚珠导入径向通道，经弧面调向块（图10）或导向盘的弧形收缩锥的引导进入轴向滚道通孔，到达孔的另一端后在前述两功能零件的引导下进入径向通道，然后进入蜗轮螺旋槽，完成滚珠的循环回流。蜗轮的外圆周设有防护罩，确保滚珠不掉出，防护罩由两个半圆环组成，其中一个半圆环开有缺口，以便蜗杆进入与蜗轮啮合，防护罩可固定在箱体底部（立式输出）或者固定于箱体侧壁上，用于蜗轮卧式安装（见图21）。所述一种滚珠蜗杆蜗轮副，滚珠通过蜗轮两侧的弧形钩齿导向盘在蜗轮内循环，其弧形钩齿导向盘圆周分布了与蜗轮螺旋槽数相等的弧线钩齿（图9），导向盘之导向面由外端的弧形钩齿内弧面、环形内平面、盘中心的弧形收缩锥体组成。生产加工比较简单，若是单件小批量生产可按照图9(a)制造，毛坯可铸造，机加工车铣即可完成；若是较大批量生产可按图9(b)用薄板冲压成型即可，成本低廉。此种滚珠在蜗轮内循环的方式，适用于圆柱、环面蜗轮和直齿、斜齿的平面齿蜗轮，蜗轮螺旋槽的截面型式可为单圆弧、双圆弧或直廓槽型等。