D01:10.13374/i.issn1001053x.1981.04.001 北京钢铁学院学报 1981年第4期 小传动比SG-71型蜗轮副的 理论研究与参数设计 北京钢铁学院李寅年沈蕴方 湘潭钢铁厂幸先防 摘 要 本文比较系统地分析了小传动比SG一71型蜗轮副在接触线分布、根切和非工作 区、齿顶变尖等方面的特点,找出了小传动比SG一71型蜗轮副难于设计的症结所在, 提出了合理地选择参数的意见。实践证明,提出的理论是正确可行的。 平面二次包络弧面蜗杆传动是我国的一项创造。1977年春由北京市和冶金部命名为“首 钢-71型”(SG-71型)蜗轮副。这种蜗轮副不但具有球面蜗轮副的一些优点.而且蜗杆齿纹不 须修型,能淬硬磨光,接触线在蜗轮齿面上的分布可在一定范围内作适当的调整,跑合性能 好,工装通用性强,制造工艺比较简单(与其他弧面蜗杆传动相比较),使用效果好。已在 全国各个行业推广应用。 但是,对于多头小传动比的SG一71型蜗轮副,在理论、设计和制造上还缺少研究。而冶 金矿山以及其他行业中,多头小传动比的蜗轮副却是比较常见的。 北京钢铁学院从1977年就开始对小传动比的SG-71型蜗轮副进行理论研究,1978年底与 湘潭钢铁厂合作,共同对小传动比SG-71型蜗轮副进行了系统的研究。 什么算”小传动比“?目前尚无统一的看法。我们暂时将传动比≤10定义为小传动比。 显然这并非严格的界限。 一、小传动比SG-71型蜗轮副的特点 1.在赞触线分布规律方面的特点一“佛三线接触” 在文章【)中。我们已经解决了SG-71型蜗轮副的接触线方程式及其计算方法问题。指出 了在原始型时(即a=a。,i=i。),每一对齿的接触中,有两条接触线.它们分别称为“一次 接触线”和“二次接触线”,在修正型时,则存在有“一条接触线两次通过齿面“的现象。 对于这两种情况可以统称为“双线接触”。由于“双线接触”,SG-71型蜗轮副的承戴能力 将显著地大于平面一次包络弧面蜗杆传动(这是日本的一项专利,又称为P1ana蜗轮副)。 现在,在小传动比的接触线图中,又出现了新的情况,在每一对齿的接触中,不是“双 线接触”,而是“三线接触”。图1是i=7.4的SG-71型蜗轮副接触线图,为了请楚起见, 图中仅绘出第一对齿之间的接触线。它的“二次接触线”两次通过齿面,再加上“一次接触 线”就成了“三线接触”。 如果“三线接触”是实际存在的接触,将有利于提高蜗轮副的承戴能力,如果其中一条
北 京 栩 铁 学 院 学 报 年第 盛 期 小传动比 一 型蜗轮副的 理论研究与参数设计 北 京钢铁 学院 李寅年 沈蔽 方 湘潭 钢铁厂 李先 有 摘 要 本 文 比 较 系统 地 分 析 了小 传 动 比 一 型蜗 轮 副在烤触线分 布 、 根 切 和 非工 作 区 、 齿顶 变 尖 等方 面 的特 点 , 找 出 了小传 动 比 一 型蜗轮剐难 于设 计 的症 结所在 , 提 出了合 理地 选择 参数的意见 。 实 践 证 明 , 提 出的 理 论是 正 确可行 的 。 平面二次包络 弧面蜗 杆 传动 是我 国 的一项创造 。 年春由北京市和 冶金 部命名为 “ 首 钢一 型 ” 一 型 蜗 轮副 。 这种 蜗 轮副 不但具有球 面蜗 轮 副 的一些优点 而且蜗杆齿纹不 须修型 , 能淬硬 磨光 , 接触 线 在蜗 轮齿面上 的 分布可在一定 范围 内作适 当的 调 整 , 跑合 性能 好 , 工装通用 性 强 , 制 造工 艺 比较 简 单 与 其 他弧面 蜗杆 传动相 比 较 , 使用 效 果好 。 巳在 全 国 各个行业推广应 用 。 但 是 , 对于 多头小传动 比 的 一 型 蜗 轮 副 , 在 理论 、 设计和 制造上还缺少 研究 。 而冶 金 矿 山以 及其 他行业中 , 多头 小传动 比 的蜗 轮副 却是 比 较常见 的 。 北京钢 铁学院从 年 就 开 始对 小传动 比 的 一 型蜗 轮副 进行 理论研究 , 年底与 湘潭钢 铁厂 合 作 , 共同对 小传动 比 一 型 蜗 轮 副 进行 了系统 的 研究 。 什么算 ” 小 传动 比 ,’ 目前尚无统一的 看 法 。 我 们暂时 将传动 比 三 定 义 为小传动 比 。 显然这 并非严 格 的 界限 。 一 、 小 传 动 比 一 型 蜗 轮 副的特 点 在接触线分 布规 体方面 的特点— “ 供 三线接触 ” 在文章 川 中 。 我 们 巳经解决 了 一 型蜗 轮副 的 接触 线 方 程式 及其计算方 法问题 。 指 出 了在原 始型 时 即 。 , 。 每一对齿的 接触 中 , 有两 条接触线 它们 分别称 为 “ 一 次 接触线 ” 和 “ 二次接触线 ” , 在修正型时 , 则存在有 “ 一 条接触线两 次通过齿面 “ 的 现象 。 对于这 两种情况 可 以 统称 为 “ 双 线 接触 ” 。 由于 “ 双线 接触 ” , 一 型 蜗 轮 副 的 承戴 能力 将显着地 大于 平面 一次包络 弧面蜗杆 传动 这 是 日本 的 一项 专利 , 又 称 为 蜗 轮副 。 现在 , 在小传动 比 的 接触线 图 中 , 又 出现 了新的 情况 , 在每一对齿的 接触 中 , 不 是 “ 双 线接触 ” , 而 是 “ 三线 接触” 。 图 是 二 的 一 型 蜗 轮副 接触 线 图 , 为 了清楚起见 , 图 中仅绘出第一对 齿之 间的 接触线 。 它的 “ 二次接触 线 ” 两次通过齿面 , 再加上 “ 一次接触 线” 就成了 “ 三线 接触 ” 。 如果 三线接触 ” 是 实际存在 的 接触 , 将有利 于提高蜗 轮 副 的承 戴能 力 , 如 果 其 中一 条 DOI :10.13374/j .issn1001—053x.1981.04.001
线会破坏正常形成的齿面(即出现干 涉),则反而会降低承戴能力。为了 正确地进行参数设计,必须揭示“三 230 线接触”的实质。 220 为此,我们先求出该瞬时的一类 界点P,与二类界点P2。 C 中:=0,=7°214 一类界点在蜗杆静坐标中的方程 200 式为:【2 A1*x1+B,*y1+C:“之1=E,* 2010 B A,*x1+B2*y1+C2*z1=E,* A,*x1+B,*y1+C3*z,=E,* a=a0=270i=i。年7.4 式中A,*=-in中2 d,=108d,=160B=27 B*=-tg8 图1 C=co2 E,w=rb-aoin中z Az™co8中z+iotgB B20=-io8in中z C,=8in中: E,0=aoc08中2 A,*=(i。2+1)in中2 B,=2ioco8ψ2+i,2tgB Cg0=一C08中2 E,0=aosin中z 将图1中的数据代入,可解得: x,=53.5163 y,=-7.0098 z1=49.1373 转到蜗轮动坐标S2中(即蜗轮齿面坐标系),得到 X2=a0-X,)c08ψ2-z1in中z=208.419 y2=(x1-ao)8in中2-z1c08中:=-76.428 (z2=-y」=7.0098 所以,该瞬时的一类界点P:在Sz中的坐标为(208.419,-76.428,7.0098),见图1。 ,二类界点(原始型时)在S2中的坐标表达式为: 。itgB co8ψz x:=aitgB+co8中2 r b itg3BsinΨz 」y:=-1+tg2B-a(1+tg2B)(itgB+co8中2) z:-4设(80:-) 2
线会破坏 正 常形成 的齿面 即 出现干 涉 , 则反而 会降低承戴能 力 。 为 了 正 确地进 行 参数设计 , 必须 揭 示 “ 三 线 接触 ” 的实质 。 为此 , 我 们先求 出该瞬 时的 一 类 界点 与二类 界点 。 一类 界点 在蜗 杆静坐标 中 的方 程 式 为 一怜 一 赞 , 铃 么,” 朴 了 朴 一 , 气 。 ’ 。 朴 , 赞 , 份 式 中 ’ 一 苗 劝 一 ‘ 一 日 咖冲 。 一 。 成 中 ‘ 中 。 日 一 。 成 冲 苗 币 。 寸 , 。 苗 中 。 哪中 。 “ 日 。 一 哪中 。 越 中 将图 中的数据 代入 , 可解得 , “ ” · ‘ , 一 、 一 转 到蜗 轮动坐标 中 即蜗 轮齿面 坐标 系 , 得到 , 。 一 山 , 一 劝 , 又 , 。 田 也 生 一 一 目 小 , 一 了 艺 气 一 了 。 吕西 所 以 , 该瞬 时 的一类界点 在 中的坐标为 , 二类界点 原始型 时 在 中的 坐标 表达 式 为 日 ,忽 , 见 图 。 日 小 日 伞‘ 甲 艺 日 士 日 日 ’ “ 日 日 哈 李哄幽库 一 哟 冲
将图1中的数据代入,可解得: x2=212.0137 y2=-69.1480 z2=21.2983 所以,该瞬时的二类界点P,在Sz中的 坐标为(212.0137,-69.1480,21.2983), 见图1。 实面 由P:,P2在接触线上的位置,可知: 图2 (1)一类界限曲线是蜗杆齿面的脊线,是蜗杆实面与虚面的分界线。蜗杆的虚面被砂 轮实体所干涉,因此在实际上是不存在的(故称虚面)(见图2)。图1中,从一类界点P:向 右下方延伸的接触线是“一次线”的实接触线,从P:点向左上方延伸的接触线是“一次线” 的虚接触线,它在蜗杆虚面上。 (2)二类界点是“一次线”与“二次线”的交点。现P2点在蜗杆虚面上,说明它们在 蜗杆虚面上相交。所以,AB段是蜗杆虚面所产生的“二次线”,因此,它是不存在的,是 庞的。它既不增加实际接触,也不会与已有的齿面发生干涉。AC段才是蜗杆实面所产生的 “二次线”,是真正的“二次线”。其中A点也是一界曲线上的一个点,但不是该瞬时(中:= 721')的一类界点。 通过以上分析,我们知道,小传动比 出现的“三线接触”是“伪”的,实质上 仍然是“双线接触”。 2,在根切和非工作区方面的特点 一蜗杆喉部(偏入口)根切和非工作区 最严量。 一般而言,根切和非工作区在入口处 最严重(见图3)。所以,在近似计算时, 可以令中2=0的瞬时界限点(一类界点)正 图3 好落在齿根园上(图3的曲线B),而导出不产生根切和非工作区的临界B值公式【2】, 日=g(,,ear) a'=gin1 d。 2R11 式中R:1一蜗杆齿根园弧半径 ÷4) i=5d,sd.=26 图4 但是,对于小传动比SG-71型蜗轮副,这一公式已不适用了。例如图4所示i=5的蜗杆, 3
将图 中的数据 代入 , 可 解得 ‘ ’ , 长 、一 、 所 以 , 该 瞬 时 的二 类界 点 在 中的 坐标为 , 一 嫂 , , 见圈 。 由 , 在 接触 线 上 的位 置 , 可 知 一 类界 限 曲线 是蜗 杆齿面 的脊 线 , 是蜗 杆实面 与虚面 的 分界线 。 蜗 杆 的虚 面被砂 轮实体所 于 涉 , 因此 在 实际 上是不存在 的 故称 虚 面 见 图 。 图 中 , 从一 类界点 向 右下 方 延 伸的接触 线是 “ 一 次线 ” 的 实接触 线 从 点向左上方 延伸 的 接触 线是 “ 一次线” 的虚 接触 线 , 它 在 蜗杆 虚 面 上 。 二类界点 是 “ 一 次线” 与 “ 二次线 ” 的交 点 。 现 点在蜗 杆虚面上 , 说 明它们在 蜗杆 虚面 上 相交 。 所 以 , 段是蜗 杆 虚 面所产生 的 “ 二 次线 ” 因此 , 它 是 不存 在 的 , 是 虚的 。 它 既 不 增加 实际 接触 , 也 不会与 已有的齿面发生 干 涉 。 段才 是蜗 杆实面所产生的 “ 二次线” , 是真正 的 “ 二 次线 ” 。 其 中 点也是一 界 曲线上 的一个点 ,但 不是该瞬 时 幸 产 的一 类界点 。 一 通过 以 上 分析 , 我 们 知道 , 小传动 比 出现 的 “ 三 线 接触 ” 是 “ 伪 ” 的 , 实质上 仍 然是 “ 双线 接触 ” 。 在根切 和非 工 作 区方面 的特点 — 蜗 杆喉部 偏入 口 根 切 和非工 作 区 严 , 。 一般而 言 , 根 切和 非工作 区在入 口 处 最 严 重 见 图 。 所 以 , 在近 似计 算时 , 可以 令中 。 的瞬 时 界 限点 一 类界 点 正 一 — 。 图 好落在齿根 园上 图 的 曲线 , 而 导 出不产生 根 切和 非工作 区 的 临界 日值 公 式 “ 〕 。 一 丫华 一鱼段翼攀 二 曲 一 八 了 一 仪 ‘ 、 , , , 、 ’ ‘ 厄哀几丁 式 中 , — 蜗杆齿根 园 弧 半径 一 、 图 但 是 , 对于小传动 比 一 型 蜗 轮 副 , 这一 公式 已 不适用 了 。 例 如 图 所示 的蜗 杆
当日=40时,在中:=0(入口处)没有根切,但蜗杆喉部附近根切和非工作区很严重,非工作 区高度超过全齿高的60%。显然,这是不允许的。所以,我们在分析小传动比SG-71型蜗轮 副的根切和非工作区问题时,不能完全应用大传动比的结论,否则,设计出的蜗轮副可能会 出现严重的根切和大面积的非工作区。 3.在蝴杆齿顶变尖方面的特点一蛳杆齿顶变尖很严量。 需要指出的是:严格说来,所谓“蜗杆齿顶变尖”主要是指滚刀的齿頂变尖,因为滚刀齿頂 高h,刀比蜗杆的齿顶高h,要大。根据工厂的经验认为滚刀齿顶宽Se≥0.2m:就可以正常工 作。当Se<0,2m,就认为“变尖”了。 在大传动比时,只有当B过大, B/*侧 d1/a=0.34 才出现齿顶变尖现象。但是在小传动 d/a=0.63 比时,理论计算和工厂的实践都证明: 2.0 尖/Y制 经常会出现严重的齿顶变尖。甚至变 尖与根切二者必有其一,即:不变尖 必根切,不根切必变尖。因而无法设 11.0 计出合理的参数来。 TB根Y州 图6是通过理论计算绘制的二条 曲线,曲线A是避免变尖的临界B值 8101620 31.540 50i (B尖)随传动比i的变化规律,曲线 图5 B是避免根切的临界B值(B根)随传动比i的变化规律。二者都以与Y侧的比值来表达(tgY侧 d: =tgy co8ad,Xico8a)。传动比较大时,曲线A在曲线B之上。因为B≤B尖则不变尖, B≥B,则无根切,所以两曲线之间的B/Y侧值就是既不变尖也无根切的数值。 但是,在小传动比时,曲线A在曲线B之下,变尖与根切二者不可全避免,它们之间的 矛盾无法仅仅通过选择B角来解快了,而必须对各参数进行全面的优选,才能设计出接触线 分布良好、无根切、不变尖的蜗轮副。 二、小传动比SG-71型蜗轮副参数设计 1.蜗杆计算圆直径系数k,(k,=d:/a),适当增大一些。 总的说来,k:值取大一些是有利的。传动比越小,!应越大,这样有利于解决根切和 变尖的矛盾。。 例,a=100,i=5,z1=8,z:=40,db=56 d1=47.5,ha刀=3.431,a=2133' d1=53,ha刀=3.308,a=2224' 在非工作区高度几乎相同的条件下,比较二者的变尖情况,如下表所示(Se一齿顶 宽,mt一模数): 从表中可以看出k:增加了0,055(由0.475到0.53),Se/mt增加了0.2左右。中:越小, 效果越显著。 顺便提一下,由于d:增加,会使全齿高h有所降低,但因压力角α增加,使蜗杆包围蜗轮 的齿数z也增加了。因此,综合起来看,不会影响承载能力。 4
当日” 。 。 时 , 在 中 ” 。 入 口 处 没 有根切 , 但蜗 杆 喉部附近根 切和 非工作区很严重 , 非工 作 区 高度超过 全齿高的“ ” 。 显 然 , 这是不 允许 的 。 所 以 , 我 们在分析小传动 比 份 ‘型蜗扣 副 的根 切和 非工 作区 问题 时 , 不 能完全应 用 大传动 比 的结论 , 否则 , 设 计 出 的蜗 轮副可 能舍 出现严 重 的根 切和 大面 积 的非工 作区 。 在绷杆 街质变尖方面 的特点一 娜杆齿顶 弈尖很严瓦 需 要 指 出的是 严 格说来 , 所 谓 “ 蜗 杆 齿顶 变尖 ” 主要 是指 滚刀的 齿填 变尖 , 因为滚 刀 齿顶 高 刀 比蜗 杆 的齿顶高 要大 。 根据工厂 的经 验认为滚刀 齿顶宽 七 就 可以 正 常工 作 。 当 。 就认为 “ 变尖 ” 了 。 在大传动 比 时 , 只 有当 日过大 , 才出现齿顶变尖现象 。 但 是在小传动 比 时 , 理论计算和 工厂 的实践都证 明 经 常会出现严重 的齿顶变尖 。 甚至 变 尖与根切二者 必 有其一 , 即 不 变尖 必 根 切 , 不根切 必变尖 。 因而无 法设 计 出合理 的参数来 。 图 是通 过理论计算绘制 的二 条 曲线 , 曲 线 是避免 变尖 的 临界 日值 尖 随 传动 比 的变 化规 律 , 曲线 日 · 匆 。 二 日尖 侧 日根 丫侧 是避 免根 切 的 临界 日值 日提 随传动 比 的 变 化规律 。 图 二者都 以 与 侧 的 比 值来 表达 侧 丫 。 日 丁哪 “ 传动 比 较大时 , 曲线 在 曲线 之上 。 因为日三 日尖 则 不变尖 名 , 一︸ 七 日棍 则 无 根切 , 所 以 两 曲线 之 间 的 日 侧 值就 是 既 不变尖 也无 根 切 的数值 。 但是 , 在小传动 比 时 , 曲线 在 曲线 之下 , 变尖与根 切二者 不可全避 免 , 它们之 间 的 矛盾无 法仅仅通 过选择 日角来解决了 , 而必须 对 各参数进 行全 面 的优选 , 才能设计出接触线 分布 良好 、 无 根切 、 不 变尖 的蜗 轮副 。 二 、 小 传 动 比 一 型蜗轮 副参数设 计 拐杆计 算圈直径 系教 , 适 当增大一 些 。 总 的说来 , ,值取大一些 是有利 的 。 传 动 比越 小 , 应越大 , 这样 有利 于解决根切和 变 尖 的矛盾 。 。 例 , , , , 。 厂 , 刀 , “ ‘ 飞 , 刀 , 。 ‘ 在非工 作区 高 度几乎 相同 的条件下 , 比较二者 的 变 尖情 况 , 如 下 表所示 — 齿顶 宽 , — 模数 从表 中可 以 看 出 增 加 由 到 , 增 加了 左右 。 小 越 小 , 效 果越显著 。 顺便提一下 , 由于 增 加 , 会使全 齿高 有所 降低 , 但 因压 力角 增 加 , 使蜗杆包围蜗 轮 的 齿数, 也增 加了 。 因此 , 综 合 起来看 , 不会影响承载能力
起始角中! 10 30 50 70 d1=47.5(k1= Se 0.475)B=31°26 -0.528 -0.309 -0.135 0.003 m d,=53(k,=0.52) Se2 6=27°23 -0.281 -0.106 0.032 mi 0.141 SesSe 0.247 0.203 0.167 0.138 mt mt 当然蜗杆也不能过粗,否则对整个减速器的结构不一定有利,同时也会增加油浸式润滑 的搅油损失而降低效率。因此,k:值也必需有一定的范围。当结构允许时,建议 k1=0.4~0.5 即d1=(0.4~0.5)a 当结构不允许时,可以取小一些。 2.主蕃圆直径系数kb(k。=d。/a)适当取小一些。 主基圆的小大对齿顶宽的影响是比较显著的。但是值得强调提出的是:当主基圆直径 d,减小(而压力角α也相应减小),如果起始角中:不变,则工作半角中。必减小,而使蜗杆长 度l减小。这样,虽然齿顶宽Se增加了,但是并不能说是d。减小所带来的效果,因为如果 d,不变,单纯减小蜗杆长度l,同样会使Se增加。因此,要确切地反映主基圆d。对齿顶宽 S的影响,应该在蜗杆长度不变的条件下来进行分析比较。这样的比较还有一个好处:即承 载能力是相当的(因为1相同,z也相同)。 另外,主基圆直径d,减小,根切会稍微有点增加,为此,需适当调整B角,使根切的情 况不变。 总之,为了确切地反映主基圆直径d。对解决变尖和根切的矛盾方面所起的作用,应在蜗 杆长度和根切情况不变的条外下进行分析比较。 例a=100,i=5,d1=50 {d.=50 Se/m d。=56 0.2 图6绘出了d。=50和db= 56二条曲线,可以看出,蜗杆长 0.1 度I相同时,由于d。减小齿顶 1米 50 85 宽会加大。对此例,db/a(k) -0.1 减小0.06,Se/m:将增大0.05左 T-0.2 右,其效果也是比较显著的。 d50 当然,d。也不宜过小,否则对 -的1W: 接触线分布将不利,同时会使起 始角中:过小(如果蜗杆长度1不 1 变)或蜗杆包围蜗轮的齿数z过 d,58 B=29"564 小(如果中:不变,I减小),这些 都会使承载能力有所降低。 图6 6
起始角小 , 。 · 乳‘了薛认怡‘多 …釜 …一 一 …一 三鑫画〕哥几 一叼仁… 一 汤丁 釜一 斋 一 … 。一 … 。一 。一 当然蜗杆 也不 能过 粗 , 否则对 整个减速 器 的结 构不一定 有利 , 同时也 会增加 油浸式润滑 的 搅油损 失而 降低效率 。 因此 , 值也必需 有一定 的 范围 。 当结 构允许 时 , 建议 即 当结构不 允许 时 , 可 以取 小一些 。 主若 日 径 系教 。 。 。 适 当取 小一 些 。 主 基 圆的 小大对 齿顶 宽 的影响是 比较显著的 。 但是值 得强 调提 出 的 是 当主 基 圆直径 。 减小 而压 力角 也 相应 减小 , 如果 起始角 小 ,不 变 , 则 工作半角小 。 必减小 , 而使蜗杆长 度 减 小 。 这样 , 虽 然 齿顶宽 增 加 了 , 但 是并不 能 说是 。 减 小所带 来 的效 果 , 因为如果 。 不 变 , 单纯减小蜗杆长 度 , 同样 会使 增 加 。 因此 , 要 确切 地反 映 主 基 圆 。 对 齿顶宽 的影响 , 应 该在蜗杆 长 度不 变的 条件下来进 行 分析 比较 。 这样的比较 还 有一 个好处 即承 载能力是相 当的 因为 相同 , 矛 也相同 。 另外 , 主 基 圆直径 。 减小 , 根切 会稍微有点 增加 , 为此 , 需适 当调 整 日角 , 使根切 的情 况 不 变 。 总之 , 为 了确切 地 反映主 基 圆直径 、 对 解决变尖和 根切 的 矛盾方 面所起 的 作用 , 应 在蜗 杆长度和 根切 情 况 不 变的 条外下 进 行 分 析 比较 , 。 例 , , 匕,曰一卜 八八 一 ‘‘ 、、 图 绘 出了 、 和 二 条 曲线 , 可 以 看 出 , 蜗 杆长 度 相同 时 , 由于 、 减小 , 齿顶 宽会加大 。 对 此 例 , 。 。 减小 , 二 , 将增 大 左 右 , 其效果也 是比 较显著 的 。 当然 , 也不 宜过 小 , 否则对 接触线分布将不利 , 同 时 会使起 始角今 ,过小 如果蜗 杆长 度 不 变 或姗杆包 围蜗 轮的齿数 尸 过 小 如果小 不变 , 减小 , 这些 都会使承 载能力有所 降低