螺旋蜗杆传动-锥齿轮领域的创新-大昌华嘉

螺旋蜗杆传动-锥齿轮领域的创新

发布时间：2021.06.22 14:29 浏览次数：作者：朱志刚

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经济的紧凑型蜗轮被广泛使用，但他们效率低。因此，自动化和电气驱动概念的全球趋势要求新的技术解决方案来实现传动部件的扭矩传递。高减速比准双曲面齿轮，也被称为螺旋蜗杆传动，在这方面能提供令人激动的解决方案，同时也带来了一系列的好处。

“螺旋蜗杆传动”一词到底是什么意思呢？

它是指具有极高传动比的准双曲面齿轮。为了实现这一点，与传统准双曲面齿轮相比，通常使用的小轮齿数少，并且偏置距大。通常速比在i=40-90之间。

小轮的齿数在1到3之间，偏置系数通常大于0.5。而传统的准双曲面齿轮，该数值通常在0.1-0.3之间。

对于交错轴传动，有不同的设计版本（见图1）。高减速比准双曲面齿轮与SPIROID®, HELICON®齿轮类似。

图1：概况– 交错轴传动各种设计版本

螺旋蜗杆传动

应用

高减速比准双曲面齿轮用于必须一步或几步实现高传动比的应用中。这带来了一系列的可能性，特别是电驱动方面，出于效率原因，需要较高的转速驱动。

它们用作蜗轮的替代解决方案也有利于：

提升当前解决方案的效率

传输更高的功率

减少空间

节省成本

减少维护工作量

消除驱动轮和被动轮不同材料的缺点

利用准双曲面齿轮闭环生产的所有优势

特点

特殊的几何形状使得高减速比准双曲面齿轮具有许多特性：

驱动轮小轮非常少的齿数。

高重合度，同时小轮单个齿多个啮合。

大传动比造成小齿轮上的参考锥角非常小，因此外径很小。

高减速比准双曲面齿轮的接触状况和承载能力不能用熟悉的，印证过的准双曲面齿轮的计算方法来精确描述。

到目前为止，有关承载能力和效率的规定只能在极为有限的范围内实现。

摩擦条件无法清楚描述，目前无法根据现有的计算方法计算效率。

设计

尺寸设计：高减比准双曲面齿轮可设计成连续分度和单分度方法加工的工艺。两种工艺都是为成形法加工设计的。

大轮用切入方法加工，而小轮用展成工艺加工。

由于高减速比和小轮齿数少的原因，在定义宏观尺寸时，必须考虑各种边界条件。

与准双曲面齿轮通常情况一样，参考锥由传动比、轴交角、大轮的外径和齿宽、偏置量、刀盘直径，以及两个螺旋角中的一个来确定。

实际上，前四个参数是设计规范，所以很少改变。

在尺寸计算时，偏置量、刀盘直径和大轮螺旋角都是基于齿数预定义的，以获得小轮上的理想螺旋角。这确保了尽可能大的小轮的外径。

如果根据设计规范改变偏置距，那么必须修改大轮螺旋角和刀盘直径（如适用）—— 如果要保留小轮上建议的理想螺旋角。

在实际应用中，当采用较小的刀盘直径（小刀设计）设计高减速比准双曲面齿轮时，可获得较好的重合度。

这样设计出来的齿形有非常小的齿顶高和齿根角。其他宏观几何参数要根据所选的基础数据修改。

新的铣齿设计模块

作为KIMoS（Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Bevel Gears）的一个组成部分，将这些几何特性考虑在内，可以用来设计高减速比准双曲面齿轮。

使用KIMoS Designer进行尺寸计算设计实用的齿轮，并可用大家熟悉的失配图设计进行分析和改进。（见图6和图7）

图6：尺寸计算结果

图7: KIMoS Designer

承载能力的计算

用于计算标准承载能力或用于加载接触分析的常用方法和现有程序迄今为止仅适用于重新计算高减速比率准双曲面齿轮。

标准承载能力计算

根据维奇模型进行效率计算。为了计算标准承载能力，将准双曲面齿轮几何形状转换为等效的圆柱齿轮几何形状。当计算高减速比准双曲面齿轮时，该转化不能提供实际可用的等效圆柱齿轮几何形状。由于减速比大，计算出来的安全系数明显偏大。

加载接触分析（LTCA）

由于小轮的大导程，需要对补偿的表面进行设计改善。由于计算模型中的摩擦条件没有得到很好的模拟，局部点蚀安全系数的计算结果令人怀疑。要计算效率，会用到摩擦系数。由于高减速比准双曲面齿轮齿长方向的滑动，目前无法可靠地计算摩擦系数。

不过时的解决方案？未来可期！

为了确保计算承载能力的程序也能为高减速比准双曲面齿轮提供可靠、稳健的结果。

Klingelnberg（克林贝格）与德国动力传动工程研究会（FVA）所涉及的研究机构共同分析了下面的问题：

所使用的数学模型对高减速比准双曲面齿轮的实际接触状况的模拟效果如何？

用来验证计算方法的试验方法在多大程度上对此类齿轮有意义？

根据这些研究的结果，合作方将及时修改计算算法，并在必要时修改讨论的试验方法。

通常，设计高减速比准双曲面齿轮时，会得到相对较大的齿长鼓形和齿高鼓形，以及因此产生的高接触应力。

因此，可预想高减速比准双曲面齿轮在实际载荷下会有相当高的点蚀引起的损伤风险。这是通过计算符合标准承载能力和通过迄今为止执行的加载的接触分析来确认的。

两种计算方法的结果在此具有很好的关联性。因此，新的设计重点是如何获得小齿长和齿高鼓形的失配。

大昌华嘉齿轮应用技术总监朱志刚编译

源文件:GEARS inline 07| 2020