泰興減速機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家泰強(qiáng)減速機(jī)2019年9月5日訊  回顧了蝸桿傳動的發(fā)展歷程，并闡述了各種蝸桿傳動的優(yōu)缺點(diǎn)。從蝸桿傳動中的首創(chuàng)體外形、齒部位置及嚙合區(qū)域、首創(chuàng)面齒廓三個方面出發(fā)對蝸桿傳動進(jìn)行分類，以元素周期表為原型得出蝸桿傳動系統(tǒng)分類表，表中各類型、各系列及各形式之間在幾何結(jié)構(gòu)和傳動性能上存在一定的普遍性和規(guī)律性?；趪鴥?nèi)外蝸桿傳動的發(fā)展和現(xiàn)狀分析，就目前我國工業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)及對蝸桿傳動的需求，預(yù)測了今后蝸桿傳動的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。研究內(nèi)容能有目的、有方向地指導(dǎo)我們改造現(xiàn)有蝸桿傳動和研發(fā)新型蝸桿傳動。

關(guān)鍵詞：蝸桿傳動；發(fā)展歷程；分類表 ；發(fā)展趨勢

0  前言*

蝸桿傳動是機(jī)械傳動的一種主要形式，具有傳動比范圍寬(通常一級傳動比即可達(dá)5~100，傳遞運(yùn)動時最大可達(dá)1500)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運(yùn)動平穩(wěn)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。此外，在運(yùn)動傳動中，它具有對傳動系統(tǒng)上游誤差的縮斂作用，因而除被廣泛應(yīng)用于作動力傳動外，一直是機(jī)床及精密儀器精密圓分度機(jī)構(gòu)的首選部件。

由于蝸桿傳動屬交錯軸傳動，蝸輪與蝸桿工作齒面間存在較大的相對滑動速度，故蝸桿傳動的主要失效形式是嚴(yán)重磨損和齒面膠合，如何降低齒面間的摩擦、改善齒面間的潤滑性能、提高其承載能力、傳動效率和精度壽命等問題，一直為國內(nèi)外有關(guān)科技界所關(guān)注，研究并提出了各種形形色色的蝸桿傳動。其中以普通圓柱蝸桿傳動(英、美、中等國)、尼曼蝸桿傳動(德、美、日、中、俄等國)、亨得利蝸桿傳動(美、俄等國)、平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿(中國)等應(yīng)用最為廣泛[1]。

本文闡述了各種蝸桿傳動的發(fā)展歷程及其優(yōu)缺點(diǎn)，對蝸桿傳動進(jìn)行了系統(tǒng)分類，并指出了蝸桿傳動的發(fā)展方向和趨勢。

1  蝸桿傳動的發(fā)展歷程

蝸桿傳動的歷史悠久，其原理研究可以追溯到二千三百多年前，Archimedes(阿基米德，公元前287-212年)提出利用螺旋運(yùn)動推動齒輪旋轉(zhuǎn)的方法，發(fā)明了阿基米德蝸桿傳動卷揚(yáng)機(jī)[2-3]，如圖 1所示。十六世紀(jì)， D Vinci(達(dá)芬奇)在其手稿中提出“環(huán)面蝸桿傳動”的概念[2-3]，如圖 2所示。

(1)   亨得利蝸桿傳動

1765年，英國人Hindley(亨得利)首次提出直廓環(huán)面蝸桿傳動，因此也稱之為“亨得利蝸桿傳動”,如圖3所示。1909年美國人S Cone(柯恩)將其開發(fā)成功，命名為“Cone Drive”，1925年成立Cone公司進(jìn)行生產(chǎn)，1954年成立Ex-Cell-O子公司，進(jìn)行專業(yè)化規(guī)模化生產(chǎn)。至20世紀(jì)90年代，Cone Drive已經(jīng)達(dá)到25000套每年，中心距為5～48吋。Cone Drive的蝸桿不能磨削，因此其齒面硬度為30~40HRC，齒面采用拋光；蝸輪采用飛刀加工，其工藝技術(shù)十分復(fù)雜并對外保密[1]。

三十年代開始，蘇聯(lián)許多科技工作者對直廓環(huán)面蝸桿傳動的工藝原理和工藝裝備開展了大量研究，提出了蝸桿的倒坡修形、拋物線修形和對稱修形等理論和工藝，較好地掌握了其制造技術(shù)，并推廣應(yīng)用于各種機(jī)械裝備中。五十年代以后，該傳動隨各種蘇制設(shè)備進(jìn)口而在我國廣泛應(yīng)用，鄭州機(jī)械科學(xué)研究所等單位對其展開了設(shè)計、加工及修行等方面的研究[1]。

(2)   威氏蝸桿傳動

1922年美國格里森公司總工程師E Wildhaber[4] (威爾德哈卜)提出一種由一正平面蝸輪與以其為工具齒輪并按嚙合關(guān)系包絡(luò)展成的一環(huán)面蝸桿構(gòu)成的環(huán)面蝸桿傳動，稱為“威氏蝸桿傳動”(Wildhaber Worm Drive)，如圖 4所示。這種傳動的蝸桿齒面是以正平面為母面，按蝸輪與蝸桿的嚙合關(guān)系作展成運(yùn)動形成的包絡(luò)面，因此用簡單的方法即可實(shí)現(xiàn)齒面磨削，這一優(yōu)點(diǎn)使得該蝸桿可以采用淬火鋼制造，以承受重的靜載荷和低速載荷。此外，該傳動的蝸桿與蝸輪同時嚙合的齒數(shù)多；蝸輪齒面為平面，齒廓為直線，易于精確加工，容易獲得高精度，其齒距誤差可達(dá)0.25’’以內(nèi)；由于其蝸輪齒兩側(cè)面的接觸區(qū)成反對稱分布，故當(dāng)將其沿齒寬中央平面剖分制造時，通過相對轉(zhuǎn)動兩半個蝸輪，便可以達(dá)到調(diào)整或補(bǔ)償齒側(cè)間隙的目的，因此適用于作精密分度蝸輪傳動。

我國六十年代便對威氏蝸桿傳動開展研究，并先后應(yīng)用于河南豫西機(jī)床廠作滾齒機(jī)分度蝸輪、首鋼煉鋼轉(zhuǎn)爐傾翻機(jī)構(gòu)和南京天文臺望遠(yuǎn)鏡等。但該傳動由于受到蝸桿齒根根切的限制，一般只能用于傳動比較大的場合。 

(3)   尼曼蝸桿傳動

1935年，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)G Niemann(尼曼)教授提出圓弧齒圓柱蝸桿傳動[5]，又稱“尼曼蝸桿傳動”(Niemann Worm Drive)或“ZC蝸桿傳動”，并于1940年獲得專利，如圖 5所示。該蝸桿傳動齒面間呈凸凹接觸、接觸線法向誘導(dǎo)法曲率小，因而具有承載能力高、潤滑效果好等優(yōu)點(diǎn)。1953年這種蝸桿作為商品出售[6]，廠商標(biāo)記為“CAVEX”，故又稱“CAVEX蝸桿傳動”，德國著名的富蘭德公司(Flender)將該產(chǎn)品系列化，并經(jīng)多次改進(jìn)，進(jìn)行大批量生產(chǎn)，產(chǎn)品銷往世界各地。

五十年代以來，前蘇聯(lián)齒輪學(xué)專家F Litvin[7]和他的學(xué)生對圓弧齒圓柱蝸桿傳動進(jìn)行了深入的研究，發(fā)表了一系列論文，并在ZC蝸桿傳動的基礎(chǔ)上，改進(jìn)制造了ZCl型蝸桿傳動。

國內(nèi)對圓弧齒圓柱蝸桿傳動的研究始于六十年代，并創(chuàng)造了可車削的軸面圓弧的ZC3型蝸桿傳動[8, 9]。1969年完成了部頒標(biāo)準(zhǔn)《圓弧齒圓柱蝸桿減速器》草案，開始批量生產(chǎn)，1979年將草案正式修訂為部頒標(biāo)準(zhǔn)。1986年在該部頒標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步修訂為國家標(biāo)準(zhǔn)《圓弧圓柱蝸桿減速器》[10]，齒形改為可磨削的ZCl型[11]。

(4)   斜平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動

1951年，日本Y. Sato(佐藤申一)在威氏蝸桿傳動的基礎(chǔ)上發(fā)明了斜齒平面蝸輪傳動，蝸輪齒面相對軸線傾斜一角度。這種傳動克服了威氏蝸桿傳動只能適于大傳動比的弱點(diǎn)，將傳動比范圍擴(kuò)展到中、小傳動比。并由植田(Rikei)齒輪株式會社成功地用于減速器生產(chǎn)，產(chǎn)品商標(biāo)為“PLANA WORM”，這種傳動雖然制造簡單，蝸桿蝸輪均可磨削，但其接觸線與相對速度的夾角及誘導(dǎo)法曲率等表征潤滑性能及接觸強(qiáng)度指標(biāo)不如圓弧齒圓柱蝸桿傳動，故其承載能力也稍差。1969年日本石川昌一獲得了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的專利，專利介紹了與威氏蝸桿傳動相比，平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的蝸輪可以用展成法加工，生產(chǎn)效率得到了提高，承載能力、傳動效率也有了明顯的提高等優(yōu)點(diǎn)[12]。

六十年代開始，國內(nèi)首鋼機(jī)械廠、第二重型機(jī)械廠及上海精密機(jī)床研究所等單位對斜齒平面蝸輪傳動在軋機(jī)壓下蝸輪及滾齒機(jī)分度蝸輪方面的應(yīng)用展開了制造工藝及工裝設(shè)備方面的科技攻關(guān)。

1999年重慶大學(xué)張光輝[13]通過對斜平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動進(jìn)行深入嚙合分析而巧妙設(shè)計提出一種新型精密動力蝸桿傳動形式——側(cè)隙可調(diào)式變齒厚平面蝸輪包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，如圖 6所示。該傳動的蝸輪輪齒的兩側(cè)齒平面傾角不等，輪齒沿軸向呈楔形，并使左右兩側(cè)齒面的接觸線都落在輪齒偏薄的半邊，因而通過軸向移位，可以實(shí)現(xiàn)全部齒側(cè)間隙的合理調(diào)整，除了具有斜齒平面蝸輪多齒嚙合、承載能力和效率高的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有可制造精度高、齒側(cè)間隙或空回量小、磨損可補(bǔ)償?shù)榷鄡?yōu)點(diǎn)，克服了威氏蝸桿傳動存在的弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了威氏發(fā)明平面蝸輪的初衷，是迄今所見優(yōu)點(diǎn)最全面的高性能精密載重蝸桿傳動。

(5)   端面嚙合蝸輪蝸桿傳動

1954年，美國學(xué)者O Sarri發(fā)明了端面蝸輪傳動，它是由一蝸桿與端面蝸輪所組成[14]。其中蝸桿可以為錐蝸軒也可以為圓柱蝸桿，前者與端面蝸輪嚙合也稱為錐蝸桿傳動，如圖 7所示，后者與端面蝸輪嚙合被稱為蝸螺傳動[15]，如圖 7所示。美國伊利諾斯州工具零件有限公司(ITW)在制造加工端面蝸輪傳動副和將其應(yīng)用于不同的工程領(lǐng)域的先導(dǎo)者，他們也獲得了“SPIROID”和“HELICON”專利，并使之成為了他們公司的商標(biāo)。不同于傳統(tǒng)蝸桿傳動副，端面蝸輪傳動的蝸輪輪齒分行在端面上，具有同時參與嚙合齒數(shù)多、承載能力強(qiáng)、潤滑條件好、蝸輪材質(zhì)能以鋼代銅、側(cè)隙可調(diào)及嚙合平穩(wěn)無噪音等優(yōu)點(diǎn)[16]。

美國F  Litvin[17,18]、俄羅斯V  Goldfarb[14]、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)董學(xué)朱、西南科技大學(xué)熊矢以及太原重型機(jī)械學(xué)院等大量的學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)對錐蝸桿傳動的設(shè)計制造等進(jìn)行了全面的研究。

(6)   超環(huán)面行星蝸桿傳動

1966年，美國Coulter系統(tǒng)公司M Kuehnle于提出超環(huán)面行星蝸桿傳動[19]，如圖 9所示。超環(huán)面行星蝸桿傳動機(jī)構(gòu)是由中心蝸桿組合件和凹形槽定子組成，中心蝸桿組合件包括環(huán)面中心蝸桿、行星輪組和行星架三部分，行星輪的輪齒可以是滾珠、滾柱和滾錐。七十年代，德國亞森工業(yè)大學(xué)的H Peeken等人對這一傳動形式進(jìn)行過較為全面的研究，討論了其承載能力、嚙合強(qiáng)度和加工工藝等問題，并與Coulter公司合作，成功研制出試驗樣機(jī)[20]。1984年Richard L[21]提出采用剖分式外齒圈和以雙錐蝸桿組合件為行星輪的超環(huán)面行星蝸桿傳動。

我國從八十年代開始，陸續(xù)出現(xiàn)有關(guān)超環(huán)面行星蝸桿傳動的報道，我國的研究人員主要是從嚙合理論、傳動結(jié)構(gòu)及加工工藝等方面進(jìn)行探索與研究；1984年，武漢水運(yùn)工程學(xué)院陳定方等設(shè)計出國內(nèi)首臺超環(huán)面?zhèn)鲃訕訖C(jī)；1986年，大連工學(xué)院王景連等展開了該種新型傳動的嚙合理論研究；1993年，臺灣Tai-HerYang[22]提出以蝸輪和錐蝸桿的組合件為行星輪的超環(huán)面行星蝸桿傳動；1996年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姚立剛[23]博士在深入嚙合理論研究的同時，研制出國內(nèi)首臺球形齒超環(huán)面行星蝸桿傳動試驗樣機(jī)；燕山大學(xué)的許立忠[24]等人從1996年開始對該種傳動進(jìn)行深入研究，在超環(huán)面行星蝸桿傳動的傳動效率、接觸疲勞強(qiáng)度、彈流潤滑理論和摩擦磨損理論方面都卓有成效，證明了超環(huán)面行星蝸桿傳動具有較高的傳動效率，一般可達(dá)97%以上。

(7)   TI蝸桿傳動

1968年，德國德累斯登工業(yè)大學(xué)提出一種無修正且可以精確磨削的新型球面蝸桿傳動[25]，即漸開面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(TI蝸桿傳動)，并通過樣機(jī)試驗證明了TI蝸桿上有適當(dāng)?shù)妮d荷分布、多齒瞬時接觸、具有高可靠性；1995年日本學(xué)者牧充[26,27]等通過齒面接觸分析及試驗研究驗證了TI蝸桿傳動的有效性。

在國內(nèi)，1977年太原工學(xué)院朱景梓[28]等與太原鋼鐵公司合作，研制出TI蝸桿傳動樣機(jī)并進(jìn)行傳動性能試驗，證明TI蝸桿傳動副的效率比阿基米德圓柱蝸桿傳動要高、齒面磨合良好且能夠傳遞較高的載荷；1981年太原工學(xué)院段德榮[29]推導(dǎo)了二次包絡(luò)TI蝸桿傳動的嚙合理論，并系統(tǒng)分析了齒面接觸情況及界限曲線規(guī)律等；1982年南通市機(jī)械研究所張?？礫30, 31]探討了TI蝸桿傳動中螺旋角的合理選擇和接觸線的分布等情況；天津大學(xué)王樹人[32]、詹東安[33, 34]等推導(dǎo)了TI蝸桿傳動的包絡(luò)理論，建立了考慮加工誤差和裝配誤差的嚙合理論體系，得出一次包絡(luò)TI蝸桿傳動對誤差的敏感性小，提出了精修磨的TI蝸桿磨削方法；天津大學(xué)孫月海[35-37]等分析得出TI蝸桿齒面磨削所需的精確砂輪廓形，磨削試制硬齒面TI蝸桿傳動副，如圖 10所示，并進(jìn)行傳動性能試驗研究并得出TI蝸桿傳動副在較低的載荷下具有較好的傳動性能，隨著載荷的增加齒面的摩擦磨損加劇。

(8)   二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動

1972年，日本學(xué)者酒井高男[38, 39]等發(fā)表了“空間交錯軸齒輪傳動中二次作用的研究”的論文，指出在交錯軸齒輪傳動中，齒面上的某些點(diǎn)可與其相嚙合的齒面接觸兩次，提出可展齒面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的基本思想，對二次包絡(luò)蝸桿傳動中的一系列理論及實(shí)踐問題進(jìn)行了論述；1980年酒井高男[40]等提出了以錐面為媒介齒面的環(huán)面蝸桿傳動；日本住友重工株式會社一直致力于雙錐面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的研究和推廣，其HEDCON系列減速器即采用雙錐面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副[41]。

在國內(nèi)，1974年重慶大學(xué)張光輝[42, 43]因參編《機(jī)械工程手冊》中包絡(luò)蝸桿傳動部分到首鋼機(jī)械廠現(xiàn)場調(diào)研收集平面蝸輪傳動資料，發(fā)現(xiàn)并肯定首鋼機(jī)械廠平面反包絡(luò)蝸輪副具有平面二次包絡(luò)的萌芽，并報告建議冶金部立項研究獲批準(zhǔn)，因而于1975年與首鋼合作開展研究，于1976年研究成功平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，該傳動的蝸桿可淬火并用平面砂輪磨削，蝸輪可以采用滾刀加工，蝸輪副的齒面精度得以提高，傳動副多齒嚙合且瞬時成雙線接觸、接觸線法向誘導(dǎo)法曲率小且潤滑角大，因此該傳動的齒面接觸應(yīng)力小、易形成潤滑油膜、抗膠合抗磨損能力強(qiáng)、承載能力大傳動效率高，性能全面超過直廓環(huán)面蝸桿，經(jīng)美國Cone Drive公司測試平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動副的承載能力為其相應(yīng)產(chǎn)品的2.2倍，認(rèn)為“是蝸桿傳動的重大突破，具有世界先進(jìn)水平”，為表彰工人階級的創(chuàng)造性，原冶金部將其命名為“首鋼-71型蝸輪副[44]”，如圖 11所示。

基于直廓環(huán)面蝸桿齒面不能精確磨削和平面二次包絡(luò)蝸桿傳動的蝸輪滾刀無法鏟齒等缺陷，張光輝[45]于1981年提出指錐二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，該傳動的蝸桿齒形與直廓環(huán)面蝸桿相近，但加工工藝優(yōu)于直廓環(huán)面蝸桿且可鏟磨蝸輪滾刀；為了解決平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動在多頭小速比范圍內(nèi)應(yīng)用時齒面根切及邊齒變尖嚴(yán)重等矛盾，1986年張光輝[46]提出以球面為包絡(luò)媒介面的球面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動；1999年張光輝[3]基于平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面只能單面磨削、加工精度和效率低等問題，提出用大直徑雙面錐形砂輪磨削包絡(luò)環(huán)面蝸桿，即利用錐面在錐底半徑較大和錐角較大時，錐面在微小區(qū)域上近似于平面這一特征，在蝸桿磨削加工時用一直徑較大的雙面對稱錐形砂輪近似代替平面砂輪磨削包絡(luò)環(huán)面蝸桿，這樣就能在一次安裝調(diào)整磨頭和蝸桿完成蝸桿兩側(cè)齒面的磨削加工，而不同基圓半徑的蝸桿加工則僅需要調(diào)整砂輪修整器的修整角度，從而大大地簡化了在蝸桿加工中機(jī)床工裝的調(diào)整，提高了蝸桿的制造效率和提高加工精度，此種蝸桿傳動稱之為準(zhǔn)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動。

1988年焦作礦業(yè)學(xué)院胡來容[47]等提出圓環(huán)面型二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動；2009年武漢科技大學(xué)趙亞平[48,49]提出雙圓環(huán)面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，并詳細(xì)分析了該傳動的嚙合特性、接觸線分析及修正加工等。

(9)   活動齒蝸輪蝸桿傳動

1984年德國V  Siegmund[50, 51]等提出一種滾柱包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，首次將蝸桿傳動中齒面將的滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦，克服了傳統(tǒng)蝸桿傳動中齒面滑動帶來的效率低、發(fā)熱大及易膠合等缺點(diǎn)，但由于滾柱與支撐軸頸為滑動不差所以任存在較大的滑動摩擦損耗；1986年日本提出了滾珠環(huán)面蝸桿傳動，在蝸輪與環(huán)面蝸桿之間加入了鋼球作為蝸輪齒，并在鋼球和蝸輪母體球窩內(nèi)布滿小鋼珠以減小鋼球與蝸輪母體之間的滑動摩擦[52]；1985年日本加藤正名[53, 54]等提出針輪蝸桿傳動，并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝、傳動效率及潤滑條件等問題進(jìn)行了全面的研究；日本三共(SANKYO)株式會社成功地將滾柱包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動作為減速器生產(chǎn)，并開發(fā)出RA及RY等系列。

在國內(nèi)，80年代初東北重型機(jī)械學(xué)院路懿[55]等就開始從事體內(nèi)循環(huán)滾珠弧面蝸桿傳動的研究，對其嚙合理論、回珠曲線及加工原理等做了大量有益的研究；作為國家“七五”科技攻關(guān)項目，重慶大學(xué)張光輝[56]等人在80年代末提出滾錐包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，并進(jìn)行了嚙合理論、參數(shù)優(yōu)化、樣機(jī)制造及性能試驗等方面的系統(tǒng)研究，這種蝸桿傳動是以滾錐作為母面包絡(luò)展成滾錐包絡(luò)環(huán)面蝸桿廓面，再以滾錐作為蝸輪齒與蝸桿廓面相嚙合，具有傳動效率高、承載能力大、使用壽命長及制造簡單等優(yōu)點(diǎn)；1997年長沙鐵道學(xué)院劉鵠然[57]提出鋼球包絡(luò)蝸桿傳動，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、傳動效率高及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)；2007年重慶機(jī)床廠金良治[58]等提出利用常規(guī)制造及裝配工藝就能制造出的低成本高精度鋼柱蝸輪-環(huán)面蝸桿傳動副，其精度完全取決于計量水準(zhǔn)而不受制于高精度的專用設(shè)備，目前可達(dá)3級精度，并已運(yùn)用于高精度蝸輪母機(jī)的精密分度；2008年西華大學(xué)王進(jìn)戈[59]等提出無側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，如圖 12所示，該傳動中的蝸桿是以蝸輪齒面為原始母面包絡(luò)展成的環(huán)面蝸桿，蝸輪輪齒則是兩個能夠繞其自身軸線轉(zhuǎn)動的滾子，該傳動不僅具有滾子包絡(luò)環(huán)面?zhèn)鲃有矢摺Ш淆X數(shù)多、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還具有側(cè)隙可調(diào)及零側(cè)隙的特點(diǎn)。

(10)  內(nèi)嚙合蝸輪蝸桿傳動

1925年，美國學(xué)者Adams T[60]發(fā)明一種用于手拉葫蘆的內(nèi)嚙合蝸輪傳動，其蝸輪為一具有內(nèi)齒的內(nèi)蝸輪，蝸桿為兩段反向的錐螺紋組成；1967年，Bond J[61]發(fā)明一種以滾珠為嚙合介質(zhì)的內(nèi)嚙合蝸輪傳動機(jī)構(gòu)；1996年，日本Hoyashita S[62]對桶狀蝸桿與內(nèi)蝸輪嚙合的切削刃齒廓進(jìn)行了計算；2001年，匈牙利尼賴吉哈佐學(xué)院的Gábor László P[63]等對車削成形的橢球蝸桿傳動進(jìn)行了嚙合理論、成形原理及齒面建模等方面的系列研究；2009年，重慶大學(xué)張光輝、陳永洪[64]提出內(nèi)齒輪包絡(luò)鼓形蝸桿傳動，如圖 13所示，并以平面齒內(nèi)齒輪包絡(luò)鼓形蝸桿為重點(diǎn)，首次研究了其嚙合幾何學(xué)、嚙合性能及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，探究了鼓形蝸桿及內(nèi)齒輪的齒面加工工藝及檢測方法，試制了首臺平面齒內(nèi)齒輪一次包絡(luò)鼓形蝸桿傳動樣機(jī)并進(jìn)行傳動性能試驗，結(jié)果表明該傳動是一種體積小重量輕的重載傳動形式。

1960年，美國Popper  B[65]等提出一種由一外螺紋蝸桿與一內(nèi)螺紋蝸桿組成的雙蝸桿傳動形式；1968年Van  Voorhis  D  M[66]提出一種具有內(nèi)嚙合蝸桿傳動的行星減速裝置，該傳動副由外齒圈和內(nèi)螺紋蝸桿組成，其內(nèi)螺紋蝸桿嵌套在外齒圈之上；1990年，美國學(xué)者M(jìn)acPhee  J[67]發(fā)明一種用于印刷機(jī)上墨裝置中擺動輥筒的內(nèi)嚙合蝸桿傳動，該傳動由一外齒輪與一內(nèi)螺紋蝸桿相嚙合，其整個外齒輪位于蝸桿內(nèi)部。

(11)  精密蝸桿傳動

精密蝸桿傳動副作為精密分度或精密運(yùn)動機(jī)構(gòu)而得到廣泛地應(yīng)用。要求傳動副具備齒側(cè)間隙可調(diào)、并能夠?qū)崿F(xiàn)齒面磨損后的補(bǔ)償?shù)裙δ?。精密蝸桿傳動按其齒側(cè)間隙調(diào)整方法可分為如下幾種[68]：

1)    改變中心距調(diào)整法

在實(shí)際應(yīng)用中，常通過改變普通圓柱蝸桿傳動的中心，來實(shí)現(xiàn)調(diào)整傳動副齒側(cè)間隙的目的。該方法調(diào)整簡便，但破壞了正確的嚙合關(guān)系，造成齒面接觸不良，磨損較快。

2)    蝸桿軸向調(diào)整法

1959年，F(xiàn)  Franke[69]提出雙導(dǎo)程圓柱蝸桿傳動，其蝸桿的左、右齒面具有不等的導(dǎo)程，因而其蝸桿軸向齒厚沿軸向遞增或遞減，而其蝸輪的所有齒的齒厚均相等，因此當(dāng)蝸桿沿其軸向移動時，即可達(dá)到調(diào)整齒側(cè)間隙及補(bǔ)償磨損量的目的，如圖 14所示。但該傳動存在以下的不足：加工蝸輪的復(fù)合模數(shù)滾刀鏟磨困難，蝸輪不可磨削，精密制造成本高；蝸輪蝸桿嚙合傳動時相鄰齒對的齒側(cè)間隙不相等，不能保證每對齒的齒側(cè)間隙都符合精度要求；蝸輪與蝸桿同時嚙合的齒對數(shù)極小、承載能力低、易磨損、精度壽命短，難以勝任高速精密運(yùn)動或重載精密運(yùn)動的要求。

3)    蝸桿周向調(diào)整法

德國OTT公司和美國Cone  Drive公司先后推出了分段式精密蝸桿傳動，如圖15和圖16所示。蝸桿由半截蝸桿軸和半截空心蝸桿組成的，蝸輪齒面進(jìn)行合理的修形，使其能夠適應(yīng)蝸桿的剖分式設(shè)計。

齒側(cè)間隙調(diào)整是在蝸桿軸固定、空心蝸桿受一定軸向預(yù)緊力的情況下進(jìn)行的，通過旋轉(zhuǎn)空心蝸桿，使得兩截蝸桿的工作面與蝸輪齒發(fā)生接觸，設(shè)置好齒側(cè)間隙，用漲緊套將兩截蝸桿固聯(lián)。齒側(cè)間隙的調(diào)整較方便，在磨損后重新調(diào)整齒側(cè)間隙也能獲得滿意的接觸狀態(tài)。 

4)    蝸輪軸向調(diào)整法

前述的側(cè)隙可調(diào)式變齒厚平面蝸輪包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動[13]，其蝸輪輪齒的兩側(cè)齒平面傾角不等，輪齒沿軸向呈楔形，并使左右兩側(cè)齒面的接觸線都落在輪齒偏薄的半邊，通過沿蝸輪軸向移動，可以實(shí)現(xiàn)全部齒側(cè)間隙的合理調(diào)整。

為了克服變齒厚平面蝸輪包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動無法進(jìn)行精確調(diào)整側(cè)隙和精確補(bǔ)償磨損量的缺點(diǎn)，陳永洪[70-71]提出變齒厚漸開線齒輪包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，如圖17所示。樣機(jī)傳動精度累計誤差為54.95〞及短周期誤差為23.32〞；傳動副側(cè)隙調(diào)整至最小28.88〞；磨損量可有效補(bǔ)償，補(bǔ)償后傳動精度不變。

5)    蝸輪周向調(diào)整法

前述的威氏蝸桿傳動[4]，由于其蝸輪齒兩側(cè)面的接觸區(qū)成反對稱分布，故當(dāng)將其沿齒寬中央平面剖分制造時，通過相對于蝸輪周向轉(zhuǎn)動兩半個蝸輪，便可以達(dá)到調(diào)整或補(bǔ)償齒側(cè)間隙的目的，因此適用于精密蝸桿傳動。

前述的無側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動[59]，其蝸輪由兩半個蝸輪組成，滾子均勻分布在每半個蝸輪圓周上，通過繞蝸輪周向調(diào)整兩半個蝸輪輪體的安裝位置，可使?jié)L子始終與環(huán)面蝸桿兩側(cè)齒面接觸，從而實(shí)現(xiàn)其側(cè)隙可調(diào)。

2  蝸桿傳動的系統(tǒng)分類

科學(xué)的分類源于人們對客觀事物的內(nèi)在矛盾及其運(yùn)動規(guī)律的系統(tǒng)認(rèn)識，不僅能深刻地揭示事物的本質(zhì)，而且能井然有序地指明事物之間的復(fù)雜聯(lián)系，預(yù)示事物的未來，并給人們指出研究該事物的正確方向和方法，在自然科學(xué)界，門捷列夫元素周期表是這方面的一個典范?？梢妼ΨN類繁多的蝸桿傳動進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)地分類具有重要地指導(dǎo)意義。

1965年張光輝[72]教授在太原工學(xué)院第五次科學(xué)報告會上提出：從蝸桿傳動及齒輪包絡(luò)蝸桿的本質(zhì)入手，基于蝸桿傳動之間內(nèi)在矛盾和差異，將蝸桿科學(xué)地分為五類、四型、八式，共160中傳動，并首次提出了諸如“首創(chuàng)體”、“創(chuàng)成體”及“變異度”等重要概念。在一對共軛曲面中，范成另一曲面的曲面為“首創(chuàng)面”，該曲面所組成的構(gòu)件為“首創(chuàng)體”；由首創(chuàng)面所范成的曲面為“創(chuàng)成面”，該曲面所組成的構(gòu)件為“創(chuàng)成體”。在蝸桿傳動中，蝸輪和蝸桿均可作為首創(chuàng)體，即為齒輪包絡(luò)蝸桿傳動和蝸桿包絡(luò)蝸輪傳動，且兩者之間可隨首創(chuàng)體的直徑、頭數(shù)(齒數(shù))及螺旋升角等參數(shù)變化而轉(zhuǎn)換，是一由量變到質(zhì)變的過程。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，從首創(chuàng)體外形、輪齒位置及首創(chuàng)面齒廓三個方面出發(fā)，對蝸桿傳動進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)地分類如下：

首先：在蝸桿包絡(luò)蝸輪中，作為首創(chuàng)體的蝸桿的幾何形狀可以為圓柱體、圓錐體、凸圓弧回轉(zhuǎn)體及凹圓弧回轉(zhuǎn)體四種型式；在齒輪包絡(luò)蝸桿中，作為首創(chuàng)體的齒輪同樣具有圓柱體、圓錐體、凸圓弧回轉(zhuǎn)體及凹圓弧回轉(zhuǎn)體四種型式的幾何形狀，但其相互之間差別不大，可以視為對首創(chuàng)體的修形，故將其歸為一類。因此從包絡(luò)中首創(chuàng)體形狀的觀點(diǎn)出發(fā)可以將蝸桿傳動分為以下五大類型：(I)圓柱蝸桿包絡(luò)蝸輪傳動；(II)錐蝸桿包絡(luò)蝸輪傳動；(III)凸環(huán)面蝸桿包絡(luò)蝸輪傳動；(IV)凹環(huán)面蝸桿包絡(luò)蝸輪傳動；(V)齒輪包絡(luò)蝸桿傳動。

其次：首創(chuàng)體的輪齒可以位于其外圓周、端面或內(nèi)圓周上。同時，在包絡(luò)過程中，整個空間區(qū)域?qū)⒂墒讋?chuàng)體包絡(luò)產(chǎn)生一個接觸線場，取接觸線場的不同區(qū)域可得不同的創(chuàng)成體，同樣可以使輪齒位于創(chuàng)成體的外圓周、端面或內(nèi)圓周上。因此從輪齒位置的觀點(diǎn)出發(fā)，可以將蝸桿傳動分為以下五大系列：(A)外嚙合(正常嚙合)系列；(B)端面蝸輪嚙合系列；(C)端面蝸桿嚙合系列；(D)內(nèi)蝸輪嚙合系列；(E)內(nèi)蝸桿嚙合系列。

最后：首創(chuàng)體的齒廓形狀將直接影響創(chuàng)成體的齒廓形狀及蝸桿傳動的嚙合性能。首創(chuàng)體齒廓可以是某一曲線按一定運(yùn)動關(guān)系形成的軌跡面，也可以是某一曲面按一定運(yùn)動關(guān)系展成的包絡(luò)面，還可以是某種滾動體形成的活動齒面。因此從首創(chuàng)體齒廓的觀點(diǎn)出發(fā)可以將蝸桿傳動分為以下十四種形式：(i)軌跡面(i1.直線軌跡面；i2.圓弧線軌跡面；i3.漸開線軌跡面；i4.其他曲線軌跡面)；(ii)包絡(luò)面(ii1.平面包絡(luò)面；ii2.錐面包絡(luò)面；ii3.圓環(huán)面包絡(luò)面；ii4.漸開面包絡(luò)面；ii5.其他曲面包絡(luò)面)；(iii)活動齒面(iii1.滾球活動齒面；iii2.滾柱活動齒面；iii3.滾錐活動齒面；iii4.滾針活動齒面；iii5.其他活動齒面)。

由于以上三種分類觀點(diǎn)之間相互獨(dú)立，因此將其各自相互組合，得蝸桿傳動的系統(tǒng)分類表如圖18所示。其中每一種蝸桿傳動可以通過“類型號-系列號-形式號”進(jìn)行表示，如漸開線圓柱蝸桿傳動可以表示為“I-A-i3”，尼曼蝸桿傳動可表示為“I-A-ii3”，平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動可以表示為“IV-A-ii1”，一次包絡(luò)TI蝸桿傳動可以表示為“V-A-i3”。

圖18   蝸桿傳動分類表

該分類表以元素周期表為原型、從蝸桿傳動之間的內(nèi)在矛盾進(jìn)行劃分，其不僅囊括了現(xiàn)有的所有蝸桿傳動形式，同時還包含了許多未知的蝸桿傳動形式，各類型、各系列及各形式的蝸桿傳動之間在幾何結(jié)構(gòu)和傳動性能上都存在一定的普遍性和規(guī)律性，這對我們改造現(xiàn)有蝸桿傳動和研發(fā)新型蝸桿傳動具有指導(dǎo)性作用。

3  蝸桿傳動的發(fā)展趨勢

從蝸桿傳動的發(fā)展歷程可以看出，蝸桿傳動的歷史雖然很悠久，但得到迅速的發(fā)展還是從上世紀(jì)五、六十年代開始的，尤其是近三十年來，無論是研究的形式及內(nèi)容，都涉及了很寬的領(lǐng)域。隨著空間嚙合理論的不斷突破、制造加工技術(shù)的迅速發(fā)展、計算工具的完備及新材料的產(chǎn)生，出現(xiàn)了各種新型的蝸桿傳動與變態(tài)蝸桿傳動。與此同時，還利用了許多提高各種蝸桿傳動承載能力、傳動效率及傳動精度的相關(guān)措施并都取得了顯著的效果，使蝸桿傳動的研究及應(yīng)用達(dá)到了相當(dāng)高的技術(shù)水平。

總結(jié)起來，蝸桿傳動的發(fā)展方向和趨勢主要有以下幾方面：

(1)   由軌跡面蝸桿向包絡(luò)面蝸桿方向發(fā)展

包絡(luò)面蝸桿的齒面能精確磨削，其齒面加工精度高、粗糙度低且硬度高，從而減摩性能及動壓油膜的形成能力遠(yuǎn)優(yōu)于軌跡面蝸桿。目前，軌跡面的阿基米德圓柱蝸桿傳動、直廓環(huán)面蝸桿傳動現(xiàn)已逐漸被包絡(luò)面的漸開線圓柱蝸桿傳動、錐面包絡(luò)圓柱蝸桿傳動及包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動等所取代。其中二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，因其多齒嚙合、雙線接觸、承載能力高、潤滑效果好及壽命長等優(yōu)點(diǎn)，仍將會是今后的研究重點(diǎn)。

(2)   向精密重載方向發(fā)展

長期以來，國內(nèi)外通常把蝸桿傳動分為“運(yùn)動傳動”和“動力傳動”兩大類。前者主要用于機(jī)床及儀器儀表等作精密分度或精密運(yùn)動機(jī)構(gòu)，主要考慮如何提高蝸桿傳動的“精度”；后者主要用于冶金礦山及石油化工等機(jī)械設(shè)備作減速器，主要考慮如何使蝸桿傳動達(dá)到“重載”。隨著生產(chǎn)力和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床分度裝置、武器俯仰裝置、炮艦傾擺裝置等對蝸桿傳動提出了“精密”和“重載”的雙重要求。側(cè)隙可調(diào)式變齒厚平面蝸輪包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動[13]開啟了精密重載蝸桿傳動的先河，而精密重載將會是今后蝸桿傳動領(lǐng)域研究的主流方向。

(3)   由正常嚙合向變態(tài)嚙合方向發(fā)展

隨著空間嚙合理論研究的進(jìn)展，逐步掌握了蝸桿傳動的內(nèi)在特點(diǎn)，利用速度場和瞬時接觸線場合理的選擇，出現(xiàn)了一批能滿足特殊要求變態(tài)蝸桿傳動。比如：為了獲得小中心距、多齒嚙合、高承載能力及側(cè)隙可調(diào)等特性，提出了端面嚙合的錐蝸桿傳動和蝸螺傳動；為了滿足體積小、重量輕的要求，提出了內(nèi)嚙合蝸桿傳動和研發(fā)了內(nèi)嚙合蝸輪傳動；為了減低齒面間的摩擦、改善齒面間的潤滑性能、將共軛齒面間的滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，提出了以滾珠、滾珠等為介質(zhì)的活動齒蝸桿傳動。隨著工業(yè)的發(fā)展及各種特殊工況要求的提出，變態(tài)蝸桿傳動此后將會更為多樣化。

(4)   由傳統(tǒng)的鋼-銅材料向新型材料方向發(fā)展

為了降低成本、提高承載能力，并隨著界面摩擦學(xué)及材料科學(xué)等的發(fā)展，合金鋼、巴氏合金、塑料及鋁鋅基合金等材料已逐步成為傳統(tǒng)銅蝸輪材料的替代品。

4   結(jié)論

(1)   闡述了現(xiàn)有的30余種蝸桿傳動在國內(nèi)外的發(fā)展歷程及其優(yōu)缺點(diǎn)；

(2)   從蝸桿傳動中的首創(chuàng)體外形、輪齒位置及首創(chuàng)面齒廓三個方面出發(fā)，將蝸桿傳動系統(tǒng)地分類為350種形式；

(3)   指出二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動及精密重載蝸桿傳動將是今后的發(fā)展重點(diǎn)，變態(tài)蝸桿傳動及新材料蝸輪將是今后的研究熱點(diǎn)。

作者：

重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗室    陳永洪