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(dòng)的發(fā)展歷程，并闡述了各種蝸桿傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)。從蝸桿傳動(dòng)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(gè)方面出發(fā)對(duì)蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行分類，以元素周期表為原型得出蝸桿傳動(dòng)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(dòng)性能上存在一定的普遍性和規(guī)律性?；趪?guó)內(nèi)外蝸桿傳動(dòng)的發(fā)展和現(xiàn)狀分析，就目前我國(guó)工業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)及對(duì)蝸桿傳動(dòng)的需求，預(yù)測(cè)了今后蝸桿傳動(dòng)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。研究?jī)?nèi)容能有目的、有方向地指導(dǎo)我們改造現(xiàn)有蝸桿傳動(dòng)和研發(fā)新型蝸桿傳動(dòng)。

關(guān)鍵詞：蝸桿傳動(dòng)；發(fā)展歷程；分類表 ；發(fā)展趨勢(shì)

0  前言*

蝸桿傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)的一種主要形式，具有傳動(dòng)比范圍寬(通常一級(jí)傳動(dòng)比即可達(dá)5~100，傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)最大可達(dá)1500)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。此外，在運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)中，它具有對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)上游誤差的縮斂作用，因而除被廣泛應(yīng)用于作動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)屬交錯(cuò)軸傳動(dòng)，蝸輪與蝸桿工作齒面間存在較大的相對(duì)滑動(dòng)速度，故蝸桿傳動(dòng)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(rùn)滑性能、提高其承載能力、傳動(dòng)效率和精度壽命等問(wèn)題，一直為國(guó)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(dòng)。其中以普通圓柱蝸桿傳動(dòng)(英、美、中等國(guó))、尼曼蝸桿傳動(dòng)(德、美、日、中、俄等國(guó))、亨得利蝸桿傳動(dòng)(美、俄等國(guó))、平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿(中國(guó))等應(yīng)用最為廣泛[1]。

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

1  蝸桿傳動(dòng)的發(fā)展歷程

蝸桿傳動(dòng)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(dòng)推動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)的方法，發(fā)明了阿基米德蝸桿傳動(dòng)卷?yè)P(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(dòng)”的概念[2-3]，如圖 2所示。

(1)   亨得利蝸桿傳動(dòng)

1765年，英國(guó)人Hindley(亨得利)首次提出直廓環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，因此也稱之為“亨得利蝸桿傳動(dòng)”,如圖3所示。1909年美國(guó)人S Cone(柯恩)將其開(kāi)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(duì)外保密[1]。

三十年代開(kāi)始，蘇聯(lián)許多科技工作者對(duì)直廓環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的工藝原理和工藝裝備開(kāi)展了大量研究，提出了蝸桿的倒坡修形、拋物線修形和對(duì)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(dòng)隨各種蘇制設(shè)備進(jìn)口而在我國(guó)廣泛應(yīng)用，鄭州機(jī)械科學(xué)研究所等單位對(duì)其展開(kāi)了設(shè)計(jì)、加工及修行等方面的研究[1]。

(2)   威氏蝸桿傳動(dòng)

1922年美國(guó)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(dòng)，稱為“威氏蝸桿傳動(dòng)”(Wildhaber Worm Drive)，如圖 4所示。這種傳動(dòng)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(dòng)形成的包絡(luò)面，因此用簡(jiǎn)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(dòng)的蝸桿與蝸輪同時(shí)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(duì)稱分布，故當(dāng)將其沿齒寬中央平面剖分制造時(shí)，通過(guò)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)兩半個(gè)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(dòng)。

我國(guó)六十年代便對(duì)威氏蝸桿傳動(dòng)開(kāi)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(tái)望遠(yuǎn)鏡等。但該傳動(dòng)由于受到蝸桿齒根根切的限制，一般只能用于傳動(dòng)比較大的場(chǎng)合。 

(3)   尼曼蝸桿傳動(dòng)

1935年，德國(guó)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(dòng)[5]，又稱“尼曼蝸桿傳動(dòng)”(Niemann Worm Drive)或“ZC蝸桿傳動(dòng)”，并于1940年獲得專利，如圖 5所示。該蝸桿傳動(dòng)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(rùn)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(dòng)”，德國(guó)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(lái)，前蘇聯(lián)齒輪學(xué)專家F Litvin[7]和他的學(xué)生對(duì)圓弧齒圓柱蝸桿傳動(dòng)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(dòng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)制造了ZCl型蝸桿傳動(dòng)。

國(guó)內(nèi)對(duì)圓弧齒圓柱蝸桿傳動(dòng)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(dòng)[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(kāi)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(guó)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(dòng)

1951年，日本Y. Sato(佐藤申一)在威氏蝸桿傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)明了斜齒平面蝸輪傳動(dòng)，蝸輪齒面相對(duì)軸線傾斜一角度。這種傳動(dòng)克服了威氏蝸桿傳動(dòng)只能適于大傳動(dòng)比的弱點(diǎn)，將傳動(dòng)比范圍擴(kuò)展到中、小傳動(dòng)比。并由植田(Rikei)齒輪株式會(huì)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(dòng)雖然制造簡(jiǎn)單，蝸桿蝸輪均可磨削，但其接觸線與相對(duì)速度的夾角及誘導(dǎo)法曲率等表征潤(rùn)滑性能及接觸強(qiáng)度指標(biāo)不如圓弧齒圓柱蝸桿傳動(dòng)，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(dòng)的專利，專利介紹了與威氏蝸桿傳動(dòng)相比，平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)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(dòng)效率也有了明顯的提高等優(yōu)點(diǎn)[12]。

六十年代開(kāi)始，國(guó)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(duì)斜齒平面蝸輪傳動(dòng)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(kāi)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(guò)對(duì)斜平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行深入嚙合分析而巧妙設(shè)計(jì)提出一種新型精密動(dòng)力蝸桿傳動(dòng)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(dòng)，如圖 6所示。該傳動(dòng)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(guò)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(dòng)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(jiàn)優(yōu)點(diǎn)最全面的高性能精密載重蝸桿傳動(dòng)。

(5)   端面嚙合蝸輪蝸桿傳動(dòng)

1954年，美國(guó)學(xué)者O Sarri發(fā)明了端面蝸輪傳動(dòng)，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(dòng)，如圖 7所示，后者與端面蝸輪嚙合被稱為蝸螺傳動(dòng)[15]，如圖 7所示。美國(guó)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(dòng)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(dòng)副，端面蝸輪傳動(dòng)的蝸輪輪齒分行在端面上，具有同時(shí)參與嚙合齒數(shù)多、承載能力強(qiáng)、潤(rùn)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(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)[16]。

美國(guó)F  Litvin[17,18]、俄羅斯V  Goldfarb[14]、中國(guó)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(duì)錐蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)制造等進(jìn)行了全面的研究。

(6)   超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)

1966年，美國(guó)Coulter系統(tǒng)公司M Kuehnle于提出超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)[19]，如圖 9所示。超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)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(guó)亞森工業(yè)大學(xué)的H Peeken等人對(duì)這一傳動(dòng)形式進(jìn)行過(guò)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(wèn)題，并與Coulter公司合作，成功研制出試驗(yàn)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(dòng)。

我國(guó)從八十年代開(kāi)始，陸續(xù)出現(xiàn)有關(guān)超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)的報(bào)道，我國(guó)的研究人員主要是從嚙合理論、傳動(dòng)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(jì)出國(guó)內(nèi)首臺(tái)超環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)樣機(jī)；1986年，大連工學(xué)院王景連等展開(kāi)了該種新型傳動(dòng)的嚙合理論研究；1993年，臺(tái)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(dòng)；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(shí)，研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)球形齒超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)試驗(yàn)樣機(jī)；燕山大學(xué)的許立忠[24]等人從1996年開(kāi)始對(duì)該種傳動(dòng)進(jìn)行深入研究，在超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)效率、接觸疲勞強(qiáng)度、彈流潤(rùn)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(dòng)具有較高的傳動(dòng)效率，一般可達(dá)97%以上。

(7)   TI蝸桿傳動(dòng)

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

在國(guó)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(dòng)樣機(jī)并進(jìn)行傳動(dòng)性能試驗(yàn)，證明TI蝸桿傳動(dòng)副的效率比阿基米德圓柱蝸桿傳動(dòng)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(dòng)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)械研究所張希康[30, 31]探討了TI蝸桿傳動(dòng)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(shù)人[32]、詹東安[33, 34]等推導(dǎo)了TI蝸桿傳動(dòng)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(dòng)對(duì)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(dòng)副，如圖 10所示，并進(jìn)行傳動(dòng)性能試驗(yàn)研究并得出TI蝸桿傳動(dòng)副在較低的載荷下具有較好的傳動(dòng)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(dòng)

1972年，日本學(xué)者酒井高男[38, 39]等發(fā)表了“空間交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng)中二次作用的研究”的論文，指出在交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng)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(dòng)的基本思想，對(duì)二次包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)中的一系列理論及實(shí)踐問(wèn)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(dòng)；日本住友重工株式會(huì)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(guó)內(nèi)，1974年重慶大學(xué)張光輝[42, 43]因參編《機(jī)械工程手冊(cè)》中包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)部分到首鋼機(jī)械廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研收集平面蝸輪傳動(dòng)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(bào)告建議冶金部立項(xiàng)研究獲批準(zhǔn)，因而于1975年與首鋼合作開(kāi)展研究，于1976年研究成功平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，該傳動(dòng)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(dòng)副多齒嚙合且瞬時(shí)成雙線接觸、接觸線法向誘導(dǎo)法曲率小且潤(rùn)滑角大，因此該傳動(dòng)的齒面接觸應(yīng)力小、易形成潤(rùn)滑油膜、抗膠合抗磨損能力強(qiáng)、承載能力大傳動(dòng)效率高，性能全面超過(guò)直廓環(huán)面蝸桿，經(jīng)美國(guó)Cone Drive公司測(cè)試平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)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(dòng)的重大突破，具有世界先進(jìn)水平”，為表彰工人階級(jí)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(dòng)的蝸輪滾刀無(wú)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(dòng)，該傳動(dòng)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(dòng)在多頭小速比范圍內(nèi)應(yīng)用時(shí)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(dòng)；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(wèn)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(shí)，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(shí)用一直徑較大的雙面對(duì)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(jiǎn)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(dòng)稱之為準(zhǔn)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。

1988年焦作礦業(yè)學(xué)院胡來(lái)容[47]等提出圓環(huán)面型二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)；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(dòng)，并詳細(xì)分析了該傳動(dòng)的嚙合特性、接觸線分析及修正加工等。

(9)   活動(dòng)齒蝸輪蝸桿傳動(dòng)

1984年德國(guó)V  Siegmund[50, 51]等提出一種滾柱包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，首次將蝸桿傳動(dòng)中齒面將的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦，克服了傳統(tǒng)蝸桿傳動(dòng)中齒面滑動(dòng)帶來(lái)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(dòng)不差所以任存在較大的滑動(dòng)摩擦損耗；1986年日本提出了滾珠環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，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(dòng)摩擦[52]；1985年日本加藤正名[53, 54]等提出針輪蝸桿傳動(dòng)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝、傳動(dòng)效率及潤(rùn)滑條件等問(wèn)題進(jìn)行了全面的研究；日本三共(SANKYO)株式會(huì)社成功地將滾柱包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)作為減速器生產(chǎn)，并開(kāi)發(fā)出RA及RY等系列。

在國(guó)內(nèi)，80年代初東北重型機(jī)械學(xué)院路懿[55]等就開(kāi)始從事體內(nèi)循環(huán)滾珠弧面蝸桿傳動(dòng)的研究，對(duì)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(guó)家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)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(dòng)，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(yàn)等方面的系統(tǒng)研究，這種蝸桿傳動(dòng)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(dòng)效率高、承載能力大、使用壽命長(zhǎng)及制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；1997年長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院劉鵠然[57]提出鋼球包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、傳動(dòng)效率高及使用壽命長(zhǎng)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(dòng)副，其精度完全取決于計(jì)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(jí)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(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，如圖 12所示，該傳動(dòng)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(gè)能夠繞其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的滾子，該傳動(dòng)不僅具有滾子包絡(luò)環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)效率高、嚙合齒數(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(dòng)

1925年，美國(guó)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(dòng)，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(dòng)機(jī)構(gòu)；1996年，日本Hoyashita S[62]對(duì)桶狀蝸桿與內(nèi)蝸輪嚙合的切削刃齒廓進(jìn)行了計(jì)算；2001年，匈牙利尼賴吉哈佐學(xué)院的Gábor László P[63]等對(duì)車削成形的橢球蝸桿傳動(dòng)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(dòng)，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(jì)方法，探究了鼓形蝸桿及內(nèi)齒輪的齒面加工工藝及檢測(cè)方法，試制了首臺(tái)平面齒內(nèi)齒輪一次包絡(luò)鼓形蝸桿傳動(dòng)樣機(jī)并進(jìn)行傳動(dòng)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明該傳動(dòng)是一種體積小重量輕的重載傳動(dòng)形式。

1960年，美國(guó)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(dòng)形式；1968年Van  Voorhis  D  M[66]提出一種具有內(nèi)嚙合蝸桿傳動(dòng)的行星減速裝置，該傳動(dòng)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(guó)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(dòng)輥筒的內(nèi)嚙合蝸桿傳動(dòng)，該傳動(dòng)由一外齒輪與一內(nèi)螺紋蝸桿相嚙合，其整個(gè)外齒輪位于蝸桿內(nèi)部。

(11)  精密蝸桿傳動(dòng)

精密蝸桿傳動(dòng)副作為精密分度或精密運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)而得到廣泛地應(yīng)用。要求傳動(dòng)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堋＞芪仐U傳動(dòng)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(guò)改變普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的中心，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整傳動(dòng)副齒側(cè)間隙的目的。該方法調(diào)整簡(jiǎn)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(dòng)，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(dòng)時(shí)，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(dòng)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(dòng)時(shí)相鄰齒對(duì)的齒側(cè)間隙不相等，不能保證每對(duì)齒的齒側(cè)間隙都符合精度要求；蝸輪與蝸桿同時(shí)嚙合的齒對(duì)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(dòng)或重載精密運(yùn)動(dòng)的要求。

3)    蝸桿周向調(diào)整法

德國(guó)OTT公司和美國(guó)Cone  Drive公司先后推出了分段式精密蝸桿傳動(dòng)，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(jì)。

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(guò)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(dòng)[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(guò)沿蝸輪軸向移動(dòng)，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(dòng)無(wú)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(kāi)線齒輪包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，如圖17所示。樣機(jī)傳動(dòng)精度累計(jì)誤差為54.95〞及短周期誤差為23.32〞；傳動(dòng)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(dòng)精度不變。

5)    蝸輪周向調(diào)整法

前述的威氏蝸桿傳動(dòng)[4]，由于其蝸輪齒兩側(cè)面的接觸區(qū)成反對(duì)稱分布，故當(dāng)將其沿齒寬中央平面剖分制造時(shí)，通過(guò)相對(duì)于蝸輪周向轉(zhuǎn)動(dòng)兩半個(gè)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(dòng)。

前述的無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)[59]，其蝸輪由兩半個(gè)蝸輪組成，滾子均勻分布在每半個(gè)蝸輪圓周上，通過(guò)繞蝸輪周向調(diào)整兩半個(gè)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(dòng)的系統(tǒng)分類

科學(xué)的分類源于人們對(duì)客觀事物的內(nèi)在矛盾及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，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(lái)，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(gè)典范?？梢?jiàn)對(duì)種類繁多的蝸桿傳動(dòng)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(bào)告會(huì)上提出：從蝸桿傳動(dòng)及齒輪包絡(luò)蝸桿的本質(zhì)入手，基于蝸桿傳動(dòng)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(dòng)，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(duì)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(dòng)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(dòng)和蝸桿包絡(luò)蝸輪傳動(dòng)，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(guò)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(gè)方面出發(fā)，對(duì)蝸桿傳動(dòng)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(duì)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(dòng)分為以下五大類型：(I)圓柱蝸桿包絡(luò)蝸輪傳動(dòng)；(II)錐蝸桿包絡(luò)蝸輪傳動(dòng)；(III)凸環(huán)面蝸桿包絡(luò)蝸輪傳動(dòng)；(IV)凹環(huán)面蝸桿包絡(luò)蝸輪傳動(dòng)；(V)齒輪包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)。

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(shí)，在包絡(luò)過(guò)程中，整個(gè)空間區(qū)域?qū)⒂墒讋?chuàng)體包絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)接觸線場(chǎng)，取接觸線場(chǎng)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(dòng)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(dòng)的嚙合性能。首創(chuàng)體齒廓可以是某一曲線按一定運(yùn)動(dòng)關(guān)系形成的軌跡面，也可以是某一曲面按一定運(yùn)動(dòng)關(guān)系展成的包絡(luò)面，還可以是某種滾動(dòng)體形成的活動(dòng)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(dòng)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(kāi)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(kāi)面包絡(luò)面；ii5.其他曲面包絡(luò)面)；(iii)活動(dòng)齒面(iii1.滾球活動(dòng)齒面；iii2.滾柱活動(dòng)齒面；iii3.滾錐活動(dòng)齒面；iii4.滾針活動(dòng)齒面；iii5.其他活動(dòng)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(dòng)的系統(tǒng)分類表如圖18所示。其中每一種蝸桿傳動(dòng)可以通過(guò)“類型號(hào)-系列號(hào)-形式號(hào)”進(jìn)行表示，如漸開(kāi)線圓柱蝸桿傳動(dòng)可以表示為“I-A-i3”，尼曼蝸桿傳動(dòng)可表示為“I-A-ii3”，平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)可以表示為“IV-A-ii1”，一次包絡(luò)TI蝸桿傳動(dòng)可以表示為“V-A-i3”。

圖18   蝸桿傳動(dòng)分類表

該分類表以元素周期表為原型、從蝸桿傳動(dòng)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(dòng)形式，同時(shí)還包含了許多未知的蝸桿傳動(dòng)形式，各類型、各系列及各形式的蝸桿傳動(dòng)之間在幾何結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)性能上都存在一定的普遍性和規(guī)律性，這對(duì)我們改造現(xiàn)有蝸桿傳動(dòng)和研發(fā)新型蝸桿傳動(dòng)具有指導(dǎo)性作用。

3  蝸桿傳動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)

從蝸桿傳動(dòng)的發(fā)展歷程可以看出，蝸桿傳動(dòng)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(kāi)始的，尤其是近三十年來(lái)，無(wú)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(jì)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(dòng)與變態(tài)蝸桿傳動(dòng)。與此同時(shí)，還利用了許多提高各種蝸桿傳動(dòng)承載能力、傳動(dòng)效率及傳動(dòng)精度的相關(guān)措施并都取得了顯著的效果，使蝸桿傳動(dòng)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(lái)，蝸桿傳動(dòng)的發(fā)展方向和趨勢(shì)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(dòng)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(dòng)、直廓環(huán)面蝸桿傳動(dòng)現(xiàn)已逐漸被包絡(luò)面的漸開(kāi)線圓柱蝸桿傳動(dòng)、錐面包絡(luò)圓柱蝸桿傳動(dòng)及包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)等所取代。其中二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，因其多齒嚙合、雙線接觸、承載能力高、潤(rùn)滑效果好及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，仍將會(huì)是今后的研究重點(diǎn)。

(2)   向精密重載方向發(fā)展

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外通常把蝸桿傳動(dòng)分為“運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)”和“動(dòng)力傳動(dòng)”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(dòng)機(jī)構(gòu)，主要考慮如何提高蝸桿傳動(dòng)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(dòng)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(duì)蝸桿傳動(dòng)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(dòng)[13]開(kāi)啟了精密重載蝸桿傳動(dòng)的先河，而精密重載將會(huì)是今后蝸桿傳動(dòng)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(dòng)的內(nèi)在特點(diǎn)，利用速度場(chǎng)和瞬時(shí)接觸線場(chǎng)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(dòng)。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(dòng)和蝸螺傳動(dòng)；為了滿足體積小、重量輕的要求，提出了內(nèi)嚙合蝸桿傳動(dòng)和研發(fā)了內(nèi)嚙合蝸輪傳動(dòng)；為了減低齒面間的摩擦、改善齒面間的潤(rùn)滑性能、將共軛齒面間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，提出了以滾珠、滾珠等為介質(zhì)的活動(dòng)齒蝸桿傳動(dòng)。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(dòng)此后將會(huì)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(dòng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷程及其優(yōu)缺點(diǎn)；

(2)   從蝸桿傳動(dòng)中的首創(chuàng)體外形、輪齒位置及首創(chuàng)面齒廓三個(gè)方面出發(fā)，將蝸桿傳動(dòng)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(dòng)及精密重載蝸桿傳動(dòng)將是今后的發(fā)展重點(diǎn)，變態(tài)蝸桿傳動(dòng)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(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室    陳永洪