[实用新型]以柔性材料为蜗轮齿表面的平面齿单包络环面蜗轮副

说明书

本实用新型涉及一种在蜗轮齿表面覆盖一层柔性材料的平面齿单包络环面蜗轮副。这里所说的柔性材料是指其弹性模量E比钢和铜等金属材料小得多的高分子材料及其复合材料。

蜗轮传动是一种常用的大速比传动型式。但其机械效率太低，磨损严重，限制了该传动的应用。究其原因，是由于蜗轮和蜗杆的齿面间难以形成完全油膜润滑。实践证明，绝大多数的蜗轮传动都工作于混合摩擦或边界摩擦状态，摩擦系数大，磨损是其主要的损坏形式，难以避免。

象蜗轮副这类线接触的摩擦副，要形成油膜必须具备三个基本条件：第一，接触线必须是一条连续线；第二，接触线的方向必须尽可能地与滑动速度垂直；第三，摩擦副接触线入口处必须有一个合适“楔形角”的间隙，使摩擦面带入接触线的流体被挤压而形成高压膜，膜的厚度应足够厚以达到完全液体润滑。这个楔形角有一个最佳值，太大太小都不适宜。

传统的平面齿环面蜗轮副有以下特点：一是接触线和滑动方向非常接近垂直；二是理论上同时接触的齿数5～8对，比其它蜗轮副多得多。但是，这些有利条件在现有的平面齿蜗轮副中却也难以形成全膜润滑。其原因在于：第一，理论上虽然可以是线接触，但在加工和装配时，难以避免的很小误差都会使线接触成为点接触。受力后，接触点会被压低，必须压低到与接触线上最大误差一样大时，才能实现线接触，否则，接触的最多只是一些不连续的点，形不成连续的接触线。第二，理论上的多齿接触，由于蜗轮的分度误差而不能实现。第三，蜗轮蜗杆齿面间的接触线入口处间隙的楔形角远大于其形成完全油膜的最佳值。

本实用新型的目的是对现有的单包络环面蜗轮副进行改进，提供一种以柔性材料为蜗轮齿面的平面齿环面蜗轮副，使其能实现真正的多齿接触，并形成完善的线接触；蜗轮蜗杆齿面间形成适当的楔形间隙，以形成动压油膜，从而实现蜗轮副的低的摩擦系数和高的机械效率。

本实用新型的目的是这样实现的：在由蜗杆、平面齿蜗轮组成的平面齿单包络环面蜗轮副中，在平面齿蜗轮的齿面上用粘贴、烧结或机械固定的方法覆盖一层柔性材料，此材料为高分子材料或其复合材料，其弹性模量E比铜小20～200倍。柔性材料的厚度及其弹性模量E应使蜗轮齿面在承受正常载荷时，其压缩变形大于接触线上的最大误差，以实现真正的多齿接触和完善的线接触。所说的蜗轮副包括用油或水基润滑剂润滑的蜗轮副。

由于本实用新型在蜗轮齿面上覆盖了一层柔性材料，柔性材料的变形有利于产生合理的楔形间隙，使蜗轮蜗杆的齿面间产生较厚的油膜，因而大大提高了机械效率。现在通过图1楔形间隙产生的示意图进一步说明。图1中，上面的曲线代表蜗杆齿面，下面的直线代表蜗轮齿面(柔性材料)，当二者之间有压力W存在时，柔性材料便产生压缩变形。接触宽度2b可达5～20mm，接触区附近也被压低形成一个很好的楔形角α。按照重载下的弹流理论，润滑膜厚度h主要依赖于入口区的间隙情况，并与E^10.4成反比。蜗杆转动时，润滑剂被带入接触区而形成弹流膜，使蜗杆和蜗轮的齿面完全分离，达到液体摩擦，摩擦系数f很小。所以说弹性模量的降低，可大幅度地增大膜厚和改善润滑效果。试验表明，在很低的速度下，也可以获得0.01以下的摩擦系数，机械效率可提高15％，在大速比时也可达85～90％。

图2表示了蜗轮蜗杆的啮合情况.由于弹性变形抵消了误差，一般同时接触的齿数可达5～8对，图2所示为6对齿。图3还给出了蜗轮齿面上同时出现的线接触(为清楚起见，6个齿面上的接触线画在同一齿面上了)，接触线为直线，接近与滑动速度垂直，沿齿高方向，润滑效果很好。

本实用新型所采用的弹性模量E很低的柔性材料作为蜗轮齿面，并不会降低其承载能力。对于这种E值很低的材料(如：加强并改性的铸型尼龙(MC-PA)、聚酰亚胺(PI)、加强聚胺酯(PU)、氢化丁晴橡胶(H-NBR)等)，由于弹性变形，将会有很宽的接触带，接触应力有较大的降低。计算表明，正常载荷下其接触应力σ_H约为20～50MPa，而材料的压缩强度为110～180MPa。有的复合材料接近铸青铜的强度(220MPa)，而弹性模量却只有其1/30，σ_H只有其1/5。因此，用这种柔性复合材料制造的蜗轮副不比青铜蜗轮副的强度低。另外，高分子材料的耐油性、耐候性、耐腐蚀性均较好，一般也耐100～150℃的温度，PI可在300℃下长期工作，不成问题。用于摩擦副的高分子复合材料的耐磨性、减摩性和自润性都比青铜优秀，可望获得更长的使用寿命。