CN111396507B - 一种蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法 - Google Patents

一种蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法，其包括将蜗杆与斜齿轮在中间平面的啮合等同于两个圆柱直齿轮之间的啮合，并根据啮合原理确定圆柱直齿轮的模数和齿数，绘制出圆柱直齿轮的啮合平面图；根据蜗杆的导程角、轴向周节、蜗杆直径绘制出蜗杆，通过斜齿轮的截面齿廓扫描后获取所述斜齿轮的单个齿廓，再阵列得出斜齿轮。通过利用将蜗杆与斜齿轮在中间平面的啮合等同于圆柱直齿轮与斜齿轮的啮合来设计蜗杆与斜齿轮的传动副，使得设计参数不再局限于标准参数，可以根据产品结构空间和传动要求灵活地选取任意非标的模数和蜗杆特性系数设计不同的形状、尺寸，自由度广。用斜齿轮替代蜗轮，使制造更容易。

Description

一种蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法
技术领域
本发明涉及齿轮设计技术领域，尤其涉及一种蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法。
背景技术
齿轮(普通齿轮、蜗轮、蜗杆等的统称)的材质一般用金属材料和非金属材料，通常的设计是参照标准参数进行设计，设计限制多，在个人护理电器领域，由于产品内部空间有限，结构复杂，标准的齿轮传动副零件难以满足结构要求。
塑料材质的齿轮与金属材质相比在成本、设计、加工和性能上具有很多优势，塑料成型的固有的设计自由度保证了更高效的制造。塑料齿轮运行更安静，做成的齿轮柔韧性更好，能够很好的吸收冲击负荷。满足静音运行要求。塑料制造的齿轮一般不需要二次加工，所以相对于压铸件和机加工金属齿轮，在成本上保证了60％-100％水平的降低。所以，在精度高、噪音低、更复杂的几何形状的个人护理电器领域塑料齿轮经常用来替代金属齿轮，应用广泛。但对于特殊结构形状的齿轮，如蜗轮，制造蜗轮的模具机构复杂，成型后通过多个滑动机构移出，不仅对模具加工和注塑成型精度要求极高，而且由于模具机构的限制，轮齿部位不可避免存在夹模线，影响了精度，不能很好地实现平稳传动和低噪音的要求。
发明内容
本发明提供了一种蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法，旨在以蜗杆与斜齿轮啮合替代蜗轮与蜗杆啮合，用斜齿轮替代蜗轮，使制造更容易，精度更高，成本更低，安装更方便。
本发明提供了一种蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法，其包括:
将蜗杆与斜齿轮在中间平面的啮合等同于两个圆柱直齿轮之间的啮合，并根据啮合原理确定所述圆柱直齿轮的模数和齿数；
根据渐开线方程绘制出所述圆柱直齿轮的基圆的渐开线，绘制出所述圆柱直齿轮的啮合平面图，以绘制出蜗杆及斜齿轮的截面齿廓；
通过两个所述圆柱直齿轮的正负变位调整以满足中心距的要求；
通过预设导程角的计算公式以及预设轴向周节的计算公式计算所述蜗杆的导程角和轴向周节；
根据所述蜗杆的导程角、轴向周节、蜗杆直径绘制出蜗杆，根据所述蜗杆的螺旋线在所述斜齿轮的齿顶圆上的投影绘制出所述斜齿轮的螺旋线，通过所述斜齿轮的截面齿廓扫描后获取所述斜齿轮的单个齿廓，再阵列得出所述斜齿轮的所有齿廓以绘制出所述斜齿轮。
进一步地，所述啮合原理需满足的条件为：
m＝m1＝m2，mZ2＝d2，V＝U，mZ1 cosθ＝d1，
Figure GDA0003061345780000021
Figure GDA0003061345780000022
其中，Z1为所述蜗杆等同的所述圆柱直齿轮的齿数，Z2为所述斜齿轮等同的所述圆柱直齿轮的齿数，m为所述圆柱直齿轮的模数，m1为所述蜗杆的法面模数，d1为所述蜗杆的直径，m2为所述斜齿轮的法面模数，d2为所述斜齿轮的分度圆直径，θ为渐开线压力角，D为斜齿轮与蜗杆的中心距，V为所述蜗杆的导程角，U为所述斜齿轮的螺旋角，Z1、Z2取整数,m取任意数，K为常数；
进一步地，所述渐开线方程为：x＝rb*cos(θ)+rb*rad(θ)*sin(θ)，y＝rb*sin(θ)-rb*rad(θ)*cos(θ)；
其中，rb为基圆半径；
进一步地，所述导程角的计算公式为：sinV＝Z*m/d1；
其中，Z为蜗杆头数；
所以轴向周节的计算公式为：Px＝π*m/cosV。
进一步地，所述绘制出所述圆柱直齿轮的啮合平面图后还包括在预定范围内调整中心距或齿轮变位对所述圆柱直齿轮的啮合平面图中相啮合的齿形进行修形。
具体地，根据注塑成型原理，塑料齿轮以及齿轮固定架因成型条件、环境温度不同其尺寸有所差异，所以在高精度、低噪音传动要求的齿轮传动副设计进行适当的修形是必要的，以保证适当的侧隙和顶隙。
进一步地，所述斜齿轮还包含有与所述斜齿轮一体成型的凸轮。
具体地，通过凸轮可将斜齿轮带动的定轴转动转换成偏轴的转动，提高结构的灵活性。
进一步地，所述蜗杆和所述斜齿轮的制作材料选用工程塑料。
具体地，蜗杆斜齿轮采用工程塑料材质料，由于塑料材质与金属材质的零件加工工艺不同，所以在设计参数不仅局限于标准参数，可以根据产品结构空间和传动要求灵活地选取任意非标的模数和蜗杆特性系数设计不同的形状、尺寸大小，设计自由度广。
本发明实施例通过采用蜗杆与斜齿轮的啮合代替蜗杆与蜗杆的啮合，并利用将蜗杆与斜齿轮在中间平面的啮合等同于圆柱直齿轮与斜齿轮的啮合来设计蜗杆与斜齿轮的传动副，使得设计参数不再局限于标准参数，可以根据产品结构空间和传动要求灵活地选取任意非标的模数和蜗杆特性系数设计不同的形状、尺寸大小，设计自由度广。用斜齿轮替代蜗轮，使制造更容易，精度更高，成本更低，安装更方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种蜗杆与斜齿轮传动副的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种蜗杆与斜齿轮传动副的蜗杆的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种蜗杆与斜齿轮传动副的斜齿轮的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种蜗杆与斜齿轮传动副的中间平面啮合等同结构示意图。
附图标记说明：
1斜齿轮、2蜗杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1，是本发明实施例提供的一种蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法的流程示意图，该蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法包括一下步骤S101-S105：
步骤S101：将蜗杆与斜齿轮在中间平面的啮合等同于圆柱直齿轮与斜齿轮的啮合，并根据啮合原理确定所述圆柱直齿轮的模数和齿数；
步骤S102：根据渐开线方程绘制出所述圆柱直齿轮的基圆的渐开线，绘制出所述圆柱直齿轮的啮合平面图，以绘制出蜗杆及斜齿轮的截面齿廓。
所述渐开线方程为：x＝rb*cos(θ)+rb*rad(θ)*sin(θ)，y＝rb*sin(θ)-rb*rad(θ)*cos(θ)；
其中，rb为基圆半径。
步骤S103：通过两个所述圆柱直齿轮的正负变位调整以满足中心距的要求，这两个圆柱直齿轮传动副的中心距应等于蜗杆与斜齿轮的中心距。
步骤S104：通过预设导程角的计算公式以及预设轴向周节的计算公式计算所述蜗杆的导程角和轴向周节，导程角的计算公式为：sinV＝Z*m/d1，V为蜗杆的头数，轴向周节的计算公式为：Px＝π*m/cosV。
步骤S105：根据所述蜗杆的导程角、轴向周节、蜗杆直径绘制出蜗杆，根据所述蜗杆的螺旋线在所述斜齿轮的齿顶圆上的投影绘制出所述斜齿轮的螺旋线，通过所述斜齿轮的截面齿廓扫描后获取所述斜齿轮的单个齿廓，再阵列得出所述斜齿轮的所有齿廓以绘制出所述斜齿轮。
通过采用蜗杆与斜齿轮的啮合代替蜗杆与蜗杆的啮合，并利用将蜗杆与斜齿轮在中间平面的啮合等同于圆柱直齿轮与斜齿轮的啮合来设计蜗杆与斜齿轮的传动副，使得设计参数不再局限于标准参数，可以根据产品结构空间和传动要求灵活地选取任意非标的模数和蜗杆特性系数设计不同的形状、尺寸大小，设计自由度广。用斜齿轮替代蜗轮，使制造更容易，精度更高，成本更低，安装更方便。
在一实施例中，所述啮合原理需满足的条件为：
m＝m1＝m2，mZ2＝d2，V＝U，mZ1 cosθ＝d1，
Figure GDA0003061345780000051
其中，Z1为蜗杆等同后的圆柱直齿轮的齿数，Z2所述斜齿轮等同后的圆柱直齿轮的齿数，齿数Z2与斜齿轮的齿数对应相同，m为所述圆柱直齿轮的模数，m1为所述蜗杆的法面模数，d1为所述蜗杆的直径，m2为所述斜齿轮的法面模数，d2为所述斜齿轮的分度圆直径，θ为渐开线压力角，D为斜齿轮与蜗杆的中心距，V为所述蜗杆的导程角，U为所述斜齿轮的螺旋角，Z1、Z2取整数,m取任意数，K为常数。
在一实施例中，所述绘制出所述圆柱直齿轮的啮合平面图后还包括在预定范围内调整中心距或齿轮变位对所述圆柱直齿轮的啮合平面图中相啮合的齿形进行修形。
具体地，根据注塑成型原理，塑料齿轮以及齿轮固定架因成型条件、环境温度不同其尺寸有所差异，所以在高精度、低噪音传动要求的齿轮传动副设计进行适当的修形是必要的，以保证适当的侧隙和顶隙。
在一实施例中，所述斜齿轮还包含有与所述斜齿轮一体成型的凸轮。
具体地，通过凸轮可将斜齿轮带动的定轴转动转换成偏轴的转动，提高结构的灵活性。
在一实施例中，所述蜗杆和所述斜齿轮的制作材料选用工程塑料。
具体地，蜗杆斜齿轮采用工程塑料材质料，由于塑料材质与金属材质的零件加工工艺不同，所以在设计参数不仅局限于标准参数，可以根据产品结构空间和传动要求灵活地选取任意非标的模数和蜗杆特性系数设计不同的形状、尺寸大小，设计自由度广。
参见图2-图5，下面以单面啮合设计为例进行说明(不对称面的啮合设计相同)：
本设计案例中，以下设计参数是明确的：蜗杆直径d1,斜齿轮蜗杆中心距D,蜗杆头数Z斜齿轮齿数Z2，蜗杆与斜齿轮两轴夹角Σ＝90°，压力角θ＝20°。而蜗杆斜齿轮法面模数分别m1、m2，蜗杆导程角V,轮螺旋角U，斜齿斜齿轮分度圆直径d2,，则是未知的，需要结合齿轮传动原理、机械强度、成型工艺等多方面均衡设计。
根据传动原理，正确传动至少满足如下条件：m1＝m2，V＝U。
蜗杆与斜齿轮在中间平面的啮合等同于两个普通圆柱直齿轮的啮合，利用这一特点设计时设定的两个圆柱直齿轮的模数为m,齿数为Z1和Z2,根据啮合原理，m＝m1＝m2,m*Z1*cosθ＝d1,D＝(d1/cosθ+d2)/2,mZ2＝d2,Z1、Z2必须取整数,m可以取任意数。
确定m、Z1和Z2值，其中Z2则根据设计需要自行取整数值，本实施例中斜齿轮采用负变位，设定的圆柱直齿正负位以满足中心距的要求。
利用渐开线方程x＝rb*cos(θ)+rb*rad(θ)*sin(θ)，y＝rb*sin(θ)-rb*rad(θ)*cos(θ)绘制出设定的直齿圆柱齿轮和斜齿轮基圆的渐开线。
利用几何画法绘制出中间平面的齿轮啮合平面图，可通过适当调整中心距或齿轮变位修形达到最佳设计。
根据注塑成型原理，塑料齿轮以及齿轮固定架因成型条件、环境温度不同其尺寸有所差异，所以在高精度、低噪音传动要求的齿轮传动副设计进行适当的修形是必要的，以保证适当的侧隙和顶隙。
由公式sinV＝Z*m/d1，Px＝π*m/cosV计算得出蜗杆导程角V和轴向周节
根据所述蜗杆的导程角、轴向周节、蜗杆直径绘制出蜗杆，根据所述蜗杆的螺旋线在所述斜齿轮的齿顶圆上的投影绘制出所述斜齿轮的螺旋线，通过所述斜齿轮的截面齿廓扫描后获取所述斜齿轮的单个齿廓，再阵列得出所述斜齿轮的所有齿廓以绘制出所述斜齿轮。
本发明实施例设计的蜗杆直径、齿廓形状、中心距、齿高系数、顶隙系数均不受标准限定，可以根据传动速比、结构空间以及加工工艺要求柔性设计。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法，其特征在于，包括：
步骤S101：将蜗杆与斜齿轮在中间平面的啮合等同于两个圆柱直齿轮之间的啮合，并根据啮合原理确定所述圆柱直齿轮的模数和齿数；
步骤S102：根据渐开线方程绘制出所述圆柱直齿轮的基圆的渐开线，绘制出所述圆柱直齿轮的啮合平面图，以绘制出蜗杆及斜齿轮的截面齿廓；
步骤S103：通过两个所述圆柱直齿轮的正负变位调整以满足中心距的要求；
步骤S104：通过预设导程角的计算公式以及预设轴向周节的计算公式计算所述蜗杆的导程角和轴向周节；
步骤S105：根据所述蜗杆的导程角、轴向周节、蜗杆直径绘制出蜗杆，根据所述蜗杆的螺旋线在所述斜齿轮的齿顶圆上的投影绘制出所述斜齿轮的螺旋线，通过所述斜齿轮的截面齿廓扫描后获取所述斜齿轮的单个齿廓，再阵列得出所述斜齿轮的所有齿廓以绘制出所述斜齿轮。
2.根据权利要求1所述的蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法，其特征在于，所述啮合原理需满足的条件为：
m＝m1＝m2，mZ2＝d2，V＝U，mZ1cosθ＝d1，
Figure FDA0003051527890000011
Figure FDA0003051527890000012
其中，Z1为所述蜗杆等同的所述圆柱直齿轮的齿数，Z2为所述斜齿轮等同的所述圆柱直齿轮的齿数，m为所述圆柱直齿轮的模数，m1为所述蜗杆的法面模数，d1为所述蜗杆的直径，m2为所述斜齿轮的法面模数，d2为所述斜齿轮的分度圆直径，θ为渐开线压力角，D为斜齿轮与蜗杆的中心距，V为所述蜗杆的导程角，U为所述斜齿轮的螺旋角，Z1、Z2取整数,m取任意数，K为常数。
3.根据权利要求2所述的蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法，其特征在于，所述渐开线方程为：x＝rb*cos(θ)+rb*rad(θ)*sin(θ)，y＝rb*sin(θ)-rb*rad(θ)*cos(θ)；
其中，rb为基圆半径。
4.根据权利要求3所述的蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法，其特征在于，
所述导程角的计算公式为：sinV＝Z*m/d1；
其中，Z为蜗杆头数；
所以轴向周节的计算公式为：Px＝π*m/cosV。
5.根据权利要求1所述的蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法，其特征在于，所述绘制出所述圆柱直齿轮的啮合平面图后还包括在预定范围内调整中心距或齿轮变位，以对所述圆柱直齿轮的啮合平面图中相啮合的齿形进行修形。
6.根据权利要求1所述的蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法，其特征在于，所述斜齿轮还包含有与所述斜齿轮一体成型的凸轮。
7.根据权利要求1所述的蜗杆与斜齿轮传动副的设计方法，其特征在于，所述蜗杆和所述斜齿轮的制作材料选用工程塑料。
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