通过降低成本扩充小模数螺旋锥齿轮的大批量应用.docVIP

尽管螺旋锥齿轮副在非平行轴传动诸多场合优势明显，有着不可替代的地位，被广泛应用于车船等大型机械传动中，但在小家电、小型减速器等大批量生产的小模数传动机构领域，比之其它传动形式——如蜗杆/斜齿轮副，螺旋锥齿轮副的采用远不够广泛。 制约螺旋锥齿轮广泛大量应用的主要原因有二：一是加工成本高，二是安装调试成本高。 加工成本高，表现在切削机床、加工效率、参数计算和尺寸测量四个方面： 以弧齿锥齿轮为例，要得到良好的啮合效果，正常批量生产须至少3台专用机床才可以做，而每台价格不菲，折旧费用在加工成本中占有相当的比重。 因为范成法加工齿面以及每个齿槽单独切削，加工节拍420秒以上，时间很难再缩减。 齿轮的设计参数和加工参数的计算都比较麻烦，有时需要试切调试看结果后再从头计算，几次反复才能确定下来。 齿面、啮合区，都呈3维分布，通用测具难以把握是否切削在正确位置及是否进刀到位。而为了保证实际使用效果的齿向齿线双重修形，更加重了测量的计算和操作难度。 安装调试成本高，则体现在加工定位误差、刀具安装误差、工件轴向定位误差等，都会交互影响啮合痕迹的位置和形状。有时甚至出现啮痕迹看似调整良好，但重合度却远小于1，不能正常啮合、噪音偏大的情况。而一旦装机调试，轴向和径向的装配位置度误差，又会加入进来，进一步影响对加工结果的判定，使得反复调整计算参数、加工参数的工作量加大。 由于上述原因，使用情况良好、大批量加工并且啮合质量稳定的切削加工螺旋锥齿轮副，就模数1~1.5范围而言，价格很难降到￥20/套以下。 本文介绍从三个方面来降低成本的努力，用以扩大小模数螺旋锥齿轮的应用范围。 模具成型的等距螺旋锥齿轮副 由于小模数齿轮传动力不大，大多数情况可以绕开较高成本的金属切削加工，采用齿体强度稍低的模具成型螺旋锥齿轮副。 模具成型，首先会遇到螺旋锥齿轮因脱模干涉损坏齿面或引发变形破坏啮合精度的问题。 容易理解，以螺旋锥齿轮为固定参照，与齿体外形面紧贴在一起的模腔形面，当采取某一规律的螺旋运动旋离的每一个瞬间，在相接触的形面上的任一点，其运动方向矢量与齿体面上此点的法线矢量之夹角≤90°时，干涉便不会发生（参看图1。绿色为法线矢量，蓝色为运动方向矢量）。 图1. 已有论文指出，弧齿锥齿轮（格里森制）脱模时有干涉；摆线锥齿轮（克制），根据经验可以判定，脱模时也会有干涉。 而齿线为等距锥螺旋线的螺旋锥齿轮，在绝大多数齿形的情况下，可以满足不与模腔齿面干涉的脱模要求。 所谓等距螺旋锥齿轮副，是将小轮设定为等距螺旋锥齿轮，大轮则按照小轮齿形，依照空间共轭原理包络出齿面，然后比照弧齿锥齿轮的修形原理，对大小轮分别进行齿形、齿线修形，从而组成的螺旋锥齿轮副。 考虑到点接触线在齿宽中部附近，所以等距螺旋锥齿轮是以齿宽中部为基准齿形，其余部分齿面则按照等距锥螺旋线扫描而获得。最常见的基准齿形，为球面渐开线，而由此获得的等距螺旋锥齿轮副，全称应为：球面渐开线等距螺旋锥齿轮副（外形如图2示）。 实际操作中，首先使用通用3D绘图软件，做出3D等距螺旋锥齿轮副实体虚拟模型文件（精度在0.0001以下），依此进行模腔加工，再用模具制出零件，最终以齿面为基准切削加工出零件定位面。 需要特别指出：当传动比小于2左右，大轮的脱模可能出现干涉问题，因为大轮齿线并非等距锥螺旋线，所以传动比较小的螺旋锥齿轮副，不适于模具成型。 图2 1-1. 粉末冶金等距螺旋锥齿轮副 事实上，大轮为粉末冶金，小轮为切削加工件的弧齿锥齿轮副，其应用早已开始，为降低成本走出可喜的一步。但小轮价格仍显偏高。 粉末冶金等距螺旋锥齿轮副，制造模腔所用电极，均根据调整好接触区的3D虚拟模型，用高精度三轴、四轴CNC雕刻而得。两件模具制品，齿形面尺寸相对稳定。并且针对粉末冶金件轴向尺寸不稳定的问题，进行定位面的后加工，使得主机厂批量生产装配时调整更为方便。 因为加工节拍仅为12秒左右，模数1.3左右的价格为￥12/套。 因模数较小，传递动力不大，所以粉末冶金等距螺旋锥齿轮可以满足绝大部分场合的强度要求。而在抗胶合方面，由于粉末冶金件的自润特性，要优于金属加工件。 1-2. 大轮塑胶小轮粉末冶金的螺旋锥齿轮副 实践证明，小轮金属大轮塑胶的齿轮副，降低噪音方面有明显优势。在强度许可的情况下，塑胶齿轮的抗胶合能力，甚至强于金属齿轮。 为平衡强度，可以将粉末冶金齿轮齿厚减薄，加厚塑胶轮齿（见图3）。 图3 塑胶采用Nylon+Fibre或其它高性能材料，若齿轮内置金属嵌件，能够获得更好的整体强度。 此塑胶/粉末冶金组合的等距螺旋锥齿轮副，价格当在￥8/套之内。 当然，在传动力很小的情形下，亦可采用大小轮均为塑胶的等距螺旋锥齿轮副，价格会进一步降低。 用端面齿轮副替代螺旋锥齿轮副 端面齿轮没有专门的机床提供加工，国内基本处于试做研究阶段