无侧隙阶梯滚柱包络环面蜗杆传动
技术领域
本发明属于机械传动领域，尤其是属于无侧隙阶梯滚柱包络环面蜗杆传动。
背景技术
蜗杆传动属于交错轴传动，具有结构紧凑、传动平稳、反向自锁、噪音低及运动误差小等特点，而广泛应用于航空航天、船舶航海、矿山冶金、轨道交通、国防武器等领域。其中，精密蜗杆传动因其高精度、低回差及误差均化效应等优点，广泛应用于机床分度、仪器仪表及自动化生产线等领域。目前的精密蜗杆传动主要有以下六种：
1) 双导程圆柱蜗杆传动，其蜗杆为两侧齿面模数大小不等的圆柱蜗杆，齿厚沿其轴线逐渐变化，蜗轮由相应的复合模数滚刀加工而成。调整蜗杆的轴向位置，可调整传动副的齿侧间隙或补偿轮齿的磨损量。但该传动存在同时啮合的齿对数极小、承载能力低、易磨损、精度寿命短等不足。
2) 威氏蜗杆传动，其蜗杆齿面是以正平面为母面按蜗轮与蜗杆的啮合关系作展成运动形成的包络面，将平面蜗轮沿齿宽中央平面剖分，通过相对于蜗轮周向转动两半个蜗轮，便可以达到调整或补偿齿侧间隙的目的，适用于精密蜗杆传动。但该传动存在齿面易根切、蜗轮结构刚性差、承载能力低等不足。
3) OTT分段式圆柱蜗杆传动及Cone分段式环面蜗杆传动，其蜗杆由半截蜗杆轴和半截空心蜗杆组成的，蜗轮齿面进行合理的修形，使其能够适应蜗杆的剖分式设计，通过旋转空心蜗杆，使得两截蜗杆的工作面与蜗轮齿发生接触，设置好齿侧间隙，用涨紧套将两截蜗杆固联。该传动存在啮合齿数少、蜗杆结构刚性差、承载能力低等不足。
4) 侧隙可调式变齿厚齿轮包络环面蜗杆传动，其蜗轮轮齿的两侧齿平面倾角不等，轮齿沿轴向呈楔形，蜗杆齿面为以变齿厚齿轮齿面为母面的包络面，通过轴向移位变齿厚齿轮，可以实现全部齿侧间隙的合理调整。但该传动存在无法精确进行侧隙调整和磨损补偿等不足。
5) 无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动，其蜗杆是以蜗轮齿面为原始母面经一次包络形成的环面蜗杆，蜗轮轮齿则是两个能够绕其自身轴线转动的滚子，通过调整两滚子之间的相位角，可实现对传动副侧隙的调整和磨损量的补偿。但该传动存在滚子支撑轴较小、蜗轮刚性较差、承载能力较低等不足。
6) 无侧隙单滚子包络环面蜗杆传动，其蜗轮轮齿为滚子，环面蜗杆齿面是以滚子圆柱面为母面的包络面，同时对环面蜗杆齿面进行修形处理，使其中间轮齿两侧不接触，左右两侧轮齿对称单侧啮合，进行实现在运行过程中，一侧传递动力另一侧消除回程差。但该传动存在同时啮合齿数少、修形加工难度大、承载能力低等不足。
综上，现有精密蜗杆传动普遍存在承载能力低、高精加工难度大、侧隙调整困难等不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述精密蜗杆传动中存在的不足，提出一种无侧隙阶梯滚柱包络环面蜗杆传动。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
无侧隙阶梯滚柱包络环面蜗杆传动，包括阶梯滚柱、齿坯、芯轴和蜗轮体，所述阶梯滚柱由直径不同的上端滚子和下端滚子安装在同一芯轴上形成，所述阶梯滚柱共设置有多个，多个所述阶梯滚柱绕齿坯均匀分布形成阶梯滚柱蜗轮，多个所述阶梯滚柱的柱面按啮合运动关系包络形成环面蜗杆齿面，所述芯轴的一端与蜗轮体螺纹连接，所述下端滚子包括第一滚针和第一外圈，且第一外圈套设于第一滚针的外壁上，所述上端滚子包括第二滚针和第二外圈，且第二外圈套设与第一滚针的外壁上。
进一步的，所述上端滚子的直径小于下端滚子的直径。
进一步的，所述阶梯滚柱通过芯轴固定安装于蜗轮体上，使的上端滚子和下端滚子与芯轴之间通过第一滚针和第二滚针实现相对转动。
进一步的，所述芯轴的外壁上套设有垫片，且垫片位于上端滚子和下端滚子之间，分别独立转动。
进一步的，所述环面蜗杆齿面两侧阶梯齿面均全齿面整体修形。
进一步的，所述环面蜗杆齿面的上台阶面过盈修形，所述环面蜗杆齿面的相应下台阶面间隙修形，且环面蜗杆齿面的另一侧反向过盈修形。
进一步的，所述上端滚子和下端滚子的表面与环面蜗杆齿面均采用高硬度材料热处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
该发明精密无侧隙阶梯滚柱包络环面蜗杆传动具有传动效率高、承载能力高、传动精度高、零回差、低噪声等优点。
附图说明
图1为本发明无侧隙阶梯滚柱包络环面蜗杆传动的结构示意图；
图2为本发明阶梯滚柱蜗轮的滚柱的安装方式的示意图；
图3为本发明上侧滚柱包络环面蜗杆齿面修形原理的示意图；
图4为本发明下侧滚柱包络环面蜗杆齿面修形原理的示意图。
图中标记：1、蜗轮体；2、下端滚子；3、上端滚子；4、滚子包络环面蜗杆；5、第一外圈；6、第一滚针；7、垫片；8、第二外圈；9、第二滚针；10、芯轴；11、第一实际齿面；12、第二理论齿面；13、第一理论环面蜗杆齿面；14、第二实际齿面；15、第三实际齿面；16、第二理论环面蜗杆齿面；17、第四实际齿面；18、第三理论齿面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，无侧隙阶梯滚柱包络环面蜗杆传动，包括阶梯滚柱、齿坯、芯轴10和蜗轮体1，阶梯滚柱由直径不同的上端滚子3和下端滚子2安装在同一芯轴10上形成，阶梯滚柱共设置有多个，多个阶梯滚柱绕齿坯均匀分布形成阶梯滚柱蜗轮，多个阶梯滚柱的柱面按啮合运动关系包络形成环面蜗杆齿面，芯轴10的一端与蜗轮体1螺纹连接，下端滚子2包括第一滚针6和第一外圈5，且第一外圈5套设于第一滚针6的外壁上，上端滚子3包括第二滚针9和第二外圈8，且第二外圈8套设与第一滚针6的外壁上，上端滚子3的直径小于下端滚子2的直径，阶梯滚柱通过芯轴10固定安装于蜗轮体1上，使的上端滚子3和下端滚子2与芯轴10之间通过第一滚针6和第二滚针9实现相对转动，芯轴10的外壁上套设有垫片7，且垫片7位于上端滚子3和下端滚子2之间，环面蜗杆齿面两侧阶梯齿面均全齿面整体修形，环面蜗杆齿面的上台阶面过盈修形，环面蜗杆齿面的相应下台阶面间隙修形，且环面蜗杆齿面的另一侧反向过盈修形，上端滚子3和下端滚子2的表面与环面蜗杆齿面均采用高硬度材料热处理，热处理后进行精确磨削加工。
滚子包络环面蜗杆4齿面进行了修形处理，在2-1位置处，在第二理论齿面12的蜗杆齿面的基础上bd段沿齿面法向向外修形的深度，使得一侧第一实际齿面11与蜗轮下端滚子2产生法向的过盈，在另一侧的第一理论环面蜗杆齿面13的基础上ce段沿齿面法向向内修形的深度，使得另一侧第二实际齿面14与蜗轮下端滚子2产生法向的间隙。在第二理论齿面12的ab段和df段进行倒坡修形，在第一理论环面蜗杆齿面13的ac段和ef段进行倒坡修形，使得第一实际齿面11和第二实际齿面14与下端滚子2的啮入啮出过程更加稳定、降低了运行时的振动和噪声。在2-2位置处，在第二理论环面蜗杆齿面16的基础上BD段沿齿面法向向内修形的深度，使得一侧第三实际齿面15与上端滚子3产生法向的间隙，在另一侧的第三理论齿面18的基础上，CE段沿齿面法向向外修形的深度，使得另一侧第四实际齿面17与上端滚子3产生法向的过盈。在第二理论环面蜗杆齿面16的AB段和DF段进行倒坡修形，在第三理论齿面18的AC段和EF段继续倒坡修形，使得第三实际齿面15和第四实际齿面17与上端滚子3的啮入啮出过程更加稳定、降低了运行时的振动和噪声，修形使得滚子包络环面蜗杆4传动副的蜗杆正反转均存在一定的啮合过盈量，进而形成零回差的无侧隙传动，同时啮合齿数对数在四对及以上，使得传动副承载能力大大提高。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
