基于滚柱包络端面啮合蜗杆传动的传动理论与等温弹流润滑理论,考虑表面波状粗糙度的影响,采用数值分析方法着重分析了传动副不同啮合位置、粗糙度幅值、滚柱半径以及喉径系数对弹流润滑性能的影响。结果表明,传动副啮出位置蜗轮齿顶处润滑性能最差;粗糙度幅值、滚柱半径、喉径系数的增加均对润滑性能产生正面影响,会使油膜厚度增加、油膜压力下降。

基于滚柱包络端面蜗杆传动副的啮合原理,综合考虑中心距、滚柱半径、喉颈系数、蜗轮直径各项几何参数的影响,根据弹性流体动压润滑理论,在Matlab中采用牛顿迭代法和NewtonRaphson法对其数值计算求解,对该新型传动副共轭齿进行研究,完成了共轭齿间线接触问题的分析;给出了该传动副共轭齿面在几何参数变化下,粗糙度幅度值大小变化下的润滑油膜压力和油膜厚度示意图,并进行了分析。结果表明,该传动副性能较好,影响润滑的重要参数为滚柱半径与啮合位置,而喉颈系数和蜗轮直径参数对润滑特性影响不大;共轭齿面间能够产生全膜润滑,避免发生直接接触,减小磨损量并降低油温,能够同时提升传动效率与抗胶合能力。为该新型传动副的研制提出了必要的理论依据。

基于单滚子包络环面蜗杆传动,修改得到了一种新型蜗杆传动——并列倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动。根据单滚子包络蜗杆传动原理以及空间齿轮啮合理论,构建了并列倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动的基础数学模型;以建立的数学模型为基础,分析推导了该新型蜗杆传动的基本特性参数——诱导法曲率、润滑角、自转角以及啮合方程、齿面方程等;根据得到的基本特性参数,分析了该新型蜗杆传动的啮合性能。结果表明,该新型蜗杆传动具有良好的啮合性能。

为了改善蜗杆传动副的润滑性能和抗胶合能力,提高其传动效率,在弹性流体动压润滑理论和倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动啮合特点研究的基础上,建立了倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动的线接触弹流润滑模型;基于Ree-Eyring流体线接触弹流润滑膜的数学模型,分析传动过程中等温最小油膜厚度及热弹流润滑最小油膜厚度的分布规律,分析了滚柱半径、滚柱偏距、喉径系数及倾斜角对热弹流润滑最小油膜厚度的影响。分析结果表明,倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动具有更好的润滑性能;滚柱半径和喉径系数对传动副的润滑性能影响最大,为了使该传动副保持较好的润滑性能,其滚柱半径不宜过大,滚柱偏距和喉径系数不宜过小。

综合考虑时变啮合刚度、传递误差和粗糙峰摩擦因数的影响,基于载荷分担理论和动力学理论建立了TI环面蜗杆传动副简易动力学模型,将摩擦动力学特性考虑到线接触弹流润滑理论(EHL)中,求解获得啮合周期内轮齿的啮合力与摩擦力变化趋势,绘制了不同参数下油膜压力和油膜厚度的分布情况。计算结果表明,低速时,啮入端的轮齿啮合力和摩擦力均大于高速时的啮合力和摩擦力;螺旋角增大,啮入端和啮出端的轮齿啮合力都明显增大;轮齿摩擦力随转速变化较小。最大摩擦力值降低,可提高蜗轮副传动寿命;轮齿啮合刚度对油膜压力和油膜厚度的影响最大,轮齿啮合力和粗糙峰摩擦因数影响较小。

为了消除环面蜗杆传动的齿侧间隙,提出一种新型倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动。基于倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动的啮合几何学基础,对传动副的啮合性能进行了分析;加工制造并装配了首台倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动减速机样机;在磁粉加载式机械传动性能试验台上,对样机在几种特定转速情况下的传动性能进行了试验研究。研究表明,倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动副具有良好的啮合性能,该传动副测试样机传动效率在70.5%~75.8%之间,平均油温低于50℃,噪声在70~100 d B之间,箱体油温较低、温升较小。