电容式叶尖间隙测量系统CAPABLADE Fusion
1. 公司介绍 FOGALE Nanotech成立于1983年，现在已经成为非接触式测量领域的领导者 通过与pretigious实验室及ONERA, SNECMA, TURBOMECA等行业领导者的合作，FOGALE开发出了新的特种测试技术，专门用于航空发动机健康状态监测，叶尖间隙测量和转子叶片振动控制。其中几项技术已获得国际专利 FOGALE公司的丰富经验与多学科的人员队伍的结合，为用户带来了标准的或定制的解决方案和高性能测量系统 2. 系统优点： 1)静态标定，无需动态模拟 2)线损自动补偿，三种补偿模式 3)自动匹配电缆长度 4)高测量精度 5)高频响 3.系统主要性能指标： 测量范围：0－4mm 分辨率：1微米 测量精度： 1m m宽叶片，在1mm间隙处，测量精度优于±15微米 设备通道数: 单个机箱最多12通道 系统频响：230KHz 探头耐温：1400°C
4.用户名单及项目说明： 国内： 沈阳606所涡轮叶尖间隙测量系统4通道，1400℃ 株洲608所 涡轮叶尖间隙测量系统20通道，1100/1400℃ 哈尔滨703所 涡轮叶尖间隙测量系统3通道， 1400℃ 工程热物理所 涡轮叶尖间隙测量系统 6通道， 1400℃ 江油624所/东方汽轮机 涡轮叶尖间隙测量系统 28通道，1000℃ 国际： Roll Royce 英国和德国: 50通道Trent发动机叶尖间隙测量850 和 1400℃ Roll Royce加拿大 尾喷口振动测量，2通道 Smith Aerospace : 850℃叶尖间隙测量和燃烧颗粒监测 Siemens Sweden: GT50MW 5通道叶尖间隙测量系统 NPO saturn Russia: SAM146发动机，用于Sukkoy飞机压气机部分，15通道 叶尖间隙测量系统 Italia: 10通道叶尖间隙测量系统 AVIO Ansaldo Energy Italia : 850℃用于叶尖间隙测量 Roll Royce 加拿大: 排气管壁振动检测 Snecma 法国 : SAM146发动机，涡轮部分，1400℃，30通道叶尖间隙 测量系统和叶片到达时刻（Tip-timing，非接触式叶片振 动测量）测量 GTRE印度燃气涡轮研究院 850 和 1400℃，40通道叶尖间隙测量 MTU 德国 : 叶尖间隙测量，用于测试台及机载 : 直升机涡轮，叶尖间隙 Eurocopter Ansaldo Energy Italia: 叶尖间隙测量系统 Dassault：机载叶尖间隙测量系统
蜗轮的计算公式： 1传动比=蜗轮齿数×蜗杆头数 2中心距=（蜗轮节圆直径+蜗轮节圆直径）△2 三。蜗轮中径=（齿数+2）×模数 4蜗轮齿数×蜗轮模数 5蜗杆螺距直径=蜗杆外径-2×模数 6蜗杆引线=π×元件×头数 7螺旋角（前角）TGB=（模数×头数）×蜗杆节径 基本参数： 蜗轮蜗杆模数m、压力角、蜗杆直径系数Q、导程角、蜗杆头数、蜗杆齿数、齿高系数（1）、间隙系数（0.2）。其中，模数m和压力角是蜗轮轴表面的模数和压力角，即蜗轮端面的模数和压力角，两者均为标准值。蜗杆直径系数q是蜗杆分度圆直径与其模数M的比值。 蜗轮蜗杆正确啮合的条件：
在中间平面，蜗杆和蜗轮的模数和压力角分别相等，即蜗轮端面的模数等于蜗杆轴线的模数，即标准值。蜗轮端面的压力角应等于蜗杆的轴向压力角和标准值，即==M。 当蜗轮的交角一定时，必须保证蜗轮和蜗杆的螺旋方向一致。 蜗轮结构通常用于在两个交错轴之间传递运动和动力。蜗轮相当于中间平面上的齿轮和齿条，蜗杆和螺钉的形状相似。 分类 这些系列大致包括：1。Wh系列蜗轮减速器：wht/whx/whs/whc2；CW系列蜗轮减速器：CWU/CWS/cwo3；WP系列蜗轮减速器：WPA/WPS/WPW/WPE/wpz/wpd4；TP系列包络蜗轮减速器：TPU/TPS/TPA/tpg5；PW型平面双包环面环面蜗杆减速器；另外，根据蜗杆的形状，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环形蜗杆传动和斜蜗杆传动。[1] 组织特征 1该机构比交错斜齿轮机构具有更大的传动比。2两轮啮合齿面间存在线接触，其承载能力远高于交错斜齿轮机构。三。蜗杆传动相当于螺旋传动，即多齿啮合传动，传动平稳，
齿轮及蜗轮蜗杆的测绘 齿轮和蜗轮蜗杆结构较为复杂，因而此类零件的测绘较一般常见零件更为繁琐，是一项细致的工作。本章主要讨论我国最常用的标准直齿圆柱齿轮、标准斜齿圆柱齿轮和标准直齿圆锥齿轮以及蜗轮蜗杆的功用与结构、测绘步骤、几何参数的测量和基本参数的确定等内容。 8.1 齿轮测绘概述 8.1.1 齿轮的功用与结构 齿轮是组成机器的重要传动零件，其主要功用是通过平键或花键和轴类零件连接起来形成一体，再和另一个或多个齿轮相啮合，将动力和运动从一根轴上传递到另一根轴上。 齿轮是回转零件，其结构特点是直径一般大于长度，通常由外圆柱面（圆锥面）、内孔、键槽（花键槽）、轮齿、齿槽及阶梯端面等组成，根据结构形式的不同，齿轮上常常还有轮缘、轮毂、腹板、孔板、轮辐等结构。按结构不同齿轮可分为实心式、腹板式、孔板式、轮辐式等多种型式，如果齿轮和轴做在一起，则形成齿轮轴。按轮齿齿形和分布形式不同，齿轮又有多种型式，常用的标准齿轮可分为直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、圆锥齿轮等。 8.1.2 齿轮的测绘步骤 齿轮测绘是机械零部件测绘的重要组成部分，测绘前，首先要了解被测齿轮的应用场合、负荷大小、速度高低、润滑方式、材料与热处理工艺和齿面强化工艺等。因为齿轮是配对使用的，因而配对齿轮要同时测量。特别是当测绘的齿轮严重损坏时，一些参数无法直接测量得到，需要根据其啮合中心距ａ和齿数ｚ，重新设计齿形及相关参数，从这个意义上讲，齿轮测绘也是齿轮设计。 齿轮测绘主要是根据齿轮及齿轮副实物进行几何要素的测量，如齿数z，齿顶圆直径ｄa，齿根圆直径dｆ、齿全高h、公法线长度W k、中心距a、齿宽ｂ、分度圆弦齿厚s及固定弦齿厚ｓc、齿轮副法向侧隙ｎ及螺旋角β、分锥角δ、锥距R等，经过计算和分析，推测出原设计的基本参数，如模数m、齿形角α、齿顶高系数h a*、顶隙系数C*等，并据此计算出齿轮的几何尺寸，如齿顶圆直径d a、分度圆直径d及齿根圆直径d f等，齿轮的其它部分结构尺寸按一般测绘原则进行，以达到准确地恢复齿轮原设计的目的。 由于齿轮的特殊性，齿轮测绘有别于其它一般零件。首先，齿轮通常精度较高，测量时要选用比较精密的量具，有条件时可借助于精密仪器测量，其次，齿轮的许多参数都己标准化，测绘中必须与其标准值进行比较；再则，齿轮的许多参数都是互相关联的，必须经过计算获得。齿轮测绘的一般步骤为： 1. 首先对要测绘的齿轮进行结构和工艺分析。 2. 画出齿轮的结构草图和必须的参数表，并画出所需标注尺寸的尺寸界线及尺寸线。 130
3、间隙控制技术 现代航空发动机先进的气动设计与试验方法已使压气机效率高达88%以上。再要进一步提高发动机性能，就要尽量减小气流泄漏，减少流道中的端壁损失。叶尖间隙损失是通道端壁损失的重要组成部分，这种损失是由动叶和机匣间的间隙造成的。中等推力、中等增压比的发动机，叶片高度较大，由叶尖间隙造成的损失还不很严重。随着增压比的增加，叶片高度显著缩短，高压压气机后几级的叶高有的已缩短到20-30mm，这样叶尖间隙造成的损失变得非常显著。根据实测，叶尖间隙相对值（即间隙/叶片高度）增加1%，效率约降低1%；而效率降低1%，耗油率约增加2%。因此，为了保持发动机在主要工作状态下间隙最小，在其它状态不发生干扰摩擦，提出了间隙控制问题。 叶尖间隙控制的方法可以分为被动控制和主动控制两种。 被动间隙控制 被动间隙控制，即不随发动机工作状况调节的间隙控制技术。主要对转子和静子在不同工作状态下的受力状况进行认真分析，尤其是对机匣在各种工况下的热变化进行精心设计，以求转、静子之间的热配合恰当，使间隙保持在允许的范围内。一般过去研制的发动机都采用这种方法。主要是通过减小装配间隙、采用双层机匣或低线膨胀系数的合金做机匣等途径来减小发动机工作时的径向间隙。美国GE公司的CF6在前安装节处增加一个切向连杆，使压气机机匣最大局部变形由1.8mm减小到1mm，从而减小压气机间隙。美国普?惠公司的JT9D在外封气环上喷覆陶瓷涂层，在叶尖上敷以碳化硅涂层，以改善环与叶片之间的可磨合性。在JT8D高压压气机外环上喷涂镍铬聚酯易磨材料，使转子叶片旋转时，利用叶片在外环上磨出环槽，以减小间隙。英国罗?罗公司的RB211采用双层结构机匣，保持气流通道的内层机匣仅承受气动载荷，外层机匣则承受并传递结构载荷，刚性较好的外层机匣变形小，可以使RB211在飞行时保持均匀的叶尖间隙。在设计机匣时，应使机匣在不同的发动机工作状态下直径的变化与转子叶尖的径向膨胀尽可能一致，从而保证巡航状态间隙较小。另外，还可以采用低线膨胀系数材料做压气机机匣，由于稳态下可以得到更小的间隙，而瞬态下压气机机匣与转子能更好地配合，预计效率能改进0.4%。在压气机机匣上开槽，使叶尖间隙伸入一矩形槽或沟中，也是控制叶尖间隙、提高压气机性能的有效方法之一。目前，CF6-80C2、CFM56-5、RB211-524G/H、PW4000发动机都在压气机机匣上开有斜槽。 主动间隙控制 主动间隙控制是根据发动机的工作状态，人为地控制机匣或转子的膨胀量，使转子和静子的热响应达到较好的匹配，在高空巡航状态间隙尽可能小，而在其它状态又不致发生干扰摩擦。英国罗?罗公司的RB211发动机的叶尖间隙的主动控制是根据叶尖间隙传感器信号使封严环前后移动，将间隙保持在±0.25mm。美国GE公司为高效节能发动机E3的压气机设计的主动控制系统，是通过调节压气机后机匣上的第5级放气量来实现对第6级到第10级压气机的间隙控制。美国普?惠公司的PW4000发动机的高压压气机采用了"热效"转子（Thermotics rotor），即在起飞和巡航过程中，将压气机第9级和第15级的空气引入转子内腔，以保持较小的径向间隙。 此外，采用更先进的刷式封严取代传统的篦齿封严能有效减少径向间隙的漏气量，提高发动机效率达4%-6%。目前，EJ200、V2500、XG40发动机都已采用刷式封严。近年，NASA 兰利研究中心又开始研制一种新的叶尖间隙自适应控制法--形状记忆合金法。它是将形状记忆合金环放置在压气机每级的凸肩上，当每级达到自身的工作温度时形状记忆合金环径向收缩，将运转间隙降低到某一预定值。实验发现，装上这种形状记忆合金环能提高压气机效率0.8%，耗油率将下降0.2-0.4%。
第３３卷第４期２０１２年７月应 用 光 学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ ＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．３３Ｎｏ．４ Ｊｕｌ．２０１２ 收稿日期：２０１１－０９－１５； 修回日期：２０１１－１１－ １０基金项目：四川省科技支撑计划项目（２０１２ＧＺ００２２ ）作者简介：范小虎（１９８８－） ，男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要从事光电成像与检测技术研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｏｔｉａｎｘｉｎｇ ２００７＠１６３．ｃｏｍ文章编号：１００２－２０８２（２０１２）０４－０７４３－ ０４发动机叶尖间隙影像测量系统的设计 范小虎，朱目成，聂诗良 （西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室，四川绵阳６２１０１０ ）摘 要：发动机转子叶片叶尖到开半机匣内壁径向距离是衡量发动机质量是否合格的一个重要指标， 其值的大小对发动机的高效安全运行至关重要。利用立体视觉原理、自动聚焦技术和边缘检测算法，设计了一套发动机装配过程中叶尖间隙静态测量装置。该测量装置实现了对发动机叶尖间隙的非接触测量， 且操作简单，测量精度高。实验结果表明该套装置测量精度达到２０μｍ。 关键词：叶尖间隙；立体视觉；自动聚焦；Ｃａｎｎｙ 中图分类号：ＴＮ２０７；ＴＨ４３２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１２３３．０４０３００２ Ｉｍａｇｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｔｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅＦＡＮ Ｘｉａｏ－ｈｕ，ＺＨＵ Ｍｕ－ｃｈｅｎｇ，ＮＩＥ Ｓｈｉ－ｌｉａｎｇ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｇａｐ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｒｏｔｏｒ ｂｌａｄｅ ｔｉｐ ｔｏ ｔｈｅ ｏｐｅｎ ｈａｌｆ ｍａｃｈｉｎｅ ｍａｇａｚｉｎｅ ｉｓ ａｎ ｉｍ－ｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｔｈａｔ ｉｎｓｐｅｃｔｓ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｉｓ ｑｕａｌｉｆｉｅｄ．Ａｎｄ ｉｔｓ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｏｆ ｐ ｒｉｍｅ ｉｍ－ｐｏｒｔａｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｏｎ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔｅｒｅｏ ｖｉｓｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｏｃｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｄｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｂｌａｄｅ ｔｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｃｏｎ－ｔａｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｏ ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ ｒｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ａｃｃｕｒａｃｙ ｍｅａｓ－ｕｒｅｍｅｎｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ｔｏ ２０μｍ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅ；ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ ｖｉｓｉｏｎ；ａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ；Ｃａｎｎｙ引言 研究表明［１］ 发动机叶尖间隙值越小，压气机 工作效率就越高，所需的耗油量就越少。但叶尖间隙设计过小，或转子叶片安装过程中偏离预定位置。发动机工作时，会造成叶片与机匣内壁的摩擦与碰撞， 影响发动机的寿命。目前国内外对发动机的叶尖间隙的动态测量研究比较多，但对其在装配过程中的叶尖间隙的静态测量还比较少。国内大多还采用塞尺法测量，在欧美国家采 取的测量方法［ ２］ 有激光法、光纤法等。而采用图像方式测量，则很少。在国内清华大学提出的辐 射成像测量法［１］ 还处在研究阶段。本文提出了叶 尖间隙光学影像测量方法，并展开可行性的实验研究。 １ 叶尖间隙影像测量系统的原理 发动机叶尖间隙影像测量系统［３－ ４］如图１所 示。其工作原理：当工控机发出开始工作命令，照
蜗轮、蜗杆的计算公式： 1，传动比=蜗轮齿数÷蜗杆头数 2，中心距=（蜗轮节径+蜗杆节径）÷2 3，蜗轮吼径=（齿数+2）×模数 4，蜗轮节径=模数×齿数 5，蜗杆节径=蜗杆外径-2×模数 6，蜗杆导程=π×模数×头数 7，螺旋角（导程角）tgβ=（模数×头数）÷蜗杆节径 一．基本参数： （1）模数m和压力角α： 在中间平面中，为保证蜗杆蜗轮传动的正确啮合，蜗杆的轴向模数m a1和压力角αa1应分别相等于蜗轮的法面模数m t2和压力角αt2，即 m a1=m t2=m αa1=αt2 蜗杆轴向压力角与法向压力角的关系为: tgαa=tgαn/cosγ 式中：γ-导程角。 （2）蜗杆的分度圆直径d1和直径系数q 为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，要用与蜗杆尺寸相同的蜗杆滚刀来加工蜗轮。由于相同的模数，可以有许多不同的蜗杆直径，这样就造成要配备很多的蜗轮滚刀，以适应不同的蜗杆直径。显然，这样很不经济。 为了减少蜗轮滚刀的个数和便于滚刀的标准化，就对每一标准的模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1，而把及分度圆直径和模数的比称为蜗杆直径系数q，即： q=d1/m 常用的标准模数m和蜗杆分度圆直径d1及直径系数q，见匹配表。 （3）蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2
蜗杆头数可根据要求的传动比和效率来选择，一般取z1＝1-10，推荐z1＝1，2，4，6。
选择的原则是：当要求传动比较大，或要求传递大的转矩时，则z1取小值；要求传动自锁时取z1＝1；要求具有高的传动效率，或高速传动时，则z1取较大值。蜗轮齿数的多少，影响运转的平稳性，并受到两个限制：最少齿数应避免发生根切与干涉，理论上应使z2min≥17，但z2＜26时，啮合区显著减小，影响平稳性，而在z2≥30时，则可始终保持有两对齿以上啮合，因之通常规定z2＞28。另一方面z2也不能过多，当z2＞80时(对于动力传动)，蜗轮直径将增大过多，在结构上相应就须增大蜗杆两支承点间的跨距，影响蜗杆轴的刚度和啮合精度；对一定直径的蜗轮，如z2取得过多，模数m就减小甚多，将影响轮齿的弯曲强度；故对于动力传动，常用的范围为z2≈28-70。对于传递运动的传动，z2可达200、300，甚至可到1000。z1和z2的推荐值见下表 （4）导程角γ 蜗杆的形成原理与螺旋相同，所以蜗杆轴向齿距p a与蜗杆导程p z的关系为p z＝z
蜗轮蜗杆-齿轮-齿条的计算及参数汇总渐开线齿轮有五个基本参数，它们分别是： 标准齿轮：模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数为标准值，且分度圆上的齿厚等于齿槽宽的渐开线齿轮。 我国规定的标准模数系列表 注:选用模数时,应优先采用第一系列,其次是第二系列,括号内的模数尽可能不用.
系列（1）渐开线圆柱齿轮模数（GB/T 1357-1987）第一系列0.1 0.12 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 第二系列0.35 0.7 0.9 0.75 2.25 2.75 （3.25）3.5 （3.75） 4.5 5.5 （ 6.5）7 9 （11）14 18 22 28 （30）36 45 （2）锥齿轮模数（GB/T 12368-1990） 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.125 1.25 1.375 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 8 9 10 11 12 14 16 18 20 22 25 28 30 32 36 40 45 50 注: 1.对于渐开线圆柱斜齿轮是指法向模数。 2.优先选用第一系列，括号内的模数尽可能不用。 3.模数代号是m，单位是mm 名称含有蜗轮的标准 SH/T 0094-91 (1998年确认)蜗轮蜗杆油94KB SJ 1824-81 小模数蜗轮蜗杆优选结构尺寸206KB JB/T 8809-1998 SWL 蜗轮螺杆升降机型式、参数与尺寸520KB JB/T 8361.2-1996 高精度蜗轮滚齿机技术条件206KB JB/T 8361.1-1996 高精度蜗轮滚齿机精度261KB 名称含有蜗杆的标准 SH/T 0094-91 (1998年确认)蜗轮蜗杆油94KB QC/T 620-1999 A型蜗杆传动式软管夹子347KB QC/T 619-1999 B型和C型蜗杆传动式软管夹子83KB GB／T 19935-2005蜗杆传动蜗杆的几何参数-蜗杆装置的铭牌、中心距、用户提供给制造者的参数121KB SJ 1824-81 小模数蜗轮蜗杆优选结构尺寸206KB JB/T 9925.2-1999 蜗杆磨床技术条件160KB JB/T 9925.1-1999 蜗杆磨床精度检验244KB JB/T 9051-1999 平面包络环面蜗杆减速器922KB JB/T 8373-1996 普通磨具蜗杆砂轮250KB JB/T 7936-1999 直廓环面蜗杆减速器731KB JB/T 7935-1999 圆弧圆柱蜗杆减速器467KB JB/T 7848-1995 立式圆弧圆柱蜗杆减速器175KB JB/T 7847-1995 立式锥面包铬圆柱蜗杆减速器203KB JB/T 7008-1993 ZC1型双级蜗杆及齿轮蜗杆减速器548KB JB/T 6387-1992 轴装式圆弧圆柱蜗杆减速器679KB JB/T 5559-1991 锥面包络圆柱蜗杆减速器524KB JB/T 5558-1991 蜗杆减速器加载试验方法96KB JB/T 53662-1999 圆弧圆柱蜗杆减速器产品质量分等274KB JB/T 3993-1999 蜗杆砂轮磨齿机精度检验287KB
一、蜗轮、蜗杆齿轮的功用与结构 蜗轮、蜗杆的功用主要用于传递交错轴间运动和动力，通常，轴交角∑＝90°。其优点是传动比大，工作较平稳，噪声低，结构紧凑，可以自锁；缺点是当蜗杆头数较少时，传动效率低，常需要采用贵重的减摩有色金属材料，制造成本高。 蜗轮是回转形零件，蜗轮的结构特点和齿轮基本相似，直径一般大于长度，通常由外圆柱面、内环面、内孔、键槽（花键槽）、轮齿、齿槽等组成。根据结构形式的不同，齿轮上常常还有轮缘、轮毂、腹板（孔板）、轮辐等结构。按结构不同蜗轮可分为实心式、腹板式、孔板式、轮辐式等多种型式。 蜗杆的结构和轴相似，其结构特点是长度一般大于直径，通常由外圆柱面、圆锥面、螺纹及阶梯端面等所组成。蜗杆上啮合部分的轮齿呈螺旋状，有单头和多头之分，单头蜗杆的自锁性能好、易加工，但传动效率低。 二、普通圆柱蜗轮、蜗杆的测绘步骤 蜗轮、蜗杆的测绘比较复杂，要想获得准确的测绘数据，就必须具备较全面的蜗杆传动方面的知识。同时应合理选择测量工具及必要的检测仪器，掌握正确的测量方法，并对所测量的数据进行合理的分析处理，提出接近或替代原设计的方案，直接为生产服务。 测绘蜗轮、蜗杆时，主要是确定蜗杆轴向模数m a（即蜗轮端面模数m t），蜗杆的直径系数q和导程角γ(即蜗轮的螺旋角β)。下面以普通圆柱蜗轮蜗杆测绘为例，说明标准蜗轮蜗杆的基本测绘步骤。 1. 首先对要测绘的蜗轮、蜗杆进行结构和工艺分析。 2. 画出蜗轮、蜗杆的结构草图和必须的参数表，并画出所需标注尺寸的尺寸界线及尺寸线。 3. 数出蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2。 4. 测量出蜗杆齿顶圆直径d a l、蜗轮喉径d a i和蜗轮齿顶外圆直径d ae。 5. 在箱体上测量出中心距a。 6. 确定蜗杆轴向模数m a (即涡轮端面模数m t) 7. 确定蜗杆的导程角γ(蜗轮的螺旋角β)，并判定γ及β的方向。 根据计算公式tgγ= z 1m a / d1，因d1= d a1-2m a则 γ= tg -1 z1m a/ (d a1-2m a) 8. 确定蜗杆直径系数q 根据计算公式q = d 1/ m a 或q = z1/ tgγ计算出q值，且应按标准系列选取与其相近的标 准数值。 9. 根据计算公式，计算出其它各基本尺寸，如齿根圆直径d f1、d f2，齿顶高h a1、h a2，齿根高h f1、h f2等。 10. 所得尺寸必须与实测中心距a核对，且符合计算公式： a = m a / 2 (q+z2) 11. 测量其它各部分尺寸，如毂孔直径、键槽尺寸等。 12. 根据使用要求，确定蜗轮、蜗杆的精度，一般为7~9级。 13. 用类比法或查资料确定配合处的尺寸公差和形位公差。 14. 用粗糙度量块对比或根据各部分的配合性质确定表面粗糙度。 15. 尺寸结构核对无误后，绘制零件图。 三、普通圆柱蜗杆、蜗轮的测绘 1. 几何参数的测量 （1）蜗杆头数z1〔齿数)、蜗轮齿数z2 目测确定z1，并数出z2。
普通圆柱蜗杆传动承载能力计算 (一)蜗杆传动的失效形式、设计准则及常用材料 和齿轮传动一样，蜗杆传动的失效形式也有点蚀(齿面接触疲劳破坏)、齿根折断、曲面胶合及过度磨损等。由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度，所以失效经常发生在蜗轮轮齿上。因此，一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算。由于蜗杆与蜗轮齿面间有较大的相对滑动，从而增加了产生胶合和磨损失效的可能性，尤其在某些条件下(如润滑不良),蜗杆传动因齿面胶合而失效的可能性更大。因此，蜗杆传动的承载能力往往受到抗胶合能力的限制。 在开式传动中多发生齿面磨损和轮齿折断，因此应以保证齿根弯曲疲劳强度作为开式传动的主要设计准则。 在闭式传动中，蜗杆副多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，通常是按齿面接触疲劳强度进行设计，而按齿根弯曲疲劳强度进行校核。此外，闭式蜗杆传动，由于散热较为困难，还应作热平衡核算。 由上述蜗杆传动的失效形式可知，蜗杆、蜗轮的材料不仅要求具有足够的强度，更重要的是要具有良好的磨合和耐磨性能。 蜗杆一般是用碳钢或合金钢制成。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr，并经渗碳淬火；也可用40、45号钢或40Cr并经淬火。这样可以提高表面硬度，增加耐磨性。通常要求蜗杆淬火后的硬度为40～55HRC，经氮化处理后的硬度为55～62HRC。一般不太重要的低速中载的蜗杆，可采用40或45号钢，并经调质处理，其硬度为220～300HBS。 常用的蜗轮材料为铸造锡青铜(ZCuSnlOPl，ZCuSn5Pb5Zn5)、铸造铝铁青铜(ZCuAl10Fe3)及灰铸铁(HTl5O、HT2OO)等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，用于滑动速度Vs≥3m/s的重要传动；铝铁青铜的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，一般用于滑动速度Vs≤4m/s的传动；如果滑动速度不高(Vs<2m/s)，对效率要求也不高时，可采用灰铸铁。为了防止变形，常对蜗轮进行时效处理。 (二)蜗杆传动的受力分析 蜗杆传动的受力分析和斜齿圆柱齿轮传动相似。在进行蜗杆传动的受力分析时，通常不考虑摩擦力的影响。 图<蜗杆传动的受力分析>所示是以右旋蜗杆为主动件，并沿图示的方向旋转时，蜗杆螺旋面上的受力情况。设Fn为集中作用于节点P处的法向载荷，它作用于法向截面Pabc内(图<蜗杆传动的受力分析>a)。Fn可分解为三个互相垂直的分力，即圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa。显然，在蜗杆与蜗轮间，相互作用着Ft1与Fa2、Fr1与Fr2和Fa1与Ft2 这三对大小相等、方向相反的力(图<蜗杆传动的受力分析>c)。
蜗轮、蜗杆的计算公式： 1 1，传动比=蜗轮齿数÷蜗杆头数 2 2，中心距=（蜗轮节径+蜗杆节径）÷2 3 3，蜗轮吼径=（齿数+2）×模数 4 4，蜗轮节径=模数×齿数 5 5，蜗杆节径=蜗杆外径-2×模数 6 6，蜗杆导程=π×模数×头数 7 7，螺旋角（导程角）tgβ=（模数×头数）÷蜗杆节径8 一．基本参数： 9 （1）模数m和压力角α： 10 在中间平面中，为保证蜗杆蜗轮传动的正确啮合，蜗杆的轴向模数m a1和压 11 力角α a1应分别相等于蜗轮的法面模数m t2 和压力角α t2 ，即 12 m a1=m t2 =m α a1 =α t2 13 蜗杆轴向压力角与法向压力角的关系为: 14 tgα a =tgα n /cosγ 15 式中：γ-导程角。 16 （2）蜗杆的分度圆直径d 1和直径系数q 17
为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，要用与蜗杆尺寸相同的蜗杆滚刀来加工蜗18 轮。由于相同的模数，可以有许多不同的蜗杆直径，这样就造成要配备很多的蜗19 轮滚刀，以适应不同的蜗杆直径。显然，这样很不经济。 20 为了减少蜗轮滚刀的个数和便于滚刀的标准化，就对每一标准的模数规定了21 一定数量的蜗杆分度圆直径d1，而把及分度圆直径和模数的比称为蜗杆直径系22 数q，即： 23 q=d1/m 24 常用的标准模数m和蜗杆分度圆直径d1及直径系数q，见匹配表。 25 （3）蜗杆头数z 1和蜗轮齿数z 2 26 蜗杆头数可根据要求的传动比和效率来选择，一般取z1＝1-10，推荐 z1＝27 1，2，4，6。 28 选择的原则是：当要求传动比较大，或要求传递大的转矩时，则z1取小值； 29 要求传动自锁时取z1＝1；要求具有高的传动效率，或高速传动时，则z1取较30 大值。 31 蜗轮齿数的多少，影响运转的平稳性，并受到两个限制：最少齿数应避免发32 生根切与干涉，理论上应使z2min≥17，但z2＜26时，啮合区显著减小，影响33 平稳性，而在z2≥30时，则可始终保持有两对齿以上啮合，因之通常规定z2＞34 28。另一方面z2也不能过多，当z2＞80时(对于动力传动)，蜗轮直径将增大过35 多，在结构上相应就须增大蜗杆两支承点间的跨距，影响蜗杆轴的刚度和啮合精36 度；对一定直径的蜗轮，如z2取得过多，模数m就减小甚多，将影响轮齿的弯37 曲强度；故对于动力传动，常用的范围为z2≈28-70。对于传递运动的传动，z2 38 可达200、300，甚至可到1000。z1和z2的推荐值见下表 39