针对变齿厚渐开线齿轮包络环面蜗杆传动,创建其有限元模型。分析不同载荷及装配误差对齿面接触状态及应力的影响规律,并进行了接触斑点和传动性能测试。结果表明传动副接触斑点与接触状态一致,齿面应力沿接触线分布并随着载荷的增加而变大;中心距、齿轮轴向偏移、蜗杆轴向偏移、轴交角4项装配误差中,变齿厚渐开线轴向偏移误差的影响较小,中心距误差对传动副齿面接触状态和应力影响显著,环面蜗杆轴向偏移误差和轴交角误差对应力均有影响,应尽可能减少后3项的安装误差;传动副样机的传动效率在51%~67%之间,正转传动效率略优于反转。

针对某工程机械的实际运行工况和设计参数要求,建立蜗杆传动副优化设计目标函数及工况约束。设计并优化圆柱蜗杆传动副和环面蜗杆传动副,分析2类蜗杆传动副在工作载荷和静态自锁载荷下的齿面接触特性;研制对应2种类型蜗杆副传动样机,搭建传动副样机性能测试试验台,开展传动副的负荷运转试验并对比考察齿面磨损情况。结果表明在相同的设计参数、加载方法和加载载荷下,环面蜗杆副相较于圆柱蜗杆副,同时接触齿对较多,齿面等效应力和等效应变较小,齿面磨损较轻,承载能力更高。

为了研究不同基础油对平面二次包络环面蜗杆传动的影响,进行了跑合试验。试验发现,相对于聚α-烯烃合成油,采用聚乙二醇合成油时,其传动效率会提高4.5%左右,温升降低15℃;采用矿物油时,其传动效率则会降低10%左右,温升提高58℃以上。长期连续工作的平面二次包络环面蜗杆减速器采用聚乙二醇合成油性能更佳;矿物油仅适用于非连续工作且负载较低的场合。当采取散热措施后,可以使用聚α-烯烃合成油。进一步研究发现,最小油膜厚度不足以完全反映采用不同基础油在传动效率和温升方面产生的差异,但是可以用来评价润滑状态。

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。

为了研究滚柱包络环面蜗杆传动的弹流润滑特性,在滚柱包络环面蜗杆传动啮合理论研究和弹性流体动力润滑理论的基础上,建立了线接触等温弹流润滑数学模型。利用直接迭代法对传动副的弹流润滑进行求解,得到了传动副的油膜压力和油膜厚度曲线,分析了传动副在齿根圆、分度圆、齿顶圆处的弹流润滑特性,最后,分析了喉径系数和滚柱半径对滚柱包络环面蜗杆传动润滑特性的影响。结果表明,该传动副具有良好的润滑特性,增大喉径系数和滚柱半径,能够有效改善传动副的润滑性能。

考虑到平面二次包络环面蜗杆传动在多头小传动比条件下根切与齿顶变尖的矛盾很难同时解决且啮合性能较差 ,介绍了一种新型环面蜗杆传动———球面二次包络环面蜗杆传动 .在研究过程中 ,根据工装建立了坐标系 ,根据一二包过程的运动关系推得了啮合方程和蜗杆与蜗轮的齿面方程 ,分析了蜗轮齿面上的接触线分布 .为了评价啮合性能 ,提出了 4项性能指标和 5项原始参数 ,通过大量编程计算得到了啮合性能指标与原始参数之间的关系 ,并以图表直观的表示 .

为提升平面二次包络环面蜗杆建模精度，提出其三维实体模型的数字构建方法。运用包络原理和坐标转换方法构建了表征平面二次包络环面蜗杆齿廓、齿底与齿顶环面的解析模型，设计了表征齿廓复杂非线性数学模型的求解算法，获取了表征环面蜗杆齿廓的点云，并分析了齿廓特征点云的计算精度。将蜗杆齿廓点云导入三维造型软件，应用包络方式构建蜗杆齿廓曲线、曲面模型，同时将表征蜗杆齿底与齿预环面母线导入并构建齿底与齿顶曲面模型，最后实体化得到蜗杆三维实体模型。建模实例验证了建模方法及设计算法的有效性与准确性。

相对于圆柱蜗杆传动,平面二次包络环面蜗杆传动具有承载能力强、传动效率髙和使用寿命长的优点,但 是目前存在着参数设计难、精度控制难和制造成本髙的问题. 综述平面二次包络环面蜗杆传动技术的国内研究和 发展现状,从设计、制造和检测3 个方面凝练了 40 多年来的研究成果和关键技术. 提出了未来需要进一步深入人研究的方向和内容：构建集设计、制造和检测于-体的闭环系统,实现其髙效、髙精制造. 开展修形理论、制造误差修正技术、蜗轮副装配技术及滚刀加工技术的研究,完善技术标准体系,开发工业软件.

环面蜗杆副的相对运动方向是沿蜗杆齿面螺旋线的方向。因此，蜗杆螺旋线方向的齿形是影响蜗杆副啮合性能的主要因素。根据空间啮合原理，文中提出了环面蜗杆螺旋线方向的合理齿形是蜗杆齿面的法曲率半径变化曲线。在以前研究成果的基础上，应用先进的三维软件对曲率齿形环面蜗杆的啮合性能进行了研究，首次观察到三维立体蜗杆副上的接触线。研究结果验证了曲率齿形环面蜗杆数学模型的正确性以及曲率齿形环面蜗杆的优良性能，为进一步深入研究和数控加工奠定了基础。