蝸桿傳動的分析與探討

李 艷

(同煤集團(tuán)平旺物業(yè)管理公司，山西 大同 037003)

·機(jī)械與設(shè)備·

蝸桿傳動的分析與探討

李 艷

(同煤集團(tuán)平旺物業(yè)管理公司，山西 大同 037003)

闡述了蝸桿傳動所具有的特點(diǎn)，介紹了蝸桿傳動的主要類型和結(jié)構(gòu)，并對蝸桿傳動的效率、潤滑、熱平衡計(jì)算、安裝與維護(hù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，以充分理解與掌握蝸桿傳動的原理，從而更好地指導(dǎo)實(shí)踐和應(yīng)用。

蝸桿傳動，效率，潤滑，熱平衡計(jì)算

蝸桿傳動主要由蝸桿、蝸輪組成，用于空間兩交錯軸之間運(yùn)動和動力的聯(lián)系和傳遞，多數(shù)作減速傳動。在少數(shù)機(jī)械中(如離心機(jī))，蝸輪主動、蝸桿從動，作增速運(yùn)動。蝸桿傳動被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備和儀表中。

1 蝸桿傳動的特點(diǎn)

與齒輪傳動相比，蝸桿傳動具有下列的特點(diǎn)：

1)蝸桿傳動的最大特點(diǎn)是傳動比大、結(jié)構(gòu)也緊湊。在一般傳動中，傳動比可達(dá)i=10～80，若只傳遞運(yùn)動，傳動比i可達(dá)1 000。

2)傳動相對平穩(wěn)、產(chǎn)生的噪聲低。由于蝸桿齒連續(xù)不斷地與蝸輪齒相嚙合，同時，蝸桿蝸輪嚙合時為線接觸，因而傳動平穩(wěn)，噪聲低。

3)可具自鎖性。當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合副材料的當(dāng)量摩擦角，蝸桿傳動具有自鎖性。即只能蝸桿帶動蝸輪，而蝸輪不能帶動蝸桿。在起重裝置等機(jī)械中經(jīng)常利用此自鎖性。

4)效率低。因?yàn)槲仐U蝸輪在嚙合處存在比較大的相對運(yùn)動，故摩擦損耗大，發(fā)熱量多，效率偏低。通常傳動效率為0.7～0.8，對于自鎖性的蝸桿傳動，其效率小于50%，故蝸桿傳動主要用于中小功率傳動。

5)成本高。為減少蝸桿傳動嚙合處的摩擦和磨損，控制發(fā)熱和防止膠合，蝸輪常采用青銅材料制造，因此成本增高。

2 蝸桿傳動的類型和結(jié)構(gòu)

2.1 蝸桿傳動的類型

蝸桿傳動除了按蝸桿齒的旋向(左旋或右旋)、頭數(shù)(單頭或多頭)分類外，蝸桿傳動主要按蝸桿結(jié)構(gòu)形狀的不同，又分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動、錐蝸桿傳動。其中圓柱蝸桿傳動應(yīng)用最廣。

2.1.1 圓柱蝸桿傳動

圓柱蝸桿傳動包含普通圓柱蝸桿和圓弧圓柱蝸桿傳動兩種類型。對于普通圓柱蝸桿傳動，按其蝸桿齒廓曲線的不同又分為阿基米德蝸桿(ZA型)、漸開線蝸桿(ZI型)、法向直廓蝸桿(ZN型)等幾種；圓弧圓柱蝸桿傳動的蝸桿是用刃邊為凸圓弧的刀具切制的，這種蝸桿在軸剖面內(nèi)齒廓為凹弧形，其對應(yīng)蝸輪用范成法加工，蝸輪在端面內(nèi)齒廓為凸弧形。這種蝸桿傳動的綜合曲率半徑大、承載能力高，一般可較普通圓柱蝸桿傳動高出50%～100%，效率也高，一般可達(dá)90%以上，且傳動平穩(wěn)、噪聲低、振動小。但對中心距和安裝誤差有較高要求。

2.1.2 環(huán)面蝸桿傳動

環(huán)面蝸桿傳動的蝸桿是將輪齒做在圓弧回轉(zhuǎn)體上。這種蝸桿傳動不僅蝸輪齒成圓弧形包向蝸桿，而且蝸桿也是圓弧形包向蝸輪。環(huán)面蝸桿傳動同時嚙合的齒數(shù)多，輪齒間油膜形成條件良好，承載能力高，約為阿基米德蝸桿傳動的2倍～4倍，傳動效率可達(dá)85%～90%，但對制造和安裝精度要求較高。

2.1.3 錐蝸桿傳動

錐蝸桿傳動的蝸桿與蝸輪的輪齒分布在圓錐形表面上，故也稱其為錐蝸桿與錐蝸輪。錐蝸桿在傳動時由于其齒數(shù)接觸比較多，重合面積大，所以它的承載能力高，傳動比范圍也大(一般10～360)，效率較高，潤滑條件良好，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝性好，制造安裝簡便。但結(jié)構(gòu)具有非對稱性，正、反轉(zhuǎn)時受力不同，承載能力和效率也不同。

2.2 蝸桿傳動的結(jié)構(gòu)

蝸桿常與軸做成一個整體，稱為蝸桿軸，其加工方法與螺紋一樣，可車制或銑制，常用材料為碳鋼和合金鋼，并進(jìn)行熱處理。

蝸輪按照它的尺寸大小一般加工成整體式或組合式結(jié)構(gòu)。對于鑄鐵蝸輪或尺寸較小的青銅蝸輪一般加工成整體式結(jié)構(gòu)。為節(jié)約貴重金屬，較大直徑的蝸輪的齒圈常采用青銅，輪芯用鑄鐵或鑄鋼的組合式結(jié)構(gòu)，其組合方式有過盈配合式、螺栓連接式、澆筑式等。

3 蝸桿傳動的效率

蝸桿傳動的功率損失一般由三個部分組成：即輪齒嚙合摩擦損失、軸承摩擦損失和浸油零件攪動潤滑油的損失，所以蝸桿傳動的總效率為：

η=η1η2η3。

其中，η1，η2，η3分別為蝸桿傳動的嚙合效率、軸承效率、攪油效率。其中起主要作用的是蝸桿傳動的嚙合效率η1，而η2η3一般取0.95～0.96。

當(dāng)蝸桿為主動件時，η1可近似按螺旋傳動的效率計(jì)算，即：

其中，λ為蝸桿的導(dǎo)程角；ρv為當(dāng)量摩擦角，ρv=arctanfv，ρv隨滑動速度vs的增大而減小。這是由于vs的增大，使油膜易于形成，導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降。

當(dāng)然，η1除與ρv有關(guān)外，起決定性影響的還是導(dǎo)程角λ。在λ的一定范圍內(nèi)，η1隨λ的增大而增大，而多頭蝸桿的λ較大，所以動力傳動常常采用多頭蝸桿。但如果λ角超過一定范圍，就增加了蝸桿的加工難度，且當(dāng)λ>27°，效率增加的幅度很小。因此，一般取λ≤27°。當(dāng)λ≤ρv時，蝸桿傳動具有自鎖性，但此時蝸桿傳動的效率很低(小于50%)。

在傳動尺寸確定之前，蝸桿傳動的總效率η一般可根據(jù)蝸桿頭數(shù)z1近似按表1選取。

表1 蝸桿傳動的總效率

4 蝸桿傳動的潤滑

因?yàn)槲仐U傳動中相對滑動運(yùn)動速度較大，發(fā)熱量多，效率偏低，故為了提高傳動的效率和壽命，蝸桿傳動的潤滑是十分重要的。

蝸桿傳動常采用粘度較大的潤滑油，以增強(qiáng)抗膠合性能，減小磨損。潤滑油粘度及潤滑方式主要取決于滑動速度的大小和載荷類型。

對于閉式蝸桿傳動，其潤滑方式主要可分為浸油潤滑和壓力噴油潤滑。

采取浸油潤滑時，下置蝸桿傳動(見圖1a))，其浸油深度為蝸桿的一個齒高，且油面不超過蝸桿滾動軸承最下方滾動體的中心。當(dāng)vs>5 m/s時，蝸桿攪油阻力太大，應(yīng)采用上置蝸桿傳動，如圖1c)所示，此時可采用壓力噴油潤滑，有時也用浸油潤滑，浸油深度應(yīng)達(dá)到蝸輪半徑的1/3。

在開式傳動中，潤滑方式應(yīng)采用粘度較高的齒輪油或潤滑脂進(jìn)行。

5 蝸桿傳動的熱平衡計(jì)算

因?yàn)槲仐U傳動的效率偏低，發(fā)熱量多，所以散熱效果的好壞，會直接影響到箱體內(nèi)油溫的高低，甚至?xí)?dǎo)致粘度降低，潤滑失效，出現(xiàn)齒面磨損加劇或膠合。因而，要根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量等于同等時間內(nèi)的散熱量來計(jì)算其熱平衡，以確保箱體內(nèi)油溫穩(wěn)定地處在合格的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

設(shè)蝸桿傳動的輸入功率為P1(kW)，傳動效率為η，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的發(fā)熱量Q1(W)為：

Q1=P1(1-η)×1 000。

自然冷卻時，經(jīng)箱體外壁在單位時間內(nèi)散發(fā)到空氣中的散熱量Q2(W)為：

Q2=Ks(t1-t0)A。

其中，Ks為散熱系數(shù)，W/(m2·℃),一般取Ks=10～17，通風(fēng)良好時取大值；A為箱體有效散熱面積，m2,是指箱體的外壁與外界大氣接觸，其內(nèi)壁同時被潤滑油飛濺到的箱殼面積。對凸緣和散熱片的面積可近似按其表面積的50%計(jì)算；t1為潤滑油的工作溫度,通常允許油溫[t1]=70 ℃～90 ℃；t0為周圍空氣溫度，通常取t0=20 ℃。

當(dāng)蝸桿傳動單位時間內(nèi)損耗的功率全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚⒂上潴w表面散發(fā)出去而達(dá)到平衡時，即Q1=Q2，可得熱平衡時潤滑油的工作溫度t1為：

如果蝸桿傳動的工作溫度超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，要增加下列措施以提高傳動的散熱能力：

1)設(shè)置散熱片于箱體外表面，加大散熱面積；

2)安裝風(fēng)扇于蝸桿軸上，如圖1a)所示；

3)安裝蛇形冷卻管于箱體油池內(nèi)，管內(nèi)用循環(huán)水冷卻，如圖1b)所示；

4)采用循環(huán)油冷卻方式，來達(dá)到降低工作溫度的目的，如圖1c)所示。

6 蝸桿傳動的安裝與維護(hù)

6.1 蝸桿傳動的安裝

由于蝸桿傳動的嚙合特點(diǎn)，對其安裝精度要求比較高。在安裝中應(yīng)使蝸輪的中間平面通過蝸桿的軸線，如圖2所示。安裝結(jié)束后，蝸輪的軸向位置要仔細(xì)調(diào)整，達(dá)到準(zhǔn)確定位，使其嚙合正確。在傳動中，如果出現(xiàn)短時間內(nèi)齒面磨損嚴(yán)重，可以采用墊片組來進(jìn)行蝸輪軸向位置的調(diào)整，也可采用套筒作蝸輪與軸承之間較大距離的調(diào)整，套筒的長度在調(diào)整時可以改變。上述兩種方法在實(shí)際運(yùn)用時可以聯(lián)用。蝸輪的軸向位置在安裝調(diào)整好后必須固定。

在進(jìn)行蝸桿傳動安裝調(diào)整后的跑合中，要使其齒面接觸良好。開始跑合時應(yīng)采用低速度，一般n1=50 r/min～100 r/min，然后逐步加載至額定載荷。運(yùn)轉(zhuǎn)1 h～5 h后，如果蝸桿齒面上粘有青銅，要立即停車，用細(xì)砂紙磨去，接著繼續(xù)跑合。全部零件在運(yùn)轉(zhuǎn)完成后要清洗，更換潤滑油，蝸輪與蝸桿的相對軸向位置打上印記，這樣對于以后的安裝和拆卸配對及位置調(diào)整起到幫助。對于新機(jī)試車時，應(yīng)先空載運(yùn)行，然后逐漸增加負(fù)載到額定載荷。

6.2 蝸桿傳動的維護(hù)

在實(shí)際工作環(huán)境中，由于蝸桿傳動的發(fā)熱量大，其周圍的通風(fēng)散熱條件是否良好應(yīng)時刻注意觀察。對其油溫應(yīng)在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后進(jìn)行測試，若油溫超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍，則要立即停機(jī)或完善散熱條件。同時，對于蝸輪齒面的完好程度也要經(jīng)常檢查。在蝸桿傳動中，其能否正常工作和有效延長其使用壽命，潤滑效果的好壞是其中一個很重要的因素。所以，在蝸桿減速器每運(yùn)轉(zhuǎn)2 000 h～4 000 h應(yīng)及時換新油。換油時，應(yīng)用原牌號油，不同廠家、不同牌號的油不要混用。

蝸桿傳動由于自身具有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用優(yōu)勢，因而在機(jī)床、冶金、礦山、起重機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。

Analysis and discussion on worm transmission

Li Yan

(PingwangPropertyManagementCompany,DatongCoalMineGroup,Datong037003,China)

This paper elaborated the characteristics of worm transmission, introduced the main types and structure of worm transmission, and analyzed in detail the efficiency, lubrication, heat balance calculation, installation and maintenance of worm transmission, in order to fully understand and grasp the principle of worm transmission, so as to better guide the practice and application.

worm transmission, efficiency, lubrication, heat balance calculation

2015-01-27

李 艷(1972- )，女，工程師

1009-6825(2015)10-0213-03

TH132.44

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