蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的自鎖性及其失效原因分析

朱正平

（浙江中控太陽(yáng)能技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310051）

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蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的自鎖性及其失效原因分析

朱正平

（浙江中控太陽(yáng)能技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310051）

摘 要：本文介紹了蝸輪蝸桿的基本結(jié)構(gòu)，從蝸輪蝸桿外部受力、蝸輪蝸桿自身受力分析、安裝位置偏移對(duì)受力的影響分析出發(fā)。對(duì)蝸桿蝸輪的自鎖條件進(jìn)行了研究，分析不同的因素對(duì)蝸桿蝸輪的自鎖的影響，得出蝸輪制件表面磨損失效的機(jī)理根據(jù)蝸輪制件表面磨損的情況而決定的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：蝸桿蝸輪；自鎖；磨損

0. 引言

蝸輪蝸桿傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中不可缺少的傳動(dòng)布置形式，升降臺(tái)的升降傳動(dòng)中使用蝸輪蝸桿傳動(dòng)可以防止臺(tái)面的自動(dòng)回落。

1. 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)

蝸桿傳動(dòng)由蝸輪和蝸桿組成。通常情況下，蝸桿與蝸輪軸線方向的角度為90°，所以，蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)被應(yīng)用在交錯(cuò)軸間的運(yùn)動(dòng)。

2. 蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的自鎖性

蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)一方面具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定的傳動(dòng)比、工作性能可靠等優(yōu)良的特點(diǎn)，而且另一方面還具有蝸桿蝸輪的主動(dòng)件變化的反向造成蝸桿蝸輪自鎖的現(xiàn)象。在起重裝置的機(jī)械中，為了利用蝸桿機(jī)構(gòu)的自鎖性能，一般采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，目的是為了使起吊的重物可以非常穩(wěn)定地在空中實(shí)現(xiàn)短暫靜止。為了充分地估計(jì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的自鎖性，必須要弄清楚蝸桿蝸輪自鎖性的內(nèi)在關(guān)系。

2.1 自鎖性問(wèn)題的提出

蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用在機(jī)械行業(yè)的減速機(jī)構(gòu)中。對(duì)于要求利用蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)自鎖性的機(jī)械裝置系統(tǒng)中，確定蝸輪蝸桿的自鎖性成為了一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。在生產(chǎn)生活實(shí)際的應(yīng)用中，自鎖性能經(jīng)常又是很難掌握的。在保溫罩上升的過(guò)程中，斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)的電源，機(jī)構(gòu)會(huì)馬上發(fā)生自鎖現(xiàn)象，保溫罩不會(huì)下降。然而，當(dāng)切斷電動(dòng)機(jī)的電源時(shí)，保溫罩開(kāi)始往下運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)僅僅只是有些時(shí)候發(fā)生自鎖現(xiàn)象，有些時(shí)候卻不會(huì)發(fā)揮自鎖現(xiàn)象，保溫罩甚至?xí)a(chǎn)生高速度下降的情況，根本就失去了機(jī)構(gòu)本身的自鎖能力。

2.2 自鎖條件分析

對(duì)于具有自鎖性的蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)而言，機(jī)械類(lèi)的教科書(shū)上是這樣定義的：“當(dāng)以蝸輪為主動(dòng)件時(shí)，并且蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的導(dǎo)程角小于摩擦角，機(jī)構(gòu)將會(huì)發(fā)生自鎖現(xiàn)象。”自鎖現(xiàn)象的發(fā)生和兩個(gè)量的相對(duì)大小有關(guān)系：一個(gè)是蝸輪作用在蝸桿上的摩擦角β，另一個(gè)是蝸桿的升角α。

表1蝸輪和蝸桿的摩擦系數(shù)

表2接觸壓力P與摩擦系數(shù)?的關(guān)系

2.2.1 升角α

就蝸桿的升角α而言，它是通過(guò)蝸桿的幾何參數(shù)來(lái)確定的。蝸桿的升角為一個(gè)定值。記蝸桿的頭數(shù)為，特性系數(shù)為q，模數(shù)為m，得：

升角α與特性系數(shù)q的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1（Z1=1）。

2.2.2 摩擦角β

摩擦角β與物體之間的摩擦力F?和法向約束反力FN的比值有關(guān)，即摩擦系數(shù)?，即

β與哪些因素有關(guān)？對(duì)于一個(gè)具體的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)講，摩擦系數(shù)會(huì)不會(huì)是某一個(gè)常數(shù)？接下來(lái)就著重來(lái)研究這些具體的問(wèn)題。摩擦角β的大小由摩擦系數(shù)?來(lái)定，不同材料的蝸桿蝸輪的摩擦系數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可以得出：

（1）蝸桿蝸輪的相互匹配的材料的不同，他們之間的摩擦系數(shù)就會(huì)有很大的差別。如表1中所示，鋼與鑄鐵的配合而產(chǎn)生的摩擦系數(shù)比較大，鋼與黃銅的配合的摩擦系數(shù)比較小。因?yàn)槲佪單仐U機(jī)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生非常大的滑動(dòng)速度，所以，蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量從而導(dǎo)致蝸桿蝸輪的輪齒很大的磨損。鑒于此種情況，一般選用摩擦系數(shù)比較小的黃銅與鋼來(lái)制造蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。

（2）摩擦系數(shù)?受到材料表面質(zhì)量的影響，由不同的材料制造而成的蝸桿蝸輪，相互之間的摩擦系數(shù)?在一定的范圍內(nèi)變化。也就是說(shuō)，即使配對(duì)的蝸桿蝸輪相同的材料，摩擦系數(shù)?也會(huì)因?yàn)楸砻鏍顟B(tài)的不同而不同。材料的表面質(zhì)量越差，摩擦系數(shù)?就會(huì)越大，相對(duì)應(yīng)的摩擦角β也就會(huì)變得越大，機(jī)構(gòu)就更容易自鎖。另一方面，材料的表面質(zhì)量越好，蝸輪與蝸桿之間的摩擦系數(shù)?就會(huì)變得越小，摩擦角就會(huì)越小，機(jī)構(gòu)不容易發(fā)生自鎖現(xiàn)象。

（3）摩擦系數(shù)也會(huì)受到材料的表面的潤(rùn)滑狀態(tài)的影響。使用蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的過(guò)程中，為了盡可能地減少蝸桿蝸輪輪齒間相對(duì)滑動(dòng)帶來(lái)的輪齒間的磨損，一般情況下，應(yīng)該將蝸桿蝸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安置在油中。所以，機(jī)構(gòu)很難發(fā)生自鎖。

（4）蝸輪蝸桿構(gòu)成的摩擦副之間的接觸壓力P的變化會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)?的變化。接觸壓力P和摩擦系數(shù)?之間的關(guān)系可以由表2查得。

由以上研究的影響摩擦系數(shù)的各種因素可以得出：摩擦角β不但與蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的嚙合表面的粗糙度、潤(rùn)滑情況等有關(guān)，而且與減速器的工作條件（有無(wú)相對(duì)速度及相對(duì)速度的大小，輪齒嚙合部位的接觸壓力等）有關(guān)。摩擦角β會(huì)隨著工作條件和自身狀態(tài)的改變而改變。所以得出結(jié)論：摩擦角β是個(gè)變量。

3. 蝸輪蝸桿中心安裝誤差所致的自鎖失效分析

3.1 蝸輪外部受力分析

外力施加給蝸輪的轉(zhuǎn)矩T=FLcosγ根據(jù)升降臺(tái)的尺寸和舉升重物分析，當(dāng)曲柄角度處于的第Ⅰ象限或者第Ⅱ象限的某一角度時(shí)，T有最大值。

3.2 蝸輪蝸桿自身受力分析

法向力Fn為蝸輪面反作用在蝸桿嚙合點(diǎn)P的作用力，該法向力垂直指向此處的齒廓，為了更加有效地分析蝸桿蝸輪的受力情況，將蝸桿蝸輪的作用力定義為分力Ft、Fr、Fa。

各個(gè)力的絕對(duì)值為：

受力分布情況如圖1所示。

3.3 安裝位置偏移對(duì)受力的影響分析

圖3為蝸桿機(jī)構(gòu)的平面安裝的3種位置，圖2（a）為最佳的位置，圖2 （b）、圖2（c）均存在安裝偏差而且偏差超過(guò)允許范圍，或者偏向左側(cè)，或者偏向右側(cè)。

如果蝸桿是逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則蝸輪的旋向?yàn)樽酝庀蚶镄D(zhuǎn)，此時(shí)蝸輪的接觸斑點(diǎn)偏左，蝸輪齒面的磨損左側(cè)比右側(cè)嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)嚴(yán)重地磨損后，蝸輪的螺旋角會(huì)變大。這種偏置方式的安裝同樣導(dǎo)致了蝸桿的磨損并且加重了金屬膠合現(xiàn)象的發(fā)生，即導(dǎo)程角變大。

4. 振動(dòng)對(duì)自鎖的影響及對(duì)策

振動(dòng)的發(fā)生會(huì)給自鎖的蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)造成極大危害，加速自鎖蝸桿機(jī)構(gòu)的磨損，使得蝸輪和蝸桿的軸線偏離原有位置，導(dǎo)致蝸桿與蝸輪的輪齒非正常地嚙合。綜上所述，對(duì)于自鎖的蝸桿機(jī)構(gòu)而言應(yīng)該合理布置蝸桿與蝸輪的位置，減小因振動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)的作用。

結(jié)語(yǔ)

蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的摩擦系數(shù)是一個(gè)在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)的值，摩擦系數(shù)與加工制造蝸桿蝸輪的材料、蝸輪與蝸桿配合處的輪齒表面粗糙度、輪齒之間的相互作用力、相對(duì)滑動(dòng)速度的存在與否等因素有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

［1］成大先，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］劉澤深.機(jī)械基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.

中圖分類(lèi)號(hào)：TH132

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A