新型材料的蝸輪蝸桿減速箱

雷偉斌，楊承濤

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程學(xué)院，陜西 西安 710089) (2.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048 )

蝸輪蝸桿減速箱因其具有機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶、汽車、機(jī)車、建筑等各種機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中[1]。張燕軍等[2]對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)中各種蝸輪材料的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。程福安等[3]對(duì)10組蝸桿副在無(wú)潤(rùn)滑和常溫條件下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)蝸桿材料為滲碳鋼S16MnCr、蝸輪材料為錫青銅ZQSn12-2時(shí)，蝸輪表面磨損形貌由細(xì)小磨粒產(chǎn)生的小溝痕組成，表面磨損輕微、均勻，而蝸輪材料為ZZnAl27Cu2時(shí)其表面磨損則相對(duì)較重、不均勻；當(dāng)蝸桿材料是滲碳鋼20CrMnTi、蝸輪材料為錫青銅ZQSn10-1時(shí)，蝸輪表面產(chǎn)生的磨損比蝸輪材料為錫青銅ZQSn12-2時(shí)更加嚴(yán)重。Arunkumar等[4]對(duì)蝸輪和蝸桿均采用了相同的材質(zhì)鋼En353，同時(shí)對(duì)蝸輪和蝸桿分別進(jìn)行了鹽浴滲氮處理和傳統(tǒng)的表面滲碳處理，結(jié)果表明，表面處理后的En353鋼蝸桿副在機(jī)械特性上具有更高的強(qiáng)度、耐磨性以及抗膠合性能。秦旭平等[5]在不同載荷、不同轉(zhuǎn)速、不同潤(rùn)滑油等工況下對(duì)蝸輪材質(zhì)和蝸桿材質(zhì)分別為鋅鋁合金和45鋼的蝸桿副的承載能力、效率、耐磨性等進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，鋅鋁合金制蝸輪比鋁青銅制蝸輪的蝸桿副效率高，耐磨性能好，摩擦因數(shù)小。Kim等[6]對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯制蝸輪的耐久性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，該蝸輪的機(jī)械性能較差，但是它的質(zhì)量、振動(dòng)和噪聲相對(duì)青銅制蝸輪小，耐腐蝕性也較好。王曉江等[7]對(duì)蝸輪材質(zhì)為鑄造鋅鋁合金、蝸桿材質(zhì)為45鋼的蝸桿副磨損失效進(jìn)行了分析，提出通過(guò)提高鑄造鋅鋁合金的冶煉質(zhì)量、改進(jìn)鑄造工藝或者采用新的鑄造方法來(lái)減少蝸桿傳動(dòng)中蝸輪的磨損。以上文獻(xiàn)分析的蝸輪蝸桿材料多為鑄鐵、青銅或者合金，沒(méi)有對(duì)蝸輪蝸桿材料均為鋼的傳動(dòng)進(jìn)行分析，本文從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性角度出發(fā)，對(duì)鋼制蝸輪蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行了深入研究。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于蝸桿旋轉(zhuǎn)一周蝸輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒，從等壽命的概念出發(fā)，蝸桿采用鋼質(zhì)材料，蝸輪則采用銅或鑄鐵材料，其缺點(diǎn)是傳動(dòng)效率低，耐磨性不佳，使用壽命較短。受齒輪傳動(dòng)采用淬火硬齒面的啟發(fā)，本文開(kāi)發(fā)了鋼制蝸輪蝸桿減速箱，經(jīng)試驗(yàn)取得了良好的效果，可供國(guó)內(nèi)從事相關(guān)行業(yè)工作人員參考[8]。

1 試驗(yàn)方案

為了改善蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用性能，設(shè)計(jì)制作了如圖1所示的材料為16MnCr55鋼的鋼對(duì)鋼蝸輪蝸桿傳動(dòng)副，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，最大工作轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，最大傳遞功率為5.5 kW，最大轉(zhuǎn)矩為620 N·m，最大齒面接觸壓力為537 N，熱處理方式為滲碳淬火(58～62 HRC)。組裝后的鋼質(zhì)蝸輪蝸桿減速箱外觀如圖2所示。

表1 蝸輪蝸桿參數(shù)表

圖1 鋼對(duì)鋼蝸輪蝸桿傳動(dòng)副

圖2 鋼質(zhì)蝸輪蝸桿減速箱外觀

為了進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)制作了一套銅對(duì)鋼蝸輪蝸桿減速箱，蝸桿材料為16MnCr55鋼，蝸輪為CaSnN12銅質(zhì)材料，其結(jié)構(gòu)尺寸與鋼對(duì)鋼蝸輪蝸桿減速箱尺寸完全相同。圖3所示為進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)的2種減速箱，試驗(yàn)裝置分別由兩個(gè)直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)并安裝有檢測(cè)相關(guān)技術(shù)參數(shù)的裝置。

圖3 對(duì)比試驗(yàn)的蝸輪蝸桿減速箱及其驅(qū)動(dòng)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行鋼質(zhì)蝸輪與銅質(zhì)蝸輪對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，將其轉(zhuǎn)速等級(jí)分為低速200～600 r/min、中速 600～1 400 r/min和高速1 400～2 400 r/min，從低速到高速進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)傳動(dòng)效率、不同潤(rùn)滑油對(duì)摩擦力矩的影響、蝸輪材料機(jī)械性能、不同材料蝸輪齒面的磨損情況進(jìn)行了對(duì)比。

2.1 傳動(dòng)效率

低速和高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下鋼質(zhì)蝸輪與銅質(zhì)蝸輪的效率對(duì)比如圖4所示。

圖4 在低速和高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下

由圖4(a)可知,在低轉(zhuǎn)速情況下，銅質(zhì)蝸輪的傳動(dòng)效率始終為85%～88%，而鋼質(zhì)蝸輪的傳動(dòng)效率隨著能量的增加逐漸增加，最大可達(dá)92%。由圖4(b)可知，在高轉(zhuǎn)速情況下，銅質(zhì)蝸輪的傳動(dòng)效率仍然有85%～88%；在能量消耗為5 000 kW·h時(shí)，鋼質(zhì)蝸輪傳動(dòng)效率接近95%；能量消耗在7 500 kW·h以上時(shí)，鋼質(zhì)蝸輪傳動(dòng)效率均高于銅質(zhì)蝸輪。從試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼質(zhì)蝸輪的傳動(dòng)效率要明顯高于銅質(zhì)蝸輪。

2.2 潤(rùn)滑油對(duì)摩擦力矩的影響

潤(rùn)滑油的類型對(duì)于蝸輪蝸桿減速箱摩擦轉(zhuǎn)矩有較大的影響。蝸輪蝸桿之間的摩擦主要是滑動(dòng)摩擦，因此要求蝸輪蝸桿潤(rùn)滑油必須具有良好的潤(rùn)滑性能、抗擦傷性能、防銹蝕腐蝕性能及較強(qiáng)的抗氧化能力。軸承的摩擦力矩可通過(guò)式(1)計(jì)算：

M=μPd/2

(1)

式中：M為摩擦力矩，N·m；μ為摩擦系數(shù)；P為軸承負(fù)荷，N；d為軸承公稱內(nèi)徑，mm。

液壓油和軸承油均可對(duì)變速箱進(jìn)行潤(rùn)滑，圖5所示為常用液壓油和軸承油對(duì)蝸輪蝸桿減速箱摩擦力矩的影響。由圖5可知，隨著渦輪線速度的增加軸承油對(duì)摩擦力矩的影響遠(yuǎn)小于液壓油，以線速度為15 m/s為例，使用液壓油產(chǎn)生的摩擦力矩超過(guò)了400 N·m，而軸承油僅略高于200 N·m，使用軸承油的能量損耗明顯較小，因此在實(shí)際應(yīng)用中選擇軸承油可以顯著提高蝸輪蝸桿減速箱的傳動(dòng)效率。

圖5 潤(rùn)滑油對(duì)蝸輪蝸桿減速箱傳動(dòng)摩擦力矩的影響

2.3 兩種蝸輪材料的機(jī)械性能對(duì)比

圖6所示為鋼質(zhì)蝸輪和銅質(zhì)蝸輪的機(jī)械性能對(duì)比。

圖6 鋼質(zhì)蝸輪和銅質(zhì)蝸輪機(jī)械性能對(duì)比

由圖6可知，鋼質(zhì)蝸輪較銅質(zhì)蝸輪其抗壓強(qiáng)度從7.8 N/mm2提高到49.1 N/mm2，抗拉強(qiáng)度從300 N/mm2增加到930 N/mm2，屈服點(diǎn)銅質(zhì)渦輪為180 N/mm2，而鋼質(zhì)渦輪可達(dá)590 N/mm2，彈性模量也從9 800 N/mm2提高到21 000 N/mm2。鋼質(zhì)蝸輪的各項(xiàng)參數(shù)均約為銅質(zhì)蝸輪的3倍，且鋼質(zhì)蝸輪的材料成本僅為銅質(zhì)蝸輪的17%，材料費(fèi)用明顯較低，因此選用鋼質(zhì)蝸輪更經(jīng)濟(jì)。

2.4 磨損結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過(guò)約1 460 h的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，鋼質(zhì)蝸輪和銅質(zhì)蝸輪的磨損結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，銅質(zhì)蝸輪齒面出現(xiàn)較多點(diǎn)蝕、剝落和坑點(diǎn)，而鋼質(zhì)蝸輪未見(jiàn)明顯的剝落、坑點(diǎn)，鋼質(zhì)蝸輪使用壽命明顯長(zhǎng)于銅質(zhì)蝸輪。

圖7 1 460 h運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)?zāi)p結(jié)果對(duì)比

3 特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，新開(kāi)發(fā)的鋼質(zhì)蝸輪蝸桿減速箱與傳統(tǒng)的銅質(zhì)蝸輪減速箱相比有以下特點(diǎn)。

1)制造成本顯著降低。從目前市場(chǎng)行情看，16MnCr55的價(jià)格在12元/kg左右，而錫青銅的價(jià)格在70元/kg左右，因此以鋼質(zhì)蝸輪代替銅質(zhì)蝸輪，生產(chǎn)成本可顯著降低。

2)機(jī)械性能有所增強(qiáng)。鋼質(zhì)蝸輪的抗壓性能、抗拉強(qiáng)度、耐摩擦能力、屈服點(diǎn)和彈性模量均高于銅質(zhì)蝸輪，有利于改善蝸輪蝸桿的工況，使其可以有較大的承載力。

3)耐磨性能大幅度提高，延長(zhǎng)了減速箱的使用壽命。由于鋼質(zhì)蝸輪有良好的機(jī)械性能，并且抗磨抗損強(qiáng)度大，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生較大的磨損和齒面點(diǎn)蝕、剝落現(xiàn)象，其壽命可以顯著延長(zhǎng)。

4)提高了傳動(dòng)效率。蝸輪蝸桿減速箱作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通常傳動(dòng)效率比較低，銅質(zhì)蝸輪的傳動(dòng)效率為85%～88%，而鋼質(zhì)蝸輪可達(dá)90%以上，傳動(dòng)效率有所提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

蝸輪蝸桿減速裝置在工程機(jī)械和其他工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。傳統(tǒng)的銅質(zhì)蝸輪減速箱雖已應(yīng)用多年，但仍有一些待改進(jìn)之處。經(jīng)試驗(yàn)證明，本文開(kāi)發(fā)的鋼質(zhì)蝸輪蝸桿減速箱與銅質(zhì)蝸輪減速箱相比，具有機(jī)械性能較好，成本低，傳動(dòng)效率較高，齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕、剝落、磨損小等一系列優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。