浅析机械制造中的蜗杆传动

浅析机械制造中的蜗杆传动

晏银鹏

（西华大学，四川成都610039）

摘要：蜗杆传动在我们的减速器等机构中是必不可少的一种传动元件，蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，常用的为90°。蜗杆传动用于在交错轴间传递运动和动力。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周，涡轮转过一齿，若蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，涡轮转过两个齿。本文主要介绍蜗杆传动的特点、失效形式、主要参数、几何尺寸以及强度计算等。

关键词：蜗杆机械制造强度螺旋线

一、特点

（一）传动比大，结构紧凑。蜗杆头数用Z1表示（一般Z1=1~4），蜗轮齿数用Z2表示。从传动比公式I=Z2/Z1可以看出，当Z1=1，即蜗杆为单头，蜗杆须转Z2转蜗轮才转一转，因而可得到蜗杆传动的很大传动比，一般在动力传动中，取传动比I=10-80；在分度机构中，I可达1000。这样大的传动比如用齿轮传动，则需要采取多级传动才行，所以蜗杆传动结构紧凑，体积小、重量轻。（二）传动平稳，无噪音。因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳，冲击、震动、噪音都比较小。（三）具有自锁性。蜗杆的螺旋升角很小时，蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。（四）蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。尤其是具有自锁性的蜗杆传动，其效率在0.5以下，一般效率只有0.7～0.9。（五）发热量大，齿面容易磨损，成本高。

二、蜗杆传动的传动类型

蜗杆传动的类型主要按照其形状分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动。下面主要介绍圆柱蜗杆的传动。

（一）圆柱蜗杆传动轮廓分类。蜗杆分度曲面为圆柱面的蜗杆传动。其中常用的有阿基米德圆柱蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动。①阿基米德蜗杆的端面齿廓为阿基米德螺旋线，其轴面齿廓为直线。阿基米德蜗杆可以在车床上用梯形车刀加工，所以制造简单，但难以磨削，故精度不高。在阿基米德圆柱蜗杆传动中，蜗杆与蜗轮齿面的接触线与相对滑动速度之间的夹角很小，不易形成润滑油膜，故承载能力较低。②弧齿圆柱蜗杆传动是一种蜗杆轴面(或法面)齿廓为凹圆弧和蜗轮齿廓为凸圆弧的蜗杆传动。在这种传动中，接触线与相对滑动速度之间的夹角较大，故易于形成润滑油膜，而且凸凹齿廓相啮合，接触线上齿廓当量曲率半径较大，接触应力较低，因而其承载能力和效率均较其他圆柱蜗杆传动为高。

（二）圆柱蜗杆的主要参数。各类圆柱蜗杆传动的参数和几何尺寸基本相同。为阿基米德圆柱蜗杆传动的主要参数。通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面，称为中间平面。在中间平面上，蜗杆的[1]齿廓为直线，蜗轮的齿廓为渐开线，蜗杆和蜗轮的啮合相当于齿条和渐开线齿轮的啮合。因此，蜗杆传动的参数和几何尺寸计算大致与齿轮传动相同，并且在设计和制造中皆以中间平面上的参数和尺寸为基准。蜗杆的轴向齿距X应与蜗轮的端面周节t相等，因此蜗杆的轴向模数应与蜗轮的端面模数相等,以表示,应取为标准值。蜗杆的轴向压力角应等于蜗轮的端面压力角，以表示，通常标准压力角=20°。蜗杆相当于螺旋，其螺旋线也分为左旋和右旋、单头和多头。通常蜗杆的头数1=1～4,头数越多效率越高；但头数太多,如1>4,分度误差会增大,且不易加工。蜗轮的齿数=，为蜗杆传动的传动比,=1/2=2/1。对于一般传递动力的蜗杆传动,2=27～80。当2<27时，蜗轮齿易发生根切；而2太大时，可能导致蜗轮齿弯曲强度不够。以1表示蜗杆分度圆直径，则蜗杆分度圆柱上的螺旋升角可按下式求出在上式中引入=1/tg，则可求得蜗杆的分度圆直径为1=。式中称为蜗杆特性系数。为了限制滚刀的数目，标准中规定了与每个模数搭配的值。通常=6～17。蜗轮分度圆直径2=2。

（三）圆柱蜗杆的失效形式。在圆柱蜗杆传动中，蜗轮轮齿的失效形式有点蚀、磨损、胶合和轮齿弯曲折断。但一般蜗杆传动效率较低，滑动速度较大，容易发热等，故胶合和磨损破坏更为常见。为了避免胶合和减缓磨损，蜗杆传动的材料必须具备减摩、耐磨和抗胶合的性能。一般蜗杆用碳钢或合金钢制成，螺旋表面应经热处理（如淬火和渗碳），以便达到高的硬度(HRC45～63),然后经过磨削或珩磨以提高传动的承载能力。蜗轮多数用青铜制造，对低速不重要的传动，有时也用黄铜或铸铁。为了防止胶合和减缓磨损，应选择良好的润滑方式，选用含有抗胶合添加剂的润滑油。对于蜗杆传动的胶合和磨损，还没有成熟的计算方法。齿面接触应力是引起齿面胶合和磨损的重要因素，因此仍以齿面接触强度计算为蜗杆传动的基本计算。此外，有时还应验算轮齿的弯曲强度。一般蜗杆齿不易损坏，故通常不必进行齿的强度计算，但必要时应验算蜗杆轴的强度和刚度。对闭式传动还应进行热平衡计算。如果热平衡计算不能满足要求，则在箱体外侧加设散热片或采用强制冷却装置。

三、结语

因为蜗杆传动所具有的的特点，所以在我们广泛使用的时候，我们应当更加注意对蜗杆主要参数的选择，这样才能够让蜗杆的使用寿命尽可能的延长，达到节约成本增加效率的设计原则。

参考文献

[1]孙志礼，冷兴聚.机械设计.沈阳.东北大学出版社.2000

[2]濮良贵.纪名刚.机械设计[M].北京：高等机械出版社.2006

[3]杨家军.机械系统创新设计[M].武汉：华中科技大学出版社.2000