蝸輪蝸桿減速機(jī)傳動(dòng)原理詳解

蝸桿傳動(dòng)：

　　蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)，兩軸線間的夾角可為任意值，常用的為90°。蝸桿傳動(dòng)用于在交錯(cuò)軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

　　1.簡(jiǎn)介

　　蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成，一般蝸桿為主動(dòng)件。蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分蝸桿傳動(dòng)，分別稱為右旋蝸桿和左旋蝸桿。蝸桿上只有一條螺旋線的稱為單頭蝸桿，即蝸桿轉(zhuǎn)一周，渦輪轉(zhuǎn)過一齒，若蝸桿上有兩條螺旋線，就稱為雙頭蝸桿，即蝸桿轉(zhuǎn)一周，渦輪轉(zhuǎn)過兩齒。

　　2.特點(diǎn)

　　(1)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊。蝸桿頭數(shù)用Z1表示（一般Z1=1~4），蝸輪齒數(shù)用Z2表示。從傳動(dòng)比公式I=Z2/Z1可以看出，當(dāng)Z1=1，即蝸桿為單頭，蝸桿須轉(zhuǎn)Z2轉(zhuǎn)蝸輪才轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，因而可得到很大傳動(dòng)比，一般在動(dòng)力傳動(dòng)中，取傳動(dòng)比I=10-80；在分度機(jī)構(gòu)中，I可達(dá)1000。這樣大的傳動(dòng)比如用齒輪傳動(dòng)，則需要采取多級(jí)傳動(dòng)才行，所以蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕。

　　(2)傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪音。因?yàn)槲仐U齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時(shí)是連續(xù)不斷的，蝸桿齒沒有進(jìn)入和退出嚙合的過程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動(dòng)、噪音都比較小。

　　(3)具有自鎖性。蝸桿的螺旋升角很小時(shí)，蝸桿只能帶動(dòng)蝸輪傳動(dòng)，而蝸輪不能帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　(4)蝸桿傳動(dòng)效率低，一般認(rèn)為蝸桿傳動(dòng)效率比齒輪傳動(dòng)低。尤其是具有自鎖性的蝸桿傳動(dòng)，其效率在0.5以下，一般效率只有0.7～0.9。

　　(5)發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本高。          

　3.圓柱蝸桿

 　圓柱蝸桿傳動(dòng)是蝸桿分度曲面為圓柱面的蝸桿傳動(dòng)。

　　蝸桿傳動(dòng)其中常用的有阿基米德圓柱蝸桿傳動(dòng)和圓弧齒圓柱蝸桿傳動(dòng)。①阿基米德蝸桿的端面齒廓為阿基米德螺旋線，其軸面齒廓為直線。阿基米德蝸桿可以在車床上用梯形車刀加工，所以制造簡(jiǎn)單，但難以磨削，故精度不高。在阿基米德圓柱蝸桿傳動(dòng)中，蝸桿與蝸輪齒面的接觸線與相對(duì)滑動(dòng)速度之間的夾角很小，不易形成潤(rùn)滑油膜，故承載能力較低。②弧齒圓柱蝸桿傳動(dòng)是一種蝸桿軸面(或法面)齒廓為凹圓弧和蝸輪齒廓為凸圓弧的蝸桿傳動(dòng)。在這種傳動(dòng)中，接觸線與相對(duì)滑動(dòng)速度之間的夾角較大，故易于形成潤(rùn)滑油膜，而且凸凹齒廓相嚙合，接觸線上齒廓當(dāng)量曲率半徑較大，接觸應(yīng)力較低，因而其承載能力和效率均較其他圓柱蝸桿傳動(dòng)為高。

　　4.主要參數(shù)

 　　各類圓柱蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)和幾何尺寸基本相同。為阿基米德圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)。通過蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面，稱為中間平面。在中間平面上，蝸桿的[1]齒廓為直線，蝸輪的齒廓為漸開線，蝸桿和蝸輪的嚙合相當(dāng)于齒條和漸開線齒輪的嚙合。因此，蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算大致與齒輪傳動(dòng)相同，并且在設(shè)計(jì)和制造中皆以中間平面上的參數(shù)和尺寸為基準(zhǔn)。

　　5.蝸桿傳動(dòng)

　　蝸桿的軸向齒距pX應(yīng)與蝸輪的端面周節(jié)pt相等，因此蝸桿的軸向模數(shù)應(yīng)與蝸輪的端面模數(shù)相等,以m表示,m應(yīng)取為標(biāo)準(zhǔn)值。蝸桿的軸向壓力角應(yīng)等于蝸輪的端面壓力角，以α表示，通常標(biāo)準(zhǔn)壓力角α=20°。

　　 蝸桿相當(dāng)于螺旋，其螺旋線也分為左旋和右旋、單頭和多頭。通常蝸桿的頭數(shù)Z1=1～4,頭數(shù)越多效率越高；但頭數(shù)太多,如Z1>4,分度誤差會(huì)增大,且不易加工。蝸輪的齒數(shù)Z2=iZ1，i為蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比,i=n1/n2=Z2/Z1。對(duì)于一般傳遞動(dòng)力的蝸桿傳動(dòng),Z2=27～80。當(dāng)Z2<27時(shí)，蝸輪齒易發(fā)生根切；而Z2太大時(shí)，可能導(dǎo)致蝸輪齒彎曲強(qiáng)度不夠。以d1表示蝸桿分度圓直徑，則蝸桿分度圓柱上的螺旋升角λ可按下式求出 在上式中引入q=Z1/tgλ，則可求得蝸桿的分度圓直徑為d1=qm。式中q稱為蝸桿特性系數(shù)。為了限制滾刀的數(shù)目，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了與每個(gè)模數(shù)搭配的q值。通常q=6～17。蝸輪分度圓直徑d2=Z2m。

　6.失效形式

 　　在蝸桿傳動(dòng)中，蝸輪輪齒的失效形式有點(diǎn)蝕、磨損、膠合和輪齒彎曲折斷。但一般蝸桿傳動(dòng)效率較低，滑動(dòng)速度較大，容易發(fā)熱等，故膠合和磨損破壞更為常見。

　　蝸桿傳動(dòng)為了避免膠合和減緩磨損，蝸桿傳動(dòng)的材料必須具備減摩、耐磨和抗膠合的性能。一般蝸桿用碳鋼或合金鋼制成，螺旋表面應(yīng)經(jīng)熱處理（如淬火和滲碳），以便達(dá)到高的硬度(HRC45～63),然后經(jīng)過磨削或珩磨以提高傳動(dòng)的承載能力。蝸輪多數(shù)用青銅制造，對(duì)低速不重要的傳動(dòng)，有時(shí)也用黃銅或鑄鐵。為了防止膠合和減緩磨損，應(yīng)選擇良好的潤(rùn)滑方式，選用含有抗膠合添加劑的潤(rùn)滑油。對(duì)于蝸桿傳動(dòng)的膠合和磨損，還沒有成熟的計(jì)算方法。齒面接觸應(yīng)力是引起齒面膠合和磨損的重要因素，因此仍以齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算為蝸桿傳動(dòng)的基本計(jì)算。此外，有時(shí)還應(yīng)驗(yàn)算輪齒的彎曲強(qiáng)度。一般蝸桿齒不易損壞，故通常不必進(jìn)行齒的強(qiáng)度計(jì)算，但必要時(shí)應(yīng)驗(yàn)算蝸桿軸的強(qiáng)度和剛度。對(duì)閉式傳動(dòng)還應(yīng)進(jìn)行熱平衡計(jì)算。如果熱平衡計(jì)算不能滿足要求，則在箱體外側(cè)加設(shè)散熱片或采用強(qiáng)制冷卻裝置。

　　7.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

　　一般蝸桿與軸制成一體，稱為蝸桿軸。蝸輪的結(jié)構(gòu)型式可分為蝸桿傳動(dòng)3種形式。①整體式：用于鑄鐵和直徑很小的青銅蝸輪。②齒圈壓配式：輪轂為鑄鐵或鑄鋼，輪緣為青銅。③螺栓聯(lián)接式：輪緣和輪轂采用鉸制孔，用螺栓聯(lián)接，這種結(jié)構(gòu)裝拆方便。

　　8.傳動(dòng)應(yīng)用

　　蝸桿傳動(dòng)常用于兩軸交錯(cuò)、傳動(dòng)比較大、傳遞功率不太大或間歇工作的場(chǎng)合。

　　蝸桿傳動(dòng)當(dāng)要求傳遞較大功率時(shí)，為提高傳動(dòng)效率，常取Z1=2～4。此外，由于當(dāng)γ1較小時(shí)傳動(dòng)具有自鎖性，故常用在卷揚(yáng)機(jī)等起重機(jī)械中，起安全保護(hù)作用。它還廣泛應(yīng)用在機(jī)床、汽車、儀器、冶金機(jī)械及其它機(jī)器或設(shè)備中，其原因是因?yàn)槭褂幂嗇S運(yùn)動(dòng)可以減少力的消耗,從而大力推廣。

齒輪分類

一、按齒輪形狀

圓柱齒輪、錐齒輪、齒條、蝸桿蝸輪。按齒長(zhǎng)方向的歪斜程度又可分為：直齒輪（見圖1）、斜齒輪（見圖2）、圓弧齒輪（見圖3）

圖1  直齒輪

圖2  斜齒輪

圖3 圓弧齒輪

二、按齒輪輪齒的齒廓曲線

漸開線齒輪、擺線齒輪、準(zhǔn)雙曲線齒輪等。

三、按齒輪在工作時(shí)的圓周速度V

低速傳動(dòng)齒輪（＜3m/s）、中速傳動(dòng)齒輪（3~15m/s）、高速傳動(dòng)齒輪（＞15m/s）。

四、按齒輪的制造精度

標(biāo)準(zhǔn)齒輪（3~5級(jí)精度）、精密機(jī)床與儀器齒輪（5~6級(jí)精度）、一般機(jī)床與機(jī)械齒輪（6~7級(jí)精度）、汽車與拖拉機(jī)傳動(dòng)齒輪（7~8級(jí)精度）。

五、按齒輪工作時(shí)承受載荷

輕載荷、中載荷、重載荷和超重載荷，載荷主要包括齒面接觸應(yīng)力和沖擊載荷。

六、按齒輪的服役條件

1、傳遞運(yùn)動(dòng)齒輪：一般用非鐵金屬或塑料等材料制造

2、傳遞動(dòng)力齒輪：常用鋼鐵制造，重載服役條件工作。目前，在高參數(shù)硬齒面齒輪制造中，多采用滲碳淬火工藝。

七、按熱處理工藝

1、滲碳齒輪和感應(yīng)或火焰淬火齒輪：因高的表面硬度和良好的心部韌性結(jié)合，齒輪具有耐磨、耐疲勞和耐點(diǎn)蝕等良好的特性。目前，大多數(shù)齒輪屬于此類。

2、調(diào)質(zhì)齒輪：適合于用作中小型、中等載荷和輕載荷齒輪。

3、正火齒輪：主要用于船用大型低噪聲齒輪，其重點(diǎn)是防止噪聲。

八、按齒輪傳動(dòng)的工作條件

閉式傳動(dòng)齒輪、開式傳動(dòng)齒輪及半開式傳動(dòng)齒輪。單級(jí)的圓柱和錐齒輪只能實(shí)現(xiàn)小的傳動(dòng)比，較大的傳動(dòng)比需要多級(jí)傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)具有較大的單級(jí)傳動(dòng)比

從動(dòng)齒輪滲碳淬火錐度變形的改善

隨著國內(nèi)鐵路的大發(fā)展，機(jī)車齒輪的產(chǎn)品也越來越多。在硬齒面齒輪的制造中，滲碳淬火作為重要的一種齒面硬化工藝方式，從強(qiáng)度的觀點(diǎn)，滲碳具有較好的綜合力學(xué)性能，因此機(jī)車齒輪目前仍普遍采用滲碳淬火作為齒面硬化方式。但由于滲碳淬火齒輪硬化工序復(fù)雜，齒輪容易產(chǎn)生變形，不僅會(huì)使后續(xù)磨削量增加，生產(chǎn)成本提高，且影響齒輪的制造精度，降低承載能力，終影響齒輪的使用壽命。因此，在齒輪行業(yè)，減少齒輪滲碳淬火畸變一直是一項(xiàng)擺在熱處理工作者面前的重要課題。

本文針對(duì)某型號(hào)機(jī)車從動(dòng)齒輪在實(shí)際生產(chǎn)過程中熱處理變形大的問題，進(jìn)行了分析，提出了改善措施，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.齒輪相關(guān)參數(shù)和熱處理工藝

某型機(jī)車從動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，齒輪重量350kg，材料為18CrNiMo7-6。采用愛協(xié)林井式滲碳爐生產(chǎn)線進(jìn)行滲碳淬火，淬火介質(zhì)采用快速淬火油。

熱處理技術(shù)要求：有效硬化層深度1.6~2.2mm，磨齒時(shí)單邊留磨量0.35~0.45mm。金相組織符合ISO 6336-5 MQ級(jí)以上要求。

齒輪的制造工藝流程：齒坯鍛造→預(yù)備熱處理→半精車→滾齒→滲碳淬火→噴丸→精車→磨齒→磁粉探傷。

試制時(shí)，齒輪的熱處理工藝路線：經(jīng)920℃滲碳，降溫至860℃出爐緩冷，640℃高溫回火，重新加熱淬火，兩次低溫回火。滲碳、淬火時(shí)裝夾狀態(tài)如圖2所示。

2.熱處理變形及分析

滲碳淬火后齒輪變形量如表1所示。由表1可看出，齒輪發(fā)生了較大的錐度變形，如圖3所示。熱處理后公法線沿齒高方向相差較大。磨齒后，造成齒面有效硬化層深度不均勻。

滲碳后的錐度變形是由齒輪長(zhǎng)時(shí)間在高溫下保溫因自重產(chǎn)生的蠕變所致。所謂蠕變就是在高溫及數(shù)值不變的應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間而不斷增加著材料的變形過程。鋼在高溫狀態(tài)下強(qiáng)度很低。該齒輪屬于薄腹板從動(dòng)齒輪，腹板厚小處僅25mm。由于輪齒部位缺乏足夠的支撐，在高溫下，齒輪腹板處強(qiáng)度大幅度下降，不能抵御自重力作用，在長(zhǎng)時(shí)間滲碳過程中，齒輪蠕變引起嚴(yán)重的錐度變形。

零件淬火時(shí)，齒寬部位受到不均勻冷卻，先冷卻的那半邊收縮，在熱邊的受制下冷邊受拉應(yīng)力，而熱邊受壓應(yīng)力。由于熱邊在高溫下的塑性較好而被壓縮。在冷卻到一定程度后，熱邊開始冷卻，也要發(fā)生收縮現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，先冷邊為壓應(yīng)力，后冷邊為拉應(yīng)力。冷卻后期，由于處于較低的溫度，不能產(chǎn)生明顯的塑性拉長(zhǎng)，不能抵消原先被壓縮的數(shù)量值，先冷邊都不能發(fā)生明顯的塑性增長(zhǎng)和縮短，因此工件冷卻的終結(jié)果是先冷邊縮小，后冷邊脹大。

3.改善措施

滲碳時(shí)，解決該問題的方案就是在輪齒部位增加楔形墊塊支撐。

淬火裝夾時(shí)，將齒輪朝上方向與滲碳方向反向，使得淬火保溫時(shí)，能反向校正部分滲碳時(shí)由于自重引起的錐度變形。改善后，齒輪的裝夾示意如圖4、圖5所示。

淬火加熱時(shí)，將兩個(gè)齒輪輪齒部位的間隔由原來的50mm增加到100mm，以改善入油淬火時(shí)淬火油流動(dòng)情況，使齒輪各處冷卻均勻，各處漲量趨于一致。

改善后，熱處理變形情況如表2所示。由表2可以看出，滲碳后，齒輪上下錐度變形變化不大。但淬火后，齒輪上下錐度變形量平均值減小0.296mm，變形量減小64%。

4.結(jié)語

（1）齒輪裝夾時(shí)，在齒部位使用平整的楔形墊塊支撐，可保證薄腹板整體式從動(dòng)齒輪輪輞部位在滲碳過程中的強(qiáng)度，減小因自重而產(chǎn)生的變形。

（2）淬火時(shí)，齒輪裝夾與滲碳時(shí)反向，可有效改善滲碳時(shí)的錐度變形。

（3）淬火時(shí)，齒輪的上下間距應(yīng)符合工藝要求，保證淬火時(shí)齒輪冷卻均勻。

（4）滲碳、淬火后要及時(shí)測(cè)量變形情況，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果，及時(shí)調(diào)整熱處理工藝和裝爐方式。

S系列齒輪減速機(jī)

SD型減速器是以SZ型、SV型減速器為根據(jù)引進(jìn)技術(shù)擴(kuò)展的系列產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)如下： 1.采用單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，規(guī)格、主參數(shù)、傳動(dòng)比均采用優(yōu)先數(shù)系，零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度高，互換性好，便于組織生產(chǎn)、交貨迅速。 2.齒輪參數(shù)均為計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新科研成果，使減速器具有單位體積傳遞功率大和重量輕的特點(diǎn)。 3齒輪精度為DIN標(biāo)準(zhǔn)6級(jí)，磨齒，有的規(guī)格采用齒廓、齒向修形，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。 具體型號(hào)： SZNB112、SZNB125、SZNB140、SZNB160、SZNB180、SZNB200、SZNB225、SZNB250、SZNB280、SZNB320、SZNB360、SZNB400、SZNB450、SZNB560、SZNB630、SZNB710、SZNB800、SZAB112、SZAB125、SZAB140、SZAB160、SZAB180、SZAB200、SZAB225、SZAB250、SZAB280、SZAB320、SZAB360、SZAB400、SZAB450、SZAB560、SZAB630、SZAB710、SZAB800、SDN160、SDN180、SDN200、SDN225