平面连杆机构是所有机构全部用低副连接而成的平面机构，又称平面低副机构。因而，平面连杆机构在各种机械和仪器中获得了广泛使用。平面连杆机构中最常见的是由四个构件组成的四杆机构。其中，AD为机架，与机架相连的杆AB、CD称为连架杆。平面连杆机构的结构和维护平面连杆机构是面接触的低副机构，低副中的间隙会引起运动误差，所以要注意保证良好的润滑以减少摩擦、磨损。......
2023-06-23
蜗杆传动机构的特点和维护注意事项
【摘要】：任务要求掌握蜗轮蜗杆传动的特点，学会正确装拆。采用蜗杆传动机构，则可满足上述要求。图3.69蜗杆减速器3.5.1蜗杆传动的类型蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成。蜗杆传动的失效主要发生在蜗轮轮齿上。蜗杆传动的失效形式主要有胶合、疲劳点蚀和磨损。因此，蜗杆传动中，要考虑润滑与散热问题。
活动情境
任务要求
掌握蜗轮蜗杆传动的特点，学会正确装拆。
任务引领
通过观察与操作回答以下问题：
1.减速箱中有哪些传动零件？它们各有哪些特点？
2.蜗杆传动的常用类型有哪些？
3.蜗杆传动的失效形式有哪些？
4.蜗杆和蜗轮的材料应如何选择？
5.蜗杆传动机构的散热方式有哪些？
归纳总结
在运动转换中，通常需要进行空间交错轴之间的运动转换，在要求大传动比的同时，又希望传动机构的结构紧凑。采用蜗杆传动机构，则可满足上述要求。蜗杆传动广泛应用于机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造工业中。如图3.69所示的蜗杆减速器即是其中的一种。
图3.69 蜗杆减速器
3.5.1 蜗杆传动的类型
蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成。它常见于传递空间两垂直交错轴之间的运动和动力（见图3.70）。通常两轴交错角为90°，蜗杆为主动件，蜗轮为从动件。
根据蜗杆的形状，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动（见图3.71（a））、环面蜗杆传动（见图3.71（b））和锥面蜗杆传动（见图3.71（c））。圆柱蜗杆传动制造简单，应用广泛。
圆柱蜗杆按其螺旋面的形状不同，可分为普通圆柱蜗杆（又称阿基米德蜗杆）和圆弧圆柱蜗杆。
按蜗杆的螺旋线方向不同，蜗杆可分为右旋和左旋。一般多用右旋。
图3.70 蜗杆传动
1—蜗轮；2—蜗杆
图3.71 蜗杆传动的类型
3.5.2 蜗杆传动的特点和应用
1）传动比大、结构紧凑
单级传动比一般为10~40（<80）。只传递运动时（如分度机构），传动比可达1000。
2）传动平稳、噪声小
蜗杆上的齿是连续的螺旋齿，蜗轮轮齿和蜗杆是逐渐进入啮合又逐渐退出啮合的。
3）具有自锁性
当蜗杆升程角小于当量摩擦角时，蜗轮不能带动蜗杆传动，呈自锁状态。手动葫芦和浇铸机械常采用蜗杆传动，以满足自锁要求。
4）传动效率较低
蜗杆传动中齿面之间存在较大的相对滑动，摩擦剧烈发热量大，故效率低，一般为0.7~0.9。自锁时，效率仅为0.4左右。
5）蜗轮造价高
为了减摩和耐磨，蜗轮齿冠需贵重金属青铜制造，故成本较高。
由上述可知，蜗杆传动适用于传动比大，功率不太大的场合。
3.5.3 蜗杆传动的正确啮合条件
如图3.72所示为阿基米德蜗杆传动。通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面，称为中间平面。在中间平面上蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮和齿条的啮合。在设计蜗杆传动时，均取中间平面上的参数和尺寸为标准，并可沿用齿轮传动的计算方法。因此，蜗杆传动的正确啮合条件为：蜗杆的轴向模数ma1等于蜗轮的端面模数mt2，蜗杆的轴向压力角αa1等于蜗轮的端面压力角αt2，当两轴交角Σ=90°时，还应保证蜗杆分度圆柱导程角γ等于蜗轮的螺旋角β，且旋向相同，即
式中，m，α为标准值。
图3.72 阿基米德蜗杆传动
3.5.4 蜗杆传动的基本参数及基本尺寸计算
1）蜗杆头数z1，蜗轮齿数z2
蜗杆头数z1一般取1，2，4，6。头数z1增大，可提高传动效率，但加工制造难度增加。
蜗轮齿数一般取z2=28~80。若z2<28，传动的平稳性会下降，且易产生根切；若z2过大，蜗轮的直径d2增大，与之相应的蜗杆长度增加、刚度降低，从而影响啮合的精度。
2）传动比
传动比为
3）蜗杆分度圆直径d1和蜗杆直径系数q
加工蜗轮时，用的是与蜗杆具有相同尺寸的滚刀，因此，加工不同尺寸的蜗轮，就需要不同的滚刀。为限制滚刀的数量，并使滚刀标准化，对每一标准模数，规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1。
蜗杆分度圆直径与模数的比值，称为蜗杆直径系数，用q表示，即
模数一定时，q值增大则蜗杆的直径d1增大，刚度提高。因此，为保证蜗杆有足够的刚度，小模数蜗杆的q值一般较大。蜗杆基本参数配置见表3.21。
表3.21 蜗杆基本参数配置表
注：表中分度圆直径d1的数字，带括号的尽量不用；黑体的为γ<3°30′的自锁蜗杆。
4）蜗杆导程角γ
蜗杆导程角γ计算为
式中 L——螺旋线的导程，L=z1px1=z1πm，其中，px1为轴向齿距。
通常螺旋线的导程角γ=3.5°~27°，导程角为3.5°~4.5°的蜗杆可实现自锁。升角大时，传动效率高，但蜗杆加工难度大。
5）蜗杆传动的基本尺寸计算
标准圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算公式见表3.22。
表3.22 标准普通圆柱蜗杆传动几何尺寸计算公式
续表
3.5.5 蜗杆传动的失效形式及设计准则
由于蜗杆传动中的蜗杆表面硬度比蜗轮高，因此，蜗杆的接触强度、弯曲强度都比蜗轮高；而蜗轮齿的根部是圆环面，弯曲强度也高，很少折断。蜗杆传动的失效主要发生在蜗轮轮齿上。
蜗杆传动的失效形式主要有胶合、疲劳点蚀和磨损。
由于蜗杆传动在齿面间有较大的滑动速度，发热量大，若散热不及时，油温升高，黏度下降，油膜破裂，更易发生胶合，尤其在开式传动中，蜗轮轮齿磨损严重。因此，蜗杆传动中，要考虑润滑与散热问题。
蜗杆轴细长，弯曲变形大，会使啮合区接触不良。因此，需要考虑其刚度问题。
蜗杆传动的设计要求如下：
①计算蜗轮接触强度。
②计算蜗杆传动热平衡，限制工作温度。
③必要时，验算蜗杆轴的刚度。
3.5.6 蜗杆、蜗轮的材料选择
基于蜗杆传动的失效特点，选择蜗杆和蜗轮材料组合时，不但要求有足够的强度，而且还要有良好的减摩、耐磨和抗胶合的能力。实践表明，较理想的蜗杆副材料是青铜蜗轮齿圈匹配淬硬磨削的钢制蜗杆。
1）蜗杆材料
高速重载的传动，蜗杆常用低碳合金钢（如20Cr，20CrMnTi）经渗碳后，表面淬火使硬度为56~62HRC，再经磨削。对中速中载传动，蜗杆常用45钢、40Cr、35SiMn等，表面经高频淬火使硬度为45~55HRC，再磨削。一般蜗杆可采用45，40等碳钢调质处理（硬度为210~230HBS）。
2）蜗轮材料
常用的蜗轮材料为铸造锡青铜（ZCuSn10P1，ZCuSn6Zn6Pb3）、铸造铝铁青铜（ZCuAl10Fe3）及灰铸铁（HT150，HT200）等。锡青铜的抗胶合、减摩及耐磨性能最好，但价格较高，常用于相对滑动速度vs≥3m/s的重要传动；铝铁青铜具有足够的强度，并耐冲击，价格便宜，但抗胶合及耐磨性能不如锡青铜，一般用于vs≤6m/s的传动；灰铸铁用于vs≤2m/s的不重要场合。
3.5.7 蜗轮转向的判断
蜗杆传动中，蜗杆为主动件，蜗轮为从动件。已知蜗杆的旋向和转动方向，则可判断出蜗轮的转向。如图3.73所示，右旋蜗杆用右手，左旋蜗杆用左手进行判断，四指弯曲方向代表蜗杆的旋转方向，则蜗轮的转向与伸直的大拇指指向相反。
图3.73 蜗轮转向的判断
3.5.8 蜗杆、蜗轮的结构
1）蜗杆的结构
如图3.74所示，一般将蜗杆和轴作成一体，称为蜗杆轴。
2）蜗轮的结构
如图3.75所示，一般为组合式结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或钢。
图3.75（a）为组合式过盈联接，这种结构常由青铜齿圈与铸铁轮芯组成，多用于尺寸不大或工作温度变化较小的地方。
图3.75（b）为组合式螺栓联接，这种结构装拆方便，多用于尺寸较大或易磨损的场合。
图3.75（c）为整体式，主要用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮。
图3.75（d）为拼铸式，将青铜齿圈浇铸在铸铁轮芯上，常用于成批生产的蜗轮。
图3.74 蜗杆的结构
图3.75 蜗轮的结构
拓展延伸
蜗杆传动的散热计算
1）蜗杆传动时的滑动速度
蜗杆和蜗轮啮合时，齿面间有较大的相对滑动，相对滑动速度的大小对齿面的润滑情况、齿面失效形式和传动效率有很大影响。相对滑动速度越大，齿面间越容易形成油膜，则齿面间摩擦系数越小，当量摩擦角也越小；但另一方面，由于啮合处的相对滑动，加剧了接触面的磨损，因此，应选用恰当的蜗轮蜗杆的配对材料，并注意蜗杆传动的润滑条件。
滑动速度vs（m/s）的计算公式为
式中 γ——普通圆柱蜗杆分度圆上的导程角；
n1——蜗杆转速，r/min；
d1——普通圆柱蜗杆分度圆上的直径。
2）蜗杆传动的效率
闭式蜗杆传动的功率损失包括啮合摩擦损失、轴承摩擦损失和润滑油被搅动的油阻损失。因此，总效率为啮合效率η1、轴承效率η2、油的搅动和飞溅损耗效率η3的乘积。其中，啮合效率η1是主要的。总效率为
当蜗杆主动时，啮合效率η1为
式中 γ——普通圆柱蜗杆分度圆上的导程角；
ρv——当量摩擦角，可按蜗杆传动的材料及滑动速度查表3.23得出。
表3.23 当量摩擦系数fv和当量摩擦角ρv
注：1.蜗杆齿面粗糙度Ra=0.8~0.2。
2.蜗轮材料为灰铸铁时，可按无锡青铜查取fv，ρv。
由于轴承效率η2、油的搅动和飞溅损耗时的效率η3不大，一般取η2η3=0.95~0.97。
3）散热计算
对效率不高又连续工作的闭式蜗杆传动，会因油温不断升高而导致胶合失效。因此，应进行散热计算，以限制润滑油工作的最高温度。
按热平衡条件，可得箱体内的工作温度为
式中 P1——蜗杆传动的功率，kW；
η——传动效率；
h——箱体表面传热系数，可取h=（8~17）R/m2·℃，当周围空气流通较好时，取大值；
A——散热面积，m2，是指内壁能被润滑油飞溅到，而外壁又可被周围空气所冷却的箱体表面面积；
t0——周围环境温度，常温情况下，可取20℃；
t1——箱体内油的工作温度，℃，一般限制在60~70℃，最高不超过80℃。
4）散热措施
在连续传动，若油温t1>80℃时，采用下列措施增加散热能力：
①增加箱体的散热面积或加散热片，如图3.76所示。
②在蜗杆轴上装风扇，进行人工通风，如图3.76所示。
③在箱体油池内安装循环冷却管路，如图3.77所示。
图3.76 加散热片和风扇蜗杆传动
1—散热片；2—溅油轮；3—风扇
图3.77 装循环冷却管路的蜗杆传动
1—蛇形管；2—冷却水出入口
自测题
一、判断题
1.蜗杆传动一般适用于传递大功率，大速比的场合。（ ）
2.蜗轮蜗杆传动的中心距
。（ ）
3.蜗杆机构中，蜗轮的转向取决于蜗杆的旋向和蜗杆的转向。（ ）
4.利用蜗杆传动可获得较大的传动比，且结构紧凑，传动平稳但效率较低，又易发热。（ ）
5.蜗杆与蜗轮的啮合相当于中间平面内齿轮与齿条的啮合。（ ）
6.在蜗杆传动中，由于轴是相互垂直的，因此，蜗杆的螺旋升角应与蜗轮的螺旋角互余。（ ）
7.蜗杆的直径系数等于直径除以模数，因此，蜗杆直径越大，其直径系数就越大。（ ）
8.青铜的抗胶合能力和耐磨性较好，常用于制造蜗杆。（ ）
二、选择题
1.蜗杆传动常用于（ ）轴之间传递运动的动力。
A.平行 B.相交 C.交错
2.与齿轮传动相比较，（ ）不能作为蜗杆传动的优点。
A.传动平稳，噪声小 B.传动效率高 C.传动比大
3.阿基米德圆柱蜗杆与蜗轮传动的（ ）模数，应符合标准值。
A.法面 B.端面 C.中间平面
4.蜗杆直径系数（ ）。
A.q=d1/m B.q=d1m C.q=a/d1
5.在蜗杆传动中，当其他条件相同时，增加蜗杆头数，则传动效率η（ ）。
A.降低 B.提高 C.不变
6.为了减少蜗轮滚刀型号，有利于刀具标准化，规定（ ）为标准值。
A.蜗轮齿数 B.蜗轮分度圆直径 C.蜗杆分度圆直径
7.蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相类似，其中（ ）最易发生。
A.点蚀与磨损 B.胶合与磨损 C.轮齿折断与塑性变形
8.蜗轮常用材料是（ ）。
A.40Cr B.GCr15 C.ZCuSn10P1
9.蜗杆传动中较为理想的材料组合是（ ）。
A.钢和铸铁 B.钢和青铜 C.钢和钢
10.闭式蜗杆连续传动时，当箱体内工作油温大于（ ）时，应加强散热措施。
A.80° B.120° C.50°
三、分析计算题
1.已知某蜗杆传动，蜗杆为主动件，转动方向及螺旋线方向如图3.78所示。试将蜗轮的转向和螺旋线方向标在图中。
2.如图3.79所示为简单手动起重装置。若按图示方向转动蜗杆，提升重物G，试确定蜗杆和蜗轮齿的旋向。
图3.78 蜗杆传动
图3.79 简单手动起重装置
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2023-06-15
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