蜗杆传动的发展概述(一)

简介

蜗杆传动是一种齿轮传动装置，蜗轮与蜗杆啮合，用于在两个非相交轴之间以一定的角度传递动力。自达芬奇以来，蜗杆驱动一直是一个积极和富有挑战性的技术研究课题。由于对蜗轮和蜗杆应用了不同的材料，以及摩擦学的进步，将蜗轮蜗杆副封闭在壳体中，使用润滑油而不是润滑脂等技术的应用，使得一个世纪以来，蜗杆传动得到了大规模高速应用。现代蜗杆传动是一种常用的动力传动装置，可以在相对较小的接触区域中具有较高的承载能力和较强的抗磨损能力。本文对包络蜗杆传动技术的最新进展进行了全面的综述，并对今后的发展前景进行了展望。

在斜轴的机械动力传动中，蜗杆传动通常是在较小的空间区域内以较高的传动比(一般为20-300，也可用更高的传动比)进行减速。不像其他类型齿轮传动，其特点是滚动和在啮合面之间的滑动组合形式，蜗杆传动中很少有滚动。蜗杆传动的运动完全是由螺旋运动引起的，因此，蜗杆传动的承载能力相对有限，摩擦对效率的影响很大。蜗杆传动的允许传输功率一般为几十千瓦（通常为100-1000千瓦）。，由于上面提到的滑动运动不断地擦伤，这点对蜗杆传动提出独特的润滑挑战。因此，在许多情况下，高温将是在限制蜗杆传动运动应用的重要因素。

蜗杆传动已广泛应用于各种应用场合中，如：(1)噪音要求较高；(2)空间有限；(3)需要吸收冲击载荷；(4)不需要或最低限度的维修。在一些文献中，提出了蜗杆传动具有快速制动或紧急停车的优点，不幸的是，这种自锁蜗杆传动的概念已经被证明是错误的。从理论上讲，蜗杆在静态条件下可以通过蜗轮驱动蜗杆，这取决于蜗杆螺纹的导向角。但是，如果自锁驱动端受到冲击或振动，这是许多应用的典型情况，将不再有自锁和反向驱动发生。蜗杆传动约占全部机械传动的10%(图1)。

图1 各种机械传动类型的占比

蜗杆传动的研究现状

包络蜗杆传动的几何结构主要是基于渐开线齿廓的概念。1937英国标准BS 721将渐开线轮廓作为标准螺纹形式。德国标准DIN 3975将蜗杆最常见的螺纹轮廓分为五种，即ZA、ZN、ZK、ZI和ZC五种类型。ISO/TR 10828技术报告也有类似的名称(A、C、I、K和N)五种类型。美国标准-AGMA 6022-C93中具有不同的ZC型式，且前四种型式ZA，ZN，ZK和ZC的曲率半径不同。

小尺寸和高速比的蜗杆的曲率差异很小，但在较大尺寸和低速比蜗杆中差异显著。蜗杆实际使用的轮廓和获得的曲率大小并不像蜗轮齿廓匹配所选择的特定蜗杆轮廓的精度那么重要。蜗杆传动用的材料对可以全部是金属的、金属-塑料的和全部是塑料的，这取决于使用要求和使用条件。在金属对中蜗杆和蜗轮材料的选择比其他类型的齿轮有更多的限制。蜗杆螺纹受波动应力作用，应力循环次数较多，在表面上的蜗杆强度是蜗杆材料选择的一个重要指标。

蜗杆的中心部位应保持延展性和坚韧性，以确保最大限度地吸收能量。蜗轮齿接触应力的大小与蜗杆的接触应力大小相同，然而，蜗轮的应力循环的次数减少。对于蜗杆和蜗轮，推荐采用不同或不一致的材料，特别是钢和青铜，推荐用于摩擦中的蜗杆和蜗轮。钢与青铜的摩擦力比其他金属组合中的摩擦力低得多。它还导致通过青铜的牺牲磨损减少对钢的磨损，随着时间的推移，会产生更好的接触情况，从而提高蜗轮蜗杆的寿命。

蜗杆用钢一般为：正火碳钢(40C8和55C8)；硬化碳钢(10C4和14C6)；硬化合金钢(16Ni80Cr60和20Ni2Mo25)；以及镍铬钢(13Ni3Cr80和15Ni4Cr1)。淬火钢的表面硬度一般为60 HRC，碳层深度为0.75~4.5 mm。常用的蜗轮青铜有锡青铜、锰青铜、铝青铜，还有硅青铜。锡青铜齿轮通常采用离心、连续或砂型铸造方法铸造。

图2 铸造锡青铜的微观结构

图2示出了铸造锡青铜的微观结构,其包括有芯的枝晶;它们在生长时具有增加锡的组成梯度。最后的固溶体体富含锡冷却后形成α相和δ相。α和δ相填充在枝晶臂之间的区域。铸造或锻造锰青铜是青铜中最坚硬的材料家族，具有良好的耐磨性，但与锡青铜或铝青铜相比，不具备相同程度的耐蚀性和耐磨性。铝青铜与锰青铜具有相似韧性，但重量轻，可以通过铸造和锻造的形式生产，并可以热处理，以获得更高的力学性能，其耐磨质量比锰青铜更好，但不如锡青铜。

对于轻载的应用场合，英国标准B721与美国标准6022-C93提供例如可以替代蜗轮的多种材料。比如灰铸铁、球墨铸铁或铸钢。用于轻负荷蜗杆传动的塑料，例如食品加工机械中应用的，其开发始于1970年代初，目前还没有专门针对蜗杆传动用塑料的规范的标准。

钢制蜗杆的制造方法取决于所选择的齿面轮廓。现在，蜗杆可以在车床上用一种特殊的刀具工具来车削，刀刃与基圆切线对齐，这也是用来加工螺纹的标准工具。蜗杆可通过螺纹磨床磨削，使用砂轮以双圆锥形式修整。蜗轮也可以在螺纹铣床或类似的机器中铣削，使用双圆锥铣刀，其夹角等于蜗杆初始角的两倍。加工制造后，蜗杆需要精整加工，包括热处理和最终尺寸和表面加工。青铜蜗杆齿轮是最常见的滚齿加工的，根据进给角度和齿廓的要求，可以采用两种滚齿方法.径向进给法和角度进给法。这两种方法均可用于生产蜗轮。飞刀加工工艺是快速制造有限数量的蜗轮的另一种常用的方法。塑料蜗杆传动可以采用同样的加工工艺，和金属传动装置相同，通过滚齿和铣削进行加工，通过仿型成型也可以生产出大量、小尺寸的蜗杆和蜗轮。

轮齿接触分析表明，蜗杆与蜗轮齿之间的接触区域往往是一个长而薄的椭圆，由于表面的性质而变形为香蕉形。接触区域会沿着椭圆的长轴的方向伸长。这种伸长行为导致了摩擦学行为的产生从而导致油膜厚度变薄。

蜗杆传动的效率可以在50-96%之间，这取决于润滑剂、速度、表面粗糙度、负载、材料对、蜗杆外形、蜗轮尺寸、蜗杆螺旋头数和温度。由于不利的伸长作用和滑动接触，大多数蜗杆传动在齿轮啮合中的摩擦力远大于平行和锥齿轮传动的摩擦力，从而导致了啮合摩擦的产生，导致传动效率降低。一项简单的分析显示，如果为美国所有的蜗杆传动系统提供的润滑剂使机械效率相对提高5%，与使用传统矿物油相比，每年可节省6亿美元。蜗杆传动效率的计算标准在AGMA 6034-B92、BS 721、DIN 3996以及ISO/TR 14521中都有相应的章节进行阐述。

一般来说，当蜗杆传动失效时，噪声水平和振动都会明显增加。不同的故障往往会在蜗杆以及蜗轮齿轮上留下特征线索。蜗轮故障如图3所示：可分为两种模式：1)结构破坏模式，包括冲击或弯曲疲劳引起的疲劳断翅、塑料蜗轮的轮齿变形和熔化；2)表面失效模式，包括擦伤，壳体弯曲，点蚀和磨损。

图3蜗轮失效种类：a）齿断裂；b)塑料齿轮的变形和熔化c)划伤d)腐蚀坑蚀e)点蚀和f）磨损