蝸桿蝸輪機構(gòu)的自鎖性及其失效原因分析

朱正平

（浙江中控太陽能技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310051）

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蝸桿蝸輪機構(gòu)的自鎖性及其失效原因分析

朱正平

（浙江中控太陽能技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310051）

摘 要：本文介紹了蝸輪蝸桿的基本結(jié)構(gòu)，從蝸輪蝸桿外部受力、蝸輪蝸桿自身受力分析、安裝位置偏移對受力的影響分析出發(fā)。對蝸桿蝸輪的自鎖條件進行了研究，分析不同的因素對蝸桿蝸輪的自鎖的影響，得出蝸輪制件表面磨損失效的機理根據(jù)蝸輪制件表面磨損的情況而決定的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：蝸桿蝸輪；自鎖；磨損

0. 引言

蝸輪蝸桿傳動是機械傳動中不可缺少的傳動布置形式，升降臺的升降傳動中使用蝸輪蝸桿傳動可以防止臺面的自動回落。

1. 蝸輪蝸桿機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)

蝸桿傳動由蝸輪和蝸桿組成。通常情況下，蝸桿與蝸輪軸線方向的角度為90°，所以，蝸桿蝸輪機構(gòu)被應用在交錯軸間的運動。

2. 蝸桿蝸輪機構(gòu)的自鎖性

蝸桿蝸輪機構(gòu)一方面具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定的傳動比、工作性能可靠等優(yōu)良的特點，而且另一方面還具有蝸桿蝸輪的主動件變化的反向造成蝸桿蝸輪自鎖的現(xiàn)象。在起重裝置的機械中，為了利用蝸桿機構(gòu)的自鎖性能，一般采用蝸輪蝸桿機構(gòu)，目的是為了使起吊的重物可以非常穩(wěn)定地在空中實現(xiàn)短暫靜止。為了充分地估計機構(gòu)傳動的自鎖性，必須要弄清楚蝸桿蝸輪自鎖性的內(nèi)在關(guān)系。

2.1 自鎖性問題的提出

蝸桿蝸輪機構(gòu)被廣泛地應用在機械行業(yè)的減速機構(gòu)中。對于要求利用蝸桿蝸輪機構(gòu)自鎖性的機械裝置系統(tǒng)中，確定蝸輪蝸桿的自鎖性成為了一個非常關(guān)鍵的因素。在生產(chǎn)生活實際的應用中，自鎖性能經(jīng)常又是很難掌握的。在保溫罩上升的過程中，斷開電動機的電源，機構(gòu)會馬上發(fā)生自鎖現(xiàn)象，保溫罩不會下降。然而，當切斷電動機的電源時，保溫罩開始往下運動，機構(gòu)僅僅只是有些時候發(fā)生自鎖現(xiàn)象，有些時候卻不會發(fā)揮自鎖現(xiàn)象，保溫罩甚至會產(chǎn)生高速度下降的情況，根本就失去了機構(gòu)本身的自鎖能力。

2.2 自鎖條件分析

對于具有自鎖性的蝸桿蝸輪機構(gòu)而言，機械類的教科書上是這樣定義的：“當以蝸輪為主動件時，并且蝸桿蝸輪機構(gòu)的導程角小于摩擦角，機構(gòu)將會發(fā)生自鎖現(xiàn)象。”自鎖現(xiàn)象的發(fā)生和兩個量的相對大小有關(guān)系：一個是蝸輪作用在蝸桿上的摩擦角β，另一個是蝸桿的升角α。

表1蝸輪和蝸桿的摩擦系數(shù)

表2接觸壓力P與摩擦系數(shù)?的關(guān)系

2.2.1 升角α

就蝸桿的升角α而言，它是通過蝸桿的幾何參數(shù)來確定的。蝸桿的升角為一個定值。記蝸桿的頭數(shù)為，特性系數(shù)為q，模數(shù)為m，得：

升角α與特性系數(shù)q的對應關(guān)系見表1（Z1=1）。

2.2.2 摩擦角β

摩擦角β與物體之間的摩擦力F?和法向約束反力FN的比值有關(guān)，即摩擦系數(shù)?，即

β與哪些因素有關(guān)？對于一個具體的蝸輪蝸桿機構(gòu)來講，摩擦系數(shù)會不會是某一個常數(shù)？接下來就著重來研究這些具體的問題。摩擦角β的大小由摩擦系數(shù)?來定，不同材料的蝸桿蝸輪的摩擦系數(shù)見表1。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可以得出：

（1）蝸桿蝸輪的相互匹配的材料的不同，他們之間的摩擦系數(shù)就會有很大的差別。如表1中所示，鋼與鑄鐵的配合而產(chǎn)生的摩擦系數(shù)比較大，鋼與黃銅的配合的摩擦系數(shù)比較小。因為蝸輪蝸桿機構(gòu)之間會產(chǎn)生非常大的滑動速度，所以，蝸桿蝸輪機構(gòu)傳動時會產(chǎn)生大量的熱量從而導致蝸桿蝸輪的輪齒很大的磨損。鑒于此種情況，一般選用摩擦系數(shù)比較小的黃銅與鋼來制造蝸輪蝸桿機構(gòu)。

（2）摩擦系數(shù)?受到材料表面質(zhì)量的影響，由不同的材料制造而成的蝸桿蝸輪，相互之間的摩擦系數(shù)?在一定的范圍內(nèi)變化。也就是說，即使配對的蝸桿蝸輪相同的材料，摩擦系數(shù)?也會因為表面狀態(tài)的不同而不同。材料的表面質(zhì)量越差，摩擦系數(shù)?就會越大，相對應的摩擦角β也就會變得越大，機構(gòu)就更容易自鎖。另一方面，材料的表面質(zhì)量越好，蝸輪與蝸桿之間的摩擦系數(shù)?就會變得越小，摩擦角就會越小，機構(gòu)不容易發(fā)生自鎖現(xiàn)象。

（3）摩擦系數(shù)也會受到材料的表面的潤滑狀態(tài)的影響。使用蝸桿蝸輪機構(gòu)傳動的過程中，為了盡可能地減少蝸桿蝸輪輪齒間相對滑動帶來的輪齒間的磨損，一般情況下，應該將蝸桿蝸輪傳動機構(gòu)安置在油中。所以，機構(gòu)很難發(fā)生自鎖。

（4）蝸輪蝸桿構(gòu)成的摩擦副之間的接觸壓力P的變化會導致摩擦系數(shù)?的變化。接觸壓力P和摩擦系數(shù)?之間的關(guān)系可以由表2查得。

由以上研究的影響摩擦系數(shù)的各種因素可以得出：摩擦角β不但與蝸桿蝸輪機構(gòu)的嚙合表面的粗糙度、潤滑情況等有關(guān)，而且與減速器的工作條件（有無相對速度及相對速度的大小，輪齒嚙合部位的接觸壓力等）有關(guān)。摩擦角β會隨著工作條件和自身狀態(tài)的改變而改變。所以得出結(jié)論：摩擦角β是個變量。

3. 蝸輪蝸桿中心安裝誤差所致的自鎖失效分析

3.1 蝸輪外部受力分析

外力施加給蝸輪的轉(zhuǎn)矩T=FLcosγ根據(jù)升降臺的尺寸和舉升重物分析，當曲柄角度處于的第Ⅰ象限或者第Ⅱ象限的某一角度時，T有最大值。

3.2 蝸輪蝸桿自身受力分析

法向力Fn為蝸輪面反作用在蝸桿嚙合點P的作用力，該法向力垂直指向此處的齒廓，為了更加有效地分析蝸桿蝸輪的受力情況，將蝸桿蝸輪的作用力定義為分力Ft、Fr、Fa。

各個力的絕對值為：

受力分布情況如圖1所示。

3.3 安裝位置偏移對受力的影響分析

圖3為蝸桿機構(gòu)的平面安裝的3種位置，圖2（a）為最佳的位置，圖2 （b）、圖2（c）均存在安裝偏差而且偏差超過允許范圍，或者偏向左側(cè)，或者偏向右側(cè)。

如果蝸桿是逆時針方向旋轉(zhuǎn)，則蝸輪的旋向為自外向里旋轉(zhuǎn)，此時蝸輪的接觸斑點偏左，蝸輪齒面的磨損左側(cè)比右側(cè)嚴重。經(jīng)過嚴重地磨損后，蝸輪的螺旋角會變大。這種偏置方式的安裝同樣導致了蝸桿的磨損并且加重了金屬膠合現(xiàn)象的發(fā)生，即導程角變大。

4. 振動對自鎖的影響及對策

振動的發(fā)生會給自鎖的蝸桿蝸輪機構(gòu)造成極大危害，加速自鎖蝸桿機構(gòu)的磨損，使得蝸輪和蝸桿的軸線偏離原有位置，導致蝸桿與蝸輪的輪齒非正常地嚙合。綜上所述，對于自鎖的蝸桿機構(gòu)而言應該合理布置蝸桿與蝸輪的位置，減小因振動對機構(gòu)的作用。

結(jié)語

蝸輪蝸桿機構(gòu)傳動的摩擦系數(shù)是一個在一定的范圍內(nèi)變動的值，摩擦系數(shù)與加工制造蝸桿蝸輪的材料、蝸輪與蝸桿配合處的輪齒表面粗糙度、輪齒之間的相互作用力、相對滑動速度的存在與否等因素有關(guān)。

參考文獻

［1］成大先，等.機械設(shè)計手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

［2］劉澤深.機械基礎(chǔ)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.

中圖分類號：TH132

文獻標識碼：A