減速器中蝸桿與斜齒輪反向驅(qū)動(dòng)力應(yīng)用

機(jī)械傳動(dòng)中蝸輪與蝸桿實(shí)現(xiàn)直角傳遞運(yùn)動(dòng)，嚙合特點(diǎn)是傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力大。單頭蝸桿易實(shí)現(xiàn)自鎖功能，傳動(dòng)效率相對(duì)低；多頭蝸桿與蝸輪傳動(dòng)效率提升，但多頭蝸桿精度相對(duì)比單頭蝸桿分度要求高，蝸輪副嚙合時(shí)需設(shè)計(jì)模數(shù)、螺旋升角與蝸桿一一匹配的蝸輪滾刀，增加滾刀成本和延長(zhǎng)加工工期。

為規(guī)避此問題，采用蝸桿與斜齒輪嚙合傳動(dòng)，提升減速器傳動(dòng)效率，易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化。蝸輪副拓展為蝸桿與斜齒輪傳動(dòng)，其嚙合接觸為線接觸或小面積接觸，非包絡(luò)線或包絡(luò)面接觸，承載性能略小，但使用環(huán)境與噪聲等基本無差異。

自鎖功能或反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是從輸出端施加外力后驅(qū)動(dòng)前一級(jí)零部件、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。反向運(yùn)動(dòng)過程中需克服減速器內(nèi)部齒輪副嚙合摩擦阻力、蝸桿與斜齒輪嚙合摩擦阻力和電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)阻力。

蝸桿與斜齒輪嚙合在各行業(yè)中廣泛應(yīng)用，尤其在汽車各傳動(dòng)部件中減速器傳動(dòng)廣泛應(yīng)用。依據(jù)使用功能不同，傳動(dòng)中有增大反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩或自鎖力矩的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，也有減小反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于要維持設(shè)定工作狀態(tài)就要增大反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩或自鎖力矩；對(duì)于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能后要輕松收回或安全施救時(shí)要減小反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

不同工況下反向驅(qū)動(dòng)力特點(diǎn)

隱藏式門把手、充電口蓋、滑移車門等傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在完成設(shè)定工作后，用較小的力或力矩將產(chǎn)品開啟或關(guān)閉恢復(fù)到初始狀態(tài)，減速器無自鎖力矩或反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小，尤其是滑移車門在斷電或安全施救時(shí)需用較小的力或力矩開/關(guān)車門。

隱藏式門把手電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)汽車門把手移出車體外，當(dāng)人上車后門把手收縮到車體內(nèi)部（也可通過電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)收回門把手）。充電口蓋充電完成后可通過手動(dòng)施加力或力矩關(guān)閉充電口蓋（同樣也可通過電動(dòng)機(jī)關(guān)閉充電口蓋），這種情況下蝸桿、斜齒輪和電動(dòng)機(jī)三者都無自鎖功能或反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)消除自鎖或降低反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的目的，需對(duì)減速器機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1.電動(dòng)機(jī)軸與蝸桿為一體式

這種設(shè)計(jì)，蝸桿精度相對(duì)高，電動(dòng)機(jī)軸（即蝸桿）軸向竄動(dòng)量 ? 0 . 2 5 m m ，遠(yuǎn)離電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的一端用軸承或軸套等定位支撐，保證電動(dòng)機(jī)安裝定位處主軸中心與蝸桿軸中心同軸度 ? 0 . 1 m m 。

由于蝸桿前端軸承支撐彎曲變形小，無懸臂梁結(jié)構(gòu)形成，斜齒輪與蝸桿嚙合時(shí)蝸桿齒面造成蝸桿變形量 ? 0 . 1 m m ，斜齒輪旋轉(zhuǎn)（或輸出端旋轉(zhuǎn)）斜齒面給蝸桿嚙合齒面施加作用力從而驅(qū)動(dòng)蝸桿帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸反向運(yùn)轉(zhuǎn)。反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，蝸桿與斜齒輪基本保持設(shè)計(jì)時(shí)的嚙合間隙和嚙合角，減速器各零部件嚙合間隙和嚙合角度在理論范圍內(nèi)從而實(shí)現(xiàn)反向小扭矩順暢運(yùn)轉(zhuǎn)。

利用嚙合間隙、軸向竄動(dòng)和零件的高精度實(shí)現(xiàn)小的反向驅(qū)動(dòng)力矩。此設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)軸與蝸桿為一體或電動(dòng)機(jī)軸與蝸桿無間隙轉(zhuǎn)接配合。

這一方法廣泛使用，對(duì)蝸桿和斜齒輪的精度要求不高，同時(shí)對(duì)各零部件的加工精度、裝配精度要求較低，相對(duì)整體成本不高。

兩種消除自鎖或降低反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.電動(dòng)機(jī)軸與蝸桿為分體式

利用間隙轉(zhuǎn)接消除蝸桿與斜齒輪嚙合造成蝸桿或電動(dòng)機(jī)軸或斜齒輪或其中兩者或三者變形而形成卡滯，間隙轉(zhuǎn)接在電動(dòng)機(jī)與蝸桿之間應(yīng)用，蝸桿兩端用軸承或軸套等定位支撐。

蝸桿與電動(dòng)機(jī)軸通過花鍵、矩形孔或槽、D形或其他形式的聯(lián)軸器等方式連接，利用聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)軸、聯(lián)軸器與蝸桿間隙配合增加蝸桿與齒輪嚙合變形裕度，也可通過增大蝸桿與斜齒輪嚙合間隙；利用聯(lián)軸器與兩端連接的零部件間隙消除蝸桿變形與電動(dòng)機(jī)軸同軸度偏差的影響。運(yùn)轉(zhuǎn)過程無自鎖力矩或反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小從而實(shí)現(xiàn)從輸出端施加力或力矩后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸運(yùn)轉(zhuǎn)。

其中，斜齒輪的齒面推動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)時(shí)蝸桿受力容易變形或卡滯導(dǎo)致反向驅(qū)動(dòng)力矩增大，一般情況下反向驅(qū)動(dòng)力矩比電動(dòng)機(jī)正向驅(qū)動(dòng)力矩大較多，為減小反向驅(qū)動(dòng)力矩大故在蝸桿與電動(dòng)機(jī)之間采用聯(lián)軸器（或叫轉(zhuǎn)接軸），聯(lián)軸器與兩端連接零部件分別采用間隙配合，有效規(guī)避電動(dòng)機(jī)與蝸桿不同軸受力變形的風(fēng)險(xiǎn)。通過以上兩種措施實(shí)現(xiàn)反向驅(qū)動(dòng)力矩小的要求。

另外，要維持驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的固定狀態(tài)，蝸桿與斜齒輪需有一定的自鎖能力或相對(duì)大的反向力矩，防止運(yùn)動(dòng)過程中受到?jīng)_擊、振動(dòng)等外部因素而改變產(chǎn)品設(shè)定的固定位置或狀態(tài)。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)整到預(yù)期設(shè)定的位置后電動(dòng)機(jī)停止工作，但產(chǎn)品受到振動(dòng)、自身重力等因素影響會(huì)改變?cè)O(shè)定的位置，此時(shí)產(chǎn)品中的蝸桿、斜齒輪、電動(dòng)機(jī)其一或其二或共同應(yīng)具有防止產(chǎn)品位置改變功能。這一情況下蝸桿與斜齒輪或電動(dòng)機(jī)必須具有反向驅(qū)動(dòng)力矩或自鎖能力。

增加自鎖能力或反向驅(qū)動(dòng)力的措施

一般情況下蝸桿與斜齒輪嚙合沒有自鎖功能，要具備反向驅(qū)動(dòng)力矩或自鎖能力必須采用相對(duì)應(yīng)的措施，下面提供三種措施以備選用：

1）蝸桿設(shè)計(jì)成懸臂或者蝸桿前端支撐軸小。當(dāng)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)因蝸桿懸臂或蝸桿前端支撐軸偏小，當(dāng)從輸出端運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)斜齒輪的齒面對(duì)蝸桿嚙合齒面施加作用力導(dǎo)致蝸桿產(chǎn)生變形，從而改變蝸桿與斜齒輪嚙合間隙或嚙合角度，導(dǎo)致兩者無法按照電動(dòng)機(jī)正向驅(qū)動(dòng)時(shí)設(shè)計(jì)的嚙合狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)反向扭矩增大或自鎖。此設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)嚙合的蝸桿與斜齒輪零件之一或兩者有損傷，此結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大、自鎖力矩要求不大或傳動(dòng)精度不高的蝸桿與斜齒輪減速器中。

2）利用傳動(dòng)嚙合間隙實(shí)現(xiàn)自鎖或反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，主要通過軸向竄動(dòng)形成蝸桿齒頂與斜齒輪齒根附近齒面嚙合或蝸桿齒根附近齒面與斜齒輪齒頂嚙合形成摩擦力增大或卡滯，也可利用電動(dòng)機(jī)軸或蝸桿軸向竄動(dòng)量大、小控制蝸桿與斜齒輪嚙合側(cè)隙。這一方法主要應(yīng)用在蝸桿與電動(dòng)機(jī)軸為一體式或蝸桿無間隙轉(zhuǎn)接在電動(dòng)機(jī)軸上，此方法廣泛應(yīng)用在反向驅(qū)動(dòng)力矩大的各類蝸桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，應(yīng)用效果較佳。

3）此情況主要應(yīng)用在噪聲要求不高或無要求的情況下，電動(dòng)機(jī)安裝的定位基準(zhǔn)與固定蝸桿的一端或兩端定位孔同軸度偏差大（即兩者偏心不同軸，同軸度偏差值不超過蝸桿彈性變形量），自鎖力矩或反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩利用蝸桿與斜齒輪嚙合不同軸而微量彎曲變形的不均勻性實(shí)現(xiàn)反向傳動(dòng)過程自鎖力矩或反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。這種自鎖功能存在反向運(yùn)轉(zhuǎn)滯后情況。這應(yīng)用在傳動(dòng)精度不高的自鎖或反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)中。上面介紹的三種增大反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩或有自鎖功能蝸桿與斜齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

結(jié)語

不同應(yīng)用工況減速器設(shè)計(jì)不同，利用自鎖或反向驅(qū)動(dòng)力矩功能還是規(guī)避自鎖或減小反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要是由減速器要實(shí)現(xiàn)何種功能決定?？傊?，利用或規(guī)避自鎖、反向起動(dòng)力矩是設(shè)計(jì)預(yù)期目的決定的，蝸桿與斜齒輪傳動(dòng)提升減速器效率，對(duì)減速器整體結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)化明顯，值得推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].6版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

[2]陳宏鈞.實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]張也晗，劉永猛.機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2021.AUTO1950