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蝸輪蝸桿減速機傳動原理詳解

蝸桿傳動：

　　蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動，兩軸線間的夾角可為任意值，常用的為90°。蝸桿傳動用于在交錯軸間傳遞運動和動力。

　　1.簡介

　　蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成，一般蝸桿為主動件。蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分蝸桿傳動，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，即蝸桿轉一周，渦輪轉過一齒，若蝸桿上有兩條螺旋線，就稱為雙頭蝸桿，即蝸桿轉一周，渦輪轉過兩齒。

　　2.特點

　　(1)傳動比大，結構緊湊。蝸桿頭數用Z1表示（一般Z1=1~4），蝸輪齒數用Z2表示。從傳動比公式I=Z2/Z1可以看出，當Z1=1，即蝸桿為單頭，蝸桿須轉Z2轉蝸輪才轉一轉，因而可得到很大傳動比，一般在動力傳動中，取傳動比I=10-80；在分度機構中，I可達1000。這樣大的傳動比如用齒輪傳動，則需要采取多級傳動才行，所以蝸桿傳動結構緊湊，體積小、重量輕。

　　(2)傳動平穩，無噪音。因為蝸桿齒是連續不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時是連續不斷的，蝸桿齒沒有進入和退出嚙合的過程，因此工作平穩，沖擊、震動、噪音都比較小。

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

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

　　(5)發熱量大，齒面容易磨損，成本高。          

　3.圓柱蝸桿

 　圓柱蝸桿傳動是蝸桿分度曲面為圓柱面的蝸桿傳動。

　　蝸桿傳動其中常用的有阿基米德圓柱蝸桿傳動和圓弧齒圓柱蝸桿傳動。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，所以制造簡單，但難以磨削，故精度不高。在阿基米德圓柱蝸桿傳動中，蝸桿與蝸輪齒面的接觸線與相對滑動速度之間的夾角很小，不易形成潤滑油膜，故承載能力較低。②弧齒圓柱蝸桿傳動是一種蝸桿軸面(或法面)齒廓為凹圓弧和蝸輪齒廓為凸圓弧的蝸桿傳動。在這種傳動中，接觸線與相對滑動速度之間的夾角較大，故易于形成潤滑油膜，而且凸凹齒廓相嚙合，接觸線上齒廓當量曲率半徑較大，接觸應力較低，因而其承載能力和效率均較其他圓柱蝸桿傳動為高。

　　4.主要參數

 　　各類圓柱蝸桿傳動的參數和幾何尺寸基本相同。為阿基米德圓柱蝸桿傳動的主要參數。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于齒條和漸開線齒輪的嚙合。因此，蝸桿傳動的參數和幾何尺寸計算大致與齒輪傳動相同，并且在設計和制造中皆以中間平面上的參數和尺寸為基準。

　　5.蝸桿傳動

　　蝸桿的軸向齒距pX應與蝸輪的端面周節pt相等，因此蝸桿的軸向模數應與蝸輪的端面模數相等,以m表示,m應取為標準值。蝸桿的軸向壓力角應等于蝸輪的端面壓力角，以α表示，通常標準壓力角α=20°。

　　 蝸桿相當于螺旋，其螺旋線也分為左旋和右旋、單頭和多頭。通常蝸桿的頭數Z1=1～4,頭數越多效率越高；但頭數太多,如Z1>4,分度誤差會增大,且不易加工。蝸輪的齒數Z2=iZ1，i為蝸桿傳動的傳動比,i=n1/n2=Z2/Z1。對于一般傳遞動力的蝸桿傳動,Z2=27～80。當Z2<27時，蝸輪齒易發生根切；而Z2太大時，可能導致蝸輪齒彎曲強度不夠。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。為了限制滾刀的數目，標準中規定了與每個模數搭配的q值。通常q=6～17。蝸輪分度圓直徑d2=Z2m。

　6.失效形式

 　　在蝸桿傳動中，蝸輪輪齒的失效形式有點蝕、磨損、膠合和輪齒彎曲折斷。但一般蝸桿傳動效率較低，滑動速度較大，容易發熱等，故膠合和磨損破壞更為常見。

　　蝸桿傳動為了避免膠合和減緩磨損，蝸桿傳動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，螺旋表面應經熱處理（如淬火和滲碳），以便達到高的硬度(HRC45～63),然后經過磨削或珩磨以提高傳動的承載能力。蝸輪多數用青銅制造，對低速不重要的傳動，有時也用黃銅或鑄鐵。為了防止膠合和減緩磨損，應選擇良好的潤滑方式，選用含有抗膠合添加劑的潤滑油。對于蝸桿傳動的膠合和磨損，還沒有成熟的計算方法。齒面接觸應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度計算為蝸桿傳動的基本計算。此外，有時還應驗算輪齒的彎曲強度。一般蝸桿齒不易損壞，故通常不必進行齒的強度計算，但必要時應驗算蝸桿軸的強度和剛度。對閉式傳動還應進行熱平衡計算。如果熱平衡計算不能滿足要求，則在箱體外側加設散熱片或采用強制冷卻裝置。

　　7.結構簡介

　　一般蝸桿與軸制成一體，稱為蝸桿軸。蝸輪的結構型式可分為蝸桿傳動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螺栓聯接式：輪緣和輪轂采用鉸制孔，用螺栓聯接，這種結構裝拆方便。

　　8.傳動應用

　　蝸桿傳動常用于兩軸交錯、傳動比較大、傳遞功率不太大或間歇工作的場合。

　　蝸桿傳動當要求傳遞較大功率時，為提高傳動效率，常取Z1=2～4。此外，由于當γ1較小時傳動具有自鎖性，故常用在卷揚機等起重機械中，起安全保護作用。它還廣泛應用在機床、汽車、儀器、冶金機械及其它機器或設備中，其原因是因為使用輪軸運動可以減少力的消耗,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、準雙曲線齒輪等。

三、按齒輪在工作時的圓周速度V

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

四、按齒輪的制造精度

標準齒輪（3~5級精度）、精密機床與儀器齒輪（5~6級精度）、一般機床與機械齒輪（6~7級精度）、汽車與拖拉機傳動齒輪（7~8級精度）。

五、按齒輪工作時承受載荷

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力和沖擊載荷。

六、按齒輪的服役條件

1、傳遞運動齒輪：一般用非鐵金屬或塑料等材料制造

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

七、按熱處理工藝

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

2、調質齒輪：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，其重點是防止噪聲。

八、按齒輪傳動的工作條件

閉式傳動齒輪、開式傳動齒輪及半開式傳動齒輪。單級的圓柱和錐齒輪只能實現小的傳動比，較大的傳動比需要多級傳動，蝸桿傳動具有較大的單級傳動比

從動齒輪滲碳淬火錐度變形的改善

隨著國內鐵路的大發展，機車齒輪的產品也越來越多。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，從強度的觀點，滲碳具有較好的綜合力學性能，因此機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雜，齒輪容易產生變形，不僅會使后續磨削量增加，生產成本提高，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，減少齒輪滲碳淬火畸變一直是一項擺在熱處理工作者面前的重要課題。

本文針對某型號機車從動齒輪在實際生產過程中熱處理變形大的問題，進行了分析，提出了改善措施，并進行了試驗驗證。

1.齒輪相關參數和熱處理工藝

某型機車從動齒輪結構如圖1所示，齒輪重量350kg，材料為18CrNiMo7-6。采用愛協林井式滲碳爐生產線進行滲碳淬火，淬火介質采用快速淬火油。

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

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

試制時，齒輪的熱處理工藝路線：經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、淬火時裝夾狀態如圖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時間在高溫下保溫因自重產生的蠕變所致。所謂蠕變就是在高溫及數值不變的應力作用下，隨著時間而不斷增加著材料的變形過程。鋼在高溫狀態下強度很低。該齒輪屬于薄腹板從動齒輪，腹板厚小處僅25mm。由于輪齒部位缺乏足夠的支撐，在高溫下，齒輪腹板處強度大幅度下降，不能抵御自重力作用，在長時間滲碳過程中，齒輪蠕變引起嚴重的錐度變形。

零件淬火時，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力，而熱邊受壓應力。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，也要發生收縮現象，此時應力狀態發生變化，先冷邊為壓應力，后冷邊為拉應力。冷卻后期，由于處于較低的溫度，不能產生明顯的塑性拉長，不能抵消原先被壓縮的數量值，先冷邊都不能發生明顯的塑性增長和縮短，因此工件冷卻的終結果是先冷邊縮小，后冷邊脹大。

3.改善措施

滲碳時，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，將齒輪朝上方向與滲碳方向反向，使得淬火保溫時，能反向校正部分滲碳時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，將兩個齒輪輪齒部位的間隔由原來的50mm增加到100mm，以改善入油淬火時淬火油流動情況，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.結語

（1）齒輪裝夾時，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齒輪輪輞部位在滲碳過程中的強度，減小因自重而產生的變形。

（2）淬火時，齒輪裝夾與滲碳時反向，可有效改善滲碳時的錐度變形。

（3）淬火時，齒輪的上下間距應符合工藝要求，保證淬火時齒輪冷卻均勻。

（4）滲碳、淬火后要及時測量變形情況，并根據測量結果，及時調整熱處理工藝和裝爐方式。

S系列齒輪減速機

SD型減速器是以SZ型、SV型減速器為根據引進技術擴展的系列產品，其主要特點如下： 1.采用單元結構設計，規格、主參數、傳動比均采用優先數系，零部件的標準化、通用化程度高，互換性好，便于組織生產、交貨迅速。 2.齒輪參數均為計算機優化設計的新科研成果，使減速器具有單位體積傳遞功率大和重量輕的特點。 3齒輪精度為DIN標準6級，磨齒，有的規格采用齒廓、齒向修形，傳動平穩，噪聲低。 具體型號： 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