蜗杆传动的分析与探讨

李 艳

(同煤集团平旺物业管理公司，山西 大同 037003)

·机械与设备·

蜗杆传动的分析与探讨

李 艳

(同煤集团平旺物业管理公司，山西 大同 037003)

阐述了蜗杆传动所具有的特点，介绍了蜗杆传动的主要类型和结构，并对蜗杆传动的效率、润滑、热平衡计算、安装与维护进行了详细分析，以充分理解与掌握蜗杆传动的原理，从而更好地指导实践和应用。

蜗杆传动，效率，润滑，热平衡计算

蜗杆传动主要由蜗杆、蜗轮组成，用于空间两交错轴之间运动和动力的联系和传递，多数作减速传动。在少数机械中(如离心机)，蜗轮主动、蜗杆从动，作增速运动。蜗杆传动被广泛应用于各种机械设备和仪表中。

1 蜗杆传动的特点

与齿轮传动相比，蜗杆传动具有下列的特点：

1)蜗杆传动的最大特点是传动比大、结构也紧凑。在一般传动中，传动比可达i=10～80，若只传递运动，传动比i可达1 000。

2)传动相对平稳、产生的噪声低。由于蜗杆齿连续不断地与蜗轮齿相啮合，同时，蜗杆蜗轮啮合时为线接触，因而传动平稳，噪声低。

3)可具自锁性。当蜗杆的螺旋线升角小于啮合副材料的当量摩擦角，蜗杆传动具有自锁性。即只能蜗杆带动蜗轮，而蜗轮不能带动蜗杆。在起重装置等机械中经常利用此自锁性。

4)效率低。因为蜗杆蜗轮在啮合处存在比较大的相对运动，故摩擦损耗大，发热量多，效率偏低。通常传动效率为0.7～0.8，对于自锁性的蜗杆传动，其效率小于50%，故蜗杆传动主要用于中小功率传动。

5)成本高。为减少蜗杆传动啮合处的摩擦和磨损，控制发热和防止胶合，蜗轮常采用青铜材料制造，因此成本增高。

2 蜗杆传动的类型和结构

2.1 蜗杆传动的类型

蜗杆传动除了按蜗杆齿的旋向(左旋或右旋)、头数(单头或多头)分类外，蜗杆传动主要按蜗杆结构形状的不同，又分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动。其中圆柱蜗杆传动应用最广。

2.1.1 圆柱蜗杆传动

圆柱蜗杆传动包含普通圆柱蜗杆和圆弧圆柱蜗杆传动两种类型。对于普通圆柱蜗杆传动，按其蜗杆齿廓曲线的不同又分为阿基米德蜗杆(ZA型)、渐开线蜗杆(ZI型)、法向直廓蜗杆(ZN型)等几种；圆弧圆柱蜗杆传动的蜗杆是用刃边为凸圆弧的刀具切制的，这种蜗杆在轴剖面内齿廓为凹弧形，其对应蜗轮用范成法加工，蜗轮在端面内齿廓为凸弧形。这种蜗杆传动的综合曲率半径大、承载能力高，一般可较普通圆柱蜗杆传动高出50%～100%，效率也高，一般可达90%以上，且传动平稳、噪声低、振动小。但对中心距和安装误差有较高要求。

2.1.2 环面蜗杆传动

环面蜗杆传动的蜗杆是将轮齿做在圆弧回转体上。这种蜗杆传动不仅蜗轮齿成圆弧形包向蜗杆，而且蜗杆也是圆弧形包向蜗轮。环面蜗杆传动同时啮合的齿数多，轮齿间油膜形成条件良好，承载能力高，约为阿基米德蜗杆传动的2倍～4倍，传动效率可达85%～90%，但对制造和安装精度要求较高。

2.1.3 锥蜗杆传动

锥蜗杆传动的蜗杆与蜗轮的轮齿分布在圆锥形表面上，故也称其为锥蜗杆与锥蜗轮。锥蜗杆在传动时由于其齿数接触比较多，重合面积大，所以它的承载能力高，传动比范围也大(一般10～360)，效率较高，润滑条件良好，结构紧凑，工艺性好，制造安装简便。但结构具有非对称性，正、反转时受力不同，承载能力和效率也不同。

2.2 蜗杆传动的结构

蜗杆常与轴做成一个整体，称为蜗杆轴，其加工方法与螺纹一样，可车制或铣制，常用材料为碳钢和合金钢，并进行热处理。

蜗轮按照它的尺寸大小一般加工成整体式或组合式结构。对于铸铁蜗轮或尺寸较小的青铜蜗轮一般加工成整体式结构。为节约贵重金属，较大直径的蜗轮的齿圈常采用青铜，轮芯用铸铁或铸钢的组合式结构，其组合方式有过盈配合式、螺栓连接式、浇筑式等。

3 蜗杆传动的效率

蜗杆传动的功率损失一般由三个部分组成：即轮齿啮合摩擦损失、轴承摩擦损失和浸油零件搅动润滑油的损失，所以蜗杆传动的总效率为：

η=η1η2η3。

其中，η1，η2，η3分别为蜗杆传动的啮合效率、轴承效率、搅油效率。其中起主要作用的是蜗杆传动的啮合效率η1，而η2η3一般取0.95～0.96。

当蜗杆为主动件时，η1可近似按螺旋传动的效率计算，即：

其中，λ为蜗杆的导程角；ρv为当量摩擦角，ρv=arctanfv，ρv随滑动速度vs的增大而减小。这是由于vs的增大，使油膜易于形成，导致摩擦系数下降。

当然，η1除与ρv有关外，起决定性影响的还是导程角λ。在λ的一定范围内，η1随λ的增大而增大，而多头蜗杆的λ较大，所以动力传动常常采用多头蜗杆。但如果λ角超过一定范围，就增加了蜗杆的加工难度，且当λ>27°，效率增加的幅度很小。因此，一般取λ≤27°。当λ≤ρv时，蜗杆传动具有自锁性，但此时蜗杆传动的效率很低(小于50%)。

在传动尺寸确定之前，蜗杆传动的总效率η一般可根据蜗杆头数z1近似按表1选取。

表1 蜗杆传动的总效率

4 蜗杆传动的润滑

因为蜗杆传动中相对滑动运动速度较大，发热量多，效率偏低，故为了提高传动的效率和寿命，蜗杆传动的润滑是十分重要的。

蜗杆传动常采用粘度较大的润滑油，以增强抗胶合性能，减小磨损。润滑油粘度及润滑方式主要取决于滑动速度的大小和载荷类型。

对于闭式蜗杆传动，其润滑方式主要可分为浸油润滑和压力喷油润滑。

采取浸油润滑时，下置蜗杆传动(见图1a))，其浸油深度为蜗杆的一个齿高，且油面不超过蜗杆滚动轴承最下方滚动体的中心。当vs>5 m/s时，蜗杆搅油阻力太大，应采用上置蜗杆传动，如图1c)所示，此时可采用压力喷油润滑，有时也用浸油润滑，浸油深度应达到蜗轮半径的1/3。

在开式传动中，润滑方式应采用粘度较高的齿轮油或润滑脂进行。

5 蜗杆传动的热平衡计算

因为蜗杆传动的效率偏低，发热量多，所以散热效果的好坏，会直接影响到箱体内油温的高低，甚至会导致粘度降低，润滑失效，出现齿面磨损加剧或胶合。因而，要根据单位时间内的发热量等于同等时间内的散热量来计算其热平衡，以确保箱体内油温稳定地处在合格的标准内。

设蜗杆传动的输入功率为P1(kW)，传动效率为η，单位时间内产生的发热量Q1(W)为：

Q1=P1(1-η)×1 000。

自然冷却时，经箱体外壁在单位时间内散发到空气中的散热量Q2(W)为：

Q2=Ks(t1-t0)A。

其中，Ks为散热系数，W/(m2·℃),一般取Ks=10～17，通风良好时取大值；A为箱体有效散热面积，m2,是指箱体的外壁与外界大气接触，其内壁同时被润滑油飞溅到的箱壳面积。对凸缘和散热片的面积可近似按其表面积的50%计算；t1为润滑油的工作温度,通常允许油温[t1]=70 ℃～90 ℃；t0为周围空气温度，通常取t0=20 ℃。

当蜗杆传动单位时间内损耗的功率全部转变为热量，并由箱体表面散发出去而达到平衡时，即Q1=Q2，可得热平衡时润滑油的工作温度t1为：

如果蜗杆传动的工作温度超过规定的标准，要增加下列措施以提高传动的散热能力：

1)设置散热片于箱体外表面，加大散热面积；

2)安装风扇于蜗杆轴上，如图1a)所示；

3)安装蛇形冷却管于箱体油池内，管内用循环水冷却，如图1b)所示；

4)采用循环油冷却方式，来达到降低工作温度的目的，如图1c)所示。

6 蜗杆传动的安装与维护

6.1 蜗杆传动的安装

由于蜗杆传动的啮合特点，对其安装精度要求比较高。在安装中应使蜗轮的中间平面通过蜗杆的轴线，如图2所示。安装结束后，蜗轮的轴向位置要仔细调整，达到准确定位，使其啮合正确。在传动中，如果出现短时间内齿面磨损严重，可以采用垫片组来进行蜗轮轴向位置的调整，也可采用套筒作蜗轮与轴承之间较大距离的调整，套筒的长度在调整时可以改变。上述两种方法在实际运用时可以联用。蜗轮的轴向位置在安装调整好后必须固定。

在进行蜗杆传动安装调整后的跑合中，要使其齿面接触良好。开始跑合时应采用低速度，一般n1=50 r/min～100 r/min，然后逐步加载至额定载荷。运转1 h～5 h后，如果蜗杆齿面上粘有青铜，要立即停车，用细砂纸磨去，接着继续跑合。全部零件在运转完成后要清洗，更换润滑油，蜗轮与蜗杆的相对轴向位置打上印记，这样对于以后的安装和拆卸配对及位置调整起到帮助。对于新机试车时，应先空载运行，然后逐渐增加负载到额定载荷。

6.2 蜗杆传动的维护

在实际工作环境中，由于蜗杆传动的发热量大，其周围的通风散热条件是否良好应时刻注意观察。对其油温应在运转一段时间后进行测试，若油温超过规定的标准范围，则要立即停机或完善散热条件。同时，对于蜗轮齿面的完好程度也要经常检查。在蜗杆传动中，其能否正常工作和有效延长其使用寿命，润滑效果的好坏是其中一个很重要的因素。所以，在蜗杆减速器每运转2 000 h～4 000 h应及时换新油。换油时，应用原牌号油，不同厂家、不同牌号的油不要混用。

蜗杆传动由于自身具有的结构特点和使用优势，因而在机床、冶金、矿山、起重机械中得到广泛应用。

Analysis and discussion on worm transmission

Li Yan

(PingwangPropertyManagementCompany,DatongCoalMineGroup,Datong037003,China)

This paper elaborated the characteristics of worm transmission, introduced the main types and structure of worm transmission, and analyzed in detail the efficiency, lubrication, heat balance calculation, installation and maintenance of worm transmission, in order to fully understand and grasp the principle of worm transmission, so as to better guide the practice and application.

worm transmission, efficiency, lubrication, heat balance calculation

2015-01-27

李 艳(1972- )，女，工程师

1009-6825(2015)10-0213-03

TH132.44

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