浅谈蜗轮蜗杆传动

赵飞宇

摘 要：蜗杆传动是机械传動的一种很重要的传动方式，其以传动比大、承载能力高、冲击载小、传动平稳、易实现自锁等优点在国防、冶金、造船、建筑、等行业得到大量的使。传统的蜗轮蜗杆的损坏主要都是因为润滑状态过于恶劣而使蜗轮磨损。本文介绍了蜗轮蜗杆传动的发展概况，及蜗杆传动的类型，最后阐述了蜗杆传动的特点。

关键词：蜗轮蜗杆传动

蜗杆传动具有悠久的历史，可以追溯到两千年以前。大致在人类构思一般的齿轮的同一个时期就已构思蜗轮，很多人研究了各种形式的蜗轮蜗杆传动。从本世纪20年代起，蜗杆传动技术及其啮合理论得到了迅速发展。国内外广泛研究了蜗杆传动的共辄啮合原理，提示了很多新的矛盾，从而对己有的蜗轮蜗杆副进行了改造，提高了承载能力，使用寿命和传动效率，同时发明了很多新型的蜗杆传动。

一、蜗轮蜗杆传动的发展概况

在我国，从60年代初，始对圆弧圆柱蜗杆传动进行研究，不仅在啮合理论上有了很大的进步，许多研究内容进入了交叉学科研究阶段，研究深度也有了更大的发展，同时在理论研究和生产实际相结合方面也取得了可喜的成绩。首先是太原工学院、哈尔滨工业大学对该型蜗杆传动作了初步研究和实验。60年代末，一机部委托天津市蜗轮减速机厂和西安重型机械研究所主办，并请天津市机械研究所、太原工学院和全国有关工厂进行联合设计，完成了这种减速器的系列化工作，1969年颁发了一机部标准（草案），在1979年颁发了一机部正式标准JB2318—79。包络环面蜗杆传动近年来在我国发展十分迅速，其中尤其以平面一次包络和平面二次包络环面蜗杆传动最为突出。60年代初，首钢在当时一机部机械科学院的协助下，在国内首次研制了“直平面一次包络环面蜗杆传动装置”，并成功地应用于冶金、机床行业。以后首钢又在此基础上研制了“斜平面一次包络环面蜗杆传动”，1971年我国冶金等部门又成功创制了平面二次包络环面蜗杆传动。该传动具有承载能力大、传动效率高和蜗杆可以磨削等优点，现已大量应用于冶金设备，并在造船、采矿、机械、建筑、天文等各个行业中使用。80年代，首钢又成功研制了“锥面二次包络九头环面觸杆副”。表明我国的蜗杆研制水平已达到了一个新的阶段。

二、蜗杆传动的类型

1. 圆柱蜗杆传动

圆柱蜗杆的齿面为圆柱螺旋面，是一条母线绕蜗杆轴线做螺旋运动所形成的螺旋面。圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类。

普通圆柱蜗杆传动的蜗杆齿面（ZK型蜗杆除外）一般是在车床上用直线刀刃的车刀车制而成的。根据车刀安装的位置的不同，所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的齿廓曲线也不同。根据不同的齿廓曲线，普通圆柱蜗杆可分为阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆），渐开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆），法向直齿廓圆柱蜗杆（ZN蜗杆）和锥面包络圆柱蜗杆（ZK蜗杆）等四种。

圆弧圆柱蜗杆传动和普通圆柱蜗杆传动相似，只是齿廓形状有所区别。ZC蜗杆是一种非直纹面圆柱蜗杆，其齿面一般为圆弧形凹面。ZC蜗杆传动可分为圆环面包络圆柱蜗杆传动和轴向圆弧齿形圆柱蜗杆传动两类。圆弧圆柱蜗杆传动，在中间平面上蜗杆的齿廓为内凹弧形，与之相配的蜗轮齿廓则为凸弧形，是一种凹凸弧形齿廓相啮合的传动，综合曲率半径大，承载能力高，广泛应用于冶金、矿山、化工、起重运输等机械中。

2. 环面蜗杆传动

环面蜗杆传动的特征是，蜗杆体在轴向的外形是以凹形圆弧为母线所形成旋转曲面，所以把这种蜗杆传动叫做环面蜗杆传动.在这种蜗杆传动的啮合带内，蜗轮的节圆位于蜗杆的节弧面上，亦即蜗杆的节弧沿蜗轮的节圆包着蜗轮。在中间平面内，蜗杆和涡轮都是直线齿廓。由于同时啮合的齿多，而且轮齿的接触线与蜗杆运动的方向近似于垂直， 这就改善了轮齿受力情况和润滑油膜形成的条件，因而承载能力约为阿基米德顿杆传动的2-4倍，效率一般高达0.85-0.9；但它需要较高的安装精度。

3.锥蜗杆传动

锥蜗杆传动也是一种空间交错轴之间的传动，两轴交错角通常为90°。蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋所形成的，故称为锥蜗杆。而蜗轮在外观上就像一个曲线齿锥齿轮，它是用与锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机上加工而成的，故称为锥鍋轮。锥蜗杆的传动特点是：同时接触的点数较多，重合度大；传动比范围大（一般为10-360）；承载能力和效率较高；侧隙便于控制和调整；能作离合器使用；可节约有色金属；制造安装简便，工艺性好。但由于结构上的原因，传动具有不对称性，因而正、反转时受力不同，承载能力和效率也不同。

三、蜗杆传动的特点

1.单级传动比大（在动力传动中，一般传动比i= 10-80；在分度机构中，可达1000）。圆柱齿轮和圆锥齿轮传动的单级传动比最大一般为10，在要求大传动比的场合，采用一级蜗杆传动往往可以代替多级齿轮传动，不仅减少了零件数目，而且简化了机构。

2.结构紧凑、传动平稳、噪声低、振动小。由于蜗杆的齿面是连续不断的螺旋面，而蜗轮在同一时刻处于啮合中的齿数不少于两个，属多齿啮合。因此，在制造精度与工作条件相同时，由制造差引起的附加动载荷与齿轮传动相比小得多。

3.易于防止逆转，实现自锁。当蜗杆导程角小于摩擦角时，理论上不能由蜗轮驱动蜗杆，即可以设计自锁的蜗杆传动装置。但是实际上自锁性能仅在静止或低速时表现明显，在速度较高或有振动的条件下，情况变得复杂。

4.抗弯强度高。蜗杆齿呈螺旋状，頓轮齿为弧形曲梁，它们的抗弯曲强度较高， 轮齿极少出现弯曲折断现象。因此，蜗杆传动可以承受较大的瞬时冲击载荷。

5.传动效率低。蜗杆传动与其它形式的齿轮传动（圆柱齿轮传动和锥齿轮传动）相比较，在传递动力时，齿面摩擦损失较大，部分能量消耗于啮合摩擦上，故传动效率较低，且随着传动比增大和滑动速度减小而降低。

四、结语

蜗轮蜗杆传动是应用最广泛的传动机构之一。它具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作安全可靠等特点。随着近代科学技术和工业生产的迅速发展，对蜗轮蜗杆传动装置的承载能力提出了更高的要求。为了适应这种要求，人们不断地探索提高蜗杆传动性能的途径，这首先是寻找最佳的齿廓形状，其次是提高蜗杆齿面的硬度，传动精度等指标，以期获得良好的使用性能和工艺性能。

参考文献：

[1] 朱孝录.齿轮传动设计手册[M]，北京：化学工业出版社，2005，548-550.

[2] 郑化丽.圆柱蜗轮蜗杆加工特性仿真分析[D].北京：机械科学研究院，2005.