蜗杆蜗轮机构的自锁性及其失效原因分析

朱正平

（浙江中控太阳能技术有限公司，浙江 杭州 310051）



蜗杆蜗轮机构的自锁性及其失效原因分析

朱正平

（浙江中控太阳能技术有限公司，浙江 杭州 310051）

摘 要：本文介绍了蜗轮蜗杆的基本结构，从蜗轮蜗杆外部受力、蜗轮蜗杆自身受力分析、安装位置偏移对受力的影响分析出发。对蜗杆蜗轮的自锁条件进行了研究，分析不同的因素对蜗杆蜗轮的自锁的影响，得出蜗轮制件表面磨损失效的机理根据蜗轮制件表面磨损的情况而决定的结论。

关键词：蜗杆蜗轮；自锁；磨损

0. 引言

蜗轮蜗杆传动是机械传动中不可缺少的传动布置形式，升降台的升降传动中使用蜗轮蜗杆传动可以防止台面的自动回落。

1. 蜗轮蜗杆机构的基本结构

蜗杆传动由蜗轮和蜗杆组成。通常情况下，蜗杆与蜗轮轴线方向的角度为90°，所以，蜗杆蜗轮机构被应用在交错轴间的运动。

2. 蜗杆蜗轮机构的自锁性

蜗杆蜗轮机构一方面具有结构紧凑、稳定的传动比、工作性能可靠等优良的特点，而且另一方面还具有蜗杆蜗轮的主动件变化的反向造成蜗杆蜗轮自锁的现象。在起重装置的机械中，为了利用蜗杆机构的自锁性能，一般采用蜗轮蜗杆机构，目的是为了使起吊的重物可以非常稳定地在空中实现短暂静止。为了充分地估计机构传动的自锁性，必须要弄清楚蜗杆蜗轮自锁性的内在关系。

2.1 自锁性问题的提出

蜗杆蜗轮机构被广泛地应用在机械行业的减速机构中。对于要求利用蜗杆蜗轮机构自锁性的机械装置系统中，确定蜗轮蜗杆的自锁性成为了一个非常关键的因素。在生产生活实际的应用中，自锁性能经常又是很难掌握的。在保温罩上升的过程中，断开电动机的电源，机构会马上发生自锁现象，保温罩不会下降。然而，当切断电动机的电源时，保温罩开始往下运动，机构仅仅只是有些时候发生自锁现象，有些时候却不会发挥自锁现象，保温罩甚至会产生高速度下降的情况，根本就失去了机构本身的自锁能力。

2.2 自锁条件分析

对于具有自锁性的蜗杆蜗轮机构而言，机械类的教科书上是这样定义的：“当以蜗轮为主动件时，并且蜗杆蜗轮机构的导程角小于摩擦角，机构将会发生自锁现象。”自锁现象的发生和两个量的相对大小有关系：一个是蜗轮作用在蜗杆上的摩擦角β，另一个是蜗杆的升角α。

表1蜗轮和蜗杆的摩擦系数

表2接触压力P与摩擦系数ƒ的关系

2.2.1 升角α

就蜗杆的升角α而言，它是通过蜗杆的几何参数来确定的。蜗杆的升角为一个定值。记蜗杆的头数为，特性系数为q，模数为m，得：

升角α与特性系数q的对应关系见表1（Z1=1）。

2.2.2 摩擦角β

摩擦角β与物体之间的摩擦力Fƒ和法向约束反力FN的比值有关，即摩擦系数ƒ，即

β与哪些因素有关？对于一个具体的蜗轮蜗杆机构来讲，摩擦系数会不会是某一个常数？接下来就着重来研究这些具体的问题。摩擦角β的大小由摩擦系数ƒ来定，不同材料的蜗杆蜗轮的摩擦系数见表1。

根据表1的数据可以得出：

（1）蜗杆蜗轮的相互匹配的材料的不同，他们之间的摩擦系数就会有很大的差别。如表1中所示，钢与铸铁的配合而产生的摩擦系数比较大，钢与黄铜的配合的摩擦系数比较小。因为蜗轮蜗杆机构之间会产生非常大的滑动速度，所以，蜗杆蜗轮机构传动时会产生大量的热量从而导致蜗杆蜗轮的轮齿很大的磨损。鉴于此种情况，一般选用摩擦系数比较小的黄铜与钢来制造蜗轮蜗杆机构。

（2）摩擦系数ƒ受到材料表面质量的影响，由不同的材料制造而成的蜗杆蜗轮，相互之间的摩擦系数ƒ在一定的范围内变化。也就是说，即使配对的蜗杆蜗轮相同的材料，摩擦系数ƒ也会因为表面状态的不同而不同。材料的表面质量越差，摩擦系数ƒ就会越大，相对应的摩擦角β也就会变得越大，机构就更容易自锁。另一方面，材料的表面质量越好，蜗轮与蜗杆之间的摩擦系数ƒ就会变得越小，摩擦角就会越小，机构不容易发生自锁现象。

（3）摩擦系数也会受到材料的表面的润滑状态的影响。使用蜗杆蜗轮机构传动的过程中，为了尽可能地减少蜗杆蜗轮轮齿间相对滑动带来的轮齿间的磨损，一般情况下，应该将蜗杆蜗轮传动机构安置在油中。所以，机构很难发生自锁。

（4）蜗轮蜗杆构成的摩擦副之间的接触压力P的变化会导致摩擦系数ƒ的变化。接触压力P和摩擦系数ƒ之间的关系可以由表2查得。

由以上研究的影响摩擦系数的各种因素可以得出：摩擦角β不但与蜗杆蜗轮机构的啮合表面的粗糙度、润滑情况等有关，而且与减速器的工作条件（有无相对速度及相对速度的大小，轮齿啮合部位的接触压力等）有关。摩擦角β会随着工作条件和自身状态的改变而改变。所以得出结论：摩擦角β是个变量。

3. 蜗轮蜗杆中心安装误差所致的自锁失效分析

3.1 蜗轮外部受力分析

外力施加给蜗轮的转矩T=FLcosγ根据升降台的尺寸和举升重物分析，当曲柄角度处于的第Ⅰ象限或者第Ⅱ象限的某一角度时，T有最大值。

3.2 蜗轮蜗杆自身受力分析

法向力Fn为蜗轮面反作用在蜗杆啮合点P的作用力，该法向力垂直指向此处的齿廓，为了更加有效地分析蜗杆蜗轮的受力情况，将蜗杆蜗轮的作用力定义为分力Ft、Fr、Fa。

各个力的绝对值为：

受力分布情况如图1所示。

3.3 安装位置偏移对受力的影响分析

图3为蜗杆机构的平面安装的3种位置，图2（a）为最佳的位置，图2 （b）、图2（c）均存在安装偏差而且偏差超过允许范围，或者偏向左侧，或者偏向右侧。

如果蜗杆是逆时针方向旋转，则蜗轮的旋向为自外向里旋转，此时蜗轮的接触斑点偏左，蜗轮齿面的磨损左侧比右侧严重。经过严重地磨损后，蜗轮的螺旋角会变大。这种偏置方式的安装同样导致了蜗杆的磨损并且加重了金属胶合现象的发生，即导程角变大。

4. 振动对自锁的影响及对策

振动的发生会给自锁的蜗杆蜗轮机构造成极大危害，加速自锁蜗杆机构的磨损，使得蜗轮和蜗杆的轴线偏离原有位置，导致蜗杆与蜗轮的轮齿非正常地啮合。综上所述，对于自锁的蜗杆机构而言应该合理布置蜗杆与蜗轮的位置，减小因振动对机构的作用。

结语

蜗轮蜗杆机构传动的摩擦系数是一个在一定的范围内变动的值，摩擦系数与加工制造蜗杆蜗轮的材料、蜗轮与蜗杆配合处的轮齿表面粗糙度、轮齿之间的相互作用力、相对滑动速度的存在与否等因素有关。

参考文献

［1］成大先，等.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［2］刘泽深.机械基础［M］.北京：中国建筑工业出版社，1996.

中图分类号：TH132

文献标识码：A