机械传动之蜗轮蜗杆传动

学术 2025-01-17 00:00 浙江

概述

蜗轮蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成，用于传递交错轴之间的运动和动力，通常两轴交错角为90°。在一般蜗杆传动中，都是以蜗杆为主动件。

从外形上看，蜗杆类似螺栓，蜗轮则很像斜齿圆柱齿轮。

工作时，蜗轮轮齿沿着蜗杆的螺旋面作滑动和滚动。

蜗杆是指具有一个或几个螺旋齿，并且与蜗轮啮合而组成交错轴齿轮副的齿轮。其分度曲面可以是圆柱面、圆锥面或圆环面。

有阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆、锥面包络圆柱蜗杆四种类别。

蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。

为了改善轮齿的接触情况，将蜗轮沿齿宽方向做成圆弧形，使之将蜗杆部分包住。这样蜗杆蜗轮啮合时是线接触，而不是点接触。

蜗轮蜗杆传动的优点

✦ 单级传动比大，一般i=10~100。在传递动力的分度机构中，最大可达1500以上。

✦ 同啮合为线接触，可承受较大的动力。

✦ 结构紧凑、传动平稳、噪声小。

✦ 当蜗杆升角小于齿轮间的当量摩擦角时，具反行程自锁性，即只能以蜗杆带动蜗轮，不能蜗轮带动蜗杆。

蜗轮蜗杆传动的缺点

✦同两轴垂直，两轮节点线速度垂直，故相对滑动速度很大，易发热和磨损。

✦效率低，一般效率在0.7~0.8；具有自锁性的蜗杆蜗轮效率更低，一般小于0.5。

蜗轮、蜗杆的计算公式

1、传动比=蜗轮齿数÷蜗杆头数

2、中心距=（蜗轮节径+蜗杆节径）÷2

3、蜗轮吼径=（齿数+2）×模数

4、蜗轮节径=模数×齿数

5、蜗杆节径=蜗杆外径-2×模数

6、蜗杆导程=π×模数×头数

7、螺旋角（导程角）tgB=（模数×头数）÷蜗杆节径

8、蜗杆导程=π×模数×头数

9、模数=分度圆直径/齿数

蜗杆的头数：单头蜗杆(蜗杆上只有一条螺旋线，即蜗杆转一周，蜗轮转过一齿)；双头蜗杆(蜗杆上有两条螺旋线，即蜗杆转一周，蜗轮转过两个齿)。

模数是指螺杆上螺旋线的大小，也就是模数越大，螺杆上的螺旋线就越大；

直径系数是指螺杆的粗细。

模数：齿轮的分度圆是设计、计算齿轮各部分尺寸的基准，而齿轮分度圆的周长=πd=z p，于是得分度圆的直径

d=z p/π

由于在上式中π为一无理数，不便于作为基准的分度圆的定位。为了便于计算，制造和检验，现将比值p/π人为地规定为一些简单的数值，并把这个比值叫做模数(module)，以m表示。

蜗杆传动的类型

按蜗杆的形状不同，蜗杆可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥形蜗杆传动。其中圆柱蜗杆传动应用最广。

普通圆柱蜗杆多用直母线刀刃的车刀在车床上切制，随刀具安装位置和所用刀具的变化，可获得在垂直轴线的横截面上具有不同齿廓的4种蜗杆：渐开线蜗杆（ZI型）、阿基米德蜗杆（ZA型）、法向直廓蜗杆（ZN）、锥面包络圆柱蜗杆（ZK）。

渐开线蜗杆（ZI型）——刀刃平面与蜗杆基圆柱相切，端面齿为渐开线，适于较高速度和较大的功率。

阿基米德蜗杆（ZA型）——垂直于轴线平面的齿廓为阿基米德螺线，过轴线的平面内齿廓为直线，加工简单，精度较低。（轴向直廓蜗杆）。

法向直廓蜗杆（ZN）——可用经修正的砂轮磨齿，加工较简单,常用来作多头蜗杆,传动效率可达0.9。

锥面包络圆柱蜗杆（ZK）——这是一种非线性螺旋曲面蜗杆。它不能在车床上加工，只能在铣床上铣制并在磨床上磨削。这种蜗杆便于磨削，蜗杆的精度较高，应用日渐广泛。

金属蜗杆的加工工艺

1、确定毛坯的材料

⑴具有优良的加工性能，能得到良好的表面光洁度和较小的残余内应力，对刀具磨损作用较小。

⑵抗拉极限度一般不低于588MPa。

⑶有良好的热处理工艺性，淬透性好，不易淬裂，组织均匀，热处理变形小，能获得较高的硬度，从而保证蜗杆的耐磨性和尺寸的稳定性。

⑷材料硬度均匀，金相组织符合标准。常用的材料有：T10A,T12A,45,9Mn2V,CrMn等。其中9Mn2V有较好的工艺性和稳定性，但淬透性差;优点是热处理后变形小，适用于制作高精度零件，但其容易开裂，磨削工艺性差，蜗杆的硬度越高越耐磨，但制造时不易磨削。

2、加工定位基面的选择

蜗杆定位基面：从结构上分，蜗杆有两种形式，套装蜗杆，整体蜗杆。套装蜗杆以内孔加工基面，因此应先精加工内孔，然后以内孔为基面加工外圆及支承轴颈，螺纹的加工同样以内孔为基面，因此需要心轴。一般精密分度蜗杆的内孔精度要求是很高的，有的需要进行研磨老保证精度。

一般精度分度蜗杆内孔应不低于1级精度，表面粗糙度不低于0.12，内孔的端面振摆应不小于0.005mm。蜗杆装在心轴上加工时，应首先检查两端轴肩的径向跳动是否在规定允差之内，以后每道工序均应校验，在蜗杆装配时，同样要校验两端轴肩的径向跳动，心轴精度必须等于或高于与套装蜗杆相配的轴精度。

整体蜗杆以中心孔为加工基面，对中心孔的要求很高，应该有保锥，保证光洁度和接触面积，每道工序前要检查和修正中心孔，对支承轴颈应保证与中心孔同轴度和本身的几何精度，在半精加工和精加工工序前，都应检查支承轴颈的径向，跳径和端面的轴向振摆是否在公差以内。

选择粗基准时，考虑的重点是如何保证各加工面有足够的余量，使不加工基面与加工表面间的尺寸，位子符合图纸要求。

粗基准选择应当满足以下要求：

⑴粗基准的选择应以加工表面为粗基准。这是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度，如果工件上表面上有好几个不需要加工的表面，则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求较高的表面作为粗基准。以求壁厚均匀，外形对称，少装夹等。

⑵选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。

⑶应选择加工余量最小的表面作为粗基准。这样可以保证该表面有足够的加工余量。

⑷应尽可能选择平整，光洁，面积足够大的表面作为粗精准，以保证定位准确夹紧可靠。有浇口，冒口，飞边，毛刺的表面不宜选作粗基准，必要时需经初加工。

⑸粗基准应避免重复使用，因为粗基准的表面大多数是粗糙不规则的，多次使用难以保证外表面间的位置精度。

按照粗基准的选择原则，夹住外圆在一次装夹中把大部分表面加工出来，能保证外圆与内孔同轴度以及端面与轴线的垂直度。

金属蜗杆加工工艺路线

⑴不淬硬套装蜗杆

备料——正火——粗车——（调制）——半精车外圆，粗车螺旋面——人工时效——精车（精磨）内孔端面——插键槽——半精车螺旋面——钳（休整不完全齿）——半精磨外圆——精磨螺旋面——低温时效——研中心孔——精磨外圆——精磨螺旋面

⑵渗碳淬火整体蜗杆

锻造——退火——粗车——正火——半精车外圆及螺旋面——钳（休整不完全齿）——渗碳——精车外圆(去不需渗碳部分)——淬火回火——研磨中心孔——车紧固螺纹——铣槽——半精磨外圆——半精磨螺旋面——低温时效——研磨中心孔——精磨外圈及端面——精磨螺旋面

下料：按正规定要求坯料要经过锻打处理，为获取良好的金属纤维状。

粗车：要保证同轴度，留适当的精加工量。

热处理调质处理HRC28-32、半精车，各部半精车留0.5mm的精车量，车蜗杆部分及两端退刀槽车至要求，挑蜗杆、粗挑，不论用分层法切入法等都可。

在中经处测量留量，半精挑留量为精光留好较好的基础。

低速精光三面至要求，刀具一定要锋利，刃口粗糙度一定要好，一面一面的光。精车各部至要求保证同轴度。

普通圆柱蜗杆若用直线切削刃在车床上加工，按刀具安装位置不同，切出的蜗杆又可分为阿基米德蜗杆(ZA)、渐开线蜗杆(ZI)和法向直廓蜗杆(ZN)等。ZA阿基米德蜗杆车刀刀刃平面通过蜗杆轴线，车刀切削刃夹角2α=40°切出的蜗杆，在轴平面上具有直线齿廓，法向剖面齿廓为外凸曲线。而端面上的齿廓曲线为阿基米德螺旋线，故称为阿基米德蜗杆。这种蜗杆加工和测量都比较方便，故应用广泛。

但导程角γ过大时加工困难。难以用砂轮磨削出精确齿形，故传动精度和传动效率较低。ZI渐开线蜗杆车刀切削刃平面与蜗杆的基圆柱相切，被切出的蜗杆在轴平面上具有凸廓曲线，而在垂直于轴线的端面上的齿廓为渐开线，故称为渐开线蜗杆。这种蜗杆可以磨削，故传动精度和传动效率较高，适用于成批生产和大功率、高速精密传动。

ZN法向直廓蜗杆当蜗杆导程角 γ较大时，为了使车刀获得合理的前角和后角，车制时车刀刀刃平面放在蜗杆螺旋线的法平面上，这样切出的蜗杆，在法向剖面上齿廓为直线，故称为法向直廓蜗杆。而在垂直于轴线的端面上的齿廓曲线为延伸渐开线，因而又称为延伸渐开线蜗杆。这种蜗杆切削性能较好，有利于加工多头蜗杆，且可用砂轮磨齿，常用于机床的多头精密蜗杆传动。随着技术和产品要求的进步，需要切削速度进一步提高，车削法产生了瓶颈，于是出现了旋风铣。即用旋转的刀具来提高切削线速度(可达每分钟400米)，工件则无须高速旋转。

蜗杆的旋风铣加工方法分两种，内旋风whirling和外旋风milling。

内旋风：工件圆周与刀牙圆周内切（蜗杆在刀盘内部）精度可达DIN7 Ra0.8

外旋风：工件圆周与刀牙圆周外切（蜗杆在刀盘外部）精度可达DIN6 Ra0.4

机械狗哥

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