新型材料的蝸輪蝸桿減速箱

雷偉斌，楊承濤

(1.西安航空職業技術學院航空制造工程學院，陜西 西安 710089) (2.西安工程大學機電工程學院，陜西 西安 710048 )

蝸輪蝸桿減速箱因其具有機械結構緊湊、傳動比大、運行平穩、噪聲小等優點，廣泛應用于船舶、汽車、機車、建筑等各種機械傳動系統中[1]。張燕軍等[2]對蝸輪蝸桿傳動系統中各種蝸輪材料的研究進展進行了綜述。程福安等[3]對10組蝸桿副在無潤滑和常溫條件下的摩擦學性能進行了研究，結果表明，當蝸桿材料為滲碳鋼S16MnCr、蝸輪材料為錫青銅ZQSn12-2時，蝸輪表面磨損形貌由細小磨粒產生的小溝痕組成，表面磨損輕微、均勻，而蝸輪材料為ZZnAl27Cu2時其表面磨損則相對較重、不均勻；當蝸桿材料是滲碳鋼20CrMnTi、蝸輪材料為錫青銅ZQSn10-1時，蝸輪表面產生的磨損比蝸輪材料為錫青銅ZQSn12-2時更加嚴重。Arunkumar等[4]對蝸輪和蝸桿均采用了相同的材質鋼En353，同時對蝸輪和蝸桿分別進行了鹽浴滲氮處理和傳統的表面滲碳處理，結果表明，表面處理后的En353鋼蝸桿副在機械特性上具有更高的強度、耐磨性以及抗膠合性能。秦旭平等[5]在不同載荷、不同轉速、不同潤滑油等工況下對蝸輪材質和蝸桿材質分別為鋅鋁合金和45鋼的蝸桿副的承載能力、效率、耐磨性等進行了測試，結果表明，鋅鋁合金制蝸輪比鋁青銅制蝸輪的蝸桿副效率高，耐磨性能好，摩擦因數小。Kim等[6]對玻璃纖維增強聚丙烯制蝸輪的耐久性能進行了研究，結果表明，該蝸輪的機械性能較差，但是它的質量、振動和噪聲相對青銅制蝸輪小，耐腐蝕性也較好。王曉江等[7]對蝸輪材質為鑄造鋅鋁合金、蝸桿材質為45鋼的蝸桿副磨損失效進行了分析，提出通過提高鑄造鋅鋁合金的冶煉質量、改進鑄造工藝或者采用新的鑄造方法來減少蝸桿傳動中蝸輪的磨損。以上文獻分析的蝸輪蝸桿材料多為鑄鐵、青銅或者合金，沒有對蝸輪蝸桿材料均為鋼的傳動進行分析，本文從經濟性和實用性角度出發，對鋼制蝸輪蝸桿傳動進行了深入研究。

傳統的設計基于蝸桿旋轉一周蝸輪旋轉一個齒，從等壽命的概念出發，蝸桿采用鋼質材料，蝸輪則采用銅或鑄鐵材料，其缺點是傳動效率低，耐磨性不佳，使用壽命較短。受齒輪傳動采用淬火硬齒面的啟發，本文開發了鋼制蝸輪蝸桿減速箱，經試驗取得了良好的效果，可供國內從事相關行業工作人員參考[8]。

1 試驗方案

為了改善蝸輪蝸桿傳動機構的使用性能，設計制作了如圖1所示的材料為16MnCr55鋼的鋼對鋼蝸輪蝸桿傳動副，其技術參數見表1，最大工作轉速為2 400 r/min，最大傳遞功率為5.5 kW，最大轉矩為620 N·m，最大齒面接觸壓力為537 N，熱處理方式為滲碳淬火(58～62 HRC)。組裝后的鋼質蝸輪蝸桿減速箱外觀如圖2所示。

表1 蝸輪蝸桿參數表

圖1 鋼對鋼蝸輪蝸桿傳動副

圖2 鋼質蝸輪蝸桿減速箱外觀

為了進行對比試驗，同時制作了一套銅對鋼蝸輪蝸桿減速箱，蝸桿材料為16MnCr55鋼，蝸輪為CaSnN12銅質材料，其結構尺寸與鋼對鋼蝸輪蝸桿減速箱尺寸完全相同。圖3所示為進行對比實驗的2種減速箱，試驗裝置分別由兩個直流馬達驅動并安裝有檢測相關技術參數的裝置。

圖3 對比試驗的蝸輪蝸桿減速箱及其驅動裝置

2 試驗結果

在進行鋼質蝸輪與銅質蝸輪對比試驗時，將其轉速等級分為低速200～600 r/min、中速 600～1 400 r/min和高速1 400～2 400 r/min，從低速到高速進行試運轉，對傳動效率、不同潤滑油對摩擦力矩的影響、蝸輪材料機械性能、不同材料蝸輪齒面的磨損情況進行了對比。

2.1 傳動效率

低速和高速運轉狀態下鋼質蝸輪與銅質蝸輪的效率對比如圖4所示。

圖4 在低速和高速運轉狀態下

由圖4(a)可知,在低轉速情況下，銅質蝸輪的傳動效率始終為85%～88%，而鋼質蝸輪的傳動效率隨著能量的增加逐漸增加，最大可達92%。由圖4(b)可知，在高轉速情況下，銅質蝸輪的傳動效率仍然有85%～88%；在能量消耗為5 000 kW·h時，鋼質蝸輪傳動效率接近95%；能量消耗在7 500 kW·h以上時，鋼質蝸輪傳動效率均高于銅質蝸輪。從試驗結果可知，鋼質蝸輪的傳動效率要明顯高于銅質蝸輪。

2.2 潤滑油對摩擦力矩的影響

潤滑油的類型對于蝸輪蝸桿減速箱摩擦轉矩有較大的影響。蝸輪蝸桿之間的摩擦主要是滑動摩擦，因此要求蝸輪蝸桿潤滑油必須具有良好的潤滑性能、抗擦傷性能、防銹蝕腐蝕性能及較強的抗氧化能力。軸承的摩擦力矩可通過式(1)計算：

M=μPd/2

(1)

式中：M為摩擦力矩，N·m；μ為摩擦系數；P為軸承負荷，N；d為軸承公稱內徑，mm。

液壓油和軸承油均可對變速箱進行潤滑，圖5所示為常用液壓油和軸承油對蝸輪蝸桿減速箱摩擦力矩的影響。由圖5可知，隨著渦輪線速度的增加軸承油對摩擦力矩的影響遠小于液壓油，以線速度為15 m/s為例，使用液壓油產生的摩擦力矩超過了400 N·m，而軸承油僅略高于200 N·m，使用軸承油的能量損耗明顯較小，因此在實際應用中選擇軸承油可以顯著提高蝸輪蝸桿減速箱的傳動效率。

圖5 潤滑油對蝸輪蝸桿減速箱傳動摩擦力矩的影響

2.3 兩種蝸輪材料的機械性能對比

圖6所示為鋼質蝸輪和銅質蝸輪的機械性能對比。

圖6 鋼質蝸輪和銅質蝸輪機械性能對比

由圖6可知，鋼質蝸輪較銅質蝸輪其抗壓強度從7.8 N/mm2提高到49.1 N/mm2，抗拉強度從300 N/mm2增加到930 N/mm2，屈服點銅質渦輪為180 N/mm2，而鋼質渦輪可達590 N/mm2，彈性模量也從9 800 N/mm2提高到21 000 N/mm2。鋼質蝸輪的各項參數均約為銅質蝸輪的3倍，且鋼質蝸輪的材料成本僅為銅質蝸輪的17%，材料費用明顯較低，因此選用鋼質蝸輪更經濟。

2.4 磨損結果對比

經過約1 460 h的運轉試驗，鋼質蝸輪和銅質蝸輪的磨損結果如圖7所示。從圖中可以看出，銅質蝸輪齒面出現較多點蝕、剝落和坑點，而鋼質蝸輪未見明顯的剝落、坑點，鋼質蝸輪使用壽命明顯長于銅質蝸輪。

圖7 1 460 h運轉試驗磨損結果對比

3 特點及經濟效益

從以上試驗結果可以看出，新開發的鋼質蝸輪蝸桿減速箱與傳統的銅質蝸輪減速箱相比有以下特點。

1)制造成本顯著降低。從目前市場行情看，16MnCr55的價格在12元/kg左右，而錫青銅的價格在70元/kg左右，因此以鋼質蝸輪代替銅質蝸輪，生產成本可顯著降低。

2)機械性能有所增強。鋼質蝸輪的抗壓性能、抗拉強度、耐摩擦能力、屈服點和彈性模量均高于銅質蝸輪，有利于改善蝸輪蝸桿的工況，使其可以有較大的承載力。

3)耐磨性能大幅度提高，延長了減速箱的使用壽命。由于鋼質蝸輪有良好的機械性能，并且抗磨抗損強度大，經過長時間運轉不會產生較大的磨損和齒面點蝕、剝落現象，其壽命可以顯著延長。

4)提高了傳動效率。蝸輪蝸桿減速箱作為傳動機構，通常傳動效率比較低，銅質蝸輪的傳動效率為85%～88%，而鋼質蝸輪可達90%以上，傳動效率有所提高。

4 結束語

蝸輪蝸桿減速裝置在工程機械和其他工程領域應用較為廣泛。傳統的銅質蝸輪減速箱雖已應用多年，但仍有一些待改進之處。經試驗證明，本文開發的鋼質蝸輪蝸桿減速箱與銅質蝸輪減速箱相比，具有機械性能較好，成本低，傳動效率較高，齒面接觸疲勞點蝕、剝落、磨損小等一系列優點，具有一定的推廣應用價值。