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徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)
摘要
從上世紀(jì)二十年代以來，蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的研制工作發(fā)展很快，蝸桿傳動已廣泛應(yīng)用在冶金、礦山、起重運輸、化工、國防等行業(yè)，達(dá)到了相當(dāng)高的技術(shù)水平。蝸桿傳動是傳遞交錯軸間的動力或運動的傳動機(jī)構(gòu)，它主要由蝸桿和蝸輪組成。蝸桿相當(dāng)于一頭或多頭的等導(dǎo)程（或變導(dǎo)程）螺旋，蝸輪則是變態(tài)斜齒輪（或為斜齒輪或為直齒輪）。手搖蝸輪是蝸桿傳動的一種，它是通過纏繞鋼絲繩來調(diào)整帶式輸送機(jī)小車上改向滾筒的位置，從而防止輸送帶跑偏的一種裝置。
關(guān)鍵詞 蝸桿傳動；設(shè)計計算；加工工藝；裝配
Abstract
Since on century 20's, the worm drive organization development work development has been very quick, the worm drive has widely applied in the metallurgy, the mine, lifts heavy objects professions and so on transportation, chemical industry, national defense, has achieved the quite high technical level.The worm drive is the transmission interlocks the power or the movement between the axis transmission system, it mainly is composed by the worm bearing adjuster and the worm gear.The worm bearing adjuster is equal in either multi-head and so on leads (or changes leads) the screw, the worm gear is the abnormal helical gear (either for helical gear or for spur gear). The hand operated worm gear is the worm drive one kind, it is adjusts on the belt conveyer car through the winding steel wire to change to the drum position, thus prevented the conveyor belt runs the leaning one kind of equipment.
Keywords worm drive design calculation processing craft assembly
I
徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)
目 錄
1 緒論………………………………………………………………………………………1
1.1 蝸輪蝸桿的形成原理………………………………………………………………..1
1.2 蝸輪蝸桿傳動優(yōu)缺點…………………………………………………………..1
1.3 蝸輪蝸桿的正確………………………………………………………………2
2 手搖蝸輪的設(shè)計計算及校核 3
2.1 設(shè)計計算步驟………………………………………………………………………..3
2.2蝸輪蝸桿軸強(qiáng)度的校核…………………………………………………………..5
3 蝸輪轉(zhuǎn)向的判定及力的分析 6
3.1．問題的提出…………………………………………………………………………...6
3.2．解決問題的新方法…………………………………………………………………..6
3.3 根據(jù)蝸桿蝸輪的旋向進(jìn)行力分析…………………………………………………7
4 蝸桿傳動的失效形式和材料的選用 9
4.1 失效形式…………………………………………………………………………….9
4.2 材料的選擇………………………………………………………………………….9
4.3 國內(nèi)外對蝸輪材料的研究現(xiàn)狀…………………………………………………….10
5 手搖蝸輪傳動自鎖可靠性的研究 12
5.1 概述………………………………………………………………………………….12
5.2 自鎖失效原因的分析……………………………………………………………….12
5.2.1摩擦系數(shù)……………………………………………………………………………12
5.2.2 螺旋升角…………………………………………………………………………...13
5.2.3 壓力角對摩擦角的影響 13
5.3 嚙合狀態(tài)的分析……………………………………………………………………….15
5.3.1 接觸斑點分析……………………………………………………………………...15
5.3.2 減速機(jī)實際情況分析……………………………………………………………...15
5.4.3 解決蝸桿轉(zhuǎn)動的自鎖問題采用的措施…………………………………………...16
6 蝸輪的加工 17
6.1 加工原理……………………………………………………………………………17
6.2 嚙合參數(shù)的確定…………………………………………………………………….17
6.3 加工工藝……………………………………………………………………………18
6.3.1 蝸輪加工…………………………………………………………………………...18
6.3.2 蝸輪的計算與檢測………………………………………………………………..19
7 蝸輪殼體的加工工藝探討 21
7.1 前言………………………………………………………………………………….21
7.2 蝸輪殼體工藝分析………………………………………………………………….21
7.3 蝸輪殼體的車削方法及工裝……………………………………………………….21
7.4 蝸輪定位誤差分析………………………………………………………………….22
8 飛刀展成蝸輪的數(shù)控方法 25
8.1 飛刀加工的特點和非數(shù)控方法的局限……………………………………………25
8.2 飛刀的設(shè)計和數(shù)控切制…………………………………………………………….26
8.3 在數(shù)控滾齒機(jī)上展成蝸輪………………………………………………………….28
8.4 加工質(zhì)量分析……………………………………………………………………….29
9 各種材質(zhì)蝸輪傳動摩擦學(xué)系統(tǒng)分析 30
9.1 用系統(tǒng)方法學(xué)………………………………………………………………………30
9.2 蝸輪傳動的摩擦學(xué)系統(tǒng)分析………………………………………………….......30
9.2.1 分析………………………………………………………………………………...31
9.2.2 分析結(jié)果…………………………………………………………………………...31
10 提高手搖蝸輪裝配的精度和效率 33
10.1裝配的技術(shù)要求……………………………………………………………………33
10.2下置式蝸桿減速器裝配前的檢查………………………………………………...34
11 提高手搖傳動效率的方法 37
11.1 蝸桿的裝夾……………………………………………………….…………………37
11.2．蝸輪的裝夾………………………………………………………………………...37
11.3．蝸輪、蝸桿的定位………………………………………………………………….37
11.4．操作方法及輔料…………………………………………………………………...38
11.5．研磨應(yīng)注意的問題………………………………………………………………...39
12 潤滑油的選用方法 40
12.1 潤滑油種類的選擇………………………………………………………………...40
12.2 潤滑油粘度的選擇………………………………………………………………...41
12.3 潤滑方式的選擇…………………………………………………………………...42
12.4 潤滑油的合理使用和保養(yǎng)要點………………………………………………….42
結(jié)論 43
致謝 44
參考文獻(xiàn) 45
附錄 46
附錄 1……………………………………………………………………………………..46
附錄 2…………………………………………………………………………………….58
46
1 緒論
1.1 蝸輪蝸桿的形成原理
蝸桿傳動實際上是螺旋齒輪傳動的特例．在螺旋齒輪傳動中，如傳動比很大，小齒輪直徑做得很小，軸向長度很長，而螺旋角度大，則輪齒將在圓柱面上繞成完整的螺旋齒，稱為蝸桿，大齒輪稱為蝸輪．為了改善嚙合情況，把蝸輪輪齒做成包住蝸桿的凹形圓弧曲面，蝸桿、蝸輪的軸線互相交叉垂直，即.
蝸輪和蝸桿相似，也有左旋和右旋之分，但通常采用右旋居多．按螺旋線的頭數(shù)又有單頭蝸桿和多頭蝸桿之分．蝸桿螺旋線與垂直于蝸桿軸線平面之間的夾角稱為導(dǎo)程角r．蝸桿螺旋線的導(dǎo)程角r與蝸輪齒螺旋線大小相等、方向相同．
圖1-1 蝸桿傳動原理圖
、
1.2 蝸輪蝸桿傳動優(yōu)缺點
蝸傳遞交錯軸(交錯角通常采用90)間動力或運動的傳動機(jī)構(gòu)。蝸輪傳動具有以下優(yōu)點：
采用一級蝸輪傳動就可以實現(xiàn)很大傳動比，結(jié)構(gòu)緊湊。在要求大傳動比的場合，采用一級蝸輪傳動往往可以代替多級齒輪傳動。不僅減少了零件數(shù)目，而且簡化了機(jī)構(gòu)。工作平穩(wěn)，噪音小。由于蝸桿齒面是連續(xù)不斷的螺旋面，而蝸輪在同一時刻處于嚙合中的齒不少于兩個，所以蝸輪、蝸桿的嚙合是連續(xù)的。因此，在制造精度與工作條件相同時，由制造誤差引起的附加動載荷與齒輪傳動相比小得多。因此，蝸輪傳動在近代工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
然而，蝸輪傳動也有缺點，由于這些缺點，使其應(yīng)用受到限制。傳動效率低：效率低表明動力損失大，相當(dāng)于部分能量消耗于嚙合摩擦上，故蝸輪傳動所能傳遞功率受到了限制。耗費大量貴重有色金屬：蝸輪傳動工作時，由于齒面間有相當(dāng)大的滑動速度，容易導(dǎo)致齒面的磨損和膠合。為減小摩擦、磨損和工作溫度，以提高傳動承載能力和效率，一方面．要有良好的潤滑．另一方面，對蝸輪副提出減磨、耐磨和抗膠合性能的要求。采用鋼質(zhì)蝸桿時，要求采用青銅蝸輪輪圈
1.3 蝸輪蝸桿的正確嚙合條件
如上圖為使用阿基米德蝸桿的蝸桿傳動．在通過蝸桿軸線并與蝸輪軸線垂直的剖面（稱為主平面）上，蝸桿齒廓為直線，相當(dāng)與齒條，蝸輪齒廓為漸開線，相當(dāng)于齒輪．所以，在主平面內(nèi)，就相當(dāng)于齒條齒輪傳動．由此，蝸桿傳動的正確嚙合條件為：主平面內(nèi)蝸桿的軸向齒距Ｐ１與蝸輪的端面齒距Ｐ２應(yīng)相等．即蝸輪的端面模數(shù)m2應(yīng)等于蝸桿的軸向模數(shù)m1，且均為標(biāo)準(zhǔn)值；同時蝸輪的端面壓力角a２應(yīng)等于蝸桿的軸向壓力角a1,亦均為標(biāo)準(zhǔn)值．即 m2=m1=m，a2=a1=a，
同時還須保證。
2 手搖蝸輪的設(shè)計計算及校核
手搖蝸輪傳動是蝸桿傳動的一種，手搖蝸輪是通過纏繞鋼絲繩，來調(diào)整帶式輸送機(jī)張緊小車上改向滾筒的位置，從而防止輸送帶跑偏的一種裝置．
手搖蝸輪中，人手搖搖臂的速度大約是30rpm，減速比31,輸出功率160w,效率93%.工作環(huán)境25~35攝氏度，工作平穩(wěn)，設(shè)計使用壽命10年，每年工作300天．
2.1 設(shè)計計算步驟
?。保﹤鲃宇愋偷倪x擇
結(jié)構(gòu)設(shè)計采用下置式（蝸桿放在蝸輪的下面，嚙合處冷卻和潤滑較好，蝸桿軸承潤滑方便，又因為蝸桿手搖的速度不是很大，所產(chǎn)生的攪油損耗也不是很大，很常用的型式．）
根據(jù)減速比，選定Ｚ１＝1,Ｚ2=31
２）蝸輪蝸桿主要參數(shù)的計算
根據(jù)設(shè)計計算公式：
式（2.1）
其中?。栓D―計算載荷系數(shù)
――輸出轉(zhuǎn)矩
――齒數(shù)和變位影響系數(shù)
――為材料彈性影響系數(shù)，當(dāng)蝸輪材料為灰鑄鐵，蝸桿材料為鋼時，＝
表１-1 蝸輪蝸桿主要參數(shù)
m
q
5
125
9
0.445
500.63
10
556.25
12
667.5
5.5
166.38
9
0.435
651.36
10
723.73
12
1012.25
6
216
9
0.43
835.92
10
928.8
1114.56
12
7
343
9
0.425
1311.98
10
1457.75
12
1749.3
8
512
10
0.418
2140.16
11
2354.18
12
2568.19
9
729
8
0.41
2391.12
11
3287.8
12
3586.68
a) 求Ｋ值（查機(jī)械設(shè)計手冊）試求Ｋ１，因為Ｖ２未知，根據(jù)題中條件，估算Ｖ２＜3m/s,?。耍保剑保?
b) 查機(jī)械設(shè)計手冊，得 =1
c) 查機(jī)械設(shè)計手冊,試取，因為螺旋角未知，根據(jù)減速比和Ｚ，取
d) ＝1.012
e) 查機(jī)械設(shè)計手冊,s=2,,所以許用應(yīng)力
f) 根據(jù)公式，輸出轉(zhuǎn)矩
式（2.2）
其中， ――輸入功率（kw）
――蝸桿轉(zhuǎn)速(kw)
――減速比
――減速器效率
――蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩
由式（1.1），得：
?。?45
查表（１），得：m=6,q=9
g) 中心距
?。ㄈ=0）
蝸桿分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
蝸輪分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒寬?。?0.7=50mm
2.2蝸輪蝸桿軸強(qiáng)度的校核
根據(jù)蝸輪蝸桿軸接觸應(yīng)力的校核公式：
式（2.3）
代入數(shù)據(jù)，得：＝95.4Mpa<=100Mpa
滿足強(qiáng)度要求．
3 蝸輪轉(zhuǎn)向的判定及力的分析
3.1．問題的提出
在機(jī)械傳動中，蝸桿傳動用于傳遞空間交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動 在絕大多數(shù)情況下，兩軸在空間上是相互垂直的，軸交角為，即。由于蝸桿傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無噪聲、自鎖性以及能到很大的傳動比，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)床、汽車、儀器、起重運輸機(jī)械、冶金機(jī)械以及其他機(jī)械制造部門。
圖3-1蝸輪與蝸桿傳動方式式向
蝸桿傳動時，蝸輪的旋向以及受力分析，因受蝸桿蝸輪兩者之間的相對位置、螺旋線旋向以及蝸桿的轉(zhuǎn)向三個因素的影響，在眾多教材和資料中尚無統(tǒng)一的說法，這也往往造成一種理解上的混亂。蝸輪的轉(zhuǎn)向是這樣判定的：“如圖3-1，將蝸桿1看做螺桿，蝸輪2視為局部螺母，可利用螺桿螺母的相對運動關(guān)系來確定。設(shè)想蝸輪不動．而蝸桿按圖示方向轉(zhuǎn)動，則蝸桿應(yīng)向上移動，但實際上蝸桿不能移動，故只能將蝸輪上與蝸桿接觸的輪齒下推移，所以使蝸輪沿順時針方向轉(zhuǎn)動。同樣，當(dāng)蝸桿的螺紋為左旋而蝸桿沿與上述相反方向旋轉(zhuǎn)時，蝸輪的轉(zhuǎn)向仍為圖示方向”。通過比較和總結(jié)，推出一個簡潔而又便于理解和掌握的判定方法。
3.2．解決問題的新方法
該判定方法分三步：(1)螺旋線旋向的判定；(2)根據(jù)蝸輪蝸桿的相對位置及蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向判定蝸輪的旋向：(3)根據(jù)蝸桿、蝸輪的旋向，進(jìn)行力的分析。
1 螺旋線旋向的判定
蝸桿蝸輪有左、右旋之分，其旋向的判定同斜齒圓柱齒輪。將蝸桿和蝸輪軸線放于鉛垂位置，螺旋線左高右低為左旋，而右高左低為右旋。如圖3-2所示。
圖3-2 蝸輪蝸桿的旋向
2 根據(jù)蝸輪蝸桿的相對位置及蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向判定蝸輪的旋向
判定方法借助“左右手螺旋法則”即由蝸桿(或蝸輪)的螺旋線旋向定用左手還是右手，也就是左旋用左手，右旋用右手，然后依據(jù)蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向，用手假想地握住蝸桿，讓四指指向蝸桿旋轉(zhuǎn)方向，那么此時大拇指所指方向即為蝸輪上節(jié)點線速度方向的反方向，則由此可判定蝸輪的旋向。如圖3-3(a)我們可以判斷蝸輪為順時針旋轉(zhuǎn)(蝸輪上節(jié)點P的線速度Vp水平向右)。
圖3-3蝸輪蝸桿旋向
同樣如圖3-3(b)，在已知蝸輪的螺旋線旋向和旋轉(zhuǎn)方向的條件下，依據(jù)此法，反過來可以判定蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向為順時針旋轉(zhuǎn)，如圖3-3(c)在已知蝸桿和蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向的條件下，可以判定蝸桿蝸輪螺旋線旋向為左旋。
3.3 根據(jù)蝸桿蝸輪的旋向，進(jìn)行力分析
圖3-4蝸輪蝸桿受力分析
如圖4所示為一下置蝸桿傳動，蝸桿為主動件，旋向為右旋，按圖示方向轉(zhuǎn)動。作用在蝸桿齒面上的法向力Fn可分解為三個互相垂直的分力：圓周力Ft1，徑向力Fr1和軸向力Fa1。由于蝸桿與蝸輪軸交錯角成90~角，根據(jù)作用與反作用的原理，蝸桿的圓周力Ft 與蝸輪的軸向力Fa2、蝸桿的軸向力F a1與蝸輪的圓周力Fc2、蝸桿的徑向力F rl與蝸輪的徑向力Fr2分別存在著大小相等、方向相反的關(guān)系。當(dāng)蝸桿為主動件，判斷上述六個力的方向時，應(yīng)記?。?1)蝸桿上的圓周力Ft1的方向與蝸桿齒在嚙合點的運動方向相反；(2)蝸輪上的圓周力F c2的方向與蝸輪齒在嚙合點的運動方向相同；(3)徑向力Fr的方向在蝸桿，蝸輪上都是由嚙合點分別指向軸心。
舉例 試分析圖3-5所示的蝸桿傳動中，蝸桿、蝸輪的轉(zhuǎn)動方向及所受各分力的方向：
(a)已知蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向啦和螺旋線的旋向求蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向n1；
(b)已知蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向n1和螺旋線的旋向求蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向n。
由于此時蝸輪上嚙合點的線速度為水平向右且螺旋線旋向為左旋，應(yīng)用左手螺旋法則，大拇指向左握蝸桿，則此時四指的指向即為蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向n 即如圖所標(biāo)方向。根據(jù)蝸桿和蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行力分析，可分別得到蝸桿和蝸輪所受圓周力、軸向力和徑向力，蝸桿的螺旋線旋向為右旋，應(yīng)用右手螺旋法則，四指指向蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向n 握蝸桿，則此時大拇指指向的反方向，即為蝸輪上嚙合點的線速度方向即水平向左，由此可判斷蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向，如圖3-5所示。根據(jù)蝸桿和蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行力分析，可分別得到蝸桿和蝸輪所受圓周力、軸向力和徑向力，如圖所示。
圖3-5蝸輪蝸桿受力圖
4.蝸桿傳動的失效形式和材料的選用
4.1 失效形式
蝸桿傳動的失效形式與蝸輪傳動的失效形式相類似，有疲勞點蝕、膠合、磨損和輪齒折斷等．在一般情況下，蝸桿的強(qiáng)度總是高于蝸輪的輪齒強(qiáng)度，因此失效總是發(fā)生在蝸輪上．由于在傳動中，蝸桿和蝸輪之間的相對滑動較大，更容易產(chǎn)生膠合和磨損．
4.2 材料的選擇
蝸桿和蝸輪材料的合理選擇和匹配是提高承載能力（或使用壽命）和傳動效率的重要方面．選擇蝸桿和蝸輪材料應(yīng)注意以下幾個問題：
a) 蝸桿傳動共扼齒面間的主要運動形式是滑動．為減少摩擦系數(shù)、提高效率、降低油溫，應(yīng)將軟硬材料相匹配．蝸桿直徑小，一般為主動軸；蝸輪直徑大，一般為從動軸．蝸桿傳動多用于減速機(jī)構(gòu)，因此蝸輪應(yīng)選用耐磨和減磨性能好的材料；而蝸桿則要選擇硬度高、剛性好的材料．
b) 材料的選擇要和蝸桿傳動的使用條件和可能出現(xiàn)的失效形式相適應(yīng)．蝸桿傳動的主要失效形式是磨料磨損和粘者磨損．所以選擇材料是，要特別注意提高抗粘著性磨損的能力，同時也要提高減磨和耐磨的性能．
c) 要重視材料的熱處理及其他工藝性能．實踐證明，在提高蝸桿螺旋買內(nèi)光潔度的前提下，蝸桿螺旋面和蝸輪齒面的硬度差越大，蝸桿傳動抗粘著性磨損和抗磨料磨損的能力越大，從而是溫度降低、效率提高．因此提高蝸桿和蝸輪的硬度差，是提高動力蝸桿傳動承載能力及傳動效率的重要方面．對于蝸輪材料（軟材料），硬度變化不大，可用熱處理的工藝措施提高蝸桿齒面硬度．所以蝸桿材料要具有良好的熱處理工藝性能，同時也要具有車削、磨削等其他良好的工藝性能．
d) 選擇材料要和所用的潤滑油的性能相適應(yīng)．潤滑油和潤滑油添加劑都有自身的物理和化學(xué)性能，因此在選用蝸輪和蝸桿材料時，要注意材料和潤滑油及添加劑之間不發(fā)生有害的物理和化學(xué)反應(yīng)，也不出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象．
e) 要考慮材料的來源和成本．
為次材料應(yīng)具備以下條件：
１） 抗粘著性磨損好，為此在選擇材料時要注意盡量選脆性材料；盡量采用互溶性小的材料相配合；為了提高抗粘著性磨損的能力，還可采用熱處理的工藝程序，使金屬表面生成互溶性小、多相有機(jī)化合物組織．
２） 材質(zhì)軟、易跑合．
３） 材料導(dǎo)熱性能好．
４） 材料組織應(yīng)在軟質(zhì)基礎(chǔ)上，分布著硬質(zhì)點，同時還要具有耐磨，耐高溫，抗磁性等特性．
常用的幾種熱處理工藝
為了實現(xiàn)對材料的技術(shù)要求，采用熱處理工藝十分必要．采用什么樣的熱處理方案要根據(jù)具體情況而定．
對于蝸輪材料（軟材料），一般采用回火或時效處理等．
蝸桿采用的熱處理方案是根據(jù)所用的材料的硬度要求、表面光潔度及變形量的要求確定的．通常用的熱處理方式有：調(diào)質(zhì)處理、淬火處理、滲碳處理、氣體氮化等．
綜上所述，在手搖蝸輪中，蝸輪的材料選用HT200,冷模鑄造，蝸桿材料選用45鋼，齒面表面淬火，硬度HRC45~50
4.3 國內(nèi)外對蝸輪材料的研究現(xiàn)狀
蝸輪傳動是僅次于齒輪傳動的第二傳動類型，在近代工業(yè)中獲得了非常廣泛的應(yīng)用，因而國內(nèi)外每年要消耗大量貴重有色金屬青銅用于制造蝸輪輪圈。研究探索新型蝸輪材料取代青銅制作蝸輪具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和重要經(jīng)濟(jì)價值。
在探索蝸輪材質(zhì)方面，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了很多工作?？ㄆ章〔牧暇哂懈叩哪湍バ院湍ズ闲?。最近幾年，前蘇聯(lián)人用卡普隆材質(zhì)，制成了普通圓柱蝸輪和球面蝸輪，與ZQ419—4材質(zhì)制作的普通圓柱蝸輪和球面蝸輪進(jìn)行了對比實驗(相對滑動速度 6 m／s)，實驗結(jié)果表明，額定扭矩分別提高了0．3倍和2倍，減速器傳動效率分別提高了4％ 6％和l8％ 2O％，取得了良好的效果。碎石送料機(jī)中蝸輪減速器用卡普隆蝸輪，在工作了4年f20000 h)后處于良好狀態(tài)，其壽命比青銅蝸輪提高了2倍。塑料蝸輪的采用，不僅可以節(jié)約貴重有色金屬青銅，同時也使機(jī)器重量大大降低。前蘇聯(lián)人還給出了卡普隆蝸輪的適用范圍。建議在以下情況下采用：傳遞功率在2～4 kW 之間，油溫低于90—100℃，滑動速度小于3—4 m／s。國內(nèi)在這一方面也有所研究：如濟(jì)南有色金屬研究所研制出了新型蝸輪材料一稀土鋁合金，據(jù)說性能略優(yōu)于稀青銅，成本可降低三分之一。河南省周口石軸瓦廠研制出了高耐磨鋅基合金ZnA1CuMn，據(jù)說性能優(yōu)于稀青銅，成本可以降低4O％。有些研究者用尼龍6做過實驗，據(jù)說未取得好的效果。大同市橡膠廠用石墨、石英砂填充MC尼龍制作蝸輪，在無油潤滑條件下工作，壽命超過了青銅蝸輪．降低了成本取得了很大經(jīng)濟(jì)效益。天津微型蝸輪減速機(jī)廠部分蝸輪已開始用非金屬制造?？傊?， 國內(nèi)外在探索蝸輪新材料方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，然而，我們卻不能安于現(xiàn)狀，這是因為：稀土鋁合金、高耐磨鋅基合金至今未見工業(yè)中應(yīng)用，效果如何，尚未可知，若效果好的話，因其仍屬有色金屬，也只能緩解一時，從長遠(yuǎn)著想，有前途的應(yīng)屬工程塑料．因為2O世紀(jì)7O年代就有人估計，到2l世紀(jì)塑料結(jié)構(gòu)材料中的比例將上升為78％ (鋼鐵l2 ，超越鋼鐵，而且價格相當(dāng)?shù)土？ㄆ章儆诠こ趟芰希喜牧习l(fā)展方向，但從目前應(yīng)用情況來看，卡普隆在蝸輪上應(yīng)用尚有一定條件．況且國內(nèi)對應(yīng)材料尼龍6效果不佳。卡普隆材料應(yīng)用的條件是由其固有特性決定的，即由其固有的機(jī)械性能、摩擦學(xué)性能和熱性能決定的。因而，探索機(jī)械性能、摩擦學(xué)性能和熱性能更好的工程塑料作為蝸輪材料成為我們研究的方向
為探索機(jī)械性能、摩擦學(xué)性能和熱性能更好的工程塑料，我們首先想到了那些高性能的工程塑料，如聚酰亞胺，在高低溫條件下都具有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐磨性能。還有在聚酰亞胺推動下開發(fā)問世的聚砜、聚苯硫醚等一系列耐熱特種工程塑料。然而，這些特種工程塑料原料成本高，合成工藝繁雜，成形困難，使廣泛應(yīng)用受到了一定限制獲：礙高性能工程塑料的另一途徑是對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行填充改性，通用工程塑料通過增強(qiáng)填充改性．在提高機(jī)械性能的同時，也擴(kuò)大了使用溫度范圍， 同時，也有可能提高摩擦學(xué)性能。因此，人們認(rèn)為工程塑料的增強(qiáng)和填充改性是當(dāng)前最主要的發(fā)展方向。通過把幾種各具有不同優(yōu)點的材料進(jìn)行人工復(fù)合，構(gòu)成復(fù)合材料，使各組分間相互取長補短，從而獲得具有力學(xué)、化學(xué)和孽擦學(xué)等方面良好綜合性能的材料。復(fù)合的目標(biāo)是使材料具有更高的機(jī)械性能摩擦學(xué)性能和耐熱性能。復(fù)合材料的基底材料我們選中了尼龍6，因為在普遍工程塑料之中，尼龍具有最佳綜合性能，因而在世界各國應(yīng)用最為廣泛，而且資源最為豐富。增強(qiáng)材料選用玻璃纖維和鈦合金。玻璃纖維是目前應(yīng)用最多的增強(qiáng)材料．玻璃纖維有很高的拉伸強(qiáng)度，可高達(dá)1 000—3 000 MPa，比高強(qiáng)度鋼還高近兩倍。由于玻璃纖維在性能、工藝等方面具有良好的綜合性能，價格低廉，制取方便，因而是一種良好的增強(qiáng)體。鈦合金是一種性能優(yōu)異的高分子材料增強(qiáng)劑，可以顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和高溫性能，且具有較低磨損率。改l生固體潤滑劑我們選用了石墨、MoS 。因為石墨具有自潤滑性和低的摩擦系數(shù)，導(dǎo)熱率高， 比鐵高兩倍，線膨脹系數(shù)小，有較高耐熱性。MoS2在空氣中在一180℃一400℃之間都具有較低摩擦的自潤滑性，熱膨脹系數(shù)小。MoS 與金屬表面摩擦?xí)r能形成具有一定粘附強(qiáng)度的轉(zhuǎn)移膜，因而能獲得良好的潤滑性。
5 手搖蝸輪傳動自鎖可靠性的研究
5.1 概述
一般認(rèn)為，蝸輪傳動時，若蝸桿的螺旋升角A與摩擦角妒滿足關(guān)系式A<& 時，具有自鎖性，所以在機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用廣泛。但是在實際例子中，也出現(xiàn)過因自鎖失效而導(dǎo)致事故發(fā)生的例子。自鎖的失效雖然不能否定基礎(chǔ)理論，但是卻意味著實際工作情況與理論研究存在著差異。究竟是什么原因?qū)е伦枣i的失效，哪些因素對蝸輪副的自鎖有影響，如何提高蝸輪副自鎖的可靠性，這里以實例對蝸輪副自鎖問題進(jìn)行分析，提出了提高蝸輪副自鎖可靠性的方法。
5.2 自鎖失效原因的分析
以某一蝸輪減速機(jī)為例，該機(jī)在實際工作中出現(xiàn)過自鎖失效。其主要參數(shù)為：蝸桿軸向模數(shù)(m1=蝸輪端面模數(shù))=6，壓力角=15。，蝸桿特性系數(shù)q=11， =1， =50，蝸桿分度圓直徑d =66mm，齒頂圓直徑d =78mm，齒根圓直徑：51．6mm；軸向節(jié)距t：18．85mm；螺旋升角A=5~11’，右旋，精度等級8，材料：蝸桿20Cr，硬度HRC：45～50；蝸輪ZQAL9—49.滿足當(dāng)A< &條件．即具有自鎖性。自鎖失效說明上述條件不充分，分析有以下因素：
5.2.1摩擦系數(shù)
根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，鋼對青銅的摩擦系數(shù)見表5-1。
表5-1 鋼對青銅的摩擦系數(shù)
在機(jī)械傳動摩擦中，除了材料的材質(zhì)以外，表面粗糙度、硬度、潤滑條件等對摩擦系數(shù)都有不同程度的影響。如在表面粗糙度為1.6的平板上(模擬蝸桿)，改變傾角用表面粗糙度為1.2ZQAL9—4的滑塊(模擬蝸輪)來測取摩擦系數(shù)，其結(jié)果見表5-2
表5-2 潤滑條件下的摩擦系數(shù)
在潤滑條件下所測出的數(shù)據(jù)與手冊所提供的數(shù)據(jù)差別較大，即使按其下限計算的話也將近3倍。如按設(shè)計手冊數(shù)據(jù)的下限計算，取f=0.1，則A=arctg0.1=5。24‘，當(dāng)A=arctg(1／q)：5。1 1’時，A<& 滿足自鎖條件,卻不能自鎖，因為蝸輪的潤滑條件很好，其輪齒部分都浸在油池中，所以在上述條件下取摩擦系數(shù)f=0.1~0.15顯然是不合適的。
5.2.2 螺旋升角
螺旋升角應(yīng)滿足保證自鎖和高效率的要求，前者要求螺旋升角小，后者要求螺旋升角大，這是一對矛盾。其實，螺旋升角并不是一個定值，而是隨著在齒面直徑方向嚙合部位的不同而變化的，下面以蝸桿為例進(jìn)行分析。
設(shè)A=5度ll分，d=66mm，齒頂高h(yuǎn)=1.2m，齒根高h(yuǎn)=1.2m，m=18.85mm，在分度圓上，A=arctg(1／q)：5~11’；在齒頂圓上，A=arct p／(d-2m) =4o24‘；在齒根圓上．A=arctgp／ (d-2．4m) =6c37’見圖5-1。由以上計算可見，蝸桿的螺旋升角A從齒頂方向向齒根方向逐漸變大，自鎖性能變差。
圖5-1 螺旋升角的變化
5.2.3 壓力角對摩擦角的影響
根據(jù)漸開線的性質(zhì)，壓力角沿齒廓是變化的。接近基圓的壓力角較小，壓力角隨廓所在半徑增大而增大。下面取分度圓壓力角等于15度和20度。兩種情況進(jìn)行討論。由P= 1／rcosa 設(shè)a=15度時，其正壓力為P，設(shè)d=20時，其正壓力為P，o3為旋轉(zhuǎn)角速度， 為蝸桿在傳動時所受的力矩：
rl= r2= r= d／2=33mm
Pl= M／rcos nl= M／33cosl 5。
P2=M／FCOSa2= M／33cos20。Pl
5度的蝸輪加工時．為改善切削條件和提高質(zhì)量，需要飛刀前刃面按照蝸輪齒面的法向安裝(非軸向)，這就是阿基米德法向飛刀。其齒形不是直線，而是和阿基米德蝸桿的法向截面相同的曲線．需要煩瑣的計算，采集曲線上的一系列點坐標(biāo)作為切制飛刀的依據(jù)，其基本公式如下：
這個計算可以用一個BASIC程序來實現(xiàn) 由于齒形的左右面相對稱，故只計算一側(cè)齒形(如圖2)即可，圖3是該程序的流程圖(程序清單略)：
式中：R ——飛刀外圓半徑；
r．—— 蝸桿齒根圓半徑
在這個程序中，為了解齒形曲線的彎曲程度，還對其斜率進(jìn)行了計算，即計算了過各坐標(biāo)點的導(dǎo)數(shù)dx／dy，其值的不斷變化驗證了齒形確實是一段單凋曲線。通過對多個不同導(dǎo)程角的蝸輪進(jìn)行計算，證實了有關(guān)書籍關(guān)于阿基米德法向飛刀齒形曲線的各種替代方法的適用范圍，可以根據(jù)零件要求采用(表8-1)。
表8-l 齒形精度及坐標(biāo)數(shù)據(jù)
根據(jù)打印出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和齒形的精度要求，在數(shù)控線切割機(jī)床上編程進(jìn)行飛刀的切制，至于飛刀的材料，則是用報廢的銑刀或中心鉆的柄部(材料多為W18Cr4V，HRC=63～66)。通過應(yīng)用以上方法，切削刀具的精度、硬度就都有了保證。
8.3 在數(shù)控滾齒機(jī)上展成蝸輪
試制中所使用的是GLEASON 125GH型CNC(計算機(jī)數(shù)字控制)精密滾齒機(jī)。該機(jī)床的控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，精度很高， 各軸分辨率均為0．0002ram(DEG)．可控步進(jìn)量是0．O0Imm(DEG)，利用它可以找正飛刀的安裝角。并且采用計算機(jī)模
擬的電子變速箱系統(tǒng)(EGB)，機(jī)床內(nèi)并沒有變速齒輪實物，其功能與普通滾齒機(jī)的掛輪系統(tǒng)類似，但性能和精度都有很大提高，對大質(zhì)數(shù)齒輪也能正確分齒，也能把刀軸(B軸)與工件軸(c軸)間的速比控制的十分精確和穩(wěn)定，這就可以大大降低蝸輪的齒距誤差。再有，該機(jī)床配有精密的刀具外徑測量儀，可精確測得飛刀尖的回轉(zhuǎn)半徑(相當(dāng)于測出了蝸輪滾刀的外徑)。再與數(shù)控系統(tǒng)配合就可以精確的控制中心距。但美中不足的是，該機(jī)床聯(lián)動式的切向走刀功能(TANGENT)是選裝項目(Options)，我公司進(jìn)口時并未購買。但通過仔細(xì)研究該機(jī)床的操作手冊，我們找到了一種替代的方法，即利用該機(jī)床為使?jié)L刀均勻磨損而設(shè)置的自動竄刀功能(HOBSHIFT)和工件軸的步進(jìn)分度(最小步進(jìn)量可達(dá)0．001DEG)來實現(xiàn)非聯(lián)動式的切向走刀。即進(jìn)行連續(xù)分齒，斷續(xù)展成加工。因為是數(shù)控機(jī)床，所以即使是斷續(xù)展成，精度也是有保證的，而不像非數(shù)控機(jī)床那樣在進(jìn)行斷續(xù)展成加工時，容易產(chǎn)生誤差。接著，在機(jī)床上進(jìn)行了編程試驗，驗證了這一想法是完全可行的，并且在驗證過程中還總結(jié)出了一些提高加工效率的數(shù)控編程技巧。譬如，在粗加工后(尚未進(jìn)行展成)，蝸輪齒槽內(nèi)約80％ 的材料已被切除。展成開始的時候，飛刀可以不按切削時的慢速進(jìn)給量進(jìn)結(jié)，而是快速進(jìn)給到已粗加工好的齒槽里，在離槽底較近的地方(約0.5個模數(shù)處)，再轉(zhuǎn)^切削時的慢速進(jìn)給量進(jìn)行切削，這樣就可以縮短展成加工的時間。按照以上思路，首先就要計算出切削軸與工件軸對應(yīng)的步進(jìn)量，這可以用一個簡單的BASIC程序來計算并打印出一系列聯(lián)動點用以監(jiān)視機(jī)床的位置是否準(zhǔn)確。為了簡化機(jī)床操作，提高效率，計算中對工件軸的分度步進(jìn)量進(jìn)行了取整，只需按幾下鍵就可完成展成分度 再按照這個取整值計算出相應(yīng)的切向走刀步進(jìn)量，即是數(shù)控滾齒機(jī)加工程序中的自動竄刀量，展成時機(jī)床會按此值自動切向走刀，不用人為干預(yù)。此外，工作中我們還設(shè)計了數(shù)控滾齒機(jī)專用的壓緊套式飛刀桿和蝸輪毛坯通用夾具，適用于加工模數(shù)2～6的蝸輪。接下來就是具體的機(jī)床操作了，主要流程見圖4。