涡轮蜗杆的工作原理与应用

涡轮蜗杆的工作原理与应用

涡轮蜗杆机构是机械工程中常见的传动装置，广泛应用于机床、汽车等领域。本文将详细介绍涡轮蜗杆的工作原理、特点、材料选择、失效形式以及应用场合，帮助读者全面了解这一重要机械结构。

涡轮蜗杆的工作原理

涡轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力。蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。

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。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。

涡轮蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分蜗杆传动，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周，涡轮转过一齿；若蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，涡轮转过两齿。

涡轮蜗杆的特点

1. 可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。
2. 两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。
3. 蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。
4. 具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在起重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。
5. 传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高。
6. 蜗杆轴向力较大。

材料选择与失效形式

在涡轮蜗杆传动中，蜗轮轮齿的失效形式有点蚀、磨损、胶合和轮齿弯曲折断。但一般蜗杆传动效率较低，滑动速度较大，容易发热等，故胶合和磨损破坏更为常见。

涡轮蜗杆传动为了避免胶合和减缓磨损，其材料必须具备减摩、耐磨和抗胶合的性能。一般蜗杆用碳钢或合金钢制成，螺旋表面应经热处理（如淬火和渗碳），以便达到高的硬度（HRC45～63），然后经过磨削或珩磨以提高传动的承载能力。蜗轮多数用青铜制造，对低速不重要的传动，有时也用黄铜或铸铁。为了防止胶合和减缓磨损，应选择良好的润滑方式，选用含有抗胶合添加剂的润滑油。

对于蜗杆传动的胶合和磨损，还没有成熟的计算方法。齿面接触应力是引起齿面胶合和磨损的重要因素，因此仍以齿面接触强度计算为蜗杆传动的基本计算。此外，有时还应验算轮齿的弯曲强度。一般蜗杆齿不易损坏，故通常不必进行齿的强度计算，但必要时应验算蜗杆轴的强度和刚度。对闭式传动还应进行热平衡计算。如果热平衡计算不能满足要求，则在箱体外侧加设散热片或采用强制冷却装置。

应用场合

涡轮蜗杆传动常用于两轴交错、传动比较大、传递功率不太大或间歇工作的场合。涡轮蜗杆传动当要求传递较大功率时，为提高传动效率，常取Z1=2～4。此外，由于当γ1较小时传动具有自锁性，故常用在卷扬机等起重机械中，起安全保护作用。它还广泛应用在机床、汽车、仪器、冶金机械及其它机器或设备中，其原因是因为使用轮轴运动可以减少力的消耗，从而大力推广。