在所有不同类型的齿轮配置中，蜗轮蜗杆系统被认为是最成问题的，因为它们独特的设计带来了独特的润滑挑战。为了克服这些挑战，您不仅必须了解蜗轮蜗杆的复杂性，还必须了解在选择蜗轮蜗杆润滑剂时要考虑哪些品质。

 

蜗轮蜗杆设计

 

蜗轮蜗杆是一种非平行、非相交的轴设计，主要由两个齿轮元件组成：蜗杆，即螺旋或丝杠形状的驱动齿轮，以及蜗轮或蜗轮，它是普通正齿轮形状的从动齿轮。

从技术上讲，整个蜗轮蜗杆系统应称为蜗轮蜗杆传动或蜗轮蜗杆齿轮组，以避免混淆。蜗杆始终驱动蜗轮。这种设计特点是由于极端的螺旋角，接近 90 度。

蜗轮蜗杆传动类似于交叉斜齿轮配置的设计，只是蜗杆传动的蜗杆上的齿轮齿将围绕蜗杆的圆周至少绕圈一次。由于蜗杆可能只有一颗围绕螺旋径向螺旋螺旋的齿，因此蜗杆上的齿数更恰当地由起点或螺纹数来识别。

蜗轮蜗杆传动设计有三类描述齿轮啮合的程度：非喉式（非包络式）、单喉式（单包络式）和双喉式（双包络式或球状）。

非喉式或非包络式是最基本的设计，其中蜗杆和蜗轮都是圆柱形的。这允许简化制造，但一个或两个齿轮齿上单个点的有限接触区域可能会成为问题。

在单喉或单包络设计中，其中一个齿轮元件（最常见的是蜗轮）具有凹形螺旋齿，用于将齿轮齿的轮廓或包裹到蜗杆上。这使得接触区域可以增加到一条线。

双喉（双包络）或球形设计不仅在蜗轮上有凹形螺旋齿，而且蜗杆的形状也像沙漏，因此两个齿轮元件在运动过程中相互缠绕。这导致接触面积（径向带的形状）增加了近八倍，与三个或更多齿接触。

 

随着接触表面积的增加，扭矩容量、负载保持能力（抗冲击负载）和耐久性得到提高。由于载荷分布，包络齿轮设计的预期磨损率也较低。

蜗轮蜗杆传动制造商试图优化两个齿轮元件之间的这种接触关系，以提高可靠性。

与潜在的齿轮系统替代品相比，蜗杆传动的其他显着优势包括：

• 与斜齿轮相比，蜗轮蜗杆传动可以设计成超过 200 比 1 的传动比，斜齿轮在单次减速时可能限制为 10 比 1。蜗轮传动的齿轮比是蜗轮上的齿数与蜗杆上的螺纹数（或启动数）。
• 高传动比和两个齿轮元件的配置可实现紧凑的设计，使蜗杆传动成为空间有限的区域的绝佳选择。此外，活动部件的数量也随着故障机会的增加而减少。然而，这可能会被扭矩大幅增加导致的效率损失所部分抵消。
• 在特定条件下，许多传动比较高的蜗轮传动可能表现出自锁特性（而传动比较低的传动装置可以自由反转动力方向）。换句话说，蜗轮不能轻易地独立旋转以迫使蜗杆运动。只有当蜗杆的导程角小于配合材料的静摩擦角时，这种静态自锁能力才有可能。然而，虽然这可能是有利的，但需要逆止器或制动器来防止意外的反向旋转仍然非常重要，因为在某些情况下，例如当它面临足够的振动或齿轮齿表面随着时间的推移而抛光时，仍然有可能反向驱动。
• 通过蜗杆传动装置的精确运动，特别是在双包络设计中，可以大大减少齿隙（齿轮齿之间的间隙）。这在某些应用中至关重要，例如机器人技术。
• 与其他齿轮设计相比，蜗杆传动装置中的运动部件最少，噪音和振动低。

 

润滑挑战

蜗杆传动设计有一个主要缺点：两个元件的配合齿之间的相对运动几乎完全是滑动的。这带来了巨大的挑战，因为润滑剂不断被刮到一边。

滑动摩擦损失导致温度升高和流体动压发展不足。因此，磨损碎屑的产生会增加。在许多情况下，在达到负载限制之前，较高的温度将成为蜗杆传动的限制因素。包覆齿轮设计的载荷分布可以缓解这个问题，但挑战仍然存在。

 

此外，由于蜗杆传动的滑动特性，通常使用摩擦系数低的金属。蜗轮通常含有黄色金属，而蜗杆通常由钢制成。这导致了更有利的磨损特性、更好的负载能力和更少的热量产生，这是其他金属组合所没有的。

在选择兼容的添加剂包时，蜗轮上使用的青铜等黄色金属可能会带来独特的润滑挑战。通过这种冶金组合，由于蜗杆传动重建的相对努力和成本，预计与蜗杆相比，蜗轮会起到牺牲作用。

润滑解决方案

多年来，齿轮设计和材料已经现代化，以实现更好的承载能力、更高的扭矩转换和更长的使用寿命。先进的测试平台和计算机化方法使人们更好地了解了常见的蜗杆传动故障模式，并为优化解决方案提供了线索。

润滑剂也不例外，这些蜗杆传动增强功能。一般来说，优质的蜗轮蜗杆驱动润滑油将具有低摩擦、高抗氧化性、良好的抗磨保护和高粘度指数。

正确的基础油

虽然使用矿物油配制的润滑剂在蜗轮蜗杆传动中很常见，但使用合成基础油通常可以提高齿轮效率并降低工作温度。

聚 α 烯烃 （PAO）、聚亚烷基二醇 （PAG） 和矿物油在油底壳温度范围内的润滑剂寿命和换油间隔预期。阿伦尼乌斯速率规则支持这一点，该规则指出，平均油温每升高 10 摄氏度，化学反应就会加倍。

齿轮系统输入和输出的能量传输效率会受到所选润滑剂的显着影响。图 6 说明了在选择合成油而不是矿物油时效率的提高，尤其是具有固有低摩擦系数的 PAG。众所周知，PAG 可以降低工作温度和总损耗。矿物油和PAG基础油之间。

PAG 确实有一些缺点，最明显的是它们的成本较高。它们也与某些密封材料、塑料和油漆涂层不兼容，因此在切换到 PAG 时请务必确认兼容性。

合适的添加剂

齿轮油添加剂最重要的工作之一是在条件超过散装油的油膜强度时，在接触表面之间形成保护或牺牲屏障。

必须谨慎选择蜗轮蜗杆传动中润滑剂的添加剂包，因为蜗轮内通常含有的黄色金属会受到极压 （EP） 添加剂中活性硫的腐蚀的不利影响，尤其是在存在热量的情况下。然而，失活硫添加剂形成的进步有助于减少或消除这些腐蚀性侵蚀。

 

蜗轮蜗杆传动可能带来独特的边界润滑挑战，其重点更多地放在减少摩擦而不是磨损的影响上。在这些应用中，可以使用一种称为复合油的特定类型的矿物基润滑剂。

 

这种润滑剂由高达 10% 的脂肪酸（天然油）或无酸牛油作为配制剂，以及防锈剂和氧化抑制剂以及其他添加剂配制而成。这样可以提高润滑性，减少摩擦并减少滑动磨损。

极压油仍然常用于蜗杆传动应用，在这些应用中，它们与黄色金属相容。然而，复合油和极压齿轮油的工作温度限制约为 80 摄氏度，然后氧化速率会迅速增加，从而产生酸性产品，会侵蚀铜蜗轮材料。

合适的粘度

除了环境温度和工作温度外，正确的粘度还取决于最终蜗轮的几个变量，包括螺距速度、中心距和每分钟转数。根据美国齿轮制造商协会 （AGMA） 9005-E02 标准，为圆柱形和双包络蜗杆传动提供了 ISO 粘度等级选择建议。

正如这些建议和换油间隔图所示，温度对有效润滑有重大影响。高温不仅会对润滑剂和机器寿命产生负面影响，而且蜗杆传动装置尤其会遇到温度峰值问题。因此，如果预计温度更高，则应选择更有效的基础油和添加剂替代品。

PAO 和 PAG 等合成油的性能优于矿物油，因为它们具有天然更高的抗热降解性。然而，在操作条件下，单喉蜗杆传动装置比环境温度高出 32 摄氏度（双喉蜗杆传动装置比环境温度升高 37 摄氏度）并不算过量。

 

合适的油位

与大多数飞溅润滑齿轮系统一样，蜗杆传动装置中的油位对于保持精度至关重要。根据蜗杆相对于蜗轮的位置，油位的小幅下降可能是理想润滑和无润滑之间的差异。

在监测三个最常见的蜗杆传动位置的油位时（图 10），请遵守制造商的建议，这些建议通常符合油浸深度标准。

当蜗杆元件的螺距线速度超过每秒 10 米时，特别是使用双包络蜗杆传动装置时，建议使用强制进给润滑系统喷涂蜗杆的整个表面。

正确的目视检查

除了监测油位外，视镜还应被视为了解油液状况的窗口。这可能包括目视检查是否有异常的油变黑（氧化迹象）、可见油泥、固体颗粒和水分。

当视镜从齿轮箱中伸出时，可以更有效地进行这些检查，以便光线可以通过它。

如果可能，还应使用底部沉积物和水碗。这将有助于捕获任何比油重的固体颗粒或液体，并提供日常目视检查点。

 

正确的选择

 

任何选择的润滑剂的目标都应该是保护蜗杆传动装置免受不良摩擦、腐蚀的危险影响和低效运行。

根据其运行和环境条件评估并实现每种蜗轮蜗杆传动的最佳参考状态将归结为一件事：证明改进润滑实践的成本是合理的，以最大限度地降低故障的风险和潜在后果。

幸运的是，改进蜗杆传动装置的润滑实践成本不高，只需确认润滑剂满足最低要求，同时进行目视检查甚至油液分析，以进行有效的状态监测。

正如蜗轮蜗杆传动是最简单和最有益的齿轮设计之一一样，它们所需的润滑实践也同样独特且必不可少。