CN2779162Y - 自润滑硬齿面平面蜗轮副 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种自润滑硬齿面平面蜗轮副，齿型为平面一次包络环面蜗杆，其特征在于：蜗轮副两元件的材质为优质碳素钢或合金结构钢，齿面为一层氮化物晶体结构，在其氮化物晶体结构表面有一层硫化物晶体结构，在蜗轮蜗杆啮合齿面中有极压润滑油形成的化合物晶体结构反应膜。蜗轮以钢代铜与钢杆配对，两元件离子氮化后力学性能改善，硫化齿面自润滑、减摩、易跑合、抗胶合能力强。比同齿型同参数钢铜配对蜗轮副寿命长、效率高，特别适于低速重载间断冲击负荷传动。
Description
技术领域：
本实用新型涉及一种自润滑硬齿面平面蜗轮付，齿型为平面一次包络环面蜗杆，蜗轮副两元件用钢材制造，离子氮化成硬齿面配对，齿面渗硫自润滑，特别适于低速重载间断冲击负荷的传动。
背景技术：
在蜗杆传动中蜗杆非偏置而又广泛使用的有圆柱和环面两种类别。现有设计资料介绍，普通圆柱蜗杆传动的蜗杆用钢材制造，而轮齿圈不用钢材，重要场合用锡青铜。采用贵重铜合金主要是因其减摩、抗胶合及易于跑合三项齿面功能好。但由于啮合性能上的缺点，这种蜗杆传动的承载能力、效率及使用寿命三项传动质量都难满足装用日益增高的要求，出现多种失效，使用结果表明齿面胶合是传动的主要失效形式。
自啮合性能优越的环面蜗杆传动问世后，三项传动质量比普通圆柱蜗杆传动有明显提高。特别是蜗杆螺纹齿面经离子渗氮又经磨削加工的平面包络环面蜗杆传动，蜗杆齿面抗胶合性能改善。但出于同样原因，这种蜗杆传动的轮齿圈仍沿用铜合金。用铜合金虽然可以保留轮齿面的三项功能，并与抗胶合性能改善后的蜗杆齿面啮合，减少胶合，然而却不能减少轮齿的其他多种失效，如：点蚀、剥落、磨损和轮齿折断。而且负载增大后还出现了普通圆柱蜗杆传动很少发生的齿面塑性流动和齿体塑性变形，后者的损坏形状是轮齿受力部位的反面鼓出，严重的将使轮齿的反面碰上蜗杆螺纹的反面而破环齿面。通过理论分析和实验研究可知，上述几种失效是由于铜质轮齿的接触和弯曲强度、硬度、韧性和刚性四项力学性能指标，简称“四指标”，不能适应使用要求所致。因此，不仅使原来较佳的传动质量受到制约，而且开发一些负荷条件苛刻、功能独特的蜗杆传动装置也被束缚。
为消除此缺陷，突破技术限制，如另选一种金属代替铜合金，则其必应是具有与铜合金一样的良好齿面功能，同时齿体还应具有较高“四指标”，这就是需要解决的技术课题。此外，铜合金的主体成分铜在我国属于资源短缺、价格昂贵的金属，世界铜组织预测，我国铜消耗在2005年将达到260万吨，2000年为150万吨，缺口三分之一。若能以一种资源较多、价廉易得的金属代替，无疑是一项有经济和社会效益的课题。两个课题实质上是要同时一并解决“好用又省铜”的问题，这就成了难题。因为很难有一种金属能同时满足轮齿表里对材质功能和性能的各种不同，甚至彼此矛盾的要求。省铜不一定好用，而好用是关键。
在现有蜗杆传动设计中，已有用价廉易得的灰铸铁代铜制造蜗轮。从设计资料推荐的数据可知灰铸铁的许用接触应力在低速时较锡青铜高，但减磨性能差，仅限用于滑动速度2米/秒以下。
钢材的“四指标”比铜高，适于做蜗轮，并且资源丰富、价格低廉、品种齐全。但未经完好处理的钢材齿面配对，齿面的跑合、减摩和抗胶合三项功能差，简称“三差”，爱·威尔德哈伯Ernest Wildhaber曾提出平面蜗轮副两元件用淬火钢磨削配对，以承受静的和低速载荷。这种单纯提高齿面硬度和降低粗糙度，而没有采取技术措施改变两元件齿表层的晶体结构，使其具有良好的跑合和自润滑的功能，并不能对“三差”进行全面改善，只能在静载荷和低速时运行，重要场合平面包络环面蜗杆传动的轮齿圈至今仍不得不沿用贵重铜合金。
技术内容：
本实用新型的目的是：针对现有技术中铜质轮齿存在的缺陷，提供一种自润滑硬齿面平面蜗轮副，实现以钢代铜。
实现这一目的技术方案涉及一种自润滑硬齿面平面蜗轮副，齿型为平面一次包络环面蜗杆，蜗杆副两元件的材质为优质碳素钢或合金结构钢，齿面为一层氮化物晶体结构，在其氮化物晶体结构表面有一层硫化物晶体结构，在蜗轮蜗杆啮合齿面中有极压润滑油形成的化合物晶体结构反应膜。
齿表面氮化物的厚度为0.2-0.5mm，硫化物的厚度为0.1-0.2mm，反应膜的厚度为0.01-0.012μm。
本实用新型的效果
1、自润滑硬齿面平面蜗轮副按GB/T16444-1996系列标准，可替代在低速重载间断冲击负荷摘条件下工作的同参数钢铜配对的二次接触环面蜗杆传动。
2、替代钢铜配对的二次接触环面蜗杆传动，蜗轮成本降低。
3、自润滑硬齿面的钢质轮齿，齿面抗胶合、耐腐蚀、耐磨、减摩，在工况相同时，较同齿型、同参数的青铜轮齿寿命延长1-2倍。
4、由于轮齿寿命成倍增长，传动精度保持时间也相应延长。也即延长了使用周期，不仅提高设备利用率，并使维修和备件费用减少。
5、分度兼动力传动的蜗轮副，如由普通圆柱蜗杆传动改用本实用新型，在传动相同扭距时，中心距尺寸可减小20％-30％。
6、随中心距减小，加工时可较易获得更高精度。
7、有油润滑时较同齿型同参数钢铜配对蜗杆传动啮合效率提高4％-5％，传动相等的扭距时可节省功率约6％。
8、蜗轮以钢代铜后，采用多量极压剂的极压润滑油润滑齿面，齿面间形成在300-400℃也不破裂的反应油膜。
9、蜗轮以钢代铜，对开发一些负荷条件苛刻、功能独特的蜗杆传动装置，有较高的力学性能指标保证，运行可靠。
附图说明：
下面结合附图对该实用新型做进一步的描述
图1是自润滑硬齿面平面蜗轮副齿面结构示意图
图2是八辊冷轧机压下传动装置结构示意图
图3是自润滑硬齿面平面蜗轮副
图4是图3的左视图
其中：V1蜗杆滑动速度和方向，V2蜗轮滑动速度和方向，P作用力，1蜗杆齿体，2蜗轮齿体，3精加工后的蜗杆齿面微观形状，4精加工后蜗轮齿面微观形状，5渗氮晶体结构层，6渗硫晶体结构层，7极压润滑油，8极压剂反应膜晶体结构层9电机，10电磁离合器，11齿轮传动，12蜗轮副传动，13自整角机14平面包络环面蜗杆，15平面蜗轮
具体实施方式：
由图1可以看出，选取平面一次包络环面蜗杆齿型；用优质碳素钢或合金结构钢制造蜗杆和蜗轮1、2；齿面精加工后离子氮化，渗氮晶体结构层5；渗硫采用金属零件合成固体润滑硫化物表面技术，渗硫晶体结构层6；运行时可用多量极压剂的极压润滑油润滑7，极压剂反应膜晶体结构层8。
在啮合原理文献中已阐明：平面一次包络环面蜗杆齿型有优越的啮合性能，润滑角40°-80°，没有0°接触点，诱导曲率半径是相同参数普通圆柱蜗杆传动的3-10倍，同时啮合齿数多，约为轮齿数的1/10，这都有利于建立齿面间的动压油膜，防止胶合。而且工艺性能更好，杆和轮的齿面都可精加工，粗糙度可达Ra＝0.2-0.8μm。切削轮齿用的刀具制造简易，成本低。齿型原理规定：蜗杆螺纹可展曲面是由蜗轮齿面包络而成，又取蜗轮齿面为平面而非曲面，因此，这个平面相对于蜗杆的被包络面间的运动关系：在三维空间三个平移自由度中只有一个受到严格约束，由于自由度大，降低了加工及合装时对误差的敏感性，即易于提高精度，避免或减轻齿面间的干涉，同时表面形貌好，跑合量少。综上所述，平面一次包络环面蜗杆齿型是一种原理上具有防止胶合、利于跑合、加工保质简便、成本低的优越齿型。这是实现蜗轮以钢代铜的先决技术措施。
优质碳素钢如：40、45，合金结构钢如：40Cr；35CrMo；42CrMo调质后都有很好的综合力学性能，对表面离子氮化和渗硫的效果好。此类材料便宜易得。
用离子氮化技术对杆和轮齿面进行表面处理，可在齿面形成0.2-0.5mm厚度的氮化物晶体结构层，这种晶体结构提高齿面硬度可达Rc55-60，同时保留轮齿心部的韧性，而刚性不变。轮齿以钢代铜并经渗氮后，韧性约为锡青铜的10倍，刚性是2倍，接触和弯曲强度是锡青铜的5-6倍，抗胶合能力是钢质齿面渗氮前的1.5倍，耐磨能力是渗氮前的2-3倍，渗氮同时提高了齿面的耐蚀能力。零件处理后不变形，不改***糙度，故可在零件精加工后进行表面处理。
在采用金属零件合成固体润滑硫化物表面技术对齿面渗硫后，可在齿面上形成0.1-0.12mm厚度的硫化亚铁晶体结构层。此结构可在摩擦副之间产生自润滑效果，而且有良好的塑性，与氮化后的硬层软硬相辅，这正是所需齿面功能的理想组织，这种晶体结构层还有良好的减摩性能，在高硬度的齿面上更能发挥作用。有油润滑时，钢质齿面的摩擦系数较锡青铜降低1/3-1/2，从而提高了啮合效率，减少了摩擦热的产生，齿面闪温低。同时齿体被具有自润滑作用的渗硫层隔开，不直接接触，因此，齿面的抗胶合能力强，是渗硫前的5倍以上。由于处理后零件不变形、不改***糙度、不降低齿面硬度，故可在精加工后进行处理。
蜗轮以钢代铜后，在摩擦条件苛刻时，用含有硫、磷、氯多量极压剂的极压润滑油润滑齿面，可在齿表面形成一层厚度约10-2μm的极压剂化合物硫化铁、磷化铁、氯化铁晶体结构，这种晶体结构组成的反应膜，剪切强度低，且在300℃-400℃高温下也不破裂，所以能减摩和阻止齿体金属接触，避免了胶合。因这种极压润滑油对铜有腐蚀，所以不能应用在以铜合金做轮齿的蜗轮副上。
综上所述：较佳的齿型和材质是基础；氮化提高了齿的强度和齿面硬度，保留了齿心韧性和刚性；还与渗硫和极压润滑油润滑技术优化“三差”。从而，优越的啮合性能；较高的“四指标”；良好的三项齿面功能；强力的反应油膜。分别以钢材配对的蜗轮副两元件为载体融合在一起，好用又省铜，实现以钢代铜。
作为实施例下面介绍本实用新型设计的中心距a＝760毫米的八辊冷轧机压下传动装置见图2。
1.八辊冷轧机性能
轧制铁素体、奥氏体和马氏体优质带钢，带钢最大宽度1300毫米，最小600毫米，板坯厚1.5-4.5毫米
成品厚 0.25-3毫米
钢卷外径 φ1520毫米
卷重 10吨
轧制力 2500吨
传动扭力距 2×32吨-米
带钢张力 1.25-25公斤/平方毫米
轧制速度 120/300米/分、
辊身长 1400毫米
支撑辊径 φ1250毫米
工作辊径 φ210毫米
2.压下传动装置性能
压下蜗轮副的最大压力 1250吨
螺杆升降速度：重载 0.128毫米/秒
轻载 0.386毫米/秒
电机 型号 IGH 2 244
转数 0-555/1650转/分
功率 2×3/7千瓦
总传动比 1280
电磁离合器 EDE 100秒 100公斤-米
3.八辊冷轧机压下传动装置结构
其中压下蜗轮副12，采用自润滑硬齿面平面蜗轮副图3，技术参数和几何尺寸见附表1。
附表1
| 序号 | 名称 | 代号 | 数据 |
| 1 | 中心距 | a | 760mm |
| 2 | 蜗杆头数 | Z1 | 1 |
| 3 | 蜗轮齿数 | Z2 | 50 |
| 4 | 螺旋方向 | 右 | |
| 5 | 端面模数 | Ms | 24.9mm |
| 6 | 蜗轮齿顶园直径 | De2 | 1281mm |
| 7 | 齿宽 | B | 290mm |
| 8 | 齿形园直径 | db | 500mm |
| 9 | 蜗杆工作部分度 | l | 385mm |
| 10 | 蜗杆最大顶园径 | D大 | 374mm |
| 11 | 蜗杆齿顶园弧径 | Rei | 604mm |
| 12 | 蜗杆齿根园弧径 | Ri1 | 644mm |
| 13 | 蜗轮材质 | 40Cr | |
| 14 | 蜗杆材质 | 42CrMo | |
| 15 | 蜗杆表面离子氮化 | 硬度、深度 | Rc55-60，0.4mm |
| 16 | 蜗轮表面离子氮化 | 硬度、深度 | Rc55-60，0.4mm |
| 17 | 蜗杆表面渗硫 | 深度 | 0.12mm |
| 18 | 蜗轮表面渗硫 | 深度 | 0.12mm |
Claims (2)
1、一种自润滑硬齿面平面蜗轮副，齿型为平面一次包络环面蜗杆，其特征在于：蜗轮副两元件的材质为优质碳素钢或合金结构钢，齿面为一层氮化物晶体结构，在其氮化物晶体结构表面有一层硫化物晶体结构，在蜗轮蜗杆啮合齿面中有极压润滑油形成的化合物晶体结构反应膜。
2、如权利要求1所述的一种自润滑硬齿面平面蜗轮副，其特征在于：齿表面氮化物的厚度为0.2-0.5mm，硫化物的厚度为0.1-0.2mm，反应膜的厚度为0.01-0.012μm。
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| CN107387669A (zh) * | 2017-08-05 | 2017-11-24 | 银川威力传动技术股份有限公司 | 一种钢质蜗轮蜗杆传动机构及制造方法 |
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