孫翠娥

（江蘇省靖江中等專業(yè)學校， 江蘇　靖江　214500）

引言

零下40℃條件下傳動裝置的調轉過程十分緩慢。根據這一發(fā)現，對電機和傳動裝置連接位置機動軸力矩進行測定，從常溫狀態(tài)以及低溫狀態(tài)分別進行具體的檢測，結果顯示，常溫狀態(tài)下的軸力矩要大于低溫狀態(tài)下，進一步檢查和檢測后表明，自身阻力矩的增加是造成傳動裝置調轉較慢的重要因素，因而可對原有的結構進行優(yōu)化，減小常溫狀態(tài)和低溫狀態(tài)下的軸力矩。

1　傳動裝置支承結構及其受力情況分析

1.1　箱體變形分析

傳動箱體對于傳動裝置發(fā)揮著重要的外部保護作用，因而對于傳動箱體本身就具有較高的要求。傳動箱在綜合多項因素后采用的材料主要是鋁合金，要求傳動箱中厚度最薄位置達到3 mm，在不同的溫度條件下，傳動箱在受力后出現的變形存在差異性，為進一步明確常溫以及低溫條件下傳動箱變形對傳動裝置力矩產生的不利影響，在上述兩種不同條件下進行相關檢測[1]（如圖1所示）。分別在18℃以及-40℃條件下對箱體變形進行分析（如表1所示）。

根據檢測后的結果，從表中可以看出，-40℃條件下相對于常溫18℃，除了L3增加外，其余各項尺寸參數均發(fā)生明顯降低，也就是說在低溫條件下，傳動裝置外部保護箱體的尺寸會縮小，在縮小過程中會對軸承的軸向以及徑向產生壓力，促使摩擦力增加，在摩擦力增加的情況下，傳動裝置對應的阻力矩也會增加。

圖1　傳動裝置外部箱體結構示意圖

表1　不同溫度條件下傳動箱體尺寸參數　mm

1.2　蝸輪蝸桿傳動裝置支承結構分析

在傳動結構中蝸輪蝸桿傳動裝置使用率較高，如圖2所示，在該裝置中，兩端支撐結構在設計過程中屬于固定狀態(tài)。從圖中可以看出，箱體軸孔和一端軸承之間通過間隙完成配合，為保證在溫度作用下熱脹冷縮，設計時在端蓋和外圈之間留有一定間隙。軸承具體的游隙量可通過軸承外圈軸向位置的調節(jié)去實現[2]。

圖2　蝸輪蝸桿傳動裝置支撐結構示意圖

有學者在研究后發(fā)現處于常溫條件下已經調節(jié)后的螺桿支撐結構軸向間隙基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，當溫度逐漸下降后，原先調節(jié)后的間隙會逐漸縮小，相應的造成了傳動箱體出現不同程度的變形。軸向間隙會逐漸縮小，甚至影響到正常工作，在這種情況下可根據實際情況將調整墊片予以拆除。上述變化屬于可控范圍內，對于變化較大，調整墊片無法滿足要求時，傳動力矩會進一步增大，相應的傳動精度也會進一步受到影響[3]。

傳動箱體實用的材料為鋁合金，而鋁合金中鋁材料對應的線膨脹系數為2.3×10-5/℃；軸承采用的材料為鋼鐵，對應的線膨脹系數為1.12×10-5/℃；隨著溫度的降低，在收縮變形量方面，箱體會超過軸承、蝸桿，因而箱體可對軸承施加外力作用，使得箱體緊緊與蝸桿相靠近，變形嚴重時可造成卡死，與此同時，軸承外圈彈性引起的彈性收縮會使得原有設置好的間隙變小，間隙變小會增加摩擦力，摩擦力增加可引起阻力矩的增加，這一系列屬于連鎖反應，能夠從多個角度產生不利影響。

1.3　蝸輪軸組件結構分析

蝸輪軸、軸承、蝸輪、偏心端蓋等均屬于蝸輪軸的主要組成，該體系屬于兩端固定支撐結構。其中調整蝸輪蝸桿方面主要依靠偏心端蓋，在實際間隙調整過程中，上下部位的偏心端蓋在同步性方面較差，在不同步的情況下，不僅會使蝸輪蝸桿的接觸面較差，而且還會使蝸輪蝸桿的軸心處于不垂直狀態(tài)，這種變化可造成傳動裝置出現不均勻的力矩，同時伴隨著力矩的增加。在兩端固定支撐結構中，箱體變形也會引起力矩的變化[3]。

綜合以上分析，在溫度變化過程中傳動箱體尺寸會發(fā)生變化，并造成蝸桿徑向間隙以及結構軸向間隙縮小，最終使得阻力矩增加。

2　蝸輪蝸桿傳動裝置支承結構優(yōu)化設計分析

根據上述分析，采用的兩端固定支撐結構存在著隨溫度變化靈活性較差的問題，基于此，對蝸輪蝸桿傳動裝置支承結構進行優(yōu)化設計，具體的將固定支撐結構調整為固定-游動支撐結構，如圖3所示。

圖3　優(yōu)化處理后的蝸桿支撐結構示意圖

從圖中可以看出，優(yōu)化后的蝸桿支撐結構中固定端包括深溝球軸承、推力球軸承以及固定座等。這種設計結構既可以承受徑向荷載，還可以承受雙向軸向荷載。其中固定座采用的材料為鋼件，而鋼件的溫度變化較小，不僅如此，在優(yōu)化后減小了兩個軸向間隙的距離，使得溫度變化對其影響更小，針對溫度較低情況下出現的力矩變大問題，通過對兩個推力球軸承軸向間隙的調節(jié)能夠進行控制，固定座內安裝的推力球還能夠消除低溫條件下箱體變形對軸承產生的作用，采用的軸承為外圈無擋邊的圓柱滾子軸承，保證了軸承內圈和外部之間存在相對移動，這種移動能夠較好的適應箱體在低溫條件下出現的縮小，避免了對整個結構的影響。

根據不同的材料線膨脹系數在計算后，滿足軸向游動條件下，L1位置處的蝸桿游隙為0.2 mm。在箱體內部和軸承外部處于擠壓狀態(tài)時，接觸面積會影響到軸承外周的收縮變形。此時通過對徑向壓強計算后顯示，軸承徑向壓應力在溫度恒定的條件下處于恒定，相應的軸承和箱體外部之間的壓強也是固定的，對應的計算公式為：

式中：D表示設備對應的外部直徑；σ表示軸承徑向壓應力；T表示設備的外殼壁厚。在接觸過程中的壓力值是壓強和接觸面積的乘積，在壓力恒定的情況下，通過減小接觸面積能夠降低壓力作用，壓力的減小有助于減小變形量；在接觸面積減小到50.0%的情況下，對應的軸承變形較小，經過計算后，對應的變形量已經遠遠小于軸承的游隙，保證了傳動可以靈活地運轉[4]。

在上下偏心端蓋不同步這一問題上，由于蝸輪蝸桿的軸心不垂直會造成傳動裝置力矩的變大，針對這一問題，可通過優(yōu)化偏心端蓋得到解決。圖4所示為蝸輪軸組間優(yōu)化示意圖，優(yōu)化設計后的蝸輪組件包括偏心座、蝸輪、蝸輪軸、圓錐滾子軸承等。其中偏心座外圓和內控之間保持的偏心量是σ，其中箱體蝸輪軸孔內安裝外圓，在內孔的兩端安裝蝸輪軸、蝸輪、圓錐滾子軸承，蝸輪蝸桿間隙的控制可通過對偏心座的調整實現，其中的偏心量主要用于出現誤差后的補償。

圖4　蝸輪軸組間優(yōu)化示意圖

3　結論

針對蝸輪蝸桿傳動裝置支承結構在溫度變化較大情況下產生的收縮，通過優(yōu)化設計，將兩端固定調整為固定-游動支撐結構，同時對兩個偏心端使用偏心座進行替代，有效地解決了極低溫度條件下的調轉緩慢問題。

[1]師彩云，周建忠，譚文勝，等.核級閥門電動裝置中蝸輪蝸桿傳動的動態(tài)接觸分析[J].機電一體化，2014（5）：78-79.

[2]劉磊，韋方平.蝸輪蝸桿傳動系統上行超速保護裝置設置的必要性探討[J].機電工程技術，2014（3）：54-55.

[3]張宏兵.基于CATIA軟件平臺蝸輪蝸桿參數化設計[J].機械制造與自動化，2012（3）：112-113.

[4]吳敬，教傳艷，張樹偉.磨床主軸由靜壓軸承支撐改為滾動軸承支撐的設計[J].機床與液壓，2014（8）：79-81.