孫翠娥

（江蘇省靖江中等專業(yè)學(xué)校， 江蘇　靖江　214500）

引言

零下40℃條件下傳動(dòng)裝置的調(diào)轉(zhuǎn)過程十分緩慢。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，對(duì)電機(jī)和傳動(dòng)裝置連接位置機(jī)動(dòng)軸力矩進(jìn)行測(cè)定，從常溫狀態(tài)以及低溫狀態(tài)分別進(jìn)行具體的檢測(cè)，結(jié)果顯示，常溫狀態(tài)下的軸力矩要大于低溫狀態(tài)下，進(jìn)一步檢查和檢測(cè)后表明，自身阻力矩的增加是造成傳動(dòng)裝置調(diào)轉(zhuǎn)較慢的重要因素，因而可對(duì)原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dòng)裝置支承結(jié)構(gòu)及其受力情況分析

1.1　箱體變形分析

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

根據(jù)檢測(cè)后的結(jié)果，從表中可以看出，-40℃條件下相對(duì)于常溫18℃，除了L3增加外，其余各項(xiàng)尺寸參數(shù)均發(fā)生明顯降低，也就是說在低溫條件下，傳動(dòng)裝置外部保護(hù)箱體的尺寸會(huì)縮小，在縮小過程中會(huì)對(duì)軸承的軸向以及徑向產(chǎn)生壓力，促使摩擦力增加，在摩擦力增加的情況下，傳動(dòng)裝置對(duì)應(yīng)的阻力矩也會(huì)增加。

圖1　傳動(dòng)裝置外部箱體結(jié)構(gòu)示意圖

表1　不同溫度條件下傳動(dòng)箱體尺寸參數(shù)　mm

1.2　蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置支承結(jié)構(gòu)分析

在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置使用率較高，如圖2所示，在該裝置中，兩端支撐結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)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(diào)節(jié)去實(shí)現(xiàn)[2]。

圖2　蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置支撐結(jié)構(gòu)示意圖

有學(xué)者在研究后發(fā)現(xiàn)處于常溫條件下已經(jīng)調(diào)節(jié)后的螺桿支撐結(jié)構(gòu)軸向間隙基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)溫度逐漸下降后，原先調(diào)節(jié)后的間隙會(huì)逐漸縮小，相應(yīng)的造成了傳動(dòng)箱體出現(xiàn)不同程度的變形。軸向間隙會(huì)逐漸縮小，甚至影響到正常工作，在這種情況下可根據(jù)實(shí)際情況將調(diào)整墊片予以拆除。上述變化屬于可控范圍內(nèi)，對(duì)于變化較大，調(diào)整墊片無法滿足要求時(shí)，傳動(dòng)力矩會(huì)進(jìn)一步增大，相應(yīng)的傳動(dòng)精度也會(huì)進(jìn)一步受到影響[3]。

傳動(dòng)箱體實(shí)用的材料為鋁合金，而鋁合金中鋁材料對(duì)應(yīng)的線膨脹系數(shù)為2.3×10-5/℃；軸承采用的材料為鋼鐵，對(duì)應(yīng)的線膨脹系數(shù)為1.12×10-5/℃；隨著溫度的降低，在收縮變形量方面，箱體會(huì)超過軸承、蝸桿，因而箱體可對(duì)軸承施加外力作用，使得箱體緊緊與蝸桿相靠近，變形嚴(yán)重時(shí)可造成卡死，與此同時(shí)，軸承外圈彈性引起的彈性收縮會(huì)使得原有設(shè)置好的間隙變小，間隙變小會(huì)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(yīng)，能夠從多個(gè)角度產(chǎn)生不利影響。

1.3　蝸輪軸組件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。其中調(diào)整蝸輪蝸桿方面主要依靠偏心端蓋，在實(shí)際間隙調(diào)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(huì)使蝸輪蝸桿的接觸面較差，而且還會(huì)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(dòng)裝置出現(xiàn)不均勻的力矩，同時(shí)伴隨著力矩的增加。在兩端固定支撐結(jié)構(gòu)中，箱體變形也會(huì)引起力矩的變化[3]。

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

2　蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置支承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

根據(jù)上述分析，采用的兩端固定支撐結(jié)構(gòu)存在著隨溫度變化靈活性較差的問題，基于此，對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體的將固定支撐結(jié)構(gòu)調(diào)整為固定-游動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3　優(yōu)化處理后的蝸桿支撐結(jié)構(gòu)示意圖

從圖中可以看出，優(yōu)化后的蝸桿支撐結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(gè)軸向間隙的距離，使得溫度變化對(duì)其影響更小，針對(duì)溫度較低情況下出現(xiàn)的力矩變大問題，通過對(duì)兩個(gè)推力球軸承軸向間隙的調(diào)節(jié)能夠進(jìn)行控制，固定座內(nèi)安裝的推力球還能夠消除低溫條件下箱體變形對(duì)軸承產(chǎn)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(nèi)圈和外部之間存在相對(duì)移動(dòng)，這種移動(dòng)能夠較好的適應(yīng)箱體在低溫條件下出現(xiàn)的縮小，避免了對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)不同的材料線膨脹系數(shù)在計(jì)算后，滿足軸向游動(dòng)條件下，L1位置處的蝸桿游隙為0.2 mm。在箱體內(nèi)部和軸承外部處于擠壓狀態(tài)時(shí)，接觸面積會(huì)影響到軸承外周的收縮變形。此時(shí)通過對(duì)徑向壓強(qiáng)計(jì)算后顯示，軸承徑向壓應(yīng)力在溫度恒定的條件下處于恒定，相應(yīng)的軸承和箱體外部之間的壓強(qiáng)也是固定的，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為：

式中：D表示設(shè)備對(duì)應(yīng)的外部直徑；σ表示軸承徑向壓應(yīng)力；T表示設(shè)備的外殼壁厚。在接觸過程中的壓力值是壓強(qiáng)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(duì)應(yīng)的軸承變形較小，經(jīng)過計(jì)算后，對(duì)應(yīng)的變形量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸承的游隙，保證了傳動(dòng)可以靈活地運(yùn)轉(zhuǎn)[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(huì)造成傳動(dòng)裝置力矩的變大，針對(duì)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(shè)計(jì)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(nèi)控之間保持的偏心量是σ，其中箱體蝸輪軸孔內(nèi)安裝外圓，在內(nèi)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(duì)偏心座的調(diào)整實(shí)現(xiàn)，其中的偏心量主要用于出現(xiàn)誤差后的補(bǔ)償。

圖4　蝸輪軸組間優(yōu)化示意圖

3　結(jié)論

針對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置支承結(jié)構(gòu)在溫度變化較大情況下產(chǎn)生的收縮，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，將兩端固定調(diào)整為固定-游動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)兩個(gè)偏心端使用偏心座進(jìn)行替代，有效地解決了極低溫度條件下的調(diào)轉(zhuǎn)緩慢問題。

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

[2]劉磊，韋方平.蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)上行超速保護(hù)裝置設(shè)置的必要性探討[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014（3）：54-55.

[3]張宏兵.基于CATIA軟件平臺(tái)蝸輪蝸桿參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)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(dòng)軸承支撐的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2014（8）：79-81.