EDM-淺談蝸輪蝸桿的傳動及材質選擇｜為何選擇KHK蝸輪蝸桿？

淺談蝸輪蝸桿的傳動及材質選擇｜為何選擇KHK蝸輪蝸桿？

 

先前有個客戶與我們分享回饋，表示KHK蝸輪的材質大多為「鋁青銅」製，其硬度較高、壽命長、耐磨性能優異，因此才願意選擇購買KHK。

我們相信這就是KHK的蝸輪如此受到客戶青睞的原因之一。
這個月就讓KHK淺談蝸輪蝸桿的傳動及材質選擇吧。

什麼是蝸輪蝸桿？
蝸輪蝸桿是個高減速比、高力矩，傳動效率低、卻可傳動大負荷的齒輪。

 

□ 論蝸輪蝸桿傳動效率

任何機械運動均伴隨著一些損耗，當然齒輪的運轉也不例外。這些損耗大多為摩擦損耗，如軸承的摩擦、潤滑油料的黏度及攪拌損耗，以及齒輪本身齒面的摩擦損耗。由於軸承的摩擦及潤滑油脂的攪拌損耗，不易獲得其損耗數據，現站在齒輪的立場，單就齒輪本身齒面的摩擦損耗來討論。

由於一般的正齒輪、螺旋齒輪、傘形齒輪，其傳動效率皆在95%以上，如果齒面再加以研磨，則傳動效率甚至可高達99%，因此可計較或討論的範圍不大。

但是，蝸輪蝸桿組的傳動其傳動效率，根據裝配、負荷、潤滑、轉速、齒面光滑度、材質、導程角、牙數的不同，由最低的30%到最高的90%不等。可參考以下常用的蝸輪蝸桿組傳動效率計算式：

1. 減速場合（由蝸桿帶動蝸輪）的效率%：
   
   或
   

2. 增速場合（由蝸輪帶動蝸桿）的效率%：
   
   或
   

其中
α_n：齒直角壓力角
γ₀：蝸桿之導程角
μ：完全潤滑時之摩擦係數，可由下頁滑動速率與摩擦係數之關係圖求得，圖中之橫軸表蝸桿之滑動速率，縱軸表摩擦係數。

而蝸桿之滑動速率U_s(m/s)，可由下式算得。

其中
d₀₁：蝸桿之節圓直徑 (mm)
n₁：蝸桿之回轉速率 (rev/min，rpm)

 

 

 

本圖為滲碳熱處理之研磨齒面蝸桿與青銅質蝸輪組合運轉之滑動速率-摩擦係數關係圖。若為他種材質之配合，則所求得之摩擦係數，應再乘以下表之倍數後才得以使用。

各種材料的組合及其摩擦係數 µ

材料的組合		µ 值
蝸桿	蝸輪
鑄鐵 鑄鐵 淬火鋼 鋼	青銅 鑄鐵 鋁 鋼	圖中摩擦係數的 1.15 倍 圖中摩擦係數的 1.33 倍 圖中摩擦係數的 1.33 倍 圖中摩擦係數的 2.0 倍

 

 

□ 論蝸輪蝸桿材質

蝸桿蝸輪是以摩擦滑動的配合來傳導動力，效率只有50%～70%左右，所發的熱量相當大。當接觸面壓力過大時再加上高溫，會使相同材料間熔點降低並使之融合，接著在接觸面離開時，會使得剛才的融合部位撕裂開來，容易造成齒面的損傷。如果是使用相同材質蝸桿與蝸輪的話，融着作用更為顯著，容易造成齒面的磨損或損壞，因此我們不建議使用與蝸桿相同的材質，蝸輪要使用質地比蝸桿軟且摩擦係數又低的材料。

若使用相異的材質，會使這種「融合--撕裂」的可能性大大降低，其標準配合是：蝸桿（鋼質），蝸輪（銅質，摩擦係數低又容易散熱，或鑄鐵）

又，KHK的蝸輪材質多為「鋁青銅」製作。鋁青銅（AlBC2）和磷青銅（PBC2）二者強度相近，但鋁青銅比磷青銅來得硬，為銅鋁系合金，有良好的機械性質、耐磨耗性、耐蝕性及耐疲勞性都好，適用於化工、車輛、船舶、飛機等機器之零件。磷青銅添加磷以提高其硬度和耐磨耗性，其延展性比鋁青銅佳，相較之下磷青銅比鋁青銅可耐叫高的滑動速率^(註)，不過純正的磷青銅較難製作。

另外，蝸桿蝸輪在使用上一定要注意潤滑油的選用，用對油品對蝸桿蝸輪的壽命有相當大的幫助。

(註) JGMA 405-01 蝸輪齒輪之強度計算中蝸輪之容許應力係數 Sclim

蝸輪的材料	蝸桿的材料	SC lim	溶着之滑動速度界限 m/s
磷青銅離心鑄造品	合金鋼滲碳淬火	1.55	30
	合金鋼 HB400	1.34	20
	合金鋼 HB250	1.12	10
磷青銅急冷鑄件	合金鋼滲碳淬火	1.27	30
	合金鋼 HB400	1.05	20
	合金鋼 HB250	0.88	10
磷青銅砂模鑄件或其 鍛造品	合金鋼滲碳淬火	1.05	30
	合金鋼 HB400	0.84	20
	合金鋼 HB250	0.70	10
鋁青銅	合金鋼滲碳淬火	0.84	20
	合金鋼 HB400	0.67	15
	合金鋼 HB250	0.56	10
黃銅	合金鋼 HB400	0.49	8
	合金鋼 HB250	0.42	5
片狀石墨高強度鑄鐵	同左，但要求比蝸 輪有更高的硬度	0.70	5
普通鑄鐵(波來鐵)	磷青銅鑄造或鍛造	0.63	2.5
	同左，但要求比蝸 輪有更高的硬度	0.42	2.5