蝸齒輪及其潤滑(上)
2006-11-05
蝸齒輪及其潤滑(上)
吳世榮
在動力傳送裝置中，蝸輪齒輪組的作用簡單而有效，是應用上主要的角色，經常被選用來傳送動力，而適合的潤滑油是展現這些高效能齒輪設備最重要的參數。
蝸輪齒輪組的特點：
．蝸輪齒輪箱常用於高減速比和較小空間設置的工作條件。
．以相同的減速比而言，蝸輪齒輪箱的體積遠小於正/螺旋齒輪箱。
．一般而言，蝸輪齒輪箱的造價成本較其他的齒輪減速系統，如正齒輪和螺旋齒輪為便宜，尤其是在高減速比的設計要求上更為明顯。
蝸輪齒輪箱主要是以蝸桿和蝸輪組成，蝸桿是以經過研磨拋光加工的表面硬化合金鋼材作成，蝸輪則是以磷青銅（銅錫合金）的材質為主。
↑底置式蝸桿齒輪箱
當青銅材質的蝸輪旋轉一圈時，蝸桿齒輪需旋轉許多圈，所以蝸桿可能產生磨損的機會遠遠大於青銅材質的蝸輪。為了減少磨損的產生，蝸桿齒輪用表面硬化的鋼材所製成，而蝸輪則用較軟的磷青銅所製成。
蝸輪齒輪組的運轉：
蝸桿齒輪的旋轉方向和傳送動力的蝸輪旋轉方向成直角，其兩齒面囓合接觸的時候幾乎完全是滑動接觸的產生。高滑動力量產生大量的摩擦力，所以蝸輪齒輪箱操作時的溫度往往都比正齒輪及螺旋齒輪為高。蝸輪齒輪組運轉時其產生的條件狀況說明如下：
．通常青銅製的蝸輪的磨損較高，齒輪壽命較短。
．因為高滑動摩擦而致使運轉溫度較高。
．相同的動能輸出，蝸輪齒輪齒輪箱的溫度較高。因為蝸輪的齒輪箱設計較小，傳導及對流的冷卻效能較差。
．比起標準齒輪箱如正/螺旋齒輪箱而言，蝸輪齒輪組的熱及機械效率較低。為了改善齒輪箱設計較小的散熱不良問題，蝸輪齒輪箱的外殼設計了鰭片來增加冷卻的表面積。有些則在驅動軸的非動力輸入端設置冷卻風扇來強化冷卻效果。
蝸輪齒輪組的潤滑問題：
蝸輪齒輪組運轉時，齒輪間接觸的壓力較螺旋/正齒輪相對小了許多，所以彈性液動潤滑（EHL）對蝸輪齒輪組而言並不適用。蝸輪齒輪組的運轉其產生的潤滑條件不甚理想，因為其齒輪囓合時的滑動接觸和蝸輪的轉動方向成直角，所以要維持液動潤滑油楔極為困難，因而造成齒輪間的運轉一直處在邊界（薄膜）潤滑的狀態。油膜在進入齒輪開始囓合點時呈現最厚的油膜，而結束離開時則是變成最薄的油膜。
綜合這些稀薄油膜的狀況，相當高的滑動接觸及油膜剪力率，會產生相對應的高摩擦力因素。這些摩擦因素造成接觸區域極高的溫度，所以潤滑油的黏度在這些高溫處也受到很大的考驗。
高品質的蝸輪齒輪組潤滑油最重要的特性為：
．在邊界潤滑條件下，保有強韌的油膜以避免油膜破裂傷害輪齒表面。
．具有高黏度指數，以期在齒輪囓合的高溫下能維持良好的油膜。
．優異的氧化穩定性。
所以正確的選用蝸輪齒輪潤滑油，對於確保最佳的運轉效益十分重要。接下來，說明各類型的潤滑油用於蝸輪齒輪組的優缺點，供作選擇潤滑油品的參考。
複合油
傳統上汽缸油是複合了動物油脂或脂肪酸以提供優異的薄膜潤滑特性，一般常被指定用在蝸輪齒輪組的潤滑應用上。Mobil 600W Super Cylinder Oil這類型的油品就是符合這些要求的產品。早先這類型潤滑油的研發是為了潤滑蒸汽泵和蒸汽引擎的汽缸，其原始配方含有抹香鯨油，來提供濕蒸汽環境下優異的潤滑效果。這些添加劑成分用於蝸輪齒輪組的潤滑上也同樣顯現了優異的邊界潤滑特性。隨著產品的持續發展，近年來，抹香鯨油已不被用來作為這類油品的複合劑，取而代之的是植物衍生物的利用。然而這些替代性的脂肪酸複合劑在蝸輪齒輪組上的潤滑應用效果並不好。雖然在蝸輪齒輪組的應用上，它的效能比起非複合型的礦物油並無更出色的表現，但基於過去長期使用的記錄和傳統習慣，大部分的使用者都能接受並沿用它來潤滑蝸輪齒輪。總之，在蝸輪齒輪組建議使用ISO 460的非極壓型油品之處，Mobil 600W Super Cylinder Oil這類型的油品是可以考慮的選項。只不過隨著老式的蒸汽引擎的逐漸淘汰消失，這類型的複合油應用的場合也隨之減少了。
硫磷系極壓型齒輪油
正齒輪和螺旋齒輪箱傳統上都指定極壓齒輪油來作潤滑。而這類型齒輪油所使用的極壓添加劑基本上是硫磷系的表面活性劑。當正齒輪或螺旋齒輪囓合時，輪齒在節線上下的滑動接觸會出現瞬間的金屬和金屬接觸，當這類型接觸發生時，輪齒會因局部過熱產生熔接及撕裂齒面的狀況。硫磷系極壓添加劑的功能是在兩滑動表面的高溫處形成一快速鍵結來避免金屬熔接，且減少輪齒的磨損。
蝸輪齒輪箱的應用中，鋼質的蝸桿和青銅材質的蝸輪是處於較低的接觸壓力，且因無鋼質和鋼質間的熔接，所以硫磷極壓添加劑在鋼質的蝸桿和青銅的蝸輪間的滑動作用中並無多大的保護效用。
總之，傳統的工業用齒輪油所使用的極壓添加劑並無法展現對蝸輪齒輪潤滑的效能，甚至無法避免蝸輪齒輪的磨損。
硫磷系齒輪油的一項特性是這些添加劑對於油品的氧化抑制性會有負面的影響。也就是說，硫磷系的油品在溫度上升的工作狀況下，其使用操作壽命比不含硫磷系添加劑的油品較短。
使用硫磷系的配方還有另一個顧慮，就是對青銅材質的蝸輪造成的腐蝕問題。但很有意思的是，縱使有許多的不太適用的實證和理論說明，還是有些製造廠家仍建議硫磷系油品用於蝸輪齒輪的潤滑；當然有許多人也一直是以這樣的潤滑使用方式，一部分是原廠建議的影響，而另一方面，也可能是為了方便潤滑整合的目的。
注意：蝸輪的齒輪箱裡頭，如果使用止輪墊單向離合器（Sprag Clutch backstop），則不能使用極壓型齒輪油。
（下期續）