机械设计第八章蜗杆传动.ppt

第八章蜗杆传动 8 1蜗杆传动的特点及类型 用于传递交错轴之间的运动和动力交错角常为90 蜗杆为主动件 蜗杆可认为是只有一个齿的齿轮 但这个齿很长 被螺旋状地缠绕在一个圆柱上 圆弧面蜗杆 锥蜗杆 蜗杆传动的特点和应用 一 特点 传动比可以很大 i 8 80 若只传递运动 可达1000 结构紧凑 传动平稳 噪声较小 同时啮合的齿数多 可使其具有自锁性 要求螺线升角 当量摩擦角 优点 传动效率较低 一般为0 7 0 8 因发热大 若有自锁性 则 0 5 造价高 蜗轮常用青铜制 缺点 二 分类 阿基米德蜗杆 ZA蜗杆 渐开线蜗杆 ZI蜗杆 法向直廓蜗杆 ZN蜗杆 圆柱蜗杆传动 圆弧面 环面 蜗杆传动 锥面蜗杆传动 锥面包络蜗杆 ZK蜗杆 便于磨削 精度较高 应用日渐广泛 润滑条件较好 效率高 可达0 9以上 承载能力高 比普通圆柱蜗杆高出0 5 1 5倍 体积小 质量小 结构紧凑 已广泛应用于冶金 化工 起重等需要大功率传动的机械设备中 制造较难 ZC蜗杆 同时接触的点数较多 重合度大 传动比范围大 一般为10 360 承载能力和效率较高 侧隙便于控制和调整 能做离合器使用 可节约有色金属 制造安装简单 工艺性好 但由于结构上的原因 传动具有不对称性 因而正反转时受力不同 承载能力和效率也不同 端面齿廓为阿基米德螺线 2 40 可用车刀象车螺纹一样车削 但难磨削 不易得到较高精度 应使刀刃顶面通过蜗杆轴线 3 时用双刀 端面齿廓为渐开线 可用两把直线刀刃的车刀在车床上分别车出左右侧螺旋面 车削加工 刀刃顶面与基圆柱相切 两刀一高一低 也可用滚刀加工 还可在专用机床上磨削 制造精度较高 适用于功率较大的高速传动 端面齿廓为延伸渐开线 故又称延伸渐开线蜗杆 法面齿廓为直线 也是用直线刀刃的单刀或双刀在车床上车削加工 车刀刀刃放在蜗杆齿面的法向位置 较难磨削 是一种非线性螺旋齿面蜗杆 不能在车床上加工 只能在铣床上铣削 在磨床上磨削 加工时 除工件作螺旋运动外 刀具同时绕其自身的轴线作回转运动 这时 铣刀 或砂轮 回转曲面的包络面即为蜗杆的螺旋齿面 I I和N N截面都是曲线 这种蜗杆便于磨削 精度较高 应用日渐广泛 GB T10085 98中推荐采用ZI和ZK蜗杆两种 8 2普通圆柱蜗杆传动主要参数和几何尺寸 一 主要参数 中间平面 通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面 在中间平面上 蜗杆与蜗轮的啮合相当于齿轮与齿条的啮合 设计蜗杆传动时 其尺寸与参数均在中间平面内确定 且沿用齿轮传动的计算公式 1 模数m和压力角 正确啮合条件是 蜗杆轴向模数ma1 蜗轮端面模数mt2 蜗杆轴向压力角 a1 蜗轮端面压力角 t2 ZA蜗杆 阿基米德蜗杆 的 a1 20 其余蜗杆法向压力角 n为标准值20 轴向压力角 a和法向压力角 n的关系为 2 蜗杆头数Z1 蜗轮齿数Z2 传动比i 头数多虽可提高效率 但加工精度越难保证 当传动比i 40或要求自锁时 取Z1 1 蜗杆头数Z1一般取为1 2 4 3 蜗杆分度圆直径d1及直径系数q 为此 制订了蜗杆分度圆直径的标准系列 规定 q 蜗杆直径系数 已标准化 4 导程角 又称螺旋线升角 5 中心距a q越小 越大 传动效率越高 的值常为3 5 27 蜗杆分度圆上的导程角应等于蜗轮分度圆柱上的螺旋角 且旋向也须相同 二 几何尺寸及计算 下表中列出的只是一部分 详细尺寸计算公式见相关书籍和手册 8 3蜗杆传动的失效形式与强度计算 一 失效形式 故 失效常发生于蜗轮轮齿上 主要失效形式有 胶合 点蚀 磨损 二 计算准则 对开式蜗杆传动 载荷变化较大 或Z2 90时 常只按齿根弯曲疲劳强度设计 蜗杆传动摩擦严重 发热大 效率低 对闭式蜗杆传动还需作热平衡计算 以免发生胶合 三 受力分析 蜗杆传动的受力分析与斜齿轮相似 常不考虑摩擦力的影响 圆周力Ft 径向力Fr 轴向力Fa 蜗杆轴向力Fa1方向的确定 左旋蜗杆 左手法则 右旋蜗杆 右手法则 四指方向为旋向 大拇指指向为轴向力方向 Fa1的方向决定了蜗轮旋向 蜗杆圆周力Ft1的方向与转向相反 蜗杆径向力Fr的方向总指向轴心 图11 2蜗轮旋转方向的判定 下列各蜗杆传动均以蜗杆为主动件 请标出蜗轮 或蜗杆 的转向 蜗轮轮齿的旋向及蜗杆 蜗轮受力方向 四 齿面接触疲劳强度计算 与斜齿轮相似 设计公式为 五 齿根弯曲疲劳强度计算 蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度高于斜齿轮的弯曲疲劳强度 只在少数情况下 如强烈冲击 蜗轮为脆性材料或开式传动时 才计算蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度 蜗轮轮齿弯曲强度所限定的承载能力 大都超过了齿面点蚀和热平衡计算时所限定的承载能力 一 刚度计算 8 4蜗杆刚度计算及热平衡计算 以齿根圆直径为基础 刚度条件为 二 热平衡计算 闭式蜗杆传动须进行热平衡计算 设蜗杆输入功率为P KW 效率为 则 单位时间内产生的热流量为 1 1000P 1 自然冷却时经箱体壁散逸到空气中的热流量为 2 d S t0 ta 空气的温度 常温为20 油温 60 70 不超过80 散热面积 内可被油飞溅 外可为空气冷却 散热系数 常取8 17W m2 箱体上散热片的散热面积按50 计 按热平衡条件 应有 1 2 即 1000P 1 d S t0 ta 故最终推得 若超过此值 可采取如下措施 设置散热片 外面 蜗杆轴端加风扇 在箱体油池内装蛇形冷却水管 用循环油 一 材料 8 5蜗杆传动的材料和结构 1 要求 高速重载 采用20Cr 20CrMnTi 渗碳处理至56 62HRC 或40Cr 45 表面淬火到45 55HRC 一般蜗杆 45 40等 调质处理至200 250HBS 低速或人力传动 可不热处理 甚至可用铸铁 所以 常用青铜作蜗轮的齿圈 与淬硬磨削的钢制蜗杆相配 2 蜗杆材料 有足够的强度 良好的减摩耐磨性 良好的抗胶合能力 常为碳钢或合金钢 均应磨削 3 蜗轮材料 重要的高速蜗杆传动中 常用10 1锡青铜 ZCuSn10P1 V 12m s时 可用含Sn低的5 5 5锡青铜 ZCuSn5Pb5Zn5 V 6m s时 可用价廉的10 3铝青铜 ZCuAl10Fe3 或ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 V 2m s时 可用球墨铸铁或灰铸铁 有时还用尼龙做 二 结构 1 蜗杆结构 因直径小 常与轴制成整体 称为蜗杆轴 无退刀槽 齿部只能用铣削的方法 有退刀槽 齿部可车可铣 但该结