第九章 蜗杆传动.ppt

第九章蜗杆传动 第一节蜗杆传动的特点和类型 第二节蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算 第三节蜗杆传动精度 失效形式和设计准则 第四节蜗杆与蜗轮的材料及结构 第五节蜗杆传动的强度计算 第六节蜗杆传动的效率 润滑和热平衡 第七节蜗杆传动的装配 知识目标 了解蜗杆传动的组成 类型 特点和应用场合 掌握蜗杆传动的基本参数 正确啮合条件和基本几何尺寸计算 明确蜗杆传动的失效形式和设计准则 掌握蜗杆传动的受力分析 强度计算及热平衡计算 能力目标 能计算蜗杆传动的几何尺寸 能进行蜗杆传动的设计计算 能正确装配蜗杆传动 观察与思考 思考这个系统中哪个部分是工作核心 思考蜗杆传动是怎样达到减速目的达到 观察蜗杆与螺杆 蜗轮与斜齿轮的异同 如何安装才能达到减速器的工作要求 蜗杆传动的组成 动画演示 用以传递空间两交错轴之间的回转运动和动力 通常两轴交错角为90 蜗杆传动广泛应用在机床 汽车 仪器 起重运输机械 冶金机械以及其它机械制造部门中 最大传动功率可达200kW 通常用在50kW以下 一般以蜗杆为主动件 第一节蜗杆传动的特点和类型 一 蜗杆传动的特点 1 传动比大 传递动力时 i 8 80 传递运动时 i 1000 2 结构紧凑 3 传动平稳 噪声小 4 可制成具有自锁性的蜗杆当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时 蜗杆传动具有自锁性 即蜗杆只能带动蜗轮转动 而蜗轮不能带动蜗杆5 效率较低 一般只有0 7 0 8 自锁时只有0 4 6 蜗轮造价较高 二 蜗杆传动的类型 1 按蜗杆形式分 圆柱蜗杆传动 锥蜗杆传动 环面蜗杆传动 运动演示 结构 运动演示 结构 运动演示 结构 阿基米德蜗杆 应用最广泛 2 圆柱面蜗杆按螺旋面形状分 刀具加工位置不同 渐开线蜗杆 3 按蜗杆头数 蜗杆螺旋线的数目 分 多头蜗杆 相反 4 按旋向分 右旋 一般采用右旋 第二节蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算 通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面称为中间平面 对于阿基米德蜗杆传动 在中间平面上 相当于齿条与齿轮的啮合传动 所以设计计算都以中间平面的参数和几何关系为准 并沿用圆柱齿轮传动的计算关系 一 蜗杆传动的主要参数及其选择 蜗杆的轴向模数ma1 轴向压力角 a1 蜗轮的端面模数mt2 蜗轮 t2 齿顶高系数ha1 顶隙系数ct2 为标准值 标准模数m 查表 标准压力角 20o 标准齿形齿顶高系数ha 1 顶隙系数c 0 2 国家标准规定 蜗杆传动在中间平面上的参数为标准参数 即 1 蜗杆传动的标准参数 2 传动比i 蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2 当蜗杆转一周时 蜗轮将转z1个齿 即z1 z2周 所以 蜗杆传动的传动比为 2 蜗杆头数z1 主要根据传动比和要求的效率来确定 通常为1 2 4 6 当传动比大于40或要求自锁时 取z1 1 当传递功率较大时 为提高传动效率 减少能量损失 常取z1 2 4 蜗杆头数越多 加工精度越难保证 1 传动比i 3 蜗轮齿数z2 由z2 iz1计算确定 通常情况下取z2 28 80 若z2 28 容易产生根切 并使传动的平稳性降低 若z2过大 蜗轮直径增大 与之相应蜗杆的长度增加 刚度减小 从而影响啮合的精度 z1 z2可根据传动比i参照表选取 3 蜗杆直径系数q和蜗杆导程角 蜗杆分度圆直径d1 因蜗杆与加工蜗轮的滚刀中圆直径相同 但m一定时 由于z1和 的变化 d1是变化的 即需要配备很多加工蜗轮的滚刀 为限制滚刀数量 取d1为标准值 且与模数相匹配 直径系数q 蜗杆分度圆直径d1与模数的比值 蜗杆分度圆柱上的导程角 导程角 取决于Z1和q值 当q一定时 蜗杆头数增大 则导程角增大 传动效率高 当Z1一定时 q增大则导程角减小 传动效率下降 但蜗杆直径增大 刚度提高 当传递动力时 要求效率高 常取 15 30 此时应采用多头蜗杆 当要求蜗杆传动具有自锁性时 通常采用 3 30 的单头蜗杆 二 蜗杆传动的正确啮合条件 ma1 mt2 m a1 t2 20 2 蜗轮的螺旋角 三 蜗杆传动的几何尺寸计算 蜗杆传动图 第三节蜗杆传动精度 失效形式和设计准则 一 蜗杆传动精度 国标GB10089 88对圆柱蜗杆传动规定了12个精度等级 1级精度最高 其余等级依次降低 12级精度最低 6 9级精度应用最多 二 齿面间滑动速度 相对滑动速度vs的大小 蜗杆与蜗轮啮合时 由于C处 蜗杆上C 节点 的圆周速度v1与蜗轮上C的圆周速度v2方向不同 v1与v2相互垂直 所以齿面间有较大的相对滑动 较大的VS引起 齿面容易发热 磨损和胶合 使润滑油温度升高而变稀 润滑条件变差 传动效率降低 三 蜗杆传动的失效形式 与齿轮传动类似 点蚀 胶合 磨损 折断 vs 发热 主要失效形式为 胶合 磨损 点蚀 蜗轮强度较弱 失效主要发生在蜗轮上 过度磨损 胶合 闭式传动 按齿面接触疲劳强度设计 按齿根弯曲疲劳强度校核并进行热平衡验算 如果载荷平稳 无冲击 可不校核齿根弯曲疲劳强度 只按齿根弯曲疲劳强度设计 当蜗杆轴支承跨距较大时 应进行蜗杆轴刚度计算 四 设计准则 开式传动 一 材料 第四节蜗杆与蜗轮的材料及结构 1 足够的强度 2 良好的减摩 耐磨性 3 良好的抗胶合性 对材料要求 2 蜗杆 碳钢 合金钢 硬齿面蜗杆 首选淬火 磨削 软齿面蜗杆 调质缺少磨削设备时选用 蜗轮 指齿冠部分材料 减摩材料 铸铝青铜 vs 10m s 抗胶合能力差 铸铝黄铜 抗点蚀能力强 耐磨性差 用于vs小场合 HT QT vs 2m s 常采用青铜做蜗轮齿圈与淬硬磨削的钢制蜗杆相配 二 蜗杆与蜗轮结构 1 蜗杆 与轴一体 车制 需有退刀槽 铣制 镶铸式蜗轮 只用于成批制造的蜗轮 整体浇注式 主要用于铸铁蜗轮或直径小于100mm的青铜蜗轮 2 蜗轮 齿圈压配式 用于尺寸不太大或工作温度变化较小的场合 螺栓联接式 用于尺寸较大或磨损后需更换蜗轮齿圈的场合 第五节蜗杆传动的强度计算 一 蜗轮的转向判定 蜗杆与蜗轮的转向关系可用 左 右 手定则判定 左 右 手定则 当蜗杆为右旋时使用右手 左旋时用左手 四个指拇顺蜗杆转向 握住 其轴线 则大拇指的反方向即为蜗轮的转向 二 蜗杆传动的受力分析 轴向力 蜗杆主动 啮合效率 忽略摩擦法向力Fn可分解为三个相互垂直的分力 径向力 各分力方向 Fr 指向各自轮心 蜗杆与n1反向 蜗轮与n2同向 蜗杆 左 右手定则 蜗轮 三 蜗轮齿面接触疲劳强度计算 钢制蜗杆对青铜或铸铁蜗轮的齿面接触疲劳强度的校核公式为 设计公式为 H 蜗轮材料的许用接触应力 MPa 查表 式中K 载荷系数 用来考虑载荷集中和动载荷的影响 可取K 1 1 4 当载荷平稳 vs 3m s 7级以上精度时取小值 否则取大值 T2 蜗轮转矩 N mm T2 T1i 第六节蜗杆传动的效率 润滑和热平衡 一 蜗杆传动的效率 闭式蜗杆传动的效率包括 啮合效率 1 轴承效率 2和搅油效率 3 1 2 3 啮合效率 1 当 在一定范围内 传动效率随 的增大而增大 多头蜗杆的 角较大 故一般多采用多头蜗杆 但如果 角过大 蜗杆的加工较困难 且当 27 时 效率增加较慢 因此一般取 27 初步计算时 蜗杆传动的效率可近似取下列数值 闭式传动 当z1 1时 0 7 0 75 当z1 2时 0 75 0 82 当z1 4时 0 82 0 92 开式传动 当z1 1 2时 0 60 0 70 二 蜗杆传动的润滑 目的 1 提高效率 2 降低温升 防止磨损和胶合 1 闭式蜗杆传动润滑油粘度及给油方法 对闭式蜗杆传动采用油池润滑时 上置式蜗杆传动的浸油深度约为蜗轮外径的1 3 下置式蜗杆传动的浸油深度为蜗杆的一个齿高 2 开式蜗杆传动 常采用粘度较高的齿轮油或润滑脂进行润滑 三 蜗杆传动热平衡计算 润滑油在齿面间被稀释 加剧磨损和胶合 效率低 发热大 温升高 润滑油粘度下降 原因 蜗杆传动单位时间的发热量 经箱体散发热量的相当功率 达到热平衡时Q1 Q2 式中 传动效率 P1 蜗杆传动传递的功率 KW Ks 散热系数 W m2 Ks 10 17W m2 周围通风良好时 取偏大值 A 散热面积 m2 t0 环境温度 一般取20 t1 润滑油的工作温度 t1 润滑油许用温度 一般取70 90 如果工作温度超过许用温度 应采取措施 3 在箱体油池内装蛇形冷却水管 1 在箱体外表面设置散热片以增加散热面积A 2 在蜗杆轴上安装风扇以提高表面散热系数 4 采用循环油冷却 例 试设计一由电动机驱动的闭式蜗杆传动 蜗杆输入功率为P1 5 5kW 转速为n1 1450r min 传动比i 24 载荷平稳 单向回转 预期使用寿命为17000h 估计散热面积为A 1 4m2 解 蜗杆 因传递的功率不大 查材料表 采用45钢 表面淬火 硬度45 55HRC 1 选择材料 确定其许用应力 蜗轮 因转速较高 采用抗胶合能力好的材料 查材料表 锡青铜ZCuSn10P1 砂型铸造 查许用接触应力表 蜗轮材料的基本许用接触应力 H 200MPa 2 确定蜗杆头数及蜗轮齿数查表 按传动比i 24 取z1 2 z2 24 2 48 3 确定作用在蜗轮上的转矩 查表 取 0 82 则 N mm 4 按齿面接触疲劳强度计算 取载荷系数K 1 2 则 mm3 查表 选取m2d1 2500 47mm3 m 6 3mm d1 63mm q 10 5 计算蜗杆导程角 6 计算相对滑动速度vs 选择精度等级 按表9 4 选用8级精度 8 热平衡计算取室温t0 20 散热系数Ks 15W m2 则油温为 10 绘制蜗杆 蜗轮零件工作图 略 7 计算主要几何尺寸分度圆直径d1 63mmd2 mz2 6 3 48 302 4mm中心距 mm其余各部分尺寸计算略 第七节蜗杆传动的装配 一 蜗杆传动的装配顺序 1 将蜗轮装配在轴上 装配与检查方法与圆柱齿轮装配相同 其径向及端面跳动的允许值也与圆柱齿轮的要求相同 2 把蜗轮组件装入箱体 3 装入蜗杆 蜗杆轴线位置由箱体安装孔保证 蜗轮的轴向位置可通过改变垫圈厚度调整 二 蜗杆传动装配的技术要求 1 蜗杆轴心线与蜗轮轴心线必须相互垂直 且蜗杆轴心线应在蜗轮轮齿的对称平面 中间平面 内 2 蜗轮与蜗杆之间的中心距要正确 以保证有适当的啮合侧隙和正确的接触斑点 3 蜗杆传动机构工作时应转动灵活 蜗轮在任意位置时旋转蜗杆手感应相同 无卡滞现象 三 蜗杆传动装配后的检查与调整 装配时可能产生的偏差 两轴线的交角偏差 中心距偏差 蜗轮中间平面与蜗杆轴线的偏移 1 蜗轮与蜗杆轴线交角和中心距的检查 再将摇杆3的一端套在芯轴2上 而另一端固定一个千分表4 如果两轴线互相垂直 则千分表在m和n点读数应该相同 当m和n点间的距离为L mm 而千分表在两点的读数差值为 mm 时 则在1m长度上交角的偏差值 垂直度 为 不能超过交角极限偏差 1 蜗轮与蜗杆轴线交角和中心距的检查 方法2用样板检查 用塞尺测出K值 则两轴之间的中心距 用内径千分尺来测量内径 此时中心距 2 蜗轮中间平面偏移量的检查 将样板的一边轮流紧靠在蜗轮两侧的端面上 然后用塞尺测量样板与蜗杆之间的间隙 若两侧所测得的间隙值相等 则说明蜗轮中间平面没有偏移 即装配正确 先将钢丝线挂在蜗杆上 然后用塞尺或其他测量工具测量钢丝线与蜗轮两侧端面之间的间隙 3 啮合侧隙的检查 用千分表直接测量蜗轮的侧隙 千分表的量头直接接触在蜗轮轮齿表面 并与齿面相垂直 然后使蜗杆固定不动 微微地左右转动蜗轮 便可以从千分表上直接读出蜗轮与蜗杆齿面之间的啮合侧隙 4 啮合接触面积的检查 检查时 先在蜗杆的工作面上涂上薄薄的一层颜色 然后使之与蜗轮啮合 并慢慢地正反转动蜗杆数次 这时 在蜗轮的齿面上就有斑点 5 转动灵活性检查 蜗杆传动装配完毕后 需检查其转动的灵活度 是蜗轮处于任何位