第11章蜗杆传动机械设计.ppt

第11章蜗杆传动 蜗杆传动概述 11 1蜗杆传动的类型 11 2普通蜗杆传动的参数与尺寸 11 3普通蜗杆传动的承载能力计算 11 6圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计 11 5蜗杆传动的效率 润滑和热平衡计算 1 蜗杆传动概述 作用 用于传递交错轴之间的回转运动和动力 蜗杆主动 蜗轮从动 90 形成 若单个斜齿轮的齿数很少 如z1 1 而且 1很大时 轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋 所得齿轮称为 蜗杆 而啮合件称为 蜗轮 2 改进措施 将刀具做成蜗杆状 用范成法切制蜗轮 所得蜗轮蜗杆为线接触 优点 传动比大 结构紧凑 传动平稳 噪声小 分度机构 i 1000 通常i 8 80 缺点 传动效率低 蜗轮齿圈用青铜制造 成本高 3 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆 11 1蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 环面蜗杆 锥蜗杆 锥蜗杆传动中 蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋形成的 而蜗轮在外观上就像一个曲线锥齿轮 它是用与锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机加工而成的 4 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11 1蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用直线刀刃的车刀切制而成 车刀安装位置不同 加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同 5 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11 1蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆 圆弧圆柱蜗杆传动与普通圆柱蜗杆传动的区别仅是加工用的车刀为圆弧刀刃 传动特点 1 传动效率高 一般可达90 以上 2 承载能力高 约为普通圆柱蜗杆的1 5 2 5倍 3 结构紧凑 6 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11 1蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 阿基米德蜗杆 单刀加工 阿基米德蜗杆 ZA 7 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11 1蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 阿基米德蜗杆 ZA 阿基米德蜗杆 双刀加工 8 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11 1蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 渐开线蜗杆 ZI 渐开线蜗杆 9 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11 2蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 法向直廓蜗杆 ZN 10 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11 1蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 法向直廓蜗杆 ZN dx 延伸渐开线 车刀对中齿槽中心法面 11 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11 1蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 ZK 是一种非线性螺旋齿面蜗杆 不能在车床上加工 只能铣削或磨削 加工时工件作螺旋运动 刀具作旋转运动 12 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11 1蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 环面蜗杆传动特点 1 传动效率高 一般可达85 90 2 承载能力高 约为阿基米德蜗杆的2 4倍 3 要求制造和安装精度高 13 类型 环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11 1蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 锥蜗杆传动特点 1 同时接触的点数较多 重合度大 2 传动比范围大 一般为10 360 3 承载能力和传动效率高 4 可节约有色金属 5 侧隙便于控制和调整 6 能做离合器使用 7 制造安装简便 工艺性好 14 二 蜗杆传动类型选择的原则 1 重载 高速 要求效率高 精度高的重要传动 可选用圆弧圆柱蜗杆 ZC蜗杆 传动或包络环面蜗杆传动 2 传动效率高 蜗杆不磨削的大功率传动 可选用环面蜗杆 3 高速 要求精密 蜗杆头数多的传动 且要求加工工艺简单 可选用渐开线圆柱蜗杆 ZI蜗杆 或法向直廓蜗杆 ZN蜗杆 传动 4 载荷较小 速度较低 精度要求不高或不太重要的传动 要求蜗杆加工简单时 可选用阿基米德圆柱蜗杆 ZA蜗杆 传动 5 要求自锁的低速 轻载的传动 可选用单头阿基米德圆柱蜗杆 ZA蜗杆 传动 根据各种蜗杆传动的特点 考虑传动的要求和使用条件 从满足功能要求出发 合理选择蜗杆的类型 15 1 正确啮合条件 中间平面 过蜗杆轴线垂直于蜗轮轴线 正确啮合条件是中间平面内参数分别相等 mt2 ma1 m t2 a1 取标准值 在中间平面内 蜗轮蜗杆相当于齿轮齿条啮合 一 圆柱蜗杆传动的主要参数 11 2普通蜗杆传动的主要参数与几何尺寸计算 16 ZA蜗杆 a 20 轴向 模数m取标准值 与齿轮模数系列不同 2 模数m和压力角 压力角 轴向压力角与法向压力角之间的关系 推导过程见机械原理斜齿条 tan a tan n cos 17 为了减少加工蜗轮滚刀的数量 规定d1只能取标准值 蜗轮蜗杆轮齿旋向相同 若 90 1 2 1 1 90 蜗轮右旋 蜗杆右旋 1 2 定义s e的圆柱称为蜗杆的分度圆柱 3 蜗杆的分度圆直径d1 18 摘自GB10085 88 括号中的数字尽可能不采用 称比值为蜗杆的特性系数 q d1 m 一般取 q 8 18 19 4 蜗杆头数z1 蜗杆头数z1 即螺旋线的数目 可根据传动比和效率来选定 Z1少 导程角 小 效率低 但可自锁 Z1多 大 效率高 但加工困难 通常取 z1 1246 5 蜗杆的导程角 将分度圆柱展开得 z1pa1 d1 mz1 d1 tan 1 l d1 z1 q 20 6 传动比i和齿数比u 传动比 若想得到大i 可取 z1 1 但传动效率低 对于大功率传动 可取 z1 2 或4 蜗轮齿数 z2 iz1 为避免根切和保证重合度 z2 28 一般情况 z2 80 z2过大 蜗杆长度 刚度 啮合精度 结构尺寸 u 齿数比 7 蜗轮齿数z2 a d1 d2 2 8 蜗杆传动的标准中心距 m q z2 2 21 二 圆柱蜗杆传动几何尺寸的计算 由蜗杆传动的功用 以及给定的传动比i z1 z2 计算求得m d1 计算几何尺寸 22 一 蜗杆传动的失效形式 设计准则及材料 齿面胶合 点蚀 磨损 轮齿折断 11 4普通蜗杆传动的承载能力计算 蜗杆传动的特点是齿面相对滑动速度大 导致发热严重和磨损加剧 失效特点 发生在蜗轮齿上 2 设计准则 闭式传动按接触强度设计 验算弯曲强度和热平衡条件 开式传动按弯曲强度设计 必要时验算蜗杆刚度 1 主要失效形式 23 3 材料 蜗轮齿圈采用青铜 减摩 耐磨性 抗胶合 蜗杆采用碳素钢与合金钢 表面光洁 硬度高 材料牌号选择 高速重载蜗杆 15Cr 20Cr 渗碳淬火56 62HRC 或40Cr 40 45 表面淬火45 55HRC经氮化处理后硬度为56 62HRC 一般蜗杆 4045钢调质处理 硬度为220 300HBS 蜗轮材料 vS 3m s时 铸造锡青铜 ZCuSn10P1ZCuSn5Pb5Zn5 vS 4m s时 ZCuAl10Fe3铝铁青铜 vS 2m s时 球墨铸铁 灰铸铁 24 二 圆柱蜗杆传动的受力分析 25 法向力可分解为三个分力 圆周力 Ft 轴向力 Fa 径向力 Fr 且有如下关系 Ft1 Fa2 Fr1 Fr2 Fa1 Ft2 2T1 d1 2T2 d2 Ft2tan 式中 T1 T1分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩 T2 T1i 26 右旋蜗杆 伸出右手 四指顺蜗杆转向 则蜗轮的切向速度v2的方向与拇指指向相反 用手势确定蜗轮的转向 左旋蜗杆 用左手判断 方法一样 蜗轮的转向 因蜗轮蜗杆相当于螺旋副的运动 有一种实用且简便的转向判别方法 27 蜗杆传动受力方向的判定 2 蜗轮圆周力指向与其转动方向一致 且Ft2 Fa1 4 蜗轮蜗杆所受径向力垂直于各自的轴线 且Fr1 Fr2 3 蜗杆圆周力指向与其转动方向相反 且Ft1 Fa2 1 蜗杆所受扭矩T1与转动方向 1一致 28 三 圆柱蜗杆传动的强度计算 齿面接触强度校核公式 蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似 仍以赫兹公式为基础 以蜗轮蜗杆的节点处啮合相应参数代入即可 赫兹公式 1 接触强度 29 按齿面接触强度条件设计计算的公式 30 动载系数Kv 当V2 3m s Kv 1 1 1 当V2 3m s Kv 1 1 1 2 齿向载荷分布系数K 当载荷平稳时 取K 1 当载荷变化时 取K 1 3 1 6 H 蜗轮材料为灰铸铁或高强度青铜 B 300MPa时 许用接触应力按下表选取 蜗轮材料为锡青铜 B 300MPa时 H H KHN 31 32 2 蜗轮齿根弯曲强度计算 通常把蜗轮近似地当做斜齿圆柱齿轮来考虑 仿式 10 16 得蜗轮齿根的弯曲应力为 将各参数代入上式得 33 校核计算 设计公式 F 许用弯曲应力 F F KFN YFa2 为蜗轮齿形系数 按当量齿数以及蜗轮变位系数选取 详见下页线图 基本许用弯曲应力 表11 8 34 35 36 四 蜗杆的刚度计算 刚度条件 国标GB10089 88给齿轮副规定了12个精度等级 其中1级最高 12级最低 各项分成三个公差组 常用的为6 9级精度 五 普通圆柱蜗杆传动的精度等级及其选择 蜗杆危险截面的惯性矩 y 许用最大挠度 y d1 1000 d1为蜗杆的分度圆直径 L 蜗杆两端支承间的跨距 初步计算时可取0 9d2 d2为蜗轮的分度圆直径 37 蜗杆传动的主要失效出现在蜗轮的齿面上 分为胶合 点蚀 磨损三种情况 蜗轮蜗杆材料的选择 主要是蜗轮材料的选择 分三类情况来讲 一 蜗轮可用锡青铜来做 因为锡有抗胶合的能力 滑动速度可以比较高 由于材料本身抗胶合的能力高 滑动速度高 主要的失效形式是点蚀 进行接触强度计算的话与齿轮的接触强度计算一样与循环次数有关 第二种情况用铝铁青铜 比锡青铜表面的硬度高 最可能出现的失效形式是胶合 第三种情况用灰铸铁 抗胶合的能力更差 允许的滑动速度更低 38 一 蜗杆传动的效率 功率损耗 啮合摩擦损耗 轴承摩擦损耗 溅油损耗 总效率计算公式为 式中 为蜗杆导程角 11 5普通圆柱蜗杆传动的效率 润滑和热平衡计算 v称为当量摩擦角 v arctanfv 可根据滑动速度选取 39 效率与蜗杆头数的大致关系为 蜗杆头数Z1 总效率 0 700 800 900 95 效率提高 Z1过多 蜗杆加工困难 减小d1蜗杆刚度减小 1 大 效率高 2 v小 效率高 当润滑条件好时 滑动速度vs越高 v值越小 效率越高 反之 出现胶合 40 41 二 蜗杆传动的润滑 若润滑不良 效率显著降低 早期胶合或磨损 润滑对蜗杆传动而言 至关重要 润滑油 42 当vs 5 10m s时 采用油池浸油润滑 为了减少搅油损失 下置式蜗杆不宜浸油过深 约为一个齿高 当vs 10 15m s时 采用压力喷油润滑 当vs 5m s时 采用蜗杆在上的结构 浸油深度约为蜗轮外径的1 3 43 三 蜗杆传动的热平衡计算 由于蜗杆传动效率低 发热量大 若不及时散热 会引起箱体内 油温升高 润滑失效 导致轮齿磨损加剧 甚至出现胶合 因此 对连续工作的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算 由热平衡条件 1 2 其中 P 蜗杆传递的功率 d 表面散热系数 一般取 d 8 15 17 45W m2 S 散热面积 m2 指箱体外壁与空气接触而内壁被油飞溅到的箱壳面积 对于箱体上的散热片 其散热面积按50 计算 摩擦损耗产生的热量 1 1000P1 1 箱壁散发的热量 2 dS t0 ta 蜗杆传递的效率 t0 工作油温 一般取 60 70 ta 工作环境温度 一般取 20 保持工作温度所需散热面积 44 当工作油温 t0 80 或散热面积不足时 应采取散热措施 1 增加散热面积 加散热片 2 提高表面传热系数 加风扇 冷却水管 循环油冷却 45 蜗杆的结构 通常与轴制成一体 z1 1或2时 b1 11 0 06z2 m z1 4时 b1 12 5 0 09z2 m 蜗杆轴 蜗杆长度b1的确定 11 6圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计 1 无退刀槽结构 加工螺旋部分时只能用铣制的办法 2 有退刀槽 加工螺旋部分时可以车削也可以铣制 46 蜗轮齿宽角 90 130 轮圈厚度C 1 6m 1 5mm 轮缘宽度B 0 75da0 67da 蜗轮顶圆直径de2 da2 2mda2 1 5mda2 2m 蜗轮的常用结构 整体式 组合式过盈配合 组合式螺栓联接 组合式铸造 47 作业 11 1 2 3 4 5 14 15 23 28 29 48 I II 3 4 2 1 n1 49 I II 3 4 2 1 n1 n3 Ft4 Fa2 Fa1 Fa3 Ft1 Fr1 Fr2 Ft2 Ft3 Fr3 Fr4 Fa4 50 习题 第十一章蜗轮蜗杆传动一 选择题1 当两轴线时 可采用蜗杆传动 1 平行 2 相交 3 垂直交错 2 在蜗杆传动中 通常为主动件 1 蜗杆 2 蜗轮 3 蜗杆或蜗轮都可以 3 1 51 3 在蜗杆传动中 当需要自锁时 应使蜗杆导程角当量摩擦角 1 小于 2 大于 3 等于 4 起吊重物用的手动蜗杆传动