学习情境7蜗杆传动

机械设计基础教案 学习情境学习情境 7 蜗杆传动蜗杆传动 主讲教师吴明清指导教师 授课日期授课班级12 模具 学习情境任务 9 设计机床中的蜗杆传动学时4 能力目标设计蜗杆传动的能力 训练项目掌握蜗杆 涡轮的材料及参数的选择 蜗杆的强度计算 知识点 设计蜗杆参数的步骤和方法 教学重点 与难点 设计蜗杆参数的步骤和方法 教学方法任务驱动教学与典型案例讲解相结合 教学准备课件 黑板 多媒体设备等 检测与评 价 教师评价与学生自评与互评相结合 职业能力 占 70 职业素质 30 评 价成绩采用百分制 教案设计 教学过程教学内容 课前组织 5min 1 清点学生人数 2 检查授课环境 3 链接多媒体课件 任务导入 5min 蜗杆传动机构由蜗轮和蜗杆组成 如图 8 1 所示 用于传递空间两交错 轴之间的运动和动力 通常是两轴在空间相互垂直 轴交错角 90 一般 蜗杆为主动件 作减速运动 根据已知条件设计蜗杆 图 8 1 蜗杆传动 资讯 45min 1 蜗杆传动的类型 按蜗杆的外形不同 蜗杆传动可分为圆柱面蜗杆传动 如图 8 2 a 所 示 圆弧面蜗杆传动 如图 8 2 b 所示 锥面蜗杆传动 如图 8 2 c 所示 圆弧面蜗杆和锥面蜗杆的制造较困难 安装要求较高 故不如圆柱蜗杆应用 广泛 按螺旋面形状的不同 圆柱面蜗杆又可分为阿基米德蜗杆 ZA 型 图 8 3 和渐开线蜗杆 ZI 型 图 8 4 等 渐开线蜗杆端面齿廓为渐开线 加 工时刀具的切削刃与基圆相切 两把刀分别车出左右螺旋面 阿基米德蜗杆 端面齿廓是阿基米德螺旋线 轴向齿廓是直线 加工方法与加工普通梯形螺 纹相似 刀刃的顶平面通过蜗杆轴线 车削容易 测量方便 应用最广 但 机械设计基础教案 难以磨削 不易得到较高精度 本任务仅介绍应用最广的阿基米德圆柱蜗杆 传动 2 蜗杆传动的正确啮合条件 如图 8 5 所示 通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面 称为中间平面 在中间平面上 蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合 因此 设计蜗杆传动时 其参数和尺寸均在中间平面内确定 并沿用渐开线圆柱齿 轮传动的计算公式 沿用渐开线圆柱齿轮传动的计算公式 从而可得蜗杆传动的正确啮合条 件为 在中间平面内 蜗杆的轴向模数ma1与蜗轮的端面模数mt2必须相等 蜗杆的轴向压力角 a1与蜗轮的端面压力角 t2必须相等 两轴线交错角为 90 时 蜗杆分度圆柱上的导程角 应等于蜗轮分度圆 柱上的螺旋角 且两者的旋向相同 3 普通圆柱蜗杆传动的主要参数 模数 m 和压力角 为了方便加工 规定蜗杆的轴向模数为标准模数 蜗轮的端面模数等于蜗杆 的轴向模数 因此蜗轮端面模数也应为标准模数 计划与决 策 5min 1 选出蜗杆涡轮的材料和精度等级 2 选出涡轮的结构 3 选择蜗杆涡轮的参数 4 进行齿面接触疲劳强度的计算 5 结构设计 6 写出计算说明书 实施 65min 2 1 失效形式 和齿轮传动一样 蜗杆传动的失效形式主要有 胶合 磨损 疲劳点蚀 和轮齿折断等 由于蜗杆传动啮合面间的相对滑动速度较大 效率低 发热 量大 再加上有时润滑和散热不良 胶合和磨损为最主要的失效形式 2 2 蜗杆传动的计算准则 目前对胶合与磨损的计算还缺乏适当的方法和数据 因而通常只是仿照 圆柱齿轮进行齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的条件性计算 并在选 取许用应力时 适当考虑胶合和磨损失效因素的影响 实践证明 在一般情 况下蜗轮轮齿因弯曲疲劳强度不足而失效的情况较少 一般可不考虑弯曲强 度的计算 只有在动力传动中并且是蜗轮齿数很多 如 z2 80 或开式传动才 需要考虑弯曲强度的计算 需要计算时可参阅有关书籍 对于闭式传动 通 常进行蜗轮齿面接触强度计算 2 3 蜗杆传动的材料 由蜗杆传动的失效形式可知 蜗杆 蜗轮的材料不仅要求具有足够的强 度 更重要的是应有良好的减摩性 耐磨性和抗胶合能力 为此常采用青铜 做蜗轮齿圈与淬硬磨削的钢制蜗杆相配 蜗杆一般用碳钢或合金钢制造 要求表面粗糙度值小并具有较高的硬度 蜗杆常用材料如表 8 4 所示 机械设计基础教案 2 4 蜗杆与蜗轮结构 由于蜗杆的直径较小 通常和轴做成一个整体 如图 8 6 所示 螺旋部 分常用车削加工 也可用铣削加工 车削加工时需有退刀槽 因此刚性较差 蜗轮的结构可做成整体式或组合式 图 9 8 蜗杆轴 图 8 6 蜗杆轴 整体式蜗轮 整体式蜗轮主要用于铸铁蜗轮或直径小于 100mm 的青铜蜗轮 如图 8 7 a 所示 组合式蜗轮 为了节约贵重金属 直径较大的蜗轮常采用组合式结构 齿圈用青铜材 料制造 而轮芯用铸铁或铸钢制造 其组合形式有以下三种 齿圈压配式 如图 8 7 b 所示 它是将齿圈紧套在轮芯上 两者采用 H7 r6 的过盈配合 为增加联接的可靠性 通常在接缝处加装 4 6 个直径为 1 2 1 5 m 的紧定螺钉 m 为蜗轮模数 为了便于钻孔 应将螺孔中心 线向材料较硬的一边偏移 2 3mm 这种结构用于尺寸不太大而且工作温度变 化较小的场合 螺栓联接式 如图 8 7 c 所示 齿圈与轮芯用普通螺栓或铰制孔螺栓 联接 由于装拆方便 常用于尺寸较大或磨损后需更换蜗轮齿圈的场合 镶铸式蜗轮 如图 8 7 d 所示 将青铜轮缘铸在铸铁轮芯上 轮芯上制 出榫槽 以防轴向滑动 仅用于成批生产的蜗轮 de2de2 a b c d 图 8 7 蜗轮结构 2 5 蜗杆传动的受力分析 在进行受力分析时 与斜齿轮传动一样 首先要分清主动件和从动件 一 般蜗杆主动 螺旋线是右旋还是左旋 一般为右旋 旋转方向是顺时针还是逆 时针 如图 8 8 所示 为右旋蜗杆逆时针方向转动时的蜗轮蜗杆传动的受力情 况 作用在工作面节点 C 处的法向力 Fn1 可分解为三个相互垂直的分力 圆 周力 Ft1 径向力 Fr1和轴向力 Fa1 由于蜗杆和蜗轮的轴线相互垂直交错 根据力的作用原理 可得 机械设计基础教案 1 1 1 2 2 t a T d FF 2 2 2 1 2 t a T d FF 8 3 Fa2与 Ft1大小相等方向相反 Fa1与 Ft2大小相等方向相反 Fr1与 Fr2大 小相等方向相反 若令 cos n cos 则 22 2 2 coscoscoscos t n n FT F d 8 4 式中 T1 T2 蜗杆及蜗轮上的工作转矩 T2 T1 i N mm d1 d2 蜗杆及蜗轮的分度圆直径 mm n 蜗杆法面压力角及标准压力角 n 20 蜗杆分度圆柱导程角 i 传动比 蜗杆传动的效率 在进行蜗轮蜗杆传动受力分析时 应特别注意其受力方向的判定 一般 先确定蜗杆受力的方向 因蜗杆是主动件 故其所受的圆周力 Ft1的方向总是 与它的旋转方向相反 径向力 Fr1的方向总是沿半径指向轴心 轴向力 Fa1的 方向 分析方法同斜齿圆柱齿轮传动 用主动蜗杆左 右 手法则判定 蜗轮 所受的三个力的方向 可由图 8 8 所示关系确定 2 6 蜗轮蜗杆传动的计算载荷 与齿轮传动相似 在作强度计算时也应考虑载荷系数 K 则计算法向力 Fnc为 ncnFKF 8 5 一般取 K l 1 4 当载荷平稳 滑动速度 vs 3m s 时取小值 否则取大 值 在设计时 若已知蜗杆所需传递的功率 P1 kw 及转速 n1 r min 则蜗 轮 的名义转矩为 8 6 21 2 22 95509550 pP T nn 式中 T2 蜗轮上的工作转矩 N m 蜗杆传动的效率 P2 蜗轮传递的功率 kw n2 蜗轮转速 n2 n1 i r min i 传动比 上式中引入载荷系数 K 则名义转矩变成计算转矩 221tanrtrFFF 机械设计基础教案 2 7 蜗轮齿面接触强度计算 如前所述 圆柱蜗杆传动可以近似看作齿条与斜齿轮传动 故蜗轮齿面 接触强度计算的原则也和斜齿轮相似 也是以节点啮合处的相应参数代入赫 兹公式 并作一些假定 如一般 5 25 取中间值 20 等 代入蜗 杆传动的有关参数 引入载荷系数 K 对于青铜蜗轮或铸铁蜗轮与钢蜗杆配 对时 得蜗轮齿面接触强度的校核公式为 22 222 1212 480480 Z HH KTKT d dm d 8 7 而设计公式为 22 12 2 480 H m dKT Z 8 8 式中 T2 蜗轮上的工作转矩 N mm H 蜗轮材料的许用接触应力 MPa 见表 8 6 按式 8 8 算出 m2d1 值后 可按表 8 1 确定相应的 m 和 d1 后选取标 准值 最后按表 8 2 计算出蜗杆和蜗轮的主要尺寸和中心距等 2 4 蜗杆传动的润滑 为了提高蜗杆传动的效率 降低齿面工作温度 避免胶合和减少磨损 对蜗杆传动进行润滑显得十分重要 通常采用粘度较大的润滑油 以防止金 属直接接触 有利于形成动压油膜 从而减小磨损 缓和冲击 使传动平稳 提高传动效率和蜗杆传动的寿命 润滑油粘度和给油方法 一般根据蜗轮蜗杆的相对滑动速度及载荷类型 来选择 对闭式蜗杆传动 可参考表 8 7 来选取 对闭式蜗杆传动采用油池润滑时 在搅油损失不致过大的情况下 应使 油池保持适当的油量 以利于蜗杆传动的散热 一般情况下 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 检查与评 价 15min 评价有教师评价与学生自评与互评相结合 评定 形式 比 例 评定内容评定标准得 分 自我 评定 20 1 学习工作态度 5 分 2 完成任务情况 5 分 3 出勤情况 5 分 4 独立工作能力 5 分 积极 5 一般 3 不积极 0 全部 5 一半 3 没有 1 全勤 5 缺两次 3 30 0 强 5 一般 3 不强 1 小组 评定 30 1 学习工作责任意识 5 分 2 收集材料 调研能力 5 分 3 汇