机械设计-第8章 蜗杆传动-

1,第8章 蜗杆传动,蜗杆传动的特点和类型圆柱蜗杆传动的几何参数及尺寸计算蜗杆传动的失效形式、材料和结构蜗杆传动的受力分析圆柱蜗杆传动的强度计算圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,2,本章重点：受力分析，几何参数和强度计算 特点,学习方法: 与齿轮传动比较，抓住不同点 传动的特点 参数尺寸特点 材料和结构特点 受力特点 强度计算特点,3,8.1 概 述,8.1.1 蜗轮蜗杆的形成,蜗杆传动,蜗轮蜗杆传动用于传递空间交错两轴之间的运动和动力。两轴夹角为,4,L,d1,小齿轮直径d1小，长度L大，螺旋线绕一周以上，如同螺旋，称为蜗杆。螺旋线的根数即蜗杆的齿数，又称头数；一般Z1=14。,。,5,2,d2,t,t,蜗轮的直径d2大，齿数多，螺旋角2很小。,6,蜗轮齿宽方向呈凹弧型蜗轮部分包容蜗杆,接触线增长, 减少磨损, 胶合的机率,/ H承载力,7,1）从整体看，蜗杆蜗轮齿面间的相对运动类似于螺旋传动。,因而可直接应用螺旋的某些结论（例如传动效率、自锁条件等等）。,传动连续平稳、无噪音。,8,导程角 轮齿方向与端面的夹角螺旋角轮齿方向与轴线的夹角,1)外形: 蜗杆短螺杆 蜗轮特殊的斜齿轮 螺母的一部分,2)具有螺旋传动的特点,自锁条件: (当量摩擦角),效率:,9,8.1.2 蜗杆传动的类型,1）按蜗杆形式分类,圆柱蜗杆传动,环面蜗杆,锥蜗杆,10,2) 按齿廓曲线分,渐开线蜗杆,阿基米德蜗杆,其法面齿形为曲线，轴面齿形为直线，端面齿形为阿基米德螺旋线。这种蜗杆称为阿基米德蜗杆。,11,其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。,蜗杆传动的类型,其蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形的车刀切制而成的。,其蜗杆体在轴向的外形是以凹弧面为母线所形成的旋转曲面，这种蜗杆同时啮合齿数多，传动平稳；齿面利于润滑油膜形成，传动效率较高；,同时啮合齿数多，重合度大；传动比范围大(10360)；承载能力和效率较高；可节约有色金属。,12,蜗杆旋向：左旋、右旋(常用),精度等级：,对于一般动力传动，按如下等级制造：,v17.5 m/s -7级精度；,v1 3 m/s -8级精度；,v1 1.5 m/s -9级精度；,判定方法：与螺旋和斜齿轮的旋向判断方法相同。,13,8.1.3 蜗杆传动的特点,优点: 1.i很大，一般i780, 分度i1000 2. 传动平稳, 噪音低 3.可自锁, 结构紧凑缺点: 1.s大效率低, 发热大可自锁时50 2.需贵重金属价高 3.不宜用于大功率长期工作,14,主平面 (主截面中间平面)： 通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面,8.2 圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸,15,aa,主截面中，蜗杆的齿形为直线（齿条），蜗轮的齿形为渐开线。其传动相当于齿轮齿条传动。,渐开线,直线齿,1,16,1、主要参数及其 选择,1)模数m和压力角,8.2.1圆柱蜗杆传动的主要参数,由于主截面即蜗杆的轴面(a) 、蜗轮的端面(t) ，故其正确啮合条件为：ma1=mt2=m; a1=t2=;=900：= 2（且蜗杆和蜗轮螺旋线的旋向一致）。,17,2) 蜗杆分度圆直径1与直径系数q 22 1 1,为减少滚刀的规格数量1定为标准值 1与搭配 表12-1,把比值 称为蜗杆直径系数q。,3) 蜗杆头数z1 1 =1、2、4、6,Z1少Z1多,效率高, 加工难度大,自锁性好, 效率低,18,Z2=iZ1 Z1、Z2荐用值表,Z2少 Z2多,Z226,4) 传动比 i 和齿数比 u,5)蜗轮齿数Z2,d2不变，Z2过大，m过小，轮齿弯曲强度m不变， Z2过大， d2过大，蜗杆支承跨距增大，蜗杆弯曲刚度Z280,19,6) 导程角,7)标准中心距 a,当m一定时，q增大，则d1变大，蜗杆的刚度和强度相应提高，因此m较小时，q选较大值；又因为q取小值时，增大，效率随之提高，故在蜗杆刚度允许的情况下，应尽可能选小的q值。,20,由相对运动原理可知:,8) 齿面间滑动速度vS及蜗轮转向的确定,= v1 / cos ,作速度向量图，得:,v2 = v1 tg,2,V1：蜗杆的圆周速度 V2：蜗轮的圆周速度,21,润滑、散热不良时：易产生磨损、胶合 充分润滑时：有利于油膜的形成，滑动速度越大， 摩擦系数越小，提高了传动效率,相对滑动速度很大产生的利弊：,22,蜗轮的转向判别：,蜗杆采用左右手法则：右旋用右手，四指指向转动方向，拇指所指方向为啮合点蜗杆相对于蜗轮运动的方向，则蜗轮相对于蜗杆的运动方向与此相反。,23,8.2.2 蜗杆传动变位的特点,1、蜗杆传动变位的主要目的 a)配凑中心距 b)提高蜗杆传动的承载能力及传动效率,2、变位的方法a)齿数不变，中心距变,b)中心距不变，齿数变,24,8.2.3 普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算,为了便于组织生产，减少箱体尺寸规格，有利于标准化、系列化，GB10085-88中对一般蜗杆传动减速装置的中心距a（mm）推荐如下系列：40、50、63、80、100、125、160、（180）、220、（225）、250、（280）、315、（335）、400、（450）、500 注：括号内尺寸尽量不用,表(8-3) p.175,由蜗杆传动的功用，以及给定的传动比 i , z2,计算求得 m、d1,计算几何尺寸, z1,25,1 失效形式失效：胶合、磨损、点蚀、齿根折断蜗轮轮齿开式齿轮传动：齿面磨损、轮齿折断闭式齿轮传动：齿面胶合、点蚀由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上,8.3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,8.3.1 失效形式及设计准则,2 设计准则主要考虑蜗轮开式齿轮传动：齿面磨损、轮齿折断 保证齿根疲劳强度闭式齿轮传动：齿面胶合、点蚀 按齿面接触疲劳强度设计，齿根疲劳强度校核另外，还应作热平衡计算,26,1.对材料的要求：2.蜗杆的材料 ,最好淬火钢(低碳钢渗碳淬火;中碳钢表面淬火)其余调质钢低速、人力传动、铸铁蜗轮,减摩、耐磨、抗胶合,高的强度及光洁度、足够的刚度,3.蜗轮的材料,最好锡青铜 ZCuSn10p1(10-1) ZCuSn5PbZn5(5-5-5)其余铝青铜、灰铸铁、尼龙,减摩、抗胶合、抗点蚀,碳素钢、合金钢,3) 蜗杆、蜗轮的材料,27,蜗杆三个分力：Fr1, Ft1, Fa1,蜗轮三个分力：Fr2, Ft2, Fa2,1.蜗杆、蜗轮旋向相同,2.作用力的大小(将Fn分解),8.3.2 蜗杆传动的受力分析,受力分析类似斜齿圆柱齿轮传动,28,径向力的判断方法：指向各自圆心圆周力的判断方法：利用转向判断轴向力的判断方法：蜗杆左、右手方法主动轮为右旋，握紧右手，四指弯曲方向表示主动轮的回转方向，拇指的指向即为作用在主动轮上轴向力的方向；若主动轮为左旋，用左手,作用力的方向,蜗轮的转向：与Fa1反向,29,Fr1,Fr2,Fr1,Fr2,Ft2,Fa1,Ft1,Fa2,Ft1,Fa1,Ft2,Fa2,右,作用力判别：,蜗轮的转向与Fa 1 反向,30,3、计算载荷,31,二.蜗轮齿面接触强度计算,主要失效形式: 胶合、磨损、点蚀 仿斜齿轮强度计算齿面接触强度计算,1.计算齿面接触强度 (当冲击大、脆性材料 (才折断 ) 弯曲强度) 2.只计算蜗轮的强度 3.考虑胶合热平衡计算,强度计算依据:,闭式蜗轮 锡青铜 点蚀 非锡青铜胶合开式 磨损,8.3.3 蜗杆传动强度计算,32,一、蜗轮齿面接触强度计算（按齿轮方法推导）,1、计算模型：中间平面，齿条与齿轮啮合（斜齿）,2、接触应力计算,r,=,s,L0,F,Z,ca,E,H,将d 2、 L 0、 等换算成中心距 的函数后，即可得蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式和设计公式:,r,a,r,33,34,二、蜗轮齿根弯曲强度计算（按斜齿轮近似计算),1、计算模型： 按斜齿轮近似计算,2、弯曲强度计算式,2,53,.,1,KT,F,19,8,cos,2,3,2,2,-,g,=,-,查图,按当量齿数,）,（,z,z,Y,v2,F,1,2,),3,(,d,m,；,计算,按弯曲强度设计时，,35,说明：由于齿形的原因，通常蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大得多故在受强烈冲击、z2特多或开式传动中计算弯曲强度才有意义,36,三、蜗杆刚度计算,1、计算模型： 把蜗杆螺旋部分看作以蜗杆齿根圆直径为直径的轴段,2、弯曲刚度计算式,Ft1蜗杆所受的圆周力； Ft2蜗杆所受的径向力；I 蜗杆危险截面得惯性矩；L 蜗杆两端支撑间的跨距。,式中：,37,1、闭式蜗杆传动效率,8.4.1 蜗杆传动效率,= 1 .2. 3,（1）1啮合效率,/当量摩擦角，可根据滑动速度vs选取，,蜗杆分度圆导程角；,d1蜗杆分度圆直径；n1蜗杆的转速。,8.4 普通圆柱蜗杆传动的效率、润滑与热平衡计算,38,当自锁 150%当振动大时摩擦自锁 不可靠另加制动装置,39,润滑的主要目的在于减摩与散热。具体润滑方法与齿轮传动的润滑相近。,润滑油,润滑油粘度及给油方式,润滑油量,润滑油的种类很多，需根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件选用。,一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。给油方法包括：油池润滑、喷油润滑等，若采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端，而且要控制一定的油压。,润滑油量的选择既要考虑充分的润滑，又不致产生过大的搅油损耗。对于下置蜗杆或侧置蜗杆传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的1/3。,8.4.2 蜗杆传动的润滑,40,温升：,8.4.3 闭式蜗杆热平衡计算,使用时控制：油温t一般限制在6070，不超过80温升Dt5060,41,蜗杆传动散热措施,（1） 加散热片以增大散热面积,（2） 在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流通,42,(3) 加冷却管路或压力喷油循环润滑冷却,传动箱内装循环冷却管路,传动箱外装循环冷却器,43,8-6 蜗轮蜗杆结构,一、蜗杆的结构,蜗杆螺旋部分的直径不大，所以常和轴做成一个整体。当蜗杆螺旋部分的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。,无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法,有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工，但该结构的刚度 较前一种差。,44,圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计2,二、蜗轮的结构,为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节