第十一章蜗杆传动

掌握蜗杆传动的特点和应用 理解蜗杆传动常见的分类方法 掌握蜗杆传动常见失效形式 了解材料选择和结构类型 掌握蜗杆传动的基本参数及变位原理 掌握蜗杆传动受力分析 大小 方向 及蜗轮转向的判断 掌握蜗杆传动齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度计算 掌握蜗杆传动热平衡计算方法 了解提高散热的若干措施 了解提高圆柱蜗杆传动承载能力的措施 第十一章蜗杆传动 本章基本要求 重点 蜗杆传动常见失效形式蜗杆传动受力分析 大小 方向 蜗轮转向的判断蜗杆传动热平衡计算提高散热的若干措施 1 组成 2 工作原理 11 1概述 一 蜗杆传动的组成及工作原理 蜗杆 蜗轮 空间啮合传动 二 蜗杆传动的类型 按蜗杆的形状分 圆柱蜗杆传动 环面蜗杆传动 锥蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆 ZA蜗杆 渐开线蜗杆 ZI蜗杆 法向直齿廓蜗杆 ZN蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 ZK蜗杆 轴面为齿条 端面为阿基米德螺线 端面为渐开线 基圆柱切面齿形为直线 法面为直线 端面为延伸渐开线 齿面是圆锥面族的包络面 阿基米德蜗杆 ZA蜗杆 轴面为齿条 端面为阿基米德螺线 渐开线蜗杆 ZI蜗杆 端面为渐开线 基圆柱切面齿形为直线 圆弧齿圆柱蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 ZK蜗杆 圆弧圆柱蜗杆传动 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 传动效率高 一般可达90 以上 承载能力高 约为普通圆柱蜗杆的1 5 2 5倍 结构紧凑 三 蜗杆传动的特点 用于传递交错轴之间的回转运动 传递功率750KW 通常 50KW 相对滑动速度可达35m s 通常 15m s 单级传动比可达8 100 常用15 50 四 应用范围 优点 传动比大 结构紧凑 工作平稳 无噪声 一定条件下反行程可自锁 缺点 效率较低 相对滑动速度大 摩擦与磨损严重 一般需用贵重的减摩材料 如青铜等 成本高 11 2蜗杆传动的参数和几何尺寸 中间平面 通过蜗杆轴线和垂直蜗轮轴线的平面 蜗杆模数系列和齿轮模数系列有所不同 国标GB10088 88对蜗杆模数作了规定 阿基米德蜗杆蜗轮传动 中间平面内m 为标准值 压力角一般取 20 一 模数和压力角 正确啮合条件 蜗杆的分度圆直径d1和直径系数q 导程角 蜗杆分度圆直径与蜗杆直径系数 或 d1 q m标准化值见表11 2 15 30 蜗杆头数z1 蜗轮齿数z2和传动比i z1 1 10 荐取z1 1 2 4 6 z2 根据传动比和z1确定 动力传动 z2 28 80 蜗轮齿数太少会根切 传动平稳性差 蜗轮齿数太多 若m不变时 d2增大 导致蜗杆长度增大 刚度减小而影响啮合精度 若d2不变 m减少 齿根弯曲强度就会降低 传动比与蜗杆头数 蜗轮齿数的推荐值 表11 1 中心距和齿面间的相对滑动速度 蜗杆传动的中心距 齿面间的相对滑动速度 因相对滑动速度VS大 更易胶合和磨损 失效经常发生在蜗轮的轮齿上 蜗杆传动的变位 变位的目的 凑中心距 凑传动比 变位的特点 为保持刀具尺寸不变 只对蜗轮进行变位 不能改变蜗杆的尺寸 齿数不变凑中心距 负变位标准安装正变位 中心距不变凑传动比 蜗轮的分度圆永远与节圆重合 变位后只是齿顶圆 齿根圆 齿厚发生了变化 蜗杆的节圆变了 11 3普通圆柱蜗杆传动承载能力计算 一 失效形式 设计准则及常用材料 1 失效形式 和齿轮传动一样 蜗杆传动也存在疲劳点蚀 齿面胶合 齿面磨损和断齿 疲劳点蚀 齿面胶合 齿面磨损 断齿 蜗杆传动啮合效率较低 相对滑动速度较大 点蚀 磨损和胶合最易发生 蜗杆螺旋齿部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度 蜗轮是该传动的薄弱环节 因此 一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算和蜗杆传动的抗胶合能力计算 2 设计准则 3 材料与工艺 具有良好的 减摩 耐磨 抗胶合 能力 足够的强度 常用青铜或铸铁作蜗轮齿圈 与淬硬并磨制的钢制蜗杆相匹配 要有专用磨削设备 阿氏蜗杆不能磨削 蜗杆的刚度计算 防止蜗杆刚度不足引起的失效 二 蜗杆传动受力分析 1 大小 蜗杆传动效率较低 计算作用力时要考虑效率 因此 圆周力应分别计算 2 方向 左旋蜗杆用左手 右旋蜗杆用右手 弯曲四指为转动方向 拇指为Fa1方向 例 力的方向判断 3 载荷系数 蜗杆传动载荷系数K KAK Kv 三 圆柱蜗杆传动的强度计算 1 蜗轮齿面接触疲劳强度 蜗杆传动的失效多集中在蜗轮上 因此强度计算主要针对蜗轮 对闭式蜗杆传动 主要失效形式是齿面疲劳点蚀或胶合 只进行接触疲劳强度计算 普通圆柱蜗杆传动在中间平面相当于齿条和齿轮的传动 可以仿照圆柱斜齿轮建立蜗轮的应力计算公式 蜗轮齿面接触应力仍来源于赫兹公式 ZE 弹性系数 铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆组合时ZE 160 MPa1 2 Z 接触系数 接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数 校核公式 设计公式 设计出a后 根据传动比按表11 2标准化 并确定相应的蜗杆 蜗轮参数 蜗轮采用高强度材料 B 300MPa 时 主要取决于胶合失效 与滑动速度Vs有关而与应力循环次数无关 直接查表11 6 蜗轮采用低强度材料 B 300MPa 时 主要为接触疲劳失效 与应力循环次数N有关 基本许用接触应力 H 2 蜗轮齿根弯曲疲劳强度 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 所以只是在受强烈冲击 Z2多 Z2 90 或开式传动中计算弯曲强度才有意义 蜗轮齿形 载荷分布复杂 只能按斜齿轮的方法计算得出近似解 根据m2d1按表11 2标准化 并确定相应的蜗杆 蜗轮参数 蜗轮齿根的许用弯曲应力 F 蜗轮的基本许用弯曲应力 F MPa 四 蜗杆的刚度计算 I 为蜗杆危险截面的轴惯性矩 11 5效率 润滑及热平衡计算 一 蜗杆传动的效率 近似估算时 蜗杆头数Z1 总效率 0 700 800 900 95 相对滑动速度VS 影响效率的因素 导程角 一定程度后 增加缓慢 当 小于当量摩擦角时 蜗轮主动时会出现自锁 此时 蜗杆主动时的效率低于50 由表11 18可见 蜗杆传动宜用于高速级 二 蜗杆传动的润滑 润滑良好与否对蜗杆传动影响很大 1 润滑油 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 2 供油方式 三 蜗杆传动的热平衡计算 2 原理 单位时间内摩擦产生的热量 相同时间内散发热量 或 3 散热条件不足时采取的措施 增加散热面积S增大散热系数 d 加散热器和风扇 加装冷却蛇形水管 热平衡条件 11 6普通圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计 一 蜗杆的结构 蜗杆通常与轴做成一体 这也是蜗杆常用中碳钢的原因 时可将轴与蜗杆分开制造 二 蜗轮的结构 为节约贵重金属 蜗轮经常采用组合结构 即用碳钢或铸铁做轮芯用青铜做齿圈 视生产批量和尺寸的大小 可分别采用铸造 过盈配合或螺栓联接等 设计时 对后两种联接 要注意避免过定位 组合式铸造 组合式过盈配合 组合式螺栓联接 1 蜗杆传动有哪些特点 对蜗杆蜗轮副的材料组合有哪些要求 2 同样是啮合传动 齿轮传动的传动比公式i Z2 Z1 d2 d1和中心距公式a m z1 z2 2是否适合蜗杆传动 为什么 3 试证明反行程自锁的蜗杆传动蜗杆主动时其啮合效率 50 4 对于动力传动 一般是尽可能不用单头蜗杆 其理由何在 5 和齿轮传动一样 蜗杆传动的模数也是标准的 那么 国家为什么要将蜗杆的分度直径也标准化呢 对于同样的模数m 可供选用的直径一般不止一个 那么 在什么情况下宜选用大的直