第十章蜗杆运动与螺旋传动.doc

第十章、蜗杆运动与螺旋传动蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，。这种传动结构紧凑、传动比大、传动平稳、自锁性好，广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械及其它机器或设备中。螺旋传动由螺旋副连接而成，结构简单，制造方便，易于自锁，工作可靠，可以将回转运动变换为直线运动，在仪器仪表、工装、测量工具等领域中应用广泛。实例实例一：图10-1为一蜗轮蜗杆减速器，是一种具有结构紧凑,传动比大,以及在一定条件下具有自锁功能的传动机械,是最常用的减速机之一。图10-1 蜗轮蜗杆减速器图 图10-2 定心夹紧机构实例二：图10-2定心夹紧机构，由平面夹爪和V型夹爪组成定心机构。螺杆的两端分别为右旋和左旋螺纹，采用导程不同的复式螺旋。当转动螺杆时，两夹爪就夹紧工件。学习目标1 熟练掌握蜗杆的传动特点、失效形式和计算准则；2 熟练掌握蜗杆和蜗轮的结构特点；3 掌握蜗杆传动的受力分析、滑动速度和效率；4 掌握蜗杆传动的热平衡计算；5 了解蜗杆传动的强度计算特点；6. 了解螺旋传动机构的工作原理、运动特点及适用场合。重点与难点1蜗杆传动的组成和特点2蜗轮蜗杆的主要参数、几何尺寸计算3蜗轮蜗杆的主要失效形式4螺旋传动的类型第一节：蜗杆传动的组成、特点及分类一、蜗杆传动的组成蜗杆传动由蜗杆、蜗轮和机架组成，用来传递空间两交错轴的运动和动力。如图10-3所示。通常两轴交错角为90,蜗杆为主动件。图10-3 蜗杆传动二、蜗杆传动的特点(1)传动比大，结构紧凑。单级传动比一般为1040(80)，只传动运动时（如分度机构），传动比可达1000。(2)传动平稳，噪声小。由于蜗杆上的齿是连续的螺旋齿，蜗轮轮齿和蜗杆是逐渐进入啮合又逐渐退出啮合的，故传动平稳，噪声小。(3) 有自锁性。当蜗杆导程角小于当量摩擦角时，蜗轮不能带动蜗杆转动，呈自锁状态。手动葫芦和浇铸机械常采用蜗杆传动满足自锁要求。(4)传动效率低。蜗杆蜗轮啮合处有较大的相对滑动，摩擦剧烈、发热量大，故效率低。一般0.70.9，具有自锁性能的蜗杆效率仅0.4。(5)蜗轮造价较高。为了减摩和耐磨，蜗轮常用青铜制造，材料成本较高。由上述特点可知：蜗杆传动适用于传动比大，传递功率不大，两轴空间交错的场合。三、蜗杆传动的分类如图10-4所示，根据蜗杆的形状，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动（图a），环面蜗杆传动（图b）,和锥面蜗杆传动(图c)。圆柱蜗杆传动，按蜗杆轴面齿型又可分为普通蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动。a) b) c) 图7-2蜗杆传动的类型普通蜗杆传动多用直母线刀刃的车刀在车床上切制，可分为阿基米德蜗杆（ZA型）、渐开蜗杆（ZI型）和法面直齿廓蜗杆（ZH型）等几种。如图10-5所示，车制阿基米德蜗杆时刀刃顶平面通过蜗杆轴线。该蜗杆轴向齿廓为直线，端面齿廓为阿基米德螺旋线。阿基米德蜗杆易车削难磨削，通常在无需磨削加工情况下被采用，广泛用于转速较低的场合。 图10-5 阿基米德蜗杆 图10-6渐开线蜗杆如图10-6所示，车制渐开线蜗杆时，刀刃顶平面与基圆柱相切，两把刀具分别切出左、右侧螺旋面。该蜗杆轴向齿廓为外凸曲线，端面齿廓为渐开线。渐开线蜗杆可在专用机床上磨削，制造精度较高，可用于转速较高功率较大的传动。蜗杆传动类型很多，本章仅讨论目前应用最为广泛的阿基米德蜗杆传动。第二节：普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算一、普通圆柱蜗杆传动的主要参数及其选择普通圆柱蜗杆传动的主要参数有模数m、压力角、蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2和传动比等。进行蜗杆传动的设计时，首先要正确地选择参数。1. 模数m和压力角和齿轮传动一样，蜗杆传动的几何尺寸也以模数为主要计算参数。为保证轮齿的正确啮合，蜗杆的轴向模数ma1应等于蜗轮的端面模数mt2；蜗杆的轴向压力角应等于蜗轮的端面压力角；蜗杆分度圆导程角应等于蜗轮分度圆螺旋角，且两者螺旋方向相同。即：2. 蜗杆的分度圆直径d1和导程角如图10-7所示，将蜗杆分度圆柱展开，其螺旋线与端平面的夹角称为蜗杆的导程角。可得： (10-1)式中：pa1为蜗杆轴向齿距(mm)；d1为蜗杆分度圆直径（mm）。蜗杆的螺旋线与螺纹相似也分左旋和右旋，一般多为右旋。对动力传动为提高效率应采用较大的值，即采用多头蜗杆；对要求具有自锁性能的传动，应采用40 z2283227522872 5081288040表10-2蜗杆基本参数（= 90）(摘自GB/T10085-88)模数m(mm)分度圆直径d1(mm)蜗杆头数z1直径系数qm2d1(mm)3模数m(mm)分度圆直径d1(mm)蜗杆头数z1直径系数qm2d1(mm)3118118.000186.3(80)1, 2, 412.69831751.2520116.00031.25112117.778444522.4117.920358(63)1, 2, 47.87540321.6201, 2, 412.50051.2801, 2, 4, 610.000537628117.50071.68(100)1, 2, 412.50064002(18)1, 2, 49.00072140117.500896022.41, 2, 4, 611.20089.610(71)1, 2, 47.1007100(28)1, 2, 414.000112901, 2, 4, 69.000900035.5117.750142(112)1, 2, 411.200112002.5(22.4)1, 2, 48.960140160116.00016000281, 2, 4, 611.20017512.5(90)1, 2, 47.20014062(35.5)1, 2, 414.200221.91121, 2, 48.9601750045118.000281(140)1, 2, 411.200218753.15(28)1, 2, 48.889278200116.0003125035.51, 2, 4, 611.2735216(112)1, 2, 47.00028672451, 2, 414.286447.51401, 2, 48.7503584056117.778556(180)1, 2, 411.250460804(31.5)1, 2, 47.875504250115.62564000401, 2, 4, 610.00064020(140)1, 2, 47.00056000(50)1, 2, 412.5008001601, 2, 48.0006400071117.7501136(224)1, 2, 411.200896005(40)1, 2, 48.0001000315115.750126000501, 2, 4, 610.000125025(180)1, 2, 47.200112500(63)1, 2, 412.60015752001, 2, 48.00012500090118.0002250(280)1, 2, 411.2001750006.3(50)1, 2, 47. 9361985400116.000250000631, 2, 4, 610.0002500注：表中模数和分度圆直径仅列出了第一系列的较常用数据。括号内的数字尽可能不用。4.中心距a蜗杆传动中，当蜗杆节圆与蜗轮分度圆重合时称为标准传动，其中心距为： （10-4）规定标准中心距为40、50、63、80、100、125、160、（180）、200、（225）、250、（280）、315、（355）、400、（450）、500。在蜗杆传动设计时中心距应按上述标准圆整。二、蜗杆传动的几何尺寸计算标准阿基米德蜗杆传动主要几何尺寸计算公式如表10-3所示。表10-3 阿基米德蜗杆传动的几何尺寸计算名 称计 算 公 式蜗 杆蜗 轮齿顶高和齿根高ha1= ha2 = m， hf1= hf2=1.2 m分度圆直径d1= mqd2= mz2齿顶圆直径da1= m(q+2)da2= m(z2+2)齿根圆直径df1= m(q2.4)df2= m(z22.4)顶隙C = 0.2 m蜗杆轴向齿距 蜗轮端面齿距Pa1= pt2=m蜗杆分度圆导程角蜗轮分度圆螺旋角中心距a蜗杆螺纹部分长度蜗轮齿顶圆弧半径z1=1、2, L（110.06z2）mz1=3、4, L(12.5+0.09z2) m蜗轮外圆直径z1=1, de2da2+2 mz1=2、3, de2da2+1.5 mz1=46, de2da2+ m蜗轮轮缘宽度z1=1、2 b0.75da1 z1=46, b0.67 da1第三节：蜗杆传动的失效形式、材料及结构一、蜗杆传动的失效形式蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相似，有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损和胶合等，但由于蜗杆、蜗轮的齿廓间相对滑动速度较大、发热量大而效率低，因此传动的主要失效形式为胶合、磨损和点蚀。由于蜗杆的齿是连续的螺旋线，且蜗杆的强度高于蜗轮，因而失效多发生在蜗轮轮齿上。在闭式传动中，蜗轮的主要失效形式是胶合与点蚀；在开式传动中，主要失效形式是磨损。二、蜗杆、蜗轮的材料1.蜗杆材料蜗杆一般用碳钢或合金钢制造。对高速重载传动常用15Cr、20Cr、20CrMnTi等，经渗碳淬火，表面硬度5662HRC,须经磨削。对中速中载传动，蜗杆材料可用45、40Cr、35SiMn等，表面淬火，表面硬度4555HRC，须要磨削。对速度不高，载荷不大的蜗杆，材料可用45钢调质或正火处理，调质硬度220270HBS。2.蜗轮材料蜗轮材料可参考相对滑动速度vs来选择。铸造锡青铜抗胶合性、耐磨性好，易加工，允许的滑动速度vs高，但强度较低，价格较贵。一般ZCuSn10P1允许滑动速度可25m/s, ZCuSn5Pb5Zn5常用于vs12m/s的场合。铸造铝青铜，如ZCuAl10Fe3,其减磨性和抗胶合性比锡青铜差，但强度高，价格便宜，一般用于vs4m/s的传动。灰铸铁（HT150、HT200），用于vs2m/s的低速轻载传动中。三、蜗杆、蜗轮的结构1.蜗杆的结构a） b）图10-8 蜗杆轴结构蜗杆常和轴做成一体，称为蜗杆轴，如图10-8所示（只有df /d 1.7时才采用蜗杆齿圈套装在轴上的型式）。车制蜗杆需有退刀槽，d=df (24)mm，故刚性较差（图a）；铣削蜗杆无退刀槽时d可大于df (图b)，刚性较好。2.蜗轮的结构 a) b) c) d)图10-9 蜗轮结构蜗轮结构分为整体式和组合式两种，如图10-9所示。图a)所示的整体式蜗轮用于铸铁蜗轮及直径小于100mm的青铜蜗轮。图b)、c)、d)均为组合式结构，其中图b）为齿圈式蜗轮，轮芯用铸铁或铸钢制造，齿圈用青铜材料，两者采用过盈配合（H7/s6或H7/r6），并沿配合面安装46个紧定螺钉，该结构用于中等尺寸而且工作温度变化较小的场合。图c）为螺栓式蜗轮，齿圈和轮芯用普通螺栓或铰制孔螺栓连接，常用于尺寸较大的蜗轮。图d）为镶铸式蜗轮，将青铜轮缘铸在铸铁轮芯上然后切齿，适用于中等尺寸批量生产的蜗轮。第四节：蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算一、蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动的总效率包括：啮合效率1、搅油效率2和轴承效率3，即： （10-5）啮合效率1是总效率的主要部分，蜗杆为主动件时啮合效率按螺旋传动公式求出： 通常取230.950.97,故有： （10-6）式中：为蜗杆螺旋升角（导程角）；为当量摩擦角，=arctan fv其值如表10-4所示。 表10-4当量摩擦系数fv和当量摩擦角v蜗轮材料锡青铜铝青铜灰铸铁蜗杆齿面硬度45HRC45HRC45HRC45HRC45HRC滑动速度vs (m/s)fvvfvvfvvfvvfvv0.010.1106170.1206510.18010120.01810120.19010450.050.0905090.1005430.1407580.1407580.1609050.100.0804340.0905090.1307240.1307240.1407580.250.0653430.0754170.1005430.1005430.1206510.500.0553090.0653430.0905090.0905090.1005431.000.0452350.0553090.0704000.0704000.0905091.500.0402170.0502520.0653430.0653430.0804342.000.0352000.0452350.0553090.0553090.0704002.500.0301430.0402170.0502523.000.0281360.0352000.0452354.000.0241220.0311470.0402175.000.0221160.0291400.0352008.000.0181020.0261290.03014310.00.0160550.02412215.00.0140480.02010924.00.013045注：对于硬度45HRC的蜗杆，v值系指Ra 0.321.25m，经跑合并充分润滑的情况。在初步计算时，蜗杆的传动效率可近似取下列数值：表10-5 蜗杆的传动效率选择闭式传动z112460.70.750.750.820.820.920.860.95开式传动0.600.70二、蜗杆传动的润滑开式传动则采用粘度较高的齿轮油或润滑脂进行润滑。闭式蜗杆传动用油池润滑，在vS5m/s时常采用蜗杆下置式，浸油深度约为一个齿高，但油面不得超过蜗杆轴承的最低滚动体中心，润滑对蜗杆传动特别重要，因为润滑不良时，蜗杆传动的效率将显著降低，并会导致剧烈的磨损和胶合。通常采用粘度较大的润滑油，为提高其抗胶合能力，可加入油性添加剂以提高油膜的刚度，但青铜蜗轮不允许采用活性大的油性添加剂，以免被腐蚀。闭式蜗杆传动的润滑油粘度和润滑方法可参考表10-6选择。表10-6 蜗杆传动的润滑油粘度及润滑方法滑动速度vS (m/s)12.55101015152525工 作 条 件重载重载中载运动粘度40 (mm2/s)100068032022015010068润 滑 方 法浸 油浸油或喷油喷油润滑，油压（MPa）0.070.20.3三、蜗杆传动的热平衡计算蜗杆传动效率低，发热量大，若产生的热量不能及时散逸，将使油温升高，油粘度下降，油膜破坏，磨损加剧，甚至产生胶合破坏。因此对连续工作的蜗杆传动应进行热平衡计算。在单位时间内，蜗杆传动由于摩擦损耗产生的热量为： W式中：P1 蜗杆传动的输入功率（KW）； 蜗杆传动的效率。自然冷却时单位时间内经箱体外壁散逸到周围空气中的热量为： W式中：KS为散热系数，可取Ks=(817)W/m2，通风良好时取大值；A为散热面积（m2）；t1为箱体内的油温，一般取许用油温t1=6080，最高不超过90；t0为周围空气的温度，通常取t0=20。按热平衡条件Q1= Q2，可得工作条件下的油温为： （7-16）a） b) c)图10-10 蜗杆传动的散热方法若工作温度超过许用温度，可采用下列措施：在箱体壳外铸出散热片，增加散热面积A。在蜗杆轴上装风扇（图10-10a），提高散热系数，此时Ks2028W/m2。加冷却装置。在箱体油池内装蛇形冷却管（图10-10b），或用循环油冷却(图10-10C)。第五节：螺旋传动简介一、螺旋传动的组成、特点和应用螺旋传动由螺杆、螺母和机架组成，主要用于把回转运动变为直线运动，同时传递运动和动力。运动准确性高，且有很大的减速比；工作平稳、无噪声，可以传递很大的轴向力。螺旋机构的结构简单，制造方便，螺旋传动在各种机械产品上，如仪器仪表、工装夹具、测量工具等方面得到广泛应用。二、螺旋传动的分类1. 图10-11 螺旋千斤顶螺旋传动按其用途和受力情况分为如下三类。(1)传力螺旋。它主要用来传递轴向力，要求用较小的力矩转动螺杆（或螺母）而使螺母（或螺杆）产生直线移动和较大的轴向力，例如：螺旋千斤顶（图10-11）和螺旋压力机的螺旋等。(2)传导螺旋。它主要用来传递轴向力，要求具有较高的传动精度，例如车床刀架和进给机构的螺旋等。(3)调整螺旋。它主要用来调整和固定零件或工件的相互位置，不经常传动，受力也不大，如车床尾座和卡盘头的螺旋等。这些螺旋传动一般采用梯形螺纹、锯齿形螺纹或矩形螺纹，其主要特点是结构简单，运转平稳无噪声，便于制造，易于自锁，但传动效率较低，摩擦和磨损较大等。2. 螺旋传动按其螺旋副的摩擦情况来分类（1）滑动螺旋滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。一般螺纹升程和摩擦系数都不大，因此虽然轴向力F相当大，而转矩T则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。升程越小则机械增益的效果越显著。滑动螺旋传动的效率低，一般为3040，能够自锁。而且磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。（2）滚动螺旋用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动。滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式，按滚珠循环方式分外循环和内循环。外循环的导路为一导管,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环用反向器，一个螺母上通常有24个反向器，将螺母中滚珠分别联成24个封闭循环，每圈滚珠只在本圈内运动。外循环的螺母加工方便，但径向尺寸较大。为提高传动精度和轴向刚度，除采用滚珠与螺纹选配外，常用各种调整方法以实现预紧。在JB/T3162-1991中，将滚动螺旋传动称为滚珠丝杆副。该标准规定，滚珠丝杆副分为定位滚珠丝杆副（称P类）和传动滚珠丝杆副（称T类）。前者是通过旋转角度和导程控制轴向位移量的滚珠丝杆副，后者是与旋转角度无关用于传递动力的滚珠丝杆副。滚动螺旋按循环方式可分为内循环和外循环两种。外循环方式的滚珠返回时离开丝杠螺纹滚道，在螺母的体内或体外循环滚动，根据滚珠返回的结构分为螺旋槽式、插管式(图4-14)、端盖式三种。内循环方式的滚珠在整个循环过程中始终与丝杠表面接触，如图4-15所示，其特点是滚珠循环回程短使流畅性好、效率高、螺母径向尺寸小，但反向器加工困难、装配不便。 （a） 外循环 （b）内循环图10-12 滚动螺旋的循环方式分析与探究1. 蜗杆传动的模数和压力角是在那个平面上定义的？蜗杆传动正确啮合的条件是什么？2. 为什么蜗杆传动常采用青铜蜗轮而不采用钢制蜗轮？为什么青铜蜗轮常采用组合结构？3.为什么对连续工作的闭式蜗杆传动要进行热平衡计算？若蜗杆传动的温度过高应采取哪些措施？4.怎样设计差动螺旋机构可获得极小位移和很大位移？工程训练1. 试举出生活中、生产中对蜗杆传动的应用的两个实例，并思考为什么要选用蜗杆传动而不选择其他的传动方式。2.对锥齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器进行拆装，比较二者异同。3.试举出生活中、生产中对螺旋传动的应用的两个实例4.分别找一虎钳和滚珠丝杠进行拆装，比较二者在结构上的异同。知识拓展蜗杆蜗轮副是广泛应用的机械传动零部件，由于其齿面几何形状的复杂性，目前蜗轮的加工制造，不论是用蜗轮滚刀（制造成本高）或是飞刀铣削（效率低）都很难制造出高精度蜗轮，而且蜗轮齿面无法磨削。由于蜗杆蜗轮齿面相对滑动速度大，两啮合齿中必须有一个是软齿面，这就大大降低了其承载能力。通过多年的研究，某公司开发出了系列新型传动副。这种新型传动副代表了该领域的最新研究成果。该传动副是采用可磨削蜗杆与渐开线齿轮传动。这种新型蜗杆齿轮传动不仅具有传统蜗杆蜗轮传动的优点，如大传动比、自锁、体积小、结构紧凑等，同时还具有下述优点：（1）易加工、精度高。由于该传动的蜗轮实际上是渐开线齿轮，因此可采用传统的齿轮加工方法制造，加工成本远远低于蜗轮，而加工精度和效率却大大高于蜗轮。“蜗轮”的软齿面（铜或铸铁）可采用钢质硬齿面制造，齿面经热处理后可磨削，从而提高轮齿的强度和精度；蜗杆采用可磨削蜗杆，因而大大提高了整个传动副的制造精度。（2）承载能力大。硬齿面的“蜗轮”提高了传动付的承载能力，加之环面蜗杆的多对齿参与啮合，从而可以大大提高承载能力，结构设计更紧凑。产品系列：环面蜗杆齿轮传动和圆柱蜗杆齿轮传动。除了一般的机械传动应用领域外，这种新型传动副还有其特殊的应用领域。环面蜗杆齿轮传动副可应用于重载机械设备中，如冶金矿山机械、电梯提升设备、舰艇和船舶甲板机械等；圆柱蜗杆齿轮传动副可应用精密机械传动中，如分度装置、仪器设备等。知识归纳(1)蜗杆传动传动比大,结构紧凑,具有自锁性,工作平稳噪声低,冲击载荷小.但