第06章-蜗杆传动设计分解.ppt

第六章蜗杆传动设计,一蜗杆传动组成由蜗轮和蜗杆组成,a）蜗杆下置,b）蜗杆上置,二蜗杆传动的应用蜗杆传动用于传递空间两交错轴之间的运动和转矩，两轴线之间交错的夹角可以是任意的，但最常用的是两轴在空间相互垂直，轴交角为90。,类型、特点，几何尺寸计算,主要参数及其选择，轮齿受力分析重点,蜗杆传动承载能力计算蜗轮轮齿强度、蜗杆刚度计算,蜗杆传动热平衡计算控制温升，防止胶合破坏,1.结构紧凑，传动比大(动力传动中，一般单级传动比i=880，在分度传动中，可达1000)，,2.传动平稳，振动、冲击和噪声均很小，在一定的条件下具有自锁性等蜗杆,传动缺点在制造精度和传动比相同的情况下，蜗杆传动的摩擦发热大，效率比齿轮传动低，只宜用于中、小功率的场合,6-1蜗杆传动概述,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动,锥面蜗杆传动,普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用直线刀刃的车刀车制的(zK型蜗杆除外)。车刀安装位置的不同，所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的齿廓曲线也不同。,一）普通圆柱蜗杆传动,1.阿基米德蜗杆（ZA）,一）普通圆柱蜗杆传动,蜗杆齿廓特点：,垂直于轴线的剖面上齿廓为阿基米德螺旋线；,通过蜗杆轴线的剖面上为直线齿廓；,不便加工，且难于磨削，不易保证精度，用于低速、轻载或不太重要的传动。,蜗轮齿廓及蜗杆蜗轮传动特点：,蜗轮齿廓在中间平面上（通过蜗杆轴线且垂直于蜗轮轴线的平面）蜗轮齿廓为渐开线,蜗杆蜗轮传动特点在中间平面上蜗杆蜗轮的啮合如齿轮、齿条的啮合关系,2.渐开线蜗杆（ZI）,蜗杆齿廓特点：蜗杆齿面为渐开螺旋面，端面齿廓为渐开线,蜗杆可以磨削，易保证加工精度，用于头数较多、转速较高和较精密的传动。,蜗杆可用两把直线刀刃的车刀在车床上车制。加工时，两把车刀的刀刃平面一上一下与基圆相切，被切出的蜗杆齿面是渐开线螺旋面，端面的齿廓为渐开线。,3.法向直廓蜗杆（ZN）,蜗杆齿廓特点：蜗杆法面齿廓为直线，端面齿廓为延伸渐开线,蜗杆加工简单，可以磨削，用于多头、精密的蜗杆传动。,车制时刀刃顶面置于螺旋线的法面上，蜗杆在法向剖面上具有直线齿廓，在端面上为延伸渐开线齿廓。,6-2普通圆柱蜗杆传动基本参数及几何尺寸计算,一普通圆柱蜗杆传动的基本参数及及其选择,阿基米德蜗杆在主剖面内相当于齿轮与齿条的啮合传动。主要参数有：模数m、压力角、蜗杆头数Z1、蜗轮齿数Z2、蜗杆直径系数q、蜗杆分度圆柱导程角等。,一）模数m和压力角,蜗杆轴面压力角x1=蜗轮端面压力角t2=标准压力角=20,蜗杆轴面模数mx1=蜗轮端面模数mt2=标准模数m,二）蜗杆分度圆直径(又称中圆直径)d1和直径系数q,蜗杆传动中，为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，常用与蜗杆具有同样参数的蜗轮滚刀来加工与其配对的蜗轮。这样，只要有一种尺寸的蜗杆，就必须有一种对应的蜗轮滚刀。为了减少蜗轮滚刀的数目，为便于蜗轮滚刀的标准化，规定蜗杆直径d1为标准值，且与m搭配。d1与m的比值称为蜗杆直径系数，用q表示，即：,注意：由于d1与m均为标准值，故q是d1、m两个参数的导出值，不一定是整数，d1、m、q之间关系见表6-1。,因此，蜗杆分度圆直径:,蜗杆分度圆导程角蜗杆轮齿的切线与其端面之间的夹角,导程（同一条螺旋线上相邻两齿同侧齿廓之间的轴向距离）：pz=z1px,蜗杆轴向齿距（相邻两齿同侧齿廓之间的轴向距离）：px=m,，效率高，330的蜗杆具有自锁性。,导程角与导程的关系,导程角：,三）蜗杆分度圆柱导程角,三）传动比i、蜗杆头数Z1及蜗轮齿数Z2,2蜗杆头数Z1蜗杆螺旋线数,对结构尺寸：i一定时，Z1则Z2尺寸，且加工困难,对效率Z1时，其效率啮=tan/tan（+v）,对自锁Z1时，自锁性好,考虑传动比i则Z1，i时Z1见表6-2,考虑用途对反行程有自锁要求的传动取Z1=1,考虑效率要求要求啮时宜选Z1,一般Z114,1传动比i,注意：,d1=qmZ1m,3.蜗轮齿数Z2,具体选择时，还应考虑i、z1、z2匹配关系,对蜗杆刚度M不变时，Z2则d2，蜗杆轴跨距，刚度,对蜗轮加工Z2,蜗轮轮齿发生根切,避免产生根切，与单头蜗杆啮合的蜗轮，其齿数17,增大啮合区提高平稳性，通常规定28（保持两对齿啮合）,为防止蜗轮尺寸过大造成蜗杆轴跨距大降低蜗杆的弯曲刚度Z2max80。,蜗杆头数与蜗轮齿数的荐用值,二.蜗杆传动的正确啮合条件,当两轴线交错角=90时，导程角应与蜗轮分度圆柱螺旋角等值且方向相同。,1=2,三.普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算,一）普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸,普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算公式见表-2,注意：,1.蜗杆分度圆直径：d1=qmZ1m,2.蜗杆传动的中心距：a=0.5（d1+d2）=0.5m（q+Z2）0.5m（Z1+Z2）,分度圆直径d2,顶圆直径da2,根圆直径df2,指蜗轮中间平面上的值,一蜗杆、蜗轮配对材料选择,6-3蜗杆传动的材料选择、失效形式及设计准则,特点结构细而长易变形，一般为主动件，n1应力循环次数N1，且连续运转；,要求材料的抗变形能力强（E）；轮齿强度要高（BS）；,冲击大20Cr、20CrMnTi、12CrNi3A表面渗碳淬火(齿面硬度5662HRC）,冲击小40、45钢和40Cr、40CrNi、42SiMn表面淬火(齿面硬度4555HRC）,不太重要的低速中载蜗杆用45、40等碳素钢调质处理（硬度为220300HBS）。,一）蜗杆材料选择:,二）蜗轮的材料选择,强度足够,减摩性好（fV）：fV钢-青铜fV钢-铸铁fV钢-钢,锡青铜ZCuSn10PI等耐磨性最好，但价格较高,用于高速或重要传动,铝铁青铜ZcuAl10Fe3Mn2耐磨性较好，但价格便宜，用于中速，较重要传动,灰铸铁(HTl50或HT200)用于低速轻载,VS4ms选锡青铜作蜗轮的齿圈,VS24ms选铝铁青铜,VS2ms选灰铸铁,二蜗杆传动的失效形式及计算准则,一）蜗杆传动的失效形式,蜗杆传动的失效特点由于材料和结构上的原因，在一般情况下，失效多发生在蜗轮上。,闭式蜗杆传动主要失效形式：,齿面点蚀齿面接触应力H循环作用引起当z280时也会出现轮齿的弯曲折断,开式蜗杆传动的主要失效形式蜗轮轮齿的磨损。,齿面胶合由于蜗杆蜗轮齿面间的相对滑动速度较大（），效率低发热量大，使润滑油粘度因温度升高而下降，润滑条件变坏，容易发生胶合。,开式蜗杆传动主要是控制因磨损而引起的蜗轮轮齿的折断，按齿根弯曲疲劳强度条件设计计算或校核计算。,二）计算准则,闭式蜗杆传动按齿面接触强度设计，校核齿根弯曲强度，连续工作的闭式传动，摩擦发热大，效率低，温度升高，散热不好，引起润滑条件恶化而产生胶合，还需进行传动效率和热平衡计算以控制温升。,假定作用在蜗杆齿面上的法向力Fn集中在点C,一蜗杆传动的受力分析,6-3蜗杆传动的的受力分析和强度计算,径向分力Fr1,圆周力Ft1,轴向力Fa1,圆周力Ft1,径向力Fr1,轴向力Fa1,切向力F,蜗杆上的径向力与蜗轮上的径向力，大小相等而方向相反。,一）各力相互之间的关系,蜗杆上的轴向力与蜗轮上的圆周力大小相等而方向相反。,蜗杆上的圆周力与蜗轮上的轴向力大小相等而方向相反。,即：,即：,即：,二）各力的大小,蜗杆分度圆柱导程角。,式中：T1、T2蜗杆、蜗轮上的工作转矩(T2=T1i，i为传动比，为传动效率)；,d1、d2蜗杆、蜗轮的分度圆直径；,n、蜗杆法面压力角、标准压力角，n=20；,三）各力方向判定,Ft1（蜗杆）蜗杆为主动件,受的是阻力，与力的作用点速度方向相反,径向力沿各轮半径指向轴心；,Fa1（蜗杆）方向由左（右）手定则来确定。右旋用右手，四指弯曲方向表示转向，大拇指指向。,蜗轮旋转方向n2根据螺旋传动方法判断,四）各力在蜗杆传动简图上表示,力在传动简图上表示,Fa2（蜗轮）与Ft1方向相反,Ft2（蜗轮）蜗轮为从动件,受的是推力，故Ft2与力的作用点速度方向相同,位于纸面内的力：用画箭头方法表示,指向读者时：用表示,2轮齿的强度计算只计算蜗轮齿面接触疲劳强度因一般情况下，蜗轮轮齿很少发生弯曲疲劳折断，只有当蜗轮齿数80100或开式传动时，才进行弯曲疲劳强度计算。,二.蜗杆传动的强度计算,一）蜗杆传动的强度计算特点,1只进行蜗轮轮齿的强度计算因蜗杆传动的失效一般发生在蜗轮上,蜗杆的强度可按轴的强度计算方法进行，必要时还要进行蜗杆的刚度校核。,二）蜗轮齿面接触疲劳强度计算方法由于阿基米德圆柱蜗杆传动可近似地看作齿条和斜齿圆柱齿轮的啮合传动。因此蜗轮齿面的接触疲劳强度计算与斜齿圆柱齿轮传动相似。仍以赫兹公式为原始公式，并按节点啮合的条件进行计算。,三）蜗轮齿面接触疲劳强度计算省略,式中:V当量摩擦角，V=arctanfV，fV当量摩擦系数,轮齿啮合损耗功率的效率：,6-5蜗杆传动的润滑、效率及热平衡计算,二、蜗杆传动的效率,一、蜗杆传动的润滑自学,轴承摩擦损耗功率的效率：2=0.980.99；,浸人油中零件的搅油损耗功率的效率3=0.970.99,故其总效率为:=123=(0.950.96),导程角：则，=arctan（Z1/q），q一定时，Z1,V则,V则,设计之初，为求出蜗轮轴上的转矩，可根据蜗杆头数对效率作如下估取：当Z1=1时，=0.70.75；Z1=2时,=0.750.82；Z1=3时,=0.820.85；Z1=4时,=0.850.92。,三、蜗杆传动的热平衡计算,热平衡单位时间内的发热量=单位时间内的散热量,1单位时间内的发热量H1,2单位时间内的散热量H2热量从箱体外壁散发到周围空气中,式中：Kt箱体的散热系数，Kt=1017W/（m2），大值用于通风条件良好的环境；,式中：P1蜗杆传递的功率，蜗杆传动的总效率。,t0环境温度，在常温下可取=20；t达到热平衡时的油温，。,W,W,A散热面积m2，即箱体内表面被油浸着或油能溅到且外表面又被空气所冷却的箱体表面积，凸缘及散热片面积按50计算；,1)增大散热面积A在箱体外壁增加散热片，加散热片时，还应注意散热片配置的方向要有利于热传导；,2)增大散热系数Kt在蜗杆轴端设置风扇进行人工通风，此时,Kt2028W(m2)；,t最高不超过90,若超过允许值，应采取措施提高传动的散热能力.,提高传动的散热能力措施:,6080,3热平衡的条件：,由此可求得达到热平衡时的油温为:,6070,采用压力喷油循环润滑。,在箱体油池中装设蛇形冷却管；,例6-1图示蜗杆传动中，蜗杆主动，试标出未注明的蜗杆（或蜗轮）的螺旋线方向及转向，并在图中绘出蜗杆、蜗轮啮合点处作用力的方向（用三个分力：圆周力Ft、径向力Fr、轴向力F表示）。,蜗杆传动受力分析实例,a）因蜗轮是右旋，故蜗杆为右旋,a）,b）因蜗杆是左旋，故蜗轮为左旋,b）,c）因蜗杆是右旋，故蜗轮为右旋,C),解答：,1.根据蜗杆传动正确啮合条件=，确定未注明的蜗杆（或蜗轮）的螺旋线方向,3.根据螺旋副的运动规律，确定未注明的蜗杆（或蜗轮）的转向。,2.蜗杆、蜗轮啮合点处作用力的方向:因蜗杆为主动件，圆周力Ft1与其转向相反；径向力Fr