机械设计基础课件第12章蜗杆传动

第12章蜗杆传动WormGearing,12-1蜗杆传动概述,12-2蜗杆传动的类型,12-3普通蜗杆传动的参数与尺寸,12-4普通蜗杆传动的承载能力计算,12-5普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,12-6圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,蜗杆传动蜗杆传动是机械传动中的一种重要形式。其涉及的理论知识与齿轮传动有共同点又有不同之处。本章介绍蜗杆传动的特点，传动类型、参数计算、设计理论（受力分析和强度计算）、润滑、效率及热平衡计算、结构设计。,一、组成和应用,12-1蜗杆传动概述,蜗杆传动用于传递空间交错轴间的运动和动力，常用的轴交错角为90。,组成：蜗杆、蜗轮蜗杆相当于螺旋，有单头和多头、左旋和右旋之分。外形类似：螺旋与斜齿轮的传动。蜗轮则是变异的斜齿轮。,形成：若将一对斜齿轮安装成其轴线既不平行也不相交，就成为交错轴斜齿轮机构。,二、特点,2）工作平稳：蜗杆齿为连续的螺旋齿；逐渐进入啮合和退出，故冲击小、噪声低；,1）i大，结构紧凑、重量轻,蜗杆1、2、4、6,传递动力时：i=5300（常用580）传递运动时：i=几百上千,优点：,齿轮z117,3）自锁性能好(用于提升机构)：当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，反行程自锁。,缺点：,3）蜗轮需用贵重的减摩材料(如青铜)。,2）制造成本高，加工困难。,蜗杆加工,蜗轮加工,1、交错轴斜齿轮机构,蜗杆蜗轮,2、啮合特点：,点接触,线接触,3、加工,蜗杆,车削（螺旋线）（轴平面内的齿形为直线齿廓的齿条）,蜗轮,与蜗杆相似的滚刀展成切制蜗轮,二）：蜗杆蜗轮传动的形成,应用:,*机床：低速工作台、分度*汽车：转向器*冶金：材料运输*矿山：开采设备*起重运输：提升设备、电梯、自动扶梯,当其反行程不自锁时可用作增速运动。,蜗杆传动是用来传递定向交错轴之间的运动和动力，,一般=90。，,二、蜗杆传动及其类型,1、蜗杆传动,且作减速传动。,左旋,右旋,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。,按蜗杆形状分,2蜗杆传动的类型,通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面中间平面。,12-3普通圆柱蜗杆传动的参数与尺寸,从中间平面剖开：齿轮与齿条的传动,蜗杆传动的设计计算都以中间平面的参数和几何关系为准。,中间平面,一、阿基米德蜗杆：轴向齿廓：直线端面齿廓：阿基米德螺旋线法向齿廓：曲线,1）模数m和压力角a,阿基米德圆柱蜗杆传动正确啮合条件是：,两轴线交错为90时：=，且旋向相同。,蜗杆轴面模数,蜗轮端面模数,标准模数,蜗杆轴面压力角,蜗轮端面压力角,2）蜗杆分度圆直径d1和直径系数q,滚切蜗轮的刀具，直径与齿廓参数必须和相应的蜗杆相同。这就是说，即使m相同，直径不同的蜗杆也要求有直径不同的相应的蜗轮滚刀，这是很不经济的，也不合理。,为了限制滚刀数量，对同一种模数的蜗杆，对蜗杆分度圆直径d1制定了标准系列（表12-2）,并引入直径系数。,d1、m为标准值,q直径系数，为导出值,不一定为整数。,注：,3）蜗杆头数z1,蜗杆头数z1：蜗杆上蜗旋线的数目。z1=1、2、4、6等,表12-2,z1少，传动比大，但效率低,z1过多,制造困难,头数是从端面上看蜗杆具有的齿数,4）导程角,蜗杆导程角:蜗杆分度圆柱螺旋线上任一点的切线与端平面间所夹的锐角,啮合效率与导程角的大小有关。,5）传动比i和齿数比u,蜗杆主动：,注意的问题,传递动力：,应避免根切；应传动平稳性，Z228,d2一定时：z2m弯曲强度,m一定时：z2d2蜗杆轴长刚度,表12-1,另一方面：,6）蜗轮齿数z2,7)、中心距a,蜗杆传动变位的特点,1、变位目的：配凑中心距a；凑传动比i。,2、变位方法：与齿轮变位相同,靠刀具的移位实现变位。,蜗杆尺寸不能变动，只对蜗轮变位,变位是利用蜗轮加工刀具相对于蜗轮毛坯的径向位移来实现。,3、变位结果,4、变位类型,1）齿数不变，凑a,2）a不变，齿数变化，凑i,蜗杆传动的几何尺寸计算（表12-3）,一、判定蜗杆、蜗轮的转向：,例：蜗杆为左旋，蜗轮转向为顺时针,右旋蜗杆用右手定则,左旋蜗杆用左手定则,注意：大拇指方向为蜗杆所受轴向力方向。,12-3蜗杆传动的效率与滑动速度,二、蜗杆传动的滑动速度与效率,齿面间滑动速度vs蜗杆传动即使在节点C处啮合，齿廓之间也有较大的相对滑动，滑动速度vs沿蜗杆螺旋线方向。设蜗杆圆周速度为vl、蜗轮圆周速度为v2，由图可得,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡1,三、蜗杆传动的效率,h1计及啮合摩擦损耗的效率；,h2计及轴承摩擦损耗的效率；,h3计及溅油损耗的效率；,闭式蜗杆传动的功率损耗包括三部分：1)轮齿啮合摩擦损耗；2)轴承摩擦损耗；3)浸入油池中的零件搅油时的溅油损耗。,总效率：,式中：g蜗杆的导程角；v当量摩擦角。,1、h1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：,与vs有关,2、由于轴承磨损和溅油功率损耗不大23一般取0.950.96，则总效率为：,所以Z1,效率与蜗杆头数的大致关系为：蜗杆头数总效率0.700.800.900.95,对动力传动，宜采用多头蜗杆,分析：,蜗杆加工困难,过大,当28时，效率增加很少。,当v时，蜗杆具有自锁性，但效率很低。,一、失效形式、设计准则及常用材料,失效形式,点蚀、胶合、磨损、折断,vs摩擦磨损严重，、发热主要为：胶合、磨损,蜗轮强度较弱，失效主要发生在蜗轮上。故一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算。,12-4普通蜗杆传动的失效形式、材料与结构,蜗轮胶合、磨损，蜗杆刚度不足是主要失效形式。,设计准则,总的要求：软硬搭配,材料的选择,要求：足够的强度、良好的减摩性、耐磨性、跑合性和抗胶合能力,在保证足够强度的条件下，要求材料配对使用。,蜗轮软：铸造锡青铜、铸造铝铁青铜、灰铸铁,蜗杆硬：优质碳素钢、合金结构钢,经表面硬化及调质处理,圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,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。,二、蜗轮的结构,为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下：,各力关系：,一、蜗杆传动的受力分析,将作用在齿面节点上的法向力Fn仍分三个相互垂直的分力：圆周力Ft、径向力Fr、轴向力Fa,12-5蜗杆传动的强度计算,普通蜗杆传动的承载能力计算2,各力大小：,1）蜗轮转向,已知：n1、旋向求n2,左、右手定则：四指n1、拇指反向：啮合点v2n2,2）各分力方向,Fr：指向各自轮心,蜗杆与n1反向,蜗轮与n2同向,蜗杆：左、右手定则,蜗轮：,3）旋向判定,方向判定：,力方向的确定,Fr1,Fr2,Ft2,Fa1,例、标出各图中未注明的蜗杆或蜗轮的转动方向，绘出蜗杆和蜗轮在啮合点处的各分力的方向（均为蜗杆主动）。,n1,1,2,n1,1,2,n2,2,1,Fa1,Ft1,Fa2,径向力Fr的方向：略,讨论：两级展开式减速器传动如图：蜗杆传动与斜齿轮传动,已知：主动蜗杆旋向和转向，为使中间轴上两齿轮所受的轴向力相互抵消一部分，试在图中标出各轮螺旋线方向，各轮轴向力、径向力和圆周力的方向,n1,结果：蜗杆传动与斜齿轮传动,n1,g,传动系统如图，已知轮4为输出轮，转向如图，试求：1、蜗杆、蜗轮的旋向；2、标出各轮受力方向。,例,径向力Fr的方向：略,二、圆柱蜗杆传动的强度计算,1）强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）。,2）中间平面内相当于齿条与齿轮啮合，蜗轮类似斜齿轮。,特点：,不同的是：是仿照圆柱齿轮进行齿面及齿根强度的条件性计算，并在选取许用应力时，根据蜗轮的特性来考虑胶合和磨损失效因素的影响。,设计式,校核式,一、蜗轮齿面接触疲劳强度计算,由赫芝公式（Hertz）按中间平面内参数进行强度计算,说明：,设计时：,许用应力与蜗轮材料有关,蜗轮材料为铸造锡青铜（强度极限小于300MPA）时：,主要失效形式是点蚀，H=KHNH，H见表12-7,蜗轮材料为高强度铸造铝铁青铜或灰铸铁时：,主要失效形式是齿面胶合，不属于疲劳失效，与应力循环次数N无关，按照材料组合和滑动速度查表12-6,5)K=KAKKV载荷系数,二、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算,齿根折断一般发生在Z290，及开式传动中，在闭式传动中弯曲强度计算作为校核计算。弯曲强度校核的目的：1）判别其弯曲断裂的可能性；2）对于重载传动，通过计算还可判断由于轮齿的弯曲变形量对蜗杆副运动平稳性影响程度.,按斜齿轮的方法计算,但蜗轮齿形、载荷分布复杂，只能得出近似解,四、蜗杆的刚度计算,蜗杆受力后产生过大的变形，就会造成轮齿上的载荷集中，影响蜗杆与蜗轮的正确啮合，所以蜗杆还需进行刚度校核。通常把蜗杆螺旋部分看作以蜗杆齿根圆直径为直径的轴段，主要校核蜗杆的弯曲刚度。,刚度条件：,五、普通圆柱蜗杆传动的精度等级及其选择,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡2,一、蜗杆传动的润滑至关重要！,目的：1）提高效率；2）降低温升，防止磨损和胶合,润滑油,润滑油粘度及给油方式（表12-21）,由于摩擦损耗大，油温升比较高，润滑油的粘度，易胶合，所以，应采用较高粘度的润滑油；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。,润滑油,一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。,详细介绍,12-6普通蜗杆传动润滑与热平衡,潘存云教授研制,潘存云教授研制,当vs510m/s时，采用油池浸油润滑。为了减少搅油损失，下置式蜗杆不宜浸油过深，约为一个齿高。,当vs1015m/s时，采用压力喷油润滑。,当vS4m/s时，采用蜗杆在上的结构。浸油深度约为蜗轮外径的1/3。,润滑油量,润滑油量的选择考虑:1)充分的润滑2)不致产生过大的搅油损耗,蜗杆传动热平衡计算的目的,热平衡条件及其计算式,12,传动产生的热量1,散发出去的热量2,问题：1、为什么闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算？2、热平衡条件是什么？,二、蜗杆传动的热平衡计算,Vs摩擦损耗发热大润滑油粘度下降,摩擦功耗：,传动产生的热流量为：,自然冷却散去的热量：,12,散热面积S-箱体能被空气冷却、且其内壁又能被油飞溅到的面积。,可用于系统热平衡验算，一般to7080,可用于结构设计,1、在热平衡条件下可得在既定工作条件下的油温：,2、同理可得在既定条件下，保持正常工作温度所需的散热面积S,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡4,四、蜗杆传动的散热措施,当自然冷却的热平衡温度t0过高或有效散热面积不足时，必须采用以下散热措施：,1、加散热片以增大散热面积或在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流通。,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡5,2.加冷却管路或散热器冷却。,传动箱内装循环冷却管路,传动箱外装循环冷却器,本章结束,基本要求,1、掌握蜗杆传动的几何参数的计算及选择方法，着重了解杆径系数q的含义及引入此系数的重要性；2、掌握蜗杆传动的受力分析及强度计算；3、了解蜗杆传动的热平衡原理和计算方法；4、了解蜗杆的种类、特点、变位及蜗杆轴的挠度计算；5、掌握蜗杆、蜗轮的结构、润滑方法.,重点与难点,1、重点：蜗杆传动的失效形式和计算准则；蜗杆传动的受力分析；蜗杆传动的强度计算；蜗杆传动的效率和热平衡计算.2、难点：传动的