CH11机械设计

第十一章蜗杆传动,11-1蜗杆传动概述与类型,11-2普通蜗杆传动的主要参数与几何尺寸计算,11-3普通蜗杆传动的承载能力计算,11-5普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡计算,11-6圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,11-4圆弧圆柱蜗杆传动设计计算*,蜗杆传动概述,蜗杆传动是一种在空间交错轴间传递运动的机构。,11-1蜗杆传动概述与类型,蜗杆传动的主要特点有：1传动比大，一般为i=580，大的可达300以上；,2重合度大，传动平稳，噪声低；,3摩擦磨损问题突出，磨损是主要的失效形式；,4传动效率低，具有自锁性时，效率低于40%。,由于上述特点，蜗杆传动主要用于运动传递，而在动力传输中的应用受到限制。,随着加工工艺技术的发展和新型蜗杆传动技术的不断出现，蜗杆传动的优点得到进一步的发扬，而其缺点得到较好地克服。因此蜗杆传动已普遍应用于各类运动与动力传动装置中。,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,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。,普通蜗杆传动的参数与尺寸1,蜗杆传动类型选择的原则,1）重载、高速、要求效率高的重要传动，可选用圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）传动或包络环面蜗杆传动。,设计蜗杆传动时，应根据各种蜗杆传动的特点，考虑传动的要求和使用条件，从满足功能要求出发，合理选择蜗杆传动的类型。,2）要求传动效率高、蜗杆不磨削的大功率传动，可选用环面蜗杆传动。,3）速度高、要求较精密、蜗杆头数较多的传动，且要求加工工艺简单，可选用渐开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆）传动、锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）传动或法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）传动。,4）载荷较小、速度较低、精度要求不高或不太重要的传动，要求蜗杆加工简单时，可选用阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆）传动。,5）要求自锁的低速、轻载的传动，可选用单头阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆）传动。,普通蜗杆传动的参数与尺寸1,11-2普通蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,一、模数m和压力角a,蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴面模数、压力角应与蜗轮的端面模数、压力角相等，即ma1=mt2=maa1=at2,二、蜗杆的分度圆直径d1,由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，为了限制滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径d1。直径d1与模数m的比值(q=d1m)称为蜗杆的直径系数。,详细内容,在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与齿轮啮合传动。故在设计蜗杆传动时，均取中间平面上的参数（如模数、压力角等）和尺寸（如齿顶圆、分度圆等）为基准，并沿用齿轮传动的计算关系。,普通蜗杆传动的参数与尺寸2,四、导程角,在m和d1为标准值时，z1,五、传动比i和齿数比u,正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且蜗杆分度圆上导程角与蜗轮分度圆螺旋角相等。,三、蜗杆的头数z1,较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通常蜗杆头数取为1、2、4、6。(蜗杆头数与传动效率关系),六、蜗轮齿数z2,蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2=iz1。z2不宜太小（如z226)，否则将使传动平稳性变差。z2也不宜太大（如z280)，这是由于当蜗轮直径不变时，z2越大，模数就越小，将使轮齿的弯曲强度削弱；模数不变时，蜗轮直径将增大，从而使相啮合的蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的弯曲刚度。（Z1与Z2的荐用值表）,七、中心距,（11-4）,标准普通圆柱蜗杆传动的基本尺寸和参数列于表11-2。在按照接触强度或弯曲强度确定了m2d1后，一般应按照表11-2的数据确定蜗杆与蜗轮的尺寸和参数。,普通蜗杆传动的承载能力计算1,11-3普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,一、蜗杆传动的失效形式,和齿轮传动一样，蜗杆传动的失效形式也有点蚀（齿面接触疲劳破坏）、轮齿折断、齿面胶合及过度磨损等。由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度，所以失效经常发生在蜗轮轮齿上。因此一般只对蜗轮轮齿进行承载力计算。蜗杆传动的主要问题是摩擦磨损严重，这是设计中要解决的主要问题。,蜗轮磨损、系统过热、蜗杆刚度不足是主要的失效形式。,二、蜗杆传动的常用材料,三、蜗杆传动的设计准则,蜗杆的刚度计算防止蜗杆刚度不足引起的失效。,传动系统的热平衡计算（闭式传动）防止过热引起的失效。,在开式传动中多发生齿面磨损和轮齿折断，因此应以保证齿根弯曲疲劳强度作为开式传动的主要设计准则。在闭式传动中，蜗杆副多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，通常是按齿面接触疲劳强度进行设计，而按齿根弯曲疲劳强度进行胶合。,由上述蜗杆传动的失效形式而知，蜗杆、蜗轮不仅要求具有足够的强度，更重要的是要具有良好的磨合和耐磨性能。,普通蜗杆传动的承载能力计算2,四、蜗杆传动的受力分析,蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相同，轮齿在受到法向载荷Fn的情况下，可分解出径向载荷Fr、周向载荷Ft、轴向载荷Fa。,蜗杆传动受力方向判断,五、蜗杆传动强度计算,在不计摩擦力时，有以下关系：,标准斜齿圆柱齿轮强度计算3,1、蜗轮齿面接触疲劳强度计算,蜗轮齿面接触疲劳强度计算的原始公式仍来源于赫兹公式。,校核计算公式：,设计计算公式：,式中系数从相应图表中查取。,(11-9),(11-10),标准斜齿圆柱齿轮强度计算4,刚度条件：,六、蜗杆的刚度计算：,(11-15),(11-11),校核计算公式：,设计计算公式：,(11-12),蜗杆受力如果产生过大变形，就会造成轮齿上的载荷集中，影响蜗杆与蜗轮的正确啮合，所以还需进行刚度校核。校核时，通常是把蜗杆螺旋部分看做以蜗杆齿根圆直径为直径的轴段，主要是校核蜗杆的弯曲刚度。,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡1,11-5普通蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,一、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一般包括三部分，即啮合摩擦损耗、轴承损耗及浸入油池中的零件搅油时的溅油损耗。因此总效率为：,蜗杆传动的效率较低，各方面的计算如不考虑传动效率则会使分析误差加大，所以设计蜗杆传动是要考虑传动效率的影响，传动效率受三方面的影响，影响效率最大的是传动零件，由于蜗轮与蜗杆的接触表面上的相对滑动较大，引起较大的能量损失，效率计算方法如公式，另外的影响传动效率的因素有支撑件效率和润滑效率。,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡1,h1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：,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,式中：g蜗杆的导程角；v当量摩擦角。,由于轴承摩擦及溅油这两项功率损耗不大，一般取23=0.950.96,(11-18a),普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡2,二、蜗杆传动的润滑,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。,润滑油,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。,详细介绍,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。,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡3,三、蜗杆传动的热平衡,由于传动效率较低，对于长期运转的蜗杆传动，会产生较大的热量。如果产生的热量不能及时散去，则系统的热平衡温度将过高，就会破坏润滑状态，从而导致系统进一步恶化。,系统因摩擦功耗产生的热量为：,自然冷却从箱壁散去的热量为：,在热平衡条件下可得：,可用于系统热平衡验算，一般to7080,可用于结构设计,ad箱体表面的散热系数，可取ad(8.1517.45)W/(m2)；,S箱体的可散热面积(m2)；,t0润滑油的工作温度()；ta环境温度()。,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过高时，可采用以下措施：,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,圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计1,11-6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。,圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计2,圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,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：,2020/6/6,21,解：（1）选择材料并确定许用应力蜗杆：由于功率不大，采用45钢表面淬火，硬度45HRC。蜗轮：因转速较高，采用抗胶合性能好的铸锡青铜，ZcuSn10P1，砂模铸造。查表12.6，蜗轮材料的基本许用接触应力为,查表12.8，蜗轮材料的基本许用弯曲应力为,2020/6/6,22,2020/6/6,23,计算寿命系数,计算许用应力：,2020/6/6,24,（2）确定蜗杆头数和蜗轮齿数,由表12.1，根据传动比i值取,（3）计算蜗轮转矩,取,（4）按齿面接触疲劳强度计算,2020/6/6,25,2020/6/6,26,得m=8，q=10,由式（11.11）得,齿根的弯曲疲劳强度校核合格。,2020/6/6,27,2020/6/6,28,2020/6/6,29,（5）验算传动效率,蜗杆分度圆速度为,查表11.9得,2020/6/6,30,2020/6/6,31,符合要求。,（7）中心距a及各部分尺寸,各部分尺寸计算略。,（6）热平衡计算,2020/6/6,32,自测题,1、传递动力时，蜗杆传动的传动比的范围通常为。A、80120,2、与齿轮传动相比，不能作为蜗杆传动的优点。,A、传动平稳、噪声小B、传动比可以较大C、可产生自锁D、传动效率高,3、在标准蜗杆传动中，蜗杆头数z1一定时，若增大蜗杆直径系数q，将使传动效率。,A、提高B、减小C、不变D、增大也可能减小,4、在蜗杆传动中，当其他条件相同时，增加蜗杆头数z1，则传动效率。A、降低B、提高C、不变D、或提高也可能降低,C,D,B,B(见公式11-2，导程角会减小，当量摩擦系数会上升),2020/6/6,33,5、蜗杆直径系数q。A、q=d1/mB、q=md1C、q=a/d1D、q=a/m,6、起吊重物用的手动蜗杆传动，宜采用的蜗杆。A、单头、小导程角B、单头、大导程角C、多头、小导程角D、多头、大导程角,7、在其他条件相同时，若增加蜗杆头数，则滑动速度。A、增加B、不变C、减小D、可能增加也可能减小,8、在蜗杆传动设计中，蜗杆头数z1选多-些，则。A、有利于蜗杆加工B、有利于提高蜗杆刚度C、有利于提高传动的承载能力D、有利于提高传动效率,9、将蜗杆分度圆直径d1标准化，是为了。A、保证蜗杆有足够的刚度B、提高蜗杆传动的效率C、减少加工蜗轮时的滚刀数目D、减小加工蜗杆时的滚刀数目,A,A,A,D,C,2020/6/6,34,10、蜗杆常用材料是。A、HTl5OB、ZCuSnlOPlC、45D、GCr15,11、采用变位蜗杆传动时。A、仅对蜗秆进行变位。B、仅对蜗轮变位。C、必须同时对蜗杆与蜗轮进行变位。,12、提高蜗杆传动效率的主要措施是。A、增大模数m。B、增加蜗轮齿数z2。C、增加蜗杆头数z1。D、增大蜗杆的直径系数q。,13、对蜗杆传动进行热平衡计算，其主要目的是为了防止温升过高导致。A、材料的机械性能下降B、润滑油变质C、蜗杆热变形过大D、润滑条件恶化而产生胶合失效,C,B,C,D,2020/6/6,35,14、润滑条件良好时，蜗杆传动的当量摩擦系数fv随齿面相对滑动速度的增大而。A、增大B不变C、减小D、可能增大也可能减小,15、闭式蜗杆传动的主要失效形式是。A、蜗杆断裂B、蜗轮轮齿折断C、胶合、疲劳点蚀D、磨粒磨损,C（见教材表11-19，随着滑动速度增大，当量摩擦角减小）,C,16蜗杆传动中较为理想的材料组合是。A钢和铸铁B钢和青铜C铜和铝合金D钢和钢,17在蜗杆传动中，当需要自锁时，应使蜗杆导程角_当量摩擦角。A小于B大于C等于,18对闭式蜗杆传动进行热平衡计算，其主要目的是为了防止温升过高导致_。A材料的机械性能下降B润滑油变质C蜗杆热变形过大D