涡轮蜗杆传动设计

1、广西工学院专用 作者： 潘存云教授 第第11章蜗杆传动章蜗杆传动 11-1蜗杆传动概述蜗杆传动概述 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 11-3普通蜗杆传动的参数与尺寸普通蜗杆传动的参数与尺寸 11-4普通蜗杆传动的承载能力计算普通蜗杆传动的承载能力计算 11-6圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计 11-5蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 潘存云教授研制 11-1蜗杆传动蜗杆传动 概述概述 作用：作用： 用于传递交错轴之间的回转运动和动力。用于传递交错轴之间的回转运动和动力。 蜗杆主动、蜗轮从动

2、。蜗杆主动、蜗轮从动。9090 形成：形成：若单个斜齿轮的齿数很少若单个斜齿轮的齿数很少（如（如z1=1）而且而且1 1很很 大时，大时，轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋。轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋。 1 1 1 所得齿轮称为所得齿轮称为 蜗杆蜗杆, , 而啮合件称为而啮合件称为 蜗轮。蜗轮。 蜗杆蜗杆 2 2 2 蜗轮蜗轮 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 改进措施：改进措施：将刀具做成蜗杆状，用范成法切制蜗轮，将刀具做成蜗杆状，用范成法切制蜗轮， 所得蜗轮蜗杆为所得蜗轮蜗杆为线接触线接触。 点接触点接触 优点：优点： 传动比大、结构紧凑、传动平稳、噪声小。传动比大、

3、结构紧凑、传动平稳、噪声小。 分度机构：分度机构：i i=1000, =1000, 通常通常i i=8=88080 缺点：缺点： 传动效率低、蜗轮齿圈用青铜制造，成本高。传动效率低、蜗轮齿圈用青铜制造，成本高。 线接触线接触 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆圆柱蜗杆 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 环面蜗杆环面蜗杆 锥蜗杆锥蜗杆 锥蜗杆传动中，蜗杆是由在节锥上分布 的等导程

4、的螺旋形成的，而蜗轮在外观上 就像一个曲线锥齿轮，它是用与锥蜗杆相 似的锥滚刀在普通滚齿机加工而成的。 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用直线刀刃直线刀刃 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。齿面的齿廓形状不同。 潘存云教授研制 普通圆柱蜗杆普通圆柱蜗杆

5、广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆圆弧圆柱蜗杆 圆弧圆柱蜗杆传动与普通圆柱蜗杆传动的区别仅圆弧圆柱蜗杆传动与普通圆柱蜗杆传动的区别仅 是加工用的车刀为是加工用的车刀为圆弧刀刃圆弧刀刃。 传动特点：传动特点： 1）传动效率高，一般可达传动效率高，一般可达90%以上；以上； 2）承载能力高，约为普通圆柱蜗杆的承载能力高，约为普通圆柱蜗杆的1.52.5倍；倍； 3）结构紧凑。结

6、构紧凑。 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 阿基米德螺线阿基米德螺线 2 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆 单刀加工单刀加工 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆(ZA) 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-2蜗

7、杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆(ZA) 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆 双刀加工双刀加工 潘存云教授研制 阿基米德螺线阿基米德螺线 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 阿

8、基米德蜗杆阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 渐开线蜗杆渐开线蜗杆(ZI) 渐开线蜗杆渐开线蜗杆 渐开线渐开线 基圆基圆 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 潘存云教授研制 dx 延伸渐开线延伸渐开线 车刀对中齿厚中心法

9、面车刀对中齿厚中心法面 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆(ZN) 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆(ZN) dx 延伸渐开线延伸渐开线 2车刀对中齿槽中心法面车刀对中齿槽中心法面 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研

10、制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆(ZK) 2 近似于阿基米德螺线近似于阿基米德螺线 是一种非线性螺旋齿面是一种非线性螺旋齿面 蜗杆。不能在车床上加蜗杆。不能在车床上加 工，只能在铣削或磨削，工，只能在铣削或磨削， 加工时工件作加工时工件作螺旋运动螺旋运动， 刀

11、具作刀具作旋转运动旋转运动。 砂轮砂轮 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 环面蜗杆传动特点：环面蜗杆传动特点： （1）传动效率高，一般可达传动效率高，一般可达85 % 90%； （2）承载能力高，约为承载能力高，约为阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆的的24倍；倍； （3）要求制造和安装精度高。要求制造

12、和安装精度高。 潘存云教授研制 环面蜗杆环面蜗杆 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 类类 型型 环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 锥蜗杆传动特点：锥蜗杆传动特点： 锥蜗杆锥蜗杆 （1）同时接触的点数较多，重合度大；同时接触的点数较多，重合度大； （2）传动比范围大，一般为传动比范围大，一般为10360； （3）承载能力和传

13、动效率高；承载能力和传动效率高； （4）制造安装简便，工艺性好。制造安装简便，工艺性好。 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆 最常用最常用 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 d d 蜗杆旋向：蜗杆旋向：左旋、右旋左旋、右旋( (常用常用) ) 1 1 1 1 精度等级：精度等级： 对于一般动力传动，按如下等级制造：对于一般动力传动，按如下等级制造： v v1 17.5 m/s 77.5 m/s 7级精度级精度 v v1 1 3 m/s 8 3 m/s 8级精度级精度 v v1 11.5 m/s 912 12 m/s m/s时时 ZCuSn10P1 ZCuSn10P1锡青铜制造。锡青铜制

14、造。 vS S 12 12 m/s m/s时时 ZCuSn5Pb5Zn5 ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜锡青铜 vS S 6 6 m/sm/s时时 ZCuAl10Fe3 ZCuAl10Fe3铝青铜。铝青铜。 vS S 2 2 m/sm/s时时球墨铸铁、灰铸铁。球墨铸铁、灰铸铁。 11-4普通蜗杆传动的承载能力计算普通蜗杆传动的承载能力计算 蜗杆传动的特点是齿面相对滑动速 度大，导致发热严重和磨损加剧。 二、蜗杆传动的常用材料二、蜗杆传动的常用材料 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 三、蜗杆传动的设计准则三、蜗杆传动的设计准则 * 蜗杆的刚度计算蜗杆的刚度计算 * 蜗轮的齿根弯曲疲劳强度计算蜗

15、轮的齿根弯曲疲劳强度计算 * 蜗轮的齿面接触疲劳强度计算蜗轮的齿面接触疲劳强度计算 为了防止齿面过度磨损引起的失效，应进行为了防止齿面过度磨损引起的失效，应进行 * 传动系统的热平衡计算传动系统的热平衡计算 为了防止蜗杆刚度不足引起的失效，应进行为了防止蜗杆刚度不足引起的失效，应进行 为了防止过热引起的失效，就要进行为了防止过热引起的失效，就要进行 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 潘存云教授研制 四、四、圆柱蜗杆传动的受力分析圆柱蜗杆传动的受力分析 Ft2 Fr2 Fa2 Ft1 Fr1 Fa1 2 法向力可分解为三个分力：法向力可分解为三个分力： 圆周力圆周力Ft 轴向力

16、轴向力Fa 径向力径向力Fr 且有如下关系：且有如下关系： Ft1 = Fa2 Fr1 = Fr2 Fa1 = Ft2 =2T1 / / d1 =2T2 / / d2 = Ft2 tan 式中式中T1 、T1分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩。分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩。 T2= T1 i 2 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 右旋蜗杆：右旋蜗杆：伸出左手，四指顺蜗杆转向，则蜗轮的伸出左手，四指顺蜗杆转向，则蜗轮的 切向速切向速 度度vp2 p2的方向与拇指指向相同。 的方向与拇指指向相同。 蜗轮由蜗杆推动，所受切向力与速度方向一致，蜗轮由蜗杆推动，所受切向力与速度方向一致

17、， 正确判别蜗轮的转向，对进行力分析至关重要。正确判别蜗轮的转向，对进行力分析至关重要。 左旋蜗杆：左旋蜗杆：用右手判断，方法一样。用右手判断，方法一样。 作者：潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 1 11 1 1 2 p 1 2 p 2 2 2 2 v2v2 Ft2 Fa1 Ft2 Fa1 蜗轮的转向可用手势判别：蜗轮的转向可用手势判别： 模型验证模型验证 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 潘存云教授研制 蜗杆传动受力方向的判定蜗杆传动受力方向的判定 1 2 p Ft2 t2Fa1 Fr1 Fr2 r2 2 2 (2)(2)蜗轮切向力指向与其转动方向一致，且蜗轮切向力指

18、向与其转动方向一致，且 Ft2=-=-Fa1 ； (4)(4)蜗轮蜗杆所受径向力垂直于各自的轴线，蜗轮蜗杆所受径向力垂直于各自的轴线， 且且 Ft1=-=-Fa2 。 (3)(3)蜗杆切向力指向与其转动方向相反，且蜗杆切向力指向与其转动方向相反，且 Ft1=-=-Fa2 ； (1)(1)蜗杆所受扭矩蜗杆所受扭矩T T1 1与转动方向与转动方向1 1一致；一致； T T1 1 T T1 1 1 1 1 Ft1 t1 Ft1 Fa2 a2 Fa2 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 五、五、 圆柱蜗杆传动的强度计算圆柱蜗杆传动的强度计算 齿面接触强度校核公式：齿面接触强度校核公式： L0 KFn

19、H = = ZE E a3 KT2 = = ZE EZ H 由上式可得设计公式：由上式可得设计公式： 式中式中K为载荷系数，取为载荷系数，取K = KA Kv K Z接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数。接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数。 蜗轮齿面的接触强度计 算与斜齿轮相似，仍以 赫兹公式为基础。以蜗 轮蜗杆的节点处啮合相 应参数代入即可。 2 2 2 1 2 1 21n H 11 11 EE b F 赫兹公式赫兹公式: a KT2 H ZE EZ 2 3 H 许用接触应力按下表选取。许用接触应力按下表选取。 (1)接触强度接触强度 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授

20、研制 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 d1/a 3.6 3.2 2.8 2.4 2.0 影响系数影响系数Z ZC蜗杆蜗杆 使用系数使用系数KA 工作类型工作类型 I II III I II III 载荷性质载荷性质 均匀、无冲击均匀、无冲击 不均匀、小冲击不均匀、小冲击 不均匀、大冲击不均匀、大冲击 每小时启动次数每小时启动次数 25 2550 50 50 起动载荷起动载荷 小小 较较 大大 大大 KA 1 1.15 1.2 1 1.15 1.2 动载系数动载系数Kv ， 当当V V2 2 3 m/s , 3 m/s , Kv=1=11.1 1.

21、1 当当V V2 233 m/s , m/s , Kv=1.1=1.11.2 1.2 齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数K ，当载荷平稳时，当载荷平稳时 , ,取取K =1=1 当载荷变化时当载荷变化时 , ,取取K =1.1=1.11.3 1.3 ZA,ZI,ZN,ZK蜗杆蜗杆 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 灰铸铁及铸铝铁青铜蜗轮的许用接触应力灰铸铁及铸铝铁青铜蜗轮的许用接触应力 H H MPa MPa 材材 料料 滑动速度滑动速度 vs s/(m/s)(m/s) 蜗蜗 杆杆 蜗蜗 轮轮 0.25 0.25 0.5 1 2 3 445 其他情况其他情况 HRC45 HRC45 其它其它

22、滑动速度滑动速度 fv v v v fv v v v fv v v v fv v v v fv v v v 0.01 0.11 6 170.12 651 0.18 10120.18 10120.19 1045 0.10 0.08 4 34 0.09 543 0.13 724 0.14 758 0.16 905 0.50 0.055 309 0.065 343 0.09 509 0.09 509 0.1 543 1.00 0.045 235 0.055 309 0.07 4 0.07 4 0.09 509 2.00 0.035 2 0.045 235 0.055 309 0.07 4 vs /(

23、m/s) 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制 蜗杆加工困难蜗杆加工困难 过大过大 当当 28 时，效率时，效率增加很少。增加很少。 当当 v v 时，蜗杆具有时，蜗杆具有 自锁性，但效率自锁性，但效率很低。很低。 50% =（0.950.96） tan(tan(+v v ) ) tantan 分析分析 上述公式不直观，工程 上常用以下估计值。 闭式传动：闭式传动： z1=1 =0.700.75 z1=2 =0.750.82 z1=4 =0.870.92 z1=1、2 =0.600.70 开式传动：开式传动： 0 10 20 30 40 50 20 40 60 80 100 效率

24、效率 /(%) 在在=45=45- -/2 /2 处效率曲线有极大值。处效率曲线有极大值。 f v v =tan=tanv v =0.12 =0.12 对动力传动，宜采用多头蜗杆对动力传动，宜采用多头蜗杆 自锁极限自锁极限 一般取一般取 510 1015 1525 25 载荷类型载荷类型 重重 重重 中中 （不限）（不限）（不限）（不限） （不限）（不限）（不限）（不限） 900 500 350 220 150 100 80 运动粘度运动粘度 v/cSt（40 ） 蜗杆传动的相对滑动蜗杆传动的相对滑动 速度速度vs/(m/s) 给油方法给油方法 油池润滑油池润滑 喷油润滑喷油润滑 或或 油池润

25、滑油池润滑 喷油压力喷油压力 MPa 0.7 2 3 表表11-5蜗杆传动的润滑油粘度荐用值及给油方法蜗杆传动的润滑油粘度荐用值及给油方法 当当vs 510 m/s时，采用油池浸油润滑。为了减少搅油时，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，约为损失，下置式蜗杆不宜浸油过深，约为一个齿高一个齿高。 当当vs 1015 m/s时，采用压力喷油润滑。时，采用压力喷油润滑。 当当v1 4 m/s时，采用蜗杆在上的结构。时，采用蜗杆在上的结构。 ra/3 一一 个个 齿齿 高高 广西工学院专用 作者： 潘存云教授 三、三、蜗杆传动的热平衡计算蜗杆传动的热平衡计算 由于蜗杆传动效率

26、低，发热量大，若不及时散热， 会引起箱体内，油温升高，润滑失效，导致轮齿磨 损加剧，甚至出现胶合。因此，对连续工作的闭式 蜗杆传动必须进行热平衡计算 由热平衡条件由热平衡条件HH1 1= = HH2, 2, 得：得：ta = ta + d d S S 10001000P P1 1(1-(1-) ) 其中其中P P1 1 蜗杆传递的功率； 蜗杆传递的功率； d d表面散热系数；一般取表面散热系数；一般取d d=8.1517.45 W/(m2 ) S散热面积散热面积(m(m2 2), ), 指箱体外壁与空气接触而内壁被指箱体外壁与空气接触而内壁被 油飞溅到的箱壳面积。对于箱体上的散热片，其散热油飞溅到的箱壳面积。对于箱体上的散热片，其散热 面积按面积按50%50%计算。计算。 摩擦损耗产生的热量摩擦损耗产生的热量 H H1 1=1000P=1000P1 1(1-(1-) ) 箱璧散发的热量箱璧散发的热量 H H2 2= =d d S S( (t t0 0- - t ta a ) ) 蜗杆传递的效率；蜗杆传