第十一章蜗杆传动

1、11.1 概述11.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构11.3 蜗杆传动的基本参数11.4 蜗杆传动的几何计算11.5 蜗杆传动的受力分析和效率计算11.6 蜗杆传动的强度计算11.7 蜗杆轴挠度计算11.8 热平衡计算11.9 蜗杆传动的润滑第11章 蜗杆传动11.1 概述 11.1.1 特点和应用 蜗杆传动多用于减速，以蜗杆为原动件。也可用于增速，传动比单级为515，但应用很少。 蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。在绝大多数情况下，两轴在空间是相互垂直的，轴交角为90度。 最大传动功率可达750kW，通常用在50kW以下；最高滑动速度可达35m/s。11.1 概述 蜗杆传动的特点蜗

2、杆传动的最大特点是结构紧凑、传动比大。但传动比大的时候传动效率很低，只能用在功率小的场合。传动平稳，无噪声，冲击振动小。缺点：在制造精度和传动比相同的条件下，效率比齿轮传动低，同时蜗杆一般需用贵重的减磨（如青铜）制造。与多级齿轮传动相比，蜗杆传动零件数目少，结构尺寸小，重量轻。11.1 概述圆柱蜗杆传动（见图图11.111.1）环面蜗杆传动锥蜗杆传动同时啮合齿数多，传动平稳；齿面利于润滑油膜形成，传动效率较高；详见11.411.4节节11.1.2 蜗杆传动的类型同时啮合齿数多，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。阿基米德蜗杆（ZA型） 其螺旋面的形成与螺纹

3、的形成相同。通常 在无需磨削加工的情况下广泛采用，需要时要采用特制截面形状的 砂轮。 中间平面（参看图11.13）。阿基米德螺线。渐开线蜗杆（ZI型）端面齿廓为渐开线，与蜗杆基圆柱相切的截面 上齿廓是直线，所以使用专用机床可以用平面砂轮磨削，容易得到 高精度。法向直廓蜗杆（ZN型）螺线的导程角很大。加工时刀具的切削平 面在垂至于齿槽（或齿厚）中点螺旋线的法平面内。可以磨 削出 极接近于延伸渐开线蜗杆的轮廓，可与蜗轮得到正确啮合圆弧圆柱蜗杆传动（ZC型）用具有圆弧形刀刃的刀具切出具有凹 圆弧齿廓的螺旋线。（参看图11.8）在基本条件相同时，比普通 圆柱蜗杆传动承载能力约大50，效率约高815。传

4、动比大、 速度高时效果更为明显。按蜗杆形状不同分类11.1 概述11.1 概述11.1.2 蜗杆传动的类型一般采用右旋。两者原理相同，计算方法也相同，只是作用力的方向不同（径向力除外）。单头 主要用于传动比较大的场合，要求自锁的传动必须采用单头。多头 主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。按蜗杆螺旋线不同分类按蜗杆头数不同分类11.1 概述11.1.3 精度等级的选择蜗杆的制造 蜗杆可以在车床上切制，也可在特种铣床上 用圆盘铣刀或指形铣刀铣制。为了保证正确的啮合， 蜗轮要用与蜗杆同样大小的滚刀来切制。蜗杆的等级选择 由于蜗杆传动啮合轮齿的刚度较齿轮传 动大，所以制造等级对它的影响比齿轮传动的

5、更显著。 蜗杆传动规定了12个精度等级，对于动力传动要按照 69级精度制造。 对于测量、分度等要求运动精度高的传动要按照5级或5 级以上的精度制造。11.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构 11.2.1 蜗杆传动的失效形式 蜗杆传动的失效形式和齿轮传动类似，有疲劳点蚀、胶合、磨疲劳点蚀、胶合、磨损、轮齿折断损、轮齿折断等。 在蜗杆传动中，点蚀通常只出现在蜗轮轮齿上。 蜗轮轮齿的磨损比齿轮传动严重得多。这是由于啮合处得相对滑动较大所致。在开式传动和润滑油不清洁得比试传动中，磨损尤其明显。 一般地，蜗轮的强度较弱，所以失效总是在蜗轮上发生。又蜗轮和蜗杆间地相对滑动较大，比齿轮传动更容易产生胶合

6、和磨粒磨损。而蜗轮轮齿地材料通常比蜗杆材料软得多，发生胶合时蜗轮表面的金属会粘到蜗杆螺旋面上。11.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构11.2.2 材料选择 考虑到蜗杆传动难于保证高的接触精度，滑动速度又较大，以及蜗杆变形等因素，蜗杆和蜗轮材料不能都用硬材料制造：其一（通常是蜗轮）用减摩性良好的软材料来制造。蜗轮材料 铸锡青铜铸锡青铜 适用于滑动速度在1226m/s范围内和持续运转的工况。离心铸造可得到致密的结晶粒组织，可取大值；砂型铸造的取小值。铸铝青铜铸铝青铜 适用于滑动速度小于10m/s的工况。抗胶合能力差，蜗杆硬度应不低于45HRC。铸铝黄铜铸铝黄铜 点蚀强度高，但抗磨性差，宜用于

7、低滑动速度场合。灰铸铁和球墨铸铁灰铸铁和球墨铸铁 适用于滑动速度小于2m/s的工况。前者表面硫化处理有利于减轻磨损，后者与淬火蜗杆配对能用于重载场合；直径较大的蜗轮常用铸铁。11.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构蜗杆材料若按热处理不同分：硬面蜗杆硬面蜗杆和调质蜗杆调质蜗杆。首先应考虑选用硬面蜗杆。渗碳钢淬火或碳钢表面/整体淬火磨削；氮化钢渗氮处理抛光，用于要求持久性高的传动中。只有在缺乏磨削设备时才选用调质蜗杆。受短时冲击的蜗杆，不宜用渗碳钢淬火，最好用调质钢。铸铁蜗轮与镀铬蜗杆配对时有利于提高传动的承载能力和滑动速度。蜗杆材料数据参看蜗杆材料数据参看表表10.310.3若按材料分类，主

8、要有碳钢和合金钢。若蜗轮直径很大，可采用青铜蜗杆，同时蜗轮用铸铁。11.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构11.2.3 蜗杆和蜗轮的结构1.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，很少做成装配式的。下面是两个常见的蜗杆结构。 齿根圆直径小于轴径，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。齿根圆直径大于轴径，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工。2.蜗轮的结构可以制成整体的或组合的。组合齿轮的齿冠可以铸在或用过盈配合装在铸铁或铸钢的轮心上，常用的配合是H7/r6。当蜗轮直径较大时，可采用螺栓联接，最好采用受剪螺栓（铰制孔）联接。11.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构整体式蜗轮齿圈式

9、蜗轮镶铸式蜗轮螺栓联接式蜗轮11.3 圆柱蜗杆传动的基本参数 垂直于蜗轮轴线且通过蜗杆轴线的平面，称为中间平面。在中间平面内蜗杆与蜗轮的啮合就相当于渐开线齿条与齿轮的啮合只是顶隙c0.2m（必要时0.15m1m/s时应取小值。滑动速度按下式计算：)13.13(cos1vvs11.5 蜗杆传动的受力分析和效率计算 普通蜗杆传动的承载能力计算2 这部分的功耗和蜗轮或蜗杆的浸油深度和速度、油的粘度以及箱体的内部结构有关。一般地，这部分功耗不大， h2可取0.99。油的搅动和飞溅损耗时的效率 蜗杆传动中，多数用滚动轴承，故h3可取0.99；若采用滑动轴承h3可取0.980.99。轴承效率 由以上分析可

10、见，蜗杆传动的效率主要时是传动的啮合效率，影响啮合效率的因素中，导程角起着主导作用。11.6 圆柱蜗杆传动的强度计算 蜗杆传动的强度计算主要为齿面接触、轮齿弯曲疲劳强度计算。在这两个计算中，蜗轮轮齿都是薄弱环节。 闭式传动：传动尺寸主要取决于齿面的接触疲劳强度以防止齿面的点蚀和胶合，但须校核轮齿的弯曲疲劳强度。 开式传动，传动尺寸主要取决于轮齿的弯曲疲劳强度，毋须进行齿面疲劳强度计算。 此外，蜗杆传动还须进行蜗杆挠度和传动温度的计算，两者都是验算性质的。 在进行蜗杆强度计算之前，除应知道传动功率和载荷性质、转速及其变动的情况等数据外，还要知道其他一些情况，如蜗杆主动或被动，蜗杆上置或下置，蜗杆

11、齿形，环境通风状况，允许传动最高温度等。11.6 圆柱蜗杆传动的强度计算11.6.1 初选d1/a值 中心距a在蜗杆传动中是最基本的尺寸，其大小决定了传动的承载能力和传动的外廓尺寸。 蜗杆的d1/a值是蜗杆传动的重要参数，其大小将影响传动的工作性能，如：齿面接触疲劳强度，蜗杆轴的刚度，传动的啮合效率和传动的工作温度等。11.6 圆柱蜗杆传动的强度计算11.6.2 蜗轮齿面接触疲劳强度计算 蜗杆传动不产生接触疲劳点蚀的强度条件为)14.13(limlim32MPaSZZMPaaTKZZHHhnHHAEH 上式适合于校核计算。用作设计计算时，传动中心距可用下式计算)15.13(32limlim2m

12、mSZZZZTKaHHhnEA11.6 圆柱蜗杆传动的强度计算 式11.14和式11.15中，T2蜗轮转矩，Nmm；KA使用系数，和齿轮传动一样，可见表10.9；ZE弹性系数，（MPa）1/2，可以根据蜗杆副材料由表11.2查出，或用式10.8计算出；Z考虑齿面曲率和接触线长度影响的接触系数，可由图11.12查出；Zn转速系数；Zh寿命系数；Hlim接触疲劳极限，MPa，由表11.2选取；SHlim接触疲劳强度的最小安全系数，可取11.3。 下面讨论上式中的几个参数。)16.13(222iiimttTTT 蜗杆转矩T2 13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算 转速系数Zn 这是计及齿面曲率和接触线长

13、度对接触应力的影响系数，由沿啮合线的赫兹应力平均值得来。)23.13(/7 . 14 . 1)22.13(,4 . 27)21.13(68. 0/2121875. 0111zamzuzuazadaadd或d1和m均取标准值，z1和z2均取整数。利用tanm z1 / d1的关系求出蜗杆导程角 设计计算时，求得中心距a需圆整为标准值，进而用下列公式求蜗杆直径、蜗杆头数和模数11.6 圆柱蜗杆传动的强度计算)19.13(6 . 12500061hhLZ 寿命系数Zh )20.13(32132vniiihvTtTL 式中Lh为载荷不变时的寿命时数，h。因寿命不宜过短，故规定寿命系数应小于1.6，即L

14、h应大于1500h。只有在间歇、短时运转下工作的蜗杆传动才允许寿命系数大于1.6。上式中Thv为与Lhv相应的当量蜗轮转矩，通常取载荷最大或工作时间最长的蜗轮转矩作为当量蜗轮转矩。 在变载情况下，当量寿命Lhv可按下式计算11.6 圆柱蜗杆传动的强度计算 接触系数Z 。 这是计及齿面曲率和接触线长度对接触应力的影响系数，系由沿啮合线的赫兹应力平均值得来。)23.13(/7 . 14 . 1)22.13(,4 . 27)21.13(68. 0/2121875. 0111zamzuzuazadaadd或d1和m均取标准值，z1和z2均取整数。利用tanm z1 / d1的关系求出蜗杆导程角 设计计

15、算时，求得中心距a需圆整为标准值，进而用下列公式求蜗杆直径、蜗杆头数和模数11.6 圆柱蜗杆传动的强度计算 蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度取决于轮齿模数的大小。由于轮齿结构比较复杂，其弯曲疲劳强度难于精确计算，只好进行条件性的估算。式中, Flim齿根弯曲疲劳极限，见表11.2； SFlim最小安全系数，可取1.4；b2、d2蜗轮的宽度和直径，计算公式参见表11.5。11.6.3 蜗轮轮齿弯曲疲劳强度计算)24.13(2limlim22222MPaSMPadmbTKmbFKFFFFAtAF11.7 蜗杆轴挠度计算 蜗杆轴的挠曲主要是由圆周力和径向力造成的，轴向力的影响可以忽略。假设轴两端为自由支撑，则

16、圆周力和径向力在轴的啮合部分的挠去量为两者合成，得蜗杆轴得最大挠去量应满足下列条件EIlFEIlFrrtt48,48311311)25.13(tantan4822322121vtttrEIlF式中，I蜗杆轴中间截面得惯性距；l两支撑间得距离；最大许用挠度；淬火蜗杆取0.004m，调质蜗杆取0.01m，m为模数。11.8 热平衡计算11.8.1 润滑油工作温度 蜗杆传动效率一般比齿轮传动和其他几种机械传动都要低，工作时会蜗杆传动效率一般比齿轮传动和其他几种机械传动都要低，工作时会产生较多的热量。闭式箱体若散热条件不足，则易于造成润滑油工作温度产生较多的热量。闭式箱体若散热条件不足，则易于造成润滑

17、油工作温度过高而导致使用寿命降低，甚至有使蜗杆副发生胶合的危险。因此对蜗杆过高而导致使用寿命降低，甚至有使蜗杆副发生胶合的危险。因此对蜗杆传动有必要进行温度计算。传动有必要进行温度计算。 油池润滑的蜗杆传动，在同一单位时间内，传动的发热量为油池润滑的蜗杆传动，在同一单位时间内，传动的发热量为1000P1(1- )，箱体的散热量为，箱体的散热量为w wA A( (t t1 1- -t t0 0) ) 。 此处此处P1蜗杆功率；蜗杆功率；A箱体的散热面积；箱体的散热面积；t1箱体的工作温箱体的工作温度；度； t t0 0工作环境温度，通常取工作环境温度，通常取2020 C C； w w表面传热系数

18、，系单表面传热系数，系单位箱体面积、单位温度差时由箱体传给大气的热量。传动经过若干小时运位箱体面积、单位温度差时由箱体传给大气的热量。传动经过若干小时运转后即可达到热平衡，由此可求出箱体的工作温度和应满足的要求为转后即可达到热平衡，由此可求出箱体的工作温度和应满足的要求为C80)1 (10000w11tAPth11.8 温度计算 上式计算时，应取单位；上式计算时，应取单位； P1kW；Am2； t t0 0 、t1 C C； w wW/（m2. C ）。一般工况下可取。一般工况下可取w w12121818。288. 15m109aA 油池的润滑油工作温度一般要比箱体温度高油池的润滑油工作温度一

19、般要比箱体温度高15 C 左右。油温的最左右。油温的最高温度不宜超过高温度不宜超过100 C ，故，故t1最好低于最好低于80 C 如果忽略油温与箱体温如果忽略油温与箱体温度之差，则上式度之差，则上式t1可作为润滑油工作温度的计算公式。可作为润滑油工作温度的计算公式。 散热面积系指箱体能被空气冷却，而内壁又能被油飞溅到的外壁面积。散热面积系指箱体能被空气冷却，而内壁又能被油飞溅到的外壁面积。油散热肋的箱体，则散热肋以及联接用凸缘的外表面积均按油散热肋的箱体，则散热肋以及联接用凸缘的外表面积均按50计算。对计算。对于散热肋布置良好的固定式蜗杆减速器，其散热面积可用下式估算于散热肋布置良好的固定式

20、蜗杆减速器，其散热面积可用下式估算 式中式中a为传动中心距，为传动中心距，mm。 若蜗杆为上置，则因飞溅冷却作用较差，故表面传热系数若蜗杆为上置，则因飞溅冷却作用较差，故表面传热系数w w应乘以应乘以0.80.8。上式适用于蜗杆主动的情况。若蜗轮主动，则式中。上式适用于蜗杆主动的情况。若蜗轮主动，则式中P1应代以蜗轮输应代以蜗轮输入功率入功率P2，应代以应代以（1 12 23 3 ）。）。11.8 温度计算11.8.2 冷却方法和计算 若油温过高，则首先考虑在不增大箱体尺寸的前提下，设法增加散热若油温过高，则首先考虑在不增大箱体尺寸的前提下，设法增加散热面积。若仍未能满足要求，则可采用下列强制冷却的措施以增大其散热能面积。若仍未能满足要求，则可采用下列强制冷却的措施以增大其散热能力：力：11.8 温度计算11.9 蜗杆传动的润滑11.9.1 润滑油粘度和润滑方法 为提高蜗杆传动的抗胶合性能，宜选用粘度较高的润滑油。在矿物油为提高蜗杆传动的抗胶合性能，宜选用粘度较高的润滑油。在矿物油中适当加些油性添加剂，有利于提高油膜厚度，减轻胶合危险。用青铜制中适当加些油性添