环面蜗轮蜗杆减速器设计讲解

1、环面蜗轮蜗杆减速器设计摘要本文主要阐述的是一种应用在汽车无级变速器中的环面蜗轮蜗杆减 速器的设计方法。环面蜗轮蜗杆减速器在降速同时能提高输出扭矩，减 速同时降低了负载惯量本文首先对蜗轮蜗杆作了简单的介绍，阐述了蜗 轮蜗杆的设计原理和理论计算。然后按照应用方向设计了环面蜗轮蜗杆 减速器。接着对减速器的部件组成进行了尺寸计算和校核。该设计代表 了环面蜗轮蜗杆设计的一般过程。对其他的蜗轮蜗杆的设计工作也有一 定的价值。目前，在环面蜗轮蜗杆减速器的设计、制造以及应用上，国内与国 外先进水平相比仍有较大差距。国内在设计制造环面蜗轮蜗杆减速器过 程中存在着一些缺点。关键词：蜗轮蜗杆减速器；蜗杆；滚动轴承目

2、录摘要第 1 章 绪论 3.1.1 课题背景及意义 3.1.2 国内外发展现状 3.1.3 主要内容及特点 4.第 2 章 选定设计方案 5.2.1 初选电动机类型和结构型式 5.2.2 电动机的容量 6.2.3 电动机的技术数据 6.2.4 本章小结 7.第 3 章 减速器部件的选择计算 8.3.1 蜗杆传动设计计算 8.3.1.1 选择蜗杆、蜗轮材料 8.3.1.2 确定蜗杆蜗轮中心距 8.3.1.3 蜗杆传动几何参数设计 8.3.2 环面蜗轮蜗杆校核计算 9.3.3 轴的结构设计 1.03.3.1 轴的材料选择 1.03.4 轴的校核 1.2.3.5 键联接的强度校核 1.43.5.1

3、蜗杆轴上安装联轴器处的键联接 1. 43.5.2 蜗轮轴上装蜗轮处的键联接 1. 43.5.3 蜗轮轴上装联轴器处的键联接 1. 43.6 箱体结构尺寸及说明 1.43.7 减速器的润滑和密封 1.53.8 减速器的附件 1.63.9 减速器的安装，使用及维护 1. 73.9.1 减速器润滑油的更换 1. 83.9.2 减速器检修 1.83.9.3 减速器维护 1.83.10 本章小结 1.8结论 1.9.致谢 2.1.第1章 绪论1.1 课题背景及意义 减速器在原动机和工作机之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现 代机械中应用极为广泛。减速器按用途可分为通用减速器和专用减速器 两大类，二者的设

4、计、制造和使用特点各不相同。促进减速器水平提高的主要因素有：（1）硬齿面技术的发展和完善。（2）用好的材料。（3）结构设计更合理。（4）加工精度提高到 ISO5-6 级。（5）轴承质量和寿命提高。（6）润滑油质量提高。1.2 国内外发展现状它始于 1921 年的美国造船业，其代表产品是美国 CONE DRIVE ， 50 年代起在我国得到推广应用。与普通圆柱蜗杆传动相比，这种蜗杆 同时包容齿数多，双线接触线形成油膜条件好，两齿面接触线诱导法曲 率半径大。因此，承载能力是相同中心矩普通蜗杆的1.53 倍。在传递同样功率时，中心矩可缩小20%-40%。由于性能优良，美国、日本、俄罗斯等国都将这种传

5、动作为动力传动中的主要形式之一广泛使 用。美国生产产品系列中心矩为 15 1320 ；速比为 5 343000；最 高传动效率可达 97%。我国经过 40 年的研究和发展，目前这种蜗杆的 生产品种也十分可观，最大中心矩可达到 1200 ；最少齿数比为 5； 蜗杆头数达 6；最高传动效率可达 94%。这种蜗杆传动分为“原始型” 和“修整型”两种。“原始型”直廓环面蜗杆的螺旋齿面的形成为：一 条与成形圆相切、位于蜗杆轴线平面内的直线，在绕成形圆的圆心作等 角速的旋转运动的同时，又与成形圆一起围绕蜗杆的轴线作等角速的旋 转运动，这条直线在空间形成的轨迹曲面，就是直廓环面蜗杆的齿面。 由于蜗杆齿面的发

6、生线是直线刀刃，蜗杆螺旋面是直线刀刃形成的不可 展直纹面而不是由包络产生的，难以实现磨削，这种蜗杆制造钢筋工艺 比较复杂，不易获得高精度的传动，这是直廓环面蜗杆传动的主要缺 点。1.3 主要内容及特点蜗杆传动是在空间交错的两轴之间传递运动和动力的一种机构，两 轴交错的夹角可为任意值，常用的为 90 度，这种传动由于具有下述特 点，故应用颇为广泛。(1) 当使用单头蜗杆时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过了一个齿距， 因而能实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比I=5-80; 在分度机构或手动机构中，传动比可达 300；若只传递运动，传动比可达 1000。 由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。

7、(2) 在杆蜗传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是 逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷 小，传动平稳，噪声低。(3) 当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动更 具有自锁性。(4) 蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动 速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的磨擦和磨损，从而引 起过分发热，使润滑情况恶化。因此磨损较大，效率低；当蜗杆传动具 有自锁性时，效率仅为 0.4 左右。同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用 有色金属制造蜗轮，以便与钢制的蜗杆配对组合成减磨性良好的滑动摩 擦剂。第2章 选定设计方案根据设计要求并结合以

8、上分析，本文在设计中采用准平行啮合线环 面蜗杆减速器。具体设计方案是：选用的电动机输出转速是 940r/min ，由凸缘联 轴器将电动机轴和准平行啮合线环面蜗杆减速器的输入轴相联接，经过 减速器的减速，电动机输出的转速降为 18.8r/min ，再有凸缘联轴器将 减速器的输出轴与滚筒轴联接，将减速器输出轴的转速传给滚筒，滚筒 转动带动绕在其上面的钢丝绳旋转，由钢丝绳提起具有一定质量的灯 具。1电动机 ； 2联轴器； 3蜗轮蜗杆减速器 ；4联轴器； 5滚筒 图 2-1 减速器2.1 初选电动机类型和结构型式 电动机是专门工厂批量生产的标准部件，设计时要根据工作机的工 作特性、电源种类、工作条件、

9、载荷大小和性质、起动性能和起动、制 动、正反转的频繁程度等条件来选择电动机的类型、结构、容量和转 速，并在产品目录中选出其具体型号和尺寸。 电动机分交流电动机和 直流电动机两种。由于生产单位一般多采用三相交流电源，因为此，无 特殊要求时均应选用三相交流电动机，其中以三相异步交流电动机应用 最广泛。根据 不同防护要求，电动机有开启式、防护式、封闭自扇冷 式和防爆式等不同的结构型式。Y 系列三相笼型异步电动机是一般用途的全封闭自扇冷式电动 机，由于其结构简单、工作作可靠、价格低廉、维护方便，因此广泛应 用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的机械上，如金属切 削机床、运输机、风机、搅拌机等。

10、对于经常起动，制动正反转的机5械，如起重、提升设备，要求电动机具有较小的转动惯量和较大过载能 力，应选用冶金及起重用三相异步电动机 Yz 型 YzR 型。电动机的容量选择的是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有 影响。容量选得过小，不能保证工作机正常工作，或使电动机因超载而 过早损坏；而容量选得过大，则电动机的价格高，能力又不能充分利 用，而且由于电动机经常不满载运行，其效率和功率因数较低，增加电 能消耗而造成能源的浪费。电动机的容量主要根据电动机运行时的发热 条件来决定。由以上的选择经验和要求，我选用：三相交流电 Y 系列 笼型三相异步交流电动机。2.2 电动机的容量由滚筒圆周力 F 和滚

11、筒速度 v，得PW1000Fv把数据代入式中得 0.1665KW传动装置的效率由以下的要求：(1) 轴承效率均指一对轴承而言；(2) 同类型的几对运动副或传动副都要考虑其效率，不要漏掉；(3) 蜗杆传动的效率与 蜗杆 头数 z1 有关， 应先 初选 头数 后， 然后估计效率。此外，蜗杆传动的效率中已包括了蜗杆轴上一对轴承的 效率，因此在总效率的计算中蜗杆轴上轴承效率不再计入。各传动机构和轴承的效率为：法兰效率： 1 0. 9 8一级环面蜗杆传动效率 : 2 0.7 一对滚动轴承传动效率： 3 0.98 凸缘联轴器效率： 4 0. 9 8 从电动机至工作机主动轴之间的总效率故传动装置总效率：1

12、2 32 4 0646电动机的输出功率 考虑传动装置的功率损耗，电动机输出功率P PWPd代入数据，得电动机的输出功率为 1.3KW2.3 电动机的技术数据 根据计算的功率可选定电动机额定功率，取同步转速 1000转， 6 级 由【 2】选用 Y100L6 三相异步电动机，其主要参数如下表 2-1 电动机主要参数D28mmE60mmH100mmA160mmB140mmC63mmK12mmAB205mmAD180mmAC105mmHD245mmAA=4040mm2.4 本章小结1）了解了减速器。2）确定了设计方案。3）选用电动机的功率4）选取出适合的适合的电动机5）计算电动机的主要参数第3章 减

13、速器部件的选择计算3.1 蜗杆传动设计计算3.1.1 选择蜗杆、蜗轮材料由于应用的的范围是车用所以本文采用准平行环面蜗杆传动。考虑蜗杆传动中，传递的功率不大，速度只是中等，根据【 8】表 5 2，蜗 杆选用 40Cr，因希望效率高些，耐磨性好故蜗杆螺旋齿面要求：调质 HB265 285.蜗轮选用铸锡磷青铜 ZQSn10- 1，金属模铸造，为了节约 贵重有色金属，仅齿圈用锡磷青铜制造，轮芯用灰铸铁 HT100 制造由 【8】表查得蜗轮材料的许用接触应力，蜗轮材料的许用弯曲应力,传动比在误差允许范围内3.1.2 确定蜗杆蜗轮中心距确定蜗杆的计算功率代入数据得PC1 P1K A 1.35KWC1 K

14、F KMP 以等于或略大于蜗杆计算功率 PC1 所对应的中心距作为合理的选取 值，选取蜗杆的中心距： a100mm.a 100mm 由于准平行二次包络环 面蜗杆为新型得蜗杆3.1.3 蜗杆传动几何参数设计 准平行二次包络环面蜗杆的几何参数和尺寸计算表 表 3-1 涡轮参数蜗轮齿根圆直径f 2 fdf 2 d2 2hf 153.9792mm蜗杆齿根圆直径d f1 d1 2h f 35.05mm. 蜗轮喉圆直径d a2 d2 2ha 163.932mm蜗轮齿根圆弧半径RF1 a 0.5d f1 82.745mm蜗轮喉母圆半径a 0.5da2 cosrg2a2 25.88mmcos蜗轮外缘直径=16

15、4.95mm8表 3-2 蜗杆的主要参数中心距a=100mm蜗轮端面 模数mt 2a da1 3.18mm z 2 2h2蜗轮齿数Z2 50径向间隙C 0. 1 6 mt 0. 5 104m m蜗杆头数Z1 1齿顶高h=0.75 m =2.233mm蜗杆齿 顶圆直 径da1 45齿根高h= h+ C=2.7434 m蜗轮轮 缘宽度b2 28全齿高h ha h f 4.9764蜗轮齿距角360o 7.2oZ2蜗杆分度圆直径：2.02 0.875d1 (0.624)a0.875 40.534mmi蜗杆齿宽b1 53蜗轮分度圆直径d2 2a d1 159.466mm蜗杆齿 顶圆弧 半径a1Ra1 8

16、2蜗轮齿根圆直径f 2 fdf 2 d2 2hf 153.9792mm3.2 环面蜗轮蜗杆校核计算环面蜗杆传动承载能力主要受蜗杆齿面胶合和蜗轮齿根剪切强度的限制。因而若许用传动功率确定中心距，则然后校核蜗轮齿根剪切强 度。由于轴承变形增加了蜗杆轴向位移，使蜗轮承受的载荷集中在23 个齿上。而且，由于蜗轮轮齿的变形，造成卸载，引起载荷沿齿高方 向分布不均，使合力作用点向齿根方向偏移。因而，蜗轮断齿主要由于 齿根剪切强度不足造成的校核：ZAfKP式中FC v40 (mm s) 作用于蜗轮齿面上的及摩擦力影响的载荷 z1 蜗轮包容齿数Af 蜗杆与蜗轮啮合齿间载荷分配系数kp 蜗轮齿根受剪面积 ;FC

17、 F2 F2 tan(rm p)式中： F2 作用在蜗轮轮齿上的圆周力，rm 蜗杆喉部螺旋升角p 当量齿厚， 蜗轮齿根受剪面积：b2Af sf 2cosrmsf2 蜗轮齿根圆齿厚； sf2 x COSrm 2hf 2 tan(a0 2)2由上可知代入数据得 A f 197.45mm12.616MPa对于锡青铜齿圈 查手册取铸锡磷青铜，砂模铸造，抗拉强度 =225 则： 1.5 3.53.51010粘度值v40(mm2 s )612414506288352198242ISO-VG 或GB-N 级680460320220选择浸油润滑，蜗杆浸油深度 h1 1 个螺牙高，但不高于蜗杆轴轴承的最底滚动体

18、的中心润滑时，一定的深度和贮油量。如下图所示：15图 3-2 润滑方式3.8 减速器的附件 为了保证减速器的正常工作，减速器的箱体上通常设置一些装置或 附加结构，以便于减速器润滑油的注油，排油，检查油面高度和拆装， 检修等。为检查传动件的啮合情况，接触斑点，侧隙和向箱内倾注润滑 油，在传动件啮合区上方箱盖上开设窥视孔。窥视孔应有足够的大小， 以便手能伸人进行操作，为此，方形窥视孔长应 90mm ，宽应 50mm。为防止润滑油飞溅出来和污物进入箱体内，在窥视孔上应设有 视孔盖密闭，盖板用螺钉固定在箱盖上，在盖板与箱盖上应放置密封垫 片。减速器工作时，箱体温度升高，气体膨胀，压力增大，对减速罪各接

19、缝 面的密封很不利，通常在箱盖顶部或检查孔盖上装有通气器。使减速器 内热膨胀的气体能自由逸出，保持箱内压力正常，从而保证减速器各部 接缝面的密封性能。通气器设置在箱盖顶部或视孔盖上。较完善的通气 器内部制成一定的曲路，并设有金属网。选择通气器时应考虑其对环境 的适应性，规格尺寸应与减速器的大小相适应。图 3-3 通气器为了保证箱体轴承座孔的镗制和装配精度，需在箱体分箱面凸绦长度方 向两侧各安装个圆锥定位销。两销应置远一些，但不宜对称布置。定 位销孔应在箱盖和箱座紧固后钻空，其位置应便于钻、铰和装拆，不应 与邻近箱壁和螺钉相碰。定位销的直径可取 d： （o7o8）d：（d：为 凸缘上螺栓的直径

20、），长度应大于分箱面凸缘的总厚度。16图 3-4 定位销 为了保证减速器的密封性，常在箱体的剖分面上涂有水玻璃或密封 胶，为便于拆卸箱盖，在箱盖凸缘上设置 1 到 2 个起盖螺钉。拆卸箱盖 时，拧动起盖螺钉，便可顶起箱盖。起盖螺钉设置在箱盖联接凸缘上， 其螺纹有效长度应大于箱盖凸缘厚度。起盖螺钉直径可与凸缘联接螺钉 相同，螺钉端部制成圆柱形并光滑倒角或制成半球形。图 3-5 起盖螺钉 为了排除污油，在减速器的箱座最底处设有放油孔，并用油螺塞和密封 垫圈将其堵住。图 3-6 放油孔及螺塞3.9 减速器的安装，使用及维护（1）减速器输入轴直接与原动机连接时，根据设计要求推荐采用 凸缘联轴器；减速器

21、输出轴与工作机联接时，根据设计要求推荐采用凸 缘联轴器，联轴器不得用锤击装列轴上（2）减速器应牢固地安装在稳定的水平基础上，油槽的油应能排 除，且冷却空气循环流畅。（3）减速器、原动机和工作机之间必须仔细对中，其误差不得大 于所用联轴器的许用补偿量17(4) 减速器安装好后用手转动必须灵活，无卡死现象蜗杆和蜗 轮轴承的轴向间隙应符合技术要求规定(5) 安装好的减速器在正式使用前，应进行空转，部分额定载荷 间歇运转 13h 后可正式运转，运转应平稳、无冲击、无异常振动和噪 声及漏油等现象减速器的使用和维护3.9.1 减速器润滑油的更换减速器 (或新更换的蜗轮副 )第一次使用时，当运转 15030

22、0h 后须更 换润滑油，在以后的使用中应定期检查油的质量对于混入杂质或变质 的油须及时更换。一般情况下，对于长期连续工作的减速器，每 500 一 1000h 必须换油一次对于每天工作时间不超过 8h 的减速器，每 12003000h换油一次减速器应加入与原来牌号相同的油不得与不同牌号的油相互混 用牌号相同而粘度不同的油允许混合使用在换油过程中，蜗轮应使 用与运转时相同牌号的油清洗 (用煤油损害密封件，并影响润滑油的性 能)。工作中，当发现油温超过 80 度或油池温度超过 100 度及产生不正 常的噪声等现象时，应停止使用，检查原因如围齿面胶合等原因所 致，必须排除故障，更换润滑油后，方可继续运

23、转3.9.2 减速器检修 减速器应定期检修如发现擦伤、胶合及显著磨损，必须采用有效 措施制止或予以排除备件必须按标准制造，更新的备件必须经过跑合 和负荷试验后才能正式使用。3.9.3 减速器维护 用户应有合理的使用维护规章制度，对减速器的运转情况和检验中 发现的问题应作认真记录3.10 本章小结(1) 选择轴的材料(2) 蜗轮蜗杆的主要参数计算(3) 轴强度的校核(4) 减速器的安装润滑及附件的使用。18结论工业的发展一日千里，新的科技不断涌出减速器已成为汽车工业中 必不可少的一部分。因此本次对环面蜗轮蜗杆减速器的设计在减速器领 域有着积极的意义。此次设计包括对涡轮，蜗杆，轴及其它附件的设计 工作本文设计的蜗轮滚刀是可铲背可磨削的，蜗轮齿面没有脊线，运动 不会产生干涉。工装和理论相吻合。和同类蜗杆相比，它还具有以下几 个特点：（1）瞬时接触线和相对运动速度方向夹角稳定，且接近 90 度。（2）蜗轮齿面是用铲背滚刀加工而成，因此蜗轮齿面接触面大、 质量稳定。（3）同时参加啮合的蜗轮齿数多，一般可达Z29 （Z 2为蜗杆齿数）。（ 4） 蜗轮齿面无脊线，传递运动时不会产生干涉。本课题还存在以下不足之处，需进一步完善：如轮齿的