章蜗杆传动设计新方案PPT学习教案

1、会计学1第四章 蜗杆传动设计概述圆柱蜗杆传动二、蜗杆传动的类型环面蜗杆传动锥面蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动本章主要讨论圆柱蜗杆传动的设计圆弧圆柱蜗杆圆柱蜗杆环面蜗杆锥面蜗杆第1页/共42页第四章 蜗杆传动设计概述1、普通圆柱蜗杆传动阿基米德蜗杆传动（ZA）渐开线蜗杆传动（ZI）法向直齿廓蜗杆传动（ZN）锥面包络蜗杆传动（ZK）蜗杆用直母线刀刃车制车刀切削平面通过蜗杆轴线，横截面内齿廓为阿基米德螺旋线用盘铣刀加工蜗杆。铣刀放置在齿槽的法面内，各剖面齿廓均为曲线车刀切削平面与基圆相切，横截面内齿廓为渐开线车刀切削平面位于螺旋面的法面上，适合于大导程角的蜗杆加工蜗轮用滚刀滚制第2页/共4

2、2页第四章 蜗杆传动设计概述2、圆弧圆柱蜗杆传动（ZC型）用圆弧刃车刀车削用环面砂轮磨削轴向剖面内蜗杆齿廓呈凹弧形，而蜗轮齿廓呈凸弧形，承载能力较普通型高50150% ，传动效率达90%第3页/共42页第四章 蜗杆传动设计概述三、蜗杆传动类型的选择 可选阿基米德蜗杆传动（不易磨削，难获高精度） 可选圆弧圆柱蜗杆传动 可选渐开线、法向直廓或锥面包络蜗杆传动 可选环面蜗杆传动 可选阿基米德蜗杆传动第4页/共42页蜗杆蜗轮第四章 蜗杆传动设计主要参数4-2 圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸一、普通圆柱蜗杆传动的主要参数（以 ZA 蜗杆传动为例） 模数 m 和压力角中间平面 包含蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴

3、线的平面蜗轮滚刀的几何参数与相配蜗杆的几何参数相同对于蜗杆：中间平面是轴面对于蜗轮：中间平面是端面第5页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数正确啮合条件：mx1 = mt2 = mx1 = t 2 = = 20在中间平面内蜗杆轴面模数蜗轮端面模数标准模数蜗轮端面压力角蜗杆轴面压力角 蜗杆导程角与蜗轮螺旋角=90 时： = d1 蜗杆分度圆直径 d1 及直径系数 q d1 标准系列值， 并与模数 m 匹配 蜗杆直径系数： d1 = m q 蜗轮分度圆直径： d2 = m z2 目的：减少蜗轮滚刀数量，便于刀具标准化mdq1 第6页/共42页小大，走刀快大第四章 蜗杆传动设计主要参数q 与导程角

4、之关系：1ztandp 1x1dpz mqmz 1 蜗杆头数轴向齿距px mqz1 z1 = 1 6 传动比 i 及蜗杆头数 z1、蜗轮齿数 z2 z1 少，则小，效率低 z1 过多,则大，制造困难)(212mqmzdd因因蜗杆导程 pz通常取 z1 1，要求自锁或传动比大时取 z1 = 1 1221zznni ?12dd 12dd n1起吊装置要求反行程自锁第7页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数蜗轮齿数 z2 = i z1常取 z2 = 32 63= 28 80提高运动平稳性避免蜗杆轴过长而刚度不足 齿面间相对滑动速度 vss/msincos21s vvv 由此可见，vs v1、v2所

5、以蜗杆传动摩擦损失大，效率低。21svvv 第8页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数 蜗杆传动的变位及蜗轮变位系数2目的： 或 。特点：只对蜗轮进行变位，蜗杆不变位；变位后，d2d2，而 d1d1凑中心距的变位（a 改变，z2 不变）：例：m4 mm， a124 mm，需凑标准中心距 125 mm。maa 2 25. 041241252 maa 几种变位情况变位后2 maa 蜗轮变位系数a 变位前中心距a 变位后中心距m 模数滚刀远离蜗轮中心第9页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数凑传动比的变位（a a，z2z2）：蜗轮齿数：变位前是 z2 ，变位后是 z2 221mzda 221mz

6、da 要求：aa 故：2222zz 变位前：变位后：5 . 0240392222 zz 例：已知 ，齿顶会变尖；，则会产生根切取 z240，则滚刀靠近蜗轮中心先改变传动比，再凑中心距故最多改变两个齿2 m 第10页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数喉圆直径(同齿轮齿顶圆)2ad顶圆直径2ed二、普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算 基本尺寸与齿轮传动类似，计算公式见表 42(1) 蜗轮的2个圆(2) 蜗轮轮缘宽度B (3) 蜗杆螺纹部分的长度b1 m第11页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数传动比 i 齿轮传动蜗杆传动 i = d2 / d1 i d2 / d1 m、 法面为标准值中间平面为

7、标准值 1= 2 =, 旋向相同 d1 d1= mnz1/cosd1=mq,且为标准值 第12页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数三、圆弧圆柱蜗杆传动的主要参数 蜗杆轴向截面齿廓为内凹圆弧形轴向模数 m、蜗杆分度圆直径 d1 为标准值推荐 2024，常取 23推荐（55.5）mz112时，取5m ； z14时 ，取5.5m 推荐2 0.71.2 ，应使21.5，以免齿顶变尖2 的计算方法同普通圆柱蜗杆传动第13页/共42页第四章 蜗杆传动设计失效形式4-3 蜗杆传动的失效形式、设计准则和材料 一、失效形式及设计准则齿面点蚀 蜗轮材料为锡青铜时，此种材料强度稍低齿面胶合 蜗轮材料为铝铁青铜或

8、铸铁时齿面磨损 开式传动或润滑不良轮齿折断 蜗轮齿数过多或强烈冲击载荷对于闭式蜗杆传动，其承载能力主要取决于接触强度设计准则：闭式蜗杆传动，按齿面接触疲劳强度设计，并进行热平衡计算（防止胶合）；z2 80或强烈冲击载荷时校核弯曲强度对于蜗杆，主要是防止蜗杆轴发生过大的的弹性变形第14页/共42页第四章 蜗杆传动设计材料及热处理二、材料选择及热处理材料组合要求：减摩性好、耐磨、抗胶合、足够的强度碳 钢 45钢 蜗 杆合金钢 20Cr、20CrMnTi、40Cr铸锡磷青铜 ZCuSn10P1 适合高速蜗 轮铸铝铁青铜 ZCuAl10Fe3 中速重载灰铸铁 HT200 低速轻载45钢、 40Cr 调

9、质(350HBS)或表面淬火(4555HRC)20Cr、20CrMnTi 渗碳淬火(5863HRC)第15页/共42页第四章 蜗杆传动设计许用应力三、许用应力 主要失效形式是蜗轮齿面点蚀 蜗轮为锡青铜时)MPa300(b NHPHPZ 寿命系数 87N10NZ 应力循环次数 tnN260 承载能力取决于蜗轮的齿面接触疲劳强度 当 N 25107 时，取 N25107 硬齿面磨削蜗杆HP 提高20第16页/共42页第四章 蜗杆传动设计许用应力减摩性较差，主要失效形式是胶合。 蜗轮为铝铁青铜或铸铁时 )MPa300(b HP 与材料组合及滑动速度 vs 有关， 3211s45401nPv 许用接触

10、应力按抗胶合的条件确定。估算滑动速度：蜗杆功率(kW)蜗杆转速不用乘 ZN查表时需用线性插值法第17页/共42页第四章 蜗杆传动设计许用应力NFPFPY 96N10NY 寿命系数 tnN260 应力循环次数若 N 25107，则取 N 25107弯曲应力视为脉动循环弯曲应力视为对称循环第18页/共42页第四章 蜗杆传动设计受力分析4-4 圆柱蜗杆传动的强度计算一、 受力分析 法面内： nF圆周力：径向力：蜗杆上与转向相反蜗轮上与转向相同和指向各自的轮心切面内： 径向力 1rF1F圆周力 1tF轴向力 1aF1F2a1tFF 2t1aFF 2r1rFF 同齿轮轴向力： 蜗杆上用主动轮左右手定则判

11、定第19页/共42页第四章 蜗杆传动设计受力分析蜗轮转向的判断：因 Ft2 -Fa1，所以蜗轮的转动方向与蜗杆的轴向力方向相反2a111t2FdTF 222t1a2dTFF tan2t2r1r FFF12TT113223/109550/109550nPnP 2111nPnP 21nn i 则：T2 = i T1计算载荷： KA T2 = i KAT1 使用系数 KA同圆柱齿轮P1、P2 为蜗杆、蜗轮的名义功率；为蜗杆传动的效率，P2P1第20页/共42页第四章 蜗杆传动设计受力分析Fa 1Ft 2Fa2Ft 1n1Fr 2Fr 1n2n1各力应画在受力点上12已知蜗轮的转向及蜗杆的螺旋方向，试

12、确定：(1)蜗轮轮齿的螺旋方向；(2)蜗杆(主动)的转动方向；(3)各分力的方向。蜗杆左旋蜗轮亦左旋蜗杆的转向、螺旋线方向、轴向力方向知其二必知其一第21页/共42页第四章 蜗杆传动设计受力分析Ft 1n1z2z1z4z3n4n3Fa4Fa3Fa2Ft 2Fa1Ft 3Ft 4蜗杆、蜗轮输出输入图示为蜗杆传动与锥齿轮传动组合。已知输出轴的转向，欲使中间轴上的轴向力能部分抵消，试确定蜗杆的转向和蜗轮蜗杆的螺旋线方向； 各分力的方向。n2径向力均指向各自轮心向外向里中间轴第22页/共42页第四章 蜗杆传动设计强度条件)MPa(9HP22122AEH zdmTKZ二、普通圆柱蜗杆传动齿面接触疲劳强度

13、计算 MPa160E Z)mm(932HP2E2A12 zZTKdm特点： 钢制蜗杆与青铜或铸铁蜗轮组合第23页/共42页第四章 蜗杆传动设计强度条件三、普通圆柱蜗杆传动齿根弯曲疲劳强度计算 )mm(64. 13FaFP22A12YYzTKdm (1) 齿形系数YFa按 查表4-5； 32coszzv )MPa(64. 1FPFa2122AF YYzdmTK(2) 螺旋角系数 ;14010 Y(4) = i T1 。(3)第24页/共42页第四章 蜗杆传动设计强度条件 如：计算值 m2d198则查得 m2d1112相应 m2、d1 28 2HP2E2A129 zZTKdmFaFP22A1264

14、. 1YYzTKdm 第25页/共42页第四章 蜗杆传动设计圆弧蜗杆四、圆弧圆柱蜗杆传动强度计算要点 特点： 凸凹弧齿廓啮合且23，承载能力强1、圆弧圆柱蜗杆齿面接触疲劳强度条件 失效以胶合为主MPaHP32AEH aTKZZ接触系数，据（d1/a）查图4-9弹性系数，查表4-8中心距设计式：mm32HPE2A ZZTKa 初选 d1/a 当 i 7020 时, 取 d1/a0.30.4；当 i 205 时, 取 d1/a0.40.5a 应圆整或按表 4-4 取推荐值第26页/共42页第四章 蜗杆传动设计圆弧蜗杆2、圆弧圆柱蜗杆齿根弯曲疲劳强度条件p22tAUmbFKU 许用 U 系数齿形复杂

15、，难以精确计算弯曲应力，按 U 系数法，进行条件性近似计算。minFlimSU 极限 U 系数，查表4-8安全系数，SFmin=11.73、圆弧圆柱蜗杆传动的许用应力自学弯曲强度远远大于接触强度，一般不需计算蜗轮齿宽第27页/共42页第四章 蜗杆传动设计效率vvtan 4-5 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算 一、效率 与齿轮传动相同321 )tan(tanv1 故：)tan(tan)96. 095. 0(v 96. 095. 032 啮合效率类似于螺旋副：当量摩擦角当量摩擦系数效率随导程角 的增大而增大，但 28以后变化缓慢。v 第28页/共42页第四章 蜗杆传动设计效率但蜗杆制造困难 )t

16、an(1qz 1z v 通常使采用减摩性好的材料，如青铜合金；保证良好的润滑状态，vs 较大时齿面间易于形成油膜。o28 设计之初,未知。z1 = 1 时， = 0.70.75 z1 = 2 时， = 0.750.82 z1 = 4 时， = 0.870.92 自 锁 时， 4 m/s时蜗杆上置有利于润滑 避免过大的搅油损失 第30页/共42页第四章 蜗杆传动设计热平衡计算三、蜗杆传动的热平衡计算目的 t1油温时间t1 热平衡时的油温对象 热平衡概念：达到热平衡时，单位时间内的发热量 = 散热量211PPH W)(t01t2tAKttAKH W/(m2.)自然方式冷却时 ：箱体暴露在空气中的部

17、分 近似计算： 275.1m10033.0 aA蜗杆传动中心距W)(100011PP W)1(10001 P通风不好 Kt = 8.710.5通风良好 Kt = 1417.5；要求：t1 tp第31页/共42页第四章 蜗杆传动设计热平衡计算热平衡时：1000P1（1 - ）= Kt A（t1 t 0 ）0t11)1(1000tAKPt 则热平衡计算式：7060p t若 t1 tp ，则采取措施提高散热能力：自然通风时竖直布置 K许用油温)90(第32页/共42页4-6 蜗杆传动的设计步骤和方法第四章 蜗杆传动设计设计方法1、已知条件：P、n1、n2（或 i）、预期寿命、工况等2、选择蜗杆蜗轮材

18、料及热处理方法、选择蜗杆头数z1 、估选效率、估算vs（铝铁青铜）、确定蜗杆传动精度3、计算：z2、m、d1、d2、a、v1、v2、vs、v、等4、验算：效率 、齿面间相对滑动速度 vs(铝铁青铜)，与估计值是否接近？N5、对于闭式蜗杆传动，进行热平衡计算，验算油温6、结构设计，绘制蜗杆、蜗轮零件工作图Y第33页/共42页第四章 蜗杆传动设计传动类型两轴线相交两轴线交错两轴线平行第34页/共42页第四章 蜗杆传动设计设计实例设计一闭式普通圆柱蜗杆传动，载荷平稳、通风条件良好、工作寿命 5 年、8 h/天、。，。20minr/1470kW1911 inP蜗杆材料及热处理蜗轮材料表4-6（磨削蜗杆

19、提高20）200 1.2 1251.2 蜗轮基本许用接触应力)MPa(HP 73.5 73.5蜗轮转速min)/r (2n20/1470/12 inn12000 12000年年）天天/300(83005 t蜗轮工作小时 )h( t蜗轮应力循环次数N120005 .7360602 tnN71029. 5 71029. 5 0.81 0.81NZ接触寿命系数887N29. 5/1/10 NZ设计内容 设计依据 方案 1 方案 2 许用接触应力HP NHPHPZ 194.4 121.5 40Cr表面淬火后磨削表4-6，ZCuSn10P1 砂模铸造ZCuSnPb5Zn5 砂模铸造 估计 vs 10m/

20、s240 150第35页/共42页第四章 蜗杆传动设计设计实例使用系数 KA 表3-1 1.1 1.12 2蜗杆头数1z411 z蜗轮齿数2z)8028(20212 izz40 40初估传动效率 0.82 0.82蜗轮转矩)Nmm(2T2024340 202434011612/1055. 9nPiTiT )MPa(EZ弹性系数160 160 计算12dm值)mm(32HP2E2A12)/(9 zZTKdm 8485 2172112dm取标准值表4-19000 2187510 12.5)mm(m模数表4-1 设计内容 设计依据 方案 1 方案 2表4-1蜗杆分度圆直径1d90 140蜗轮分度圆直径2d22mzd 400 500 = 0.750.82（因 z12）钢制蜗杆与青铜蜗轮 第36页/共42页第四章 蜗杆传动设计设计实例中心距)mm(a)(5 . 021dda 245 320设计内容 设计依据 方案 1 方案 21.54 1.9260000/222ndv 蜗轮圆周速度)m/s(2v导程角 123144)/arctan(11dmz 107297.1 10.9)cos60000/(11S ndv 滑动速度)m/s(Sv当量摩