机械设计课件第九章：蜗杆传动

1、第九章第九章 蜗杆传动蜗杆传动9.1 概述概述蜗杆传动图蜗杆传动图9.1.1 蜗杆传动的特点和应用蜗杆传动的特点和应用1、特点：、特点：单级传动比大单级传动比大;结构紧凑结构紧凑;2、应用：、应用： 传动比大且结构要求紧传动比大且结构要求紧凑或自锁的中、小功率传动凑或自锁的中、小功率传动场合。场合。机床：机床：数控工作台、分度数控工作台、分度汽车：汽车：转向器转向器冶金：冶金：材料运输材料运输矿山：矿山：开采设备开采设备起重运输：起重运输：提升设备、电梯、提升设备、电梯、自动扶梯自动扶梯传动平稳，无噪音传动平稳，无噪音;可自锁可自锁;传动效率低传动效率低;成本高。成本高。9.1.2 蜗杆传动的

2、类型蜗杆传动的类型1、按蜗杆形状分、按蜗杆形状分3类类环面蜗杆传动环面蜗杆传动锥蜗杆传动锥蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动(应用最早、最广应用最早、最广)2、根据齿面形状不同、根据齿面形状不同,圆柱蜗杆传动分为两类：圆柱蜗杆传动分为两类： 普通圆柱蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动(直线刀刃或圆盘刀刃加工直线刀刃或圆盘刀刃加工) (刃边为凸圆弧形刀具加工刃边为凸圆弧形刀具加工)根据齿面形状不同：根据齿面形状不同：圆弧圆柱蜗杆圆弧圆柱蜗杆普通圆柱蜗杆普通圆柱蜗杆阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）蜗杆）渐开线蜗杆渐开线蜗杆(ZI蜗杆蜗杆)法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆(ZN蜗

3、杆蜗杆)锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆(ZK蜗杆蜗杆)3、阿基米德蜗杆、阿基米德蜗杆在轴剖面：在轴剖面：直线齿廓直线齿廓 法剖面：法剖面：凸曲线凸曲线垂直轴剖面：垂直轴剖面：阿基米德螺旋线阿基米德螺旋线车削加工，不便于磨削，精度低。车削加工，不便于磨削，精度低。蜗轮滚刀：与蜗杆尺寸相同蜗轮滚刀：与蜗杆尺寸相同在中间平面上可看成直齿齿条与渐开线齿轮啮合在中间平面上可看成直齿齿条与渐开线齿轮啮合9.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算中间平面上的参数作为设计基准中间平面上的参数作为设计基准9.2.1 普通圆柱蜗杆传动的主要参数及其选择普通圆柱蜗杆传

4、动的主要参数及其选择1 、蜗杆传动的正确啮合条件及模数、蜗杆传动的正确啮合条件及模数m和压力角和压力角 22121tatammm旋向相同旋向相同2 、蜗杆分度圆直径、蜗杆分度圆直径d1和导程角和导程角 对每一标准模数规定对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分了一定数量的蜗杆分度圆直径度圆直径d1（表表9-1）原因：为了限制切削原因：为了限制切削蜗轮的滚刀数目并便蜗轮的滚刀数目并便于标准化于标准化2 、蜗杆分度圆直径、蜗杆分度圆直径d1和导程角和导程角 11111/tandmZdPZa导程角：导程角：3 、传动比、传动比i、蜗杆头数蜗杆头数Z1和蜗轮齿数和蜗轮齿数Z21221ZZnni蜗杆头数蜗杆

5、头数Z1通常取为：通常取为：1，2，4，或，或6Z2=iZ1，一般取一般取Z2=28801.为避免根切与干涉，理论上应使为避免根切与干涉，理论上应使2.为避免啮合区过小，影响传动平稳性，为避免啮合区过小，影响传动平稳性，通常规定通常规定3.对于动力传动，为了保证轮齿的弯曲对于动力传动，为了保证轮齿的弯曲强度和蜗杆的弯曲刚度，一般规定强度和蜗杆的弯曲刚度，一般规定17min2Z228Z 802Z注意：4 、传动中心距、传动中心距a和变位系数和变位系数x2标准中心距标准中心距)(2121dda变位蜗杆传动（只对蜗轮变位）变位蜗杆传动（只对蜗轮变位）特点：1.变位后，蜗杆的参数和尺寸保持不变，只是节

6、圆不再与分度圆重合；2.变位后的蜗轮，节圆和分度圆仍然重合只是其齿顶圆和齿根圆改变了。COCO（1） 变位前后，蜗轮的齿数不变变位前后，蜗轮的齿数不变: Z2 = Z2 而传动中心距改变而传动中心距改变: a amaaxmxmzdxmaa21221一般取一般取 x 1 1 按变位后的尺寸加工、安装按变位后的尺寸加工、安装（2）变位前后，传动中心距不变）变位前后，传动中心距不变 a =a蜗轮的齿数变化蜗轮的齿数变化: Z2 Z2212121221mzdamxmzda222222zzxxzz一般取一般取 x 1 1 5、 相对滑动速度相对滑动速度 S221211 1cos60 1000cossd

7、nm/s式中：式中：d1-蜗杆分度圆直径，蜗杆分度圆直径，mmn1-蜗杆的转速，蜗杆的转速，r/min -蜗杆分度圆上的导程角蜗杆分度圆上的导程角, 度度9.2.2 蜗杆传动的几何尺寸计算蜗杆传动的几何尺寸计算9.3 蜗杆传动的失效形式、设计准则和材料选择蜗杆传动的失效形式、设计准则和材料选择9.3.1 蜗杆传动的失效形式和设计准则蜗杆传动的失效形式和设计准则失效形式：失效形式：主要是齿面胶合、点蚀和磨损，而且主要是齿面胶合、点蚀和磨损，而且失效通常发生在蜗轮轮齿上。失效通常发生在蜗轮轮齿上。设计准则：设计准则：通常按齿面（蜗轮）接触疲劳强度条件通常按齿面（蜗轮）接触疲劳强度条件计算蜗杆传动的

8、承载能力。在选择许用应力时，要计算蜗杆传动的承载能力。在选择许用应力时，要适当考虑胶合和磨损失效因素的影响。适当考虑胶合和磨损失效因素的影响。对对闭式传动闭式传动要进行热平衡计算，必要时对蜗杆轴要进行热平衡计算，必要时对蜗杆轴强度和刚度进行计算。强度和刚度进行计算。9.3.2 蜗杆和蜗轮的常用材料蜗杆和蜗轮的常用材料对蜗杆和蜗轮材料的要求：对蜗杆和蜗轮材料的要求：不仅要求具有足够的不仅要求具有足够的强度，更重要的是要求具有良好的减摩性、耐磨强度，更重要的是要求具有良好的减摩性、耐磨性和跑合性能。性和跑合性能。蜗杆材料：蜗杆材料：一般用碳素钢或合金钢制成，要求齿一般用碳素钢或合金钢制成，要求齿面

9、光洁并具有较高的硬度。面光洁并具有较高的硬度。蜗轮材料：蜗轮材料：一般为铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰一般为铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。铸铁等。9.4 普通圆柱蜗杆传动的承载能力计算普通圆柱蜗杆传动的承载能力计算9.4.1 蜗杆传动的受力分析和计算载荷蜗杆传动的受力分析和计算载荷1 受力分析受力分析11212dTFFat而法向力而法向力nanFFcoscos/1取取11aaFF，coscosn则有则有coscos2coscos221dTaFFanN22122dTFFattan121arrFFF式中：式中：T1、T2分别为蜗杆和蜗轮轴上的转矩，分别为蜗杆和蜗轮轴上的转矩，N.mm,T2=i T

10、1，N.mm, 传动效率，传动效率，i 传动比传动比d1 、 d2分别为蜗杆和蜗轮的分度圆直径分别为蜗杆和蜗轮的分度圆直径, mm 压力角，压力角， =20 蜗杆分度圆柱上的导程角，度蜗杆分度圆柱上的导程角，度力的方向：力的方向： 确定圆周力确定圆周力Ft及径向力及径向力Fr的方向的方法同外啮合的方向的方法同外啮合圆柱齿轮传动，而轴向力圆柱齿轮传动，而轴向力Fa的方向则可根据相应的圆的方向则可根据相应的圆周力周力Ft的方向来判定，即的方向来判定，即Fa1与与 Ft2方向相反，方向相反， Ft1与与 Fa2的方向相反。的方向相反。 也可按照主动件左右手定则来判断。也可按照主动件左右手定则来判断。

11、力的方向判断例题力的方向判断例题2 蜗杆传动的计算载荷蜗杆传动的计算载荷计算载荷计算载荷=K 名义载荷名义载荷KKKKA式中式中KA工作情况系数工作情况系数 K 动载荷系数动载荷系数 K 齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数9.4.2 蜗轮齿面接触疲劳强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度计算校核公式为：校核公式为：HEEHZdmKTZddKTZ99221222212MPa设计公式为：设计公式为：22212)(9HEZZKTdmmm3ZE弹性系数，对于青铜或弹性系数，对于青铜或 铸铁蜗轮与钢制蜗杆铸铁蜗轮与钢制蜗杆 配对时，取配对时，取MPaZE160式中：式中：H蜗轮材料的许用接触应力，蜗轮材料的许用接触

12、应力，MPa0300, BHHNHMPaK蜗轮材料0H应力循环次数应力循环次数N=107时，蜗轮材料时，蜗轮材料的基本许用接触应力，的基本许用接触应力，MPaHNK寿命系数寿命系数22212)(9HEZZKTdm300, 9.6BHMPa蜗轮材料时直接由表查取9.5 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9.5.1 蜗杆传动的效率蜗杆传动的效率321式中：式中： 1啮合效率啮合效率)tan(tan1 2 、 3分别为轴承效率和搅油效率分别为轴承效率和搅油效率 一般取一般取 2 3=0.950.96蜗杆传动的总效率蜗杆传动的总效率)tan(tan)96. 095. 0(

13、9.5.2 蜗杆传动的润滑蜗杆传动的润滑润滑的目的：防止胶合和磨损、提高效率润滑的目的：防止胶合和磨损、提高效率开式：采用粘度较高的齿轮油或涂润滑脂进行定期开式：采用粘度较高的齿轮油或涂润滑脂进行定期供油润滑。供油润滑。闭式：浸油或喷油闭式：浸油或喷油润滑方法：润滑方法：smvs/5：蜗杆下置浸油润滑smvs/105：蜗杆上置浸油（搅油阻力大）smvs/10：压力喷油润滑,油嘴对着蜗杆啮入端 蜗杆布置与润滑方式蜗杆布置与润滑方式蜗杆下置：浸入油中深度至少一个牙高，但油面不应超过轴承最低滚动体的中心。蜗杆上置：浸入油池的蜗轮深度为（1/61/3）r2蜗杆下置式冷却效果更好。9.5.3 蜗杆传动的

14、热平衡计算蜗杆传动的热平衡计算单位时间内由摩擦损耗单位时间内由摩擦损耗的功率产生的热量为的功率产生的热量为)1 (100011PHW式中：式中：P1蜗杆传动的功率，蜗杆传动的功率，KW 蜗杆传动的总效率蜗杆传动的总效率单位时间由箱体外壁散发到空气中的热量为单位时间由箱体外壁散发到空气中的热量为)(02ttAKHsW式中式中 Ks散热系数散热系数 A散热面积散热面积 t达到平衡时，箱体内的达到平衡时，箱体内的 油温，油温，t在在800C以内以内 t0周围空气温度，周围空气温度， t0=200C在既定工作条件下，保持正常油温所需要的在既定工作条件下，保持正常油温所需要的散热面积散热面积)()1 (

15、100001ttKPAs2m根据热平衡条件根据热平衡条件H1=H2可求得既定工作条件下可求得既定工作条件下的油温的油温AKPtts)1 (100010C一般应使一般应使t在在80以下以下若若t80或有效的散热面积不足时或有效的散热面积不足时,则必须则必须采取措施采取措施,以提高其散热能力以提高其散热能力常用措施常用措施:1 、合理设计箱体结构、合理设计箱体结构,铸铸出或焊上散热片出或焊上散热片,以增大散以增大散热面积热面积2 、在蜗轮轴上装置风扇、在蜗轮轴上装置风扇,进行人工通风进行人工通风,以提高散以提高散热系数热系数3 、在箱体油池内装、在箱体油池内装设蛇形冷却水管设蛇形冷却水管4 、采用压力喷油循、采用压力喷油循环润滑环润滑9.6 蜗杆和蜗轮的结构蜗杆和蜗轮的结构一、一、 蜗杆的结构蜗杆的结构1) 铣制蜗杆：刚性较好。铣制蜗杆：刚性较好。2) 车制蜗杆：退刀槽而使轴径小于蜗杆根圆直径，削车制蜗杆