涡轮蜗杆传动设计

第9章蜗杆传动9.1蜗杆传动的材料和失效形式9.2蜗杆传动的受力分析和强度计算9.3蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算9.4圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计WormDrive概述Function:appliedfortransmittingrotatingmotionanddynamicsbetweencrossingaxes,angleofaxesisarbitraryvalue.作用：用于传递交错轴之间的回转运动和动力,两交错轴间的夹角可为任意值，通常为90度。Formation:ifthenumberofteethofsinglebevelgearisverysmall,andwhenβ1isverylarge,gearoncylinderbodyconstitutesmulti-circlefullspiral.

形成：若单个斜齿轮的齿数很少（如z1=1）而且β1很大时，轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋。Thederivedgeariscalled:worm.Meshingmemberiscalled:wormgear.所得齿轮称为:蜗杆。而啮合件称为:蜗轮。Drawbacks缺点:Merits优点:1)Largedriveratio,compactstructure

传动比大，结构紧凑2)Stabledrive,lightnoise.

工作平稳，无噪声3)Canreveseself-lockinspecificcondition

一定条件下反行程可自锁Lowefficiency,relativeglidingspeedishigh,frictionandabrasionisheavy,gearringofwormismadefromthepreciousmaterial(suchasbronze),highcost.效率较低，相对滑动速度大，摩擦与磨损严重，蜗轮齿圈一般需用贵重的减摩材料（如青铜等）制造，成本高。Materialandfailureformsofwormdrive9.1蜗杆传动的材料和失效形式一、蜗杆传动的失效形式和设计准则1.蜗杆传动的失效形式与齿轮传动类似：点蚀、胶合、磨损、折断∵相对滑动速度vs↑→η↓、发热↑Maininvalidforms:glue,pittingandabrasion.Usuallyoccursontheteethofwormgear.

主要失效形式:是齿面胶合、点蚀和磨损，而且失效通常发生在蜗轮轮齿上。

Designcriterionofwormdrives

2.蜗杆传动的设计准则

Toavoidfailurecausedbyexcessiveabrasionoftoothface,weshouldmake:为了防止齿面过度磨损引起的失效，应进行：1)Bendingfatiguestrengthcalculationofworm’sdedendum

蜗轮的齿根弯曲疲劳强度计算2)Contactfatiguestrengthcalculationofworm’stoothface

蜗轮的齿面接触疲劳强度计算Toavoidfailurecausedbyrigiditydeficiencyofworm,weshouldmake:Rigiditycalculationofworm为了防止蜗杆刚度不足引起的失效，应进行：蜗杆的刚度计算Toavoidfailurecausedbyoverheat,weshouldmake为了防止过热引起的失效，就要进行：Calorificbalancecalculationofdrivesystem传动系统的热平衡计算Thereareabrasionofteethfaceandgearruptureinopeningwormdrives,soshouldguaranteebendingfatigueintensityofwormdrives.开式蜗杆传动多发生齿面磨损和轮齿折断，因此，应以保证轮齿弯曲疲劳强度进行计算。Thereisglueorpittinginclosingwormdrives.So,usuallycalculateaccordingtocontactfatigueintensityofteethface,checkaccordingtobendingfatigueintensityofgear.Inaddition,calculatecalorificbalance闭式蜗杆传动多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，通常是按齿面接触疲劳强度进行设计，按轮齿弯曲疲劳强度进行校核。另外，还应作热平衡计算。vs↑减摩性↑、强度↑不能都用硬材料1、蜗轮——指齿圈部分材料：减摩材料铸锡青铜：vs≥12~25m/s铸铝铁青铜：vs≤6m/s，抗胶合能力差铸铝黄铜：抗点蚀能力强,耐磨性差,用于vs小场合HT、QT：vs≤2m/s大直径蜗轮：铸铁（蜗杆用青铜）2、蜗杆材料碳钢合金钢热处理硬面蜗杆：首选淬火→磨削调质蜗杆：缺少磨削设备时选用。Commonmaterialsofwormdrives二、蜗杆传动的材料Peripheralforce圆周力:FtAxialforce轴向力:

FaRadialforce径向力:

Fr9.2蜗杆传动的受力分析和强度计算一、蜗杆传动的受力分析Stressanalysisofcylindricalwormdrives蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相同，轮齿在受到法向载荷Fn的情况下，可分解出径向载荷Fr、周向载荷Ft、轴向载荷Fa。Ft1

=-Fa2

=2T1

/d1

Fr1

=-Fr2

=Ft2

tanαFa1

=-Ft2

=2T2/d2

Andtherearerelationasfollowing且有如下关系:

T2=T1iη

Intheequation:T1,T2areindividuallytorqueonwormandwormgear.式中：T1

、T1分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩。方向判定：1）蜗轮转向已知：n1、旋向→n2左、右手定则：四指n1、拇指反向：啮合点v2→n22）各分力方向Fr：指向各自轮心Ft蜗杆与n1反向蜗轮与n2同向Fa蜗杆：左、右手定则蜗轮：※n2n13）旋向判定∵蜗轮与蜗杆旋向相同。v2例：n1n1Fr1Fr2⊙Ft1xFa2Fa1Ft2右旋n2Fr1Fr2Ft1Fa2xFa1Ft2·n2已知：蜗杆轴Ⅰ为输入，大锥齿轮轴Ⅲ为输出，轴Ⅲ转向如图。试确定：各轮转向、旋向及受力。1.n4→n3→n2→Ft2→Fa12.Fa3→Fa2→Ft1→n1蜗轮右旋n4输出ⅢⅠⅡ1234蜗杆右旋→二.强度计算和刚度校核一、蜗轮齿面接触疲劳强度计算13

失效方式：

钢制蜗杆对锡青铜蜗轮：蜗轮疲劳点蚀；

钢制蜗杆对非锡青铜或铸铁蜗轮：蜗轮胶合；

强度条件(同齿轮，中间平面内)：

齿面接触强度校核公式

齿面接触强度设计公式K－表9.2ZE－表9.3StrengthcalculationandrigiditycalculationofcylindricalwormdrivesCheckformulaofcontactintensityoftoothface许用应力：（1）蜗轮材料为锡青铜（）——失效形式为点蚀，与应力循环次数N有关。基本许用接触应力表9.4接触强度寿命系数：（2）当蜗轮材料为铸铁或高强度青铜，——失效形式为胶合（不属于疲劳失效），许用应力与应力循环次数N无关，与滑动速度有关。设计时先假设滑动速度。二、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算设计公式：按斜齿轮计算方法：校核公式：其中：YF2——蜗轮齿形系数；

Yß——螺旋角系数；当量齿数，表9.6

——蜗轮基本许用应力，表9.7—寿命系数

Bendingintensitycalculationofdedendum三、蜗杆的刚度计算（不讲）

刚度条件：

Efficiencyofwormdrives一、蜗杆传动的效率Dissipationofpower:meshingdissipation,frictiondissipationofmechanicalbearing,oilmixingdissipation.

功率损耗：啮合损耗、轴承摩擦损耗、搅油损耗。Efficiency,GreasingandCalorificBalanceCalculationofWormDrives9.3蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算2

3—bearingefficiencyandoilmixingefficiency

分别为轴承效率和搅油效率generallyselect

一般取2

3=0.95~0.96γ—theangleofleadofworm

蜗杆导程角;

Among式中：1—joggleefficiency

啮合效率Totalefficiencyofwormdrives蜗杆传动的总效率Headnumberofworm蜗杆头数Z1１２４６Totalefficiency总效率η0.700.800.900.95Approximaterelationbetweenefficiencyandheadnumberofworm:效率与蜗杆头数的大致关系为:所以Z1↑→γ↑→η↑γ

Excessive→difficultprocessofworm

γ过大→蜗杆加工困难Whenγ>28˚，incrementofefficiencyηislittle.当γ>28˚，效率η增加很少。z1=1η=0.70~0.75z1=4η=0.87~0.92Generally一般取:

ρv

<γ

≤25˚Closingdrives闭式传动:Openingdrive开式传动:

z1=1、2η=0.60~0.70

Greasingofwormdrives

二、蜗杆传动的润滑Ifgreasingisdeficient→efficiencydecreasesobviously↓→earlyglueorabrasiongreasing若润滑不良→效率显著降低↓→早期胶合或磨损Greasingisimportanttowormdrives.润滑对蜗杆传动而言，至关重要。Whenvs≤

5~10m/s,weadoptfloodingsystemlubricationbyoilbasin.Toinducelossofoilmixing,underneathwormisnotsuitabletofloodoiltoodeep,thedepthisapproximatelyonetooth.当vs≤5m/s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，约为一个齿高。Whenvs>

10m/s,itappliespressureoiljetlubrication.当vs>10m/s时，采用压力喷油润滑。When5<vs≤10

m/s,itappliesstructureofupperworm.当5<vs≤10m/s时，采用蜗杆在上的结构。ra/3onetoothdepth一个齿高Calorificbalancecalculationofwormdrives

三、蜗杆传动的热平衡计算由于传动效率较低，对于长期运转的蜗杆传动，会产生较大的热量。如果产生的热量不能及时散去，则系统的热平衡温度将过高，油的粘度下降，使磨损量增加，易产生胶合。系统因摩擦功耗产生的热量为：自然冷却从箱壁散去的热量为：KS－箱体表面的散热系数，可取KS＝(8.15~17.45)W/(m2•℃)；A－箱体的可散热面积(m2)；ti－润滑油的工作温度(℃)；t0－环境温度(℃)。取t0=20℃。Accordingtocalorificbalance

：Q1=Q2,由热平衡条件可用于系统热平衡验算，一般ti≤70~80℃可用于结构设计1)Increasetheradiatingarea,addcoolingfin.

增加散热面积,加散热片.2)Promoteheattransmissioncoefficientofsurface,addfan,coolingwaterpipe,coolingcircularoil.

提高表面传热系数,加风扇、冷却水管、循环油冷却。

Whentheoiltemperatureatwork:ti>80℃

orradiatingareaisdeficient,weshouldtakeradiatingmeasures:

当工作油温：ti>80℃或散热面积不足时，应采取散热措施：普通蜗杆传动的参数与尺寸19.4圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计一、基本参数1、模数m和压力角a中间平面：

过蜗杆轴线作一垂直于蜗轮轴线的平面。在该平面内蜗杆与蜗轮的啮合传动相当于齿条与齿轮的传动。蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴面模数、压力角应与蜗轮的端面模数、压力角相等，即mx1=mt2=m（中间平面）

ax1=at2γ1=β2（等值同向）StructureDesignofCylindricalWormandWormgear2、蜗杆的分度圆直径d1由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，为了限制滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径d1。直径d1与模数m的比值(q=d1／m)称为蜗杆的直径系数。3、蜗杆的头数z1较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通常蜗杆头数取为1、2、4、6。4、导程角g在m和d1为标准值时，z1↑→g↑5、传动比i6、蜗轮齿数z2蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2=iz1。z2不宜太小（如z2＜26)，否则将使传动平稳性变差。z2也不宜太大，否则在模数一定时，蜗轮直径将增大，从而使相啮合的蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的弯曲刚度。

（Z1与Z2的荐用值表9.10）7、几何尺寸正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且g1＝b2一般z2＝28～80Structureofworm二、蜗杆的结构oftenbemadeasawholebodywithshaft→Wormshaft通常与轴制成一体蜗杆轴1)Noescapestructure:machininghelixonlymill.

无退