哈工大 机械设计 教材第七章 蜗杆传动

蜗杆传动概述蜗杆传动是一种在空间交错轴间传递运动的机构。7.1蜗杆传动的概述第七章蜗杆传动组成演化1．单级传动比大，机构紧凑，一般为i=8~80，大的可达1000；

2．重合度大，传动平稳，噪声低；4．齿面间相对滑动速度大，摩擦损失较大3．传动效率低，一般0.7~0.9。导程角时，可自锁。自锁蜗杆传动效率<0.55．成本高蜗杆传动的主要特点有：

由于上述特点，蜗杆传动主要用于运动传递，而在动力传输中的应用受到限制。应用：*机床：低速工作台、分度*汽车：转向器*冶金：材料运输*矿山：开采设备*起重运输：提升设备、电梯、自动扶梯阿基米德蜗杆渐开线蜗杆法向直廓蜗杆锥面包络圆柱蜗杆蜗杆传动的类型7.1.2蜗杆传动的类型圆柱蜗杆传动环面蜗杆传动锥蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动其蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形的车刀切制而成的。其蜗杆体在轴向的外形是以凹弧面为母线所形成的旋转曲面，这种蜗杆同时啮合齿数多，传动平稳；齿面利于润滑油膜形成，传动效率较高；同时啮合齿数多，重合度大；传动比范围大(10~360)；承载能力和效率较高；可节约有色金属。当导程角γ较大时这种蜗杆加工不方便，且难于磨削，不易保证加工精度。阿基米德蜗杆材料通常只进行调质处理，然后车削，一般用于低速、轻载或不太重要的传动这种蜗杆可以磨削，易保证加工精度，传动效率较其他直齿廓圆柱蜗杆传动高一般用于：蜗杆头数多、转速较高、较精密和传动功率较大的传动。这种蜗杆便于磨削，易获得高精度，应用日益广泛蜗轮齿廓随相配蜗杆的齿廓而定。在滚齿机上用蜗轮滚刀加工。蜗轮滚刀与相应蜗杆的齿廓一致，但滚刀的齿顶高要比相应蜗杆的齿顶高大C*m注意：7.2普通蜗杆传动的参数与尺寸

中间平面：通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面阿基米德蜗杆传动在中间平面上的啮合关系可以看作直齿齿条和渐开线齿轮之间的啮合关系设计蜗杆传动时，通常取中间平面上的参数和尺寸作为计算基准，并沿用齿轮传动的计算关系7.2.1普通圆柱蜗杆传动的主要参数及其选择旋向相同1蜗杆传动的正确啮合条件及模数m和压力角

2蜗杆的分度圆直径d1和导程角γ

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。注意：导程角：Pa1——蜗杆轴向齿距γ效率高加工困难、υs、润滑不良时，磨损加剧在m和d1为标准值时，

z1↑→g↑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。传动比

4中心距和变位系数x2标准中心距为了配凑中心距或微量改变传动比，或为了提高蜗杆传动的承载能力及传动效率，采用变位蜗轮变位蜗杆传动只对蜗轮变位，蜗杆不变位蜗杆传动变位的特点：变位后蜗杆的参数和尺寸保持不变，只是节圆不再与分度圆重合；变位后的蜗轮，其节圆和分度圆却仍然重合，只是齿顶圆和齿根圆改变了（1）变位前后，蜗轮的齿数不变:Z2´=Z2而传动中心距改变:a´≠aΧ过大，齿顶变尖；Χ过小会引起轮齿根切一般取∣x∣≤1

a´≠a（2）变位前后，传动中心距不变a´=a蜗轮的齿数变化:Z2´≠

Z2当正变位时负变位时因为∣x∣≤1

故利用这种方法，可以微量改变蜗杆传动的传动比5相对滑动速度

S式中：d1--蜗杆分度圆直径，mmn1--蜗杆的转速，r/min

--蜗杆分度圆上的导程角,度当润滑、散热条件不良时，υs大会使齿面磨损和胶合当润滑、散热条件良好时，υs有利于形成油膜，减小f，减少磨损7.2.2蜗杆传动的几何尺寸计算7.3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是齿面胶合、齿面点蚀和齿面磨损失效通常发生在蜗轮轮齿上蜗杆传动的设计准则1按齿面接触疲劳强度条件计算蜗杆传动的承载能力2在选择许用应力时，适当考虑胶合和磨损等失效因素的影响3闭式传动要进行热平衡计算4必要时要对蜗杆轴进行强度和刚度计算

7.3.1失效形式和设计准则7.3.2蜗杆和蜗轮的常用材料

为了减摩，通常蜗杆用钢材，蜗轮用有色金属（铜合金、铝合金）。

高速重载的蜗杆常用15Cr、20Cr渗碳淬火，或45钢、40Cr淬火。

低速中轻载的蜗杆可用45钢调质。

蜗轮常用材料有：铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。蜗杆和蜗轮的材料要求：足够的强度、良好的减摩性耐磨性和跑合性能锡青铜减摩性、耐磨性最好，抗胶合能力最强，但强度较低，价格较高，用于的重要传动。主要失效形式是疲劳点蚀铝青铜（无锡青铜）有足够的强度，价格便宜，但是减摩性、耐磨性和抗胶合能力较锡青铜差用于的一般传动主要失效形式是胶合灰铸铁用于的低速或手动传动中7.4普通蜗杆传动的强度计算7.4.1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，可分解出径向力Fr、圆周力Ft、轴向力Fa。

在不计摩擦力时，有以下关系：力的方向：确定圆周力Ft及径向力Fr的方向的方法同外啮合圆柱齿轮传动，而轴向力Fa的方向则可根据相应的圆周力Ft的方向来判定，即Fa1与

Ft2方向相反，

Ft1与

Fa2的方向相反。也可按照主动件左右手定则来判断。力的方向判断例题2蜗杆传动的计算载荷计算载荷=名义载荷*载荷系数K式中KA—使用系数，查表7-4

K

—动载荷系数见P156

K

—齿向载荷分布系数见P1577.4.2蜗轮齿面接触疲劳强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度计算的校核公式为：设计公式为：MPa式中ZE—弹性系数，对于青铜或铸铁蜗轮与钢制蜗杆配对时，取—蜗轮材料的许用接触应力，MPa蜗轮的确定：1当蜗轮材料σB<300MPa的锡青铜时，失效形式主要是疲劳点蚀应力循环次数N=107时，蜗轮材料的基本许用接触应力。查表7.5KHK为寿命系数N的取值范围2当蜗轮材料的青铜或铸铁时，失效形式主要是胶合查表7.67.5普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡7.5.1蜗杆传动的效率h1─啮合效率；h2─轴承效率；h3─溅油效率；h1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：所以Z1↑→γ↑→η↑效率与蜗杆头数的大致关系为：蜗杆头数１２４６总效率0.70

0.80

0.90

0.95式中：g－蜗杆的导程角；

ρ、－当量摩擦角。

常取：导程角后效率变化不大

7.5.2蜗杆传动的润滑

润滑的目的：防止胶合和磨损、提高效率开式：定期涂润滑脂闭式：浸油或喷油

润滑油润滑油的种类很多，需根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件选用。

润滑油粘度及给油方式

一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。给油方法包括：油池润滑、喷油润滑等，若采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端，而且要控制一定的油压。

润滑油量

润滑油量的选择既要考虑充分的润滑，又不致产生过大的搅油损耗。对于下置蜗杆或侧置蜗杆传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的1/3。普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡37.5.3蜗杆传动的热平衡

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，就会破坏润滑状态，从而导致系统进一步恶化。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：在热平衡条件下可得：可用于系统热平衡验算，一般t≤70~80℃

可用于结构设计Ks－箱体表面的散热系数，根据通风情况选取；A－箱体的可散热面积(m2)；t－润滑油的工作温度(℃)；t0－环境温度(℃)。

P1—蜗杆传递的功率普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡4蜗杆传动的散热措施当自然冷却的热平衡温度过高时，可采用以下措施：1.加散热片以增大散热面积或在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流通。

普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡52.加冷却管路或散热器冷却。传动箱内装循环冷却管路传动箱外装循环冷却器

圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计17.6蜗杆和蜗轮的结构7.6.1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。当蜗杆螺旋部分的直径较大时，可以将轴与