机械设计课件：蜗杆传动

机械设计

蜗杆传动

11.1

概述11.1.1

蜗杆传动特点1、结构紧凑，传动平稳，无噪声，冲击振动小。2、蜗杆传动的最大特点是单级传动比大。传递动力时i=8~100，常用15~50；分度机构或手动机构可达300；只传递运动时，i

可达1000。但传动比大的时候传动效率很低，只能用在功率小的场合。3、与多级齿轮传动相比，蜗杆传动零件数目少，结构尺寸小，重量轻。4、自锁性能好(用于提升机构)。5、制造成本高，加工困难。滑动速度vs大，在制造精度和传动比相同的条件下，效率比齿轮传动低，同时蜗轮一般需用贵重的铜合金制造。

蜗杆传动2、按旋向分类可分为：左旋蜗杆传动和右旋蜗杆传动，一般都采用右旋。3、按蜗杆头数分类可分为：单头蜗杆和多头蜗杆。单头蜗杆主要用于传动比较大的场合，要求自锁的传动必须采用单头蜗杆。多头蜗杆主要用于传动比不大、要求效率较高的场合。阿基米德蜗杆(ZA型)渐开线蜗杆(ZI型)法向直廓蜗杆(ZN型)锥面包络蜗杆(ZK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

蜗杆传动11.1.2

蜗杆传动的类型1、按蜗杆形状分类类型

11.2

圆柱蜗杆传动的基本参数11.2.1

普通圆柱蜗杆传动的主要参数蜗杆传动设计时，取中间平面上的参数为标准值。1．模数m和压力角αmx1=mt2=mαx1＝αt2阿基米德蜗杆轴向压力角为标准值αx1

＝α＝20°，渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆及锥面包络圆柱蜗杆法向压力角αn为标准值20°

。2

、蜗杆分度圆直径d1加工蜗轮的滚刀尺寸同与之啮合的蜗杆尺寸相同，但m一定时，由于z1和γ的变化，

d1是变化的，即需要配备很多加工蜗轮的滚刀。为减少刀具数量，并使刀具标准化、系列化，将蜗杆分度圆直径d1

定为标准值。每一标准模数对应一定数量的d1值。定义：q=d1

/

m

，q为蜗杆直径系数

蜗杆传动通常：蜗杆头数z1=1、2、4、6等。z1少，易于得到大传动比，但导程角小，效率低，发热多，故重载不宜采用单头蜗杆。要求自锁时头数取1；z1

多，效率高，但导程角大，制造困难。蜗轮齿数z2

＝uz1

，一般z2

>28；z2

<803

、蜗杆导程角γz1px

z1m

z1m

z1

d2 d1

d1

d1

qud1

蜗杆传动tan

y=====4

、蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2圆柱蜗杆传动装置的中心距a(单位mm)一般按下列数值选取：40506380100125160(180)200(225)250(280)315(355)400(450)500

宜优先选用未带括号的数字。当蜗杆节圆与分度圆重合时称为标准传动，其中心距为：a=d1

+d2

=

q+z2

≠z1

+z2

i==≠u==

i=

蜗杆传动5

、传动比

i和齿数比u蜗杆主动时：6

、

中心距a7、变位系数(1)变位目的：

配凑中心距、凑传动比。(2)变位方法：

与齿轮变位相同，靠刀具的移位实现变位。加工蜗轮时的滚刀与蜗杆尺寸相同，为保持刀具尺寸不变，故蜗杆尺寸不能变动，只能对蜗轮变位。(3)变位系数的计算1)凑a

(齿数z2不变，中心距a变化)a

′

=

a

+

x2m

=

x2

=

2)改变传动比i

(中心距a不变，齿数z2变化)a

′

=q+z+x2m=

q+z2

=az=z2

−2x2x2

=

2′2′

蜗杆传动名称代号计算公式及说明蜗杆轴向齿距pxpx

=几m蜗杆分度圆直径1d1

=mz1/tan

y=mq，按规定选取，与m匹配蜗杆齿顶圆直径 a1da1

=d1

+2ℎa1蜗杆齿根圆直径 f1df1

=

d1

−

2ℎf1蜗杆齿顶高a1ℎa1

=ℎm，齿顶高系数，一般ℎ=1，短齿ℎ=0.8顶隙cc=c∗m，一般顶隙系数c∗=0.2蜗杆齿根高f1ℎf1

=ℎ+c

∗

m

=

d1

−

df1

2蜗杆齿高1ℎ1

=

ℎa1

+

ℎf1

=

da1

−

df1

2蜗杆节圆直径d

d=d1

+2x2m=m

q+2x2蜗杆分度圆导程角γtan

y=mz1/d1

=z1/q1′1′a∗a∗a∗a∗11.2.2

普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算公式见表11-3。

蜗杆传动表11-3普通圆柱蜗杆传动几何尺寸计算(轴交角90°)dddhhh

11.3

蜗杆传动的失效形式、计算准则和材料选择11.3.1

蜗杆传动的失效形式与齿轮传动类似，失效形式有：点蚀、胶合、磨损、轮齿折断等。主要失效形式为：胶合、磨损、点蚀由于材料和结构的原因，蜗轮强度较弱，失效主要发生在蜗轮上。11.3.2

设计准则开式传动：计算齿根弯曲疲劳强度。闭式传动：通常按齿面接触疲劳强度进行设计，按齿根弯曲疲劳强度进行校核。蜗杆传动还须进行蜗杆轴刚度计算和热平衡计算。

蜗杆传动11.3.3

材料选择1、蜗杆材料碳钢(40、45)、合金钢(20Cr、40Cr、42SiMn)2、蜗轮材料

——指齿冠部分材料铸锡青铜(ZCuSn10P1

、ZCuSn10Zn2)：vs

≥12~26m/s铸铝青铜(ZCuAl10Fe3)：vs

≤10m/s，抗胶合能力差灰铸铁和球墨铸铁

：vs

≤2m/s

，前者表面硫化处理有利于减轻磨损，后者与淬火蜗杆配对能用于重载场合。

蜗杆传动

11.4

普通圆柱蜗杆传动承载能力计算11.4.1

蜗杆传动的受力分析1、计算分力的大小不计摩擦力时有如下关系：Ft2

=Fa1=2T2

/

d2Fa2

=Ft1=2T1

/

d1F=F=F

tanα2

、

确定分力方向Ft：主反从同(与转速的方向)Fr：指向各自的轮心Fa：(主动轮)左、右手定则。左旋用左手，右旋用右手，四指顺着转动方向握拳，则拇指的指向为主动轮

轴向力的方向。

蜗杆传动r2r1

t2蜗杆传动的效率主要取决于啮合效率η1

，导程角γ是影响啮合效率的主要因素。2

、搅油损耗的效率η2η2=0.94~0.99，与蜗轮或蜗杆的浸油深度和速度、油的粘度以及箱体的内部结构等有关。3、轴承效率η3采用滚动轴承时η3=0.98~0.9911.4.2

蜗杆传动的效率

=1

2

3η

1——传动啮合效率；η2——考虑搅油损耗的效率；η3——轴承效率。1、啮合效率η1

：近似按螺旋副计算

蜗杆传动

1

=tanytan(y+pv)

=

tan

y

−

pv

1′(蜗轮主动)(蜗杆主动)tany11.4.3

蜗杆传动的强度计算1

、蜗轮齿面接触疲劳强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度校核公式为

H

=ZEZp

≤

H

强度计算时蜗轮齿面许用接触应力[σH]分为两种情况：若蜗轮材料为锡青铜(σB<300MPa)，H

=ZN

H

′

；若蜗轮材料为灰铸铁或高强度青铜(σB

≥300MPa)，蜗轮主要失效形式为齿面胶合，可按表11-11直接查出许用接触应力[σH]的值。蜗轮齿面接触疲劳强度设计计算公式为

蜗杆传动3

ZEZpKT2

H

a

≥

22

、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算蜗轮轮齿的齿形比较复杂，其弯曲疲劳强度难于精确计算，通常是将蜗轮近似地当作斜齿圆柱齿轮，进行条件性的计算。蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核公式为aF

=

YFa2YF

≤

aF

蜗轮齿根弯曲疲劳强度设计公式为m2

d1

≥

YFa2YF

蜗杆传动11.4.4

蜗杆传动的刚度计算蜗杆轴的挠曲主要是由圆周力和径向力造成的，轴向力的影响可以忽略。假设轴两端为自由支承，则圆周力和径向力在轴的啮合部分的挠曲量为yt1

=；

yr1

=两者合成，得蜗杆轴的最大挠曲量应满足下列条件y=y

1

+y

1

=Ft12

+Fr12

≤

y式中，I为蜗杆轴危险截面二次矩，I=冗d

1

64，其中df1为蜗杆齿根圆直径；L为蜗杆两端支承间的跨距；

[y]为许用最大挠度，[y]=d1/1000，d1为蜗杆分度圆直径。f4r2t2

蜗杆传动11.4.5

蜗杆传动的热平衡计算蜗杆传动的效率较低，工作时发热量大，若闭式传动散热条件不足，箱体内润滑油工作温度会不断升高，润滑油黏度将下降，从而导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合，因此需对连续工作的闭式蜗杆传动进行热平衡计算。热平衡计算条件：在同一单位时间内传动的发热量H1

=

散热量H2发热量：H1=1000P1(1-η)散热量：H2=k

A(t1-t0

)由H1=H2

，可得在既定工作条件下的油温t1为t1

=

t0

+

t1为润滑油的工作温度，一般应限制在60~70°C

，最高不超过80°C

；t0为周围空气的温度，通常取t0=20°C。

蜗杆传动11.4.6

普通圆柱蜗杆传动的精度等级国标对蜗杆、蜗轮和蜗杆传动规定了12个精度等级，第1级精度最高，第12级精度最低。根据使用要求不同，允许选用不同精度等级的偏差组合。普通圆柱蜗杆传动的精度常用6~9级。当工作油温t1

>80℃或散热面积不足时，应采取散热措施：1)增加散热面积合理设计箱体结构，在箱体外表面铸出或焊上散热片。2)提高表面传热系数在蜗杆轴端加装风扇；在箱体油池内安装循环冷却水管；

采用压力喷油循环冷却。

蜗杆传动冷却水管冷却外冷却器冷却风扇冷却11.5

圆柱蜗杆和蜗轮的结构11.5.1

圆柱蜗杆的结构