章蜗杆传动（机械设计基础）解析

1、121 蜗杆传动的特点和类型,第十二章 蜗杆传动,122 圆柱蜗杆传动的主要参数 和几何尺寸,概述,123 蜗杆传动的失效形式、材料 和结构,125 圆柱蜗杆传动的强度计算,126 圆柱蜗杆传动的效率、 润滑和热平衡计算,124 圆柱蜗杆传动的受力分析,概述,蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成。用于空间交错轴之间的传动，通常两轴交错角=90。,传动中一般蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。,蜗杆传动广泛应用于各种机器和仪器中。,12-1 蜗杆传动的特点和类型,一、蜗杆传动的特点,二、蜗杆传动的类型,一、蜗杆传动的特点,优点：,结构紧凑;工作平稳、噪声小;传动比大;在一定条件下，可以实现自锁。,但效率低；蜗轮齿

2、圈用青铜制造，成本较高。,缺点：,按蜗杆形状分,圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动,锥面蜗杆传动,二、蜗杆传动的类型,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,圆柱蜗杆按其螺旋面的形状分为：,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,普通圆柱蜗杆传动,1、蜗杆的形状,2、蜗杆的旋向,蜗杆有左、右旋之分，常用的是右旋蜗杆。,3、蜗杆的制造精度,端面齿廓形状为：,NN法向剖面,II轴向剖面,车刀切削刃夹角 2040,圆柱蜗杆传动,环面蜗杆,锥蜗杆,122 圆柱蜗杆传动的主 要参数和几何尺寸,一、圆柱蜗杆传动的主要参数,二、圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算,在中间平面内,一、圆柱蜗杆传动的主要参数,1、 模数 m 和压力角,蜗轮加工

3、滚刀滚制，滚刀几何参数同相配蜗杆,正确啮合条件：,ma1 = mt2 = m,a1 = t2 = = 20,中间（主）平面 ,通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面。, 蜗杆导程角与蜗轮螺旋角之关系,=90 时： =,且旋向相同,z1 = 1 、2、 4,2、 蜗杆头数 z1、蜗轮齿数 z2 及传动比 i,i = n1/n2 = z2/z1,= d2 / d1 ?, d2 / d1,但 z1 少，效率低,要得到大传动比时取： z1 = 1,z1 过多,制造困难,z2 = i z1=26 80,常取 z2 = 32 63,为提高效率可取： z1 1,3、 蜗杆直径系数 q 及导程角,d1 标准系列值

4、,限制蜗轮滚刀数量，便于刀具标准化。, d1 = m q,q与导程角之关系：,q = d1 / m,蜗杆直径系数：,螺旋线导程,轴向齿距,4、 齿面间相对滑动速度 vs,由此可见，vs v1、v2,所以蜗杆传动摩擦损失大，效率低。,在节点C处，蜗杆速度为v1 ，蜗轮速度为v2 ，则齿面间沿蜗杆螺旋线方向的相对滑动速度为vs ，有：,在中间平面内相当于齿条与齿轮的啮合,蜗杆传动设计计算都以中间平面的参数和几何关系为准。,二、几何尺寸计算,中心距 a =(d1+d2)/2 = m(q+z2)/2,其他尺寸计算见表12-3,普通圆柱蜗杆传动与斜齿轮传动的区别：,传动比 i ,齿轮传动,蜗杆传动,i

5、= d2 / d1,i d2 / d1,m、 ,法面为标准值,中间平面为标准值, ,1= - 2, =, 旋向相同,d1 ,d1= mnz1/cos,d1=mq,且为标准值,12-3 蜗杆传动的失效形式、 材料 和结构,一、蜗杆传动的失效形式及材料选择,二、蜗杆和蜗轮结构,一、蜗杆传动的失效形式及材料选择,1、失效形式,齿面点蚀,齿面胶合,齿面磨损和轮齿断裂等,由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上。,材料要求：不仅有足够的强度，减摩、耐磨和抗胶合能力良好。,碳素钢 45号钢 调质或淬火,蜗 杆,合金钢 20Cr、20CrMnTi、40Cr,铸锡青铜 ZCuSn10P1 适合高速,蜗 轮

6、,铸铝青铜 ZCuAl 9Fe3 低速重载,灰铸铁 HT200 低速轻载,减摩性好,2、材料选择,二、蜗杆和蜗轮结构,蜗杆结构,蜗轮结构,蜗杆绝大多数和轴制成一体，称为蜗杆轴。,轮齿部分青铜,轮毂部分钢,12-4 圆柱蜗杆传动的受力分析,1、确定蜗轮的旋转方向,2、蜗杆与蜗轮作用力判断,1、确定蜗轮的旋转方向,蜗轮的转向与蜗杆的旋向和蜗杆的旋转方向有关。,方法：,1,2,图示，蜗杆1主动，其旋向、转向已知。 试确定1）蜗轮的转向、旋向； 2）在图中标出蜗杆和蜗轮上作用力的方向。,Fa2,Fr1,Fa1,Ft1,Ft2,2、蜗杆与蜗轮受力分析,圆周力Ft1,蜗杆传动的受力分析同斜齿轮相似。,齿面

7、上的法向力Fn分解成三个相互垂直的分力，分别为：,轴向力 Fa1,径向力 Fr1,蜗杆,蜗轮,圆周力Ft2,轴向力 Fa2,径向力 Fr2,各力方向：,1、蜗杆上的圆周力Ft1起阻力作用，其方向与蜗杆回转方向相反。 蜗轮上的圆周力Ft2起驱动作用，其方向与蜗轮回转方向相同。,2、径向力Fr分别指向各自的圆心。,3、蜗杆轴向力Fa1 ，按“左、右手定则”来判断。 蜗轮轴向力Fa2与蜗杆圆周力Ft1方向相反。,各力关系：,各力大小：,闭式传动,圆柱蜗杆传动的计算,开式传动,125 圆柱蜗杆传动的 强度计算,一、齿面接触疲劳强度计算,1）强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）,2）中间平面内相当于齿条

8、与齿轮啮合， 蜗轮类似斜齿轮,特点：,因此， 蜗轮轮齿的强度计算与斜齿轮相似，,其强度公式可仿照斜齿轮的计算方法推导,设计公式 ,说明：,m2d1求出后，查表6-1选择合适的 m、d1,如：m2d14800，则 m8 、 d1 80,由于齿形的原因，通常蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大得多，所以只是在受强烈冲击、z2特多或开式传动中计算弯曲强度才有意义。,二、轮齿的弯曲强度,12-6 圆柱蜗杆传动的效率、 润滑和热平衡计算,一、圆柱蜗杆传动的效率,二、圆柱蜗杆传动的润滑,三、圆柱蜗杆传动的热平衡计算,一、圆柱蜗杆传动的效率, = 123,与齿轮传动类似：,230.950.97,轮齿啮合的功率损耗,轴承中摩擦损耗,搅动箱体内润滑油的油阻损耗,啮合效率类似于螺旋副：,故：,设计之初， 未知，可按 z1 初选：,由上式可知，z1 ,z1 = 1 时， = 0.70.75,z2 = 2 时， = 0.750.82,z2 = 4 时， = 0.870.92,当时，蜗杆传动具有自锁性，但效率很低 0.5。,闭式传动：,二、圆柱蜗杆传动的润滑,一般情况下，采用浸油润滑,vs 很大时，采用喷油润滑,v1 小时，蜗杆下置,v1 4 m/s时蜗杆上置,有利于润滑,