机械设计：蜗杆传动和滑动轴承.ppt

1、第十一章 蜗杆传动,Worm gearing,主要内容,11-1 蜗杆传动概述,11-2 普通蜗杆传动的参数与尺寸计算,11-3 普通蜗杆传动的承载能力计算,11-4 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,11-5 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,General considerations for worm gearing,The parameters and geometrical calculations for Ordinary worm gearing,Load-carrying capacity calculations for Ordinary worm gearing,Efficienc

2、y and lubrication and heat balance calculation,Structural design for worm gear and cylindrical worm,教学目标与教学重点,教学目标,教学重点,1 了解蜗杆传动的类型、特点和应用情况； 2 掌握蜗杆传动的参数选择和几何尺寸计算；,1 蜗杆传动的参数选择。,3 掌握蜗杆传动的材料、失效形式和计算准则； 4 掌握蜗杆传动的受力分析方法。,2 蜗杆传动的受力分析。,5 熟悉蜗杆传动的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算模型及 应用注意事项； 6 掌握蜗杆传动效率计算方法和热平衡计算方法。,3 蜗杆传动的强度计算

3、和热平衡计算方法。,11-1 蜗杆传动概述,1、蜗杆传动的主要特点：,General considerations for worm gearing, 平稳，噪音小（ 蜗杆与蜗轮连续啮合）,传动比大（Z14），结构紧凑,优点：,缺点： 效率低 （滑动速度很大，摩擦损失较大） 成本高 （ 蜗轮轮圈用贵重有色金属青铜制造）,其蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形 的车刀切制而成的。,其齿面一般是在车床上用直线刀刃的 车刀切制而成，车刀安装位置不同， 加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同。,蜗杆传动的类型,11-1 蜗杆传动概述,General considerations for worm gearing,2

4、、 蜗杆传动的类型,（1）阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）车制蜗杆,端面齿廓为阿基米德螺旋线，轴向齿廓为直线。,普通圆柱蜗杆,普通蜗杆传动的特点、加工和应用,（2）渐开线蜗杆（ZI蜗杆）,端面齿廓为渐开线，它相当于一个少齿数（齿数等于蜗杆头数）、大螺旋角的渐开线圆柱斜齿轮。,普通圆柱蜗杆,（3）法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）车制蜗杆,端面齿廓为延伸渐开线，法面齿廓为直线。,普通圆柱蜗杆,（4）锥面包络圆柱蜗杆（ZK蜗杆）,非线性螺旋齿面蜗杆。不能在车床上加工，只能在铣床上铣制并在磨床上磨削。,普通圆柱蜗杆,11-2 普通蜗杆传动的参数选择及几何尺寸计算,中间平面：通过蜗杆轴线，垂直于蜗轮轴线的平面。,中间平

5、面：齿形标准齿形 参数标准参数,蜗杆齿廓：直线 蜗轮齿廓：渐开线,为（直）齿条与渐开线齿轮啮合,特点： 中间平面内,一、主要参数及其选择,1、模数m，压力角,正确啮合条件：,2、蜗杆分度圆直径,m , q，d1 见表11-2,d1多，则加工蜗轮的滚刀数目多。 为减少刀具数目，并便于实现标准化、系列化：对每一m蜗杆规定几个标准d1,普通蜗杆传动的参数与尺寸2,3、导程角g,在m和d1为标准值时，z1g,正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且g1b2,4、蜗杆头数Z1,一般：Z1=1，2，4，6 （便于加工）,导程角与效率的关系：,普通蜗杆传动的参数与尺寸2,5、传动比 i与齿数比u,当蜗杆为主动

6、时，,Z2100, 则d2=mZ2 杆长 杆刚度,6、蜗轮齿数z2,z2= i z1,（Z1与Z2的推荐用值表）,普通蜗杆传动的参数与尺寸2,7、中心距,二、几何尺寸计算:,见表11-3,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,失效形式、设计准则及常用材料 蜗杆传动的受力分析 蜗杆传动强度计算 蜗杆的刚度计算 蜗杆传动的精度等级及其选择,Load-carrying capacity calculations for Ordinary worm gearing,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,一、失效形式、设计准则及常用材料,特点：蜗轮失效,1.失效形式：, 按齿面接触疲劳强度设计 按齿

7、根弯曲疲劳强度校核 热平衡计算,2.蜗杆传动的设计准则,开式传动： 按弯曲疲劳强度设计,闭式传动：,3、常用材料,要求 ：强度、耐磨性、跑合性。,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,一、失效形式、设计准则及常用材料,普通蜗杆传动的承载能力计算2,二、蜗杆传动的受力分析,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,二、蜗杆传动的受力分析,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。,各力之间的关系：,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,普通蜗杆传动的承载能力计算2,二、蜗杆传动的受力分析,11-3 普通圆柱

8、蜗杆传动承载能力计算,各力的大小：,各力的方向：,二、蜗杆传动的受力分析,练习1,练习2,普通蜗杆传动的承载能力计算2,三、蜗杆传动强度计算,相对滑动速度:,四、蜗杆的刚度计算,适用于：载荷大、精度高、Z280时，蜗杆刚度不足、变形过大、载荷集中，按轴的弯曲刚度计算。,最大挠度：,-蜗杆两端支撑间的跨距。,五、蜗杆传动精度等级及其选择,12级 1级最高 常用69级,6级：中等精度机床的分度机构等。,7级：一般工业中的中等速度的动力传动。,8级：不连续传动 、低速。,9级：不重要传动。,11-4 蜗杆传动的效率、润滑、热平衡计算,一、蜗杆传动的效率,h1计及啮合摩擦损耗的效率；,h2计及轴承摩擦

9、损耗的效率；,h3计及溅油损耗的效率；,Efficiency and lubrication and heat balance calculation,h1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：,所以 Z1,式中：g 蜗杆的导程角； v当量摩擦角。,效率与蜗杆头数的大致关系为： 蜗杆头数 总 效 率 0.70 0.80 0.90 0.95,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡2,二、蜗杆传动的润滑,润滑的主要目的在于减摩与散热。,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

10、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。,详细介绍,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡2,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。,二、蜗杆传动的润滑,润滑的主要目的在于减摩与散热。,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡3,三、蜗杆传动的热平衡,连续工作的闭式蜗杆传动 发热 油温 胶合,系统因摩擦功耗产生的热量,自然冷却从箱壁散去的热量,ad箱体表面的散热系数，可取 ad (8.1517.45)W/(m2)；,S 箱体的可散热面积(m2)；,t0润滑油的工

11、作温度()；,ta环境温度()。,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡3,在热平衡条件下可得：,可用于系统热平衡验算，一般to7080,可用于结构设计,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡4,加散热片以增大散热面积 在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流通。,四、蜗杆传动的散热措施,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡5,3. 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,四、蜗杆传动的散热措施,圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计1,11-5 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,一、蜗杆的结构,无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工，但该结构的刚度 较前一种差。,S

12、tructural design for worm gear and cylindrical worm,圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计2,11-5 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,二、蜗轮的结构,Structural design for worm gear and cylindrical worm,例题：试设计一搅拌机用的闭式蜗杆减速器中的普遍圆柱蜗杆传动。已知：输入功率P=9kW,蜗杆转速n1=1450r/min,传动比i12=20,传动不反向，工作载荷较稳定，但有不大的冲击。要求寿命Lh=12000h,解：1. 选择蜗杆传动类型,2. 选择材料,3. 按齿面接触疲劳强度进行设计,1）确定作用在蜗轮上

13、的转矩T2,2）确定载荷系数K,3）确定弹性影响系数ZE,4）确定接触系数Z,5）确定许用接触应力H,6）计算中心距,4. 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸,1）蜗杆,2）蜗轮,5. 校核齿根弯曲疲劳强度,6. 精度等级公差和表面粗糙度的确定,7. 热平衡核算,8. 绘制工作图,例题：试设计一搅拌机用的闭式蜗杆减速器中的普遍圆柱蜗杆传动。已知：输入功率P=9kW,蜗杆转速n1=1450r/min,传动比i12=20,传动不反向，工作载荷较稳定，但有不大的冲击。要求寿命Lh=12000h,思考题,思考题,思考题,思考题,BACK,第十二章 滑动轴承,Sleeve bearings,12-1 概述,

14、12-2 滑动轴承的失效形式及常用材料,12-3 滑动轴承轴瓦结构,12-4 不完全液体润滑滑动轴承的设计计算,12-5 液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算,General considerations,Structures of bearing shell,Types of failure and materials of sleeve bearings,Simplified calculations for bearings operating with non-fluid friction,Design of the hydrodynamic lubrication bearings,主

15、要内容,教学目标与教学重点,教学目标,教学重点,1、了解摩擦、磨损、润滑的基本知识； 2、熟悉滑动轴承的分类、特点及应用； 3、熟悉滑动轴承的主要失效形式及材料选择，轴瓦结构； 4、掌握不完全液体摩擦滑动轴承的条件性计算方法;,1、不完全液体摩擦滑动轴承的条件性计算;,5、熟悉流体动压方程的基本假设以及方程的推导过程； 6、掌握动压油膜形成原理及必要条件。,2、动压油膜形成原理及必要条件。,12-1 概述,General considerations,摩擦学概述 滑动轴承概述 滑动轴承的典型结构 滑动轴承设计内容,12-1 概述,摩擦学：即研究有关摩擦、磨损及润滑的科学。,摩擦是相对运动的物体

16、表面间的相互阻碍作用现象；,磨损是由于摩擦而造成的物体能量损耗和摩擦表面 材料的损失或迁移；,润滑是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。,General considerations,一、摩擦学概述,作相对运动的两物体接触面间必然产生摩擦；摩擦的结果必然产生磨损；而减少摩擦、磨损的有效措施是润滑。,1、摩擦,静 摩 擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。,动 摩 擦：在相对运动进行中的摩擦。,滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。,滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。,12-1 概述,General considerations,一、摩擦学概述,分类：,滑动摩擦的种类及性质,12-1 概述,Gen

17、eral considerations,一、摩擦学概述,1.干摩擦,2.边界摩擦,3.流体摩擦,4.混合摩擦,2、磨损,12-1 概述,General considerations,一、摩擦学概述,在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。,3、 润滑,润滑的目的：能降低摩擦、减少磨损，还能防锈、防尘、冷却、缓冲吸振。,12-1 概述,General considerations,一、摩擦学概述,滑动轴承概述1,二、滑动轴承概述,根据轴承中摩擦的性质，可分为滑动轴承和滚动轴承。,12-1 概述,General considerations,轴承是支承轴的零件。

18、,滑动轴承概述2,1、滑动轴承的特点及应用,()工作转速很高，如汽轮发电机。,()要求对轴的支承位置特别精确，如精密磨床。,()承受巨大的冲击与振动载荷，如轧钢机。,()特重型的载荷，如水轮发电机。,()根据装配要求必须制成剖分式的轴承，如曲轴轴承。,(7)在特殊条件下(水、腐蚀性介质）工作的轴承，如军舰推进器的轴承。,(6)径向尺寸受限制时，如多辊轧钢机。,二、滑动轴承概述,12-1 概述,General considerations,二、滑动轴承概述,2、滑动轴承的分类,b.根据润滑状态， 滑动轴承可分为：,12-1 概述,General considerations,a.根据承受载荷的方

19、向分为:,推力轴承,径向轴承,动压滑动轴承,静压滑动轴承,液体润滑滑动轴承,不完全液体润滑滑动轴承,c.根据结构型式不同可分为：,整体式,剖分式,自动调心式,二、滑动轴承概述,2、滑动轴承的分类,12-1 概述,General considerations,三、滑动轴承的典型结构,1、径向滑动轴承的结构,a整体式径向滑动轴承,特点：结构简单，成本低廉；,应用：低速、轻载或间歇性工作的机器中。,因磨损而造成的间隙无法调整；,只能从沿轴向装入或拆出。,12-1 概述,General considerations,径向滑动轴承的典型结构2,对开式径向滑动轴承,特点：结构复杂、可以调整磨损而造成的间隙

20、、安装方便。,对开式轴承(剖分轴套),三、滑动轴承的典型结构,12-1 概述,General considerations,4、滑动轴承设计,1.轴承型式和结构的确定；,2.轴瓦结构和材料的选择；,4.润滑剂及润滑方法的选择；,5.轴承的工作能力计算。,三、滑动轴承的典型结构,12-1 概述,General considerations,3.轴承的结构参数；,滑动轴承的失效形式及常用材料1,汽车用滑动轴承故障原因的平均比率,轴承表面的磨粒磨损、刮伤、咬粘(胶合)、疲劳剥落和腐蚀。,一、滑动轴承常见失效形式,滑动轴承还可能出现气蚀、电侵蚀、流体侵蚀和微动磨损等失效形式。,12-2 滑动轴承的失效

21、形式及常用材料,详细说明,Types of failure and materials of sleeve bearings,滑动轴承的失效形式及常用材料2,二、滑动轴承的材料, 减摩性：材料副具有较低的摩擦系数。, 耐磨性：材料的抗磨性能，通常以磨损率表示。, 抗咬粘性：材料的耐热性与抗粘附性。, 摩擦顺应性：材料通过表层弹塑性变形来补偿轴承滑动表面初始配合不 良的能力。, 嵌入性：材料容纳硬质颗粒嵌入，从而减轻轴承滑动表面发生刮伤或磨 粒磨损的性能。,此外还应有足够的强度和抗腐蚀能力、良好的导热性、工艺性和经济性。, 磨合性：轴瓦与轴颈表面经短期轻载运行后，形成相互吻合的表面形状 和粗糙度

22、的能力（或性质）。,12-2 滑动轴承的失效形式及常用材料,Types of failure and materials of sleeve bearings,轴瓦：轴承直接与轴颈相接触的零件,轴承衬：有的轴瓦是在轴瓦整体上用浇铸或压合的方法 粘附上一层另一种材料，这一薄层材料称为轴承衬。,滑动轴承的失效形式及常用材料2,二、滑动轴承的材料,12-2 滑动轴承的失效形式及常用材料,Types of failure and materials of sleeve bearings,1、轴承合金 （白合金、巴氏合金）,摩擦系数小，抗胶合性好用于高速、重载,价格高、强度低用作轴承衬,2、 轴承青铜,

23、强度高、耐磨性好、导热性好，即可用于轴瓦，又可以作轴承衬,3、含油轴承:,多孔、含油自润滑 韧性差,平稳无冲击、难于用油润滑处,4、 轴承塑料,摩擦系数小，自润滑性和嵌藏性好,耐热性、导热性差，吸水膨胀，易变形,常用作轴承衬,12-3 滑动轴承的轴瓦结构,一、轴瓦的形式和结构,Structures of bearing shell,滑动轴承的轴瓦结构2,单材料、整体式 厚壁铸造轴瓦,多材料、整体式、薄壁轧制轴瓦,多材料、对开式厚壁铸造轴瓦,多材料、对开式薄壁轧制轴瓦,12-3 滑动轴承的轴瓦结构,一、轴瓦的形式和结构,Structures of bearing shell,二、轴瓦的定位, 方

24、法： 对于轴向定位有：,对于周向定位有：,12-3 滑动轴承的轴瓦结构,Structures of bearing shell,三、轴瓦的油孔及油槽, 目的：把润滑油导入轴颈和轴承所构成的运动副表面。, 原则：尽量开在非承载区，尽量不要降低或少降低承载区油膜的承载 能力；轴向油槽不能开通至轴承端部，应留有适当的油封面。, 形式：按油槽走向分沿轴向、绕周向、斜向、螺旋线等。,按油槽数量分单油槽、多油槽等。,单轴向油槽开在非承载区 （在最大油膜厚度处）,双轴向油槽开在非承载区 （在轴承剖分面上）,双斜向油槽 （用于不完全液体润滑轴承）,12-3 滑动轴承的轴瓦结构,Structures of be

25、aring shell,不完全液体润滑滑动轴承的设计计算1,12-4不完全液体润滑滑动轴承的设计计算,一、失效形式与设计准则, 工作状态：因采用润滑脂、油绳或滴油润滑，故无法形成完全的承载油膜，工作状态为边界润滑或混合摩擦润滑。,Simplified calculations for bearings operating with non-fluid friction, 失效形式：边界油膜破裂。, 设计准则：保证边界膜不破裂。,因边界膜强度与温度、轴承材料、轴颈和轴承表面粗糙度、润滑油供给等有关，目前尚无精确的计算方法，但一般可作条件性计算。,不完全液体润滑滑动轴承的设计计算1, 校核内容：,

26、验算摩擦发热pvpv，fpv是摩擦功耗，限制pv即间接限制摩擦发热。,验算滑动速度vv ，p，pv的验算都是平均值。考虑到轴瓦不同心，受载时轴线弯曲及载荷变化等的因素，局部的p或pv可能不足，故应校核滑动速度v 。,验算平均压力 p p，以保证强度要求。,12-4不完全液体润滑滑动轴承的设计计算,一、失效形式与设计准则,Simplified calculations for bearings operating with non-fluid friction,不完全液体润滑滑动轴承的设计计算2,二、径向滑动轴承的设计计算, 已知条件：外加径向载荷F (N)、轴颈转速n(r/mm) 及轴颈直径d

27、 (mm), 验算及设计 ：,验算轴承的平均压力p (MPa),B轴承宽度，mm（根据宽径比B/d确定）p轴瓦材料的许用压力，MPa。,12-4不完全液体润滑滑动轴承的设计计算,Simplified calculations for bearings operating with non-fluid friction,不完全液体润滑滑动轴承的设计计算2,验算摩擦热,v轴颈圆周速度，m/s； pv轴承材料的pv许用值，MPam/s,二、径向滑动轴承的设计计算,12-4不完全液体润滑滑动轴承的设计计算,Simplified calculations for bearings operating w

28、ith non-fluid friction,验算滑动速度v (m/s),v材料的许用滑动速度,p、v、 pv 的选择,选择配合,一般可选H9/d9或H8/f7、H7/f6,12-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算,Design of the hydrodynamic lubrication bearings,一、流体动压润滑基本方程, 雷诺方程,指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。,流体动力润滑:,液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算1,假设条件 ：,2 流体为牛顿流体，即 。,1. 流体的流动是层流，即层与层

29、之间没有物质和 能量的交换；,在流体中，任意点处的切应力均与该处流体的速度梯度成正比。,x,o,y,u,u=0,u=v,12-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算,Design of the hydrodynamic lubrication bearings,一、液体动压润滑基本方程,（动画）,液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算1,3.略去流体惯性力及重力的影响；,4.流体不可压缩，故流体中没有“洞”可以“吸收” 流质；,5.流体中的压力在各流体层之间保持为常数。,假设条件 ：,6.忽略压力对流体粘度的影响(实际上粘度随压 力的增高而增加),12-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算,Desi

30、gn of the hydrodynamic lubrication bearings,一、液体动压润滑基本方程,7. 无限宽（即沿Z向无流动）, 流体平衡方程 牛顿流体摩擦定律 流体流动连续性方程,雷诺方程,12-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算,Design of the hydrodynamic lubrication bearings,一、液体动压润滑基本方程,推导思路 ：,推导过程 ：,12-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算,Design of the hydrodynamic lubrication bearings,一、液体动压润滑基本方程,沿x方向的平衡条件：Fx=0,

31、对y两次积分并根据边界条件经推导有：,线性分布，由剪切流引起,抛物线分布，由压力流引起,润滑油流量：,代入并积分得：,最大压力处的油膜厚度为h0：,液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算2,一维雷诺方程：,液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算2,2. 两表面必须有足够的相对滑动速度，其运动方向 必须使润滑油由大口流向小口。,3. 两板润滑油必须有一定的粘度，供油要充分。,流体动力润滑的必要条件：,1. 相对滑动的两表面间必须形成收敛的楔形间隙。,一维雷诺方程：,液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算3,二、径向滑动轴承形成流体动力润滑时的状态,初始状态,稳定工作状态,演示,12-5液体动力润滑径向滑动轴

32、承的设计计算,Design of the hydrodynamic lubrication bearings,液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算4,三、径向滑动轴承的几何关系和承载量系数,最小油膜厚度：hmin= e r(1-),偏心率， e / , 为直径间隙， D d,为半径间隙， R r / 2,r 和 d 分别为轴颈的半径和直径。,R 和 D 分别为轴承的半径和直径。,e 为偏心距,相对间隙， / r / d,12-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算,Design of the hydrodynamic lubrication bearings,1、几何关系,液体动力润滑径向滑动轴承

33、的设计计算5,液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算4,积分一维雷诺方程,并考虑到压力沿轴承宽度方向的分布，,Cp 承载量系数，与轴承包角，宽径比B/d和偏心率有关。,分析思路：1)根据已知条件计算求得 Cp。 2)根据Cp由承载量系数表查取偏心率。 3) 计算最小油膜厚度hmin= r(1-)。,(详细说明),三、径向滑动轴承的几何关系和承载量系数,12-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算,Design of the hydrodynamic lubrication bearings,2、承载量系数,四、最小油膜厚度 hmin,动力润滑轴承的设计应保证：hminh,其中： h=S(Rz1+Rz2),S 安全系数，考虑表面几何形状误差和轴颈挠曲变形等， 常取S2。,对于一般轴承可取为3.2m和6.3m，1.6 m和3.2m。,对于重要轴承可取为0.8m和1.6m，或0.2m和0.4m。,Rz1、Rz2 分别为轴颈和轴承孔表面粗糙度十点高度。,12-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算,Design of the hydrodynamic lubric