第7章--蜗杆传动设计.ppt

1、第七章 蜗杆传动设计,一蜗杆传动组成由蜗轮和蜗杆组成,a） 蜗杆下置,b） 蜗杆上置,二蜗杆传动的应用 蜗杆传动用于传递空间两交错轴之间的运动和转矩，两轴 线之间交错的夹角可以是任意的，但最常用的是两轴在空 间相互垂直，轴交角为90。,类型、特点，几何尺寸计算,主要参数及其选择，轮齿受力分析重点,蜗杆传动承载能力计算 蜗轮轮齿强度、蜗杆刚 度计算,蜗杆传动热平衡计算控制温升，防止胶合破坏,1.结构紧凑，传动比大(动力传动中， 一般单级传动比 i =880，在分度传 动中，可达1000)，,2. 传动平稳，振动、冲击和噪声均很 小，在一定的条件下具有自锁性等 优点,传动缺点在制造精度和传动比相同

2、的情况下，蜗杆传动的摩擦发热大，效率比齿轮传动低，只宜用于中、小功率的场合,7-1 蜗杆传动概述,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动,锥面蜗杆传动,普通圆柱蜗杆的齿 面一般是在车床上用直 线刀刃的车刀车制的(zK 型蜗杆除外)。车刀安装 位置的不同，所加工出 的蜗杆齿面在不同截面 中的齿廓曲线也不同。,一）普通圆柱蜗杆传动,1. 阿基米德蜗杆（ZA）,一）普通圆柱蜗杆传动,蜗杆齿廓特点：,垂直于轴线的剖面 上齿廓为阿基米德 螺旋线；,通过蜗杆轴线的剖 面上为直线齿廓；,不便加工，且难于磨削，不易保证精度，用于低速、轻载或不太重要的传动。,蜗轮齿廓及蜗杆蜗轮传动特点：,蜗轮齿廓在中

3、间平面上（通过蜗杆轴线且垂直于蜗轮轴线 的平面）蜗轮齿廓为渐开线,蜗杆蜗轮传动特点在中间平面上蜗杆蜗轮的啮合如齿轮、齿 条的啮合关系,2. 渐开线蜗杆（ZI）,蜗杆齿廓特点：蜗杆齿面为渐开螺旋面，端面齿廓为渐开线,一）普通圆柱蜗杆传动,蜗杆可以磨削，易保证加工精度，用于头数较多、转速较高和较精密的传动。,蜗杆可用两把直 线刀刃的车刀在车床 上车制。加工时，两 把车刀的刀刃平面一 上一下与基圆相切， 被切出的蜗杆齿面是 渐开线螺旋面，端面 的齿廓为渐开线。,3. 法向直廓蜗杆（ZN）也叫延伸渐开线蜗杆,蜗杆齿廓特点：蜗杆法面齿廓为直线，端面齿廓为延伸渐开线,一）普通圆柱蜗杆传动,蜗杆加工简单，可

4、以磨削，用于头数、精密的蜗杆传动。,车制时刀刃顶面置于螺旋线的法面上，蜗杆在法向剖面上具有直线齿廓，在端面上为延伸渐开线齿廓。,二) 圆弧圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆轴向剖面为圆弧形齿廓，用车刀车削,用轴向剖面为圆弧的环面砂轮，装在蜗杆螺旋线的 法面上，,圆弧圆柱蜗杆与普通圆柱蜗杆的区别：,1）在主剖面上蜗杆齿廓为凹弧形，与之配合的蜗轮齿廓 为凸弧形；,2）凹凸弧齿廓啮合传动，也是线接触的啮合传动，接触 处的综合曲率半径大，承载能力高，比普通圆柱蜗杆 高50%150%；,3）瞬时接触线与滑动速度交角大，有利于啮合面间油膜 形成，摩擦小，效率高，蜗杆可磨削，精度高，用于 冶金、矿山、化工、起重运输

5、机械。,7-2 普通圆柱蜗杆传动基本参数及几何尺寸计算,一普通圆柱蜗杆传动的基本参数及其选择,阿基米德蜗杆在主剖面内相当于齿轮与齿条的啮合传动。 主要参数有：模数m、压力角、蜗杆头数Z1、蜗轮齿数Z2、 蜗杆直径系数q、蜗杆分度圆柱导程角等。,一）模数m和压力角,蜗杆轴面压力角x1=蜗轮端面压力角t2=标准压力角 =20,蜗杆轴面模数mx1=蜗轮端面模数mt2= 标准模数m,二）蜗杆分度圆直径(又称中圆直径) d1和直径系数q,蜗杆传动中，为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，常用与 蜗杆具有同样参数的蜗轮滚刀来加工与其配对的蜗轮。这样，只要有一种尺寸的蜗杆，就必须有一种对应的蜗轮滚刀。为了减少蜗轮滚

6、刀的数目，为便于蜗轮滚刀的标准化，规定蜗杆直径d1为标准值，且与m搭配。 d1与m的比值称为蜗杆直径系数，用q表示，即： 。,注意：由于d1与m均为标准值，故q是d1、m两个参数的导出值，不一定是整数， d1、m、q之间关系见表7-1。,因此，蜗杆分度圆直径 :,蜗杆分度圆导程角 蜗杆轮齿的切线与其端面之间的夹角,导程（同一条螺旋线上相邻两齿同侧齿廓之间的轴向距离） ：pz=z1px,蜗杆轴向齿距（相邻两齿同侧齿廓之间的轴向距离）：px=m, ，效率高， 330的蜗杆具有自锁性。,导程角与导程的关系,导程角：,三）蜗杆分度圆柱导程角,四）传动比i、蜗杆头数Z1及蜗轮齿数Z2,2蜗杆头数Z1 蜗

7、杆螺旋线数,对结构尺寸：i一定时，Z1则Z2尺寸，且加工困难,对效率Z1时， 其效率啮 =tan/tan（+v）,对自锁Z1时，自锁性好,考虑传动比i则Z1，i时 Z1见表7-2,考虑用途对反行程有自锁要求的传动取Z1=1,考虑效率要求要求啮时宜选Z1,一般取14,通常蜗杆传动是以蜗杆为主动的减速装 置，故传动比与齿数比相等，即：,1传动比i,注意：, d1=qm Z1m,3. 蜗轮齿数Z2,具体选择时，还应考虑i、 z1、 z2匹配关系,对蜗杆刚度M不变时，Z2则d2，蜗杆轴跨距，刚度,对蜗轮加工 Z2蜗轮轮齿根切,避免产生根切，与单头蜗杆啮合的蜗轮，其齿数17,增大啮合区提高平稳性通常规定

8、z2 28（保持两对齿啮合）,为防止蜗轮尺寸过大造成蜗杆轴跨距大降低蜗杆的弯曲刚度 Z2max 80 。,蜗杆头数与蜗轮齿敷的荐用值,二. 蜗杆传动的正确啮合条件,当两轴线交错角=90时，导程角应与蜗轮分度圆柱螺旋角等值且方向相同。,1 = 2,三. 普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算,一） 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7-2,注意：,1. 蜗杆分度圆直径：d1=qmZ1m,2 .蜗杆传动的中心距： a=0.5（d1+d2）=0.5m（q+Z2） 0.5m（Z1+Z2）,分度圆直径d2,顶圆直径da 2,根圆直径df2,指蜗轮中间 平面上的值,一蜗杆、蜗轮配对

9、材料选择,7-3 蜗杆传动的材料选择、失效形式及设计准则,特点 结构细而长易变形，一般为主动件，n1应力 循环次数N1，且连续运转；,要求材料的抗变形能力强（E）；轮齿强度要高 （B S）；,冲击大 20Cr、20CrMnTi、12CrNi3A表 面渗碳淬火(齿面硬度5662HRC）,冲击小 40、45钢和40Cr、40CrNi、 42SiMn表面淬火(齿面硬度4555HRC）,不太重要的低速中载蜗杆用45、40等碳素钢调 质处理（硬度为220 300HBS）。,一）蜗杆材料选择:,二）蜗轮的材料选择,强度足够,减摩性好（fV）： fV钢-青铜 fV钢-铸铁 fV钢-钢,锡青铜ZCuSn10P

10、I等耐磨性最好，但价格 较高用于高速或重要传动,铝铁青铜ZcuAl10Fe3Mn2耐磨性较好，但 价格便宜，用于中速，较重要传动,灰铸铁(HTl50或HT200)用于低速轻载,VS 4ms 选锡青铜作蜗轮的齿圈,VS 24ms 选铝铁青铜,VS 2ms 选灰铸铁,二蜗杆传动的失效形式及计算准则,一）蜗杆传动的失效形式,蜗杆传动的失效特点由于材料和结构上的原因，在一般情况下，失 效多发生在蜗轮上。,闭式蜗杆传动主要失效形式：,齿面点蚀齿面接触应力H 循环作用引起 当z280时也会出现轮齿的弯曲折断,开式蜗杆传动的主要失效形式蜗轮轮齿的磨损。,齿面胶合由于蜗杆蜗轮齿面间的相对滑 动速度较大（ ）

11、，效率低发热量大，使润滑油粘度因温度升 高而下降，润滑条件变坏，容易发生胶合。,开式蜗杆传动主要是控制因磨损而引起的蜗轮轮齿的 折断，按齿根弯曲疲劳强度条件设计计算或校核计算。,二）计算准则,闭式蜗杆传动按齿面接触强度设计，校核齿根弯曲强 度，连续工作的闭式传动，摩擦发热大，效率低，温 度升高，散热不好，引起润滑条件恶化而产生胶合， 还需进行传动效率和热平衡计算以控制温升。,7-4 普通圆柱蜗杆传动的承载能力计算,一、蜗杆传动的受力分析和计算载荷,1 ) 受力分析,而法向力,式中： T1、T2分别为蜗杆和蜗轮轴上的转矩，N.mm, T2=iT1，N.mm, 传动效率，i 传动比 d1 、 d2

12、分别为蜗杆和蜗轮的分度圆直径, mm 压力角， =20 蜗杆分度圆柱上的导程角，,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=K*名义载荷,式中: KA工作情况系数 K动载荷系数 K齿向载荷分布系数 蜗杆传动,可以忽略K, K影响,二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算,因为蜗杆传动的失效一般发生在蜗轮上，所以只需进行蜗轮轮齿的强度计算。 蜗轮齿杆很少发生弯曲疲劳折断，只有

13、当蜗轮齿数Z280100或开式传动时。才进行弯曲疲劳强度计算。 对闭式蜗杆传动，仅按齿面接触疲劳强度进行设计,阿基米德圆柱蜗杆传动在中间平面上相当于直齿条与斜齿轮相 啮合，蜗轮齿面的接触疲劳强度计算与斜齿圆柱齿轮传动相似。,蜗轮轮齿是沿齿宽做成弧形包在蜗杆上，并考虑到重合度和接触线长度的变化，其最小接触线长度为:,-接触线长度变化系数,端面重合度a=1.8-2.2 2-蜗轮轮宽角 取平均值，使=0.75，a=2，2=100,A:,一般取3.527， ,平均 则节点处的综合曲率半径为: .,B :,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,式中：,应力循环次数N=107时，蜗轮材料的基本许用接触应力，MPa,7-5,7-5 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,一、蜗杆传动的效率,式中：1啮合效率,2 3分别为轴承效率和搅油效率 一般取2 3=0.950.96,蜗杆传动的总效率:,二、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,润滑油选择及其给油方式见表7-11,三、蜗杆传动的热平衡计算,单位时间内由摩擦损耗的功率产生的热量为:,W,式中：P1蜗杆传动的功率，KW 蜗杆传动的总效率,单位时间由箱体外壁散发到空气中的热量为,W,式中: Ks散热系数 A散热面积 t达到平衡时，箱体内的 油