机械设计基础蜗杆传动.ppt

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1、 蜗杆传动由蜗杆和蜗轮 组成，用于传递空间两 交错轴之间的运动和动 力，一般两轴交错角为 90 。通常蜗杆为主动 件，从传动性质来看， 蜗轮蜗杆传动实际上是 齿轮传动的一个特例。 根据蜗杆的位置，有上 置式和下置式蜗杆传动 。在减速器、船舶分油 机中应用有蜗杆传动。 生活中的实例 第一节 概述 一、蜗杆传动的组成 螺杆与螺纹一样，有单头、多头之分，也有左旋、右 旋之分。蜗轮的形状像斜齿轮， 它的螺旋角的大小、方向和螺 杆螺旋升角的大小、方向相同， 为了改善蜗杆与蜗轮的啮合情 况，通常将蜗轮圆柱表面的母 线做成圆弧形，部分地包围着 蜗杆，故在轴向剖面中，蜗轮 轮齿沿齿宽方向是圆弧形。 通过蜗杆轴

2、线并垂直于蜗轮轴线的平面称为 中间平面 ， 如图所示，由于在中间平面内，蜗杆的形状呈标准直边 齿条形，蜗轮在中间平面内的齿形也是一般的渐开线齿 形。但在与中间平面平行的其他截面内，蜗杆的形状不 是直边齿条形，蜗轮的齿形也不是渐开线齿形。 蜗杆 蜗轮 二、蜗杆传动的特点 1.蜗杆传动的优点 （ 1） 传动比大，结构紧凑。 一般 i =1040，在只传递运动 的分度机构中，可达 1000。这样大的传动比如果用齿轮传 动，则需要采用多级传动才行，因此蜗杆传动结构紧凑， 体积小，重量轻 （ 2） 传动平稳，噪声低。 由于蜗杆上的齿是连续不间断 的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的， 蜗杆齿 无啮 入

3、和啮出的过程，因此工作平稳、噪声小。 （ 3） 可制成具有自锁性的蜗杆 。当蜗杆的螺旋升角小于啮 合面的当量摩擦角时，机构具有自锁性，蜗杆只能带动蜗 轮转动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。 1.蜗杆传动的主要缺点 （ 1） 效率较低。 这是因为蜗轮与蜗杆在啮合处有较大的相 对滑动，因而发热量大，效率较低。传动效率一般为 0.70.8，当蜗杆传动具有自锁性时，效率小于 0.5。 （ 2） 蜗轮造价较高。 为减轻齿面磨损及防止胶合，蜗轮 多采用青铜制造，成本高。 （ 3） 不能任意互换啮合。 在蜗轮蜗杆传动中，因为蜗轮的 轮齿是呈圆弧形包围着蜗杆，所以切制蜗轮的蜗轮滚刀参 数必须与工作蜗杆的参数完全相同

4、，即不仅模数、压力角 相同，滚刀与蜗杆的分度圆直径、螺旋的头数、升角等也 都要求相同，因此蜗轮滚刀的专用性大，而且仅是模数相 同的蜗杆与蜗轮是不能任意互换啮合的。 三、蜗杆传动的类型 按蜗杆形状不同，蜗杆传动可分为 圆柱蜗杆传动 、 圆弧蜗 杆传动 和 锥面蜗杆 传动，其中圆柱蜗杆传动应用最广。 圆柱蜗杆传动有普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两 类。 普通圆柱蜗杆传动的蜗杆按刀具加工位置的不同又可分为 阿基米德蜗杆（ ZA型）、渐开线蜗杆（ ZI型）、法向直廓 蜗杆（ ZN型）等；其中阿基米德蜗杆由于加工方便，其应 用最为广泛。 阿基米德蜗杆传动 (ZA型 ) 阿基米德蜗杆的外形像梯形螺杆，

5、在轴向剖面上，其牙形 角呈直边齿条形（牙形角为 40 ），在垂直于轴线的剖面上 为阿基米德螺旋线，加工方法与普通梯形螺纹相似，应使 刀 刃顶平面通过蜗杆轴线 。该类型蜗杆具有加工、测量简单、 方便等优点；单齿面不便于磨削，不宜采用硬齿面，传动效 率低，只是用于低速轻载的传动中。 渐开线蜗杆传动 (ZI型 ) 渐开线蜗杆是使刀具切削平面通过蜗杆基圆的切平面时 ，所切出的蜗杆。其齿廓在基圆的切平面内为直线，而齿 廓与垂直于蜗杆轴线的平面交线为渐开线。这种蜗杆可用 滚刀滚铣，也可进行磨削。因而，制造精度较高，也可采 用硬齿面。适用于批量生产、大功率、高速传动的场合。 法向直廓蜗杆传动 (ZN型 )

6、第二节 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算 在中间平面上，蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮 与齿条的啮合，因此，设计蜗杆传动时，其参数和尺 寸均在中间平面内确定，并沿用渐开线圆柱齿轮传动 的计算公式。 一、蜗杆传动的主要参数 1.蜗杆头数 z1、蜗轮齿数 z2 蜗杆头数（齿数） z1即为蜗杆螺旋线的数目，蜗杆的 头数 z1一般取 1、 2、 4。当传动比大于 40或要求蜗杆自 锁时，取 z1 =1；当传递功率较大时，为提高传动效率 、减少能力损失，常取 z1为 2、 4。蜗杆头数越多，加 工精度越难保证。 通常情况下取蜗轮齿数 z2 =2880。若 z2 40 蜗杆头数 z1 4 2 2,1 1

7、 蜗轮齿数 z2 2852 2854 2880 40 2.蜗杆螺旋线升角 蜗杆螺旋面与分度圆柱面的交线为涡旋线。 将蜗杆分度圆柱展开，其螺旋线与端面的 夹角即为蜗杆分度圆柱上的 螺旋升角 ，或 称 螺杆的导程角 。由图可得蜗杆螺旋线的导程为： 蜗杆分度圆柱上螺旋 线升角 与导程的关 系为： mzpzL a 111 1 1 1 1 1ta n d mz d mz dL 通常 =3.5 27 ，升角小时传动效率低，但可实现 自锁；升角大时传动效率高，但加工较困难。 3.蜗杆分度圆直径 d1和蜗杆直径系数 q 加工蜗杆时，蜗杆滚刀的参数应与相啮合的蜗杆完全 相同，几何尺寸基本相同。由 可得蜗杆的分度

8、圆直径可写成 可见，蜗杆的分度圆直径 d1不仅与模数有关，而且还 与齿数 z1和螺旋线升角 有关。 1 1 1 1 1ta n d mz d mz dL t a n1 1 zmd 同一模数的蜗杆，由于齿数 z1和螺旋线升角 的不同， d1随之变化，致使滚刀规格的数目较多，很不经济。 为了较少滚刀的数量，有利于标准化，国标规定，对 应于每一个模数 m，规定了一至四种蜗杆分度圆直径 d1 ，并把 d1与 m的比值称为蜗杆直径系数 q，即 式中， d1、 m已标准化； q为导出量，不一定是整数。 当 m一定时， q越小， d1越小，升角 越大，传动效率 越高，但蜗杆的刚度和强度降低。 m dq 1

9、q z d mz d mz d L 1 1 1 1 1 1 t a n 4.模数 m和压力角 如前所述，在中间平面上蜗杆与蜗轮的啮合可以看做 齿条与齿轮的啮合，蜗杆的轴向齿距 pa1应等于蜗轮的 端面齿距 pt2，即蜗杆的轴向模数 ma1应等于蜗轮的端面 模数 mt2，蜗杆的轴向压力角 a1应等于蜗轮的端面压力 角 t2。标准模数见表 10-2 规定中间平面上的模数和压力角为标准值，则 蜗杆传动的正确啮合条件为： ma1 = mt2 = m a1 = t2 = =20 =（大小相等，旋向相同） 二、蜗杆传动的几何计算公式 1.蜗杆分度圆直径 2.蜗轮分度圆直径 3.蜗杆传动的中心距为 4.传动

10、比 i mqd 1 22 mzd 22 221 zqmdda 1 2 212 1 / 1 z z zzn ni 标准中心距 径向间隙 蜗轮螺旋角 蜗杆导程角 齿根圆直径 齿顶圆直径 齿根高 齿顶高 分度圆直径 蜗轮 蜗杆 计算公式 符号 名称 d ah fh ad fd c a mqd 1 mzd 2 mha mh f 2.1 mqd a )2(1 mZd a )2( 22 mqd f )4.2(1 mZd f )4.2( 22 q Za rc tg 1 mc 2.0 )(5.0)(5.0 221 zqdda 蜗杆传动的几何尺寸计算 第三节 蜗杆传动的受力分析 二、蜗杆传动的几何计算公式 蜗杆

11、传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似。 为简化问题，作两个假设： （ 1）蜗轮轮齿和蜗杆螺旋面之间 的相互作用力集中于节点 P，并按 单齿对啮合考虑；（ 2）暂不考虑 啮合齿面间的摩擦力。 Fn可分解为三个互相垂直的分力： 圆周力、径向力和轴向力。 力的大小 2 1 1 1 2 at Fd TF 1 2 2 2 2 at Fd TF t a n221 trr FFF 圆周力 轴向力 径向力 蜗杆传动受力方向判断 在分析蜗杆传动受力时，应注意其受力方向的确定。 主、从动轮上各对应的力大小相等，方向相反。 蜗杆 所受圆周力的方向总是与它的转向相反；径向力的 方向总是指向轴心的。 蜗杆受的轴向力的方向与

12、蜗 杆的旋向和蜗杆的旋转方向有关。 方法： 左右手定则 左旋蜗杆用左手定则判断 右旋蜗杆用右手定则判断 拇指的指向为螺 杆相对螺母前进 的方向。 右手定则 四指弯曲与蜗杆 转动方向一致。 左手定则 左旋蜗杆 蜗杆传动受力方向判断 蜗杆的旋转方向和螺旋线方向如图所示，试判断蜗杆、 蜗轮所受径向力、圆周力和轴向力的方向，以及蜗轮的旋 转方向。 蜗杆传动受力方向判断 蜗杆的旋转方向和螺旋线方向如图所示，试判断蜗杆、 蜗轮所受径向力、圆周力和轴向力的方向，以及蜗轮的旋 转方向。 2rF 1rF 径向力 =径向力 1rF 2rF指向各自轴心 蜗杆传动受力方向判断 蜗杆的旋转方向和螺旋线方向如图所示，试判

13、断蜗杆、 蜗轮所受径向力、圆周力和轴向力的方向，以及蜗轮的旋 转方向。 2rF 1rF 径向力 =径向力 1rF 2rF 1tF 2aF 周向力 =轴向力 1tF 2aF 指向各自轴心 与转向相反 蜗杆传动受力方向判断 蜗杆的旋转方向和螺旋线方向如图所示，试判断蜗杆、 蜗轮所受径向力、圆周力和轴向力的方向，以及蜗轮的旋 转方向。 2rF 1rF 径向力 =径向力 1rF 2rF 1tF 2aF 周向力 =轴向力 1tF 2aF 1aF2tF 周向力 =轴向力 2tF 1aF 左旋螺旋线 左手定则 向左 指向各自轴心 与转向相反 蜗杆传动受力方向判断 蜗杆的旋转方向和螺旋线方向如图所示，试判断蜗

14、杆、 蜗轮所受径向力、圆周力和轴向力的方向，以及蜗轮的旋 转方向。 2rF 1rF 径向力 =径向力 1rF 2rF 1tF 2aF 周向力 =轴向力 1tF 2aF 1aF2tF 周向力 =轴向力 2tF 1aF 从动轮转向 2n 2n 第四节 蜗杆传动的其他内容 一、蜗杆加工 蜗轮通常在滚齿机上用蜗轮滚刀或飞刀加工成型。为 了保证蜗轮与蜗杆的正确啮合，蜗轮滚刀几何尺寸理 论上与配对蜗杆完全相同，因此蜗轮滚刀齿形精度直 接影响蜗杆传动质量。 二、蜗杆传动的材料 1. 为了减摩，通常 蜗杆用钢材 （耐磨）， 蜗轮用有色金属 （ 铜合金、铝合金，较好的 减摩 性）。 2. 高速重载的 蜗杆 常用

15、 15Cr、 20Cr渗碳淬火，或 45钢、 40Cr 淬火。 3. 低速中轻载的 蜗杆 可用 45钢调质。 4. 蜗轮常用材料有：铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。 三、蜗杆、涡轮的结构 蜗杆的直径较小，通常和轴制成一个整体。螺旋部分 常用车削 xio加工，也可以用铣削加工；车削加工 时需要有退刀槽，因此刚性较差（区分车削和铣削） 按材料和尺寸的不同，蜗轮的结构分为多种形式。 1.整体式蜗轮 主要用于直径较小的青铜蜗轮或铸铁蜗轮 2.齿圈式蜗轮 为了 节省贵重金属 ， 直径较大 的蜗轮常采用组合结构，齿圈用 青铜材料，齿芯用铸铁或铸钢制造。两者采用 H7/r6配合（基孔 制配合，孔公差等级为

16、 7级，轴公差等级为 6级），并用 46个直 径为 1.2m1.5m的螺钉加固。 m为蜗轮的模数。为了便于钻孔， 应将螺孔中心线向材料较硬的轮芯部分偏移 23mm。这种结构 用于尺寸不太大而且工作温度变化较小的场合。 3.螺栓连接式蜗轮 这种结构的齿圈与轮芯用普通螺栓或铰制孔螺栓连接 ，由于 装拆方便 ，常用于尺寸大或磨损后 需要更换 蜗 轮齿圈的场合。 4.镶铸式蜗轮 将青铜轮缘铸在铸铁轮芯上，轮芯上制出榫（ sn）槽 ，以防轴向滑动。 榫（ sn）：竹、木、石制器物或构件上利 用凹凸方式相接处凸出的部分。 四、蜗杆传动的安装 蜗杆传动安装要求精度高。应使 蜗轮的中间平面通 过蜗杆的轴线 。

17、 为保证传动的正确啮合，工作时蜗轮的中间平面不 允许有轴向移动，因此 蜗轮轴支撑应采用两端固定的 方式 。 蜗杆传动的 维护很重要 ，要注意周围的 通风散热情 况 。 五、蜗杆传动的失效形式 蜗杆传动的主要失效形式是胶合和磨损。闭式蜗杆传 动以胶合为主要失效形式，开式蜗杆传动主要是齿面 磨损。 蜗杆传动中齿廓间有 较大的 相对滑动 ，滑 动速度 vs沿蜗杆螺旋 线的方向。 v1为蜗杆 的圆周速度， v2为蜗 轮的圆周速度。 由于齿廓间较大的相对滑动产生热量，使润滑油温度 升高而变稀，润滑条件变差，传动效率变低。同时， 由于这种齿廓间的相对滑动导致蜗杆传动的主要失效 形式为胶合、磨损和齿面点蚀等

18、。当润滑条件差及散 热不良时，闭式传动极易出现胶合；磨损则多发生在 开式传动中。 在蜗杆传动中，因为材料及结构的原因，蜗杆轮齿的 强度高于蜗轮轮齿的强度，所以失效部位常常发生于 蜗轮的轮齿上。 为控制由于齿廓间的相对滑动而产生的磨损及发热量 ，除要求选择具有足够的强度、耐磨性、跑合性和抗 胶合性能的材料外，蜗杆传动还要求有好的散热条件 。 六、蜗杆传动的散热方法 （ 1）在箱体外表面设置散热片 （ 2）在蜗杆轴上安装风扇 （ 3）在箱体油池内装蛇形 冷却水管 （ 4）大功率传动时采用循环 油冷却 七、蜗杆传动的计算准则 在进行蜗杆传动设计时，对于闭式传动，通常按齿面 接触疲劳强度来设计，并校核

19、齿根弯曲疲劳强度。如 果载荷平稳、无冲击，可以只按齿面接触疲劳强度设 计，不必校核齿根弯曲疲劳强度。实践证明，蜗轮轮 齿因弯曲疲劳强度不足而引起失效的情况较少。 对于开式传动，或传动时传动载荷变动较大，或蜗轮 齿数 Z2大于 90时，通常只需按齿根弯曲疲劳强度进行 设计。 此外，由于蜗杆传动时摩擦严重，发热量大，效率低 ，对闭式蜗杆传动还必须做热平衡计算，以免发生胶 合失效。 蜗杆传动的计算准则 目的：减摩、散热。 润滑油的粘度和给油方法可参照表 10-3选取。 一般根据相对滑动速度选择润滑油的粘度和给油方法。 蜗杆下置时，浸油深度应为蜗杆的一个齿高； 蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的 1/

20、6 1/3。 给油方法： 油池润滑： 喷油润滑 为减小搅油损失，下置式蜗杆不宜浸油过深。蜗杆线速 度 v24m/s时，常将蜗杆置于蜗轮之上，形成上置式传 动，由蜗轮带油润滑。 润滑方式的选择： 当 vs 510 m/s时，采用油池浸油润滑。为了减少搅油损失， 下置式蜗杆不宜浸油过深。 当 vs 1015 m/s时，采用压力喷油润滑。 当 v1 4 m/s时，采用蜗杆在上的结构。 八、蜗杆传动的精度等级 国标对蜗杆、蜗轮和蜗杆传动规定 12个精度等 级，第 1级精度最高，第 12级精度最低。按照公 差对传动性能的主要保证作用，可分为三个公 差组，分别规定传动精度、工作平稳性精度和 接触精度；各公差组中又规定若干项公差。根 据使用要求不同，允许各公差组选用不同的精 度等级组合，但在同一公差组中，各项公差应 保持相同的精度等级。蜗杆和配对蜗轮的精度 等级一般取为相同，也允许不相同。 蜗杆和蜗 轮的加工方法和应用场合不同，可选不同精度 等级。