机械设计--12 蜗杆传动11220

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1、第十二章第十二章 蜗杆传动蜗杆传动蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成。用于传递交错轴交错轴之间的回转运动和动力。12.1 蜗杆传动的特点和类型蜗杆传动的特点和类型12.1.112.1.1 蜗杆传动的特点蜗杆传动的特点蜗杆传动的特点：蜗杆传动的特点：1 1、能够实现空间交错轴之间的传动，通常交错角为、能够实现空间交错轴之间的传动，通常交错角为9090；2 2、一般蜗杆是主动件，蜗轮是被动件；、一般蜗杆是主动件，蜗轮是被动件；3 3、单级传动比大（一般为、单级传动比大（一般为8 88080），结构紧凑；），结构紧凑；4 4、传动平稳，噪音小；、传动平稳，噪音小；5 5、可以实现自锁；、可以实现自锁；6 6、

2、传动效率低，通常为、传动效率低，通常为70708080，成本较高。，成本较高。12.1.2 蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型一、根据蜗杆形状蜗杆形状的不同，蜗杆传动分为:n n圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动;n n环面环面蜗杆传动;n n锥蜗杆锥蜗杆传动三大类。圆柱、环面及锥蜗杆传动圆柱、环面及锥蜗杆传动环面蜗杆传动圆柱蜗杆传动锥蜗杆传动二、普通圆柱蜗杆普通圆柱蜗杆根据刀具加工位置刀具加工位置的不同，即垂直于蜗杆轴线的剖面(横截面横截面)的的齿廓形状齿廓形状的不同按螺旋面的形状螺旋面的形状分为：n n阿基米德蜗杆（ZA）;n n渐开线蜗杆（ZI）;n n法向直廓蜗杆。阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆n n加工时

3、，标准齿条加工时，标准齿条形车刀水平放置在形车刀水平放置在蜗杆的蜗杆的轴线平面内，轴线平面内，轴线平面内，轴线平面内，2 2=40=400 0；n n轴截面轴截面轴截面轴截面齿形为直齿齿形为直齿齿条形齿廓；齿条形齿廓；n n法截面法截面法截面法截面齿形为齿形为外凸外凸外凸外凸曲线曲线曲线曲线齿廓；齿廓；n n横截面横截面横截面横截面齿廓为阿基齿廓为阿基米德螺旋线。米德螺旋线。渐开线蜗杆渐开线蜗杆n n加工时用滚刀铣切，加工时用滚刀铣切，适于成批生产；适于成批生产；n n横截面横截面横截面横截面为渐开线齿廓；为渐开线齿廓；n n轴截面轴截面轴截面轴截面为凸廓曲线；为凸廓曲线；n n齿廓能磨削加工

4、，加齿廓能磨削加工，加工精度高，多用于较工精度高，多用于较高速，较精密或较大高速，较精密或较大功率传动。功率传动。法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆n n加工时车刀的加工时车刀的刀刃刀刃刀刃刀刃平面平面平面平面位于螺旋线的位于螺旋线的法面上；法面上；n n横截面横截面横截面横截面为延伸渐开为延伸渐开线齿廓；线齿廓；n n法截面法截面法截面法截面为直线齿廓；为直线齿廓；n n齿廓可以进行磨削齿廓可以进行磨削加工，多用于精密加工，多用于精密传动。传动。三、根据蜗杆的头数蜗杆的头数不同，分为：n n单头蜗杆、双头蜗杆、多头蜗杆等。n n蜗杆有左、右旋之分，常用右旋。n n一般动力传动按7(v17.5m/s)、

5、8(v13m/s)、9(v140401 14040蜗杆头数与蜗轮齿数的荐用值3、蜗杆直径系数、蜗杆直径系数q和导程角和导程角 n n蜗杆的分度圆直径以蜗杆的分度圆直径以d d1 1表示。表示。n n蜗轮分度圆直径以蜗轮分度圆直径以d d2 2表示。表示。n n蜗杆直径系数蜗杆直径系数蜗杆直径系数蜗杆直径系数q q ：是：是：是：是蜗杆分度圆直径与模数的比值，蜗杆分度圆直径与模数的比值，即即q=dq=d1/1/m。n n蜗杆螺旋面和分度圆柱的交线是螺旋线。蜗杆螺旋面和分度圆柱的交线是螺旋线。为蜗杆分为蜗杆分度圆柱上螺旋线的度圆柱上螺旋线的导程角导程角导程角导程角。蜗杆分度圆柱上的导程角蜗杆分度圆

6、柱上的导程角为蜗杆的直径系数；Z为蜗杆的头数；n n加工蜗轮的滚刀是和蜗杆尺寸参数完全相同的蜗杆滚刀。一个蜗杆对应加工蜗轮的滚刀是和蜗杆尺寸参数完全相同的蜗杆滚刀。一个蜗杆对应一个蜗杆滚刀。为了限制加工蜗轮时滚刀的数目并便于滚刀的标准化，一个蜗杆滚刀。为了限制加工蜗轮时滚刀的数目并便于滚刀的标准化，因此因此对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1d1 圆柱蜗杆的基本尺寸和参数圆柱蜗杆的基本尺寸和参数4、齿面间相对滑动速度、齿面间相对滑动速度n n式中：式中：n n v v1 1-蜗杆蜗杆蜗杆蜗杆的转速，的转速，r/minr/min；n nv

7、v2 2-蜗轮蜗轮蜗轮蜗轮的转速，的转速，r/minr/min；n n-蜗杆分度圆上的蜗杆分度圆上的导程角。导程角。5 中心距中心距an n当蜗杆节圆与分度圆重合时称为标准传动标准传动。n n其中心距为：n na=0.5(d1+d2)=0.5m(q+z2)12.2.2 圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算中心距计算公式：顶隙系数及齿顶高系数：名称符号蜗杆蜗轮分度圆直径dd1=mqd2=mz2中心距aa=（d1+d2）/2齿顶圆直径dada1=d1+2mda2=d2+2m齿根圆直径dfdf1=d1-2.4mdf2=d2-2.4m蜗轮最大外圆直径de2de2=da2+m蜗轮齿顶圆弧

8、半径Ra2Ra2=df1+0.2m蜗轮齿根圆弧半径Rf2Rf2=da1+0.2m蜗轮轮缘宽度bz13时，b0.75 da1z1=4时，b0.67 da1蜗杆分度圆柱上导程角=arctan（z1m/d1）pP=m蜗杆螺旋部分长度Lz1=1、2时，L(11+0.06 z2)m;z2=4时，L(12.5+0.09 z2)m;磨削蜗杆加长量：当m12m/s12m/s的重要传动中；的重要传动中；n n铸造锡青铜铸造锡青铜2 2（ZCuSn5Pb5Zn5ZCuSn5Pb5Zn5）：）：用于用于v vss12m/s12m/s 蜗杆传动中。蜗杆传动中。n n铝青铜（铝青铜（ZCuAl10Fe3):ZCuAl1

9、0Fe3):有足够的强度，价格便宜，耐冲击，但是切削性能差，耐磨有足够的强度，价格便宜，耐冲击，但是切削性能差，耐磨性和抗胶和能力差，用于性和抗胶和能力差，用于v vs s 6m/s6m/s的传动中。的传动中。n n球墨铸铁和球墨铸铁和灰铸铁灰铸铁(HT150HT150、HT200):HT200):用于用于v vssm/sm/s 的低速或手动传动中。的低速或手动传动中。12.3.4 蜗杆和蜗轮的结构蜗杆绝大多数和轴制成一体，称蜗杆轴蜗杆轴。蜗轮的结构蜗轮可制成整体式或装配式蜗轮可制成整体式或装配式1）整体式 (铸铁蜗轮和直径小于100mm的青铜蜗轮）2）组合式（直径较大时）：齿圈用有色金属，轮

10、芯用钢或铸铁。采用螺钉和过盈联接3）铰制孔螺栓联接式（直径大于 600mm时）4）浇铸式（大批量生产）在铸铁轮芯上浇铸出青铜齿圈12.4 圆柱蜗杆传动的受力分析圆柱蜗杆传动的受力分析n n蜗杆传动的受力分析和斜齿轮相蜗杆传动的受力分析和斜齿轮相似，其似，其齿面上的法向力齿面上的法向力齿面上的法向力齿面上的法向力FnFn可分解为可分解为三个相互垂直的分力：圆周力三个相互垂直的分力：圆周力F Ft t，径径向力向力F Fr r，轴向力轴向力F Fa a。n n受力方向的判定：受力方向的判定：n n蜗轮蜗杆传动也分为左旋和右旋，蜗轮蜗杆传动也分为左旋和右旋，且且蜗轮与蜗杆的旋向相同蜗轮与蜗杆的旋向相

11、同蜗轮与蜗杆的旋向相同蜗轮与蜗杆的旋向相同。n n确定圆周力确定圆周力F Ft t及径向力及径向力F Fr r方向的方方向的方法与外啮合圆柱齿轮传动相同；法与外啮合圆柱齿轮传动相同；n n轴向力轴向力F Fa a的方向：的方向：1 1、根据相应的圆周力、根据相应的圆周力F Ft t的方向来判的方向来判定，即定，即F Fa1a1与与F Ft2t2方向相反，方向相反，F Fa2a2与与F Ft1t1的方向相反；的方向相反；2 2、按照、按照主动件左右主动件左右主动件左右主动件左右手定则手定则手定则手定则来判断。来判断。各力的计算各力的计算n n式中：式中：T T1 1、T T2 2分别为蜗杆和分别

12、为蜗杆和蜗轮轴上的转矩，蜗轮轴上的转矩，N.mmN.mm；n nT T2 2=i*=i*T*T1 1 ，i i 为传动比为传动比,为蜗为蜗杆传动的效率；杆传动的效率；n nd d1 1、d d2 2 分别为蜗杆和蜗轮的分别为蜗杆和蜗轮的分度圆直径；分度圆直径；n n 蜗轮的端面压力角；蜗轮的端面压力角；n n当蜗杆轴和蜗轮轴交错角为当蜗杆轴和蜗轮轴交错角为90900 0时时，其相互关系如下：其相互关系如下：12.5 圆柱蜗杆传动的强度计算圆柱蜗杆传动的强度计算一、蜗轮齿面疲劳接触强度计算：一、蜗轮齿面疲劳接触强度计算：n n以蜗杆蜗轮以蜗杆蜗轮在在节点处节点处节点处节点处啮合啮合的相应参数代入

13、赫兹公式，得的相应参数代入赫兹公式，得钢制蜗杆钢制蜗杆钢制蜗杆钢制蜗杆对对青铜（锡青铜或铝青铜）或铸铁蜗轮时青铜（锡青铜或铝青铜）或铸铁蜗轮时青铜（锡青铜或铝青铜）或铸铁蜗轮时青铜（锡青铜或铝青铜）或铸铁蜗轮时。蜗蜗蜗蜗轮轮轮轮齿面接触强度的校核公式为：齿面接触强度的校核公式为：n n设计公式为：设计公式为：上式中：上式中：a-a-中心距，中心距，mmmm；Z ZE E-材料综合弹性系数；钢与锡青材料综合弹性系数；钢与锡青铜配对时，铜配对时，Z ZE E取取150150；钢与铝青铜或灰铸铁配对时；钢与铝青铜或灰铸铁配对时Z ZE E取取160160。Z Z-接触系数接触系数,以（以（d d1

14、1/a/a）值查图）值查图12-1112-11；K KA A-使用系数，使用系数，K KA A=1.11.4=1.11.4；T T2 2作用在蜗轮上的转矩作用在蜗轮上的转矩(N.mm)N.mm)蜗轮材料不同时的蜗轮材料不同时的许用接触应力许用接触应力n n若蜗轮齿圈若蜗轮齿圈若蜗轮齿圈若蜗轮齿圈是铸锡青铜是铸锡青铜是铸锡青铜是铸锡青铜制造，其失效形式主要是制造，其失效形式主要是疲劳点蚀疲劳点蚀疲劳点蚀疲劳点蚀，许用接触应力见表，许用接触应力见表12-412-4；n n若蜗轮是铸铝青铜或铸铁若蜗轮是铸铝青铜或铸铁若蜗轮是铸铝青铜或铸铁若蜗轮是铸铝青铜或铸铁制造，其失效形式主要制造，其失效形式主要

15、是是胶合胶合胶合胶合，许用接触应力见表，许用接触应力见表12-512-5；n n蜗轮蜗轮蜗轮蜗轮通常通常按齿面接触强度按齿面接触强度按齿面接触强度按齿面接触强度计算其承载能力；计算其承载能力；n n蜗轮轮齿蜗轮轮齿弯曲强度弯曲强度弯曲强度弯曲强度所限定的承载能力，大都超过所限定的承载能力，大都超过齿面接触强度和热平衡计算所限定的承载能力，故齿面接触强度和热平衡计算所限定的承载能力，故一般不进行该强度计算。必要时参阅有关资料。一般不进行该强度计算。必要时参阅有关资料。得出中心距后，可用下式粗算得出中心距后，可用下式粗算蜗杆蜗杆分度圆直分度圆直径和模数：径和模数：再由表12-1选定标准模数值。常用

16、蜗轮材料及其许用接触应力常用蜗轮材料及其许用接触应力蜗轮蜗轮材料牌号材料牌号铸铸造方法造方法适用的滑适用的滑动动速度速度(m/s)(m/s)许许用接触用接触应应力力H H 滑滑动动速度速度(m/s)(m/s)0.50.51 12 23 34 46 68 8ZcuSn10P1ZcuSn10P1砂砂 模模2525134134金金 属属 模模200200ZcuSn5Pb5Zn5ZcuSn5Pb5Zn5砂砂 模模1212128128金金 属属 模模134134离心离心浇铸浇铸174174ZcuAl10Fe3ZcuAl10Fe3砂砂 模模101025025023023021021018018016016

17、01201209090金金 属属 模模离心离心浇铸浇铸ZcuZn38Mn2PZcuZn38Mn2Pb2b2砂砂 模模101021521520020018018015015013513595 95 7575金金 属属 模模HT150HT150砂砂 模模221301301151159090HT200HT200二、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算二、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算蜗轮齿根弯曲应力作近似计算，其公式为：其设计公式为：-蜗杆导程角，=arctan(z1/q);F查表12-6；YF2-蜗轮齿形系数，由当量齿数Zv=(z2/cos3)查得。求得m2d1值后查表12-1决定主要尺寸。三、蜗杆的刚度计算三、蜗

18、杆的刚度计算n n蜗杆在圆周力和径向力的作用下产生的挠度分别为：蜗杆在圆周力和径向力的作用下产生的挠度分别为：总挠度为：E-材料弹性模量；对钢E=2.06105 MPa;I-危险截面惯性矩，I=(d14)/64；L-蜗杆支点跨距，初算取l=0.9d2；Y=d1/100012.6 圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算n n12.6.1 蜗杆传动的效率计算：n n式中：1 啮合效率n n 2,3分别为轴承效率和搅油效率n n一般取 23 =0.950.97n n蜗杆传动的总效率式中当量摩擦角和系数见表12-7。n n在设计蜗杆传动时，可根据蜗杆头数Z1 1按下表

19、初步估计蜗杆传动的总效率。12.6.2 蜗杆传动的润滑蜗杆传动的润滑n n润滑的目的：润滑的目的：提高传动效率、降低工作温度、减少磨损、避免胶合等。提高传动效率、降低工作温度、减少磨损、避免胶合等。n n蜗杆传动润滑油黏度和润滑方式：蜗杆传动润滑油黏度和润滑方式：运动粘度滑滑动动速度速度v vs s(m/s)(m/s)11155101010101515151525252525工作条件工作条件重重载载重重载载中中载载 /（mmmm2 2/s/s）100010006806803203202202201501501001006868润润滑方法滑方法浸油浸油润润滑滑浸油或浸油或喷喷油油 润润 滑滑压压

20、力力喷喷油油润润滑滑12.6.3 蜗杆传动热平衡计算蜗杆传动热平衡计算若不及时散热，会使油温升高，润滑失效，导致磨损加剧，出现胶合。若不及时散热，会使油温升高，润滑失效，导致磨损加剧，出现胶合。若不及时散热，会使油温升高，润滑失效，导致磨损加剧，出现胶合。若不及时散热，会使油温升高，润滑失效，导致磨损加剧，出现胶合。n n热平衡：散发的热量产生的热量n n在闭式传动中，热量是通过箱壳散逸，转化为热量的摩擦耗损功率：n n式中：p传动输入的功率(kW)传动总效率 n n经箱体表面散发热量的相当经箱体表面散发热量的相当功率：功率：n n式中：式中：kk散热系数；散热系数；k=1017W/k=101

21、7W/(m(m2 2.0 0C)C)；n nAA散热面积；对于箱体上散热面积；对于箱体上的散热片，其散热面积按的散热片，其散热面积按50%50%计算；计算；n nt1t1，t2t2润滑油的工作温度润滑油的工作温度和环境温度；和环境温度；n n达到热平衡时：达到热平衡时：式中：式中：P P1 1-蜗杆传递的功蜗杆传递的功;tt允许温差，一般为允许温差，一般为607060700 0C;C;油温油温t1t1小于小于90900 0C C。常用散热措施常用散热措施n n如果超过温差允许值，如果超过温差允许值，可采取措施，以提高可采取措施，以提高其散热能力其散热能力n n常用措施常用措施:n n 1 1、合理设计箱体结、合理设计箱体结构，铸出或焊上散热构，铸出或焊上散热片，以增大散热面积；片，以增大散热面积；2 在蜗杆轴上装置风扇,进行人工通风,以提高散热系数3 在箱体油池内装设蛇形冷却水管4 采用压力喷油循环润滑总结总结谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH