蜗轮蜗杆设计

第12章 蜗杆传动基本内容：类型、应用、失效形式、材料选择、力的分析、强度计算、效率、润滑和热平衡计算等。基本要求：掌握蜗杆传动的受力分析及强度计算、了解热平衡原理和计算方法、蜗杆传动的类型、特点等。学 时：课堂教学：3学时。第一讲12-1 概述一、 特点和应用在大多数情况下，两轴在空间是互相垂直的，轴交角90。广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门。结构组成：蜗杆 一般为主动件 蜗轮 根据蜗杆与蜗轮的相互位置：上置蜗杆传动 下置蜗杆传动 旁置蜗杆传动特点：1） 能得到很大的单级传动比。2） 结构紧凑3） 工作平稳、无噪声、冲击振动小。4） 可以实现自锁。缺点：5） 传动效率较低一般 0.70.9具有自锁性能 0.4 6） 需用贵重的减摩材料（如青铜）制造。材料价格较高。二、分类 按蜗杆形状不同可分为三类圆柱蜗杆传动：环面蜗杆传动锥蜗杆传动，见图按蜗杆螺旋线方向不同：左旋蜗杆 右旋蜗杆按蜗杆头数不同：单头蜗杆：主要用于传动比较大的场合，要求自锁的传动必须采用单头蜗杆。多头蜗杆：主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。对于圆柱蜗杆传动：根据加工时刀具位置的不同，可以分为三种1、阿基米德蜗杆：2、渐开线蜗杆： 3、法向直廓蜗杆： 12-2 圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸中间平面通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面对于阿基米德圆柱蜗杆传动在中间平面上为齿条与齿轮啮合传动。一、主要参数模数m、压力角、蜗杆分度圆直径d1、蜗杆直径系数q、蜗杆导程角、螺旋角。蜗杆头数Z1、蜗轮齿数Z2、传动比i、齿速比u、中心距a、变位系数x。1、模数m和压力角 在中间平面上 蜗杆的模数轴向模数mx 蜗轮的模数端面模数mt（因蜗杆的轴向齿距px应与蜗轮端面齿距pt相等，故mxmtm为标准模数）蜗杆的压力角轴向压力角x蜗轮的压力角端面压力角t （ xt20）2、蜗杆分度圆直径d1，亦称蜗杆中圆直径。由于蜗轮的加工，采用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀切制，故为了蜗轮刀具规定尺寸的标准化、系列化，将蜗杆分度圆直径d1定为标准值。3、蜗杆直径系数q和导程角将蜗杆由分度圆展开，设蜗杆头数为Z1，则 qZ1 /式中 程角角的范围为3533 由于蜗杆传动的交错角为90，故24、蜗杆头数Z1、蜗轮齿数Z2、传动比i蜗杆头数Z1当要求反行程自锁时，可取Z11。但重载传动不宜采用单头蜗杆。常用的蜗杆头数为l、2、4、6。蜗轮齿数Z2根据齿数比和蜗杆头数决定：Z2iZ1。蜗轮齿数一般取Z23280齿。传动比i 因为蜗杆转一圈，蜗轮转 圈，所以蜗杆传动的传动比i和齿数比u分别为：5、中心距 a对于标准蜗杆传动蜗杆传动的正确啮合条件 模数相等 压力角相等 旋向相同 蜗杆的导程角等于蜗轮的螺旋角。二、圆桩蜗杆传动的几何尺寸计算 圆柱蜗杆传动的基本几何尺寸见图，有关尺寸的计算公式见表。第二讲12-3 蜗杆传动的失效形式、材料和结构一、失效形式蜗杆传动的失效形式和齿轮传动类似，但由于蜗轮和蜗杆之间的相对滑动较大，因摩擦产生热量大，使润滑油温度升高，润滑条件变坏，更容易产生胶合和磨粒磨损。对闭式蜗杆传动，如果不能及时散热，往往因胶合而影响其工作对开式蜗杆传动或润滑条件不良闭式蜗杆传动，则磨损就显得突出在蜗杆传动中，点蚀通常只出现在蜗轮轮齿上。二、材料1、对材料的基本要求： 具有足够的强度 具有足够的刚度 其材料的匹配（或组合）上应具有良好的减磨性、耐磨性和抗胶合能力。2、常用材料 蜗杆材料：考虑到蜗杆应具有一定强度和刚度要求，一般采用钢制造。按材料分：有碳钢和合金钢 对高速重载或比较重要的、要求持久性高的动力传动的蜗杆传动，采用硬面蜗杆采用低碳合金钢：20Cr 、20CrMnTi 等，表面渗碳淬火，表面硬度58 HRC63HRC或采用中碳钢、中碳合金钢：40 、45、42SIMn等，表面淬火，硬度45 HRC55 HRC，32CrMo 50CrV ，渗氮 ， 65 HRC70HRC在制造时必须磨削，用氮化钢渗氮处理的蜗杆可以不磨削，但需要抛光。 受短时冲击载荷的蜗杆，中低速、中等载荷的蜗杆传动，用调质蜗杆45 、40Cr、 40CrNi 、42CrMo等，调质，硬度 270 HB 蜗轮直径很大时，也可以采用青铜蜗杆，蜗轮则用铸铁。 蜗轮材料，通常是指蜗轮齿冠部分的材料。 鉴于与蜗杆材料之间的匹配关系，主要有以下几种： 青铜 ZCusnl0PI砂型铸造；（10l铸锡青铜）离心铸造ZCusnl0ZnZ砂型铸造；（l2铸锡青铜）离心铸造锡青铜的特点：其强度极限小于 300 MPa，减摩性，耐磨性、抗胶合性能好，但价格较高。适用与滑动速度Vs 1215 m / s的重要传动中。无锡青铜的特点：其强度极限大于 300 MPa，机械性能较高，耐冲击，但抗胶合性能较差（容易发生胶合），价格较低，适用与滑动速度Vs 小于 6 m / s的传动中。 黄铜 抗点蚀强度高，但磨损性能差，宜用于低滑动速度场合。 灰铸铁 HT300球墨铸铁 QT8002适用于滑动速度Vs 小于 2m / s的工况。，直径较大的蜗轮常用铸铁。三、蜗杆和蜗轮的结构蜗杆通常与轴做成整体，常见的蜗杆结构例见图a图 结构既可以车制，也可以铣制，b图 结构只能铣制。蜗轮可制成整体的或组合的。12-4 圆柱蜗杆传动受力分析与斜齿轮相似，蜗杆传动中作用在齿面上的法向压力Fn仍可分解为圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa。显然，作用于蜗杆上的轴向力等于蜗轮上的圆周力；蜗杆上的圆周力等于蜗轮上的轴向力；蜗杆上的径向力则等于蜗轮上的径向力。这些对应力的数值相等，方向彼此相反。 已知：T1、T2、d1、d2作用于蜗轮轮齿上的圆周力Ft2、轴向力Fa2、径向力Fr2分别为： 式中 ：第三讲12-5 圆柱蜗杆传动的强度计算蜗杆传动的强度计算与齿轮传动一样，其计算的理论依据同齿轮传动相同。蜗轮齿面接触强度的计算 仍以赫之公式为理论计算基础。对于钢制蜗杆和青铜或铸铁蜗轮校核式设计式 许用应力的确定： 当蜗轮材料为锡青铜制造时，蜗轮的失效形式主要是疲劳点蚀 其许用应力由表12-4确定 当蜗轮材料为无锡青铜或铸铁制造时，蜗轮的失效形式主要是胶合（不属于疲劳性质） 其许用应力由表12-5确定12-6 圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算一、蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动的效率与齿轮传动的效率类似，即式中：1传动啮合效率；2油的搅动和飞溅损耗时的效率；3轴承效率。 蜗杆主动总效率： 式中 当量摩擦角。可根据滑动速度由表122查取 滑动速度根据下式计算：在作初步设计时，蜗杆传动的总效率可取下列数值： 对于闭式传动 Z1=1 =070075Z1=2 =075082Z1=4 =087092对于开式传动 Z1=1、2 =060070二、 蜗杆传动的润滑1、润滑剂的选择润滑油粘度指标是选择润滑剂的主要依据，可参考表115确定。2、润滑方法蜗杆传动的润滑方法主要根据滑动速度大小确定Vs 5m/s 浸油润滑；5m/s Vs10m/s 浸油润滑或压力喷油润滑，Vs10 m/s 压力喷油润滑 三、蜗杆传动的热平衡计算 由于蜗杆传动效率低，发热量大，若不及时散热，会引起油温升高，润滑失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合。因此对连续工作的闭式蜗杆传动要进行热平衡计算。根据热功当量原理：传动的发热量为 1000 Pl（1）箱体的散热量为 t A（t一to）根据热平衡条件： 单位时间内，蜗杆传动的发热量等于散发出去的热量由此得 1000 Pl（1）t A（t一to） t t 此处：P1蜗杆传递功率； 传动效率 （t一to）t温度差 ，一般为6070 to工作环境温度，通常取20； t箱体内的工作温度；t90t一表面传热系数，根据箱体周围通风条件： 一般取t 10 17 W/（m2）A箱体的散热面积 m2若油温过高，达不到热平衡的条件，可采取下列措施：在不增大箱体尺寸的前提下，设法增加散热而积。如增加散热片等在蜗杆轴端装设风扇：这是最简单的强制冷却的方法。外冷却压力喷油润滑：需配置润滑油循环系统。油池内安装冷却水管。- 11 -