第7章蜗杆传动设计课件.ppt

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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的情况

2、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：,蜗轮齿廓在中间平面上（通过蜗杆轴线且

3、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，可以磨削，用于头数、精密的蜗杆传动。,车

4、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、起重运输机械。,7-2 普通圆柱蜗杆传动基本参数

5、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。为了减少蜗轮滚刀的数目，为便于蜗轮滚刀的标准化，规定蜗杆直径

6、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 蜗杆螺旋线数,对结构尺寸：i一定时，Z1则Z2尺

7、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z2 28（保持两对齿啮合）,为防止蜗轮尺寸过大

8、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、蜗轮配对材料选择,7-3 蜗杆传动的材料选择、失效形式及设计准

9、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ZCuSn10PI等耐磨性最好，但价格 较高用于高速或重要传动,铝铁青

10、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（ ），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

11、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分别为蜗杆和蜗轮的分度圆直径, mm 压力角， =20 蜗杆

12、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，只有当蜗轮齿数Z280100或开式传动时。才进行弯曲疲劳强度计算

13、。 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

14、-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 油温，t在800以内 t0周围空气温度， t0=200,根据热平衡条件H1=H2可求得既定工作条件下的油温,在既定工作条件下，保持正常油温所需要的散热面积,一般应使t在80以下,若t80或有效的散热面积不足时,则必须采取措施,以提高其散热能力。,1 、合理设计箱体结构,铸出或焊上散热片,以增大散热面积,2 、在蜗轮轴上装置风扇,进行人工通风,以提高散热系数,常用措施:,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,结束,