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1、第十章 蜗杆传动,1.普通圆柱蜗杆传动的类型、特点及应用；2.普通圆柱蜗杆传动的主要参数几何计算3.蜗杆传动的失效、材料选择和结构4.蜗杆传动的强度计算5.蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,1.普通圆柱蜗杆传动的主要参数几何计算2.蜗杆传动的失效、材料选择和结构3.蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,本章主要教学内容,本章教学重点,10.1 蜗杆传动的特点和类型,一、概述,蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成的,在绝大多数情况下，两轴在空间是相互垂直的，轴交错角为90度。一般蜗杆为主动件，蜗轮为从动件。多用于减速，也可用于增速。蜗杆传动最大传动功率可达750kw，通常用在50kw以下；最高滑动速度可达35
2、m/s。,蜗杆传动具有螺旋机构的某些特点，蜗轮相当于螺母，蜗杆相当于螺杆，有右旋、左旋及单头、多头之分，多用右旋蜗杆。,蜗杆,蜗轮,1）传动比大，结构紧凑；,1.蜗杆传动的特点：,2）具有自锁性；,3）传动平稳，无噪声。,4）机械效率低；,5）蜗杆轴向力较大，轴承磨损大。,优点,缺点,2.蜗杆传动的应用 两轴交错、传动比较大，传递功率不太大或间歇工作的场合。,一般可达1080,分度机构可达1000,二、蜗杆传动的类型,按蜗杆螺旋线旋向：分为左旋和右旋，一般采用右旋。两者原理相同，计算方法也相同，只是作用力的方向不同（径向力除外）。,单头：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。
3、多头：主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。,按蜗杆头数不同分类,普通圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动,锥蜗杆传动,同时啮合齿数多，传动平稳；齿面利于润滑油膜形成，传动效率较高；,同时啮合齿数多，重合度大；传动比范围大(10360)；承载能力和效率较高；可节约有色金属。,阿基米德蜗杆（ZA型）其螺旋面的形成与螺纹的形成相同。通常在无需磨削加工的情况下广泛采用，需要时要采用特制截面形状的砂轮。渐开线蜗杆（ZI型）端面齿廓为渐开线，与蜗杆基圆柱相切的截面上齿廓是直线，所以使用专用机床可以用平面砂轮磨削，容易得到高精度。法向直廓蜗杆（ZN型）螺线的导程角很大。加工时刀具的切削平面在垂至于齿槽（或齿厚）中
4、点螺旋线的法平面内。可以磨削出极接近于延伸渐开线蜗杆的轮廓，可与蜗轮得到正确啮合。（ZC型）用具有圆弧形刀刃的刀具切出具有凹 圆弧齿廓的螺旋线。在基本条件相同时，比普通圆柱蜗杆传动承载能力约大50，效率约高815。传动比大、速度高时效果更为明显。,按蜗杆形状不同分类,圆弧圆柱蜗杆传动,圆柱蜗杆机构,环面蜗杆机构,锥蜗杆机构,圆柱蜗杆机构,环面蜗杆机构,锥蜗杆机构,阿基米德蜗杆,1）阿基米德蜗杆（ZA 型）阿基米德蜗杆轴面齿形形状为直线，法面齿形形状为曲线，端面为阿基米德螺旋线。,1.普通圆柱蜗杆传动,渐开线蜗杆,端面齿廓为渐开线，与蜗杆基圆柱相切的截面上齿廓是直线，所以使用专用机床可以用平面砂
5、轮磨削，容易得到较高的精度。,2）渐开线蜗杆（ZI 型）,3）法向直齿廓蜗杆（ZN 型）将刀刃的顶平面置于螺旋面的法向平面内加工出的蜗杆加工出蜗杆法向齿廓为直线，故称为法面直廓蜗杆。在轴向平面内，齿形为外凸曲线；在垂直于轴线的剖面内。齿廓曲线为延伸渐开线。,这种蜗杆加工简单，磨齿容易，常用于较为精密的蜗杆传动，如机床的多头精密蜗杆传动。,圆弧齿圆柱蜗杆,用具有圆弧形刀刃的刀具切出具有凹圆弧齿廓的螺旋线，在基本条件相同时，比普通圆柱蜗杆传动承载能力约大 50，效率约高 8 15。传动比大。,2.圆弧圆柱蜗杆传动（ZC 型）,环面蜗杆的齿顶轴向外形是以凹圆弧为母线所形成一个内凹的环面，蜗杆的环面包
6、围蜗轮。,优点：这种蜗杆传动同时参与啮合的齿数多，重合度大，形成油膜条件好，因而承载能力高，约为普通圆柱蜗杆传动的 2 4 倍；效率可达0.850.9；缺点是：它的制造和安装精度要求较高。,3.环面蜗杆传动,4.锥蜗杆传动 锥蜗杆是等导程的锥形螺纹；蜗轮像一个曲线齿圆锥齿轮。它是用与锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机上加工而成锥蜗杆，传动交错角通常为90。,特点是：重合度大，传动平稳，承载能力高；传动比可达10360；能作离合器使用；侧隙易于调整；制造安装简单，工艺性好。缺点是传动具有不对称性，因此，转向不同时，他们的受力和承载能力和效率也不同。,三、精度等级的选择,蜗杆的制造：蜗杆可以在车床上切
7、制，也可在特种铣床上用圆盘铣刀或指形铣刀铣制，为了保证正确的啮合，蜗轮要用与蜗杆同样大小的滚刀来切制。,蜗杆的等级选择：主要依据蜗轮分度圆线速度大小进行选择。蜗杆传动规定了12个精度等级，对于动力传动要按照 69级精度制造。对于测量、分度等要求运动精度高的传动，要按照5级或 5级以上的精度制造。,10.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数、几何尺寸及计算,设计标准蜗杆传动时，一般是先根据给定的传动比，选择蜗杆的头数和蜗轮的齿数，再根据强度条件来确定传动的主要参数。,中间平面：垂直于蜗轮轴线且通过蜗杆轴线的平面，称为中间平面。在中间平面内蜗杆与蜗轮的啮合就相当于渐开线齿条与齿轮的啮合。,正确啮合条件：
8、,且蜗轮与蜗杆旋向相同,一、蜗杆蜗轮正确啮合条件,2=1,因为蜗杆的轴向齿距 pa 应与蜗轮端面齿距 pt 相等，故蜗杆的轴向模数 ma 应与蜗轮的端面模数 mt 相等。,1.模数 m 和压力角蜗杆模数系列和齿轮模数系列有所不同，国标 GB10088-88 对蜗杆模数作了规定。,二、蜗杆机构的主要参数及其选择,ma1=mt2,压力角：对阿基米德蜗杆，一般：=20 动力传动中：推荐用=25 分度传动中：推荐用=15或12,2.蜗杆分度圆直径 d1蜗杆分度圆直径 d1：亦称蜗杆中圆直径，是齿厚与齿槽宽相等的圆柱。为了蜗杆刀具尺寸的标准化,系列化，将蜗杆分度圆直径 d1规定为标准值参见下页表 格。,
9、国家标准GB/T10085-88中规定将蜗杆的分度圆直径标准化，且与其模数相匹配。目的：为了限制加工蜗轮用的蜗轮滚刀的数目及加工精度。,3.蜗杆直径系数 q,因 d1 和 m 均为标准值，故 q 为导出值，不一定是整数。对于动力蜗杆传动，q值均为7 18；对于分度蜗杆传动，q值约为 16 30。,蜗杆直径系数：蜗杆分度圆直径与模数 m 的比值。,角的范围为 3.5 27 度，其值越大，传动效率越高，一般认为，当小于或等于 3 30 时，蜗杆传动具有自锁性。但实际工作中，蜗杆传动的自锁性还和蜗杆支承轴承有关。要求传动效率较高时，常取导程角为 15 30，此时常采用非阿基米德蜗杆。,4.蜗杆分度圆
10、柱上螺旋升角,d1=mq,5.传动比 i，蜗杆头数 z1,蜗轮齿数 z2,蜗杆头数：蜗杆头数少易于得到大传动比，但导程角小，效率低，发热多，故重载不宜采用单头蜗杆，要求反向自锁时头数取 1。蜗杆头数多，效率高，但导程角大，制造困难。常用的蜗杆头数有 1、2、4、6 等。,传动比 i,蜗杆头数与传动比、传动效率及制造难易程度有关。,蜗轮齿数：z2 iz1，为避免产生根切，z2不应少于26。为增加传动平稳性，蜗轮宜取多些齿数，但蜗轮齿数越多，蜗轮尺寸也越大，蜗杆轴越长，则刚度越小，故齿数不宜多于 100，一般取 28 80 个齿。z2 和 z1 间最好避免有公因数，以利于均匀磨损。,6.中心距a,
11、圆柱蜗杆传动装置的中心距（单位毫米）一般按下列数值选取：40、50、63、80、100、125、160、（180）、200（225）、250、（280）、315、（355）、400、（450）、500。宜优先选用未带括号的数字。大于 500 毫米时，可按 R20 优先数系选用，R20 为公比为 的级数。,从上图中可以看到圆柱蜗杆传动的基本几何尺寸，有关尺寸的计算公式见表 5.4,10.3 蜗杆传动的失效形式、材料和结构,一、蜗杆涡轮齿面间的相对滑动,vs,V1=d1n1/(601000),滑动速度的大小，对齿面的润滑情况、齿面失效形式、发热以及传动效率等都有很大影响。,1、失效形式：.蜗杆传动
12、的失效形式和齿轮传动类似，有齿面胶合、疲劳点蚀、磨损、轮齿折断等。一般地，蜗轮的强度较弱，所以失效总是在蜗轮上发生，又因蜗轮和蜗杆间的相对滑动较大，比齿轮传动更容易产生胶合和磨粒磨损。因而蜗轮轮齿的材料通常比蜗杆材料软得多，发生胶合时蜗轮表面的金属会粘到蜗杆螺旋面上。,二、蜗杆传动的失效形式和计算准则,蜗轮轮齿的磨损比齿轮传动严重得多，这是由于啮合处的相对滑动较大所致。在开式传动和润滑油不清洁的闭式传动中，磨损尤其明显。在蜗杆传动中，点蚀通常只出现在蜗轮轮齿上。,2、计算准则,1）闭式蜗杆传动计算接触疲劳强度及计算热平衡。2）开式蜗杆传动计算齿根弯曲疲劳强度。,三、蜗杆蜗轮的常用材料对材料的基
13、本要求：要有足够的强度、良好的耐磨性和磨合性，考虑到蜗杆传动难于保证高的接触精度，滑动速度又较大，以及蜗杆变形等因素，蜗杆和蜗轮材料不能都用硬材料制造，通常蜗轮用减摩性良好的软材料来制造。,1.蜗杆材料,蜗杆材料一般为碳钢和合金钢。1.高速重载、载荷变化较大的蜗杆，常用15Cr、20Cr、20CrMnTi等材料，经表面淬火处理，其表面硬度可达5663HRC；齿面需磨削处理。2.高速重载、载荷变化较小的蜗杆，常用40Cr、42SiMn、40CrNi等材料，经表面淬火硬度可达4555HRC，齿面需磨削处理。3.一般用途的蜗杆材料用40或45钢，经调质处理，硬度为220300HB或表面淬火，硬度为4
14、045HRC。,2.蜗轮材料,蜗轮常用的材料有：铸锡青铜、铸铝青铜和灰铸铁、球墨铸铁等。,1.铸锡青铜，如ZCuSn10Pb1减摩性好，抗胶合能力强，易于切削加工，但价格昂贵适用于滑动速度在1226 m/s 范围内和持续运转的工况。2.低锡青铜，如ZCuSn5Pb5Zn5，适用于滑动速度小于12m/s的 工况。3.铝铁青铜，如ZCuAL10Fe3，抗胶合能力较差，但强度较高，适用于滑动速度小于4m/s的工况。4.灰铸铁和球墨铸铁：适用于滑动速度小于2m/s的工况。,1.蜗杆的结构 蜗杆螺旋部分的直径不大，所以常和轴做成一个整体，称为蜗杆轴。下面是两个常见的蜗杆结构。,齿根圆直径小于轴径，加工螺
15、旋部分时只能用铣制的办法。,齿根圆直径大于轴径，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工。,四、蜗杆和蜗轮的结构,2.蜗轮的结构,蜗轮的结构可以制成整体的或组合的。组合蜗轮的齿冠可以铸在或用过盈配合的方法装在铸铁或铸钢的轮心上，常用的配合是H7/r6。当蜗轮直径较大时，可采用螺栓联接，最好采用受剪螺栓（铰制孔）联接。,10.4 蜗杆传动的强度计算,普通蜗杆传动的承载能力计算 2,一、蜗杆传动中的受力分析,蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似，作用在齿面上的法向压力 Fn 仍可分解出径向力 Fr,圆周力 Ft 和轴向力 Fa。,Fr1=Fr2=Ft2tan,T1、T2分别为蜗杆或蜗轮工作转矩：T2 T1
16、 i，,当蜗杆为主动件（多数情况如此），判断上述六个力的方向：1.蜗杆上的圆周力的方向与蜗杆齿在啮合点的运动方向相反；2.蜗轮上的圆周力的方向与蜗轮齿在啮合点的运动方向相同；3.径向力的方向在蜗杆、蜗轮上都是由啮合点分别指向轴心。4.当蜗杆的回转方向和螺旋方向已知时，蜗轮的回转方向可根据左右手定则判断确定。,蜗杆传动中的作用力的方向判断：,10.5 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,一、蜗杆传动的效率,h1-传动啮合效率；决定蜗杆传动总效率的主要因素,h3-油的搅动和飞溅损耗时的效率；可近似取 3=0.95 0.99,h2-轴承效率滚动轴承时为 0.99，滑动轴承时为 0.98 0.99。,考
17、虑到齿面间相对滑动的功率损失，啮合效率可近似地按螺旋幅地效率计算：,式中，v 除了决定于蜗杆蜗轮材料，润滑油的种类,啮合角等以外，还决定于相对滑动速度。表 13.6 列出了钢蜗杆和青铜蜗杆的当量摩擦角。,表中的滑动速度按下式计算：,1.目的：由于蜗杆传动效率低，滑动速度大，因此，工作时要进行良好的润滑以提高蜗杆传动的效率，防止胶合及减少磨损。2.润滑剂的选择：蜗杆传动常采用粘度较大的矿物油进行润滑，在矿物油中适当加入油性添加剂，有利于提高油膜刚度，增强抗胶合能力，但对铸造青铜有腐蚀作用，故青铜蜗轮不能加入腐蚀性大的添加剂。润滑油的粘度及润滑方式根据滑动速度和载荷来选取。,二、蜗杆传动的润滑,蜗
18、杆传动效率一般比齿轮传动和其他几种机械传动都要低，工作时会产生较多的热量。闭式箱体若散热条件不足，则易于造成润滑油工作温度过高而导致使用寿命降低，甚至会使蜗杆副发生胶合的危险。因此对蜗杆传动要进行温度计算。油池润滑的蜗杆传动，在同一单位时间内，传动的发热量为：Q1=1000 P1(1-)，箱体的散热量为：Q2=KsA(t1-t0)。传动经过若干小时运转后即可达到热平衡，由此可求出箱体的工作温度和应满足的要求为:,三、蜗杆传动的热平衡计算,Q1=Q2,此处 P1-蜗杆功率；A-箱体的散热面积；t1-箱体的工作温度；t0-环境工作温度，通常取 20；Ks-表面传热系数，系单位箱体面积,单位温度差时
19、由箱体传给大气的热量。,油池的润滑油工作温度一般要比箱体温度高 15 左右油温的最高温度不宜超过100，故t0最好低于80。如果忽略油温与箱体温度之差，则上式t1可作为润滑油工作温度的计算公式。散热面积：系指箱体能被空气冷却，而内壁又能被油飞溅到的外壁面积油散热肋的箱体，则散热肋以及联接用凸缘的外表面积均按 50 计算。,散热面积为：,若油温过高，则可采用下列措施：1.增加散热面积；铸上或焊上散热片。2.提高散热系数；如蜗杆轴上装风扇。3.加冷却装置；如箱体中设蛇形管、或用循环油冷却。,四、蜗杆布置,采用油池润滑时，蜗杆最好布置在下方，蜗杆浸入油中的深度至少能浸入螺旋的牙高，且油面不应超过滚动轴承最低滚动体的中心。油池容量宜适当大些，以免蜗杆工作时泛起箱内沉淀物和使润滑油很快老化，只有在不得已的情况下，蜗杆才布置在上方。这时，浸入油池的蜗轮深度允许达到蜗轮半径的 1/61/3。若速度高于10m/s，必须采用压力喷油润滑，由喷油嘴向传动的啮合区供油。为增强冷却效果，喷油嘴宜放在啮出侧，双向转动的应布置在双侧。,谢谢同学们观赏,本章完,
