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1、,第12章 蜗杆传动,第12章 蜗杆传动,学习目标：1、了解蜗杆传动的应用特点；2、掌握普通圆柱蜗杆传动的主要参数；3、掌握蜗杆传动的失效形式、设计准则及常用材料；4、掌握普通圆柱蜗杆传动的受力分析及强度计算方法；5、了解蜗杆传动的散热方法。重点内容：1、掌握蜗杆传动的失效形式及设计准则；2、掌握普通圆柱蜗杆传动的受力分析。,12.1蜗杆传动的特点和类型,蜗杆传动的工作原理,蜗杆传动是依靠形似螺杆的蜗杆与形似斜齿轮的蜗轮相互啮合来传递动力和运动的。,蜗杆（主动）,蜗轮（从动）,一、作用,1.用于传递空间交错轴之间的运动和动力,2.通常蜗杆主动，用于减速,二、蜗杆传动的特点,优点：单级传动比大、
2、结构紧凑；传动平稳、噪声和振动小；适当选取蜗杆传动参数，可以实现反行程自锁等。,缺点：传动效率低，一般只有0.700.92，当有自锁时其效率低于0.5；需用较贵重的有色金属制造蜗轮。,三、应用,减速装置,分度机构,微动装置,四 蜗杆传动的类型,蜗杆传动的类型,1.按蜗杆形状分：,2.按旋向分：左旋、右旋,旋向（蜗杆蜗轮啮合时）：蜗杆右旋蜗轮也是右旋蜗杆左旋蜗轮也是左旋,右旋蜗杆,左旋蜗杆,3、按蜗杆头数分,单头蜗杆：i，自锁性，,多头蜗杆：相反,多头蜗杆,Z1=1,Z1=2,4,6,单头蜗杆,4、蜗轮、蜗杆转向的判定,手向判定法则：四指握住蜗杆转向，则蜗轮转向与拇指向相反！,右旋蜗杆：右手法则
3、,左旋蜗杆：左手法则,练习：试在图上标出所缺转向或旋向。,试判断蜗轮或蜗杆的转（旋）向。,五 精度等级的选择,普通圆柱蜗杆传动规定了112个精度等级,1级精度最高，12级为最低，69级精度应用最多,6级精度传动一般用于中等精度的机床传动机构，圆周速度v15m/s,7级精度用于中等精度的运输机或高速传递动力场合,速度v17.5m/s,8级精度一般用于一般的动力传动中，圆周速度v1 3m/s,9级精度一般用于不重要的低速传动机构或手动机构,圆周速度v1 1.5m/s,12-2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,中间平面（主平面）通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面：,一 主要参数,1、模数m
4、、压力角,标准参数中间平面内相当于齿轮齿条啮合取中间平面的参数为标准参数,标准压力角=20标准模数m 查表,正确啮合条件,ma1=mt2=m a1=t2=20=,ZA蜗杆的标准值取在轴面上；ZN、ZI、ZK蜗杆的标准值取在法面上，轴面和法面压力角的关系为：,2、蜗杆分度圆直径d1和直径系数q,为了限制滚刀数目 d1标准化（见表5-2）,蜗杆直径系数：q=d1/m,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718；对于分度蜗杆传动，q 值约为1630。,3.蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2,z1，自锁，但效率；z1，效率，但制造困难。因此，要求传动效率高的蜗杆传
5、动选较多的头数；而要求自锁的蜗杆传动则选单头为宜。,z2 iz1=2880。但需注意：规定 z228（z2 min17）。当z226时，啮合区，传动平稳性。传递动力时，要求z280。当d2不变时，z2，m，蜗轮轮齿弯曲强度；而当m不变时，z2,d2，蜗杆长度蜗杆刚度。,蜗杆头数z1=1、2、4、6,蜗杆头数与蜗轮齿数的荐用值,4.蜗杆分度圆柱导程角,蜗杆的直径系数q和蜗杆头数z1选定之后，蜗秆分度圆柱上的导程角也就确定了。,分析：当q值越小（或d1越小），升角越大，传动效率越高，但蜗杆的刚度和强度降低。,5、传动比 i、u,6.中心距a,5.2.3几何尺寸计算(表5-4),蜗杆主动时:,12-
6、3 蜗杆传动的失效形式、设计准则、材料选择及结构,一 失效形式,齿面点蚀,齿面胶合,齿面磨损,轮齿折断,由于蜗杆传动中的相对速度较大，效率低，发热量大，所以蜗杆传动的主要失效形式是轮齿的胶合、点蚀及磨损。,由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上,二 设计准则,闭式蜗杆传动：胶合、点蚀 开式蜗杆传动：齿面磨损、轮齿折断,闭式传动：先按齿面接触强度设计 再按齿根弯曲强度校核(Z90)热平衡计算 细长蜗杆轴需作刚度计算开式传动：只按齿根弯曲疲劳强度计算出m，然后将模数加大10%左右。,三 蜗杆传动的常用材料,由于蜗杆传动时的相对滑动速度VS很大，故造成以下失效形式：,闭式传动,胶合、点蚀、磨损
7、,蜗轮蜗杆的材料要求：,抗胶合性：要求匹配材料性质差异大；,减磨性：要求材料的摩擦系数小；,耐磨性：要求材料具有较高硬度；,蜗杆材料：,淬火的碳素钢或合金钢（要求高硬度并经过磨削）,蜗轮材料：,蜗杆材料及选择，见表5-5,一般地：vs3m/s的重要传动锡青铜（CuSn10P1）vs4m/s的传动铝铁青铜（CuAl10Fe3）vs2m/s的传动灰铸铁（HT200）,1.蜗杆结构,1）无退刀槽结构（图a),2）有退刀槽结构（图b),蜗杆的结构:,通常与轴制成一体,蜗杆轴,四、蜗杆和蜗轮的结构,2.蜗轮结构,为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿
8、圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下：,12-4 普通圆柱蜗杆传受力分析,蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相似。,主动轮上与啮合点速度方向相反从动轮上与啮合点速度方向相同,指向各自的轮心,力的方向：,主动轮用左、右手定则从动轮用对应关系求,圆周力：,径向力：,轴向力：,例1,例2,图所示为某手动简单起重设备，按图1示方向转动蜗杆，提升重物G。试求：,1）蜗杆与蜗轮螺旋线方向；,2）在图上标出啮合点所受诸力的方向；,解题要点：,（1）蜗杆的导程角及蜗轮的螺旋角均为右旋，见图2。,2）啮合点所受各力见图2。,图1,图2,例3：如图所示为一蜗杆斜齿轮传动，蜗杆由电动机驱动，
9、转动方向、蜗轮螺旋线方向如图所示，当II轴受力最小时，试确定斜齿轮Z4的旋向和转向。,解：Z4左旋，箭头向下,12-5 蜗杆传动的强度计算,一 蜗轮齿面接触疲劳强度计算,特点：强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）中间平面内相当于齿条与齿轮啮合，蜗轮类似于斜齿轮,蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，仍以赫兹公式为基础。以蜗轮蜗杆的节点处啮合相应参数代入即可。,蜗轮齿面接触疲劳强度校核公式：,蜗轮齿面接触疲劳强度设计计算公式：,参数说明：,a 中心距,ZE材料的弹性系数,Z-接触系数，用以考虑当量曲率半径的影响(图12-11)。,kA 使用系数，kA=1.11.4,H许用接触应力(表12-4),二
10、 蜗轮齿根弯曲强度计算,当蜗轮齿数过多（z290）,m 时,可能出现轮齿折断,蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核公式：,蜗轮齿根弯曲疲劳强度设计计算公式：,YFa2-为蜗轮齿形系数，按当量齿数以及蜗轮 变位系数选取,图11-8。,F-许用弯曲应力；,式中:蜗杆导程角,三 蜗杆轴的刚度计算,蜗杆轴刚度计算的目的,蜗杆属于比较细长的零件，工作中受到载荷作用后会产生弹性变形。如果弹性变形过大，就将影响蜗杆与蜗轮的正确啮合，导致轮齿偏载，甚至会产生干涉。,蜗杆轴刚度计算,式中：y最大许用挠度，y=d1/1000；其余参数见教材。,12-6 蜗杆传动的滑动速度、效率及热平衡计算,一、齿面间滑动速度vS,较大的VS
11、引起：1、易发生齿面磨损和胶合2、如润滑条件良好（形成油膜条件）,则较大的VS则有助于形成润滑油膜，减少摩擦、磨损，提高传动效率,v1、v2 分别为蜗杆、蜗轮在节点C的速度,为蜗杆导程角,蜗杆传动总效率,蜗杆传动啮合效率,搅油或溅油效率,轴承效率：一对滚动轴承为30.990.995滑动轴承为30.90.9,二、蜗杆传动的效率,根据蜗杆传动的滑动速度由表5-10选取，,设计之初，未知，可按 z1 初选：,三、蜗杆传动的热平衡计算,蜗杆传动热平衡计算的目的,热平衡条件及其计算式,12,传动产生的热量11000P(1-),散发出去的热量2KS A(ti-t0),热平衡条件：生成的热量1=散发的热量2
12、,1、效率低，发热大，温升高，润滑油粘度下降2、润滑油在齿面间被稀释，加剧磨损和胶合。,热平衡计算的参数选取及有关说明：,KS散热系数 8.1517.45A散热面积 ti热平衡时油温，ti在800以内 t0周围空气温度，t0=200,不能满足热平衡时可采取的措施,四、蜗杆传动的润滑,润滑的目的：蜗杆传动产生的热量大，当润滑不良时，传动效率将显著降低，并且会带来剧烈的磨损和产生胶合破坏的危险，所以往往采用粘度大的矿物油进行良好的润滑，在润滑油中还常加入添加剂，使其提高抗胶合能力。,一般情况下，采用浸油润滑,vs 很大时，采用喷油润滑,v1 小时，蜗杆下置,v1 4 m/s时蜗杆上置,有利于润滑,避免过大的搅油损失,蜗杆传动小结,1.蜗杆传动的几何参数的计算及选择方法（q的含义及重要性）；,2.分析蜗杆传动的失效形式及设计准则受力分析强度计算；,3.了解热平衡原理和计算方法,4.对蜗杆传动的类型及刚度计算，只要求一般了解。,蜗轮制造,蜗杆传动例题,左（右）手法则：螺旋线旋向为左（右）旋则用左（右）手握着蜗杆，四指方向与转向一致，拇指方向就是蜗杆所受轴向力的方向。,主动轮左、右手定则,左右手法则：左旋左手，右旋右手，四指转向n1，拇指方向为Fa；拇指反向，即为v2(n2)。,
