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1、第十一章 蜗杆传动,11-1 蜗杆传动的类型,11-2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数,11-3 普通蜗杆传动的承载能力计算,11-6 圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计,11-5 普通圆柱蜗杆传动的效率、,及几何尺寸计算,润滑及热平衡计算,本章学习的基本要求：熟练掌握的内容 1）蜗杆传动的特点及应用，蜗杆传动主要参数的合理选择及 几何尺寸的计算；2）蜗杆传动受力分析，蜗轮转向判断；3）蜗杆传动的失效形式、材料选择及强度计算；4）蜗杆传动的润滑、效率计算及热平衡计算。本章的重点：蜗杆直径系数q 的含义，蜗杆的受力分析及蜗轮转向判断。,作用：用于传递交错轴之间的回转运动和动力。蜗杆主动、蜗轮从动。,90,第十
2、一章 蜗杆传动,优点：传动比大、结构紧凑、传动平稳、噪声小;可实现自锁。,分度机构：i=1000,通常i=5 80,缺点：摩擦损失较大，效率低、蜗轮齿圈用青铜制 造，成本高。,一般：=0.7 0.8，自锁：0.4,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,圆柱蜗杆,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,环面蜗杆,锥蜗杆,11-1 蜗杆传动的类型,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,阿基米德蜗杆,11-1 蜗杆传动的类型,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆
3、柱蜗杆传动,普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用直线刀刃的车刀切制而成，车刀安装位置不同，加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同。,11-1 蜗杆传动的类型,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,11-1 蜗杆传动的类型,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆,圆弧圆柱蜗杆传动与普通圆柱蜗杆传动的区别仅是加工用的车刀为圆弧刀刃。,传动特点：,1）传动效率高，一般可达90%以上；,2）承载能力高，约为普通圆柱蜗杆的1.5 2.5倍；,3）结构紧凑。,
4、11-1 蜗杆传动的类型,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,阿基米德蜗杆(ZA),阿基米德蜗杆,双刀加工,11-1 蜗杆传动的类型,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-1 蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,渐开线蜗杆(ZI),渐开线蜗杆,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,法向直廓蜗杆(ZN),1
5、1-1 蜗杆传动的类型,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆(ZK),是一种非线性螺旋齿面蜗杆。不能在车床上加工，只能在铣削或磨削，加工时工件作螺旋运动，刀具作旋转运动。,11-1 蜗杆传动的类型,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,环面蜗杆传动特点：,1）传动效率高，一般可达8590%；,2）承载能力高，约为阿基米德蜗杆的2 4倍；,3）要求制造和安装精度高。,11-1
6、蜗杆传动的类型,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,锥蜗杆传动特点：,1）同时接触的点数较多，重合度大；,2）传动比范围大，一般为10 360；,3）承载能力和传动效率高；,4）制造安装简便，工艺性好。,11-1 蜗杆传动的类型,在中间平面内，(普)蜗杆传动相当于齿轮齿条的啮合传动。故设计时，均取中间平面上的参数和尺寸为基准，并沿用齿轮传动的计算关系。,11-2（普）蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,ZA蜗杆：a=20,由蜗杆传动正确啮合的条件，得：,1.模数m和压力角,压力角,ma1=mt
7、2=m a1=t2,（一）主要参数及其选择,11-2（普）蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,2.蜗杆的分度圆直径d1和导程角,蜗杆的螺旋面和分度圆柱面的交线是一条螺旋线，将分度圆柱展开得：,tan=pz/d1,=z1 pa/d1,=mz1/d1,11-2（普）蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,tan=mz1/d1,d1=mz1/tan,可见，对每一个模数m，当z1和不同时，可有很多不同d1。,q=d1/m-蜗杆的直径系数,为了限制蜗轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化,d1=m q m z1,tan=z1/q,11-2（普）蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,需配备很多蜗轮滚刀,-表11-2,3.蜗杆
8、传动的传动比 i,传动比:,d1=m q,d2=m z2,z1=q tan=d1/m tan,11-2（普）蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,4.蜗杆的头数Z1,但 tan=Z1/q,Z1,Z1,蜗杆的加工愈困难。,常取 z1=1、2、4、6。,11-2（普）蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,z1 i,z2=i z1,为保证传动的平稳性：Z2 28,常限制：Z2 80,5.蜗轮的齿数Z2,Z2不能太少,Z2不能太多：,m弯曲强度,d2蜗杆长度蜗杆的刚度,Z2，d2(=m Z2)不变时,Z2，m不变时,通常取：Z2=28 80,Z1、Z2的荐用值见表11-1,11-2（普）蜗杆传动的主要参数及几
9、何尺寸计算,a=(d1+d1)/2,6.蜗杆传动的标准中心距,=m(q+z2)/2,-表11-2,(二)蜗杆传动变位的特点,目的：,特点：,拼凑中心距或提高传动的承载能力及传动效率,蜗杆传动的几何尺寸及其计算公式见图11-16及表11-3、表11-4,11-2（普）蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,(三)蜗杆传动的几何尺寸计算,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,（一）失效形式、设计准则及常用材料,1、失效形式：,2、设计准则,闭式传动：,按齿面接触疲劳强度设计，按齿根弯曲疲劳强度校核，并作热平衡计算,开式传动：,按弯曲疲劳强度设计,胶合、磨损,蜗轮齿圈采用青铜,蜗杆采用碳素钢或合金钢,1
10、5Cr、20Cr 渗碳淬火 55 62 HRC,一般传动：40、45 调质处理 220 250 HBS,3、常用材料,蜗杆,40、45、40Cr 表面淬火 40 55 HRC,高速重载传动,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,vS4 m/s,vS 2 m/s,蜗轮,铸造锡青铜,vS3 m/s,铸造铝铁青铜（ZCuAl10Fe3）,灰铸铁（HT150、HT200）,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,（二）蜗杆传动的受力分析,圆周力：Ft1=2T1/d1,轴向力：Fa1,径向力：Fr1=Fr2,=Ft2 tan,T2=T1 i,各力的大小：,=Fa2,=Ft2,=2T2/d2,法向力：F
11、n=Fa1/cosncos=Ft2/cosncos=2T2/d2 cosncos,式中:,各力的方向：,圆周力,径向力,轴向力,（主）Ft1与 n1方向相反,（从）Ft2与 n2方向相同,Fr1、Fr2 分别指向各自的轮心,（主）Fa1 按左、右手法则判断,（从）Fa2 与Ft1 方向相反,蜗轮、蜗杆轮齿的螺旋线方向相同,蜗轮、蜗杆轮齿旋向相同,蜗轮右旋,蜗杆右旋,若 90,1+,+1 90,在90的蜗杆传动中，蜗杆分度圆柱上的导程角应等于蜗轮分度圆柱上的螺旋角，且两者旋向必须相同。即：,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,蜗轮、蜗杆轮齿旋向相同,蜗轮右旋,蜗杆右旋,若 90,1+,+1
12、90,在90的蜗杆传动中，蜗杆分度圆柱上的导程角应等于蜗轮分度圆柱上的螺旋角，且两者旋向必须相同。即：,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,（三）蜗杆传动的强度计算,1、蜗轮齿面接触疲劳强度计算,将蜗轮蜗杆在节点处啮合的相应参数代入赫兹公式：,齿面接触强度校核公式,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,-（11-11）,齿面接触强度设计公式：,K-载荷系数，取：K=KA Kv K,Z-接触系数，查图11-18,式中:,ZE-材料的弹性影响系数，取ZE=160,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,-（11-12）,K-载荷系数，取：K=KA Kv K,KA-使用系数，查表11-5,K-
13、齿向载荷分布系数,Kv-动载系数,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,H-蜗轮齿面的许用接触应力,灰铸铁或铝铁青铜时：H-查表11-6,锡青铜时，取,(N=60 n2 j Lh),式中：,H-蜗轮的基本许用应力 查表11-7,KHN-接触强度的寿命系数,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,图11-8 圆柱蜗杆传动的接触系数Z,Z,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,2、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算,闭式蜗杆传动通常只作弯曲强度的校核计算,通常是把蜗轮近地当作斜齿圆柱齿轮来考虑，模仿斜齿轮的弯曲强度计算公式，可得到：,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载
14、能力计算,校核公式：,设计公式：,YFa2-蜗轮齿形系数，按,Y-螺旋角影响系数，Y=1-/140,式中：,F-蜗轮的许用弯曲应力；,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,11-3 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,11-5（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,（一）蜗杆传动的滑动速度vS,vS=v1/cos,=d1n1/60100cos,可见，vS 比 v1还要大。所以，蜗杆传动的摩擦损失很大，很容易发热。当润滑、散热等条件不良时，齿面很容易磨损和胶合。因此，蜗杆传动必须经过热平衡计算。,11-5（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,（一）蜗杆传动的滑动速度vS,蜗杆传动在节点P处啮合时，
15、齿面间存在相当大的相对滑动速度 vS。,设：蜗杆分度圆的圆周速度为v1，蜗轮分度圆的圆周速度为v2，,vS=v1/cos,=d1n1/60100cos,可见，vS 比 v1还要大。所以，蜗杆传动的摩擦损失很大，很容易发热。当润滑、散热等条件不良时，齿面很容易磨损和胶合。因此，蜗杆传动必须经过热平衡计算。,（二）蜗杆传动的效率,功率损耗：啮合摩擦损耗、轴承摩擦损耗、搅油损耗。,蜗杆主动时，,蜗杆传动的总效率为：,=1 2 3,蜗杆传动的总效率主要取决于啮合效率1,由于蜗轮蜗杆间的滑动情况与螺旋副的滑动情况相似，,11-5（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,v-当量摩擦角，其值根据 vS 查表
16、11-18,f v-当量摩擦系数;,-蜗杆导程角;,式中:,v=arctan f v，,蜗杆头数 Z1 总 效 率 0.70 0.80 0.90 0.95,在设计之初，为近似地求出蜗轮轴上的扭矩T2，值可如下估取：,取:2 3=0.95 0.96,总效率：,11-5（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,（三）蜗杆传动的润滑,若润滑不良，,效率显著降低,剧烈磨损和胶合,1、润滑油：,11-5（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,2、润滑油粘度及给油方法,闭式传动：表11-21,开式传动：粘度较高的齿轮油或润滑脂,11-5（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,蜗杆下置或侧置的传动，浸油深度应
17、有蜗杆的一个齿高。,蜗杆上置的传动，浸油深度约为蜗轮外径的1/3。,3、润滑油量,油池润滑时，适当的油量不仅有利于动压油膜的形成，而且有助于散热。,给油时，如果采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端,11-5（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,（四）蜗杆传动的热平衡计算,目的：防止由于摩擦损耗产生的热量引起油温升高，润滑失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合。,热平衡：单位时间内的发热量散热量,由摩擦损耗产生的热量:1=1000 P(1-),从箱壁散发的热量:2=d S(t0-ta),其中：P-蜗杆传递的功率；KW,d-表面散热系数；可取：d=8.1517.45 W/(m2),11-5（普）蜗
18、杆传动的效率、润滑及热平衡计算,由热平衡条件：1=2：,t0-油的工作温度，,ta-周围空气的温度，常温情况可取为：20；,一般限制在 6070，最高不应超过80,S-箱体表面面积，m2,11-5（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,当工作油温t0 80 时，须采取散热措施：,1）加散热片-增大散热面积（S）；见图11-22,2）在蜗杆轴端加装风扇-加速空气的流通（d）,3）在箱内装循环冷却水管或用循环油冷却（d）,11-5（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,蜗杆的结构:,通常与轴制成一体,蜗杆轴,12-6 圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计,1)无退刀槽结构：加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,2
19、)有退刀槽：螺旋部分可以车制，也可以铣制。,蜗轮齿宽角 90 130,轮圈厚度 C 1.6m+1.5 mm,轮缘宽度B 0.75da 0.67 da,蜗轮顶圆直径de2 da2+2m da2+1.5m da2+2m,蜗轮的常用结构：,整体式,组合式过盈配合,组合式螺栓联接,组合式铸造,第十一章 习题,2、手动绞车采用蜗杆传动。已知：m=8 mm，z1=1，d1=80 mm，z2=40，卷筒直径D=200 mm。,1、教材 11-1,（1）欲使重物Q上升1m，蜗杆应转多少转？,（2）蜗杆与蜗轮间的当量摩擦系数 fv=0.18，该机构 能否自锁？,问：,（3）若重物Q=5KN，手摇时施加的力F=100N，手柄 转臂的长度L应是多少？,图示为蜗杆传动和圆锥齿轮传动的组合。已知输出轴上锥齿轮Z4的转向。,（1）试确定蜗杆传动的螺旋线方向和蜗杆的转向，并使中间轴 上的轴向力能抵消一部分。,（2）在图上标出各轮所受分力的方向,思考题：,11-5 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算（自学）思考题：蜗杆传动效率的计算蜗杆传动热平衡计算的目的？何谓热平衡？当热平衡条件不能满足时，可采取哪些措施来提高其散热能力？,
