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1、第十一章 蜗杆传动,Design of Worm Gearing,教 学 内 容,蜗杆传动的类型,1,普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,2,普通圆柱蜗杆传动的承载能力计算,3,普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,4,圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,5,蜗 杆 传 动 概 述,蜗杆传动是一种在空间交错轴间传递运动的机构。,蜗杆传动的主要特点有：1传动比大，一般为i=580，大的可达300以上；,2重合度大，传动平稳，噪声低；,3摩擦磨损问题突出，磨损是主要的失效形式；,4传动效率低，具有自锁性时，效率低于40%。,由于上述特点，蜗杆传动主要用于运动传递，而在动力传输中的应用受到限制。,11.1
2、蜗杆传动的类型,Types of Worm Gearing,其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。,蜗杆传动的类型,其蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形的车刀切制而成的。,其蜗杆体在轴向的外形是以凹弧面为母线所形成的旋转曲面，这种蜗杆同时啮合齿数多，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。,圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,主要是刀具的加工时的位置、装夹角度、刀具形状、刀具的种类等不同而形成了不同类型的
3、蜗杆传动。,11.1 蜗杆传动的类型,一、阿基米德蜗杆（ZA），Archimedes Worms,11.1 蜗杆传动的类型,二、渐开线蜗杆（ZI）Involute helicoidal Worms,11.2 普通蜗杆传动的参数与尺寸,在中间平面，蜗杆传动如同直齿齿条与渐开线齿轮啮合，故在设计蜗杆传动时，均取中间平面上的参数和尺寸为基准。,普通蜗杆传动的参数与尺寸1,一、模数m和压力角a,蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴面模数、压力角应与蜗轮的端面模 数、压力角相等，即:ma1=mt2=m aa1=at2（标准值20）,11.2 普通蜗杆传动的参数与尺寸,蜗杆轴向压力角与法向压力角的关系：,二、蜗杆的
4、分度圆直径d1,由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，为了限制滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径d1。直径d1与模数m的比值(q=d1 m)称为蜗杆的直径系数。,11.2 普通蜗杆传动的参数与尺寸,注意：d1 m z1,三、蜗杆的头数z1,较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通常蜗杆头数取为1、2、4、6。,11.2 普通蜗杆传动的参数与尺寸,普通蜗杆传动的参数与尺寸2,四、导程角,在m和d1为标准值时，z1g,正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且g1b2,五
5、、传动比 i 和 齿数比 u,11.2 普通蜗杆传动的参数与尺寸,蜗杆主动,蜗轮主动,注意,六、蜗轮齿数z2,蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2=i z1。,11.2 普通蜗杆传动的参数与尺寸,z2 少 产生根切 z2 17 传动平稳性不佳 z2 28，保持两对以上齿啮合z2 多 d2(=m z2)增加 蜗杆跨距增加 蜗杆刚度降低 d2不变，z2 m 轮齿弯曲强度 z2 80 28 z2 80,七、中心距,11.2 普通蜗杆传动的参数与尺寸,注意,11.2 普通蜗杆传动的参数与尺寸,11.3 普通蜗杆传动的承载能力计算,一、蜗杆传动的失效形式,蜗杆传动的主要问题：蜗杆和蜗轮齿面间有较大的相对滑动
6、，导致胶合和摩擦磨损严重，这是设计中要解决的主要问题。,由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上。,失效形式：齿面点蚀，轮齿折断，齿面胶合，齿面磨损,开式传动：失效形式为齿面磨损和轮齿折断，应以保证齿根弯曲疲劳强度作为开式传动的主要设计准则。闭式传动：失效形式为齿面点蚀和胶合，按齿面接触疲劳强度进行设计。闭式蜗杆传动，由于散热较为困难，还应作热平衡核算。,二、蜗杆传动的常用材料,11.3 普通蜗杆传动的承载能力计算,对材料的要求：足够强度，良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性。,蜗杆碳钢 如：40 45 合金钢 如：40Cr20Cr20CrMnTi,蜗轮较软（多选青铜）进行时效处理,vs3m/s
7、 重要场合：铸锡青铜如：ZCuSn10P1 ZCuSn5Pb5Zn5vs 4m/s 较重要场合：铝铁青铜如：ZCuAl10Fe3vs 2m/s 一般场合：灰铸铁 如：HT200,对蜗杆要进行必要的合理的热处理措施，以提高其耐磨性及抗胶合的能力。,由于蜗杆轮齿的强度高于蜗轮轮齿的强度，失效经常发生在蜗轮轮齿上，一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算。,11.3 普通蜗杆传动的承载能力计算,三、蜗杆传动的设计准则,蜗杆的刚度计算,蜗轮的齿根弯曲疲劳强度计算,防止齿面过度磨损和轮齿折断引起的失效。,传动系统的热平衡计算,防止齿面齿面点蚀和胶合引起的失效。,蜗轮的齿面接触疲劳强度计算,防止蜗杆刚度不足引起的
8、失效。,防止过热引起的失效。,普通蜗杆传动的承载能力计算2,四、蜗杆传动的受力分析,蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相同，轮齿在受到法向载荷Fn的情况下，可分解出径向载荷Fr、周向载荷Ft、轴向载荷Fa。,在不计摩擦力时，有以下关系：,11.3 普通蜗杆传动的承载能力计算,蜗杆传动受力方向判断：,11.3 普通蜗杆传动的承载能力计算,轴向力方向的判定根据主动件的螺旋线旋向确定采用左手或右手定则（如图所示的蜗杆传动，当蜗杆是主动件时，由于其螺旋线是右旋螺旋线，因此应用右手判定蜗杆的轴向力方向），手自然握拳，竖起拇指，当弯曲的四指与主动件的转向一致时，则拇指的指向就是主动件所受的轴向力的
9、方向。,11.3 普通蜗杆传动的承载能力计算,1、蜗轮齿面接触强度条件,则 T2=i T1,五、蜗杆传动强度计算,接触系数,载荷系数,许用接触应力H,许用接触应力H,11.3 普通蜗杆传动的承载能力计算,五、蜗杆传动强度计算,2、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算,许用接触应力F,3、蜗杆刚度计算,11.5 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,一、蜗杆传动的效率,h1计入啮合摩擦损耗的效率；,h2计入轴承摩擦损耗的效率；,h3计入溅油损耗的效率；,h1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：,式中：g 蜗杆的导程角；v当量摩擦角。,齿面间相对滑动速度vs,由此可见，vs v1、v2,所以蜗杆传动摩擦损失大
10、，效率低。,一、蜗杆传动的效率,11.5 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,一、蜗杆传动的效率,效率与蜗杆头数的大致关系为：蜗杆头数总 效 率 0.70 0.80 0.90 0.95,一、蜗杆传动的效率,11.5 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,二、蜗杆传动的润滑,润滑的主要目的在于减摩与散热。具体润滑方法与齿轮传动的润滑相近。,润滑油,润滑油的种类很多，需根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件选用。,11.5 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,润滑油粘度及给油方式,一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。给油方法包括：油池润滑、喷油润滑等，若采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端，而且要控制一定的
11、油压。,二、蜗杆传动的润滑,11.5 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,vs 5m/s 油池蜗杆浸油vs 510m/s 油池或喷油蜗轮浸油vs 10m/s 喷油,润滑油粘度及给油方式,二、蜗杆传动的润滑,11.5 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,三、蜗杆传动的热平衡,由于传动效率较低，对于长期运转的蜗杆传动，会产生较大的热量。如果产生的热量不能及时散去，则系统的热平衡温度将过高，就会破坏润滑状态，从而导致系统进一步恶化。,11.5 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,系统因摩擦功耗产生的热量为：,自然冷却从箱壁散去的热量为：,ad箱体表面的散热系数，可取ad(8.1517.45)W/(m2)；
12、,S 箱体的可散热面积(m2)；,t0润滑油的工作温度()；ta环境温度()。,在热平衡条件下可得：,可用于系统热平衡验算，一般to6070,可用于结构设计,三、蜗杆传动的热平衡,11.5 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡,t0润滑油的工作温度()；ta环境温度()。,S 箱体的可散热面积(m2)；,四、蜗杆传动的散热措施,当自然冷却的热平衡温度过高时，可采用以下措施：,1.加散热片以增大散热面积或在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流通。,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡5,2.加冷却管路或散热器冷却。,传动箱内装循环冷却管路,传动箱外装循环冷却器,四、蜗杆传动的散热措施,11.6 圆柱蜗杆和蜗轮的结
13、构设计,圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计1,一、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。当蜗杆螺旋部分的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。,无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工，但该结构的刚度 较前一种差。,圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计2,二、蜗轮的结构,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，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下：,11.6 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,二、蜗轮的结构,11.6 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,1、齿圈式：青铜齿圈与铸铁轮芯配合H7/r6而成，加装紧定螺钉用于尺寸不太大，工作温度变化较小的场合。,2、螺栓联接式：用于尺寸较大或容易磨损的蜗轮，可用普通螺栓也可用铰制孔用螺栓进行联接。,4、拼铸式：在铸铁轮芯上加铸青铜齿圈，然后切齿，只用于成批制造的蜗轮。,二、蜗轮的结构,11.6 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计,3、整体浇铸式：主要用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮。,Thank You!,
