机械设计基础之蜗杆传动dhrl.docx

第八章蜗蜗杆传动动具体内容容蜗杆传传动特点点和类型型；蜗杆杆传动的基基本参数数和几何何尺寸计计算；蜗蜗杆传动动的效率率、热平平衡计算算及润滑滑；蜗杆杆传动受受力分析析和计算算载荷；蜗杆传传动失效效形式和和设计准准则；蜗蜗杆传动动材料和和许用应应力；蜗蜗杆强度度计算；蜗杆刚刚度计算算；蜗杆杆传动的的结构设设计。重点蜗杆杆传动的的基本参参数和几几何尺寸寸计算；蜗杆传传动受力力分析；蜗杆强强度计算算；蜗杆杆刚度计计算。难点蜗杆杆传动受受力分析析。第一节蜗蜗杆传动动的特点点和类型型蜗杆传动动由蜗杆杆和蜗轮组组成（图8.1），用于于传递交交错轴之之间的运运动和动动力，通通常两轴轴间的交交错角。通常蜗蜗杆1为主动动件，蜗蜗轮2为从动件。图8.1 蜗杆传动1蜗杆，2蜗轮一、蜗杆杆传动的的特点1、优点点传动比大大；工作作平稳，噪噪声低，结结构紧凑凑；在一一定条件件下可实实现自锁锁。2、缺点点发热大，磨磨损严重重，传动动效率低低（一般般为0.70.9）；蜗轮轮齿圈常常采用铜铜合金制制造，成成本高。二、蜗杆杆传动的的类型根据蜗杆杆形状的的不同，蜗蜗杆传动动可分为为圆杆蜗蜗杆传动动、环面面蜗杆传传动和锥面蜗杆传传动三种种类型，如如图8.2所示示。（a）圆柱蜗杆传动 （b）环面蜗杆传动 （c）锥面蜗杆传动图8.2 蜗杆传动的类型根据加工工方法不不同，圆圆柱蜗杆杆传动又又分为阿阿基米德德蜗杆传传动（ZA型）、法法向直廓廓蜗杆传传动（ZN型）、渐渐开线蜗蜗杆传动动（ZI型）和和圆弧圆圆柱蜗杆杆传动（ZC型）等等。前三三种称为为普通圆圆柱蜗杆杆传动，见图图8.3所示。（a）阿阿基米德德蜗杆（b）法向向直廓蜗蜗杆（c）渐渐开线蜗蜗杆图8.33 普通通蜗杆的的类型第二节圆圆柱蜗杆杆传动的的基本参参数和几几何尺寸寸计算在普通圆圆柱蜗杆杆传动中中，阿基基米德蜗蜗杆传动动制造简简单，在在机械传传动中应应用广泛泛，而且且也是认认识其他他类型蜗蜗杆传动动的基础础，故本本节将以以阿基米米德蜗杆杆传动为为例，介介绍蜗杆杆传动的的一些基基本知识识和设计计计算问问题。一、蜗杆杆传动的的基本参参数通过蜗杆杆轴线并并垂直于于蜗杆轴轴线的平平面称为为中间平平面，见见图6.4。在中中间平面面内，蜗杆与与蜗轮的啮合合相当于于齿条和和齿轮的的啮合。因因此，设设计圆柱柱蜗杆传传动时，均均取中间间平面上上的参数数和几何何尺寸作作为基准准。图8.44阿基米米德蜗杆杆传动1、模数数和压力力角在中间平平面上蜗蜗杆传动动的正确确啮合条条件是8.1式中，蜗杆的的轴向模模数；蜗轮的的端面模模数；标准模模数，按按表6.1选取；蜗杆的的轴向压压力角；蜗杆的的端面压压力角；标准压压力角；蜗杆的的导程角角；蜗轮分分度圆柱柱上的螺螺旋角。表8.11常用标标准模数数值第一系列列1 11.255 11.6 2 2.5 3.15 4 55 6.33 8 100 122.5 116 200 225 31.5 400第二系列列1.5 3 33.5 44.5 55.5 66 7 12 1142、蜗杆杆的导程程角和蜗蜗杆分度度圆直径径蜗杆分度度圆柱螺螺旋线上上任意一一点的切切线与端端面所夹夹的锐角角就称为为导程角角。见图6.4所示，将将蜗杆分分度圆展展开，设设为蜗杆杆的头数数，为蜗蜗杆螺旋旋线的导导程，为为蜗杆的的轴向齿齿距，则则8.2图8.44蜗杆分分度圆柱柱展开示示意图国家标准准规定蜗蜗杆分度度圆直径径为标准准值，且且与模数数有一定的搭搭配关系系，详教材材上表81所列。3、蜗杆杆头数、蜗蜗轮齿数数和传动动比蜗杆头数数，即蜗杆杆螺旋线线的线数数，通常常为1、2、4、6。单头蜗蜗杆传动动比大，但但传动效效率低；多头蜗蜗杆则正正好相反反。一般般根据传传动比按按表8.2（教材上上表82）选取。表8.22蜗杆头头数的选选取传动比5871661533230880蜗杆头数数6421蜗轮齿数数。为了了避免蜗蜗轮轮齿齿发生根根切，为为了保证证传动平平稳性，不应小于28；但过大，蜗杆直径大，蜗杆支承跨距大，蜗杆刚度减小易挠曲、啮合精度降低。所以，一般取。蜗轮传动动比是蜗杆杆转速与与蜗轮转转速之比比。蜗杆杆传动中中，蜗杆杆转动一一周，蜗蜗轮转过过个齿，即即转过转转，所以以传动比比也是蜗蜗轮齿数数与蜗杆杆头数之之比。8.3二、蜗杆杆传动的的几何尺尺寸计算算蜗杆传动动的几何何尺寸计计算见教教材上表表83。第三节蜗蜗杆传动动的效率率、热平平衡计算算及润滑滑一、蜗杆杆传动的的效率闭式蜗杆杆传动的的总效率率由啮合合效率、轴轴承效率率和搅油油效率三三部分组组成，即即8.4其中，当当蜗杆主主动时，啮合效率；一般取。所以，蜗杆传动的总效率为8.5式中，为为当量摩摩擦角，其其值与蜗蜗杆和蜗蜗轮的材材料、表表面硬度度、滑动动速度有有关，可可查表得得到（如如陈良玉玉、吴瑞瑞祥等人人所编写写的机械械设计基基础中均均有数据据表）。设计蜗杆杆传动时时，若按按计算蜗蜗轮转矩矩，总效效率可按按蜗杆头头数估取取，见p1135。表8.33 蜗杆杆传动效效率估计计蜗杆头数数1（自锁锁）124，6开式传动动（）总效率0.40.70.7750.7550.8820.8550.9950.6二、蜗杆杆传动热热平衡由于蜗杆杆传动摩摩擦损失失大，工工作时发发热量很很大。在在闭式传传动中，若若不及时时散热，箱箱体内的的工作温温度急剧升高高，润滑滑油的粘粘度极大大降低，润润滑油膜膜因此被被破坏，磨磨损随之之加剧。所所以，对对于连续续工作的的闭式蜗蜗杆传动动必须进进行热平平衡计算算，以保保证油温温处于规规定的范范围内。即8.6式中，为为环境温温度，一一般取20；为蜗杆杆传动功功率（kW）；为箱箱体表面面散热系系数，通通常取1017WW/m2·；为箱体体的散热热面积（m2），指指箱体外外壁与空空气接触触而内壁壁被油飞飞溅到的的箱壳面面积；为为允许温度度，一般般为75585。如果油温温超过限限制温度度或箱体体散热面面积不足足时，可可采用下下列措施施提高散散热能力力：（1）增增加散热热面积。在在箱体外外增加散散热片，散散热片面面积按总总面积的的50计算算。（2）在在蜗杆的的端部安安装风扇扇，加速速空气流流通，散散热系数数，此时时刻取WW/m22·。（3）在在箱体油油池中装装置蛇形形冷却水水管，用用循环水水冷却。（4）采采用压力力喷油润润滑，润润滑油循循环冷却却。三、蜗杆杆传动的的润滑闭式蜗杆杆传动一一般采用用油池润润滑或喷喷油润滑滑，可参参考表6.4选用。当当滑动速速度>44m/ss时，应采采用上置置式蜗杆杆，蜗轮轮带油润润滑，这这时，蜗蜗轮的浸浸油深度度为1/3的蜗轮轮顶圆直直径。开式蜗杆杆传动采采用定期期加润滑滑剂的润润滑方式式。表8.44 蜗杆杆传动的的润滑方方法滑动速度度/(mm/s)0551001011515225>25润滑方法法油池润滑滑油池润滑滑或喷油油润滑压力喷油油的油压压/MPPa0.0770.20.3第四节蜗蜗杆传动动载荷、受受力分析析、失效效形式和和设计准准则一、蜗杆杆传动的的受力分分析图8.55所示为为蜗杆传传动的受受力情况况。作用用在齿面面上的法法向力可可分解为为三个互互相垂直直的分力力：圆周周力、径径向力和和轴向力力。由图6.4中关系系得 N 88.7式中，、分别作作用在蜗蜗杆和蜗蜗轮上的的转矩，N·mm；圆周力、各自产产生的转转矩方向向与蜗杆杆、蜗轮轮外加转转矩方向向；轴向向力方向向可按左左右手法法则来判判定，径径向力、分别指指向各自自的中心心。图8.44蜗杆传传动的受受力分析析二、计算算载荷计算载荷荷计算式式为8.8式中，载载荷系数数一般取1.11.3之间值，工工作载荷荷变化大大，蜗杆杆圆周速速度较高高时，取取大值。三、蜗杆杆传动失失效形式式和设计计准则1、蜗杆杆传动失失效形式式由于蜗杆杆的螺齿齿强度总总是大于于蜗轮轮轮齿的强度度，所以以蜗杆传传动失效效一般发发生在蜗蜗轮轮齿齿上。蜗轮齿面面的主要要失效形形式是齿齿面胶合合、磨损损和点蚀蚀。2、设计计准则对磨损、胶合和点蚀失效尚缺少较完善的计算方法，所以目前在设计过程中对于闭式蜗杆传动，通常按齿面接触疲劳强度进行设计，避免蜗轮齿面的胶合和点蚀；只有当。或采用负变位的传动时，才进行轮齿的弯曲强度计算；考虑胶合的因素，还应进行热平衡计算。对于开式蜗杆传动，只进行蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度计算。蜗杆工作作中的强强度计算算，可以以根据轴轴的强度度计算方方法进行行危险截截面应力力计算；为避免蜗蜗杆的变变形过大大引起失失效，对对支承跨跨距大的的蜗杆轴轴，须进进行蜗杆杆的刚度度验算。第五节蜗蜗杆传动动的材料料和许用用应力一、蜗杆杆传动所所用材料料蜗杆传动动失效形形式可知知，蜗杆杆、蜗轮轮的材料料不仅要要求具有有足够的的强度和和刚度，同同时必须须具有良良好的耐耐磨性、减减磨性和和抗胶合合性。蜗杆常用用材料为为碳钢和和合金钢钢，见表6.5所示。高高速重载载及重要要的蜗杆杆常用15CCr和20CCr，并经经渗碳淬淬火；也也可用45钢、40CCr，并经淬淬火。不不太重要要的低速速中载的的蜗杆，可可采用40或45钢，并并经调质质处理。蜗轮材料料通常是是指蜗轮轮轮缘部部分的材材料，需需要选用用减磨性性和耐磨磨性较好好的材料料，通常常采用铜铜合金和和铸铁，详详见表66.6。锡锡青铜具具有良好好的耐磨磨性，适适用于mm/s和持续续运转的的场合。铝铝青铜机机械强度度高，减减磨性稍稍差，一一般用于于m/s的传动动。灰铸铸铁仅适适用于mm/s的低速速轻载传传动。表8.44 蜗杆杆常用材材料材料牌号号热处理硬度表面粗糙糙度45，440Crr，42SSiMnn，40CCrNii，38SSiMnnMo表面淬火火HRC45551.60.8815CrrMn，20CCrMn，20CCr，20CCrNii渗碳淬火火HRC58631.60.8840，445调质HB<22703.2表8.55 蜗轮轮常用材材料材料名称称及牌号号锡青铜铝青铜黄铜灰铸铁ZCuSSn100P1ZCuSSn5PPb5ZZn5ZCuAAl100Fe33，ZCuuAl110Fee3Mnn2ZCuZZn388Mn22Pb22HT1550，HT2200适用/(m/ss)251210102二、材料料的许用用应力1、许用用接触应应力见教材表表84。第六节蜗蜗杆传动动的设计计算一、蜗杆杆强度计计算1、齿轮轮接触疲疲劳强度度计算接触疲劳劳强度的的校核公公式MPa 8.9接触疲劳劳强度的的设计公公式 mm338.100式中，材料的弹弹性系数数，钢制制蜗杆与与青铜或或铸铁配配对时，。由式8.10计算出出值，用用教材上上表81确定模模数和蜗蜗杆分度度圆直径径的标准准值。2、蜗轮轮轮齿弯弯曲疲劳劳强度计计算蜗轮轮齿齿弯曲疲疲劳强度度校核公公式 MMPa 8.11蜗轮轮齿齿弯曲疲疲劳强度度设计公公式 mm338.12式中，蜗轮齿齿形系数数，按蜗蜗轮的当当量齿数数查表。用式8.12设计时时，导程程角可根根据蜗杆杆头数估估取，然然后计算算求得值值，用教教材上表表81确定模模数和蜗蜗杆分度度圆直径径后，再再校验的的值。二、蜗杆杆刚度计计算校核公式式8.133式中，蜗杆材材料的弹弹性模量量，N/mmm2，钢制制蜗杆取取2.007×105N/mmm2；蜗杆危危险截面面惯性矩矩，mm4，；蜗杆两两支承间间距离，mm，由结结构设计计确定，初初算时可可取许用挠挠度，mm，可取取。第七节蜗蜗杆传动动的结构构设计一、蜗杆杆的结构构蜗杆一般般加工成成与轴一一体的蜗蜗杆轴，当当蜗杆直直径比轴轴的直径径大得很很多时，蜗蜗杆和轴轴分开制制造，然然后装配配成一体体。按蜗蜗杆螺旋旋部分的的加工方方法的不不同可分分为铣制制蜗杆和和车制蜗蜗杆。（a）铣铣制蜗杆杆（b）车车制蜗杆杆图8.55蜗杆的的结构二、蜗轮轮的结构构蜗轮多用用青铜制制造，但但青铜价价格高。为为节省起起见，轮轮缘（齿齿圈）用青铜铜而轮芯芯用铸铁铁。这样样蜗轮的的结构根根据齿圈圈与轮芯芯的装配配方式有有以下几几种形式式：1、轮箍箍式见图8.6（a），一一般采用用青铜轮轮缘与铸铸铁轮芯芯，为防防止轮缘缘滑动，加加台阶和和46个螺钉钉固定。2、螺栓栓连接式式见图8.6（b），用用铰制孔孔螺栓连连接。3、镶铸铸式见图8.6（c），青铜铜轮缘镶镶铸在铸铸铁的轮轮芯上，轮轮芯上预预制出槽槽。4、整体体式见图6.6（d），适适用于直直径小于于1000mm的青铜铜蜗轮和和任意尺尺寸的铸铸铁蜗轮轮。（a）轮轮箍式（b）螺栓连连接式（c）镶铸式式（d）整体式式图8.66蜗轮结结构