机械设计蜗杆传动.pptx

第1页/共36页圆弧面蜗杆 锥蜗杆 第2页/共36页第3页/共36页蜗杆传动的特点和应用第4页/共36页一、特点一、特点 传动比可以很大传动比可以很大传动比可以很大传动比可以很大（i=880i=880，若只传递运动，可达若只传递运动，可达10001000）结构紧凑结构紧凑结构紧凑结构紧凑 传动平稳，噪声较小传动平稳，噪声较小传动平稳，噪声较小传动平稳，噪声较小（同时啮合的齿数多）（同时啮合的齿数多）可使其具有自锁性可使其具有自锁性可使其具有自锁性可使其具有自锁性（要求螺线升角当量摩擦角（要求螺线升角当量摩擦角）优优优优 点点点点 传动效率较低传动效率较低传动效率较低传动效率较低（一般为（一般为0.70.80.70.8，因发热大，因发热大，若有自锁性，则若有自锁性，则0.5)0.5)造价高造价高造价高造价高（蜗轮常用青铜制）（蜗轮常用青铜制）缺缺缺缺 点点点点第5页/共36页二、分类二、分类阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）渐开线蜗杆渐开线蜗杆（ZI蜗杆）法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动圆弧面（环面）蜗杆传动圆弧面（环面）蜗杆传动锥面蜗杆传动锥面蜗杆传动与车梯形螺纹类似应用最广，但易车难磨，不易得到较高精度。锥面包络蜗杆锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）便于磨削、精度较高，应用日渐广泛。润滑条件较好，效率高（可达0.9以上），承载能力高（比普通圆柱蜗杆高出0.51.5倍），体积小，质量小，结构紧凑，已广泛应用于冶金、化工、起重等需要大功率传动的机械设备中。制造较难。（ZC蜗杆）同时接触的点数较多，重合度大；传动比范围大（一般为10360）；承载能力和效率较高；侧隙便于控制和调整；能做离合器使用；可节约有色金属；制造安装简单，工艺性好。但由于结构上的原因，传动具有不对称性，因而正反转时受力不同，承载能力和效率也不同。第6页/共36页 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆(ZA蜗杆)渐开线蜗杆渐开线蜗杆（ZI蜗杆）法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）端面齿廓为阿基米德螺线。2=40，可用车刀象车螺纹一样车削，但难磨削，不易得到较高精度。应使刀刃顶面通过蜗杆轴线。3时用双刀。端面齿廓为渐开线。可用两把直线刀刃的车刀在车床上分别车出左右侧螺旋面，车削加工，刀刃顶面与基圆柱相切，两刀一高一低；也可用滚刀加工；还可在专用机床上磨削。制造精度较高，适用于功率较大的高速传动。端面齿廓为延伸渐开线（故又称延伸渐开线蜗杆），法面齿廓为直线。也是用直线刀刃的单刀或双刀在车床上车削加工，车刀刀刃放在蜗杆齿面的法向位置。较难磨削。第7页/共36页锥面包络蜗杆锥面包络蜗杆(ZK蜗杆)是一种非线性螺旋齿面蜗杆。不能在车床上加工，只能在铣床上铣削、在磨床上磨削。加工时，除工件作螺旋运动外，刀具同时绕其自身的轴线作回转运动，这时，铣刀（或砂轮）回转曲面的包络面即为蜗杆的螺旋齿面。I-I和N-N截面都是曲线。这种蜗杆便于磨削，精度较高，应用日渐广泛。GB/T10085-98GB/T10085-98中推荐采用中推荐采用ZIZI和和ZKZK蜗杆两种。蜗杆两种。第8页/共36页 8-2 8-2 普通圆柱蜗杆传动主要参数和几何尺寸普通圆柱蜗杆传动主要参数和几何尺寸一、主要参数一、主要参数中间平面中间平面通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面。在中间平面上，蜗杆与蜗轮的啮合相当于齿轮与齿条的啮合。在中间平面上，蜗杆与蜗轮的啮合相当于齿轮与齿条的啮合。设计蜗杆传动时：其尺寸与参数均在中间平面内确定，设计蜗杆传动时：其尺寸与参数均在中间平面内确定，且沿用齿轮传动的计算公式。且沿用齿轮传动的计算公式。1 1、模数、模数mm和压力角和压力角 正确啮合条件是正确啮合条件是蜗杆轴向模数蜗杆轴向模数蜗杆轴向模数蜗杆轴向模数m m m ma1a1a1a1=蜗轮端面模数蜗轮端面模数蜗轮端面模数蜗轮端面模数m m m mt2t2t2t2蜗杆轴向压力角蜗杆轴向压力角蜗杆轴向压力角蜗杆轴向压力角a1a1a1a1=蜗轮端面压力角蜗轮端面压力角蜗轮端面压力角蜗轮端面压力角t2t2t2t2ZAZA蜗杆（阿基米德蜗杆）的蜗杆（阿基米德蜗杆）的a1a1a1a1=20=20=20=20 其余蜗杆法向压力角其余蜗杆法向压力角n n为标准值为标准值20202020 轴向压力角轴向压力角轴向压力角轴向压力角a a a a和法向压力角和法向压力角和法向压力角和法向压力角n n n n的关系为：的关系为：的关系为：的关系为：tgtga a a a=tgtgn n n ncoscos 导程角第9页/共36页2 2、蜗杆头数、蜗杆头数Z Z1 1、蜗轮齿数蜗轮齿数Z Z2 2、传动比传动比i i头数多虽可提高效率，但加工精度越难保证。头数多虽可提高效率，但加工精度越难保证。头数多虽可提高效率，但加工精度越难保证。头数多虽可提高效率，但加工精度越难保证。当传动比当传动比当传动比当传动比i40i40i40i40或要求自锁时，取或要求自锁时，取或要求自锁时，取或要求自锁时，取Z Z Z Z1 1 1 1=1=1=1=1。蜗杆头数蜗杆头数Z Z1 1一般取为一般取为1 1、2 2、4 4。不少于不少于2626避免根切避免根切蜗轮齿数宜蜗轮齿数宜不多于不多于8080避免尺寸过大，蜗杆长度增加，避免尺寸过大，蜗杆长度增加，降低刚度和啮合精度。降低刚度和啮合精度。传动比传动比n n1 1i=i=n n2 2Z Z2 2Z Z1 1=第10页/共36页第11页/共36页3 3、蜗杆分度圆直径、蜗杆分度圆直径d d1 1及直径系数及直径系数q qq=q=d d1 1mm为此，制订了蜗杆分度圆直径的标准系列为此，制订了蜗杆分度圆直径的标准系列规定：（d d1 1不仅和模数不仅和模数mm有关，还随有关，还随Z Z1 1/tg/tg 而变化：而变化：）tgtg=Z Z1 1mmd d1 1q q蜗杆直径系数蜗杆直径系数蜗杆直径系数蜗杆直径系数，已标准化。，已标准化。查查 表表查查 表表加工蜗轮一般用滚刀。滚刀的直径和齿形参数（如模数滚刀的直径和齿形参数（如模数m m、螺旋线数螺旋线数Z Z、导程角导程角等）等）必须与相应的蜗杆相同。必须与相应的蜗杆相同。若蜗杆分度圆直径若蜗杆分度圆直径d d1 1不作一些限制，则刀具品种和数量会很多。不作一些限制，则刀具品种和数量会很多。第12页/共36页返返 回回第13页/共36页4 4、导程角、导程角（又称又称螺旋线升角）螺旋线升角）5 5、中心距、中心距a atgtg=Z Z1 1mmd d1 1=Z Z1 1q qq q越小越小 越大越大传动效率越高传动效率越高 的值常为的值常为3.5273.527。蜗杆分度圆上的蜗杆分度圆上的蜗杆分度圆上的蜗杆分度圆上的导程角导程角导程角导程角应应应应等于等于等于等于蜗轮分度圆柱上的蜗轮分度圆柱上的蜗轮分度圆柱上的蜗轮分度圆柱上的螺旋角螺旋角螺旋角螺旋角，且旋向也须相同。，且旋向也须相同。，且旋向也须相同。，且旋向也须相同。a=d d1 1+d+d2 22 2=2 2m(q+Z)m(q+Z)第14页/共36页二、几何尺寸及计算二、几何尺寸及计算 下表中列出的只是一部分，下表中列出的只是一部分，详细尺寸计算公式见相关书籍详细尺寸计算公式见相关书籍和手册！和手册！第15页/共36页 8-3 8-3 蜗杆传动的失效形式与强度计算蜗杆传动的失效形式与强度计算一、失效形式一、失效形式一般蜗杆轮齿的强度高于蜗轮轮齿的强度。一般蜗杆轮齿的强度高于蜗轮轮齿的强度。故：失效常发生于蜗轮轮齿蜗轮轮齿上。主要失效形式有主要失效形式有主要失效形式有主要失效形式有胶合胶合点蚀点蚀磨损磨损蜗轮齿圈是锡青铜锡青铜制蜗轮损坏形式主要是疲劳 点蚀点蚀点蚀点蚀 。蜗轮齿圈是无锡青铜无锡青铜或铸铁铸铁制蜗轮损坏形式主要是 胶合胶合胶合胶合 。第16页/共36页二、计算准则二、计算准则 目前对胶合与磨损尚缺乏成熟的计算方法，常参照圆柱齿轮传动的计算方法，计算齿面接触疲劳强度齿面接触疲劳强度齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳强度齿面接触疲劳强度设计齿根弯曲疲劳强度校核对闭式闭式闭式闭式蜗杆传动常按对开式开式开式开式蜗杆传动载荷变化较大，或Z290时，常只按齿 根弯曲疲劳强度设计。载荷平稳时可不校核蜗杆传动摩擦严重，发热大，效率低，对闭式蜗杆传动还需作热平衡热平衡热平衡热平衡计算，以免发生胶合。第17页/共36页三、受力分析三、受力分析蜗杆传动的受力分析与斜齿轮相似蜗杆传动的受力分析与斜齿轮相似（常不考虑摩擦力的影响)。圆周力F Ft t径向力F Fr r轴向力F Fa aFt1=Fa2=2T1d1Fr1=Fr2=Ft2 tgFa1=Fr2=d22T2法法法法向向向向总总总总力力力力 可可可可分分分分解解解解为为为为F Fn n1指蜗杆。2指蜗轮。第18页/共36页蜗杆轴向力蜗杆轴向力F Fa1a1方向的确定：方向的确定：左旋蜗杆左旋蜗杆左手法则左手法则右旋蜗杆右旋蜗杆右手法则右手法则四指方向为旋向，四指方向为旋向，大拇指指向为轴向力方向。大拇指指向为轴向力方向。F Fa1a1的方向决定了蜗轮旋向。的方向决定了蜗轮旋向。蜗杆圆周力蜗杆圆周力F Ft1t1的方向与转向相反。的方向与转向相反。蜗杆径向力蜗杆径向力F Fr r的方向总指向轴心。的方向总指向轴心。第19页/共36页蜗蜗杆杆蜗蜗轮轮旋旋向向判判定定蜗蜗轮轮旋旋向向判判定定左旋用左手，右旋用右手蜗轮旋向与拇指指向相反反反反附附第20页/共36页图 11-2 蜗轮旋转方向的判定 第21页/共36页下列各蜗杆传动均以蜗杆为主动件，请标出蜗轮（或蜗杆）的转向，蜗轮轮齿的旋向下列各蜗杆传动均以蜗杆为主动件，请标出蜗轮（或蜗杆）的转向，蜗轮轮齿的旋向及蜗杆、蜗轮受力方向。及蜗杆、蜗轮受力方向。第22页/共36页四、齿面接触疲劳强度计算四、齿面接触疲劳强度计算与斜齿轮相似与斜齿轮相似 HH=Z ZE E Z Z KTKT2 2a a3 3 HH Z ZE E称弹性影响系数（称弹性影响系数（Mpa Mpa ）,青铜或铸铁蜗轮配钢制蜗杆时，ZE=160Z Z 接触系数接触系数a a中心距（中心距（mmmm）T T2 2蜗轮转矩（蜗轮转矩（N N mmmm）K K载荷系数载荷系数（常取11.4）HH 许用接触应力许用接触应力1 12 2查查 表表设计公式为：设计公式为：a a Z ZE E Z Z 3 3 HH KTKT2 2()2 2查查 图图查查 表表第23页/共36页五、齿根弯曲疲劳强度计算五、齿根弯曲疲劳强度计算 F F F F=1.531.53KTKT2 2YYFa2Fa2YY d d1 1 d d2 2 mmY YFa2Fa2蜗轮齿形系数蜗轮齿形系数Y Y 螺旋角影响系数螺旋角影响系数查查 图图Y Y=1-=1-140 蜗轮轮齿蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度的弯曲疲劳强度高于高于高于高于斜齿轮斜齿轮的弯曲疲劳强度。的弯曲疲劳强度。只在少数情况下只在少数情况下如强烈冲击、蜗轮为脆性材料或开式传动时如强烈冲击、蜗轮为脆性材料或开式传动时，才计算蜗轮轮，才计算蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度。齿的弯曲疲劳强度。蜗轮轮齿弯曲强度所限定的承载能力，大都蜗轮轮齿弯曲强度所限定的承载能力，大都蜗轮轮齿弯曲强度所限定的承载能力，大都蜗轮轮齿弯曲强度所限定的承载能力，大都超过超过超过超过了齿面点蚀和热平衡计算时所限了齿面点蚀和热平衡计算时所限了齿面点蚀和热平衡计算时所限了齿面点蚀和热平衡计算时所限定的承载能力。定的承载能力。定的承载能力。定的承载能力。第24页/共36页返返返返 回回回回第25页/共36页L L 3 3y y y y=F Ft1t12 2+F+Fr1r12 2 48EI 48EI一、刚度计算一、刚度计算 8-4 8-4 蜗杆刚度计算及热平衡计算蜗杆刚度计算及热平衡计算以齿根圆直径为基础，刚度条件为：以齿根圆直径为基础，刚度条件为：F Ft1t1蜗杆圆周力蜗杆圆周力F Fr1r1蜗杆径向力蜗杆径向力E E蜗杆弹性系数蜗杆弹性系数I I蜗杆惯性矩蜗杆惯性矩L L 蜗杆两端支承间的跨距，蜗杆两端支承间的跨距，（初算时取：L L 0.9d0.9d2 2）I=64df14蜗轮分度圆直径相对而言，蜗杆属于相对而言，蜗杆属于“细长杆细长杆”，易变形，故需校刚度。，易变形，故需校刚度。y y=d d1 110001000第26页/共36页二、热平衡计算二、热平衡计算蜗杆传动的效率低、发热量大，须及时散热，蜗杆传动的效率低、发热量大，须及时散热，否则易使齿面胶合及加剧磨损。否则易使齿面胶合及加剧磨损。闭式蜗杆传动须进行热平衡计算！闭式蜗杆传动须进行热平衡计算！设蜗杆输入功率为P（KW），效率为则：则：单位时间内产生的热流量为：单位时间内产生的热流量为：1=1000P(1-)自然冷却时经箱体壁散逸到空气中的热流量为：自然冷却时经箱体壁散逸到空气中的热流量为：2=dS(t0-ta)单位为W1（W）=1（J/s）空气的温度（常温为20）油温（6070，不超过80）散热面积（内可被油飞溅，外可为空气冷却）散热系数（常取817W/m2）箱体上散箱体上散热片的散热片的散热面积按热面积按50%50%计。计。第27页/共36页按热平衡条件，应有：按热平衡条件，应有：1=2即即：1000P(1-)=dS(t0-ta)故最终推得故最终推得：t0=ta+1000P(1-)dS油温（平衡时的工作温度）若超过此值，可采取如下措施：设置散热片（外面）设置散热片（外面）蜗杆轴端加风扇蜗杆轴端加风扇 在箱体油池内装蛇形冷却水管在箱体油池内装蛇形冷却水管 用循环油用循环油第28页/共36页第29页/共36页一、材料一、材料 8-5 8-5 蜗杆传动的材料和结构蜗杆传动的材料和结构1、要求高速重载 采用采用采用采用2020CrCr、20CrMnTi20CrMnTi（渗碳处理至渗碳处理至渗碳处理至渗碳处理至56625662HRCHRC）或或或或4040CrCr、4545（表面淬火到表面淬火到表面淬火到表面淬火到45554555HRCHRC）一般蜗杆 4545、4040等等等等（调质处理至（调质处理至（调质处理至（调质处理至200250200250HBSHBS）低速或人力传动 可不热处理，甚至可用铸铁。可不热处理，甚至可用铸铁。可不热处理，甚至可用铸铁。可不热处理，甚至可用铸铁。所以：所以：常用常用青铜青铜青铜青铜作蜗轮的齿圈，与淬硬磨削的作蜗轮的齿圈，与淬硬磨削的钢制钢制钢制钢制蜗杆相配。蜗杆相配。2、蜗杆材料 有足够的强度有足够的强度有足够的强度有足够的强度 良好的减摩耐磨性良好的减摩耐磨性良好的减摩耐磨性良好的减摩耐磨性 良好的抗胶合能力良好的抗胶合能力良好的抗胶合能力良好的抗胶合能力常为碳钢或合金钢常为碳钢或合金钢均应均应磨削磨削第30页/共36页3、蜗轮材料重要的高速蜗杆传动中 常用常用常用常用10-110-1锡青铜锡青铜锡青铜锡青铜（ZCuSn10P1ZCuSn10P1）V12m/s时 可用含可用含可用含可用含SnSn低的低的低的低的5-5-55-5-5锡青铜锡青铜锡青铜锡青铜（ZCuSn5Pb5Zn5ZCuSn5Pb5Zn5）V6m/s时 可用价廉的可用价廉的可用价廉的可用价廉的10-310-3铝青铜铝青铜铝青铜铝青铜（ZCuAl10Fe3ZCuAl10Fe3）或或或或ZCuAl9Fe4Ni4Mn2ZCuAl9Fe4Ni4Mn2。V2m/s时 可用球墨铸铁或灰铸铁。可用球墨铸铁或灰铸铁。可用球墨铸铁或灰铸铁。可用球墨铸铁或灰铸铁。强度足够，铸造强度足够，铸造性能好，耐冲击，性能好，耐冲击，但切削性能差，但切削性能差，抗胶合性不如锡抗胶合性不如锡青铜。青铜。有时还用有时还用有时还用有时还用尼龙做！尼龙做！尼龙做！尼龙做！抗胶合和耐抗胶合和耐磨性好，允磨性好，允许滑动速度许滑动速度V V可达可达2525m/sm/s，易切削加工，易切削加工，但贵。但贵。第31页/共36页二、结构二、结构1、蜗杆结构因直径小，常与轴制成整体，称为蜗杆轴。无退刀槽，齿部只能用铣削的方法。有退刀槽，齿部可车可铣，但该结构刚性稍差。第32页/共36页2、蜗轮结构整体式直径较小时用。直径较小时用。齿圈式可节省贵重材料，用于尺寸不大，温度变化小的场合。可节省贵重材料，用于尺寸不大，温度变化小的场合。螺栓联接式用普通螺栓或铰制孔螺栓联接齿圈与轮芯，装拆方便，用普通螺栓或铰制孔螺栓联接齿圈与轮芯，装拆方便，用于尺寸较大和容易磨损处。用于尺寸较大和容易磨损处。镶铸式青铜铸在轮芯上，铸铁轮芯上制出青铜铸在轮芯上，铸铁轮芯上制出榫槽榫槽榫槽榫槽，以防滑动。，以防滑动。轮芯为铸铁或铸钢，配合为轮芯为铸铁或铸钢，配合为H7/r6，并用螺钉并用螺钉46个，直径个，直径 为为(1.21.5)m加固。加固。骑缝螺钉稍向硬材料一侧偏骑缝螺钉稍向硬材料一侧偏23mm。第33页/共36页齿圈式整体式第34页/共36页镶铸式螺栓连接式第35页/共36页感谢您的观看。第36页/共36页