第8章蜗杆传动优秀课件.ppt

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1、第8章蜗杆传动第1页，本讲稿共40页 蜗杆传动主要由蜗杆和蜗轮组成，蜗杆传动用于传递空间交错成90的两轴之间的运动和动力，通常蜗杆为主动件。与其他机械传动比较，蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、运转平稳、噪声较小等优点，因此广泛应用于各种机器和仪器中。蜗轮蜗杆第2页，本讲稿共40页机械中常用的为普通圆柱蜗杆传动。本章主要讨论这机械中常用的为普通圆柱蜗杆传动。本章主要讨论这种蜗杆传动。种蜗杆传动。蜗杆传动有：蜗杆传动有：环面蜗杆传动、锥蜗杆传动、圆环面蜗杆传动、锥蜗杆传动、圆弧圆柱蜗杆传动弧圆柱蜗杆传动等。等。根据蜗杆螺旋面的形状，可分为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆及延伸渐开线蜗杆等三种。由于阿基米德

2、蜗杆容易加工制造，应用最广，其他蜗杆还有：锥面包络圆柱蜗杆、法向直廓蜗杆等。第3页，本讲稿共40页如图所示，通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面，称为中间平面。8.1 蜗杆传动的正确啮合条件中间平面第4页，本讲稿共40页 中间平面内阿基米德蜗杆具有渐开线齿条齿廓，侧边夹角为2，蜗轮齿廓也是渐开线。所以在中间平面内蜗轮与蜗杆的啮合传动相当于渐开线齿条与齿轮啮合传动。因此蜗杆传动的几何尺寸计算与齿条齿轮传动相似。2第5页，本讲稿共40页（1）在中间平面内，蜗杆的轴向模数 ma1 与蜗轮的端面模数 mt2 必须相等。（2）蜗杆的轴向压力角 a1 与蜗轮的端面压力角 t2 必须相等。（3）两轴线交错角为

3、90时，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，且两者的旋向相同。从而可得蜗杆传动的正确啮合条件为：第6页，本讲稿共40页 为了方便加工，规定蜗杆的轴向模数 ma1 为标准模数。蜗轮的端面模数 mt2 等于蜗杆的轴向模数，因此蜗轮端面模数也应为标准模数。标准模数系列见表8-1。压力角标准值为 20。8.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算8.2.1 模数m和压力角第7页，本讲稿共40页表8-1 圆柱蜗杆的基本尺寸和参数125010.0001、2、4、650564010.0001、2、4、640435211.2701、2、4、635.53.1517511.2001、2、4、6

4、282.589.611.2001、2、4、622.4251.212.5001、2、4201.631.2516.0001201.251818.0001181m2d1mm3qz1d1mmmmm第8页，本讲稿共40页注：本表取材于GB 10085-1988，本表所得的 d1 数值为国际规定的优先使用值。1250008.0001、2、420025640008.0001、2、416020358408.7501、2、414016175008.9601、2、411212.590009.0001、2、4、69010512010.0001、2、4、6808250010.0001、2、4、63636.3m2d1m

5、m3qz1d1mmmmm第9页，本讲稿共40页 选择蜗杆头数 z1 时，主要考虑传动比、效率及加工等因素。通常蜗杆头数 z1=1、2、4。若要得到大的传动比且要求自锁时，可取 z1=1；当传递功率较大时，为提高传动效率，可采用多头蜗杆，通常取 z1=2 或 4。8.2.2 蜗杆头数 z1、蜗轮齿数 z2 和传动比 i 蜗轮齿数 z2=i z1，为了避免蜗轮轮齿发生根切，z2不应小于26，但不宜大于 80。因为 z2 过大，会使结构尺寸增大，蜗杆长度也随之增加，致使蜗杆刚度降低而影响啮合精度。对于蜗杆为主动件的蜗杆传动，其传动比为：注意：蜗杆传动比注意：蜗杆传动比注意：蜗杆传动比注意：蜗杆传动比

6、i i不等于不等于不等于不等于d d2 2/d d1 1第10页，本讲稿共40页8.2.3 蜗杆直径系数 q 和导程角 加工蜗轮的滚刀，其参数（m、z1）和分度圆直径 d1 必须与相应的蜗杆相同，故 d1 不同的蜗杆，必须采用不同的滚刀。为减少滚刀数量并便于刀具的标准化，制定了蜗杆分度圆直径的标准系列（见表8-1）。第11页，本讲稿共40页dd1 11 1d11 11 1z1papa 如图所示，蜗杆螺旋面和分度圆柱的交线是螺旋线，为蜗杆分度圆柱上的螺旋线导程角，pa 为轴向齿距，由图可得第12页，本讲稿共40页当 m 一定时，q 增大，则 d1 变大，蜗杆的刚度和强度相应提高。又因，当 q 较

7、小时，增大，效率 随之提高，因此在蜗杆轴刚度允许的情况下，应尽可能选用较小的 q 值，q 和 m 的搭配列于 表8-1。上式中，称为蜗杆直径系数，表示蜗杆分度圆直径与模数的比。第13页，本讲稿共40页8.2.4 圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算 圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算可参考表8-2和下图。2中间平面第14页，本讲稿共40页表8-2 圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算pa1=pt2=m蜗蜗杆杆轴轴向向齿齿距，距，蜗轮蜗轮端端面面齿齿距距a=0.5m(q+z2)中心距中心距c=0.2m径向径向间间隙隙df2=m(z2-2.4)df1=m(q-2.4)根根圆圆直径直径da1=m(z2+2)da1=m(q+2)

8、顶圆顶圆直径直径hf=1.2mhf=1.2m齿齿根高根高ha=mha=m齿顶齿顶高高d2=mz2d1=mq分度分度圆圆直径直径蜗轮蜗轮蜗蜗杆杆计计算公式算公式名称名称第15页，本讲稿共40页 如图所示，蜗杆传动即使在节点C处啮合，齿廓之间也有较大的相对滑动。设蜗杆的圆周速度为 v1，蜗轮的圆周速度为 v2，v1和v2 呈90角，而使齿廓之间产生很大的相对滑动，相对滑动速度 vs 为 8.2.5 蜗杆传动的滑动速度 由图可见，相对滑动速度 vs 沿蜗杆螺旋线方向。齿廓之间的相对滑动引起磨损和发热，导致传动效率降低。2 22 2vSv1v21 1第16页，本讲稿共40页 由于蜗杆传动的相对滑动速度

9、大，因摩擦引起的由于蜗杆传动的相对滑动速度大，因摩擦引起的发热量大、效率低，故主要失效形式为胶合，其次才是发热量大、效率低，故主要失效形式为胶合，其次才是点蚀和磨损。目前对于胶合和磨损，还没有完善的计算点蚀和磨损。目前对于胶合和磨损，还没有完善的计算方法，故只能参照圆柱齿轮进行齿面及齿根强度的计算，方法，故只能参照圆柱齿轮进行齿面及齿根强度的计算，而在选择许用应力时，适当考虑胶合与磨损失效的影响。而在选择许用应力时，适当考虑胶合与磨损失效的影响。由于蜗杆传动轮齿间有较大的滑动，工作时发热大，若由于蜗杆传动轮齿间有较大的滑动，工作时发热大，若闭式蜗杆传动散热不够，可能引起润滑失效而导致齿面闭式蜗

10、杆传动散热不够，可能引起润滑失效而导致齿面胶合，故对闭式蜗杆传动还要进行热平衡计算。胶合，故对闭式蜗杆传动还要进行热平衡计算。8.3 蜗杆传动强度计算8.3.1 蜗杆传动的主要失效形式第17页，本讲稿共40页蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似。齿面上的法向力Fn 可分解为三个相互垂直的分力：圆周力 Ft，径向力 Fr 和轴向力 Fa，如图所示。由于蜗杆轴与蜗轮轴交错成 90角，所以蜗杆圆周力 Ft1 等于蜗轮轴向力Fa2，蜗杆轴向力 Fa1等于蜗轮圆周力 Ft2，蜗杆径向力Fr1等于蜗轮径向力 Fr2，即8.3.2 蜗杆传动的受力分析和计算载荷Ft2Fr2Fa2Ft1Fr1Fa122第18页

11、，本讲稿共40页式中：式中：T1、T2分别为作用于蜗杆和蜗轮上的转矩，分别为作用于蜗杆和蜗轮上的转矩，Nm，T2=T1i ，为蜗杆传动效率；为蜗杆传动效率；d1、d2分别为蜗杆和蜗分别为蜗杆和蜗轮的节圆直径，轮的节圆直径，mm。作用力大小为：Ftan221trrFF=-=F22212atdTF=-=FT21121atdF=-=第19页，本讲稿共40页蜗蜗杆杆和和蜗蜗轮轮轮轮齿齿上上的的作作用用力力（圆圆周周力力、径径向向力力、轴轴向向力力）方向的决定方法，与斜齿圆柱齿轮相同。方向的决定方法，与斜齿圆柱齿轮相同。与齿轮传动相似，在进行蜗杆传动强度计算时也应考虑载荷系数K，则计算载荷 Fnc 为

12、Fnc=K Fn一般取一般取 K=11.4，当载荷平稳，滑动速度，当载荷平稳，滑动速度 vs3m/s时时取小值，否则取大值。取小值，否则取大值。第20页，本讲稿共40页蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，以蜗杆蜗轮在节点处啮合的相应参数代入赫芝公式，可得青铜或铸铁蜗轮轮齿齿面接触强度的校核公式：8.3.3 圆柱蜗杆传动的强度计算8.3.3.1 蜗轮齿面的接触强度计算而设计公式为式中：H、H 分别为蜗轮材料的许用接触应力和齿面接触应力。H 值见 表8-3和 表8-4。（MPa）（mm3）第21页，本讲稿共40页 由蜗轮轮齿接触强度和热平衡计算所限定的承载能力，通常都能满足弯曲强度的要求，因此只有

13、对于受强烈冲击、振动的传动，或蜗轮采用脆性材料时，才需要考虑蜗轮轮齿的弯曲强度。其计算公式可参阅有关书籍。8.3.3.2 蜗轮轮齿弯曲强度计算第22页，本讲稿共40页 选用蜗杆传动材料时不仅要满足强度要求，更重要的是具有良好的减摩性、抗磨性和抗胶合的能力。蜗杆一般用碳素钢或合金钢制造。对于高速重载的蜗杆，可用 15Cr，20Cr，20CrMnTi 和 20MnVB 等，经渗碳淬火至硬度为5663HRC，也可用40、45、40Cr、40CrNi等经表面淬火至硬度为 4550HRC。8.4 蜗杆传动的材料和结构8.4.1 蜗杆传动的材料 对于不太重要的传动及低速中载蜗杆，常用45、40 等钢经调质

14、或正火处理，硬度为 220230HBS。第23页，本讲稿共40页蜗蜗轮轮常常用用锡锡青青铜铜、无无锡锡青青铜铜或或铸铸铁铁制制造造。锡锡青青铜铜用用于于滑滑动动速速度度vs3m/s的的传传动动，常常用用牌牌号号有有ZQSn10-1和和ZQSn6-6-3；无无锡锡青青铜铜一一般般用用于于vs4m/s的的传传动动，常常用用牌牌号号为为ZQAl8-4；铸铸铁铁用用于于滑滑动动速速度度vs2m/s的的传传动动，常常用用牌牌号号有有HT150和和HT200等等。近近年年来来，随随着着塑塑料料工工业的发展，也可用尼龙或增强尼龙来制造蜗轮。业的发展，也可用尼龙或增强尼龙来制造蜗轮。第24页，本讲稿共40页蜗

15、杆通常与轴做成一体，除螺旋部分的结构尺寸蜗杆通常与轴做成一体，除螺旋部分的结构尺寸取决于蜗杆的几何尺寸外，其余的结构尺寸可参考轴的取决于蜗杆的几何尺寸外，其余的结构尺寸可参考轴的结构尺寸而定。图结构尺寸而定。图a为铣制蜗杆，在轴上直接铣出螺旋为铣制蜗杆，在轴上直接铣出螺旋部分，刚性较好。图部分，刚性较好。图b为车制蜗杆，刚性稍差。为车制蜗杆，刚性稍差。8.4.2 蜗杆和蜗轮的结构图（a）图（b）第25页，本讲稿共40页蜗轮的结构有整体式和组合式两类。图8-7a 所示为整体式结构，多用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮。de2B图8-7a整体式第26页，本讲稿共40页 为了节省有色金属，对于尺寸较大

16、的青铜蜗轮一般制成组合式结构，为防止齿圈和轮心因发热而松动，常在接缝处再拧入 46个螺钉，以增强联接的可靠性（图8-7b），或采用螺栓联接（图8-7c），也可在铸铁轮心上浇注青铜齿圈（图8-7d）。组合式过盈配合de2de2de2BBBccc组合式螺栓联接组合式铸造骑缝螺钉骑缝螺钉48个，孔心向硬边偏移个，孔心向硬边偏移=23mm图8-7b图8-7c图8-7d第27页，本讲稿共40页闭式蜗杆传动工作时，功率的损耗有三部分：轮齿啮合损耗、轴承摩擦损耗和箱体内润滑油搅动的损耗。所以闭式蜗杆传动的总效率为：=1 2 3 （8-8）式中：1 为轮齿啮合效率；2 为轴承摩擦损耗效率；3 为搅油损耗效率。

17、8.5 蜗杆传动的效率、润滑和散热8.5.1蜗杆传动的效率蜗杆传动的效率第28页，本讲稿共40页上上述述三三部部分分效效率率中中，最最主主要要的的是是轮轮齿齿啮啮合合效效率率 1，蜗蜗杆主动时，杆主动时，1可近似按螺旋副的效率计算，即可近似按螺旋副的效率计算，即式中，为当量摩擦角，,为当量摩擦系数（8-9）第29页，本讲稿共40页 由式（由式（8-9）可知，）可知，1随随v v 的减小而增大，而的减小而增大，而 v v 与蜗杆蜗轮的材料、表面质量、润滑油的种类、啮合角与蜗杆蜗轮的材料、表面质量、润滑油的种类、啮合角以及齿面相对滑动速度以及齿面相对滑动速度 vs 有关，并随有关，并随 vs的增大

18、而减小。的增大而减小。在一定范围内在一定范围内 1随随 增大而增大，故动力传动常用多增大而增大，故动力传动常用多头蜗杆以增大头蜗杆以增大 ，但，但 过大时，蜗杆制造困难，效率过大时，蜗杆制造困难，效率提高很少，故通常取提高很少，故通常取 30。第30页，本讲稿共40页由由于于蜗蜗杆杆传传动动的的相相对对滑滑动动速速度度vs大大，效效率率低低，发发热热量量大大，因因此此必必须须注注意意蜗蜗杆杆传传动动的的润润滑滑；否否则则会会进进一一步步导导致致效效率率显显著著降降低低，并并会会带带来来剧剧烈烈的的磨磨损损，甚甚至至产产生生胶胶合合。蜗杆传动的润滑方法和润滑油粘度可参考表蜗杆传动的润滑方法和润滑

19、油粘度可参考表8-5。8.5.2 蜗杆传动的润滑第31页，本讲稿共40页0.30.20.7用用压压力力喷喷油油润润滑滑油池油池润润滑滑或或喷喷油油润润滑滑油池油池润润滑滑润润滑方式滑方式80100150220350500900运运动动粘度粘度r40/mm2s1中中载载重重载载重重载载工作条件工作条件251525101551052.51滑滑动动速度速度vs（m/s）表8-5 蜗杆传动润滑油粘度及润滑方法第32页，本讲稿共40页由于蜗杆传动的效率较低，工作时将产生大量的热。若散热不良，会引起温升过高而降低油的粘度，使润滑不良，导致蜗轮齿面磨损和胶合。所以对连续工作的闭式蜗杆传动要进行热平衡计算。8

20、.5.3蜗杆传动的热平衡计算蜗杆传动的热平衡计算在在闭闭式式传传动动中中，热热量量由由箱箱体体散散逸逸，要要求求箱箱体体内内的的油温油温t 和周围空气温度和周围空气温度t0之差之差t 不超过允许值，即不超过允许值，即第33页，本讲稿共40页 若计算的温差超过允许值，可采取以下措施来改善散热条件：1）在箱体上加散热片以增大散热面积；2）在蜗杆轴上装风扇进行吹风冷却3）在箱体油池内装设蛇形水管，用循环水冷却（图8-8b）；4）用循环油冷却（图8-8c）。第34页，本讲稿共40页油泵冷却器冷却水风扇abc第35页，本讲稿共40页例8-1 已知一传递动力的蜗杆传动，蜗杆为主动件，它所传递的功率P=3k

21、W，转速n1=960 r/min，n2=70 r/min，载荷平稳，试设计此蜗杆传动。解：由于蜗杆传动的强度计算是针对蜗轮进行的，而且对载荷平稳的传动，蜗轮轮齿接触强度和热平衡计算所限定的承载能力，通常都能满足弯曲强度的要求，因此，只需进行接触强度和热平衡计算。（1）选材料，确定许用接触应力H，蜗杆用45钢，表面淬火4550HRC；蜗轮用ZCuSn10P1（10-1锡青铜）砂型铸造。由表8-3查得H=200。1蜗轮轮齿齿面接触强度计算 第36页，本讲稿共40页（4）确定载荷系数K，因载荷平稳，速度较低，取K=1.1，由式（8-7）得=3087.6 mm3由表8-1，取m=8，d1=80mm。第

22、37页，本讲稿共40页（5）计算主要几何尺寸蜗杆分度圆直径 d1=80 mm蜗轮分度圆直径蜗轮分度圆直径d2=m z2=827=216mm中心距中心距 a=(d1+d2)=0.5(80+216)=148mm第38页，本讲稿共40页2热平衡计算（1）取）取 s=15W/（m2）；）；（2）取散热面积）取散热面积A1.1m2；（3）效率）效率 =0.8。由式 （8-10）得第39页，本讲稿共40页故满足热平衡要求。故满足热平衡要求。3其他几何尺寸计算（略）其他几何尺寸计算（略）4绘制蜗杆和蜗轮零件工作图（略）绘制蜗杆和蜗轮零件工作图（略）t=t-t0=36.36 t t =6070第40页，本讲稿共40页