蜗杆传动机械设计.pptx

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1、蜗杆传动 概述 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形成：若单个斜齿轮的齿数很少（如z1=1）而且1很大时，轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋。11所得齿轮称为:蜗杆。而啮合件称为:蜗轮。蜗杆22蜗轮第1页/共56页改进措施：将刀具做成蜗杆状，用范成法切制蜗轮，所得蜗轮蜗杆为线接触。点接触优点：传动比大、结构紧凑、传动平稳、噪声小。分度机构：i=1000,通常i=880缺点：传动效率低、蜗轮齿圈用青铜制造，成本高。线接触第2页/共56页类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆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 环面蜗杆锥蜗杆 锥蜗

2、杆传动中，蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋形成的，而蜗轮在外观上就像一个曲线锥齿轮，它是用与锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机加工而成的。第3页/共56页类型环面蜗杆传动 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 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。普通圆柱蜗杆第4页/共56页类型环面蜗杆传动 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 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

3、高，一般可达90%以上；2）承载能力高，约为普通圆柱蜗杆的1.52.5倍；3）结构紧凑。第5页/共56页类型环面蜗杆传动 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 阿基米德螺线2阿基米德蜗杆单刀加工阿基米德蜗杆(ZA)第6页/共56页类型环面蜗杆传动 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 阿基米德蜗杆(ZA)阿基米德蜗杆双刀加工阿基米德螺线第7页/共56页类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-

4、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)渐开线蜗杆渐开线基圆第8页/共56页类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2 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 dx延伸渐开线车刀对中齿厚中心法面法向直廓蜗杆(ZN)第9页/共56页类型环面蜗杆传动 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 法向直廓蜗杆(ZN)dx延伸渐开线

5、2车刀对中齿槽中心法面第10页/共56页类型环面蜗杆传动 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 锥面包络圆柱蜗杆(ZK)2近似于阿基米德螺线是一种非线性螺旋齿面蜗杆。不能在车床上加工，只能铣削或磨削，加工时工件作螺旋运动，刀具作旋转运动。砂轮第11页/共56页类型环面蜗杆传动 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 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

6、基米德蜗杆的24倍；3）要求制造和安装精度高。环面蜗杆第12页/共56页类型环面蜗杆传动 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 锥蜗杆传动特点：锥蜗杆1）同时接触的点数较多，重合度大；2）传动比范围大，一般为10360；3）承载能力和传动效率高；4）可节约有色金属；阿基米德蜗杆最常用5）侧隙便于控制和调整；6）能做离合器使用；7）制造安装简便，工艺性好。第13页/共56页二、蜗杆传动类型选择的原则1、重载、高速、要求效率高、精度高的重要传动，可选用圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）传动或包络环面蜗杆传

7、动。2、传动效率高、蜗杆不磨削的大功率传动，可选用环面蜗杆。3、高速、要求精密、蜗杆头数多的传动，且要求加工工艺简单，可选用渐开线圆柱蜗杆(ZI蜗杆）或法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）传动。4、载荷较小、速度较低、精度要求不高或不太重要的传动，要求蜗杆加工简单时，可选用阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆）传动。5、要求自锁的低速、轻载的传动，可选用单头阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆）传动。根据各种蜗杆传动的特点，考虑传动的要求和使用条件，从满足功能要求出发，合理选择蜗杆的类型。第14页/共56页中间平面1.正确啮合条件中间平面：过蜗杆轴线垂直于蜗轮轴线。正确啮合条件是中间平面内参数分别相等：mt2=ma1=m，t

8、2=a1=取标准值在中间平面内，蜗轮蜗杆相当于齿轮齿条啮合。一、圆柱蜗杆传动的主要参数211-2 普通蜗杆传动的主要参数与几何尺寸计算第15页/共56页ZA蜗杆：a=20轴向模数m取标准值，与齿轮模数系列不同。第一系列1,1.25,1.6,2,2.5,3.15,4,5,6.3 8 10,12.5,16,20,25,31.5,40第二系列1.5,3,3.5,4.5,5.5 6,7,12,14蜗杆模数m值 GB10088-882.模数m和压力角 压力角ZN蜗杆：n=20法向ZI蜗杆：n=20ZK蜗杆：n=20轴向压力角与法向压力角之间的关系：推导过程见机械原理斜齿条 tana=tann /cos第

9、16页/共56页为了减少加工蜗轮滚刀的数量，规定d1只能取标准值。蜗轮蜗杆轮齿旋向相同.若 90 121 1+1 90蜗轮右旋蜗杆右旋1+2定义s=e的圆柱称为蜗杆的分度圆柱。d1e sd23.蜗杆的分度圆直径d111tt2第17页/共56页表111 蜗杆分度圆直径与其模数的匹配标准系列 mmm11.251.62d1182022.42028(18)22.4(28)35.5m2.53.154d1(22.4)28(35.5)45(28)35.5(45)56(31.5)m456.3d140(50)71(40)50(63)90(50)63m6.3810d1(80)112(63)80(100)140(7

10、1)90摘自GB10085-88,括号中的数字尽可能不采用称比值 为蜗杆的特性系数。q=d1/m一般取:q=818 20 q=12.5 28 q=17.51.6第18页/共56页4.蜗杆头数z1蜗杆头数z1：即螺旋线的数目，可根据传动比和效率来选定。Z1少，导程角小，效率低，但可自锁。Z1多，大，效率高，但加工困难通常取：z1=1 2 4 65.蜗杆的导程角将分度圆柱展开得：=z1 pa1/d1=mz1/d1 tan1=l/d1 d1lpa11d1=z1/q 11第19页/共56页6.传动比 i 和齿数比 u传动比 :z1z2 =-n2n1i=-若想得到大 i,可取：z1=1，但传动效率低。对

11、于大功率传动,可取：z1=2，或 4。蜗轮齿数：z2=i z1 为避免根切和保证重合度：z2 28 一般情况：z2 80 z2过大 蜗杆长度 刚度、啮合精度 结构尺寸=u-齿数比 7.蜗轮齿数z2表11-2 蜗杆头数z1与蜗轮齿数z2的推荐值传动比i 5 715 1430 2982 蜗杆头数z1 6 4 2 1 蜗轮齿数z2 2931 2961 2961 2982 a=(d1+d2)/28.蜗杆传动的标准中心距=m(q+z2)/2第20页/共56页二、圆柱蜗杆传动几何尺寸的计算由蜗杆传动的功用，以及给定的传动比 i,z1 z2 计算求得 m、d1 计算几何尺寸表 11-3 普通圆柱蜗杆传动的几

12、何尺寸计算名 称计 算 公 式蜗杆中圆直径，蜗轮分度圆直径齿顶高齿根高顶圆直径根圆直径蜗杆轴向齿距、蜗轮端面齿距径向间隙中心距蜗 杆蜗 轮d1=mq d2=mz2 ha=m ha=m hf1=1.2m hf2=1.2mda1=m(q+2)da2=m(z2+2)df1=m(q-2.4)df2=m(z2-2.4)pa1=pt2=px=mc=0.2 ma=0.5(d1+d2)m=0.5m(q+z2)第21页/共56页一、蜗杆传动的失效形式、设计准则及材料齿面胶合、点蚀、磨损、轮齿折断。11-4 普通蜗杆传动的承载能力计算蜗杆传动的特点是齿面相对滑动速度大，导致发热严重和磨损加剧。失效特点：发生在蜗轮

13、齿上2、设计准则：闭式传动按接触强度设计，验算弯曲强度和热平衡条件；开式传动按弯曲强度设计必要时验算蜗杆刚度1、主要失效形式：第22页/共56页3、材料蜗轮齿圈采用青铜：减摩、耐磨性、抗胶合。蜗杆采用碳素钢与合金钢：表面光洁、硬度高。材料牌号选择：高速重载蜗杆：15Cr,20Cr(渗碳淬火5662HRC)或 40Cr、40、45(表面淬火4555HRC经氮化处理后硬度为5662HRC)一般蜗杆：40 45 钢调质处理(硬度为220300HBS)蜗轮材料：vS 3 m/s时铸造锡青铜 （ZCuSn10P1 ZCuSn5Pb5Zn5）vS 4 m/s时 ZCuAl10Fe3铝铁青铜。vS 2 m/

14、s时球墨铸铁、灰铸铁。第23页/共56页二、圆柱蜗杆传动的受力分析第24页/共56页Ft2Fr2Fa2Ft1Fr1Fa12法向力可分解为三个分力：圆周力：Ft轴向力：Fa径向力：Fr且有如下关系：Ft1=Fa2 Fr1=Fr2 Fa1=Ft2=2T1/d1=2T2/d2=Ft2 tan式中：T1、T1分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩。T2=T1 i 2第25页/共56页1112p12p右旋蜗杆：伸出右手，四指顺蜗杆转向，则蜗轮的 切向速 度v2的方向与拇指指向相反。用手势确定蜗轮的转向：左旋蜗杆：用左手判断，方法一样。22v2v2蜗轮的转向因蜗轮蜗杆相当于螺旋副的运动，有一种实用且简便的转向判别

15、方法：ar1r2第26页/共56页蜗杆传动受力方向的判定 12pFa1Ft2Fr1Fr222)蜗轮圆周力指向与其转动方向一致，且 Ft2=-Fa1；4)蜗轮蜗杆所受径向力垂直于各自的轴线，且 Fr1=-Fr2；3)蜗杆圆周力指向与其转动方向相反，且 Ft1=-Fa2；1)蜗杆所受扭矩T1与转动方向1一致；T1T111Ft1Ft1Fa2Fa2第27页/共56页三、圆柱蜗杆传动的强度计算齿面接触强度校核公式：蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，仍以赫兹公式为基础。以蜗轮蜗杆的节点处啮合相应参数代入即可。赫兹公式:1）接触强度 第28页/共56页按齿面接触强度条件设计计算的公式：使用系数KA工作类型

16、 I II III 载荷性质 均匀、无冲击 不均匀、小冲击 不均匀、大冲击 每小时启动次数 50 起动载荷 小 较 大 大 KA 1 1.15 1.2 第29页/共56页动载系数Kv，当V2 3 m/s,Kv=11.1 当V23 m/s,Kv=1.11.2 齿向载荷分布系数K，当载荷平稳时,取K=1 当载荷变化时,取K=1.31.6 H-蜗轮材料为灰铸铁或高强度青铜B300MPa时，许用接触应力按下表选取。蜗轮材料为锡青铜B300MPa时，H=H KHN第30页/共56页第31页/共56页2）蜗轮齿根弯曲强度 计算 通常把蜗轮近似地当做斜齿圆柱齿轮来考虑，仿式（10-16）得蜗轮齿根的弯曲应力

17、为将各参数代入上式得第32页/共56页校核计算：设计公式：F-许用弯曲应力；F=FKFN，YFa2-为蜗轮齿形系数，按当量齿数以及蜗轮 变位系数选取,详见下页线图。基本许用弯曲应力（表11-8）第33页/共56页蜗轮基本许用弯曲应力F MPa蜗轮材料 铸造方法 铸锡青铜 砂铸模型 40 29ZCuSn10P1 金属模铸造 56 40铸锡锌青铜 砂铸模型 26 22ZCuSn5Pb5Zn5 金属模铸造 32 26铸铝铁青铜 砂铸模型 80 57ZCuAl10Fe3 金属模铸造 90 64HT150 砂铸模型 40 28HT200 砂模铸造 48 34灰铸铁单侧工作 双侧工作0F -1F第34页/

18、共56页3.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.73.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.710 11 12 13 14 15 16 18 20 25 30 40 50 80 100 400 Zv 蜗轮的齿形系数YFa2x2=-0.5-0.3-0.20.30.20.10.40.50.70.80.90.6-0.3-0.4x=1x2=0理论根切极限齿顶变尖极限第35页/共56页四、蜗杆的刚度计算刚度条件：国标GB10089-88给齿

19、轮副规定了12个精度等级。其中1级最高，12级最低，各项分成三个公差组。常用的为69级精度。五、普通圆柱蜗杆传动的精度等级及其选择蜗杆危险截面的惯性矩y许用最大挠度，y=d1/1000,d1为蜗杆的分度圆直径L蜗杆两端支承间的跨距，初步计算时可取0.9d2,d2为蜗轮的分度圆直径。第36页/共56页 蜗杆传动的主要失效出现在蜗轮的齿面上。分为胶合、点蚀、磨损三种情况。蜗轮蜗杆材料的选择，主要是蜗轮材料的选择，分三类情况来讲：一、蜗轮可用锡青铜来做，因为锡有抗胶合的能力，滑动速度可以比较高，由于材料本身抗胶合的能力高，滑动速度高，主要的失效形式是点蚀，进行接触强度计算的话与齿轮的接触强度计算一样

20、与循环次数有关。第二种情况用铝铁青铜，比锡青铜表面的硬度高，最可能出现的失效形式是胶合。第三种情况用灰铸铁，抗胶合的能力更差，允许的滑动速度更低。第37页/共56页一、蜗杆传动的效率功率损耗：啮合摩擦损耗、轴承摩擦损耗、溅油损耗。总效率计算公式为：式中:为蜗杆导程角;11-5 普通圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算v称为当量摩擦角，v=arctan f v,可根据滑动速度选取。第38页/共56页效率与蜗杆头数的大致关系为：蜗杆头数Z1 总 效 率 0.70 0.80 0.90 0.95 效率提高Z1过多，蜗杆加工困难；减小d1蜗杆刚度减小。(1)大,效率高(2)v小,效率高当润滑条件好时，滑

21、动速度vs越高，v值越小，效率越高，反之，出现胶合。第39页/共56页3.00 0.028 136 0.035 2 0.045 235 4.00 0.024 122 0.031 147 0.04 217 5.00 0.022 116 0.029 140 0.035 2 8.00 0.018 102 0.026 129 0.03 143 10.0 0.016 055 0.024 122 15.0 0.014 048 0.020 109 24.0 0.013 045当量摩擦系数和当量摩擦角 蜗轮材料 锡青铜 无锡青铜 灰铸铁 蜗杆齿面硬度 HRC45 其他情况 HRC45 HRC45 其他 滑动速

22、度 fv v fv v fv v fv v fv v 0.01 0.11 6 17 0.12 651 0.18 1012 0.18 1012 0.19 10450.10 0.08 4 34 0.09 543 0.13 724 0.14 758 0.16 9050.50 0.055 309 0.065 343 0.09 509 0.09 509 0.1 5431.00 0.045 235 0.055 309 0.07 4 0.07 4 0.09 5092.00 0.035 2 0.045 235 0.055 309 0.07 4vs m/s第40页/共56页二、蜗杆传动的润滑若润滑不良，效率显著

23、降低早期胶合或磨损润滑对蜗杆传动而言，至关重要。润滑油：220 320 460 680 198242 288352 414 506 CKE轻负荷蜗轮蜗杆油粘度指数 不小于 90 运动粘度 v/cSt（40）闪点(开口)/不低于 180 180倾点 不高于 -6注：其余指标可参考 SH/T0094-1991表11-20 蜗杆传动常用的润滑油 第41页/共56页01 02.5 05 510 1015 1525 25 载荷类型 重 重 中 （不限）（不限）（不限）（不限）900 500 350 220 150 100 80 运动粘度 v/cSt（40）蜗杆传动的相对滑动速度vs/(m/s)给油方法

24、油池润滑 喷油润滑或 油池润滑 喷油压力 MPa 0.7 2 3 表11-21 蜗杆传动的润滑油粘度荐用值及给油方法当vs 510 m/s时，采用油池浸油润滑。为了减少搅油损失，下置式蜗杆不宜浸油过深，约为一个齿高。当vs 1015 m/s时，采用压力喷油润滑。当vs 5 m/s时，采用蜗杆在上的结构,浸油深度约为蜗轮外径的1/3。ra/3 一个齿高第42页/共56页三、蜗杆传动的热平衡计算由于蜗杆传动效率低，发热量大，若不及时散热，会引起箱体内，油温升高，润滑失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合。因此，对连续工作的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算由热平衡条件：1=2,得：t0=ta+d S10

25、00P(1-)其中：P-蜗杆传递的功率；d-表面散热系数；一般取：d=8.1517.45 W/(m2 .)S-散热面积,m2,指箱体外壁与空气接触而内壁被油飞溅到的箱壳面积。对于箱体上的散热片，其散热面积按50%计算。摩擦损耗产生的热量:1=1000P1(1-)箱壁散发的热量:2=d S(t0-ta)-蜗杆传递的效率；t0-工作油温，一般取：6070 ta-工作环境温度，一般取：20 保持工作温度所需散热面积：S=m2d(t0-ta)1000P(1-)第43页/共56页 当工作油温：t0 80 或散热面积不足时，应采取散热措施：1）增加散热面积-加散热片；2）提高表面传热系数-加风扇、冷却水管

26、、循环油冷却。油泵冷却器冷却水第44页/共56页蜗杆的结构:通常与轴制成一体z1=1或2时：b1(11+0.06z2)mz1=4时:b1(12.5+0.09z2)mb1 蜗杆轴蜗杆长度b1的确定：11-6 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)有退刀槽：加工螺旋部分时可以车削也可以铣制。第45页/共56页蜗轮齿宽角 90130 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 蜗杆头数Z11 2 4蜗轮的常用结构：整体式组合式过盈配合de2de2de2de2BB

27、BBccc组合式螺栓联接组合式铸造骑缝螺钉48个，孔心向硬边偏移=23mm第46页/共56页作业：11-1,2,3,4,5,14，15,23，28,29第47页/共56页III3421n1第48页/共56页III3421n1n3Ft4Fa2Fa1Fa3Ft1Fr1Fr2Ft2Ft3Fr3Fr4Fa4第49页/共56页习题：第十一章 蜗轮蜗杆传动一、选择题1、当两轴线 时，可采用蜗杆传动。（1）平行；（2）相交；（3）垂直交错；2、在蜗杆传动中，通常 为主动件。（1）蜗杆；（2）蜗轮；（3）蜗杆或蜗轮都可以；31第50页/共56页3、在蜗杆传动中，当需要自锁时，应使蜗杆导程角 当量摩擦角。（1）

28、小于；（2）大于；（3）等于；4、起吊重物用的手动蜗杆传动装置，应用 蜗杆。（1）单头、小导程角；（2）单头、大导程角；（3）多头、小导程角；（4）多头、大导程角；5、为了减少蜗轮滚刀型号，有利于刀具标准化，规定 为标准值。（1）蜗轮齿数；（2）蜗轮分度圆直径；（3）蜗杆头数；（4）蜗杆分度圆直径；6、为了凑中心距或改变传动比，可采用变位蜗杆传动，这时 。（1）仅对蜗杆进行变位；（2）仅对蜗轮进行变位；（3）同时对蜗杆、蜗轮进行变位；1142第51页/共56页7、蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相类似，其中 最易发生。（1）点蚀与磨损；（2）胶合与磨损；（3）轮齿折断与塑性变形；8、蜗杆传动中，轮

29、齿承载能力的计算主要针对 来进行的。（1）蜗杆齿面接触强度和蜗轮齿根抗弯强度；（2）蜗轮齿面接触强度和蜗杆齿根抗弯强度；（3）蜗杆齿面接触强度和齿根抗弯强度；（4）蜗轮齿面接触强度和齿根抗弯强度；9、对闭式蜗杆传动进行热平衡计算，其主要目的是为了 。（1）防止润滑油受热膨胀后外溢，造成环境污染；（2）防止润滑油温度过高而使润滑条件恶化；（3）防止蜗轮材料在高温下力学性能下降；（4）防止蜗杆蜗轮发生热变形后，正确啮合受到破坏；10、与齿轮传动相比，不能作为蜗杆传动的优点。（1）传动平稳，噪声小；（2）传动比可以很大；（3）可以自锁；（4）传动效率高；2424第52页/共56页二、试分析如图所示蜗杆传动中各轴的回转方向、蜗轮轮齿的螺旋线方向及蜗杆、蜗轮所受各力的作用位置及方向。右旋蜗杆（主动）2341第53页/共56页 右旋蜗杆（主动）Ft1Fr4Fa2Ft3Ft2Ft4Fa1Fa4Fa3Fr1Fr2Fr3第54页/共56页11p212p由相对运动原理可知:v1=v2+vS 齿面间滑动速度vS=v1/cos vS=v2 2+v1 2作速度向量图，得:v2=v1 tanv222vSttv1v2第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页