蜗杆传动设计.pptx

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1、7.1 蜗杆传动概述蜗杆传动是由蜗杆和涡轮组成，如图所示。常用于交错轴90的两轴之间传递运动和动力。一般蜗杆为主动件，作减速运动。蜗杆运动具有传动比大而结构紧凑等优点，所以在各类机械，如机床、冶金、矿山、起重运输机械中得到广泛使用。图7-1第1页/共65页 蜗杆传动是在齿轮传动的基础上发展起来的，它具有齿轮传动的某些特点，即在中间平面（通过蜗杆轴线并垂直于涡轮轴线的平面）内的啮合情况与齿轮齿条的啮合相类似，又有区别与齿轮传动的特性。图7-2第2页/共65页即，其运动特性相当于螺旋副的工况。蜗杆相当于单头或多头螺杆，涡轮相当于一个“不完整的螺母”包在蜗杆上。蜗杆本身轴线转动一周，蜗轮相应转过一个

2、或多个齿（如图所示）。图7-2第3页/共65页一、蜗杆传动的特点 与齿轮传动相比较，蜗杆传动具有传动比大，在动力传递中传动比在8100之间，在分度机构中传动比可以达到1000；传动平稳、噪声低；结构紧凑；在一定条件下可以实现自锁等优点而得到广泛使用。但蜗杆传动有效率低、发热量大和磨损严重，涡轮齿圈部分经常用减磨性能好的有色金属（如青铜）制造，成本高等缺点。第4页/共65页二、蜗杆传动的类型 按蜗杆分度曲面的形状不同，蜗杆传动可以分为：圆柱蜗杆传动（如图a）、环面蜗杆传动（如图b）、锥蜗杆传动（如图c）三种类型。图7-3第5页/共65页1、圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆传动可以分为普通圆柱蜗杆传动（如前

3、图71所示）和圆弧圆柱蜗杆传动（如后图76所示）。图7-1图7-6第6页/共65页（1）普通圆柱蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动主要分为如图74所示的三种。图7-4第7页/共65页a.阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆）如图75所示，其齿面为阿基米德螺旋面。加工时，梯形车刀切削刃的顶平面通过蜗杆轴线，在轴向剖面I-I具有直线齿廓，法向剖面N-N上齿廓图7-5第8页/共65页 为外凸线，端面上齿廓为阿基米德螺线。这种蜗杆切制简单，但难以用砂轮磨削出精确齿形，精度较低。图7-5第9页/共65页b.渐开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆）如图74b所示。加工时，车刀刀刃平面与基圆或上或下相切，被切出的蜗杆齿面是渐开线螺旋面，端

4、面上齿廓为渐开线。这种蜗杆可以磨削，易保证加工精度。图7-4第10页/共65页c.法向直廓圆柱蜗杆（ZN蜗杆）又称延伸渐开线蜗杆，如图63c所示。车制时刀刃顶面置于螺旋线法面上，蜗杆在法向剖面上具有直线齿廓，在端面上为延伸渐开线齿廓。这种蜗杆可用砂轮磨齿，加工较简单，常用作机床的多头精密蜗杆传动。图7-4第11页/共65页（2）圆弧圆柱蜗杆传动图7-6第12页/共65页 圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）传动是一种非直纹面圆柱蜗杆，在中间平面上蜗杆的齿廓为凹圆弧，与之相配的涡轮齿廓为凸圆弧，如图76所示。图7-6第13页/共65页这种蜗杆的传动特点是：a.蜗杆与蜗轮两共轭齿面是凹凸啮合，增大了综合曲率半

5、径，因而单位齿面接触应力减小，接触强度得以提高。b.瞬时啮合时的接触线方向与相对滑动速度方向的夹角（润滑角）大，易于形成和保持共轭齿面间的动压油膜，使摩擦系数减小，齿面磨损小，传动效率可达95以上。第14页/共65页c.在蜗杆强度不削弱的情况下，能增大涡轮的齿根厚度，使涡轮轮齿的弯曲强度增大。d.传动比范围大（最大可以达到100），制造工艺简单，重量轻。e.传动中心距难以调整，对中心距误差的敏感性强。第15页/共65页2环面蜗杆传动蜗杆分度曲面是圆环面的蜗杆称为环面蜗杆，和相应的蜗轮组成的传动称为环面蜗杆传动（如图77）。它又分为：直廓环面蜗杆传动（俗称球面蜗杆传动）；平面包络环面蜗杆传动（又

6、称为一、二次包络）；渐开线包络环面蜗杆传动和锥面包络环面蜗杆传动。图7-7第16页/共65页下面我们看一下直廓环面蜗杆传动的特点。一个环面蜗杆，当其轴向齿廓为直线时称为直廓环面蜗杆，和相应的涡轮组成的传动称为直廓环面蜗杆传动，如图77所示。图7-7第17页/共65页 这种蜗杆传动的特点是：由于其蜗杆和蜗轮的外形都是环面回转体，可以互相包容，实现多齿接触和双接触线接触，接触面积大；又由于接触线与相对滑动速度 之间的夹角约为90，易于形成油膜，齿面间综合曲率半径也增大等。第18页/共65页 因此，在相同的尺寸下，其承载能力可提高1.53倍（小值适于小中心距，大值适于大中心距）；若传递同样的功率，中

7、心距可减小2040。它的缺点是：制造工艺复杂，不可展齿面难以实现磨削，故不宜获得精度很高的传动。只有批量生产时，才能发挥其优越性，其应用现在已日益增加。第19页/共65页3锥蜗杆传动 锥蜗杆传动中的蜗杆为一等导程的锥形螺旋，涡轮则与一曲线齿圆锥齿轮相似（如图62c）。由于普通圆柱蜗杆传动加工制造简单，用的最为广泛，所以我们主要介绍以阿基米德蜗杆为代表的普通圆柱蜗杆传动。第20页/共65页7.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸如图61所示，在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合传动。故此，在设计蜗杆传动时，均取中间平面上的参数（如模数、压力角）和尺寸（如齿顶圆、分度圆等）为

8、基准，并沿用齿轮传动的计算关系，其主要依据是国家标准GB10087-88和GB1008888。图7-1第21页/共65页一、普通圆柱蜗杆传动的主要参数及选择 普通圆柱蜗杆传动的主要参数有：模数m、压力角 、蜗杆头数z1和涡轮齿数z2及蜗杆的直径d1 等。进行蜗杆传动设计时，首先要正确地选择参数。这些参数之间是相互联系地，不能孤立地去确定，而应该根据蜗杆传动地工作条件和加工条件，考虑参数之间地相互影响，综合分析，合理选定。第22页/共65页1、模数m和压力角 蜗杆传动的尺寸计算与齿轮传动一样，也是以模数m作为计算的主要参数。在中间平面内蜗杆传动相当于齿轮和齿条传动，蜗杆的轴向模数和轴向压力角分别

9、与涡轮的端面模数和端面压力角相等，为此将此平面内的模数和压力角规定为标准值，标准模数见书中所附表格，标准压力角为 20。第23页/共65页2、蜗杆的分度圆直径d1 在蜗杆传动中，为了保证蜗杆与配对蜗轮的正确啮合，常用与蜗杆相同尺寸的蜗轮滚刀来加工与其配对的涡轮。这样，只要有一种尺寸的蜗杆，就需要一种对应的涡轮滚刀。对同一模数，可以有很多不同直径的蜗杆，因而对每一模数就要配备很多蜗轮滚刀。显然，这样很不经济。为了限制涡轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化，就对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1，而把比值 称为蜗杆直径系数。由于d1与m均已取为标准值，故q就不是整数，见表格所示。第24页/共

10、65页3、蜗杆头数z1 蜗杆头数z1可根据要求的传动比和效率来选定。单头蜗杆传动的传动比可以较大，但效率较低。如果要提高效率，应增加蜗杆的头数。但蜗杆头数过多，又会给加工带来困难。所以，通常蜗杆头数取为1、2、4、6。第25页/共65页4、导程角 蜗杆的直径系数q和蜗杆头数z1选定之后，蜗杆分度圆柱上的导程角也就确定了，如图78所示。显然有：其中：为蜗杆的导程，为蜗杆的轴向齿距（周节）图7-8第26页/共65页 由上面的公式 可知，当m一定时，q增大，则d1变大，蜗杆的刚度给强度相应提高，因此m较小时，q选较大值；又因为q取小值时，增大，效率随之提高，故在蜗杆刚度允许的情况下，应尽可能选小的q

11、值。第27页/共65页5、传动比和齿数比u 通常蜗杆为主动件，蜗杆与蜗轮之间的传动比为 其中：z2为蜗轮的齿数6、蜗杆传动的标准中心距 设计普通圆柱蜗杆减速装置时，在按接触强度或弯曲强度确定了中心距之后，再进行蜗杆蜗轮参数的配置。第28页/共65页7、蜗杆传动的正确啮合条件 从上述可知，蜗杆传动的正确啮合条件为：蜗杆的轴向模数与蜗轮的端面模数必须相等；蜗杆的轴向压力角与蜗轮的端面压力角必须相等；两轴线交错90时，蜗杆分度圆柱的导程角与蜗轮分度圆柱螺旋角等值且方向相同。第29页/共65页 选择蜗杆头数z1时，主要考虑传动比、效率和制造三个方面。从制造方面看，头数越多，蜗杆的制造精度要求越高；从提

12、高效率方面看，头数越多，效率越高；若要求自锁，应选择单头；从提高传动效比出发，也应该选择较少的头数。换言之，如果要求传动比一定，z1较少，则z2也较少，这样蜗杆传动结构就紧凑。因此，在选择z1和z2时要全面分析上述因素。第30页/共65页 一般来说，在动力传动中，在考虑结构紧凑的前提下，应很好的考虑提高效率。所以，当传动比较小时，宜采用多头蜗杆，而在传递运动要求自锁时，常选用单头蜗杆。通常推荐采用值：当 814时，选z14；1628时，选z12；3080时，选z11；第31页/共65页 为了避免加工蜗轮时产生根切，当z11时，选z217；当z12时，选z227。对于动力传动，为保证传动的平稳性

13、，选z228，一般取z23263为宜。蜗轮直径越大，蜗杆越长时，则蜗杆刚度小而易于变形，故z280为宜。对于分度机构，传动比和齿数不受此限制。第32页/共65页 必须指出：蜗杆传动的传动比不等于蜗轮蜗杆的直径之比，也不等于蜗杆与蜗轮的分度圆直径之比。一般圆柱蜗杆传动减速装置的传动比的公称值按下列选择：5、7.5、10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、70、80。其中10、20、40和80为基本传动比，应优先选用。第33页/共65页二、普通圆柱蜗杆传动的主要参数及选择 其几何尺寸按教材上表格中列出公式进行计算。同学们下去要认真熟悉公式。为了便于组织生产，减少箱体尺寸规格，有利

14、于标准化、系列化，GB10085-88中对一般蜗杆传动减速装置的中心距a（mm）推荐如下系列：40、50、63、80、100、125、160、（180）、220、（225）、250、（280）、315、（335）、400、（450）、500 注：括号内尺寸尽量不用第34页/共65页7.3蜗杆传动的强度计算与设计一蜗杆传动的失效形式、设计准则及材料选择1、失效形式 和齿轮传动一样，蜗杆传动的失效形式主要有：胶合、磨损、疲劳点蚀和轮齿折断等。由于蜗杆传动啮合面间的相对滑动速度较大，效率低，发热量大，再润滑和散热不良时，胶合和磨损为主要失效形式。第35页/共65页2、设计准则 由于蜗轮无论在材料的强

15、度和结构方面均较蜗杆弱，所以失效多发生在蜗轮轮齿上，设计时只需要对蜗轮进行承载能力计算。由于目前对胶合与磨损的计算还缺乏适当的方法和数据，因而还是按照齿轮传动中弯曲和接触疲劳强度进行。蜗杆传动的设计准则为：闭式蜗杆传动按蜗轮轮齿的齿面接触疲劳强度进行设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核，并进行热平衡验算；开式蜗杆传动，按保证齿根弯曲疲劳强度进行设计。第36页/共65页3、蜗杆和蜗轮材料的选择 由失效形式知道，蜗杆、蜗轮的材料不仅要求有足够的强度，更重要的是具有良好的磨合（跑合）、减磨性、耐磨性和抗胶合能力等。常用的材料可以看书上表中给出的材料。第37页/共65页 一般来说：蜗杆一般是用碳钢或合金钢

16、制成。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr、20CrMnTi等，并经渗碳淬火；也可以40、45或40Cr并经淬火。这样可以提高表面硬度，增加耐磨性。通常要求蜗杆淬火后的硬度为4055HRC，经氮化处理后的硬度为55 62HRC。一般不太重要的低速中载的蜗杆，可采用40、45钢，并经调质处理，其硬度为220300HBS。第38页/共65页常用的蜗轮材料为铸造锡青铜（ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5），铸造铝铁青铜（ZCuAl1010Fe3）及灰铸铁（HT150、HT200）等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，用于滑动速度大于3m/s的重要传动；铝铁青铜的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，

17、一般用于滑动速度小于4m/s的传动；如果滑动速度不高（小于2m/s），对效率要求也不高时，可以采用灰铸铁。为了防止变形，常对蜗轮进行时效处理。相对滑动速度为：第39页/共65页5、蜗杆传动精度等级的选择圆柱蜗杆传动在GB1008988中规定了12个精度等级，1级精度最高，12级精度最低。对于动力蜗杆传动，一般选用69级。第40页/共65页 如表所示列出了69级精度的应用范围、加工方法及允许的相对滑动速度，可以供我们设计时参考。第41页/共65页二、蜗杆传动的受力分析和强度计算 如图79所示，蜗杆传动的受力与斜齿圆柱齿轮相似，弱不计齿面间的摩擦力，蜗杆作用于蜗轮齿面上的法向力Fn2在节点C处可以

18、分解成三个互相垂直的分力：圆周力Ft2、径向力Fr2、轴向力Fx2（或Fa2）图7-9第42页/共65页 由图可知，蜗轮上的圆周力Ft2等于蜗杆上的轴向力Fx1（或Fa1）；蜗轮上的径向力Fr2等于蜗杆上的径向力Fr1；蜗轮上的轴向力Fx2（或Fa2）等于蜗杆上的圆周力Ft1。这些对应的力大小相等、方向相反。图7-9第43页/共65页各力之间的关系为：图7-9第44页/共65页各力之间的关系为：图7-9第45页/共65页式中：T2为蜗轮转距（Nm）T1为蜗杆转距（Nm）P1为蜗杆输入功率（kW）为啮合传动效率 为蜗轮端面压力角，蜗轮法向压力角，第46页/共65页 当蜗杆主动时各力的方向为：蜗杆

19、上圆周力Ft1的方向与蜗杆的转向相反；蜗轮上的圆周力Ft2的方向与蜗轮的转向相同；蜗杆和蜗轮上的径向力Fr2和Fr1的方向分别指向各自的轴心；图7-9第47页/共65页蜗杆轴向力Fx1（或Fa1）的方向与蜗杆的螺旋线方向和转向有关，可以用“主动轮左（右）手法则”判断，即蜗杆为右（左）旋时用右（左）手并以四指弯曲方向表示蜗杆转向，则拇指所指的方向为轴向力Fx1（或Fa1）的方向，如图中所示。图7-9第48页/共65页三、蜗轮齿面接触和弯曲疲劳强度计算 蜗轮齿面接触疲劳强度计算公式和斜齿圆柱齿轮相似，也是以节点啮合处的相应参数歹徒赫兹公式导出的。当用青铜蜗轮和钢蜗杆配用时，蜗轮齿面接触疲劳强度校核

20、公式为：而设计公式为：第49页/共65页 K为载荷系数，一般取K=11.4。当载荷平稳，蜗杆圆周速度小于3m/s，7级以上精度时取小值，否则取大值。当采用灰铸铁蜗轮与钢制蜗杆配合使用时，上面公式中的15000换成15590即可。第50页/共65页 蜗轮齿形复杂，常以斜齿圆柱齿轮的强度计算公式为基础，依据蜗杆传动的特点，代入有关参数，经简化后可以得到蜗轮轮齿弯曲疲劳强度的校核公式为：以 代入上式得设计公式为：第51页/共65页 其中 为复合齿形系数，依据当量齿数 （）查取，（上述两公式见中国机械工业教育协会：21世纪高职高专教材机械设计基础，机械工业出版社，2001年7月）第52页/共65页7.

21、4 蜗杆传动的润滑、效率及热平衡计算1、润滑 由于蜗杆传动时的相对滑动速度大、效率低、发热量大，故润滑特别重要。若润滑不良，会进一步导致效率降低，并会产生急剧磨损，甚至出现胶合，故需选择合适的润滑油及润滑方式。第53页/共65页 对于开式蜗杆传动，采用粘度较高的润滑油或润滑脂。对于闭式蜗杆传动，根据工作条件和滑动速度参考表格中推荐值选定润滑油和润滑方式。当采用油池润滑时，在搅油损失不大的情况下，应有适当的油量，以利于形成动压油膜，且有助于散热。对于下置式或侧置式蜗杆传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当蜗杆圆周转速大于4m/s时，为减少搅油损失，常将蜗杆上置，其浸油深度约为蜗轮外径的三分之一。第

22、54页/共65页2、传动效率 闭式蜗杆传动的总效率 包括：轮齿啮合效率 、轴承摩擦效率 （0.980.995）和搅油损耗效率 （0.960.99），即：当蜗杆主动时，可近似按螺旋副的效率计算，即：第55页/共65页 当对蜗杆传动的效率进行初步计算时，可近似取以下数值：1）闭式传动，当 z11时，0.70.75；当z12时，0.750.82；当z14时，0.870.92；自锁时 0.5。2）开式传动，当z11、2时，0.60.7；第56页/共65页3、蜗杆传动的热平衡计算 由于蜗杆传动效率较低，发热量大，润滑油温升增加，粘度下降，润滑状态恶劣，导致齿面胶合失效。所以对连续运转的蜗杆传动必须作热平

23、衡计算。蜗杆传动中，摩擦损耗功率为：自然冷却时，从箱体外壁散发的热量折合的相当功率为：第57页/共65页热平衡的条件是：在允许的润滑油工作温升范围内，箱体外表面散发出热量的相当功率应大于或等于传动损耗的功率，即 也即：第58页/共65页 其中：为箱体表面散热系数，一般取 8.517.5W/(m2C)，通风条件良好（如箱体周围空气循环好、外壳上无灰尘杂物等）时，可以取大值，否则取小值。A为箱体散热面积（m2），散热面积是指箱体内表面被润滑油浸到（或飞溅到），而外表面又能被自然循环的空气所冷却的面积。一般可按下式估算：第59页/共65页 为周围空气的温度，一般取20。为热平衡时的工作温度（C），一

24、般应小于6075C，最高不超过80C。若润滑油的工作温度 超过允许值或散热面积不足时，应该采用办法提高散热能力。第60页/共65页 提高散热能力的常用办法见如图所示：1）在箱体外表面加散热片以增加散热面积；2）在蜗杆的端面安装风扇，加速空气流通，提高散热系数，可取 1835W/(m2C)；3）在油池中安放蛇形水管，用循环水冷却；4）采用压力喷油循环冷却。第61页/共65页6.5 蜗杆及蜗轮的结构 蜗杆因为直径不大，常与轴做成一体的，称为蜗杆轴，常用车或铣加工。铣制蜗杆没有退刀槽，且轴的直径可以大于蜗杆的齿根圆直径，所以其刚度较大。车制蜗杆时，为了便于车螺旋部分时退刀，留有退刀槽而使轴径小于蜗杆根圆直径，削弱了蜗杆的刚度。第62页/共65页 蜗轮的结构如后表所示。对于尺寸大的青铜齿轮，多采用组合式结构。当用铸铁或尺寸小的青铜蜗轮多采用整体式结构。第63页/共65页第64页/共65页感谢您的观看！第65页/共65页