章蜗杆传动设计新方案.pptx

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1、第四章 蜗杆传动设计概述按蜗杆形状分按蜗杆形状分圆柱蜗杆传动二、蜗杆传动的类型环面蜗杆传动锥面蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动本章主要讨论圆柱蜗杆传动的设计圆弧圆柱蜗杆圆柱蜗杆环面蜗杆锥面蜗杆第1页/共42页第四章 蜗杆传动设计概述1、普通圆柱蜗杆传动阿基米德蜗杆传动（ZA）渐开线蜗杆传动（ZI）法向直齿廓蜗杆传动（ZN）锥面包络蜗杆传动（ZK）蜗杆用直母线刀刃车制车刀切削平面通过蜗杆轴线，横截面内齿廓为阿基米德螺旋线用盘铣刀加工蜗杆。铣刀放置在齿槽的法面内，各剖面齿廓均为曲线车刀切削平面与基圆相切，横截面内齿廓为渐开线车刀切削平面位于螺旋面的法面上，适合于大导程角的蜗杆加工蜗轮用滚刀

2、滚制第2页/共42页第四章 蜗杆传动设计概述2、圆弧圆柱蜗杆传动（ZC型）用圆弧刃车刀车削用环面砂轮磨削轴向剖面内蜗杆齿廓呈凹弧形，而蜗轮齿廓呈凸弧形，承载能力较普通型高50150%，传动效率达90%目前正推广应用目前正推广应用第3页/共42页第四章 蜗杆传动设计概述三、蜗杆传动类型的选择 1 1、载荷较小、精度要求较低、不重要的场合、载荷较小、精度要求较低、不重要的场合 可选阿基米德蜗杆传动（不易磨削，难获高精度）2 2、载荷大、精度要求高、速度高的重要场合、载荷大、精度要求高、速度高的重要场合 可选圆弧圆柱蜗杆传动3 3、精度较高、速度较高、蜗杆头数较多、加工工艺简单、精度较高、速度较高、

3、蜗杆头数较多、加工工艺简单 可选渐开线、法向直廓或锥面包络蜗杆传动4 4、要求传动效率高、蜗杆不磨削的大功率传动、要求传动效率高、蜗杆不磨削的大功率传动 可选环面蜗杆传动5 5、要求自锁的低速、轻载传动、要求自锁的低速、轻载传动 可选阿基米德蜗杆传动第4页/共42页蜗杆蜗轮第四章 蜗杆传动设计主要参数4-2 圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸一、普通圆柱蜗杆传动的主要参数（以 ZA 蜗杆传动为例）模数 m 和压力角中间平面 包含蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面蜗轮滚刀的几何参数与相配蜗杆的几何参数相同在中间平面内相当于齿条与齿轮的在中间平面内相当于齿条与齿轮的啮合啮合对于蜗杆：中间平面是轴面对于蜗

4、轮：中间平面是端面对于阿基米德蜗杆传动，定义中间对于阿基米德蜗杆传动，定义中间平面内的模数和压力角为标准值平面内的模数和压力角为标准值第5页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数正确啮合条件：mx1=mt2=mx1=t 2=20在中间平面内蜗杆轴面模数蜗轮端面模数标准模数蜗轮端面压力角蜗杆轴面压力角 蜗杆导程角与蜗轮螺旋角=90 时：=且旋向相同且旋向相同 d1 1 1 蜗杆分度圆直径 d1 及直径系数 q d1 标准系列值，并与模数 m 匹配 蜗杆直径系数：d1=m q 蜗轮分度圆直径：d2=m z2 目的：减少蜗轮滚刀数量，便于刀具标准化第6页/共42页小大，走刀快大第四章 蜗杆传动设计主

5、要参数q 与导程角之关系：蜗杆头数轴向齿距px mz1=1 6 传动比 i 及蜗杆头数 z1、蜗轮齿数 z2 z1 少，则小，效率低 z1 过多,则大，制造困难蜗杆导程 pz通常取 z1 1，要求自锁或传动比大时取 z1=1 n1起吊装置要求反行程自锁n n2 2第7页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数蜗轮齿数 z2=i z1常取 z2=32 63=28 80提高运动平稳性避免蜗杆轴过长而刚度不足 齿面间相对滑动速度 vs由此可见，vs v1、v2所以蜗杆传动摩擦损失大，效率低。v v1 1v v2 2v vs s 第8页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数 蜗杆传动的变位及蜗轮变位系数

6、2目的：凑中心距凑中心距 a a 或 凑传动比凑传动比 i i。特点：只对蜗轮进行变位，蜗杆不变位；变位后，d2d2，而 d1d1凑中心距的变位（a 改变，z2 不变）：例：m4 mm，a124 mm，需凑标准中心距 125 mm。几种变位情况变位后蜗轮变位系数a 变位前中心距a 变位后中心距m 模数变位量变位量滚刀远离蜗轮中心第9页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数凑传动比的变位（a a，z2z2）：蜗轮齿数：变位前是 z2，变位后是 z2 要求：故：注意：注意：变位前：变位后：例：已知 z z1 14 4，z z2 23939，要求，要求 i i 1010。2 2 太大太大，齿顶会变尖

7、；太小太小，则会产生根切改变蜗轮齿数，使改变蜗轮齿数，使 i i 符合推荐值符合推荐值取 z240，则滚刀靠近蜗轮中心先改变传动比，再凑中心距普通圆柱蜗杆传动：普通圆柱蜗杆传动：2 2 1 1 +1+1故最多改变两个齿常取：常取：2 2 0.70.7+0.7+0.7第10页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数喉圆直径(同齿轮齿顶圆)顶圆直径二、普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算 基本尺寸与齿轮传动类似，计算公式见表 42(1)蜗轮的2个圆(2)蜗轮轮缘宽度B(3)蜗杆螺纹部分的长度b1蜗杆蜗杆 蜗蜗轮轮 m第11页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数阿基米德蜗杆传动与齿轮传动的区别：阿基米德蜗

8、杆传动与齿轮传动的区别：传动比 i 齿轮传动蜗杆传动 i=d2/d1 i d2/d1 m、法面为标准值中间平面为标准值 1=-2=,旋向相同 d1 d1=mnz1/cosd1=mq,且为标准值 第12页/共42页第四章 蜗杆传动设计主要参数三、圆弧圆柱蜗杆传动的主要参数 蜗杆轴向截面齿廓为内凹圆弧形轴向模数 m、蜗杆分度圆直径 d1 为标准值2 2、齿廓圆弧半径、齿廓圆弧半径 1 1、齿形角、齿形角 0 0推荐0 02024，常取0 023推荐（55.5）mz112时，取5m；z14时，取5.5m 3 3、蜗轮变位系数、蜗轮变位系数 2 2推荐2 0.71.2，应使21.5，以免齿顶变尖几何尺

9、寸计算与普通圆柱蜗杆传动相仿，详见表几何尺寸计算与普通圆柱蜗杆传动相仿，详见表 4 42 22 的计算方法同普通圆柱蜗杆传动第13页/共42页第四章 蜗杆传动设计失效形式4-3 蜗杆传动的失效形式、设计准则和材料 一、失效形式及设计准则齿面点蚀 蜗轮材料为锡青铜时，此种材料强度稍低齿面胶合 蜗轮材料为铝铁青铜或铸铁时齿面磨损 开式传动或润滑不良轮齿折断 蜗轮齿数过多或强烈冲击载荷由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上对于闭式蜗杆传动，其承载能力主要取决于接触强度设计准则：闭式蜗杆传动，按齿面接触疲劳强度设计，并进行热平衡计算（防止胶合）；z2

10、80或强烈冲击载荷时校核弯曲强度对于蜗杆，主要是防止蜗杆轴发生过大的的弹性变形第14页/共42页第四章 蜗杆传动设计材料及热处理二、材料选择及热处理材料组合要求：减摩性好、耐磨、抗胶合、足够的强度碳 钢 45钢 蜗 杆合金钢 20Cr、20CrMnTi、40Cr铸锡磷青铜 ZCuSn10P1 适合高速蜗 轮铸铝铁青铜 ZCuAl10Fe3 中速重载灰铸铁 HT200 低速轻载减摩性好减摩性好蜗杆为细长轴零件，选材时应保证足够的强度和刚度蜗杆为细长轴零件，选材时应保证足够的强度和刚度45钢、40Cr 调质(350HBS)或表面淬火(4555HRC)20Cr、20CrMnTi 渗碳淬火(5863H

11、RC)第15页/共42页第四章 蜗杆传动设计许用应力三、许用应力 1 1、许用接触应力、许用接触应力 HPHP主要失效形式是蜗轮齿面点蚀 蜗轮为锡青铜时寿命系数 应力循环次数 承载能力取决于蜗轮的齿面接触疲劳强度 基本许用应力基本许用应力当 N 25107 时，取 N25107 蜗轮转速蜗轮转速(r/minr/min)预期工作时间预期工作时间硬齿面磨削蜗杆HP 提高20第16页/共42页第四章 蜗杆传动设计许用应力减摩性较差，主要失效形式是胶合。蜗轮为铝铁青铜或铸铁时 HP 与材料组合及滑动速度 vs 有关，许用接触应力按抗胶合的条件确定。估算滑动速度：蜗杆功率(kW)蜗杆转速(r/minr/

12、min)不用乘 ZN查表时需用线性插值法第17页/共42页第四章 蜗杆传动设计许用应力2 2、许用弯曲应力、许用弯曲应力 FPFP寿命系数 应力循环次数若 N 25107，则取 N 25107弯曲应力视为脉动循环弯曲应力视为对称循环第18页/共42页第四章 蜗杆传动设计受力分析4-4 圆柱蜗杆传动的强度计算一、受力分析 1 1、力的分解、力的分解 3 3、力的方向（蜗杆主动）、力的方向（蜗杆主动）法面内：圆周力：径向力：蜗杆上F Ft t 1 1与转向相反蜗轮上F Ft t 2 2与转向相同F Fr1r1和F Fr2r2指向各自的轮心切面内：径向力 圆周力 轴向力 2 2、力的关系、力的关系同

13、齿轮轴向力：左旋蜗杆用左手定则左旋蜗杆用左手定则右旋蜗杆用右手定则右旋蜗杆用右手定则蜗杆上F Fa1a1用主动轮左右手定则判定第19页/共42页第四章 蜗杆传动设计受力分析蜗轮转向的判断：因 Ft2-Fa1，所以蜗轮的转动方向与蜗杆的轴向力方向相反4 4、力的大小、力的大小T T1 1 、T T2 2 蜗杆、蜗轮所传递的名义转矩蜗杆、蜗轮所传递的名义转矩(N.mmN.mm)则：T2=i T1计算载荷：KA T2=i KAT1 使用系数 KA同圆柱齿轮P1、P2 为蜗杆、蜗轮的名义功率；为蜗杆传动的效率，P2P1第20页/共42页第四章 蜗杆传动设计受力分析Fa 1Ft 2Fa2Ft 1n1Fr

14、 2Fr 1n2n1各力应画在受力点上12例例 1 1：已知蜗轮的转向及蜗杆的螺旋方向，试确定：(1)蜗轮轮齿的螺旋方向；(2)蜗杆(主动)的转动方向；(3)各分力的方向。蜗杆左旋蜗轮亦左旋蜗杆的转向、螺旋线方向、轴向力方向知其二必知其一第21页/共42页第四章 蜗杆传动设计受力分析Ft 1n1z2z1z4z3n4n3Fa4Fa3Fa2Ft 2Fa1Ft 3Ft 4蜗杆、蜗轮均为右旋均为右旋输出输入例例 2 2：图示为蜗杆传动与锥齿轮传动组合。已知输出轴的转向，欲使中间轴上的轴向力能部分抵消，试确定蜗杆的转向和蜗轮蜗杆的螺旋线方向；各分力的方向。n2径向力均指向各自轮心向外向里中间轴第22页/

15、共42页第四章 蜗杆传动设计强度条件利用赫兹公式、考虑蜗杆传动特点可推得利用赫兹公式、考虑蜗杆传动特点可推得 二、普通圆柱蜗杆传动齿面接触疲劳强度计算 校核式：校核式：弹性系数弹性系数 设计式设计式 ：1 1）强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）2 2）中间平面内相当于齿条与齿轮啮合）中间平面内相当于齿条与齿轮啮合,蜗轮类似于斜齿轮蜗轮类似于斜齿轮特点：因此，因此，蜗轮轮齿的强度计算与斜齿轮相似，蜗轮轮齿的强度计算与斜齿轮相似，其强度公式可仿照斜齿轮的计算方法推导、整理其强度公式可仿照斜齿轮的计算方法推导、整理 钢制蜗杆与青铜或铸铁蜗轮组合第23页/共42页

16、第四章 蜗杆传动设计强度条件三、普通圆柱蜗杆传动齿根弯曲疲劳强度计算(1)齿形系数YFa按 查表4-5；借用斜齿轮弯曲强度公式、考虑蜗杆传动特点借用斜齿轮弯曲强度公式、考虑蜗杆传动特点 注注 校核式：校核式：设计式：设计式：(2)螺旋角系数(4)计算蜗轮强度，且效率低，故用计算蜗轮强度，且效率低，故用 T T2 2=i T1。(3)蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大，所以只是在受强烈冲击、蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大，所以只是在受强烈冲击、z z2 2 特多或开特多或开式传动中计算弯曲强度才有意义；式传动中计算弯曲强度才有意义；第24页/共42页第四章 蜗杆传动设计强度条件计算出计算出 mm2

17、2d d1 1 值后，按表值后，按表 4 4-1 1 选取标准值选取标准值 d d1 1、m m。为保证安全，表中查得的值应大于计算值为保证安全，表中查得的值应大于计算值 如：计算值 m2d198则查得 m2d1112相应 m2、d1 28 第25页/共42页第四章 蜗杆传动设计圆弧蜗杆四、圆弧圆柱蜗杆传动强度计算要点 特点：凸凹弧齿廓啮合且23，承载能力强1、圆弧圆柱蜗杆齿面接触疲劳强度条件 失效以胶合为主接触系数，据（d1/a）查图4-9弹性系数，查表4-8中心距设计式：初选 d1/a 当 i 7020 时,取 d1/a0.30.4；当 i 205 时,取 d1/a0.40.5a 应圆整或

18、按表 4-4 取推荐值第26页/共42页第四章 蜗杆传动设计圆弧蜗杆2、圆弧圆柱蜗杆齿根弯曲疲劳强度条件许用 U 系数齿形复杂，难以精确计算弯曲应力，按 U 系数法，进行条件性近似计算。极限 U 系数，查表4-8安全系数，SFmin=11.73、圆弧圆柱蜗杆传动的许用应力自学弯曲强度远远大于接触强度，一般不需计算蜗轮齿宽第27页/共42页第四章 蜗杆传动设计效率4-5 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算 一、效率 与齿轮传动相同轴承摩擦损耗轴承摩擦损耗搅油损耗搅油损耗轮齿啮合摩擦损耗轮齿啮合摩擦损耗故：啮合效率类似于螺旋副：当量摩擦角当量摩擦系数效率随导程角 的增大而增大，但 28以后变化缓慢。

19、自锁条件：自锁条件：第28页/共42页第四章 蜗杆传动设计效率提高效率的途径：提高效率的途径：但蜗杆制造困难 通常使采用减摩性好的材料，如青铜合金；保证良好的润滑状态，vs 较大时齿面间易于形成油膜。设计之初,未知。z1=1 时，=0.70.75 z1=2 时，=0.750.82 z1=4 时，=0.870.92 自 锁 时，4 m/s时蜗杆上置有利于润滑 避免过大的搅油损失 第30页/共42页第四章 蜗杆传动设计热平衡计算三、蜗杆传动的热平衡计算目的 控制油温，防止胶合控制油温，防止胶合t1油温时间t1 热平衡时的油温对象 连续工作的闭式蜗杆传动连续工作的闭式蜗杆传动热平衡概念：达到热平衡时

20、，单位时间内的发热量=散热量单位时间内发热量：单位时间内发热量：单位时间内散热量：单位时间内散热量：K Kt t 散热系数散热系数，W/(m2.)，自然方式冷却时：A A 箱体散热面积箱体散热面积，箱体暴露在空气中的部分 近似计算：蜗杆传动中心距环境温度，一般取环境温度，一般取 2020温升温升通风不好 Kt=8.710.5通风良好 Kt=1417.5；要求：t1 tp第31页/共42页第四章 蜗杆传动设计热平衡计算热平衡时：1000P1（1-）=Kt A（t1 t 0）则热平衡计算式：若 t1 tp，则采取措施提高散热能力：在箱壳外表面加铸散热片在箱壳外表面加铸散热片蜗杆轴端装风扇加速空气流

21、通蜗杆轴端装风扇加速空气流通同时沿气流方向配置散热片同时沿气流方向配置散热片箱体油池内放置蛇形冷却水管箱体油池内放置蛇形冷却水管喷油润滑循环冷却喷油润滑循环冷却自然通风时竖直布置增加散热面积增加散热面积 A A，按，按5050计算计算增大散热系数增大散热系数 Kt t 2028 2028 许用油温第32页/共42页4-6 蜗杆传动的设计步骤和方法第四章 蜗杆传动设计设计方法1、已知条件：P、n1、n2（或 i）、预期寿命、工况等2、选择蜗杆蜗轮材料及热处理方法、选择蜗杆头数z1、估选效率、估算vs（铝铁青铜）、确定蜗杆传动精度3、计算：z2、m、d1、d2、a、v1、v2、vs、v、等4、验算

22、：效率、齿面间相对滑动速度 vs(铝铁青铜)，与估计值是否接近？N5、对于闭式蜗杆传动，进行热平衡计算，验算油温6、结构设计，绘制蜗杆、蜗轮零件工作图Y第33页/共42页第四章 蜗杆传动设计传动类型齿轮传动类型一览齿轮传动类型一览两轴线相交两轴线交错直齿轮直齿轮斜齿轮斜齿轮人字齿轮人字齿轮锥齿轮锥齿轮螺旋齿轮螺旋齿轮蜗杆蜗轮蜗杆蜗轮两轴线平行圆弧齿圆弧齿第34页/共42页第四章 蜗杆传动设计设计实例 实例：实例：1 1)材料、热处理材料、热处理设计一闭式普通圆柱蜗杆传动，载荷平稳、通风条件良好、工作寿命 5 年、8 h/天、蜗杆材料及热处理蜗轮材料表4-6（磨削蜗杆提高20）200 1.2 1

23、251.2 蜗轮基本许用接触应力73.5 73.5蜗轮转速12000 12000蜗轮工作小时 蜗轮应力循环次数N0.81 0.81接触寿命系数设计内容 设计依据 方案 1 方案 2 许用接触应力194.4 121.5 40Cr表面淬火后磨削表4-6，ZCuSn10P1 砂模铸造ZCuSnPb5Zn5 砂模铸造 估计 vs 10m/s240 150第35页/共42页第四章 蜗杆传动设计设计实例2 2)确定有关参数确定有关参数使用系数 KA 表3-1 1.1 1.12 2蜗杆头数蜗轮齿数40 40初估传动效率0.82 0.82蜗轮转矩2024340 2024340弹性系数160 160 3 3)接

24、触强度设计接触强度设计计算值8485 21721取标准值表4-19000 2187510 12.5模数表4-1 设计内容 设计依据 方案 1 方案 2表4-1蜗杆分度圆直径90 140蜗轮分度圆直径400 500=0.750.82（因 z12）钢制蜗杆与青铜蜗轮 第36页/共42页第四章 蜗杆传动设计设计实例中心距245 320设计内容 设计依据 方案 1 方案 21.54 1.92蜗轮圆周速度导程角123144107297.1 10.9滑动速度与选材时与选材时假定相符假定相符与假定基与假定基本相符本相符当量摩擦角120110 表4-9总效率0.855 0.85与初选值与初选值基本相符基本相符

25、与初选值与初选值基本相符基本相符第37页/共42页第四章 蜗杆传动设计设计实例箱体散热面积 A(m2)1.583 2.527设计内容 设计依据 方案 1 方案 2热平衡油温 t 1()129 90 取 t 020 散热能力不足散热能力不足4 4)热平衡计算热平衡计算方案方案 1 1 体积小、结构紧凑，较为合理体积小、结构紧凑，较为合理措施：加装风扇并加铸散热片实际温升须在箱体结构设计后确定5 5）几何尺寸计算、）几何尺寸计算、结构设计结构设计略若自然通风，取K t16第38页/共42页第四章 蜗杆传动设计小结本本 章章 小小 结结 蜗杆传动的主要参数及其选择主要讨论普通圆柱蜗杆传动；材料、失效

26、形式为减小摩擦磨损，钢蜗杆与青铜蜗轮配对；失效主要发生在蜗轮上与斜齿圆柱齿轮传动的区别与联系；蜗杆分度圆直径为标准值，蜗杆、蜗轮螺旋角旋向相同但大小不等，蜗杆导程角蜗轮螺旋角；蜗杆头数与传动效率的关系；变位的目的：凑中心距、凑传动比；仅对蜗轮变位。第39页/共42页第四章 蜗杆传动设计小结 强度条件强度计算针对蜗轮轮齿；热平衡计算蜗杆传动效率低，发热量大，容易产生胶合，故要控制热平衡时的油温；在中间平面上蜗杆传动类似于齿条齿轮传动，故强度计算公式按斜齿轮推导；一般不用校核齿根弯曲强度。油温过高应采取相应措施。受力分析各分力的对应关系及方向的判断，与斜齿圆柱齿轮及锥齿轮的区别；蜗轮或蜗杆转动方向的判断。第40页/共42页作 业 三41、431）“间歇工作”改成“连续工作”；题 43 说明：2）“2 小时”改成“8 小时”；3）要进行热平衡计算；4）本题的蜗杆与书中例题的蜗杆不同；5）不要求自锁。第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页