聊城大学汽车学院机械设计第5章蜗杆.ppt

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1、聊城大学 汽车学院 汽车工程系 第5章 蜗杆传动学习目标：1、了解蜗杆传动的类型、应用特点，蜗轮蜗杆的结构；2、掌握普通圆柱蜗杆传动的主要参数；3、掌握蜗杆传动的失效形式、设计准则及常用材料；4、掌握普通圆柱蜗杆传动的受力分析及强度计算方法；5、了解蜗杆传动的效率及热平衡计算。重点内容：1、掌握蜗杆传动的失效形式及设计准则；2、掌握普通圆柱蜗杆传动的受力分析和设计计算。聊城大学 汽车学院 汽车工程系5.1 概述作用：用于传递空间交错轴之间的回转运动和动力。一般蜗杆主动、蜗轮从动。形成：若单个斜齿轮的齿数很少（如z1=1）而且很大 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

2、啮合件称为:蜗轮。蜗杆22蜗轮聊城大学 汽车学院 汽车工程系改进措施：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、自锁性。分度机构：i=300,通常i=1080缺点：传动效率低、蜗轮齿圈用青铜制造，成本高。线接触摩擦、磨损严重。聊城大学 汽车学院 汽车工程系机床：数控工作台、分度机构汽车：转向器冶金：材料运输矿山：开采设备起重运输：提升设备、电梯、自动扶梯应用：聊城大学 汽车学院 汽车工程系类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 环面蜗杆锥蜗杆圆柱蜗杆 蜗杆传动的类型聊城大学 汽车学院 汽车

3、工程系普通圆柱蜗杆类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 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。聊城大学 汽车学院 汽车工程系圆弧圆柱蜗杆类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 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。聊城大学 汽车学院 汽车工程系 类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动

4、圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆ZA渐开线蜗杆ZI 法向直廓蜗杆ZN 锥面包络圆柱蜗杆 ZK阿基米德螺线2单刀加工阿基米德蜗杆(ZA)聊城大学 汽车学院 汽车工程系类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 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ZI 法向直廓蜗杆ZN 锥面包络圆柱蜗杆ZK 阿基米德蜗杆(ZA)阿基米德蜗杆ZA双刀加工阿基米德螺线特点：便于车削加工，但磨削困难聊城大学 汽车学院 汽车工程系类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 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ZA渐开线蜗杆ZI 法向直廓蜗杆ZN 锥面包络圆柱蜗杆ZK 渐开线蜗杆(ZI)渐开

5、线蜗杆渐开线基圆特点：便于车削加工，可滚铣，可平面砂轮磨削聊城大学 汽车学院 汽车工程系延伸渐开线类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 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ZA渐开线蜗杆ZI 法向直廓蜗杆ZN 锥面包络圆柱蜗杆ZK dx车刀对中齿厚中心法面法向直廓蜗杆(ZN)聊城大学 汽车学院 汽车工程系类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 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ZA渐开线蜗杆ZI 法向直廓蜗杆ZN 锥面包络圆柱蜗杆ZK 法向直廓蜗杆(ZN)dx延伸渐开线2车刀对中齿槽中心法面特点：便于车削加工，直母线砂轮磨齿聊城大学 汽车学院 汽车工程系类型

6、环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 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ZA渐开线蜗杆ZI 法向直廓蜗杆ZN 锥面包络圆柱蜗杆ZK 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。砂轮聊城大学 汽车学院 汽车工程系类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 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ZA渐开线蜗杆ZI 法向直廓蜗杆ZN 锥面包络圆柱蜗杆ZK 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，约为阿基米德蜗杆的24倍；3）要求制造和安装精度高。环

7、面蜗杆聊城大学 汽车学院 汽车工程系锥蜗杆类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 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ZI 法向直廓蜗杆ZN 锥面包络圆柱蜗杆ZK 锥蜗杆传动特点：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）制造安装简便，工艺性好。阿基米德蜗杆ZA最常用聊城大学 汽车学院 汽车工程系蜗杆旋向：左旋、右旋(常用)d11精度等级：对于一般动力传动，按如下等级制造：v1 5 m/s-7级精度；v1 3 m/s-8级精度；v1 1.5 m/s-9级精度；判定方法：与螺旋和斜齿轮的旋向判断方法相同。聊城大学

8、 汽车学院 汽车工程系5.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算中间平面 通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面。5.2.1 主要参数中间平面正确啮合条件是中间平面内参数分别相等：2mt2=ma1=m在中间平面内，蜗轮蜗杆相当于齿轮齿条啮合1、正确啮合条件t2=a1=聊城大学 汽车学院 汽车工程系压力角:=20模数m取标准值，与齿轮模数系列不同。分度传动，推荐用=15动力传动，推荐：=252、模数m和压力角 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

9、杆模数m值 GB10088-88蜗轮蜗杆轮齿旋向相同。蜗轮右旋 蜗杆右旋ZA：aZI、ZN、ZK：n聊城大学 汽车学院 汽车工程系为了减少加工蜗轮滚刀的数量，规定d1只能取标准值。定义s=e的假想圆柱称为蜗杆的分度圆柱。d1esd23.蜗杆的分度圆直径d1规定比值 为蜗杆的直径系数。q=d1/m一般取:q=818 聊城大学 汽车学院 汽车工程系表5-2 普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与蜗轮参数的匹配聊城大学 汽车学院 汽车工程系4、传动比i、蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2蜗杆头数z1：即螺旋线的数目蜗杆转动一圈，相当于齿条移动z1个齿，推动蜗轮转过z1个齿。通常：z1=1 2 4 6dn2n1i=

10、传动比：z1z2=蜗轮齿数：z2=i z1 为避免根切：z2 17一般情况：28z280 若想得到大 i,可取：z1=1，但传动效率低。对于大功率传动,可取：z1=2，或 4。聊城大学 汽车学院 汽车工程系表5-3 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 5、蜗杆的导程角 将分度圆柱展开得：=z1 pa/d1=mz1/d1 tan1=l/d1 d1lpa1d1116、中心距a=r1+r2=m(q+z2)/2=z1/q 聊城大学 汽车学院 汽车工程系普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计

11、算(表)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 5-4 普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算名 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 df=1.2mq df=1.2mq da1=m(q+2)da1=m(q+2)df1=m(q-2.4)df2=m(q-2.4)pa1=pt2=px=mc=0.2 ma=0.5(d1+d2)m=0.5m(q+z2)聊城大学 汽车学院 汽车工程系5.3 蜗杆传动的失效形式、设计准则和材料 失效形

12、式和设计准则a.失效形式：齿面点蚀、胶合和磨损，通常发生在蜗轮。b.设计准则：1)闭式：按接触强度设计。按弯曲强度校核(Z290)连续工作，要进行热平衡计算。2)开式：按弯曲强度进行设计。*蜗杆的刚度计算 为了防止蜗杆刚度不足引起的失效，应进行：聊城大学 汽车学院 汽车工程系5.3.2 常用材料材料蜗轮齿圈采用青铜：减摩、耐磨性、抗胶合。材料牌号选择（表5-5）：高速重载蜗杆：20Cr,20CrMnTi(渗碳淬火5662HRC)或40Cr 42SiMn 45(表面淬火4555HRC)一般蜗杆：40 45 钢调质处理(硬度为220250HBS)蜗轮材料：vS 12 m/s时 ZCuSn10P1锡

13、青铜制造。vS 12 m/s时 ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜vS 6 m/s时 ZCuAl10Fe3铝青铜。vS 2 m/s时 球墨铸铁、灰铸铁。蜗杆采用碳素钢与合金钢：表面光洁、硬度高。聊城大学 汽车学院 汽车工程系5.4.1 蜗杆传动的受力分析5.4 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算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 T1、T2分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩T2=T1 i 1聊城大学 汽车学院 汽车工程系11伸出右手，四指顺蜗杆

14、转向，则蜗杆所受轴向力的方向与拇指指向相同。用手势确定蜗轮的转向：左旋蜗杆：用左手判断，方法一样22ar1r212pv212pv2右旋蜗杆Fa1Fa1聊城大学 汽车学院 汽车工程系12p蜗杆传动受力方向的判定：Fr1Fr222)蜗轮切向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)蜗杆切向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相同；T1T1Ft1 Fa2Ft1Fa2Ft2 Fa111Fa1 Ft2聊城大学 汽车学院 汽车工程系Ft2Fa12Ft1Fa2Fr2Fr1聊城大学 汽车学院 汽车工

15、程系Fa3Fa2Ft1Fa1Ft2Fr2Fr11聊城大学 汽车学院 汽车工程系Fa2Fa3Ft1Z1Fr1Fa1Z2n4Ft4Fr4Fa41、已知：一对锥齿轮与蜗杆传动，Z1的转向如图示，求：（1）定出蜗杆和蜗轮的合理旋向及蜗轮的转向。（2）绘出主动锥齿轮和蜗轮的受力方向n 1n 3n 2右旋练习聊城大学 汽车学院 汽车工程系 2、已知：斜齿轮、蜗杆减速器。Z1的转向和旋向如图，若使中间轴受力最小，画出1）蜗轮的转向和旋向。2）画出Z2和蜗杆传动的受力图。Z1Z2Ft2Fr2Fa2Ft4Fa4Fr4Ft3Fa3Fr3Z3Z4右旋；顺时针转动n 1 1n 2 2n 3 3练习聊城大学 汽车学院

16、汽车工程系作业：n P124,3（1）、（2）聊城大学 汽车学院 汽车工程系1、蜗轮齿面接触疲劳强度计算MPa-蜗轮材料的许用接触应力，MPaK-载荷系数，取K=KA Kv K 蜗杆传动的强度计算mmZ-接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数。ZE-材料系数聊城大学 汽车学院 汽车工程系0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.60 d1/a3.6 3.2 2.8 2.4 2.0 影响系数ZZC蜗杆表5-6 使用系数KA工作类型 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

17、 1.15 1.2 动载系数Kv，当V2 3 m/s,Kv=11.1 当V2 3 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=1.11.3 ZA,ZI,ZN,ZK蜗杆图5.12 圆柱蜗杆传动的接触系数Z聊城大学 汽车学院 汽车工程系表5-8 灰铸铁及铸铝铁青铜蜗轮的许用接触应力H MPa材 料 滑动速度 vs(m/s)蜗 杆 蜗 轮 0.25 0.25 0.5 1 2 3 4灰铸铁HT150 206 166 150 127 95-灰铸铁HT200 250 202 182 154 155-铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3-250 230 210 18

18、0 160 灰铸铁HT150 172 139 125 106 79-灰铸铁HT200 208 168 152 128 96-20或20Cr渗碳、淬火，45号钢淬火，齿面硬度大于45HRC45号钢或Q275表5-7 铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力H MPa蜗轮材料 铸造方法 铸锡磷青铜ZCuSn10P1铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn砂模铸造 150 180 砂模铸造 113 135 金属模铸造 220 268 金属模铸造 128 140蜗杆螺旋面的硬度 45HRC 45HRC聊城大学 汽车学院 汽车工程系2 蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算校核计算：设计公式：F-许用弯曲应力；表5-9 蜗轮的许用弯

19、曲应力F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聊城大学 汽车学院 汽车工程系校核计算：设计公式：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。Y-为螺旋角影响系数，Y=1-/140F-许用弯曲应力；聊城大学 汽车学院 汽车工程系3.73.63.53.43.33.2

20、3.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.73.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.710 11 12 13 14 15 16 18 20 25 30 40 50 80 100 400 Zv 图5.13 蜗轮的齿形系数x2=-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聊城大学 汽车学院 汽车工程系112p112p由相对运动原理可知:v2=v1+vS 齿面间滑动速度vS及蜗轮转向的

21、确定=v1/cos vS=v2 2+v1 2作速度向量图，得:v2=v1 tanv2ttv1v2vS5.5 蜗杆传动的滑动速度、效率及热平衡计算22聊城大学 汽车学院 汽车工程系5.5.2 蜗杆传动的效率功率损耗：啮合摩擦损耗、轴承摩擦损耗、搅油损耗。=（0.950.96）tan(+v)tan 蜗杆主动时，总效率计算公式为：式中:为蜗杆导程角；v称为当量摩擦角，v=arctan f vf v为当量摩擦系数，Z1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 tan=Z1/q v，f v取值见下页表 聊城大学 汽车学院 汽车工程系3.00 0.028

22、 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 滑动速度 fv v fv v fv v fv v fv v 0.01 0.11 6 17 0.1

23、2 651 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聊城大学 汽车学院 汽车工程系由热平衡条件：1=2,得：ti=t0+d S1000P1(1-)其中：P1-蜗杆传递的功率；d-表面散热系数；一般取

24、：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(ti-t0)-蜗杆传递的效率；ti-工作油温，一般取：6070 t0-工作环境温度，一般取：20 保持工作温度所需散热面积：S=m2d(ti t0)1000P1(1-)5.5.3 蜗杆传动的热平衡计算聊城大学 汽车学院 汽车工程系 当工作油温：ti 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、循环油冷却。油泵冷却

25、器冷却水聊城大学 汽车学院 汽车工程系蜗杆传动的散热措施聊城大学 汽车学院 汽车工程系聊城大学 汽车学院 汽车工程系聊城大学 汽车学院 汽车工程系聊城大学 汽车学院 汽车工程系5.6 蜗杆传动的结构蜗杆的结构:通常与轴制成一体z1=1或2时：b1(11+0.06z2)mmz1=4时:b1(12.5+0.09z2)mmb1 蜗杆轴蜗杆长度b1的确定：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：加工螺旋部分时可用车制或铣制的办法。聊城大学 汽车学院 汽车工程系蜗轮齿宽角 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

26、 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 de2de2de2de2BBBBc cc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聊城大学 汽车学院 汽车工程系整体式蜗轮齿圈式蜗轮聊城大学 汽车学院 汽车工程系铰制孔螺栓连接式 拼铸式聊城大学 汽车学院 汽车工程系1、与齿轮传动相比较，不能作为蜗杆传动的优点。A、传动平稳B、传动比可以较大C、可产生自锁D、传动效率高 2、阿基米德圆柱蜗杆与蜗轮传动的 模数，应符合标准值。A、端面 B、法面C、中间平面3、在标准蜗杆传动中，蜗杆头数一定时，若增大蜗杆直径系数，将使传动效率。A、提高B、减小C、不变D、增大也可能减小4、在其它条件相同时，若增加蜗杆头数，则滑动速度。A、增加B、不变C、减小D、可能增加也可能减小DCBA聊城大学 汽车学院 汽车工程系5、蜗杆常用材料是。A、HT150 B、ZCuSn10P1C、45号钢D、GCr156、对蜗杆传动进行热平衡计算，其主要目的是为了防止温升过高导致。A、材料的机械性能下降B、润滑油变质C、蜗杆热变形过大D、润滑条件恶化而产生胶合失效7、在蜗杆传动设计中，除规定模数标准化外，还规定蜗杆直径取标准值，其目的是。A、限制加工蜗杆的刀具数量B、限制加工蜗轮刀具的数量，并便于刀具的标准化C、便于装配D、提高加工精度CDB