机械设计CH11-蜗杆传动

第十一章蜗杆传动§11-1蜗杆传动的类型§11-2普通蜗杆传动的参数与尺寸§11-3普通蜗杆传动的承载能力计算§11-5普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡§11-6圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计蜗杆传动是一种在空间交错轴间传递动力与运动的机构。蜗杆传动的主要特点有：1．传动比大，可为i=5~80，结构紧凑；2．啮合齿数多，传动平稳，噪声低；3．蜗杆传动可实现自锁；4．发热量大，效率较低，自锁时效率通常低于50%。5.常需耗用有色金属。第十一章蜗杆传动§11-1蜗杆传动的类型§11-2普通蜗杆传动的参数与尺寸§11-3普通蜗杆传动的承载能力计算§11-5普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡§11-6圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计螺旋角与导程角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圆柱蜗杆传动环面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1、圆柱蜗杆传动阿基米德ZA蜗杆法向直廓ZN蜗杆渐开线ZI蜗杆圆弧圆柱ZC蜗杆2、环面蜗杆传动3、锥蜗杆传动第十一章蜗杆传动§11-1蜗杆传动的类型§11-2普通蜗杆传动的参数与尺寸§11-3普通蜗杆传动的承载能力计算§11-5普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡§11-6圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计中间平面（主平面）垂直于蜗轮轴线且通过蜗杆轴线的平面，称为中间平面。蜗杆蜗轮在其中间平面内，相当于齿轮与齿条的啮合传动。正确啮合条件21旋向相同mmmta2121ta1）模数m和压力角中间平面上的模数（ma1，mt2）和压力角（a1，t2）为标准值。2）蜗杆的分度圆直径d1蜗轮的对偶法加工：为了保证蜗杆与配对蜗轮的正确啮合，常用与蜗杆具有相同尺寸的蜗轮滚刀来加工与其相配的蜗轮。主要参数及选择由于所用滚刀的几何参数与蜗杆相同，故不同尺寸的蜗杆，必须采用不同直径的滚刀。为了减少滚刀的型号，便于刀具的标准化，将蜗杆分度圆圆直径d1定为标准值，即对应于每一标准模数m规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1，并把d1与m的比值称为蜗杆直径系数q。q为导出值蜗杆的标准模数与分度圆直径：3）导程角当m一定时，q增大，则d1变大，蜗杆的刚度及强度相应提高，因此m较小时，q选较大值；当q取较小值时，γ增大，效率η提高，故在蜗杆轴刚度允许的情况下，应尽可能选较小的q值；为了满足各种需要，对同一m，允许q值在一定的范围内变动，以便选用不同的标准蜗杆直径d1。模数m/mm分度圆直径d1/mm蜗杆头数z1直径系数qm2d1/mm3模数m/mm分度圆直径d1/mm蜗杆头数z1直径系数qm2d1/mm32.5(22.4)1,2,48.9601406.3(50)1,2,47.9361985281,2,4,611.200175631,2,4,610.0002500(35.5)1,2,414.200221.9(80)1,2,412.6983475451(自锁)18.0002811121(自锁)17.77844453.15(28)1,2,48.889277.88(63)1,2,47.875403235.51,2,4,611.270352.2801,2,4,610.0005120(45)1,2,414.286446.5(100)1,2,412.5006400561(自锁)17.7785561401(自锁)17.50089604(31.5)1,2,47.87550410(71)1,2,47.1007100401,2,4,610.000640901,2,4,69.0009000(50)1,2,412.500800(112)1,2,411.20011200711(自锁)17.75011361601(自锁)16.000160005(40)1,2,48.000100012.5(90)1,2,47.20014062501,2,4,610.00012501121,2,48.96017500(63)1,2,412.6001575(140)1,2,411.20021875901(自锁)18.00022502001(自锁)16.000312504）蜗杆的头数z1（即齿数）较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通常蜗杆头数取为1、2、4、6。从制造方面，头数越多，蜗杆制造精度要求也越高；从提高效率看，头数越多，效率越高；若自锁，应选择单头从提高传动比方面，应选择较少的头数。5）传动比i6）蜗轮齿数z2蜗轮齿数z2=iz1。z2不宜太小（如z226)，否则啮合区将减小，传动平稳性变差。对于动力传动，为保证传动的平稳性，z2不应少于28，一般选z2＝32～63。z2也不宜太大（如z280)，否则在模数一定时，蜗轮直径将增大，从而使相啮合的蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的弯曲刚度。分度机构除外。一般圆柱蜗杆传动减速装置的传动比i的公称值：5，7.5，10，12.5，15，20，25，30，40，50，60，70，80。7）标准中心距蜗杆传动的变位特点：为保持刀具的标准化，蜗杆不变位，仅对蜗轮变位。变位目的：1）凑中心距齿数不变中心距变mxaa2-'2）凑传动比齿数变中心距不变mxZqmZqm2'22)(21)(212'222ZZx2'2ZZaa'2'2ZZaa'maax2凑中心距，如c图，齿数不变，中心距变大凑传动比，如e图，中心距不变，齿数变少02x几何参数计算第十一章蜗杆传动§11-1蜗杆传动的类型§11-2普通蜗杆传动的参数与尺寸§11-3普通蜗杆传动的承载能力计算§11-5普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡§11-6圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计蜗杆传动的受力分析在不计摩擦力时：注意各力的对应关系：Fa2=-Ft1；Fa1=-Ft2；Fr1=-Fr2转向关系判断Ft2Fr1Fr2Fx1Fx2n1n1⊙⊙n2n2Ft1蜗杆传动的相对滑动vs由于相对滑动速度vs比蜗杆圆周速度v1还要大，因此,在蜗杆传动齿廓之间产生很大的相对滑动，引起磨损和发热，导致效率较低。蜗杆传动的常用材料蜗杆：常用碳钢或合金钢（保证强度）蜗杆传动用材料不但有强度要求，还应该具备良好的跑合性、减摩性和耐磨性能。对于不太重要的传动及低速中载蜗杆，常用40、45等钢经调质或正火处理，220～230HBS；对高速重载蜗杆常用15Cr、20Cr、20MnTi和20MnVB等经渗碳淬火，56～63HRC，也可用45、40Cr、40CrNi等经表面淬火，45～50HRC。蜗轮：常用有色金属或铸铁（保证减磨）蜗轮材料：铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。低速轻载传动（vs2m/s）可用灰铸铁HT150、HT200等；低速重载传动，则用9-3铝青铜制造；高速传动，可采用10-1锡青铜，6-6-3锡青铜等制造，因它具有较好的耐磨性，但价格高，一般用于vs≥3m/s的重要传动；对于尺寸较大的蜗轮，常采用青铜轮冠，铸铁轮芯。蜗杆传动的主要问题是相对滑动速度大，效率低，发热量大。主要失效形式：胶合、磨损、点蚀。由于材料和齿形的原因，蜗杆螺旋齿的强度要高于蜗轮轮齿的强度，所以失效经常发生在蜗轮轮齿上。因此，强度计算以蜗轮为准，而刚度计算以蜗杆为准。蜗杆传动的失效形式防止蜗杆刚度不足引起的失效蜗杆的刚度计算开式：齿面磨损和轮齿折断蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算闭式：齿面胶合或齿面点蚀蜗轮齿面接触疲劳强度计算防止过热引起的失效传动系统的热平衡计算目前对胶合与磨损的计算还缺乏适当的方法和数据，因而通常只是仿照圆柱齿轮进行齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的条件性计算，并在选取许用应力时，适当考虑胶合和磨损失效因素的影响。蜗杆传动的设计准则蜗杆传动的强度计算ZE为材料的弹性影响系数T2为作用在蜗轮上的转矩许用接触应力，根据材料的失效形式而不同（高强度和低强度材料）1）蜗轮齿面接触疲劳强度计算高强度青铜：防胶合低强度青铜：防疲劳点蚀许用弯曲应力：考虑循环次数的影响？弯曲强度不足多发生在开式传动或齿数较多的闭式传动中，对闭式蜗杆传动通常只进行弯曲强度校核，避免影响其运动平稳性。仿斜齿轮：加寿命系数KN2）蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算由于蜗杆的跨度较大，因此刚度计算以蜗杆为准；以齿根圆直径为等效轴颈。蜗杆传动的刚度计算蜗杆传动的精度选择（3个公差组）GB10089－88对普通圆柱蜗杆传动规定了1～12个精度等级1级精度最高，其余等级依次降低，12级为最低，6～9级精度应用最多6级精度传动一般用于中等精度的机床传动机构，圆周速度v2≥5m/s7级精度用于中等精度的运输机或高速传递动力场合,速度v2≥7.5m/s8级精度一般用于一般的动力传动中，圆周速度v2≥3m/s9级精度一般用于不重要的低速传动机构或手动机构第十一章蜗杆传动§11-1蜗杆传动的类型§11-2普通蜗杆传动的参数与尺寸§11-3普通蜗杆传动的承载能力计算§11-5普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡§11-6圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计蜗杆传动的相对滑动vs由于相对滑动速度vs比蜗杆圆周速度v1还要大，因此在蜗杆传动齿廓之间产生很大的相对滑动，引起磨损和发热，导致效率较低。蜗杆传动的效率h1─计及啮合摩擦损耗的效率h2─计及轴承摩擦损耗的效率h3─计及搅油损耗的效率其中，h1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：总效率h约为：转矩T2？蜗杆传动的润滑重要性：由于齿廓间相对滑动速度大，发热量大。若润滑不良，会导致效率显著降低，产生剧烈磨损，甚至胶合。方式：对开式传动，采用粘度较高的润滑油或润滑脂。对闭式蜗杆传动，根据相对滑动速度润滑油和给油方式。目的：在于减摩与散热。蜗杆传动的热平衡计算系统因摩擦功耗产生的热量为：自然冷却从箱壁散去的热量为：热平衡可用于热平衡验算，一般to≤70~80℃；可用于结构设计。其中：d－箱体表面的传热系数，可取(8.15~17.45)W/(m2•℃)；S－箱体的可散热面积(m2)；t0－润滑油的工作温度(℃)；ta－环境温度(℃)。普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡4一般情况下，蜗杆采用下置式或侧置式，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当蜗杆圆周速度v14m/s时，为减少搅油损失或便于喷油润滑，才将蜗杆上置，其浸油深度约为蜗轮外径的1/3。蜗杆传动的安装与维护蜗杆传动安装要求精度高。应使蜗轮的中间平面通过蜗杆的轴线。如右图所示。为保证传动的正确啮合，工作时蜗轮的中间平面不允许有轴向移动，因此蜗轮轴支撑应采用两端固定的方式。蜗杆传动的维护很重要，注意周围的通风散热情况。第十一章蜗杆传动§11-1蜗杆传动的类型§11-2普通蜗杆传动的参数与尺寸§11-3普通蜗杆传动的承载能力计算§11-5普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡§11-6圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计蜗杆螺旋部分的直径不大，所以常和轴做成一个整体。无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。有退刀槽，螺旋部分可车制，也可用铣制加工，但该结构的刚度较前一种差。当蜗杆螺旋部分的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。蜗杆的结构为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下：整体式蜗轮配合式蜗轮拼铸式蜗轮螺栓联接式蜗轮蜗轮的结构整体式蜗轮配合式蜗轮拼铸式蜗轮螺栓联接式蜗轮本章小结参数计算及其选择受力分析及旋向判断相对滑移较大习题已知蜗杆传动：z1=2,m=4mm,d1=40mm,z2=48,n1=90r/min,P1=10kWfv=0.08,=20求：（1）蜗轮转向；（2）啮合效率；（3）蜗轮受力的大小与方向。传动类型的选择传递大功率时，一般均采用圆柱齿轮。在联合使用圆柱、圆锥齿轮时，应将圆锥齿轮放在高速级。圆柱齿轮和斜齿轮相比，一般斜齿轮的强度比直齿轮高，且传动平稳，所以用于高速场合。直齿轮用于低速场合。直齿圆锥齿轮仅用于v≤5m/s的场合，高速时可采用曲面齿由工作条件确定选用开式传动或闭式传动。蜗杆的圆周速度v4m/s时，采用下置式蜗杆传动；v