机械设计基础之蜗杆传动WormGear

《机械设计（Ⅲ）（零件）》第6章蜗杆传动蜗杆传动的特点蜗杆传动的失效形式、材料选择、设计准则蜗杆传动的受力蜗杆传动的承载能力计算蜗杆传动的效率及热平衡计算蜗杆传动的参数选择蜗杆传动的设计本章大纲第一项第二项第二项6.1概述变应力作用下的失效特征蜗轮蜗杆形成蜗杆传动分类蜗杆传动特点蜗杆传动：是用来传递空间两900交错轴间的运动和动力的，由蜗杆和蜗轮组成。蜗轮蜗杆交错轴斜齿圆柱齿轮小齿轮的b1较大，形像螺杆，称为蜗杆大齿轮b2较小，d2很大，b2较短，齿数z2很多，类似一斜齿轮，称为蜗轮。为了改善啮合状况，将蜗轮分度圆柱面的直母线改为圆弧形，使它部分地包住蜗杆第一项第二项第二项6.1概述变应力作用下的失效特征蜗轮蜗杆形成蜗杆传动分类蜗杆传动特点蜗杆是一具有梯形螺纹或接近梯形螺纹的螺杆，蜗杆传动可以视为螺旋传动（其中蜗轮可以视为特殊的开式螺母）。在通过蜗轮中间平面所截的蜗杆轴向平面内可见，蜗杆传动又可视为斜齿圆柱齿轮与齿条的啮合传动。第一项第二项第二项6.1概述蜗杆加工蜗轮加工变应力作用下的失效特征蜗轮蜗杆形成蜗杆传动分类蜗杆传动特点为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，要用与蜗杆尺寸相同的蜗杆滚刀来加工蜗轮。第一项第二项第二项6.1概述1、按蜗杆形式分类圆柱蜗杆传动环面蜗杆锥蜗杆同时相啮合的齿对多，承载能力大，效率高；但需要较高的制造和安装精度同时接触的齿的对数多；重合度大，传动平稳两者离合方便﹐可兼作离合器使用制作、安装容易；承载能力较低；蜗轮蜗杆形成蜗杆传动特点蜗杆传动分类第一项第二项第二项第一项第二项第二项（1）阿基米德圆柱蜗杆（ZA）（2）渐开线圆柱蜗杆（ZI）端面齿廓：阿螺旋线齿面：阿螺旋面轴向齿廓：直线法向齿廓：凸廓加工工艺：车、斜插齿、不易磨削、精度低端面齿廓：渐开线齿面：渐开线螺旋面轴向齿廓：凸廓蜗杆基圆切面内：直线＋凸曲线加工工艺：车、滚铣、磨（单面/单锥面砂轮）其他：效率高6.1概述蜗轮蜗杆形成蜗杆传动特点蜗杆传动分类按蜗杆齿廓形状以及形成原理不同分为：第一项第二项第二项（3）法向直廓圆柱蜗杆（ZN）端面齿廓：延伸渐开线齿面：延伸渐开面法向齿廓：直廓轴向齿廓：微凹廓线加工工艺：车、盘铣、指铣、直母线砂轮磨端面齿廓：近似阿螺旋线齿面：凸廓法向齿廓：凸廓轴向齿廓：凸廓加工工艺：双锥面盘铣、双锥面砂轮其他：齿形曲线复杂、设计困难（4）锥面包络圆柱蜗杆（ZK）6.1概述蜗轮蜗杆形成蜗杆传动特点蜗杆传动分类第一项第二项第二项（5）圆弧圆柱蜗杆（ZC）端面齿廓：阿基米德螺旋线齿面：圆弧形凹面轴向齿廓：圆弧凹廓加工工艺：刃边为凸圆弧形的刀具其主要特点为：效率高，一般可达90％以上，承载能力高，一般可较普通圆柱蜗杆传动高出50％一150%；体积小；质量小；结构紧凑。这种传动已得到广泛应用。6.1概述蜗轮蜗杆形成蜗杆传动特点蜗杆传动分类第一项第二项第二项6.1概述优点传动平稳传动比大，结构紧凑可设计成自锁缺点效率低传动功率小（60kW）不易作长期运转蜗轮蜗杆形成变应力作用下的失效特征蜗杆传动分类蜗杆传动特点在动力传动中，i=5--80;在分度机构或手动机构的传动中，可达300；若只传递运动，可达1000。结构紧凑逐入啮合及逐出啮合，啮合齿对多蜗杆为主动件当传动可自锁时，效率仅为0.4左右,蜗轮须采用减磨材料第一项第二项第二项6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算变应力作用下的失效特征主要参数蜗杆传动变位几何尺寸计算做通过蜗杆轴线并与涡轮轴线垂直的平面，称为中间平面（主平面）。相当于蜗杆的端面、蜗杆的轴面。在这个平面内即蜗轮的端面、蜗杆的轴面。在这个平面内，蜗轮蜗杆传动相当于渐开线齿轮与直齿条的啮合传动。因此，涡轮传动的啮合条件就是：1蜗杆轴面的模数和压力角=蜗轮端面的模数和压力角2蜗轮和蜗杆的旋向相同设计蜗杆传动时，均取中间平面的参数和尺寸为基准，进行相关计算第一项第二项第二项6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算变应力作用下的失效特征主要参数蜗杆传动变位几何尺寸计算1、模数m和压力角（齿形角）amx1=mt2=m,ax1=at2=a2、导程角g和蜗轮螺旋角b蜗杆g＝涡轮b;（旋向同）一般采用右旋;自锁g=3.5o一般g=15～30o，g↑效率↑图11-17tang=pz1/pd1=z1px1/pd1=z1pmx1/pd1=z1mx1/d1=z1/qq=d1/mx1)tan(/tan/vdrWW==蜗杆直径系数蜗杆轴向压力角&法向压力角的关系第一项第二项第二项6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算变应力作用下的失效特征主要参数蜗杆传动变位几何尺寸计算4、蜗杆头数Z1蜗轮齿数Z2Z1的选择:1大传动比、自锁（并且，g=3.5o）2，4，6传动速度高、传动效率高Z2的选择:28～70动力传动3、蜗杆的分度圆直径d1和直径系数qmdq1=蜗杆分度圆直径d1的标准化、系列化（表16－4）满足刚度和强度前提下，尽量取小的q值和d1值（导出值）Z2不能取过大？111tanzmdg=为了限制涡轮滚刀的数目，便于滚刀标准化，每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径12xtmmm==第一项第二项第二项6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算变应力作用下的失效特征主要参数蜗杆传动变位几何尺寸计算5、传动比i和齿数比unZinZ==主主小大ZZu=6、标准中心距a)(21)(2212ZZmZqma=在动力传动中，i=5—80（常用15-50）;在分度机构或手动机构的传动中，可达300；若只传递运动，可达1000。从从u避免整数提高加工精度仅和齿数比的关系分度圆直径之和（无变位）第一项第二项第二项a'DaO2aDad1(c)蜗杆中心线分度线d'1节线a'PO2Da蜗杆中心线Da(a)d'1d1PO2分度线(节线)分度线d1=d'1节线(b)蜗杆中心线P6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算主要参数几何尺寸计算蜗杆传动变位变位的目的：(1)配凑中心距(2)改变传动比变位方法：蜗轮变位1）凑中心距：，Z2不变，，传动比i不变aa22ZZ=0.50.5x0.5(2)amqz=220.5(2)amqzx=220.5(2)amqzx=已知a’,m,q,计算变位系数x2?220.5()xamqz=推荐：变位后蜗轮的节圆仍与分度圆重合，而蜗杆在中间平面上的节线不再与其分度线重合。X0X=0X0第一项第二项第二项6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算主要参数几何尺寸计算蜗杆传动变位2）凑传动比：，Z2改变aa=22ZZ12121212ZZiZZi==0.5x=220.5(2)amqzx=222()2xzz=已知z2,z’2计算变位系数x2?结论：分度线d1(d)aDaP蜗杆中心线节线d'1O2d1节线分度线DaO2(e)蜗杆中心线d'1a'P220.5(2)amqzx=20.5()amqza==O2a分度线(节线)d1=d'1蜗杆中心线PX0X=0X0Z’2Z2Z’2Z2整数倍第一项第二项第二项蜗杆传动变位的特点：为了保持刀具尺寸不变，不能改变蜗杆的尺寸，因而只能对蜗轮进行变位。（1）蜗轮齿数不变，中心距：（2）中心距不变，则蜗轮齿数：)2(2)(21221xzqmdda==22222222222zzxxzzxzqmzqma====则故）（）（因第一项第二项第二项6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算变应力作用下的失效特征主要参数蜗杆传动变位几何尺寸计算蜗轮传动的方向判别：右旋用右手，左旋用左手，四指表示蜗杆（或涡轮）转动方向，大拇指的反向表示蜗轮（蜗杆）在啮合点的速度方向，从而确定其转向。第一项第二项第二项6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算主要参数变应力作用下的失效特征蜗杆传动变位几何尺寸计算蜗杆主要参数分度圆直径d1节圆直径d'1齿根圆直径df1齿顶圆直径da1齿形角axan分度圆导程角g节圆导程角g'轴向齿距px1导程pz1直径参数齿形及齿间参数螺旋参数蜗杆齿宽b1基本参数直径系数q轴向模数m头数z1mdq1=1dmq=122dmqx=1xpmp=11tanzmdg=12tan(2)zqxg=1112aaddh=20oxa=20ona=ZAZ,NIKam=mcosnmg=第一项第二项第二项6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算主要参数变应力作用下的失效特征蜗杆传动变位几何尺寸计算外圆直径齿顶圆直径中圆直径分度（节）圆直径齿根圆直径齿顶圆直径节圆直径分度（中）圆直径齿根圆直径啮合点第一项第二项第二项6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算主要参数变应力作用下的失效特征蜗杆传动变位几何尺寸计算蜗轮主要参数分度圆/节圆直径d2中圆直径dm2齿顶圆直径da2齿根圆直径df2齿形角ax中圆螺旋角bm2节圆螺旋角b2直径参数齿形及齿间参数螺旋参数蜗轮齿宽b2基本参数模数m齿数z2222ddmz==2222ffddh=212mdad=2bg=2mbg=第一项第二项第二项6.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算主要参数变应力作用下的失效特征蜗杆传动变位几何尺寸计算安装主要参数非变位中心距a'传动比i变位系数x非变位中心距a20.5()amqz=2220.5(2)amqzxaxm==1221nZinZ==第一项第二项第二项第一项第二项第二项第一项第二项第二项6.3蜗杆传动的滑动速度、效率、自锁和润滑V2——蜗轮节点圆周速度1111cos100060cosVndVVS==gpg蜗杆蜗轮齿面间相对滑动速度Vs1、易发生齿面磨损和胶合2、如润滑条件良好,有助于形成润滑油膜，减少摩擦、磨损，提高传动效率变应力作用下的失效特征滑动速度效率与自锁润滑第一项第二项第二项6.3蜗杆传动的滑动速度、效率、自锁和润滑321=——由啮合摩擦损耗所决定的效率——轴承的效率，滚动取0.99，滑动取0.98~0.991——蜗杆或蜗轮搅油引起的效率,取0.95~0.992滑动速度润滑效率与自锁33e/()tgtggg=——当量摩擦角查表16-6，与材料组合，齿面硬度和滑动速度有关；e第一项第二项第二项Ft2Ft1FfvsFt1－主动力Ft2－有效输出力Ff－摩擦阻力ggN蜗杆主动、蜗轮从动蜗杆主动蜗轮从动时的效率计算11322ee1()()ttPFltgtgPFltgtggggg====出入11tPFl=入22tPFl=出Ft1Ft2R21+第一项第二项第二项蜗杆从动蜗轮主动时的效率计算2e23e11()1()ttPFtgltgPFltgtggggg====出入22tPFl=入11tPFl=出蜗轮主动、蜗杆从动Ff－摩擦阻力Ft1－有效输出力Ft2－主动力vsFfFt1Ft2ggNFt1Ft2–R21’第一项第二项第二项6.3蜗杆传动的滑动速度、效率、自锁和润滑滑动速度润滑效率与自锁eg自锁条件：3/(2)0.5tgtggg效率预估（也可以查表）：设计时，需要预估(100/2)%i=啮合效率查表：蜗杆传动设计时，可根据蜗杆头数估取Z11(自锁)，1（非自锁），2，4，6效率0.4，0.7，0.8，0.9，0.95方一：方二：第一项第二项第二项6.3蜗杆传动的滑动速度、效率、自锁和润滑滑动速度变应力作用下的失效特征效率与自锁润滑目的：1）提高效率；2）降低温升，减少接触压力、减少磨损和防胶合1、根据滑动速度选取润滑油黏性和牌号——表16-9蜗杆下置式传动直接选取。如上置，则黏性提高30-50%。2、给油方法3、润滑油量蜗杆上置时浸油深度231ad1）油浴润滑；（考虑油量）2）压力喷油润滑（考虑压力）1.5～2.5bar蜗杆下置时浸油深度1h压力喷油润滑的喷油量根据中心距估计，压力1.5-2.5bar（参见书中表格）（1个齿高）润滑三个方面：润滑油黏