第十一章蜗杆传动

第十一章蜗杆传动11.1蜗杆传动的类型和特点一、特点①传递相错轴间的运动和动力，常用②传动比大、准确恒定，③传动平稳、噪声小（蜗杆的齿连续啮合）④可以实现自锁⑤效率低，=1，η=（0.7~0.75）；=2，η=(0.75~0.82)；=3~4，η=(0.82~0.92)⑥齿面间滑动速度大,发热量大（热平衡计算）⑦技术数据：=4000r/min,=69m/s,=1000kW,=700kNm二、类型按蜗杆的形状分（一）、圆柱蜗杆1、阿基米德蜗杆（ZA）①加工方法：梯形直刃车刀加工，刀刃在轴截面内（与加工普通梯形螺纹时相同）②齿形：蜗杆：轴垂面内—齿廓曲线为阿基米德螺线轴剖面内—齿廓为直线，轴面齿形角（直齿条齿廓）蜗轮：中间平面内—齿廓为渐开线③特点：加工简便，应用最广；不便磨削，精度较低2、渐开线蜗杆（ZI）①加工方法：两把梯形直刃刀加工，刀具切削刃面与蜗杆基圆柱相切②齿形：蜗杆：轴垂面内—齿廓为渐开线轴剖面内—齿廓为凸齿廓；法面齿形角基圆柱切面内—齿廓为直线③特点：可滚切、可磨削，制造精度较高3、延伸渐开线蜗杆（ZN）①加工方法：直刃车刀切削刃在蜗杆螺旋线的法面内②齿形：蜗杆：轴垂面内—齿廓曲线为延伸渐开线轴剖面内—齿廓为凸齿廓蜗杆齿法面—齿廓直线，法面齿形角③特点：可车、用指状铣刀或盘铣刀加工；磨削困难4、锥面包络圆柱蜗杆①加工方法：直刃铣刀或砂轮在蜗杆螺旋线齿间法面内②齿形：蜗杆：轴垂面内—齿廓曲线为近似阿基米德螺线轴剖面内—齿廓为凸齿廓蜗杆齿法面—齿廓凸齿廓③特点：不能车、可磨获得高精度，应用日趋广泛5、圆弧圆柱蜗杆①加工方法：凸圆弧形切削刃车刀加工②齿形：蜗杆：轴剖面内—凹弧形蜗轮：端面齿廓—凸圆弧（范成法加工）③特点：效率90%以上，承载能力比普通蜗杆高50~150%，广泛应用于各类减速机中。（二）、环面蜗杆①加工方法：平面二次保络②齿形：蜗杆轴面和蜗轮端面—均为直线齿廓蜗轮节圆在蜗杆节弧面上②特点：润滑角近似90o,利于润滑油模形成对制造和安装精度要求高（三）、锥蜗杆①蜗杆—节锥面上分布等导程螺旋线齿蜗轮—类似螺旋锥齿轮（用与锥蜗杆一致的锥滚刀在滚齿机上加工）②特点：同时接触点数多、重合度大、承载大传动比达10~360；11.2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算11.2.1蜗杆传动的主要参数及其选择蜗杆蜗轮机构是由交错轴斜齿圆柱齿轮机构演变而来的，如图所示交错角=90°、螺旋角旋向相同，小齿轮螺旋角很大，分度圆柱直径较小、轴向长度较长、齿数很少，外形像一根螺杆，称为蜗杆。蜗轮实际上是一个斜齿轮。规定通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面为中间平面。1.蜗杆的头数Z1和蜗轮的齿数Z2和传动比i（1）蜗杆头数：z1=1-4：●单头：i大，易自锁，效率低，精度高。●多头：η↑，但加工困难，精度降低。（2）蜗轮齿数：z2=27-80Z2过大，m过小，轮齿弯曲强度↓m不变，Z2过大，d2过大，蜗杆支承跨距↑，蜗杆弯曲赐度↓（3）、传动比和齿数比u——齿数比——大齿轮齿数比小齿轮齿数；传动比——从动轮齿数比主动轮齿数uZZnni12212.模数和压力角蜗杆传动的设计计算都是以中间平面内的参数和几何关系为标准。在中间平面上，蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。（中间轴）主平面内蜗杆蜗轮传动相当于——齿条与渐开线齿轮（阿基米德蜗杆）主平面：蜗杆——轴面1am,1a；蜗轮——端面2tm，2t12122atatmmm——正确合条件3.蜗杆分度圆螺旋导程角将蜗杆分度圆上的螺旋线展开，如图所示，则蜗杆的导程角为111111aZZPPZmZtgqdddZ1、q已知时，导程角即为定值4.蜗杆分度圆直径d1及蜗杆直径系数q由于加工蜗轮须用与之啮合的蜗杆参数相同的滚刀来加工，所以对于同一尺寸的蜗杆必须一把对应的蜗轮滚刀，即对同一模数不同直径的蜗杆，必须配相应数量的滚刀。∴为了限制蜗轮滚刀的数量，取蜗杆直径d1为标准值，并引入直径系数q.（1）蜗杆的分度圆直径d111tanzdm（2）直径系数q1tanzqd1=mq5.蜗杆传动的中心距a)(21)(2)(2121221ZZmZqmdda11.2.2蜗杆传动的几何尺寸计算标准圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算公式见表11.3。名称符号蜗杆蜗轮齿顶高齿根高全齿高分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径蜗杆导程角蜗轮螺旋角节圆直径中心距11.3蜗杆传动的失效形式和计算准则11.3.1蜗杆传动的失效形式主要有点蚀、齿根折断、齿面胶合和磨损。最常见失效是齿面胶合和过度磨损。11.3.2设计准则:开式传动：主要失效是齿面磨损和轮齿折断。设计准则：按齿根弯曲疲劳强度为设计准则。闭式传动：主要失效是胶合和点蚀。设计准则：按齿面接触疲劳强度设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。11.4蜗杆传动的材料和结构11.4.1蜗杆传动常用材料1、要求：1）足够的强度；2）良好的减摩、耐磨性；3）良好的抗胶合性2、蜗杆材料40、45，调质HBS220~300——低速，不太重要40、45、40Cr，表面淬火，HRC45~55——一般传动15Cr、20Cr、12CrNiA、18CrMnT1、O20CrK渗碳淬火、HRC58~63——高速重载3、蜗轮铸铸青铜（ZCuSn10P1，ZCuSn5P65Zn5）——VS≥3m/s时，减摩性好，抗胶合性好，价贵，强度稍低。铸铝铁青铜（ZcuAl10Fe3）——VS≤4m/s，减摩性、抗胶合性稍差，但强度高，价兼铸铁：灰铁；球墨铁。——VS≤2m/s，要进行时效处理、防止变形。11.4.2蜗杆和蜗轮的结构1、蜗杆常与轴制成一体，称为蜗杆轴——铣制蜗杆车制蜗杆2、蜗轮——组装式：齿圈用青铜，轮芯用铸铁（为节省青铜）整体式：铸铁蜗轮，尺寸很小的青铜蜗轮11.5蜗杆传动的强度计算一、蜗杆传动的受力分析1、力大小11212taTFFd22122taTFFd122tanrrtFFF21121TTi2222coscoscoscostnnnFTFd2．力的方向和蜗轮转向的判别：Ft“主反从同”，Fr指向轴线Fa1按蜗杆左（右）手螺旋定则确定。把蜗杆看成螺杆，蜗轮视为螺母，当螺杆只能转动而不能移动时，螺母移动的方向即表示蜗轮圆周速度的方向，由此即可确定蜗轮的转向二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算1、蜗轮齿面接触疲劳强度计算，由赫其公式（Hertz）按主平面内斜齿轮与齿条啮合进行强度计算校核公式：2222212123.25/3.25[]HEEKTZKTddZmdz设计公式：221223.25()[]EHZmdKTz11.6蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算一、蜗杆传动的效率蜗杆传动的效率——功率损耗分三个部分321（11-17）1——由啮合摩擦损耗所决定的效率)(/1Vtgtg（11-18）——蜗杆分度圆柱上的导程角；V——当量摩擦角；VVarctgfVf——当量摩擦系数，V——查表11-92——轴承的效率3——蜗杆或蜗轮搅油引起的效率蜗杆—（蜗杆下置）；蜗轮—（上置）一般96.0~95.032∴)(/)96.0~95.0(321Vtgtg（11-17a）与Z1有关Z11，2，4，60.7，0.8，0.9，0.95普通蜗杆二、蜗杆传动的润滑目的：1）提高效率；2）降低温升，防止磨损和胶合。方法：蜗杆上置式浸油润滑：润滑效果较差，但搅油损失小；蜗杆下置式浸油润滑：润滑效果较好，但搅油损失大。三、蜗杆传动热平衡计算原因：摩擦热使温升较高，润滑油粘度下降，加剧磨损和胶合。设蜗杆传动功率为PKW,效率为∴蜗杆传动单位时间的发热量为H1H1=1000P（1-）W若以自然冷却方式，单位时间散热量为H2H2=KdS(t-t0)WKd——箱体表面散热系数，取Kd=8.15~17.45W/(m2、℃)（与通风条件有关）S——箱体散热面积（内表面能被油溅到，而外表面又可为周围空气冷却的箱体表面面积）t——油的工作温度，一般应限制在60~70℃，最高不超过80℃，tmax≤80℃t0——环境温度，一般取t0=20℃达到热平衡时：1000P（1-）=KdS(t-t0)∴热平衡时的温度：CtCSKPttd80][)()1(10000（11-19）所需的最小散热面积：)()1(10000ttKPSd（m2）（11-20）如t80°时措施：1、加散热片以增大散热面积2、蜗杆轴端加风扇，用强制风冷却3、在传动箱内安装循环冷却管路如加装风扇，引起附加功率损耗：52105.1FFVP（KW）（总功率损耗)1)((FFPPP），UF——风扇时轮圆用速度（100060FFFnDV（m/s）），其中，DF为风扇叶轮外径mm；nF——风扇转速（r/min）单位时间内产生热量：)1)((10001FPPHKW单位时间内散热量：))((0212ttSKSKHddWS1，S2——分别为风冷面积和自然冷却面积，m2Kd’——风冷时的表面传热系数。由H1=H2，同样可得热平衡时的油温t210)1)((1000SKSKPPttddF（℃）如果t180°时采取措施：1．加散热片以增大散热面积。2．蜗杆轴端加风扇，用强制风冷却。3．在传动箱内安装循环冷却管路。4．采用压力喷油润滑