蜗杆传动特点

11.1蜗杆传动的类型和特点11.2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸11.3蜗杆传动的失效形式及材料选择11.4蜗杆传动的强度计算11.5蜗杆传动的效率与热平衡计算第11章蜗杆传动11.1蜗杆传动的类型和特点蜗杆传动用来传递空间两交错轴之间的运动和动力，一般两轴交角为90°，如图11-1所示。蜗杆传动由蜗杆与蜗轮组成。一般为蜗杆主动、蜗轮从动，具有自锁性，作减速运动。蜗杆传动广泛应用与各种机械和仪器设备之中。图11-1蜗杆传动11.1.1蜗杆传动的类型圆柱蜗杆传动环面蜗杆传动锥蜗杆传动11.1.2蜗杆传动的特点1、蜗杆传动的最大特点是结构紧凑、传动比大。一般传动比i=10-40，最大可达80。若只传递运动（如分度运动），其传动比可达1000。2、传动平稳、噪音小。3、可制成具有自锁性的蜗杆。4、蜗杆传动的主要缺点是效率较低。5、蜗轮的造价较高。蜗杆传动的特点和应用11.2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸11.2.1蜗杆传动的主要参数及其选择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.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。2.蜗杆分度圆直径d1及蜗杆直径系数q3.蜗杆分度圆螺旋导程角Z1、q已知时，导程角即为定值。4.蜗杆的头数Z1和蜗轮的齿数Z2可参考表。5.蜗杆传动传动比ii=n1/n2=Z2/Z16.蜗杆传动的中心距aa=(d1+d2)/2=m(q+Z2)/2名称符号说明模数m1）m的大小由强度计算确定，并按GB（表2）取标准值2）蜗杆轴向模数ma1=蜗轮端面模数mt2=模数m压力角α1）α的标准值是20°，动力传动允许25°，分度传动允许15°或12°2）ZA蜗杆轴向压力角αa=α；ZA、ZI、ZK蜗杆法向压力角αn=α蜗杆直径系数q1）是一个将蜗杆分度圆直径d1限制为标准值的参数：q=d1/m，其值见表22）引入该参数是为了限制切制蜗轮时所需要的滚刀数目，提高生产的经济性。蜗杆头数z1通常取z1=1、2、4、6，头数过多，导程角过大会使加工困难。蜗轮齿数z2为了保证始终有两对以上齿啮合，通常规定z228,以增加传动的平稳性传动比i121）i12=n1/n2=z2/z1=d2/（mz1）=（2a-d1）/（mz1）=（2a/m-q）/z12）减速传动时常用i=15~50，荐用的蜗杆头数与传动比之间的对应值见表1齿数比uu=蜗轮齿数z2/蜗杆头数z1，减速传动时u=i名称符号说明模数m1）m的大小由强度计算确定，并按GB（表2）取标准值2）蜗杆轴向模数ma1=蜗轮端面模数mt2=模数m压力角α1）α的标准值是20°，动力传动允许25°，分度传动允许15°或12°2）ZA蜗杆轴向压力角αa=α；ZA、ZI、ZK蜗杆法向压力角αn=α蜗杆直径系数q1）是一个将蜗杆分度圆直径d1限制为标准值的参数：q=d1/m，其值见表22）引入该参数是为了限制切制蜗轮时所需要的滚刀数目，提高生产的经济性。蜗杆头数z1通常取z1=1、2、4、6，头数过多，导程角过大会使加工困难。蜗轮齿数z2为了保证始终有两对以上齿啮合，通常规定z228,以增加传动的平稳性传动比i121）i12=n1/n2=z2/z1=d2/（mz1）=（2a-d1）/（mz1）=（2a/m-q）/z12）减速传动时常用i=15~50，荐用的蜗杆头数与传动比之间的对应值见表1齿数比uu=蜗轮齿数z2/蜗杆头数z1，减速传动时u=i11.2.2蜗杆传动的几何尺寸计算11.3蜗杆传动的失效形式及材料选择11.3.1、蜗杆传动的失效形式蜗杆传动的失效形式和齿轮传动相类似。由于材料和结构的原因,蜗杆螺旋部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度,所以失效常发生在蜗轮轮齿上。蜗轮传动中由于蜗杆与蜗轮齿面间的相对滑动速度较大,效率低,摩擦发热大,因此其主要失效形式是蜗轮齿面的胶合、点蚀和磨损。表11-1蜗杆、蜗轮配对材料表11-2铸锡青铜蜗轮许用应力［σH］表11-3铸铝青铜及铸铁蜗轮许用应力［σH］11.3.2、常用材料由蜗杆传动的失效分析可知,蜗杆、蜗轮的材料要具有优良的减摩性、耐磨性和抗胶合性能,并具有足够的强度。常用的蜗轮材料有:铸锡青铜ZCuSn10P1和ZCuSn5Pb5Zn5,适用于滑动速度较高的重要传动；铸铝青铜ZCuAl9Fe4Ni4Mn2和ZCuAl10Fe3,其抗胶合能力虽比锡青铜差,但强度较高,价格便宜,一般用于滑动速度小于10m/s的场合；滑动速度小于2m/s时,可用灰铸铁。蜗杆材料主要为碳钢和合金钢。为了防止变形,常对蜗轮进行时效处理。常用的蜗杆、蜗轮配对材料见表11-1。蜗轮常用材料的许用接触应力见表11-2和表11-3。11.4蜗杆传动的强度计算11.4.1蜗杆传动的受力分析1、蜗轮转向的确定如图11-2(a)所示,当蜗杆为右旋,顺时针方向旋转(沿轴线向左看)时,用右手,四指顺着蜗杆转向握起来,大拇指沿蜗杆轴线所指的相反方向即为蜗轮上节点速度方向,因此蜗轮逆时针方向旋转；当蜗杆为左旋时,则用左手按相同方法判定蜗轮转向,如图11-2(b)所示。n2n1n1n2n2n2n1(a)(b)n1图11-2蜗轮旋转方向的判定左、右手定则。2)轮齿上的作用力蜗杆传动轮齿上的作用力和斜齿轮相似。为简化计算,通常不考虑摩擦力的影响,蜗杆传动的受力情况如图11-3所示。图中Fn分解为三个相互垂直的分力:切向力Ft、径向力Fr、轴向力Fa。由于蜗杆与蜗轮轴交角为90°,因此根据作用力与反作用力原理,蜗杆切向力Ft1与蜗轮轴向力Fa2、蜗轮切向力Ft2与蜗杆轴向力Fa1、蜗杆径向力Fr1与蜗轮径向力Fr2各为一对大小相等、方向相反的作用力与反作用力。蜗杆蜗轮受力方向的判定规律与斜齿圆柱齿轮相同。主动蜗杆上的切向力Ft1是阻力,其方向与蜗杆转动方向相反,从动蜗轮切向力Ft2与其回转方向相同；两径向力Fr1和Fr2分别指向各自的轮心；轴向力Fa1的方向根据蜗杆的螺旋线旋向和回转方向,应用左、右手定则来确定。n1d1PFt1Fr1FnnFa1d2分度圆柱面n2PFt2Fa2Fr2Ft1Ft1n1d1Fa1n2Fr2Ft2Fr1Fa1Fa2Ft1n1(a)(b)(c)P图11-3蜗杆传动受力分析力的大小计算如下:tan2222122212111trttaatFFFdTFFFdTF蜗杆传动的受力分析11.4.2.强度计算1)蜗轮齿面接触强度的计算蜗杆传动可以近似地看作齿条与斜齿轮的啮合传动,因此以赫兹应力公式为基础,考虑蜗杆和蜗轮齿廓特点,可推出齿面接触疲劳强度的校核公式和设计公式。校核公式:HHddmKTddKT221222212500500设计公式：22212500KTzdmH式中,K为载荷系数,K=(1.1~1.4)，载荷平稳、滑动速度vs≤3m/s、传动精度高时取小值；［σH］为蜗轮许用接触应力,单位为MPa,见表11-2和表11-3；m为模数,单位为mm；z2为蜗轮齿数。2)蜗轮轮齿弯曲疲劳强度的计算蜗轮轮齿弯曲疲劳强度所限定的承载能力,大都超过齿面点蚀和热平衡计算所限制的承载能力,因此,一般不进行弯曲强度计算。只有在少数情况下,如在强烈冲击的传动中或蜗轮采用脆性材料时,计算其弯曲强度才有意义。需要计算时可参考有关书籍。11.5蜗杆传动的效率与热平衡计算11.5.1.蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动的总效率包括三部分:轮齿啮合摩擦损失效率、轴承摩擦损失效率及零件搅动润滑油飞溅损失效率。其中最主要的是啮合摩擦损失效率,其大小可近似用螺旋传动的效率公式计算。后两项功率损失不大,其效率一般为0.95~0.97。因此,蜗杆主动时,蜗杆传动的总效率为)tan(tan)97.0~95.0(v式中,γ为蜗杆导程角；ρv为当量摩擦角,可根据滑动速度vs由表11-3查取。表11-3蜗杆传动的当量摩擦系数fv和当量摩擦角ρv表11-4蜗杆传动的总效率η2.蜗杆传动的热平衡计算由于蜗杆传动相对滑动速度大,发热量大,若不及时散热,则会导致润滑不良而使轮齿磨损加剧,甚至产生胶合,因此,对闭式蜗杆传动应进行热平衡计算。蜗杆传动转化为热能所消耗的功率Ps为Ps=1000(1-η)P1(11-1)经箱体散发热量的相当功率Pc为Pc=ksA(t1-t0)(11-2)达到平衡时,Ps=Pc,因此可得到热平衡时润滑油的工作温度t1的计算公式:101)1(1000ttAkPtss普通蜗杆传动的箱体散热面积A,可用下式估算：75.110033.0aA式中,a为中心距,单位为mm。3.散热措施如果润滑油的工作温度超过许用值,则可采用下述冷却措施:(1)增加散热面积。合理设计箱体结构,在箱体上铸出或焊上散热片。(2)提高表面传热系数。在蜗杆轴上装置风扇,或在箱体池内装设蛇形冷却水管,或用循环油冷却,如图11-4所示。图11-4蜗杆传动的散热方法(1)风扇冷却;(2)冷却水管冷却;(3)压力喷油润滑