第十二章 蜗杆传动 第十四、十六章 轴 轴承

第十二章蜗杆传动用于传递空间互相垂直轴之间的回转运动和动力；一般交错轴间的夹角90°。12-1蜗杆传动的特点和类型传动原理可看作螺旋齿轮的衍生机构；或可看作螺旋传动。蜗杆传动的特点优点：传动比大。在动力传动中i=8~80，分度机构中可达1000。结构紧凑；传动平稳，蜗杆是连续不断的螺旋齿，蜗轮齿和它是逐步进入和退出啮合，同时啮合的齿又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低蜗杆传动的特点缺点：在啮合处具相对滑动速度较大。磨损大；效率较低；为减磨，蜗轮一般选青铜制造，成本高；功率一般在50KW以下。蜗杆传动的类型按蜗杆形状分圆柱蜗杆圆弧面蜗杆按旋向分右旋——常用左旋按其蜗旋面形状分阿基米德蜗杆渐开线蜗杆：垂直于轴的截面内为渐开线蜗杆传动的常用精度7级精度——适用蜗杆圆周速度7.5m/s；8级精度——适用蜗杆圆周速度3m/s；9级精度——适用蜗杆圆周速度1.5m/s。12-2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算一、蜗杆传动的主要参数1.模数和压力角主平面——通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面。主平面内蜗杆蜗轮的啮合相当于齿轮与齿条啮合。主平面内蜗轮齿廓为渐开线。标准模数和压力角蜗杆传动在主平面内模数和压力角为标准值；设计计算以主平面内的参数和几何关系为准；标准模数——蜗杆轴向模数，蜗轮端面模数；表12-1。标准压力角为20º——蜗杆轴向压力角、蜗轮端面压力角。蜗杆传动正确啮合条件交错轴间的夹角90°：模数和压力角分别相等；蜗杆中圆柱上的导程角γ=蜗轮分度圆上的螺旋角β，且旋向相同。2.传动比、蜗杆头数、蜗轮齿数传动比蜗杆头数z1：取1——传动比大，效率较低，可能自锁；取2、4——传动效率高，用于大功率传动。蜗轮齿数z2：大于26——避免根切；不宜大于80——避免蜗杆跨度大,刚度小，影响啮合精度。1212212,1ddzznni3、蜗杆直径系数q和导程角qzdmzdpztga111111q=d1/m为减少滚刀型号并使之标准化，限制蜗杆直径。4、齿面间相对滑动速度在节点啮合时，沿齿向的滑动速度。相对滑动速度大小影响：润滑；齿面失效形式；发热；传动效率。m/scos12221vvvvs5.中心距a)(21)(21221zqmdda未变位蜗杆传动中心距为：二、几何参数计算蜗杆传动的几何尺寸计算公式，见表12-3。在主平面内定义各几何参数。12-3蜗杆传动的失效形式、材料和结构一、蜗杆传动的失效形式及材料选择主要失效形式：胶合：发热——油稀——不利于润滑——胶合；疲劳点蚀；磨损。避免失效的措施：合理的选择材料；必要的强度计算；有效的润滑和散热。材料选择要求：足够的强度；良好的减摩耐磨性和抗胶合能力。常采用青铜作蜗轮的齿圈与淬硬磨削的钢制蜗杆相配。材料选择蜗杆：碳素钢或合金钢，表面光洁，硬度较高。铸铁。蜗轮：铸锡磷青铜，抗胶合抗磨好，较贵。锡锌铅青铜；铝铁青铜；铸铁。蜗杆和蜗轮的结构蜗杆绝大多数和轴做成一体——蜗杆轴。蜗轮结构整体式；组合结构——为节约贵金属。12-4蜗杆传动的受力分析法向力Fn可分解为轴向、切向和径向三个力。各力方向的判断方法同斜齿轮。各力的大小：tgFFFdTFFdTFFarrtaat1212221112122—蜗杆的传动效率—其中：iTT1212-5蜗杆传动的强度计算蜗杆传动中蜗杆材料强度一般高于蜗轮材料强度，失效一般发生在蜗轮轮齿上。齿面接触强度：设计公式HAEHaTKzz32322HEAzzTKa12-6蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算一、蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动的功耗轮齿的啮合功耗轴承的摩擦功耗——主要功耗搅油功耗蜗杆传动的效率可根据螺旋传动的计算公式得到：)()97.0~95.0(tgtg提高蜗杆传动效率的措施提高导程角——增加头数z1；减小当量摩擦角见表12-7提高蜗杆齿面硬度；提高齿面相对滑动速度。)()97.0~95.0(tgtg11dmztg'farctg蜗杆传动的自锁条件%50此时效率二、蜗杆传动的润滑润滑对于蜗杆传动是一个重要的问题，影响到其传动效率和早期失效润滑油的粘度和和给油方法主要是根据相对滑动速度和载荷类型进行选择，见表12-9。三、蜗杆传动的热平衡计算闭式蜗杆传动相对滑动速度大——发热量大，若不及时散热——油温升高，润滑失效——轮齿磨损加剧，甚到胶合。因此对于连续工作的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算。热平衡计算热量通过箱体散出，且要求油温t与周围室温之差不大于允许值：——温差允许值一般为60~70ºC，且油温不超过90ºC][)1(100010tAkPtttt][t提高散热量的方法增加散热面积A；提高散热系数kt。小测验1.斜齿轮和直齿轮比较有哪些优缺点？2.齿轮传动的强度条件是针对哪些失效形式？3.一般齿轮传动的σH1＿＿σH2，［σH1］＿＿［σH2］，［σF1］＿＿［σF2］；4.影响接触疲劳强度最大的几何参数是＿＿。5.影响弯曲疲劳强度最大的几何参数是＿＿。6.一对斜齿轮和蜗杆传动组成的传动如图所示，要想使Ⅱ轴上的轴向力最小，试确定斜齿轮1、斜齿轮2、蜗杆、蜗轮的旋向；并画出Ⅱ轴上斜齿轮和蜗杆各分力的方向。Ⅰn1z1z2z3z4ⅡⅢ第十四章轴用于支承作回转零件实现回转运动、传递转矩。轴的分类（按受载类型分）转轴——同时受转矩和弯矩；传动轴——只受转矩，不受弯矩；心轴——只受弯矩，不受转矩；轴的分类（按轴的形状分）直轴曲轴挠性钢丝轴轴的设计根据工作要求：考虑制造工艺等因素，选择合适的材料；进行结构设计；经强度和刚度计算，定出轴的结构形状和尺寸；必要时还要考虑轴的振动稳定性。14-2轴的材料碳素钢——35、45、50号等，具有较好的综合机械性能；45钢：应用最广泛，应进行正火或调质处理；不重要的轴也可用Q235。合金钢——20Cr，20CrMnTi，27Cr2Mo1V，38CrMoAlA等，具有较高的机械性能，价格贵；合金钢对应力集中敏感性较大；铸铁——球墨铸铁等，成本低，吸振性能好，对应力集中敏感性低，强度好。钢的种类和热处理方式对轴的刚度的影响较小。轴的刚度增加的有效措施——增大轴的直径。14-3轴的结构设计原则：工艺性好——加工、装拆工艺性好；定位——轴和轴上的零件都要有一个准确的位置；固定——各零件要可靠地相对（径向、轴向、周向）固定；减小应力集中。一、工艺性要求阶梯轴——便于轴上零件的装拆。便于加工：轴端倒角砂轮越程槽退刀槽要求不同的加工面，要加以区分力求结构和尺寸简单二、轴上零件的定位轴肩套筒三、轴上零件的固定轴向固定轴肩；套筒；螺母；挡圈；压板；紧定螺钉；卡环注意几点：与轮毂相配合的轴段长度要略小于轮毂长度；轴肩过渡圆角半径小于轴上零件的圆角半径或倒角。周向固定键；花键；过盈配合。键应布置在同一直线上，便于加工；键长不能过长。四、轴的各段直径和长度的确定轴的各段直径应与轮毂的名义径向尺寸相同。直径应取圆整尺寸；装滚动轴承的轴颈按轴承的内直径选。轴的各段长度可根据轮毂的宽度和其他条件确定根据工作条件的精度要求合理地选择：公差配合；表面粗糙度。轴颈和轴头的同轴度。五、减小应力集中减小应力集中的多种结构：减少截面尺寸变化；变化处用圆角过渡，半径尽量大。五、改善轴上的受力14-4轴的强度计算针对不同的受载状况，常用两种计算方法：按扭转强度计算；按弯扭合成强度计算。一、按扭转强度计算用于：只受扭转载荷的传动轴；可以估算承受弯扭载荷轴的直径。强度条件236N/mm2.01055.9ndPZTp336][2.01055.9nPCnPd式中：P——轴传递的功率，kw；n——轴的转速，r／min；〔τ〕——许用切应力，MPa；见表14-2；C——与轴材料有关的系数，可由表14-2查得。当轴上有键槽时，单键d增大3％，双键d增大7％。336][2.01055.9nPCnPd二、按弯扭合成强度计算常见的轴既受扭矩、又受弯矩作用。按第三强度理论计算危险截面上的应力其中M产生的其中T产生的则合成应力331.032dMdMWMb224beWTdTdTWTT22.01633332222221.01.0)2(4)(dMdTMWTMWTWMee强度条件α——是根据转矩性质而定的应力校正系数。转矩T不变——T为脉动循环——T为对称循环——α取1；〔σ-1b〕〔σ0b〕〔σ+1b〕——分别为材料在对称循环应力、脉动循环应力、静应力状态下的许用弯曲应力；其值可由表14-3选取。][1.0)(1322bedTM3.0][][11bb6.0][][01bb具体计算步骤（1）根据结构设计结果，确定外载荷作用点、大小、方向和支点位置，绘制轴的受力计算简图；（2）确定坐标系，将外载荷分解为水平面和垂直面内的分力，求出水平、垂直两平面的支反力；（3）绘制水平面、垂直平面的弯矩MV、MH图；（4）计算合成弯矩,绘制合成弯矩图；（5）绘制转矩图；（6）按照强度理论，求出当量弯矩，绘制当量弯矩图；22)(TMMe(7)根据当量弯矩图确定危险截面，校核危险截面轴径d：设计式：式中：W——轴的抗弯截面模量。][1.013beebdMWM31][1.0beMd设计过程初估轴径结构设计强度校核修改设计14-5轴的刚度计算对于重要的或有刚度要求的轴，应进行刚度计算。轴的刚度计算：弯曲刚度计算：y[y]θ[θ]y——轴的挠度；[y]——轴的许用挠度；θ——轴的偏转角；[θ]——轴的许用偏转角；扭转刚度计算：Φ[φ]φ——轴的扭转角；[φ]——轴的许用扭转角。常用轴的变形许用值见表14-4。14-6轴的临界转速共振——载荷的变化频率与轴的自振频率相同或接近时。临界转速——发生共振现象时轴的转速。高转速的轴、受周期性外载荷的轴，须进行临界转速计算，使轴的自振频率与周期载荷的作用频率不同。第十六章滚动轴承16-1滚动轴承的基本类型和特点滚动轴承是标准件；功用：在径向、轴向支承固定轴系；使轴系在在周向回转自如。滚动轴承的组成作用材料内圈与轴一起回转。内、外圈上有凹槽滚道的，凹槽能降低接触应力、限制滚动体轴向移动。GCrl5、GCr15SiMn等高强度钢，HRC61～65；外圈与轴承座孔安装，一般不转。滚动体（球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子等）将内外圈分开，成为滚动摩擦。保持架使滚动体等距离分布，减少滚动体间的摩擦、磨损。低碳钢板、铜合金、铝合金、工程塑料等较软材料制造。滚动轴承优缺点优点：起动力矩小。宽度小，轴向结构紧凑。大多数滚动轴承能同时受径向和轴向载荷。消耗润滑剂少，便于密封，易于维护。成批生产，成本较低缺点：承受冲击载荷能力较差。高速重载荷下轴承寿命较低。振动及噪声较大。轴承类型接触角——滚动体与外圈接触处的法线和垂直于轴承轴心线的平面间的夹角。轴承类型按滚动体的形状分球轴承滚子轴承圆柱圆锥球面滚针常用轴承的类型和特性选择滚动轴承的类型应考虑：滚动体的轴承的工作载荷：载荷大小；载荷性质；载荷方向；轴承转速；内、外圈允许角偏斜；尺寸、性价比等。球轴承适用于转速较高、载荷不大、要求旋转精度高的场合。滚子轴承适用于转速较低、载荷较大或有冲击载荷的场合。角接触球轴承、圆锥滚子轴承适用于轴承上同时受径向和轴向联合载荷；16-2滚动轴承的代号国标规定，轴承代号有三部分：前置代号基本代号后置代号类型代号尺寸系列