蜗轮蜗杆

第10章蜗杆传动设计10.1概述•蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成的；•它是由交错轴斜齿圆柱齿轮传动演变而来。•为了改善啮合状况，常将蜗轮分度圆柱面的母线改为圆弧形，使之将蜗杆部分地包住，并用与蜗杆形状和参数相同的滚刀范成加工蜗轮，这样啮合齿廓间的接触为线接触，可传递较大的动力。•蜗杆传动用于传递两根空间交错轴间的运动和动力，两轴间的夹角可为任意值，通常为90°。蜗杆传动优点：•传动比大：在动力传动中，单级传动比在8～80；只传递运动或用于分度时，单级传动比可达1000；•由于传动比大，因而结构紧凑；•传动平稳、没有噪音。•当蜗杆分度圆导程角小于轮齿间的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性；蜗杆传动的主要缺点：效率低，摩擦磨损大。当蜗杆主动时，效率一般为70%～80%；具有自锁性能时，效率为0.4左右。为了减摩耐磨，蜗轮齿圈常需用青铜制造，成本较高。蜗杆轴向力较大，致使轴承受力损害较大。蜗杆传动的类型•按蜗杆齿螺旋方向，有左旋蜗杆和右旋蜗杆，为方便切制，一般采用右旋蜗杆。•按蜗杆螺旋线头数，有单头蜗杆和多头蜗杆。•按蜗杆齿面硬度，有软面蜗杆和硬面蜗杆。软面蜗杆只经调质处理，用于低速轻载及不重要的传动中。硬面蜗杆可用渗碳钢淬火或中碳钢表面淬火获得，蜗杆齿面必须磨削。硬面蜗杆精度高，承载大，多用于大动力传动中。•按蜗杆分度曲面形状不同，蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。其分度曲面分别是圆柱面、圆环面和圆锥面。•圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类。普通圆柱蜗杆传动•普通圆柱蜗杆又分为阿基米德蜗杆、延伸渐开线蜗杆、渐开线蜗杆和锥面包络蜗杆。（1）阿基米德蜗杆（ZA蜗杆，轴向直廓蜗杆）：ZA蜗杆可在车床上用梯形车刀加工，与车梯形螺纹相似，蜗杆在轴向I—I剖面内的齿形为直线，在法向剖面内的齿形为曲线，在垂直于轴线的端面上，其齿形阿基米德螺线。这种蜗杆加工简便，应用较广，主要在低速轻载或手动机械中采用。缺点是蜗杆磨削困难，精度不高，当导程角较大时，加工不便。（2）延伸渐开线蜗杆（ZN蜗杆，法向直廓蜗杆）：蜗杆在法向剖面内的齿形为直线，在轴向I—I剖面内的齿形为曲线，在端面上，其齿形延伸渐开线。同阿基米德蜗杆一样，这种蜗杆磨削也较困难，精度不高，应用较少。（3）渐开线蜗杆（ZI蜗杆）：蜗杆在切与基圆柱的轴向剖面内的齿形一侧为直线，在轴向I—I剖面和法向剖面内的齿形均为曲线，其端面齿形为渐开线。可以像圆柱齿轮那样用滚刀滚铣，并可以用平面砂轮进行磨消，制成硬面蜗杆，并得到较高精度，可用于传递载荷和功率较大场合。（4）锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）：ZK蜗杆用锥面盘形铣刀沿蜗杆齿槽法向铣削。加工时，铣刀或砂轮在作切削运动的同时，与工件作螺旋运动，形成蜗杆包络螺旋齿面。由于蜗杆可用锥面砂轮磨削，因而可制成硬面蜗杆，并获得较高精度，可用于中速、中载、连续传动的场合，应用较广。圆弧圆柱蜗杆传动•与普通圆柱蜗杆不同，圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）是用刃边为凸圆弧形的刀具切制而成。在蜗杆螺旋线的法平面内，蜗杆齿形为凹弧形，蜗轮齿廓在其端面（蜗杆轴面）内为凸弧形，所以圆弧圆柱蜗杆传动是一种凹凸弧齿廓相啮合的传动。其主要特点为承载能力大，传动效率高，而且体积小，结构紧凑，是目前推荐应用的一种蜗杆传动。蜗杆传动精度•GB/T10089—1998对蜗杆、蜗轮和蜗杆传动规定了12个精度等级，1级最高，12级最低。与齿轮公差相似，蜗杆、蜗轮以及蜗杆传动的公差也分为三个公差组。•普通圆柱蜗杆传动的精度等级多在6～9级。对于动力传动，要按照7～9级精度制造。对于测量、分度等要求运动精度高的传动，要按照6级或6级以上的精度制造。•蜗杆通常在车床上车制，也可在铣床上铣制；蜗轮要用与它相啮合的蜗杆同样大小的滚刀切制。10.2蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构10.2.1蜗杆传动的失效形式和计算•蜗杆传动的失效形式：点蚀、齿根折断、齿面胶合以及磨料磨损；•蜗杆传动齿面之间的相对滑动速度大，发热量高，更容易发生磨损和胶合。尤其是当重载、高转速且润滑不良时，胶合将是蜗杆传动的主要失效形式。•由于蜗杆轮齿材料的强度要高于蜗轮轮齿材料的强度，而且蜗杆轮齿是连续的螺旋，蜗杆传动的失效只发生在蜗轮轮齿上。•蜗杆的主要失效形式是刚度不足。•蜗杆传动承载能力的计算：接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，在此基础上适当考虑胶合和磨损因素的影响，故其强度计算是条件性的。•闭式蜗杆传动的主要失效形式是齿面胶合或点蚀。要按齿面接触疲劳强度进行设计，而按齿根弯曲疲劳强度进行校核；•由于闭式蜗杆传动的散热较为困难，还应作热平衡计算，以限止胶合的发生。•开式蜗杆传动的主要失效形式是齿面磨损和轮齿折断，要按齿根弯曲疲劳强度进行设计。考虑到磨料磨损严重，将计算所得模数加大10%～15%左右。•对蜗杆只做刚度校核。10.2.2蜗杆传动材料的选择•蜗杆：一般是用合金钢或碳钢制成。高速重载且载荷变化较大的条件下常用15CrMn、20Cr、20CrMnTi、20CrNi等；高速重载且载荷稳定的条件下常用45、40Cr、40CrNi、42SiMn等；对于不重要的传动及低速中载蜗杆，可采用45调质。•常用的蜗轮材料：(1)铸锡青铜（ZQSn10P1、ZQSn10Zn2）。铸锡青铜抗胶合、减摩耐磨性最好，但价格较高，用于高滑动速度（≥12～25m/s）的重要和连续传动场合。（2）铸铝青铜（ZCuAl10Fe3、ZCuAl9Fe4NiMn3）。铝铁青铜有足够的强度、硬度和抗点蚀能力，但跑合性能、抗胶合性能以及减摩性能差，多用于重载、低滑动速度（m/s）的传动；（3）铸铝黄铜（ZCuAl0Fe3Mn2）。有较好的抗点蚀性能，但其它性能较差，主要用于m/s的低速场合；（4）灰铸铁（HT200、HT300）及球墨铸铁（如QT700-2）等。灰铸铁用于m/s轻载不重要的传动；球墨铸铁用于不常工作的低速重载传动。•为了消除内应力，防止变形，一般应对蜗轮进行时效热处理。sv10sv10sv2sv10.2.3蜗杆传动的结构•蜗杆直径小，通常与轴做成一个整体，称为蜗杆轴，蜗杆轮齿部分可用车制和铣制两种方法加工，车削的轮齿部份要有退刀槽，因而削弱了蜗杆轴的刚度。铣削出的蜗杆，在轴上直接铣出螺旋部分，无退刀槽，因而蜗杆轴的刚度好；•当蜗杆的直径过大，或蜗杆与轴采用不同的材料时，可将蜗杆做成套筒套装在轴上。（a）车削(b)铣削图10.5蜗杆结构形式•蜗轮直径较大，为节约贵重的有色金属，通常蜗轮做成装配式，常见的蜗轮结构形式有以下几种：1）拼铸式：将青铜齿圈铸造在铸铁轮芯上，然后切齿。2）压配式：这种结构由青铜齿圈及铸铁轮芯所组成，齿圈与轮芯常采用过盈配合或，加热齿圈或加压装配。蜗轮圆周力靠配合面摩擦力传递。为可靠起见，沿配合面装置4－8个螺钉。3）螺栓联接式：青铜齿圈与铸铁轮芯可采用过渡配合或间隙配合，如或。用普通螺栓或铰制孔用螺栓联接，蜗轮圆周力由螺栓传递。螺栓联接式蜗轮拆卸方便，多用于大尺寸或易于磨损的蜗轮。•只有铸铁蜗轮，铝合金蜗轮以及直径小于100mm的青铜蜗轮，才采用整体式。(a)拼铸式(b)压配式(c)螺栓联接式图10.6蜗轮结构形式10.3普通圆柱蜗杆传动的基本参数1．基本齿廓2．模数和压力角：中间平面上，为保证蜗杆蜗轮传动的正确啮合，蜗杆的轴面模数应等于蜗轮的端面模数，并等于标准模数；蜗杆的轴面压力角应等于蜗轮的端面压力角，并等于标准模数。mmmtx2121txcos/tantanxn3．蜗杆的分度圆直径d1和直径系数q为了减少蜗轮滚刀的个数和便于滚刀的标准化，对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1，分度圆直径和模数的比称为蜗杆直径系数.4．蜗杆头数和蜗轮齿数(1)蜗杆头数可根据要求的传动比和效率来选择。由于越大制造越困难，一般取＝1、2、4、6，没有3、5是为了减少滚刀数量。(2)蜗杆头数选择的原则是：要求具有较高传动效率或高速传动时，z1取大值；要求较大传动比，或要求传递较大扭矩时，取小值；要求传动自锁时，取1。5.蜗轮最少齿数应避免发生根切与干涉，理论上应使≥17，但＜26时，啮合区显著减小，影响平稳性，而在≥30时，可始终保持有两对齿以上啮合，因而通常规定＞28。蜗轮齿数也不能过多，若＞80，蜗轮直径很大，在结构上须相应增大蜗杆两支承点间的跨距，将影响蜗杆轴的刚度和啮合精度；蜗轮齿数如取得过多，模数就减小，将影响轮齿的弯曲强度，常用的范围为≈28～82，用于分度传动时，最大可到1000。mdq11z2z5．导程角：导程角的范围为3.5°～33°。导程角大时，传动效率高，但需要采用多头蜗杆，蜗杆车削困难。导程角小时，效率低，易自锁。6．传动比7．蜗杆传动的标准中心距aqzdmzdpzx11111tan1221nzinz2212121zqmdda8．蜗杆传动变位•为了配凑中心距或凑传动比使之符合推荐值，或提高蜗杆传动的承载能力和传动效率，常采用变位蜗杆传动。•为了保持刀具不变，蜗杆尺寸是不能变动的，因此变位的只是蜗轮。变位后，蜗杆尺寸不变，但其在中间平面上的节线有所改变，不再与其分度线重合；蜗轮的尺寸变动了，但其分度圆和节圆依旧重合；蜗轮变位系数的计算分以下三种情况：（1）传动比不变，只配凑中心距（2）中心距不变，只配凑传动比21212121mzddda212121221mzddxmdamaax212122121zmmxddda22222121221zzmxmamzzmmxmzda2221zzx（3）需要同时配凑中心距和传动比时蜗轮变位系数的常用取值范围为10.4圆柱蜗杆传动几何尺寸计算2221zzmxmaa2221zzmaax5.05.0x10.5蜗杆传动的受力分析和效率计算•蜗杆传动的受力分析2221221112121212tan2000coscoscoscosdTFFFFFdTFFFFFFtatrratntnann力）蜗杆轴向力（蜗轮圆周力）蜗杆径向力（蜗轮径向力）蜗杆圆周力（蜗轮轴向力）蜗杆法向力（蜗轮法向112iTT21atFF21taFF21rrFF•蜗杆传动的效率计算321vtantan1vtantan1cos1060cos311ndvvs10.6圆柱蜗杆传动的强度计算•蜗轮齿面接触疲劳强度计算•蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算0LKFZnEHHEHaKTZZ32vAKKKKHNHHY322HEZZKTaFSaFanSaFantFYYYYmdbKTYYYYmbKF2222222222Mpa53.153.122232212FFaFaFYYqzmKTYYmddKT•蜗杆刚度计算3223mm53.12YYzKTqmFaFmm4832121yEILFFyrt6441fdI1000d1y各种设计参数的选取与确定•大小对齿面接触疲劳强度、蜗杆刚度、啮合效率等有较大的影响•d1、z1、m的确定ad/1875.0168.0adiaz/4.2712/7.1~4.1zam10.7圆柱蜗杆传动的润滑和热平衡计算蜗杆传动的润滑•为避免或减少轮齿胶合和磨损，常采用粘度大的矿物油进行润滑，并在润滑油中常加入各种添加剂。•对于闭式蜗杆传动，常用的润滑方法与滑动速度有关；•在采用油池润滑的蜗杆传动中蜗杆最好下置，形成下置式蜗杆传动。下置的蜗杆不宜浸油过深，浸油深度应为蜗杆的一个螺旋齿高。•当蜗杆线速度时，为减小搅油损失，常将蜗杆置于蜗轮之上，形成上置式蜗杆传动，由蜗轮带油润滑，此时蜗轮的浸油深度可取蜗轮半径的1／6～1／3。当滑动速度必须