武汉理工大学机械设计基础课件第6章

武汉理工大学罗齐汉[e-mail]1§6-1蜗杆传动概述§6-2蜗杆传动主要参数与几何尺寸计算§6-3蜗杆和蜗轮的常用材料和结构§6-4蜗杆传动受力分析与强度计算§6-5蜗杆传动润滑、效率和热平衡计算第6章蜗杆传动设计武汉理工大学罗齐汉[e-mail]2一、蜗杆传动的特点蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，用于传递空间两交错轴之间的运动和动力，一般两轴间的交错角Σ=90°。蜗杆传动是在齿轮传动的基础上，为了获得较大的传动比而发展起来的。§6-1蜗杆传动概述武汉理工大学罗齐汉[e-mail]3它具有齿轮传动的某些特点，即在中间平面或称主平面——（通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面）内的啮合情况与齿轮和齿条啮合情况相似；又有区别于齿轮传动的特性，即其运动特性相当于螺旋副的工况。蜗杆相当于一个单头或多头螺杆，蜗轮相当于一个“不完整的螺母”。蜗杆转动一周，蜗轮相应转过一个或多个齿。§6-1蜗杆传动概述武汉理工大学罗齐汉[e-mail]4二、正确啮合条件如前述，在中间平面，蜗杆传动相当于齿条（蜗杆）与齿轮（蜗轮）的啮合，故其正确啮合条件和齿轮传动相仿。为增加接触线长度，将蜗轮齿面做成圆弧形，包在蜗杆上。蜗杆传动正确啮合条件：1、在中间平面内，蜗杆的轴向模数mx1和压力角αx1与蜗轮的端面模数mt2和压力角αt2分别相等。即mx1=mt2=mαx1=αt2=20°2、蜗杆分度圆柱导程角与蜗轮分度圆柱螺旋角β等值同向。即=β§6-1蜗杆传动概述武汉理工大学罗齐汉[e-mail]5螺旋线方向实例：蜗杆与蜗轮的螺旋方向应相同，而斜齿轮传动中两齿轮的螺旋方向相反。在蜗杆蜗轮的螺旋方向上，同学们常出现一左一右的错误概念。在实际生产中就发生过类似事情：某厂技术员设计蜗杆减速器时，就采用了蜗杆右旋、蜗轮左旋，制造好后，安装时才发现安装不进去，因而造成废品和返工，在这方面要特别注意。蜗杆传动实例武汉理工大学罗齐汉[e-mail]6三、传动类型按蜗杆形状分圆柱蜗杆传动按蜗杆螺旋面形状分阿基米德、渐开线、延伸渐开线蜗杆传动。环面蜗杆传动锥蜗杆传动§6-1蜗杆传动概述武汉理工大学罗齐汉[e-mail]7阿基米德蜗杆的加工方法§6-1蜗杆传动概述武汉理工大学罗齐汉[e-mail]8)(1111111mdZdmZdPZtga§6-2蜗杆传动主要参数与几何尺寸计算蜗杆传动主要参数有：模数m、压力角α、蜗杆分度圆直径d1、直径系数q、蜗杆头数Z1和蜗轮齿数Z2。这些参数不仅影响结构尺寸，也影响传动性能，它们相互联系，不应孤立确定。一、模数m和压力角α同齿轮传动一样，模数也作为主要计算参数。标准见表6-1二、蜗杆分度圆直径d1、导程角和直径系数q由右图：令q=d1/m称为直径系数，即d1=mqtg=z1/q武汉理工大学罗齐汉[e-mail]912122121/1ddzzzznni讨论：（1）d1为什么要取标准值？这是因为切制蜗轮所用滚刀的几何参数必须与该蜗轮相啮合的蜗杆相同，即对于每种不同直径的蜗杆在切制蜗轮时都要准备一把滚刀，这样准备的刀具就太多了，故为了减少刀具型号，便于刀具的标准化就制定了d1标准系列。（2）q与蜗杆刚度关系d1=mq,故当m一定,q↑d1↑,所以q取大值可提高蜗杆刚度。（3）q与效率关系tg=z1/q故当Z1一定，q↑下降，所以q取大值会降低效率。三、传动比i，蜗杆头数Z1和蜗轮齿数Z21、传动比i§6-2蜗杆传动主要参数与几何尺寸计算武汉理工大学罗齐汉[e-mail]102、Z1的选择主要考虑传动比、效率及制造三个方面。从传动比看，i一定，Z1↓Z2↓，故紧凑。从效率看，Z1↓↓效率↓,故自锁应选单头。从制造看，Z1↑(↑),难制造。一般：Z1=1-43、Z2的选择为避免发生根切和保证传动平稳，Z2有最小值要求，为保证蜗杆刚度，Z2有最大值要求(Z2最好不大于80）。推荐：Z1=1时，Z2≥17Z1=2时，Z2≥27动力传动，Z2不应少于28，一般选Z2=32-63为宜。a=(d1+d2)/2=m(q+Z2)/2四、几何尺寸计算，见表6-2§6-2蜗杆传动主要参数与几何尺寸计算武汉理工大学罗齐汉[e-mail]11自锁实例：蜗杆传动的自锁性能在实际中应用很广。例如船用电动舵机采用蜗杆传动具有自锁性能，在风浪中使得舵叶的角度保持不变。起重机的升降机中，由于蜗杆传动具有自锁性能，使得变幅动力失灵时重物不致掉落下来造成事故，起锚机也同样。蜗杆传动实例武汉理工大学罗齐汉[e-mail]12§6-3蜗杆和蜗轮的常用材料和结构（自学）选材除要满足强度要求，更重要的是具有良好的跑合性、减摩性和耐磨性。蜗杆一般用碳钢或合金钢；蜗轮一般用青铜合金。§6-4蜗杆传动受力分析与强度计算一、受力分析作用于工作面上法向力Fn可分解为圆周力Ft，径向力Fr和轴向力Fa。如图：由于Σ=90°，三力大小：Ft1=-Fa2=2000T1/d1Ft2=-Fa1=2000T2/d2Fr2=-Ft2tg1武汉理工大学罗齐汉[e-mail]13Ft2蜗轮转向各力方向：圆周力Ft——主反从同径向力Fr——指向轮心轴向力Fa——主动轮按左、右手定则运用：Fa1（左、右手定则）例：指出图中的蜗杆或蜗轮的螺旋线方向及转向，绘出蜗杆和蜗轮啮合点处三力（Fa、Ft、Fr）的方向。（未指明时，蜗杆为主动）蜗杆传动的计算载荷:Fnc=KFnK=1.0-1.4T2=iT1§6-4蜗杆传动受力分析与强度计算武汉理工大学罗齐汉[e-mail]14rVVVVscos12221二、滑动速度和失效形式1、滑动速度VS设蜗杆的圆周速度为V1，蜗轮的圆周速度为V2，V1与V2呈90°角，则齿廓间产生的相对滑动速度由于VS比蜗杆圆周速度还大，故引起较严重的磨损和发热。§6-4蜗杆传动受力分析与强度计算武汉理工大学罗齐汉[e-mail]15在闭式蜗杆传动，失效多为点蚀和胶合在开式蜗杆传动，失效多为磨损和断齿。目前工程上主要是针对蜗轮进行齿面接触强度和齿根弯曲强度的计算。2、失效形式主要失效形式有齿面点蚀、胶合、磨损和轮齿折断等。一般失效总是发生在强度较低的蜗轮上。§6-4蜗杆传动受力分析与强度计算武汉理工大学罗齐汉[e-mail]16MPaYzdmkTFPFaF21221560322121560mmzYkTdmFPFaMPadmkTzHPH122215000322212)15000(mmkTzdmHP校核式：设计式：校核式：设计式：三、强度计算蜗轮近似地看作斜齿圆柱齿轮，考虑到蜗杆传动的特点，由赫兹和刘易斯公式为基础，并作一定假设（如=5-25°，α=20°）得强度计算公式。设计式算得m2d1后，可按表6-1确定相应的m和d1的标准值。接触强度：（青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆）弯曲强度：§6-4蜗杆传动受力分析与强度计算武汉理工大学罗齐汉[e-mail]17)(1tgtg2.轴承摩擦效率η2，0.98-0.993.浸入油中的零件搅油效率η3，0.94-0.99§6-5蜗杆传动的润滑、效率和热平衡计算一、蜗杆传动的润滑由于蜗杆传动相对滑动速度VS大，效率低，发热量大，故润滑特别重要。开式蜗杆传动，采用粘度较高的润滑油或润滑脂。闭式蜗杆传动，根据工作条件及VS，参考表6-4选定润滑油粘度及给油方法。当采用油池润滑时，蜗杆下置，浸油深度为蜗杆一个齿高；蜗杆上置，浸油深度约为蜗轮外径的1/3。二、蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动的总效率η包括：1.轮齿啮合效率η1武汉理工大学罗齐汉[e-mail]18η=η1η2η3初步计算，可由蜗杆头数近似取值。闭式传动Z1=1η=0.7-0.75自锁时η0.5Z1=1η=0.75-0.82Z1=4η=0.87-0.92开式传动Z1=1，2η=0.6-0.7三、蜗杆传动热平衡计算蜗杆传动由于效率低，其功率损耗将发热，如果热量不能及时散逸，将会使油温升高而降低油的粘度，从而引起磨损、胶合，造成恶性循环，故对闭式蜗杆传动要进行热平稳计算。热平衡式：单位时间散热量=单位时间发热量§6-5蜗杆传动的润滑、效率和热平衡计算武汉理工大学罗齐汉[e-mail]19Δt=t-t0,油温与室温之差，to——室温，常温取20℃。[Δt]——温升许用值，一般为60-70℃由于t=Δt+t0，故油温许用值应小于80-90℃，若计算或实测油温t90℃时，应采取冷却散热措施。A——散热面积即1000P1（1-η）=ktAΔtkt——散热系数，一般取10-17w/m2·℃,通风好取大值。（1）增加散热面积（A值），如合理设计箱体结构，铸出或焊上散热片。§6-5蜗杆传动的润滑、效率和热平衡计算武汉理工大学罗齐汉[e-mail]20（2）提高散热系数（kt值），如在蜗杆轴端装风扇，这时kt可达20以上，或在箱体装设蛇形冷却水管，或采用压力喷油循环冷却润滑。§6-5蜗杆传动的润滑、效率和热平衡计算武汉理工大学罗齐汉[e-mail]21散热措施实例：蜗杆传动效率低，易发热，所以蜗杆减速器常采用散热片和风扇冷却。此时，风扇应装在蜗杆轴上，而不应装在蜗轮轴上，因为蜗杆转速高、蜗轮转速低，装风扇时还要注意方向，使冷风对准减速器吹。我校以前有个学生毕业分配在上海船厂工作，刚进厂下车间劳动期间，曾经发生因装错风扇，使冷风吹人而不吹减速器的笑话，后又拆下来重装。这说明大学生应该具备一定的实践知识。关于箱体上设置散热片，也有个方向问题，一般来讲，散热片应沿上下方向布置，因为热空气是从下往上对流。但若是水平蜗杆端部装有冷却风扇时，则靠近蜗杆轴附近的散热片方向应沿水平布置，以便冷风从散热片之间过，达到冷却和散热效果。蜗杆传动实例武汉理工大学罗齐汉[e-mail]22蜗杆传动wormgearing,wormdrive单头蜗杆single-threadedworm圆柱蜗杆cylindricalworm阿基米德蜗杆Archimedesworm(ZA-worm)渐开线蜗杆involutehelicoidworm(ZI-worm)法向直廓蜗杆straightsidednormalworm(ZN-worm)圆弧圆柱蜗杆arc-contactworm(ZC-worm)环面蜗杆envelopingworm锥蜗杆spiroid蜗轮滚刀wormgearhob导程角leadangle直径系数diametralquotient左旋蜗杆left-handedworm右旋蜗杆right-handedworm蜗杆的头数numberofstarts(numberofthreads)本章英语单词武汉理工大学罗齐汉[e-mail]23本章小结内容归纳武汉理工大学罗齐汉[e-mail]24重点学习内容1.了解蜗杆传动的啮合特点、运动关系和几何参数。2.掌握蜗杆传动的受力分析、强度计算和热平衡计算方法。本章小结武汉理工大学罗齐汉[e-mail]25例1：图中蜗杆主动，试标出未注明的蜗杆（或蜗轮的螺旋线方向及转向，并在图中绘出蜗杆、蜗轮啮合点处作用力的方向（用三个分力：圆周力Ft、径向力Fr、轴向力Fa表示）武汉理工大学罗齐汉[e-mail]26例2：在图示传动系统中，1为蜗杆，2为蜗轮，3