西南交通大学机械设计课件 (6)

蜗杆传动蜗杆传动概述失效形式与设计准则材料选择与结构形式主要参数和几何关系蜗杆传动受力分析蜗杆传动的强度计算蜗杆传动的挠度计算蜗杆传动的润滑、温度计算机械设计第六章蜗杆传动2§1概述一、特点和应用外形类似：螺旋与斜齿轮的传动从中间平面剖开：齿轮与齿条的传动（虚拟现实中的蜗杆传动）机械设计第六章蜗杆传动31、应用P750KW（通常＜50KW），Vs35m/s（通常＜15m/s）。由于i大，可用于机床分度机构、仪器仪表中。2、特点1）工作平稳：兼有斜齿轮与螺旋传动的优点。2）i大12zzi蜗杆——1、2、4、6传递动力时：i=8~100（常用15~50）传递运动时：i=几百~上千（单头，η↓）用于传递交错轴之间的回转运动。一般：空间垂直为什么？优点：齿轮——z117机械设计第六章蜗杆传动43）结构紧凑、重量轻、噪音小。4）自锁性能好(用于提升机构)。缺点：1）制造成本高，加工困难。2）滑动速度vs大。3）η低。4）蜗轮需用贵重的减摩材料。机械设计第六章蜗杆传动51、按蜗杆形状分圆柱蜗杆环面蜗杆锥蜗杆二、分类机械设计第六章蜗杆传动6ZA型:阿基米德蜗杆中间平面：齿条与渐开线齿轮啮合端面：阿基米德螺旋线ZI型:渐开线蜗杆端面：渐开线,较精密传动ZN型:法向直廓蜗杆(刀具加工位置不同)圆柱蜗杆机械设计第六章蜗杆传动7锥蜗杆：啮合齿数多，ε↑，平稳↑，承载↑。环面蜗杆：接触齿对数↑，承载↑（1.5~4）倍，η高，但制造安装要求高。2、按蜗杆头数分单头蜗杆：i↑，自锁性↑，η↓多头蜗杆：相反3、按旋向分左旋右旋一般采用右旋机械设计第六章蜗杆传动8三、精度等级12个等级：动力传动：6~9级测量分度：5级或以上§2失效形式、材料选择和结构一、失效形式与齿轮传动类似：点蚀、胶合、磨损、折断∵vs↑→η↓、发热↑→主要为：胶合、磨损、点蚀蜗轮强度较弱，失效主要发生在蜗轮上。机械设计第六章蜗杆传动9二、材料vs↑减摩性↑、强度↑不能都用硬材料1、蜗轮——指齿冠部分材料：减摩材料铸锡青铜：vs≥12~26m/s铸铝青铜：vs≤10m/s，抗胶合能力差铸铝黄铜：抗点蚀能力强,耐磨性差,用于vs小场合HT、QT：vs≤2m/s大直径蜗轮：铸铁（蜗杆用青铜）2、蜗杆材料碳钢合金钢热处理硬面蜗杆：首选淬火→磨削调质蜗杆：缺少磨削设备时选用。机械设计第六章蜗杆传动102、蜗轮整体式齿冠：用贵重耐磨金属(青铜)轮心：铸铁或铸钢铸造（浇铸）过盈螺栓（铰制孔）三、结构1、蜗杆：与轴一体。车制、铣制。组合式机械设计第六章蜗杆传动11§3圆柱蜗杆传动的基本参数一、基本齿廓中间平面上基本齿廓和渐开线齿轮基本齿廓基本相同。mc2.0mf3.0、二、模数m正确啮合条件：21txPP轴向端面mmmtx21∴—标准值(与齿轮不同,表13.4)cosnxmmm——蜗杆导程角三、齿形角0刀具基准齿形的齿形角：200阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆：轴向齿形角2001x法向直廓蜗杆：法向齿形角2001n机械设计第六章蜗杆传动12四、蜗杆分度圆直径d1（中圆直径）↓刀具数量同一m的蜗杆，应对直径d1进行限制d1为标准值111111tandmzdmzdpzxπd1pxpxtan11zmd加工蜗轮时的滚刀与尺寸与与之啮合的蜗杆尺寸相同，但m一定时，由于z1和γ的变化，d1是变化的，即需要配备很多加工蜗轮的滚刀。d1m表13.4机械设计第六章蜗杆传动13五、蜗杆直径系数qmdq1d1、m——为标准值∴q为导出值,不一定为整数。11mzmqd六、蜗杆导程角γ121111111tandudqzdmzdmzdpzx33~5.3γ↑→η↑γ↓→η↓γ↑↑→制造困难m一定时，q↑——d1↑——蜗杆刚度↑z1一定时，q↑——γ↓——η↓，自锁性↑∴小m蜗杆→选用大q，保证强度和刚度→适于小P大m蜗杆→选用小q，保证效率→适于大P机械设计第六章蜗杆传动14传递动力时:头数z1↑—γ↑—η↑∴采用多头蜗杆传递运动时:保证自锁(γ≤ρ),γ↓—z1↓,采用单头蜗杆七、z1、z2蜗杆头数z1：蜗杆上蜗旋线的数目。z1=1、2、4、6等z1↑↑——加工困难12uzz传递动力：282z（↑传动平稳性，避免根切）1002z(z2↑—d2↑—蜗杆轴长↑—刚度↓)∴一般取z2=32~80z1~z2：互质→均匀磨损八、i、u1221ddnni12zzu蜗杆主动时:2112nnizzu机械设计第六章蜗杆传动15九、中心距a)(2)(2)(2121221zzmzqmdda（应按p264系列值选取）十、变位系数1、变位目的：配凑中心距；凑传动比。2、变位方法：与齿轮变位相同,靠刀具的移位实现变位。故：蜗杆尺寸不能变动，只能对蜗轮变位加工蜗轮时的滚刀与蜗杆尺寸相同，加工时滚刀只作径向移动，尺寸不变。机械设计第六章蜗杆传动16机械设计第六章蜗杆传动174、变位类型1）齿数不变，凑a)2(2121dxmdax0，正变位aax0负变位aa3、变位结果∴蜗杆——各部分尺寸不变，但节线变化11dd蜗杆和蜗轮滚刀尺寸相同，蜗轮滚铣节圆就是装配后与蜗杆的啮合节圆。蜗轮滚刀的滚铣节线不再是刀具中线(分度圆柱上母线)∴蜗轮——尺寸发生变化，但22dd)(2121ddamaax机械设计第六章蜗杆传动182）a不变，齿数变化，凑i凑i：（a不变，→2z2z）)(2121zmdmax)(2121mzda)(2122zzx[例13.1]、[例13.2]])2[(21)(212121zmxmdddax＞022zz齿数↓x＜022zz齿数↑机械设计第六章蜗杆传动19§4几何计算（略）§5受力分析与效率计算一、作用力圆周力：12222atFdTF轴向力：11122taFdTF112uTT(蜗杆主动)1——啮合效率nntndTFFcoscos2coscos222忽略Ff，Fn径向力：122tanrtrFFF机械设计第六章蜗杆传动20方向判定：1）蜗轮转向已知：n1、旋向→n2左、右手定则：四指n1、拇指反向：啮合点v2→n22）各分力方向Fr：指向各自轮心Ft蜗杆与n1反向蜗轮与n2同向12atFFFa蜗杆：左、右手定则蜗轮：12taFF※n2n13）旋向判定∵蜗轮与蜗杆旋向相同。v2机械设计第六章蜗杆传动21练习：n1n1Fr1Fr2⊙Ft1xFa2Fa1Ft2右旋n2Fr1Fr2Ft1Fa2xFa1Ft2·n2已知：蜗杆轴Ⅰ为输入，大锥齿轮轴Ⅱ为输出，轴Ⅲ转向如图。试：确定各轮转向、旋向及受力。1.n4→n3→n2→Ft2→Fa22.Fa3→Fa2→Ft1→n1蜗轮右旋n4输出ⅢⅠⅡ1234蜗杆右旋→机械设计第六章蜗杆传动22二、传动效率与齿轮类似：3211、啮合η1：近似按螺旋副计算)tan(tan1v（蜗杆主动）tan)tan(1v（蜗轮主动）ρv——当量摩擦角，与vs有关。cos1vvs说明：1）vs↑→μv↓→ρv↓油膜易形成→η1↑2）γ为影响η1的主要因素：γ↑→η1↑01dd245v时，η1→max此后，γ↑→η1↓（p268表13.6）机械设计第六章蜗杆传动23机械设计第六章蜗杆传动24一般取2728后：η↑缓慢γ大时，加工困难2、η2搅油效率：99.023、η3轴承效率：99.03§6圆柱蜗杆传动的强度计算∵蜗轮齿强度低于蜗轮齿计算针对蜗轮一、接触强度计算][32HAEHaTKZZminlim][HHhnHSZZ校核式32limmin2HHhnEASZZZZTKa设计式机械设计第六章蜗杆传动25参数说明：1）T2——蜗轮转矩,N·mm2）KA——使用系数,表12.9（同齿轮传动）3）ZE——弹性系数,表13.2，P2604）Zρ——接触系数,考虑齿面曲率和接触线长度影响,Zρ初值a是否接近？与ZZ根据查得。ad1设计时：未知，初选值ad1ad1ad1112uTT（蜗杆主动）机械设计第六章蜗杆传动26机械设计第六章蜗杆传动27b）ad1↑—η↓5）Zn——转速系数（式13.17、13.18）6）Zh——寿命系数基本公式6.12500061hhLZ即hLh15007）求d1、z1、z2、m。P271三、弯曲强度计算难于精算条件性估算参见式13.24（P272）弯曲强度主要与模数、蜗轮齿宽有关。讨论：Zρ↓→σH↓a一定时，ad1↑—d1↑—↑蜗杆刚度d1一定时，ad1↑—a↓—结构紧凑——蜗杆传动的重要参数ad1a）↑—ad1机械设计第六章蜗杆传动28§8温度计算（热平衡计算）由于η↓——发热大易胶合即：发热率H1=散热率H2摩擦功耗：)1(1000)1(11PKWPPf∴)1(10001PH)/(sJ冷却散去的热量：)(012ttAHW环境温度t0=20°箱内工作温度散热面积，可由13.27式估算表面传热系数，)/(2cmW则：21HHCtAPtW80)1(1000011热平衡计算机械设计第六章蜗杆传动29油温比t1高15℃左右，∴油温小于100℃。※蜗杆上置：飞溅冷却作用差，0.8αW若t1太高，可采取如下措施：2、蜗杆轴端装风扇1、加散热片3、外冷却压力喷油润滑4、油池内安装蛇形冷却水管机械设计第六章蜗杆传动30§9润滑一、油粘度与润滑方法运动粘度:υ40℃↑——抗胶合↑润滑方法：smvs/5：蜗杆下置浸油润滑smvs/105：蜗杆上置浸油（搅油阻力大）smvs/10：压力喷油润滑,油嘴对着蜗杆啮入端二、蜗杆布置与润滑方式蜗杆下置：浸入油中深度至少一个牙高，但油面不应超过轴承最低滚动体的中心。蜗杆上置：浸入油池的蜗轮深度为（1/6~1/3）r2蜗杆下置式冷却效果更好。机械设计第六章蜗杆传动31§10提高圆柱蜗杆传动承载能力的措施不同位置：接触线与v1夹角不同,夹角↑—油膜易形成最大夹角(≈90°):发生在蜗杆螺纹退出啮合的齿边上。最小夹角(≈0°):靠近中间平面的区域—不易形成油膜，限制承载。蜗杆传动中轮齿间接触线随啮合位置移动。机械设计第六章蜗杆传动32措施：1）轮齿挖窝：挖去夹角小处，贮油，改善润滑。2）人工油涵：油楔(大滚刀、移动滚刀)。3）蜗轮偏位安装：蜗轮偏向啮出端。机械设计第六章蜗杆传动334）采用环面蜗杆。