机械设计基础第6章蜗杆

1、第第6章章 蜗杆传动设计蜗杆传动设计王晓娟王晓娟物流工程学院物流工程学院概述概述236-1 6-1 蜗杆传动概述蜗杆传动概述一、蜗杆传动的特点一、蜗杆传动的特点 主要主要优点优点：传动比很大、传动平稳和噪：传动比很大、传动平稳和噪声较小等。声较小等。 传动比传动比i i通常为通常为8 88080。 主要主要缺点缺点: :传动效率较低，为了减小摩传动效率较低，为了减小摩擦、提高耐磨性，蜗轮齿圈常需用价格擦、提高耐磨性，蜗轮齿圈常需用价格较贵的青铜制造。较贵的青铜制造。 对于一般动力传动，蜗杆传动常用的精对于一般动力传动，蜗杆传动常用的精度等级是级精度（适用于蜗杆圆周速度等级是级精度（适用于蜗杆圆

2、周速度度v v1 17.5m/s7.5m/s）、级精度（）、级精度（v v1 13m/s3m/s）和级精度（和级精度（v v1 11.5m/s1.5m/s）。）。4二、蜗杆传动的类型二、蜗杆传动的类型 蜗杆传动的蜗杆传动的蜗杆蜗杆可分为：可分为：圆柱蜗杆圆柱蜗杆( (图图a)a)、环面蜗杆、环面蜗杆( (图图b)b)和锥蜗杆和锥蜗杆( (图图c)c)。目。目前最为常用的是圆柱蜗杆传动。前最为常用的是圆柱蜗杆传动。 根据蜗杆根据蜗杆螺旋面的形状螺旋面的形状不同不同( (或者说或者说切制方法的不同切制方法的不同) )，圆柱蜗杆又可分为，圆柱蜗杆又可分为阿基阿基米德蜗杆米德蜗杆(ZA(ZA蜗杆蜗杆)

3、 )、渐开线蜗杆、渐开线蜗杆(ZI(ZI蜗杆蜗杆) )等。等。和螺纹一样，蜗杆有和螺纹一样，蜗杆有左旋、左旋、右旋右旋、单线和多线单线和多线之分，右之分，右旋蜗杆使用较多。旋蜗杆使用较多。6-2 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与几何尺寸计算 通过蜗杆轴线并垂直于通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面称为蜗轮轴线的平面称为中中间平面间平面。在中间平面内。在中间平面内蜗轮与蜗杆的啮合相当蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮和齿条的于渐开线齿轮和齿条的啮合。啮合。 蜗杆传动的设计计算都蜗杆传动的设计计算都以中间平面（即蜗杆的以中间平面（即蜗杆的轴面，蜗轮的端面）的轴面，蜗轮的端面）的

4、参数和几何关系标准参数和几何关系标准。n和螺纹类似和螺纹类似6 蜗杆的导程角蜗杆的导程角 111atanZ P /d导程角：导程角：一、蜗杆传动的正确啮合条件一、蜗杆传动的正确啮合条件7在两轴交错角为在两轴交错角为9090的蜗杆传动中的蜗杆传动中1212atatmmm旋向相同旋向相同8 设蜗杆齿数（即螺旋线数目）为设蜗杆齿数（即螺旋线数目）为z1，蜗轮齿数为，蜗轮齿数为z2，传动，传动比为：比为： i=n1/n2=z2/z1 式中：式中： n1和和 n2分别为蜗杆和蜗轮的转速（分别为蜗杆和蜗轮的转速（r/min）。）。 通常蜗杆通常蜗杆z1、。、。若要得到大传动比，可取若要得到大传动比，可取

5、z1 ，但这种情况下传动效率较低；传递功率较大时，但这种情况下传动效率较低；传递功率较大时，为提为提高效率可采用多头蜗杆，取高效率可采用多头蜗杆，取 z1 或或。 蜗轮齿数蜗轮齿数z2= iz1 。为了避免蜗轮轮齿发生根切，。为了避免蜗轮轮齿发生根切，不应少于不应少于26，但也不宜大于，但也不宜大于80。若。若z2过多，会使蜗轮结构尺寸太大，过多，会使蜗轮结构尺寸太大，蜗杆长度也随之增加，致使蜗杆刚度下降、啮合精度降低。蜗杆长度也随之增加，致使蜗杆刚度下降、啮合精度降低。二、传动比二、传动比i i 、齿数、齿数z z1 1 和齿数和齿数z z2 2 9三、蜗杆直径系数三、蜗杆直径系数q q和导

6、程角和导程角 tg=pz/d1 =z1px/d1 =z1m/d1 = z1m/d1 d1 =m z1/ tg q = z1/ tg d1 =mq式中式中q=d1/m称为蜗杆称为蜗杆直径系数直径系数。 m一定：一定：q d1 蜗杆的刚度蜗杆的刚度强度强度m较小时，较小时，q应取大值应取大值tg=z1/q q 在蜗杆刚度允许时，在蜗杆刚度允许时，q应尽可能小。应尽可能小。 330的蜗杆传动具有自锁性。的蜗杆传动具有自锁性。四、标准中心距四、标准中心距 10n当蜗杆节圆与分度圆重合时称为标准传动，当蜗杆节圆与分度圆重合时称为标准传动，其标准中心距计算式为其标准中心距计算式为:n a=0.5(d1+d

7、2)=0.5m(q+z2)11五、蜗杆传动的几何尺寸计算五、蜗杆传动的几何尺寸计算分度圆直径 d1=mq d2=mz2齿顶高 ha1=m ha2=m 齿根高 hf1=1.2m hf2=1.2m顶圆直径 da1=d1+2ha1=d1+2m da2=m(z2+2)根圆直径 df1=d1-2hf1=d1-2.4m df2=m(z2-2)径向间隙 c=0.2m中心距 a=0.5(d1+d2)=0.5m(q+z2)蜗杆轴向齿距( px1)蜗轮端面周节(pt2) px1=pt2=m126-3 6-3 蜗杆和蜗轮的常用材料和结构蜗杆和蜗轮的常用材料和结构 蜗杆蜗轮副的材料组合不仅要求有蜗杆蜗轮副的材料组合不

8、仅要求有足够的强度足够的强度，而，而更重要的是要有良好的更重要的是要有良好的耐磨性能和抗胶合耐磨性能和抗胶合的能力。的能力。因此常采用因此常采用钢蜗杆与青铜齿圈的蜗轮配对钢蜗杆与青铜齿圈的蜗轮配对。蜗杆材料：蜗杆材料：一般用碳素钢或合金钢制成一般用碳素钢或合金钢制成蜗轮材料：蜗轮材料：一般为铸造锡青铜、铝青铜、灰铸铁一般为铸造锡青铜、铝青铜、灰铸铁适用于齿面滑动速度 较高的传动。ss 8 m/s 的场合。（抗胶合能力差）s 2 m/s 的场合。（抗胶合能力强，抗点蚀能力差）锡青铜：铝青铜：灰铸铁：13二、蜗杆和蜗轮的结构二、蜗杆和蜗轮的结构 蜗杆绝大多数和轴制蜗杆绝大多数和轴制成一体，称为成一

9、体，称为蜗杆轴蜗杆轴。蜗轮可以制成整体蜗轮可以制成整体的的(下图下图a )。但为了节约。但为了节约贵重的有色金属，大尺贵重的有色金属，大尺寸的蜗轮通常采用组合寸的蜗轮通常采用组合式结构式结构(下图下图b)。蜗轮齿。蜗轮齿圈与轮芯也可用铰制孔圈与轮芯也可用铰制孔用螺栓来联接用螺栓来联接(下图下图c )。对于大批量生产的蜗轮，对于大批量生产的蜗轮，常在铸铁轮芯上浇铸出常在铸铁轮芯上浇铸出青铜齿圈青铜齿圈(下图下图d )。146-4 6-4 蜗杆传动受力分析与强度计算蜗杆传动受力分析与强度计算1 1。分解：。分解： 圆周力圆周力Ft 法向力法向力Fn 径向力径向力Fr 轴向力轴向力Fa 2。大小：。

10、大小： Ft1=2000T1/d1 Ft2=2000T2/d2 Fr2= Ft2tg 3。关系：。关系： Fa2= -Ft1 Fa1= -Ft2 Fr1= -Fr2 4。方向：。方向： 圆周力圆周力（Ft1）：）：主反从同主反从同 径向力径向力（Fr1）：）：指向轮心指向轮心 轴向力轴向力（Fa1）：）：左右手定则左右手定则5。注意：。注意：一、一、受力分析受力分析蜗轮的蜗轮的转动方向转动方向判断：判断：蜗杆的转向和旋向蜗杆的转向和旋向(左右手定则左右手定则) Fa1Ft2 (主反从同主反从同)蜗轮的蜗轮的转向转向15 例：例：16二、滑动速度和失效形式二、滑动速度和失效形式22112sVVV

11、Vcos滑动速度的大小，对齿面的润滑情滑动速度的大小，对齿面的润滑情况、齿面失效形式、发热以及传动况、齿面失效形式、发热以及传动效率等都有很大影响。效率等都有很大影响。1.滑动速度滑动速度 设蜗杆的圆周速度为设蜗杆的圆周速度为V V1 1，蜗轮，蜗轮的圆周速度为的圆周速度为V V2 2，V V1 1与与V V2 2呈呈9090角，角，则齿廓间产生的相对滑动速度：则齿廓间产生的相对滑动速度：2.2.失效形式和设计准则失效形式和设计准则17主要失效形式有主要失效形式有齿面点蚀、胶合、磨损和轮齿折断齿面点蚀、胶合、磨损和轮齿折断等。一般失效等。一般失效总是发生在强度较低的蜗轮上总是发生在强度较低的蜗

12、轮上。在在闭式闭式蜗杆传动，失效多为蜗杆传动，失效多为点蚀和胶合点蚀和胶合。在在开式开式蜗杆传动，失效多为蜗杆传动，失效多为磨损和断齿磨损和断齿。至今对胶合与磨损计算尚无成熟的方法，故只能参至今对胶合与磨损计算尚无成熟的方法，故只能参照圆柱齿轮进齿面及齿根强度的计算，而在选择许照圆柱齿轮进齿面及齿根强度的计算，而在选择许用应力时，根据传动特点考虑胶合和磨损失效的影用应力时，根据传动特点考虑胶合和磨损失效的影响。因此，目前工程上主要是针对响。因此，目前工程上主要是针对蜗轮进行齿面接蜗轮进行齿面接触强度和齿根弯曲强度的计算触强度和齿根弯曲强度的计算。18三、蜗轮强度计算三、蜗轮强度计算 蜗轮强度计

13、算与斜齿轮相似，以蜗杆蜗轮在节点处啮合的蜗轮强度计算与斜齿轮相似，以蜗杆蜗轮在节点处啮合的 相应参数代入斜齿轮公式，便可得到蜗轮强度计算公式：相应参数代入斜齿轮公式，便可得到蜗轮强度计算公式： 蜗轮轮蜗轮轮齿弯曲强度校核公式齿弯曲强度校核公式 设计公式设计公式 蜗轮蜗轮齿面接触强度校核公式齿面接触强度校核公式 设计公式设计公式 式中：式中：FP许用弯曲应力许用弯曲应力(查表查表63） HP 许用接触应力许用接触应力(查表查表63）HPHdmKTz12221500022212)15000(KTzdmHPFPFaFYzdmkT21221560FPFazkYTdm22121560196-46-4蜗杆

14、传动润滑、效率和热平衡计算蜗杆传动润滑、效率和热平衡计算一、蜗杆传动的润滑一、蜗杆传动的润滑 开式开式蜗杆传动，采用粘度较高的润滑油或润滑脂。蜗杆传动，采用粘度较高的润滑油或润滑脂。 闭式闭式蜗杆传动，根据工作条件及蜗杆传动，根据工作条件及V VS S，参考，参考表表6-46-4选定润选定润滑油粘度及给油方法。滑油粘度及给油方法。 当当V VS S4m/s时，常将时，常将蜗杆置于蜗轮之上蜗杆置于蜗轮之上，形成上置蜗杆，形成上置蜗杆传动，传动，浸油深度约为蜗轮外径的浸油深度约为蜗轮外径的1/31/3，由蜗轮带油润滑；由蜗轮带油润滑； 若若V VS S1015m/s，则应采用压力，则应采用压力喷油

15、润滑喷油润滑(压力约为压力约为0.10.3MPa)。20二、蜗杆传动的效率二、蜗杆传动的效率 由上式可知，增大导程角由上式可知，增大导程角 可提高效率，故动力传动中常可提高效率，故动力传动中常采用多头蜗杆。但导程角过大会引起加工困难，而且采用多头蜗杆。但导程角过大会引起加工困难，而且 28时，效率提高也很少。时，效率提高也很少。 321式中：式中： 1啮合效率啮合效率)tan(tan1 2 3分别为轴承效率和搅油效率分别为轴承效率和搅油效率 一般取一般取 2 3=0.950.9621三、蜗杆传动的热平衡计算三、蜗杆传动的热平衡计算 式中： t -温度差， t=t-t0；t-温差允许值，一般为(

16、6070)，并应使油温t小于90； P1-蜗杆传递功率(kW)；-传动效率； A-散热面积； Kt-表面散热系数，根据箱体周围通风条件，一般取Kt =(1017) ； 对连续工作的闭式蜗杆传动要进行热平衡计算。tAK)-(11000Ptt1在闭式传动中，热量系通过箱壳散逸，要求箱体内的油温t()和周围空气温度t0()之差不超过允许值：n如超过温差允许值，可视情况采用下述如超过温差允许值，可视情况采用下述冷却措施冷却措施：22 (1) 增加散热面积增加散热面积合理设计箱体结构，铸出或合理设计箱体结构，铸出或焊接上散热片。焊接上散热片。 (2) 提高散热系数提高散热系数在蜗杆轴上加装风扇在蜗杆轴上加装风扇(图图a)；在箱体油池内装设蛇形冷却水管在箱体油池内装设蛇形冷却水管(图图c)；采用循环油；采用循环油冷却冷却(图图b)