机械设计基础蜗杆传动机构课件

1、5.7蜗杆传动机构第五章第五章 机械传动机械传动目录5.7.1 概述概述5.7.2 蜗杆蜗轮机构的主要参数和尺寸计算蜗杆蜗轮机构的主要参数和尺寸计算5.7.1 概述5.7.1.1蜗杆蜗轮的形成蜗杆蜗轮的形成5.7.1.2蜗杆传动机构的类型蜗杆传动机构的类型5.7.1.3蜗杆蜗轮机构的特点和应用蜗杆蜗轮机构的特点和应用5.7.1.1蜗杆蜗轮的形成 蜗杆传动由蜗轮和蜗杆蜗杆传动由蜗轮和蜗杆组成，用来传递空间两组成，用来传递空间两交叉轴之间的运动和动交叉轴之间的运动和动力。力。通常交错角为通常交错角为90。，蜗杆位主动件蜗杆位主动件。 形成形成由一对由一对交错斜交错斜齿圆柱齿轮齿圆柱齿轮演化而来的。

2、演化而来的。 小齿轮小齿轮的螺旋角很大、的螺旋角很大、齿数很小、直径很小、齿数很小、直径很小、齿宽很大齿宽很大完整螺旋完整螺旋线线杆状杆状蜗杆蜗杆旋向判断旋向判断 蜗杆的旋向根据螺旋线的方向判断蜗杆的旋向根据螺旋线的方向判断 蜗轮如下判断：蜗轮如下判断： 1）蜗轮的转向应与蜗轮所受切向力的方向一）蜗轮的转向应与蜗轮所受切向力的方向一致，而蜗轮所受切向力的方向与蜗杆轴向力的致，而蜗轮所受切向力的方向与蜗杆轴向力的方向相反方向相反 2）蜗杆轴向力的方向采用主动轮（蜗杆）左）蜗杆轴向力的方向采用主动轮（蜗杆）左右手定则判断：蜗杆左旋用左手，四指抓向与右手定则判断：蜗杆左旋用左手，四指抓向与蜗杆旋转方

3、向一致，则大拇指指向即是蜗杆所蜗杆旋转方向一致，则大拇指指向即是蜗杆所受轴向力的方向。如果蜗杆右旋用右手，判断受轴向力的方向。如果蜗杆右旋用右手，判断方法同左手。左右手定则同时适用于斜齿轮传方法同左手。左右手定则同时适用于斜齿轮传动主动轮轴向力的确定。动主动轮轴向力的确定。旋向判断5.7.1.1蜗杆蜗轮的形成 大齿轮大齿轮的螺旋角很大、齿的螺旋角很大、齿数很多、直径较大、齿宽数很多、直径较大、齿宽较短较短轮状轮状蜗轮蜗轮 为改善啮合状况为改善啮合状况将蜗将蜗轮轮沿齿宽方向做成弧形沿齿宽方向做成弧形将将蜗杆部分包住。蜗杆部分包住。 蜗杆加工蜗杆加工车床，与车车床，与车螺纹相似。螺纹相似。 蜗轮加

4、工蜗轮加工用蜗杆状滚用蜗杆状滚刀按展成原理加工。刀按展成原理加工。 蜗杆有左右旋单双头，常蜗杆有左右旋单双头，常用右旋，导程角用右旋，导程角=90=90- -5.7.1.2蜗杆传动机构的类型 根据蜗杆的形状可分根据蜗杆的形状可分为：为：圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动和和环面蜗杆传动环面蜗杆传动。 圆柱蜗杆圆柱蜗杆按螺旋面形按螺旋面形状的不同状的不同可分为可分为渐开渐开线蜗杆线蜗杆和和阿基米德蜗阿基米德蜗杆杆。由于阿基米德蜗。由于阿基米德蜗杆加工方便，所以应杆加工方便，所以应用广泛。用广泛。5.7.1.3蜗杆蜗轮机构的特点和应用 1.传动比大传动比大。单级传动比。单级传动比i=880，在分度机构，在分

5、度机构中传动比可达中传动比可达1000。 2.传动平稳、噪声小传动平稳、噪声小。蜗杆齿为连续不断的螺。蜗杆齿为连续不断的螺旋齿，逐渐进入啮合和退出啮合。旋齿，逐渐进入啮合和退出啮合。 3.在一定条件下在一定条件下（导程角（导程角80时措施时措施)(/)96. 095. 0(321VtgtgCtCSKPttd80)()1 (10000本节完 谢谢观赏谢谢观赏_5.8齿轮传动的失效、常用材料及润滑5.8.1 齿轮轮齿的失效形式齿轮轮齿的失效形式5.8.2 齿轮的设计准则齿轮的设计准则5.8.3 齿轮的材料与热处理齿轮的材料与热处理5.8.4 齿轮的润滑齿轮的润滑5.8.1齿轮轮齿的失效形式 1.轮

6、齿折断轮齿折断 2.齿面疲劳点蚀齿面疲劳点蚀 3.齿面磨损齿面磨损 4.齿面胶合齿面胶合 5.齿面塑性变形齿面塑性变形1.轮齿折断弯曲疲劳折断弯曲疲劳折断闭式硬齿面齿轮传动闭式硬齿面齿轮传动最主要的失效最主要的失效形式形式过过 载载 折折 断断载荷过大或脆性材料载荷过大或脆性材料齿根整体折断齿根整体折断直齿，直齿，b较小时较小时局局 部部 折折 断断斜齿或偏载，斜齿或偏载，b较大时较大时 提高轮齿抗折断能力的措施：提高轮齿抗折断能力的措施：减小齿根应力集中，增加齿根过渡圆角，降低齿根表减小齿根应力集中，增加齿根过渡圆角，降低齿根表面粗糙度；面粗糙度；提高安装精度及支承刚性，避免轮齿偏载；提高安

7、装精度及支承刚性，避免轮齿偏载；改善热处理，使其有足够的齿芯韧性和齿面硬度；改善热处理，使其有足够的齿芯韧性和齿面硬度；齿根部分进行表面强化处理（喷丸、滚压）。齿根部分进行表面强化处理（喷丸、滚压）。 2.齿面（疲劳）点蚀 齿面点蚀：齿面点蚀：接触应力（脉动循环应力）接触应力（脉动循环应力）接触疲劳强接触疲劳强度度齿面裂纹齿面裂纹扩展使表面微粒脱落。扩展使表面微粒脱落。 发生位置发生位置：节线附近，：节线附近，闭式齿轮闭式齿轮 原原 因：因：单齿对啮合接触应力较大；单齿对啮合接触应力较大； 节线处相对滑动速度较低，节线处相对滑动速度较低，不易形成润滑油膜；不易形成润滑油膜； 润滑油渗入微裂纹，

8、接触应力挤压使裂纹扩展至金润滑油渗入微裂纹，接触应力挤压使裂纹扩展至金属剥落。属剥落。 防止措施：防止措施： 提高齿面硬度；提高齿面硬度； 降低表面粗糙度；降低表面粗糙度； 采用角度变位；采用角度变位； 选用较高粘度的润滑油；选用较高粘度的润滑油； 提高加工、安装精度；提高加工、安装精度； 改善散热。改善散热。3.齿面磨损 原因原因：1.啮合过程中存在相对滑动。啮合过程中存在相对滑动。 2.杂物进入轮齿间引起磨损杂物进入轮齿间引起磨损 危害：危害：使渐开线齿廓破坏，齿厚减小，降低强使渐开线齿廓破坏，齿厚减小，降低强度，度， 齿隙增大而引起冲击和振动。齿隙增大而引起冲击和振动。 防止措施：防止措

9、施：提高齿面硬度；提高齿面硬度； 降低表面粗糙度；降低表面粗糙度； 降低滑动系数；降低滑动系数； 润滑油定期清洁和更换；（润滑油定期清洁和更换；（闭式闭式） 变开式为闭式。变开式为闭式。4.齿面胶合 原因原因：油膜破坏：油膜破坏齿面高温粘接或压力粘接。齿面高温粘接或压力粘接。 防止措施防止措施：采用采用抗胶合能力强的润滑油抗胶合能力强的润滑油； 采用角度采用角度变位齿轮传动变位齿轮传动； 减小减小m和齿高和齿高h，降低滑动速度，降低滑动速度 提高齿面硬度；提高齿面硬度； 配对齿轮有适当的硬度差；配对齿轮有适当的硬度差； 改善润滑与散热条件。改善润滑与散热条件。 5.齿面塑性变形 齿面材料在过大

10、的摩擦力作用下处于屈服状态，齿面材料在过大的摩擦力作用下处于屈服状态，产生沿摩擦力方向的塑性流动，从而使齿面正产生沿摩擦力方向的塑性流动，从而使齿面正确轮廓曲线被损坏。确轮廓曲线被损坏。 防止措施防止措施： 提高齿面硬度；提高齿面硬度； 采用高粘度的润滑油或加极压添加剂采用高粘度的润滑油或加极压添加剂。5.8.2齿轮的设计准则 5.8.2.1 闭式传动闭式传动 5.8.2.2开式传动开式传动5.8.2.1 闭式传动 失效形式：齿面点蚀、轮齿弯曲疲劳折断。失效形式：齿面点蚀、轮齿弯曲疲劳折断。 1）软齿面（）软齿面（350HBS）齿轮主要失效形式是）齿轮主要失效形式是齿面点蚀，故可齿面点蚀，故可

11、按齿面接触疲劳强度进行设计按齿面接触疲劳强度进行设计，确定齿轮尺寸后按齿根弯曲疲劳强度校核确定齿轮尺寸后按齿根弯曲疲劳强度校核。 2）硬齿面（）硬齿面（350HBS）或铸铁齿轮，由于抗）或铸铁齿轮，由于抗点蚀能力较高，轮齿折断的可能性较大，故可点蚀能力较高，轮齿折断的可能性较大，故可按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮确定齿轮尺寸后按齿面接触疲劳强度校核。尺寸后按齿面接触疲劳强度校核。5.8.2.2开式传动 对于开式齿轮传动中的齿轮，对于开式齿轮传动中的齿轮，齿面磨损为其主齿面磨损为其主要失效形式要失效形式，故通常，故通常按照齿根弯曲疲劳强度进按照齿根弯曲疲劳

12、强度进行设计计算行设计计算，确定齿轮的模数，确定齿轮的模数，考虑磨损因素，考虑磨损因素，再将模数增大再将模数增大10%20%，而无需校核接触，而无需校核接触强度强度。 5.8.3齿轮的材料与热处理 5.8.3.1 齿轮材料的基本要求齿轮材料的基本要求 5.8.3.2 齿轮材料齿轮材料 5.8.3.3 软齿面齿轮软齿面齿轮 5.8.3.4 硬齿面齿轮硬齿面齿轮 5.8.3.1 齿轮材料的基本要求 由轮齿的失效分析可知，对齿轮材料的基本要由轮齿的失效分析可知，对齿轮材料的基本要求为：求为： (1)齿面齿面应有应有足够的硬度足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点，以抵抗齿面磨损、点蚀、胶合以及塑性变形等；蚀

13、、胶合以及塑性变形等； (2)齿芯齿芯应有应有足够的强度和较好的韧性足够的强度和较好的韧性，以抵抗，以抵抗齿根折断和冲击载荷：齿根折断和冲击载荷： (3)应有应有良好的加工工艺性能及热处理性能良好的加工工艺性能及热处理性能使使之便于加工且便于提高其力学性能。最常用的之便于加工且便于提高其力学性能。最常用的齿轮材料是钢此外还有铸铁及一些非金属材齿轮材料是钢此外还有铸铁及一些非金属材料等。料等。 5.8.3.2 齿轮材料 首先首先是优质碳素钢和合金结构钢（是优质碳素钢和合金结构钢（锻钢锻钢）其次其次是是铸钢和铸铁铸钢和铸铁再其次是非铁金属和工程塑料再其次是非铁金属和工程塑料 。 大多数大多数采用锻

14、钢采用锻钢形状复杂、直径较大、不易锻造形状复杂、直径较大、不易锻造的：的：铸钢或球墨铸铁铸钢或球墨铸铁传递功率不大、低速、无冲传递功率不大、低速、无冲击、开式齿轮传动：击、开式齿轮传动：灰铸铁灰铸铁。 锻钢锻钢 因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。 铸钢铸钢 当齿轮的尺寸较大当齿轮的尺寸较大(大于大于400一一600mm)而不便而不便于锻造时可用铸造方法制成铸钢齿坯，于锻造时可用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火再进行正火处理以细化晶粒处理以细化晶粒 铸铁铸铁 低速、轻载场合的齿轮可以

15、制成铸铁齿坯。当尺低速、轻载场合的齿轮可以制成铸铁齿坯。当尺寸大于寸大于500mmm时可制咸大齿圈，或制成轮辐式齿轮。时可制咸大齿圈，或制成轮辐式齿轮。5.8.3.3 软齿面齿轮(锻钢) 软齿面齿轮的齿面硬度软齿面齿轮的齿面硬度350HBS 常用的材料为常用的材料为中碳钢或中碳合金钢中碳钢或中碳合金钢 经调质经调质切齿切齿表面淬火处理表面淬火处理（磨（磨齿）。齿）。 5.8.4 齿轮的润滑 为什么要润滑为什么要润滑啮合齿存在相对滑动：齿面啮合齿存在相对滑动：齿面摩擦和磨损。摩擦和磨损。 闭式齿轮：闭式齿轮： v12m/s浸油润滑，浸油润滑，10mm浸入深度浸入深度12m/s喷油润滑喷油润滑1.

16、直齿齿轮齿面接触疲劳强度计算 计算目的：防止轮齿因齿面接触疲劳而出现疲计算目的：防止轮齿因齿面接触疲劳而出现疲劳点蚀，要求齿面的最大接触应力不超过接触劳点蚀，要求齿面的最大接触应力不超过接触疲劳极限应力。疲劳极限应力。 计算依据：赫其公式（弹性力学）计算依据：赫其公式（弹性力学） 齿面最大接触应力齿面最大接触应力: 接触疲劳强度：接触疲劳强度： 1222121211()11()()ncHFLEE221212111()()EZEE12121 HEHHKTuZZbdu1.直齿齿轮齿面接触疲劳强度计算 设计公式：设计公式： 213121 HEdHKTZ Zudu2.直齿齿轮齿根弯曲疲劳强度计算 计算

17、目的计算目的：防止轮齿因弯曲疲劳折断：防止轮齿因弯曲疲劳折断 计算假设：计算假设： 1.只考虑弯曲应力；只考虑弯曲应力； 2.单齿对啮合；单齿对啮合； 3.载荷作用于齿顶；载荷作用于齿顶； 4.计算模型为悬臂梁；计算模型为悬臂梁； 5.用重合度系数考虑齿顶啮合时非单齿对啮合用重合度系数考虑齿顶啮合时非单齿对啮合影响。影响。 2.直齿齿轮齿根弯曲疲劳强度计算 弯曲疲劳强度：弯曲疲劳强度： 弯曲疲劳强度校核：弯曲疲劳强度校核： 设计公式：设计公式： （取标准值）（取标准值） 22cos6cos1cos6caFFtFFFFFF hKFhMWbsbs112tFasaFFasaFKFKTY YY Ybm

18、bd m13212 FasadFY YKTmZ3. 齿轮设计一般步骤1）选择齿轮材料）选择齿轮材料2）根据设计公式确定模数和齿数）根据设计公式确定模数和齿数3）由相关求得齿轮基本参数和尺寸）由相关求得齿轮基本参数和尺寸4）校核接触强度和弯曲疲劳强度）校核接触强度和弯曲疲劳强度5）计算效率、润滑和热平衡）计算效率、润滑和热平衡213121 HEdHKTZ Zudu13212 Fa sadFY YKTmZ本节完 谢谢观赏谢谢观赏_5.9圆柱齿轮传动精度简介5.9.1精度等级精度等级5.9.2齿轮副的侧隙齿轮副的侧隙5.9.1精度等级 我国现行国家标准为我国现行国家标准为GB/T10095.1200

19、1. 按规定，传动的精度等级分为按规定，传动的精度等级分为13级，精度从级，精度从0到到12依次降低。依次降低。 0-2为待发展级，为待发展级，3-5为高精度级，为高精度级，6-8为中等精为中等精度级，度级，9-12为低精度级。为低精度级。 选择齿轮精度时，选择齿轮精度时，应以传动的用途、传递功率应以传动的用途、传递功率的大小、齿轮的圆周速度、工作条件为依据的大小、齿轮的圆周速度、工作条件为依据，并参考同类机械进行具体选择。并参考同类机械进行具体选择。5.9.2齿轮副的侧隙 考虑到制造误差、齿变形、热膨胀，同时为便考虑到制造误差、齿变形、热膨胀，同时为便于润滑于润滑需要一定侧隙。需要一定侧隙。

20、 侧隙是自然形成的，它对于每一对非工作的齿侧隙是自然形成的，它对于每一对非工作的齿廓是不相等的。廓是不相等的。 齿轮副的最小侧隙应能齿轮副的最小侧隙应能保证保证齿轮正常储油齿轮正常储油润滑润滑和和补偿各种变形补偿各种变形。本节完 谢谢观赏谢谢观赏_5.10 轮系5.10.1轮系的类型轮系的类型5.10.2定轴轮系的传动比计算定轴轮系的传动比计算5.10.3行星轮系传动比的计算行星轮系传动比的计算5.10.4轮系的应用轮系的应用引入 现代机械中，为了现代机械中，为了满足不同的工作要满足不同的工作要求只用一对齿轮传求只用一对齿轮传动往往是不够的，动往往是不够的，通常用一系列齿轮通常用一系列齿轮共同

21、传动。共同传动。 这种这种由多个齿轮组由多个齿轮组成的传动系统成的传动系统称为称为齿轮系齿轮系，简称，简称轮系轮系。5.10.1轮系的类型1.按组成轮系的齿轮（或构件）按组成轮系的齿轮（或构件）的的轴线是否相互平行轴线是否相互平行可分为：可分为：平面轮系和空间轮系平面轮系和空间轮系2.根据轮系运转时齿轮的根据轮系运转时齿轮的轴线位轴线位置相对于机架是否固定置相对于机架是否固定可分为可分为两大类：两大类：定轴轮系和周转轮系定轴轮系和周转轮系5.10.1轮系的类型 5.10.1.1 定轴轮系定轴轮系 5.10.1.2 周转轮系周转轮系 5.10.1.3 混合轮系混合轮系5.10.1.1 定轴轮系（

22、普通轮系）定义：各齿轮的轴线在空间的位置是固定不动的轮系定义：各齿轮的轴线在空间的位置是固定不动的轮系5.10.1.2 周转轮系 定义：在轮系中至少定义：在轮系中至少有一个齿轮的轴线绕有一个齿轮的轴线绕另一齿轮的固定轴线另一齿轮的固定轴线回转的轮系。回转的轮系。 太阳轮（中心轮）：太阳轮（中心轮）：绕固定轴转绕固定轴转 行星轮：行星轮：自转自转+公转公转 差动轮系：差动轮系： 行星轮系：行星轮系：两太阳轮都能转动两太阳轮都能转动只有一个太阳轮转动只有一个太阳轮转动5.10.1.3 混合轮系 以上两种轮系组合而成。以上两种轮系组合而成。5.10.2定轴轮系的传动比计算 轮系的传动比：是指轮系中输

23、入轴（主动轮）轮系的传动比：是指轮系中输入轴（主动轮）的角速度（或转速）与输出轴（从动轮）的角的角速度（或转速）与输出轴（从动轮）的角速度（或转速）之比，即速度（或转速）之比，即 :111555nin正负号则取决于正负号则取决于外啮合的次数。外啮合的次数。例例5-2 图图4-45所示为一手摇提升装置所示为一手摇提升装置z1=20，z2=50， z2=16， z3=30，z3=1，z4=40，z4=18，z5=52。试求。试求传动比传动比i15，并指出提升重物时手柄的，并指出提升重物时手柄的转向。转向。旋向判断旋向判断 蜗杆的旋向根据螺旋线的方向判断蜗杆的旋向根据螺旋线的方向判断 蜗轮如下判断：

24、蜗轮如下判断： 1）蜗轮的转向应与蜗轮所受切向力的方向一）蜗轮的转向应与蜗轮所受切向力的方向一致，而蜗轮所受切向力的方向与蜗杆轴向力的致，而蜗轮所受切向力的方向与蜗杆轴向力的方向相反方向相反 2）蜗杆轴向力的方向采用主动轮（蜗轮）左）蜗杆轴向力的方向采用主动轮（蜗轮）左右手定则判断：蜗杆左旋用左手，四指抓向与右手定则判断：蜗杆左旋用左手，四指抓向与蜗杆旋转方向一致，则大拇指指向即是蜗杆所蜗杆旋转方向一致，则大拇指指向即是蜗杆所受轴向力的方向。如果蜗杆右旋用右手，判断受轴向力的方向。如果蜗杆右旋用右手，判断方法同左手。左右手定则同时适用于斜齿轮传方法同左手。左右手定则同时适用于斜齿轮传动主动轮轴

25、向力的确定。动主动轮轴向力的确定。旋向判断不能直接用定轴轮系传动比的公式计算周转轮系的传动比。可应用转化轮系法，即根据相对运动原理，假想对整个行星轮系加上一个与行星架转速n H大小相等而方向相反的公共转速-n H，则行星架被固定，而原构件之间的相对运动关系保持不变。这样，原来的行星轮系就变成了假想的定轴轮系。这个经过一定条件转化得到的假想定轴轮系，称为原周转轮系的转化轮系。5.10.35.10.3行星轮系传动比的计算行星轮系传动比的计算周转轮系及转化轮系中各构件的转速周转轮系及转化轮系中各构件的转速原来的转速n1n2转化轮系中的转速nHH=nH-nH=0构件名称 太阳轮1行星轮2太阳轮3行星架

26、Hn3nHn1H=n1-nHn2H=n2-nHn3H=n3-n H由于转化轮系为定轴轮系，故根据定轴轮系传动比计算式可得轮1、3传动比为：5.10.35.10.3行星轮系传动比的计算行星轮系传动比的计算3.对于差动轮系，必须给定n 1 、 n k 、n H中任意两个（F=2，两个原动件），运动就可以确定。对于简单周转轮系，有一太阳轮固定（n k=0)，在n 1 、n H只需要给定一个（F=1，需要一个原动件），运动就可以确定。1.公式只适用于平面周转轮系。正、负号可按画箭头的方法来确定，也可根据外啮合次数还确定（-1）m。对于空间周转轮系，当两太阳轮和行星架的轴线互相平行时，仍可用转化轮系法来建立转速关系式，但正、负号应按画箭头的方法来确定。2.公式中的“+”、“-”号表示输入和输出轮的转向相同或相反。注意：5.10.35.10.3行星轮系传动比的计算行星轮系传动比的计算例:如图所示的周转轮系中，已知各轮齿数为Z1=100, Z2=99, Z3=100, Z4=101 ，行星架H为原动件，试求传动比i iH1？ 解: i iH1n H H / n n 1i i14(n n 1 - n H H )/ (n n 4 - n H