机械设计的基本与实践项目8认识蜗杆传动机构

1、项目八项目八 认识蜗杆传动认识蜗杆传动P174,8-10P174,8-10蜗杆传动也是常见的一种传动机构，请阐明蜗杆传动的失效形式，相应的设计准则是什么？设计时如何进行受力分析？8.1蜗杆传动的特点和类型 一、组成：蜗轮 蜗杆 机架二、应用：（用来传递空间两交错轴之间的运动和动力。如图所示。一般两轴交角为90，一般为蜗杆主动、蜗轮从动，）蜗杆传动广泛应用与各种机械和仪器设备之中。三、特点：优点：1、蜗杆传动的最大特点是结构紧凑、传动比大。一般传动比 i=8-100。若只传递运动（如分度运动），其传动比可达1000。（与齿轮比较,否则结构庞大。)2、传动平稳。 (由于蜗杆传动相当于螺旋传动、为多

2、齿啮合传动，重合度高，故传动平稳，噪音小。）（直齿轮 斜齿轮 蜗轮蜗杆)3、可制成具有自锁性的蜗杆。(当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，可以实现反向自锁，即蜗杆能带动蜗轮转动，蜗轮不能带动蜗杆转动。例：手动葫芦）缺点：4、传动效率较低。（摩擦损失大，发热量高，一般为0.7-0.9，自锁的大约为0.4。故传递动力时不宜传递大功率。）5、成本高。（为了减少摩擦，蜗轮的材料为贵重的减摩材料，常用为青铜；安装时对中心距地精度要求高。）蜗杆传动的特点圆柱蜗杆传动（应用最多）环面蜗杆传动（蜗杆体在轴向的外形是以凹弧面为母线所形成的旋转曲面，这种蜗杆同时啮合齿数多，传动平稳；齿面利于润滑油膜形成，

3、传动效率较高）锥蜗杆传动(同时啮合齿数多，重合度大；传动比范围大(10360)；承载能力和效率较高；可节约有色金属。）2、圆柱蜗杆传动的类型端面齿廓为阿基米德螺旋线，轴向剖面为直线齿廓，加工方法与普通梯形螺纹相似，刀具的顶平面始终通过蜗杆轴线，易车削，加工方便。应用广泛，又称ZA螺杆。端面齿廓为渐开线，加工时刀具的切削刃与基圆相切，两把刀分别车出左右螺旋面。又称ZI螺杆8.2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算一.蜗轮与蜗杆机构的形成 一对交错角为90的斜齿轮传动机构，如将小齿轮的齿数和分度圆直径减小，将螺旋角和齿宽增大，则轮齿在分度圆上形成完整的螺旋线，小齿轮就变成了一根螺杆，称为蜗杆。大齿轮此

4、时称为蜗轮。蜗杆的齿数此时称为头数，用Z1表示，通常Z16,其中单头蜗杆应用最广。根据螺杆的一些特征得出，在分度圆柱面上，升角和螺旋角的和=90（升角 螺旋线的切线与垂直于轴线的平面的夹角，升角又称为导程角。螺旋角-螺旋线的切线与轴线的夹角。展开图更容易看出二者关系。）二.中间平面 蜗杆传动的设计计算都是以中间平面内的参数和几何关系为标准。 在中间平面上，蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。正确啮合条件正确啮合条件故其正确啮合条件为：中间平面内的蜗轮和蜗杆的模数和压力角分别相等。（即蜗杆的轴面模数和轴面压力角与蜗轮的端面模数和端面压力角分别相等。）而且由于二者螺旋角和常为90（分度圆

5、上螺旋线与轴线夹角），推出蜗杆升角等于蜗轮螺旋角， （因为对于其一来说，螺旋角和升角和为90）而且要正确啮合二者旋向需相同。2、导程角 3、传动比 i,蜗杆的头数z1,蜗轮齿数z21221zznni12dd较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通常蜗杆头数取为1、2、4、6。蜗轮齿数Z2=28-80四四. .主要参数主要参数1.模数和压力角4、蜗杆的分度圆直径d1和直径系数q 由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，蜗杆的尺寸参数与加工蜗轮的蜗轮滚刀尺寸参数相同，为了限制滚刀的数目及便于滚刀的标准化

6、，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径d1。直径d1与模数m的比值(q= d1 m)称为蜗杆的直径系数。q=d1/m q称为蜗杆的直径系数d1=mq5.中心距a=0.5(d1+d2)=0.5m(q+z2)6.齿顶高系数ha*=1 顶隙系数 c*=0.2 螺旋角1 、 2七、几何尺寸计算：注意：d1=mqm1z1八.蜗杆传动的标记例题：m=10mm,d1=90mm,右旋,Z1=2的普通圆柱蜗杆的标记：ZA1090R2齿数为80的蜗轮蜗轮的标记：ZA1080蜗杆传动标记：8029010RZA 8.3蜗杆传动的失效形式、材料和结构一、蜗杆传动的失效形式蜗杆传动的失效形式和齿轮传动

7、相类似。 由于材料和结构的原因, 蜗杆螺旋部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度, 所以失效常发生在蜗轮轮齿上。 蜗轮传动中由于蜗杆与蜗轮齿面间的相对滑动速度较大, 效率低, 摩擦发热大, 因此其失效形式是蜗轮齿面的胶合、轮齿弯曲折断、 点蚀和磨损。主要失效形式闭式传动：胶合 （磨损） 开式传动：磨损 二、蜗杆传动的计算准则由于胶合和磨损目前还无成熟的计算公式，通常借用齿轮的计算方法进行强度计算。闭式蜗杆传动：齿面接触疲劳强度，并校核齿根弯曲疲劳强度，热平衡计算。开式：通常只需按齿根弯曲疲劳强度进行设计。三、蜗杆、蜗轮的常用材料蜗杆、蜗轮的常用材料要求：（1）足够的强度；（2）良好的减摩、耐磨性；（

8、3）良好的抗胶合性；因此常采用青铜作蜗轮齿圈，与淬硬磨削的钢制蜗杆相配。 蜗杆常用材料为碳素钢和合金钢，要求齿面光洁并且有较高硬度。一般蜗杆可采用45，40等碳素钢，调质处理，硬度为220250 HBS。对高速重载的蜗杆常用20Cr，20 crMnTi，渗碳淬火到5662 HRc；或40r，38 SiMnMo，表面淬火到4555HRC，并应磨削。 蜗轮常用材料为青铜和铸铁。铸造锡青铜，如zCuSnl0Pb1，zcuSn5Pb5Zn5，抗胶合，耐磨性能好，易切削加工，但价格贵，一般用于高速(v25 ms)重要场合。铝铁青铜，如zCuA1l0Fe3，具有足够强度，并耐冲击，价格也低，但切削性能和抗

9、胶合性能较差，故不适于高速，常用于Vs=6m/s场合。灰铸铁主要用于低速、轻载的场合。四、蜗杆与蜗轮的结构蜗杆螺旋部分的直径不大，所以常和轴做成一个整体。 无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。 有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工，但该结构的刚度较前一种差。1、蜗杆的结构2、蜗轮的结构为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用整体式蜗轮结构。当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下：整体式蜗轮配合式蜗轮拼铸式蜗轮螺栓联接式蜗轮一、蜗杆传动的受力分析蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相同，轮齿

10、在受到法向载荷Fn的情况下，可分解出径向载荷Fr、周向载荷Ft、轴向载荷Fa。蜗杆传动受力方向判断11a2t12dTFF22t2a12dTFFtant2r2r1FFFcoscos2n22ndTF8.4蜗杆传动的受力分析与强度计算Ft主反从同 力的方向和蜗轮转向的判别 Fr指向各自的轴线 Fa1蜗杆左右手螺旋定则 轴向力 径向力圆周力 蜗轮转向的判别 ： Fa1的反向即为蜗轮的角速度w2方向（即拇指的反方向）左手或右手：蜗杆旋向四指环绕方向：蜗杆转向拇指指向：蜗杆所受轴向力方向判定蜗轮的转向： 二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算 蜗杆传动可以近似地看作齿条与斜齿轮的啮合传动, 因此以赫兹应力公式为基础

11、, 考虑蜗杆和蜗轮齿廓特点, 可推出齿面接触疲劳强度的校核公式和设计公式。 校核公式:HHddmKTddKT221222212500500设计公式：22212500KTzdmH 式中, K为载荷系数, K=(1.1-1.4)， 载荷平稳、 滑动速度vs3 m/s、 传动精度高时取小值； H为蜗轮许用接触应力, 单位为MPa, ； m为模数, 单位为mm； z2为蜗轮齿数。 三、蜗轮轮齿弯曲疲劳强度的计算 轮齿弯曲疲劳强度所限定的承载能力, 大都超过齿面点蚀和热平衡计算所限制的承载能力, 因此, 一般不进行弯曲强度计算。 只有在少数情况下, 如在强烈冲击的传动中或蜗轮采用脆性材料时, 计算其弯曲

12、强度才有意义。 需要计算时可参考有关书籍。 一、蜗杆传动的效率1啮合效率；3212轴承效率；3溅油效率；1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：)tan(tan1v式中： 蜗杆的导程角；v当量摩擦角。8.5 蜗杆传动的效率润滑和热平衡计算 二、蜗杆传动的润滑（蜗杆传动摩擦大，效率低，润滑非常重要，润滑的主要目的在于减摩与散热。具体润滑方法与齿轮传动的润滑相近。只是为了防止传动中金属直接接触而发生胶合失效，通常选用粘度大的润滑油，以利于形成动压油膜。） 蜗杆传动的润滑油粘度和润滑方法选择，通常根据蜗杆的先对滑动速度、载荷类型，参照表8-7.蜗杆传动的油量选择，润滑油量的选择既要考虑充分的润滑，又不致产生过大的搅油损耗。对于下置蜗杆传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的1/3。三、蜗杆传动热平衡计算 润滑油在齿面间被稀释，加剧磨损和胶合。 效率低，发热大，温升高，润滑油粘度下降原因设蜗杆传动功率为P1（ K W）,效率为 蜗杆传动转化发出热量所消耗的功为： 1)1 (1000PPS经箱体散发热量