机械设计CAI电子教案：第11章 蜗杆传动 2

1、第11章蜗杆传动11-1蜗杆传动概述11-2蜗杆传动的类型11-3普通蜗杆传动的参数与尺寸11-4普通蜗杆传动的承载能力计算11-6圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计11-5蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制11-1蜗杆传动 概述 作用： 用于传递交错轴之间的回转运动和动力。 蜗杆主动、蜗轮从动。90形成：若单个斜齿轮的齿数很少（如z1=1）而且1很大时，轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋。11所得齿轮称为 蜗杆,而啮合件称为 蜗轮。蜗杆22蜗轮扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制改进措施：将刀具做成蜗杆状，用范成法切制蜗轮，所得蜗轮

2、蜗杆为线接触。点接触优点： 传动比大、结构紧凑、传动平稳、噪声小。分度机构：i=1000, 通常i=880缺点： 传动效率低、蜗轮齿圈用青铜制造，成本高。线接触扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆11-2蜗杆传动的类型锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 环面蜗杆锥蜗杆 锥蜗杆传动中，蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋形成的，而蜗轮在外观上就像一个曲线锥齿轮，它是用与锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机加工而成的。扬州大学专用 作者： 潘存云教授 类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥蜗杆传动

3、 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用直线刀刃的车刀切制而成，车刀安装位置不同，加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同。潘存云教授研制普通圆柱蜗杆扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆圆弧圆柱蜗杆传动与普通圆柱蜗杆传动的区别仅是加工用的车刀为圆弧刀刃。传动特点：1）传动效率高，一般可达90%以上；2）承载能力高，约为普通圆柱蜗杆的1.52.5倍；3）结构紧凑。扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2

4、蜗杆传动的类型锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 阿基米德螺线2阿基米德蜗杆单刀加工阿基米德蜗杆(ZA)扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 阿基米德蜗杆(ZA)阿基米德蜗杆双刀加工潘存云教授研制阿基米德螺线扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米

5、德蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 渐开线蜗杆(ZI)渐开线蜗杆渐开线基圆扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 潘存云教授研制dx延伸渐开线车刀对中齿厚中心法面法向直廓蜗杆(ZN)扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 法向

6、直廓蜗杆(ZN) dx延伸渐开线 2车刀对中齿槽中心法面扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆(ZK)2近似于阿基米德螺线是一种非线性螺旋齿面蜗杆。不能在车床上加工，只能在铣削或磨削，加工时工件作螺旋运动，刀具作旋转运动。砂轮扬州大学专用 作者： 潘存云教授 类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆渐开线蜗杆 法

7、向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 环面蜗杆传动特点： （1）传动效率高，一般可达85 % 90%；（2）承载能力高，约为阿基米德蜗杆的24倍；（3）要求制造和安装精度高。潘存云教授研制环面蜗杆扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆 锥蜗杆传动特点： 锥蜗杆（1）同时接触的点数较多，重合度大； （2）传动比范围大，一般为10360； （3）承载能力和传动效率高； （4）制造安装简便，工艺性好。 阿基米德蜗杆最常用扬州大学专用 作者： 潘

8、存云教授 潘存云教授研制d蜗杆旋向：左旋、右旋(常用)11精度等级：对于一般动力传动，按如下等级制造：v17.5 m/s 7级精度v1 3 m/s 8级精度v112 m/s时 ZCuSn10P1锡青铜制造。vS 12 m/s时 ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜vS 6 m/s时 ZCuAl10Fe3铝青铜。vS 2 m/s时球墨铸铁、灰铸铁。11-4普通蜗杆传动的承载能力计算蜗杆传动的特点是齿面相对滑动速度大，导致发热严重和磨损加剧。二、蜗杆传动的常用材料 扬州大学专用 作者： 潘存云教授 三、蜗杆传动的设计准则 * 蜗杆的刚度计算 * 蜗轮的齿根弯曲疲劳强度计算* 蜗轮的齿面接触疲劳强度计算为

9、了防止齿面过度磨损引起的失效，应进行* 传动系统的热平衡计算 为了防止蜗杆刚度不足引起的失效，应进行为了防止过热引起的失效，就要进行 扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制四、圆柱蜗杆传动的受力分析Ft2Fr2Fa2Ft1Fr1Fa12法向力可分解为三个分力：圆周力Ft轴向力Fa径向力Fr且有如下关系：Ft1 = Fa2 Fr1 = Fr2 Fa1 = Ft2 =2T1 / d1 =2T2 / d2 = Ft2 tan式中T1 、T1分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩。T2= T1 i 2扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制11p212p由相对运动

10、原理可知v2 = v1 + vS 齿面间滑动速度vS= v1 / cos vS = v2 2+ v1 2作速度向量图，得v2 = v1 tan蜗轮的转向v222CW蜗轮转向的确定 vSttv1v2扬州大学专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授作者：潘存云教授设计：潘存云设计：潘存云1112p12p右旋蜗杆：伸出左手，四指顺蜗杆转向，则蜗轮的 切向速 度vp2的方向与拇指指向相同。用手势确定蜗轮的转向：左旋蜗杆：用右手判断，方法一样。22v2v2模型验证因蜗轮蜗杆相当于螺旋副的运动，有一种实用且简便的转向判别方法：ar1r2扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制蜗杆传

11、动受力方向的判定 12pFt2Fa1Fr1Fr22(2)蜗轮切向力指向与其转动方向一致，且 Ft2=-Fa1 ；(4)蜗轮蜗杆所受径向力垂直于各自的轴线， 且 Ft1=-Fa2 。(3)蜗杆切向力指向与其转动方向相反，且 Ft1=-Fa2 ； (1)蜗杆所受扭矩T1与转动方向1一致；T1T111Ft1Ft1Fa2Fa2扬州大学专用 作者： 潘存云教授 五、 圆柱蜗杆传动的强度计算齿面接触强度校核公式：L0 KFnH = ZEa3KT2= ZEZ H 由上式可得设计公式：式中K为载荷系数，取K = KA Kv K Z接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数。蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，仍

12、以赫兹公式为基础。以蜗轮蜗杆的节点处啮合相应参数代入即可。赫兹公式: a KT2H ZEZ23H 许用接触应力按下表选取。(1)接触强度 扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 d1/a3.6 3.2 2.8 2.4 2.0 影响系数ZZC蜗杆使用系数KA工作类型 I II III 载荷性质 均匀、无冲击 不均匀、小冲击 不均匀、大冲击 每小时启动次数 50 起动载荷 小 较 大 大 KA 1 1.15 1.2 动载系数Kv ， 当V2 3 m/s , Kv=11.1 当V23 m/s , Kv=1.11.

13、2 齿向载荷分布系数K ，当载荷平稳时 ,取K =1 当载荷变化时 ,取K =1.11.3 ZA,ZI,ZN,ZK蜗杆扬州大学专用 作者： 潘存云教授 灰铸铁及铸铝铁青铜蜗轮的许用接触应力H MPa材 料 滑动速度 vs/(m/s)蜗 杆 蜗 轮 45 其他情况 HRC45 HRC45 其它 滑动速度 fv v fv v fv v fv v fv v 0.01 0.11 6 170.12 651 0.18 10120.18 10120.19 10450.10 0.08 4 34 0.09 543 0.13 724 0.14 758 0.16 9050.50 0.055 309 0.065 34

14、3 0.09 509 0.09 509 0.1 5431.00 0.045 235 0.055 309 0.07 4 0.07 4 0.09 509 2.00 0.035 2 0.045 235 0.055 309 0.07 4vs /(m/s)扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制蜗杆加工困难 过大当 28 时，效率增加很少。当 v 时，蜗杆具有自锁性，但效率很低。50%=（0.950.96）tan(+v )tan 分析上述公式不直观，工程上常用以下估计值。闭式传动：z1=1 =0.700.75z1=2 =0.750.82z1=4 =0.870.92z1=1、2 =0.600.70

15、开式传动：0 10 20 30 40 50 20406080100效率/(%) 在=45-/2 处效率曲线有极大值。f v =tanv =0.12对动力传动，宜采用多头蜗杆自锁极限一般取 510 1015 1525 25 载荷类型 重 重 中 （不限）（不限） （不限）（不限）900 500 350 220 150 100 80 运动粘度 v/cSt（40 ）蜗杆传动的相对滑动速度vs/(m/s)给油方法 油池润滑 喷油润滑或 油池润滑 喷油压力 MPa 0.7 2 3 表11-5蜗杆传动的润滑油粘度荐用值及给油方法当vs 510 m/s时，采用油池浸油润滑。为了减少搅油损失，下置式蜗杆不宜浸

16、油过深，约为一个齿高。当vs 1015 m/s时，采用压力喷油润滑。当v1 4 m/s时，采用蜗杆在上的结构。ra/3 一个齿高扬州大学专用 作者： 潘存云教授 三、蜗杆传动的热平衡计算由于蜗杆传动效率低，发热量大，若不及时散热，会引起箱体内，油温升高，润滑失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合。因此，对连续工作的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算由热平衡条件H1= H2, 得：ta = ta + d S1000P1(1-) 其中P1 蜗杆传递的功率；d表面散热系数；一般取d=8.1517.45 W/(m2 )S散热面积(m2), 指箱体外壁与空气接触而内壁被油飞溅到的箱壳面积。对于箱体上的散热片，

17、其散热面积按50%计算。摩擦损耗产生的热量 H1=1000P1(1-) 箱璧散发的热量 H2=d S(t0- ta ) 蜗杆传递的效率；t0工作油温，一般取60 70 ta工作环境温度，一般取20 保持工作温度所需散热面积S = m2d (t0 - ta)1000P1(1-) 扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制 当工作油温 t0 80 或散热面积不足时，应采取散热措施：（1）增加散热面积加散热片；（2）提高表面传热系数 加风扇、冷却水管、循环油冷却。油泵冷却器冷却水扬州大学专用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制蜗杆的结构:通常与轴制成一体z1=1或2时：b1 (11+0.06z2)mz1= 4时: b1 (12.5+0.09z2)mb1 蜗杆轴蜗杆长度b1的确定：12-6 圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计(1)无退刀槽结构：加工螺旋部分时只能用铣制的办法。