项目六 蜗杆传动

项目六蜗杆传动6.1任务引入6.2解决任务的方法6.3相关知识点介绍6.4知识拓展———蜗杆传动的类型6.5思考及练习题6.1任务引入蜗杆传动是蜗杆与蜗轮相互啮合组成的一种传动机构，主要用于传递空间交错轴间的运动和动力，常用于要求传动比大、结构紧凑的场合。图6-1需要在小空间内实现上层X轴到下层Y轴的大传动比传动，所选择的就是蜗杆传动。蜗杆传动广泛应用于机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械及其他机械制造工业中，其最大传动功率可达75GkW，但通常用在50kW以下。返回6.2解决任务的方法蜗杆传动主要由蜗轮、蜗杆和机架组成，当蜗杆传动时，通过螺旋面齿啮合，推动蜗轮转动并达到减速的目的。蜗杆传动需要掌握的内容：（1）蜗杆传动的类型、特点和几何尺寸计算方法；（2）蜗杆传动的失效形式和设计准则；（3）蜗轮、蜗杆的材料、结构选择方法；（4）蜗杆传动的设计计算。返回6.3相关知识点介绍课题一常用蜗杆传动分析蜗杆传动主要由蜗杆1和蜗轮2组成（图6-2），蜗杆传动用于传递空间交错垂直两轴之间的运动和动力，通常蜗杆为主动件。与其他机械传动比较，蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、运转平稳、噪声较小等优点，因此广泛应用于各种机器和仪器中。蜗杆传动的几何尺寸计算与齿轮齿条传动相似。从而可得蜗杆传动的正确啮合条件为：（1）在中间平面内，蜗杆的轴面模数ma1

与蜗轮的端面模数mt2

相等。（2）蜗杆的轴面压力角αa1

与蜗轮的端面压力角αt2

相等。下一页返回6.3相关知识点介绍（3）两轴线交错角为90°时，蜗杆分度圆柱上的导程角γ应等于蜗轮分度圆柱上的螺旋角β，且两者的旋向相同。课题二蜗杆传动基本参数和尺寸一、模数m和压力角α

为了方便加工，规定蜗杆的轴面模数为标准模数。蜗轮的端面模数等于蜗杆的轴面模数，因此蜗轮端面模数也应为标准模数。标准模数系列见表6-1，压力角标准值为20°。上一页下一页返回6.3相关知识点介绍二、蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2

和传动比i选择蜗杆头数z1

时，主要考虑传动比、效率及加工等因素。蜗轮齿数z2=iz1

，为了避免蜗轮轮齿发生根切，z2

不应小于26，但不宜大于80。对于蜗杆为主动件的蜗杆传动，其传动比为上一页下一页返回6.3相关知识点介绍三、蜗杆直径系数q和导程角γ如图6-4所示，蜗杆螺旋面和分度圆柱的交线为螺旋线，γ为蜗杆分度圆柱上的螺旋线导程角，px为轴向齿距，由图可得四、圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算

圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算可参考表6-2和图6-3。上一页下一页返回6.3相关知识点介绍五、蜗杆传动的滑动速度

如图6-5所示，蜗杆传动即使在节点处啮合，齿廓之间也有较大的相对滑动。设蜗杆的圆周速度为v1

，蜗轮的圆周速度为v2

，v1

和v2

呈90°角，而使齿廓之间产生很大的相对滑动，相对滑动速度vs

为上一页下一页返回6.3相关知识点介绍课题三蜗杆传动强度计算一、蜗杆传动的主要失效形式

由于材料方面的原因，蜗杆螺旋部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度，故失效常发生在蜗轮齿上。因此轮齿强度计算是针对蜗轮进行的。蜗杆传动的相对滑动速度大，因摩擦引起的发热量大、效率低，故主要失效形式为胶合，其次才是点蚀和磨损。二、蜗杆传动的受力分析和计算载荷

蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似。如图6-6所示。蜗杆和蜗轮轮齿上的作用力（圆周力、径向力、轴向力）方向的决定方法与斜齿圆柱齿轮相同。上一页下一页返回6.3相关知识点介绍与齿轮传动相似，在进行蜗杆传动强度计算时也应考虑载荷系数K，则计算载荷Fnc

为Fnc=KFn三、圆柱蜗杆传动的强度计算

1.蜗轮齿面的接触强度计算

蜗轮齿面的接触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赫兹公式，可得青铜或铸铁蜗轮轮齿齿面接触强度的校核公式为：而设计公式为上一页下一页返回6.3相关知识点介绍2.蜗轮轮齿弯曲强度计算

由蜗轮轮齿接触强度和热平衡计算所限定的承载能力，通常都能满足弯曲强度的要求，因此只有对于受强烈冲击、振动的传动，或蜗轮采用脆性材料时，才需要考虑蜗轮轮齿的弯曲强度。其计算公式可参阅有关书籍。课题四蜗杆传动的材料和结构一、蜗杆传动的材料

选用蜗杆传动材料时不仅要满足强度要求，更重要的是具有良好的减摩性、抗磨性和抗胶合的能力。蜗杆一般用碳素钢或合金钢制造。上一页下一页返回6.3相关知识点介绍二、蜗杆和蜗轮的结构

蜗杆通常与轴做成一体，除螺旋部分的结构尺寸取决于蜗杆的几何尺寸外，其余的结构尺寸可参考轴的结构尺寸而定。图6-7（a）为铣制蜗杆，在轴上直接铣出螺旋部分，刚性较好。图6-7（b）为车制蜗杆，刚性稍差。蜗轮的结构有整体式和组合式两类。图6-8（a）所示为整体式结构，多用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮。为了节省有色金属，对于尺寸较大的青铜蜗轮一般制成组合式结构，为防止齿圈和轮心因发热而松动，常在接缝处再拧入4耀6个螺钉，以增强连接的可靠性（图6-8（b）），或采用螺栓连接（图6-8（c）），也可在铸铁轮心上浇注青铜齿圈（图6-8（d））。上一页下一页返回6.3相关知识点介绍课题五蜗杆传动的效率、润滑和散热一、蜗杆传动的效率

闭式蜗杆传动工作时，功率的损耗有三部分：轮齿啮合损耗、轴承摩擦损耗和箱体内润滑油搅动的损耗。所以闭式蜗杆传动的总效率为η=η1η2η3上述三部分效率中，最主要的是轮齿啮合效率η1

，当蜗杆主动时，η1

可近似按螺旋副的效率计算，即上一页下一页返回6.3相关知识点介绍二、蜗杆传动的润滑

由于蜗杆传动的相对滑动速度vs

大，效率低，发热量大，因此必须注意蜗杆传动的润滑；否则会进一步导致效率显著降低，并会带来剧烈的磨损，甚至产生胶合。蜗杆传动的润滑方法和润滑油粘度可参考表6-5。三、蜗杆传动的热平衡计算

由于蜗杆传动的效率较低，工作时将产生大量的热。若散热不良，会引起温升过高而降低油的粘度，使润滑不良，导致蜗轮齿面磨损和胶合。所以对连续工作的闭式蜗杆传动要进行热平衡计算。上一页下一页返回6.3相关知识点介绍在闭式传动中，热量由箱体散逸，要求箱体内的油温t和周围空气温度t0

之差Δt不超过允许值，即若计算的温差超过允许值，可采取以下措施来改善散热条件：

（1）在箱体上加散热片以增大散热面积；

（2）在蜗杆轴上装风扇进行吹风冷却（图6-9（a））；

（3）在箱体油池内装设蛇形水管，用循环水冷却（图6-9（b））；

（4）用循环油冷却（图6-9（c））。上一页返回6.4知识拓展———蜗杆传动的类型1.圆柱蜗杆传动

圆柱蜗杆传动可以分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动。

（1）普通圆柱蜗杆传动。

普通圆柱蜗杆传动主要分为如图6-11所示的三种。①阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆）。②渐开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆）。③法向直廓圆柱蜗杆（ZN蜗杆）。2）圆弧圆柱蜗杆传动。

圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）传动是一种非直纹面圆柱蜗杆，在中间平面上蜗杆的齿廓为凹圆弧，与之相配的涡轮齿廓为凸圆弧，如图6-13所示。下一页返回6.4知识拓展———蜗杆传动的类型2.环面蜗杆传动

蜗杆分度曲面是圆环面的蜗杆称为环面蜗杆，和相应的涡轮组成的传动称为环面蜗杆传动（如图6-14）。它又分为：直廓环面蜗杆传动（俗称球面蜗杆传动）；平面包络环面蜗杆传动（又称为一、二次包络）；渐开线包络环面蜗杆传动和锥面包络环面蜗杆传动。3.锥蜗杆传动

锥蜗杆传动中的蜗杆为一等导程的锥形螺旋，涡轮则与一曲线齿圆锥齿轮相似（如图6-10（c））。上一页返回6.5思考及练习题6-1蜗杆传动有哪些基本特点？6-2蜗杆传动以哪一个平面内的参数和尺寸为标准？这样做有什么好处？6-3蜗杆传动的正确啮合条件是什么？6-4蜗杆传动的传动比是否等于蜗轮与蜗杆的节圆直径之比？6-5与齿轮传动相比，蜗杆传动的失效形式有何特点？为什么？6-6蜗杆传动的设计计算中有哪些主要参数？如何选择这些参数？为何规定蜗杆分度圆直径d1

为标准值？下一页返回6.5思考及练习题6-7如图6-15所示，蜗杆主动，T1=20N·m，m=4mm，z1=2，d1=50mm，蜗轮齿数z2=50，传动的啮合效率η=0.75，试确定：（1）蜗轮的转向；（2）蜗杆与蜗轮上作用力的大小和方向。6-8如图6-16

所示为蜗杆传动和圆锥齿轮传动的组合。已知输出轴上的锥齿轮z4

的转向n。（1）欲使中间轴上的轴向力能部分抵消，试确定蜗杆传动的螺旋线方向和蜗杆的转向。（2）在图中标出各轮轴向力的方向。上一页下一页返回6.5思考及练习题6-9设计一个由电动机驱动的单级圆柱蜗杆减速器，电动机功率为7kW，转速为1440r/min，蜗轮轴转速为80r/min，载荷平稳，单向传动，蜗轮材料选ZnCuSn10P1锡青铜，砂型；蜗杆选用40Cr，表面淬火。6-10一圆柱蜗杆减速器，蜗杆轴功率P1=100kW，传动总效率η=0.8，三班制工作，试按当地工业用电价格（每度电若干元）计算五年中用于功率损

耗的费用。上一页返回图6-1蜗杆传动返回图6-2蜗杆传动返回表6-1圆柱蜗杆的基本尺寸和参数返回图6-2蜗杆传动返回图6-3蜗杆传动的中间平面返回图6-4蜗杆展开返回图6-5蜗杆