第八章 蜗杆传动

第八章蜗杆传动蜗杆传动（图8－1）由蜗杆和涡轮组成，用来实现两交错轴间的运动和动力，一般两轴交错角为90度。蜗杆传动通常用蜗杆作主动件。1、蜗杆传动的优缺点：优点：结构紧凑，可以得到很大的传动比（i=7~80)；

传动平稳无噪音；机构具有自锁性(蜗杆导程角r<啮合面的当量摩擦角），即只能由蜗杆带动涡轮不能由涡轮带动蜗杆，起到安全保护作用。缺点：传动效率低，自锁性的蜗杆传动，效率更(<50%)；因齿面相对滑动速度大，摩擦磨损大，发热大，不适用于功率过大长期连续工作处；为了散热和减小磨损，需贵重的抗磨材料和良好的润滑装置（涡轮－钢，蜗杆－铜，铜易磨损且贵）；蜗杆的轴向力较大。

8.1概述2、蜗杆的形成与分类形成图中，半径较小的圆柱上分布有螺旋齿（形似螺杆）的构件称为蜗杆；另一个半径较大，外形很像一个斜齿轮的构件称为涡轮。蜗杆也可看作由斜齿轮演化而来，当斜齿轮半径较小、轴相尺寸较长，而螺旋角较大时，一个斜齿就能在圆柱上绕一周或几周得到一条螺旋线。因此蜗杆上有几条螺旋线就相当于几个齿，叫做蜗杆的头数，一般z1＝1～4。蜗杆与螺杆相仿，也有左、右旋，通常采用右旋蜗杆。分类根据蜗杆形状，可分为：圆柱蜗杆机构：普通圆柱蜗杆（按照刀具及安装位置不同分：阿基米德圆柱蜗杆、法向直廓圆柱蜗杆、渐开线圆柱蜗杆、锥面包络圆柱蜗杆）、圆弧圆柱蜗杆；环面蜗杆机构；锥蜗杆机构。圆柱蜗杆制造简单，应用最广。蜗杆机构的组成蜗杆齿轮箱环面蜗杆传动非正交蜗杆机构8.2圆柱蜗杆传动的几何参数及尺寸计算一、几何参数1、模数m及压力角α:阿基米德圆柱蜗杆在轴向内为一直线齿廓的齿条。主(中间)平面：通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面。阿基米德蜗杆与蜗轮啮合时，主平面内相当于直线齿条与渐开线齿轮的啮合。其正确啮合条件：蜗杆轴向模数和压力角分别等于涡轮端面模数和压力角，且为标准值。蜗杆分度圆柱上的导程角r应等于涡轮分度圆柱上的螺旋角β,且旋向相同2、蜗杆分度圆直径d1:

由于涡轮加工所用的刀具是与蜗杆分度圆相同的涡轮滚刀，因此为便于滚刀标准化，减少刀具型号，对同一模数规定了几个蜗杆分度圆直径(对应关系见表8－1)。3、蜗杆的导程角γ:

蜗杆导程角大时，传动效率高，但蜗杆加工困难，蜗杆导程角小时，传动效率低。当r<ρv时，蜗杆传动具有自锁性。二、蜗杆传动的几何尺寸计算(表8－2)10.3蜗杆传动的运动学及效率

一、蜗杆传动的运动学

1、传动比i、蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2

蜗杆传动的传动比为：注意：蜗杆传动的传动比不等于蜗轮、蜗杆的直径比。蜗杆头数z1可根据传动比和传动效率选取。z1小，传动比大，传动效率低；z1大，传动效率高，但导程角大，制造困难。通常z1取值为1、2、4、6，z1可根据传动比按表选取。蜗轮齿数z2=iz1。为保证传动平稳和有较高效率，z2不应小于28。z2越大，则蜗轮尺寸越大，蜗杆越长，致使蜗杆刚度降低，对动力传动，一般限制z2≤82。

2、蜗杆传动齿面相对滑动速度：涡轮与蜗杆在节点的相对速度称为滑动速度。由图8－4得

蜗杆传动工作时，齿面相对滑动速度对蜗杆传动的发热、效率及失效等均有较大影响。

3、蜗杆传动的润滑。由于蜗杆传动的滑动速度大、效率低、发热大，因此，润滑非常重要。它可以降低温升，避免胶合和减少磨损，使传动效率、承载能力和寿命得到提高。蜗杆传动的润滑方式，可根据相对滑动速度和工作条件查表选定。二、蜗杆传动的效率。闭式蜗杆传动的功率损耗包括轮齿啮合摩擦损耗、轴承摩擦损耗和搅油损耗三部分。其总效率为：8.4蜗杆传动的材料及结构一、蜗杆和蜗轮的材料蜗杆和蜗轮的材料应具有较高的强度，良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性能。

蜗杆一般采用碳钢或合金钢制造。对于高速重载蜗杆常用20Cr、20CrMnTi等，经渗碳淬火；或者采用45钢、40Cr等，经齿面淬火处理；一般不太重要的蜗杆，可采用40或45钢，经调质处理。

蜗轮一般采用青铜或铸铁制造。对于滑动速度vs

≥3m/s的重要传动，可采用耐磨性好的铸造锡青铜（ZCuSn5Pb5Zn5、

ZCuSn10P1）；对于滑动速度vs

≤4m/s的传动，可采用耐磨性稍差，但价格便宜的铸铝铁青铜（ZCuAl10Fe3）；对于滑动速度vs

<2m/s

的传动，可采用灰铸铁（HT150、HT200）。二、蜗杆、蜗轮的结构蜗杆的结构。蜗杆一般与轴做成一体，称为蜗杆轴。仅在df1/d≥1.7时才采用蜗杆齿圈与轴装配的方式。蜗杆分为车制蜗杆和铣制蜗杆。蜗轮的结构。当蜗轮直径较小时，采用整体式结构；当蜗轮直径较大时，为节约有色金属，可采用轮箍式、螺栓连接和镶铸式等组合结构。8.5蜗杆传动得强度计算一、蜗杆传动的受力分析

在蜗杆传动中，作用在齿面节点P上的法向力Fn可分解为圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa。当轴交角Σ=90o时，蜗杆的圆周力Ft1与蜗轮的轴向力Fa2，蜗杆的轴向力Fa1与蜗轮的圆周力Ft2，蜗杆的径向力Fr1与蜗轮的径向力Fr2分别大小相等，方向相反。各力大小可按下式计算：T1、T2为涡轮蜗杆上的转距，蜗杆作用力当蜗杆主动时，各力的方向判别方法：蜗杆上圆周力的方向与其转向相反；蜗杆的径向力的方向指向轮心；蜗杆的轴向力的方向可按左（右）手规则判别。左（右）手代表左（右）旋蜗杆，四指代表蜗杆旋转方向，则拇指得指向代表蜗杆轴向力得方向，而涡轮的转向与拇指所指方向相反。作用在涡轮上的力与蜗杆上的力为作用力与反作用力，大小相等，方向相反。二、蜗杆传动的失效形式及设计准则。由于材料或轮齿结构等因素，蜗杆螺旋齿的强度要比蜗轮轮齿的强度高，因此，蜗杆传动失效通常发生在蜗轮轮齿上，故一般只对蜗轮轮齿进行强度计算。

在闭式传动中，蜗杆副主要失效为齿面胶合和点蚀。因此，通常按齿面接触疲劳强度设计，按齿根弯曲疲劳强度校核。由于闭式传动散热比较困难，还需作热平衡计算。

在开式传动中，蜗杆副主要失效为齿面磨损和轮齿折断。因此，只需按齿根弯曲疲劳强度进行计算。三、蜗杆传动的强度计算齿面接触疲劳强度计算蜗杆传动在中间平面内可近似看作斜齿条与斜齿轮传动。仿照斜齿轮传动并考虑蜗杆传动的特点，得到钢制蜗杆和青铜(或铸铁)蜗轮表面接触疲劳强度的计算公式。校核公式设计公式ssHHdKTdKTdmz==51051022121222[]mdzKTH21222510＝([])s按上式求出m2d1值后，查表可确定m和d1值。2、蜗轮齿根的弯曲疲劳强度计算由于蜗轮齿形复杂，很难精确计算出齿根弯曲应力，为简化计算常把蜗轮近似看作一斜齿圆柱齿轮，再考虑蜗杆传动的特点，得到蜗轮齿根弯曲疲劳强度的计算公式。校核公式设计公式8.6蜗杆传动的热平衡计算