机械设计基础（第3版）课件 第6章 蜗杆传动机构

2第6章蜗杆传动机构古代帆船人们很早就注意到蜗杆传动的大减速比、增力作用和反向自锁功能。帆船的舵起初是用缠绕在鼓轮上的绳索来驱动的。帆船转向时，需要几个船工来拉动绳索。利用了蜗杆传动的自锁性能来控制船舵是帆船发展史上的一大进步。蜗杆传动起源于齿轮，是工程技术人员对齿轮传动的又一创新。本章将首先介绍蜗杆传动类型及主要特点，再分析蜗杆传动的参数及几何尺寸计算，最后介绍蜗杆传动的设计。

3第1节蜗杆传动机构的特点和类型第2节普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算第3节蜗杆和蜗轮的常用材料和结构第4节蜗杆传动的受力分析和强度计算第5节蜗杆传动的润滑、效率和热平衡计算第6章蜗杆传动机构

4第1节蜗杆传动机构的特点和类型蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，用于传递空间两交错轴之间的运动和转矩，轴交错角通常为90度。蜗杆传动的特点

蜗杆传动的最大特点是结构紧凑、传动比大。

传动平稳、噪声小。可制成具有自锁性的蜗杆。

蜗杆传动的主要缺点是效率较低，通常为70％~80％、发热量大和磨损大，常需耗用有色金属。

蜗轮的造价较高。第1节蜗杆传动机构的特点和类型第1节蜗杆传动机构的特点和类型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圆柱蜗杆传动环面蜗杆传动锥蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动其蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形的车刀切制而成的。其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，传动效率较高；同时啮合齿数多，重合度大；传动比范围大(10~360)；承载能力和效率较高；可节约有色金属。阿基米德蜗杆第1节蜗杆传动机构的特点和类型法向直廓蜗杆第1节蜗杆传动机构的特点和类型2011年6月第1节蜗杆传动机构的特点和类型锥蜗杆传动第1节蜗杆传动机构的特点和类型第2节蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算

蜗杆传动的主要参数有：模数m、压力角α、蜗杆分度圆直径d、直径系数q、蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2

。

这些参数不仅影响着蜗杆和蜗轮的各部分尺寸，也影响着蜗杆传动的性能。这些参数间是相互联系的，故不能孤立地取确定，应根据蜗杆传动的工作条件和加工条件，考虑参数间的相互影响，综合分析，合理选定。第2节蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算蜗杆与蜗轮啮合时，在中间平面内蜗杆传动相当于齿轮与齿条的啮合传动，蜗杆的轴向模数、压力角应与蜗轮的端面模数、压力角相等，并将此平面内的模数和压力角规定为标准值。1模数m和压力角α第2节蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算蜗杆的导程：螺旋线上任一点旋转一周所移动的轴向距离。2蜗杆分度圆直径d1、导程角γ导程角:螺旋线切线与垂直于轴线平面的夹角为杆轴向周节（齿距）2011年6月第2节蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算直径系数q

为了刀具的标准化，将蜗杆分度圆圆直径d1定为标准值，即对应于每一标准模数m规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1d1与m的比值称为蜗杆直径系数q:

为了刀具的标准化，将蜗杆分度圆圆直径d1定为标准值，即对应于每一标准模数m规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d12011年6月第2节蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算1)当m一定时，q增大，则d1变大，蜗杆的刚度及强度相应提高，因此m较小时，q选较大值；2)当q取较小值时，γ增大，效率η提高，故在蜗杆轴刚度允许的情况下，应尽可能选较小的q值。

为了满足各种需要，对同一m，允许q值在一定的范围内变动，以便选用不同的标准蜗杆直径d1。2011年6月第2节蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算3蜗杆传动的正确啮合条件1)蜗杆的轴向模数mX1与蜗轮的端面模数mt2必须相等；2)蜗杆的轴向压力角与蜗轮的端面压力角必须相等；2011年6月第2节蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算4传动比i、蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2通常蜗杆为主动件，蜗杆与蜗轮之间的传动比：选择蜗杆头数z1时，从以下三个方面考虑。

制造：头数越多，蜗杆制造精度越高；

效率：头数越多，效率越高；若要求自锁，应选择单头；提高传动比:应选择较少的头数；2011年6月第2节蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算

为避免加工蜗轮时产生根切，当z1＝1时，选z2≥17；当z1＝2时，取z2≥27。对于动力传动，为保证传动的平稳性，z2不应少于28，一般选z2＝32～63。第2节蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算5蜗杆传动几何尺寸的计算名称计算公式蜗杆蜗轮分度圆直径d1＝mqd2＝mz2齿顶高ha1＝mha2＝m齿根高hf1＝1.2mhf2＝1.2m顶圆直径da1＝d1＋2ha1da2＝m(z2＋2)根圆直径df1＝d1－2hf1df2＝m(z2－2.4)径向间隙c＝0.2m中心距a＝0.5（d1＋d2）＝0.5m(q+z2)蜗杆轴向齿距px1=pt2=mπ2011年6月第3节蜗杆和蜗轮的常用材料和结构1蜗杆和蜗轮的常用材料

蜗杆一般用碳钢或合金钢制成。对于不太重要的传动及低速中载蜗杆，常用40、45等钢经调质或正火处理；对高速重载蜗杆常用15Cr、20Cr、20MnTi和20MnVB等经渗碳淬火，也可用40、45、40CrNi等经表面淬火。

低速轻载传动（vs<2m/s）可用灰铸铁HT15、HT200等制造；低速重载传动，则用9-3铝青铜制造；高速传动，可采用锡青铜等制造，因它具有较好的耐磨性，但价格高，一般用于vs≥3m/s的重要传动。对于尺寸较大的蜗轮，常采用青铜轮冠，铸铁轮芯。2011年6月第3节蜗杆和蜗轮的常用材料和结构2蜗杆和蜗轮的结构

蜗杆往往与轴做成一体，除螺旋部分的结构尺寸决定于蜗杆的几何尺寸外，其余的结构尺寸按轴的结构尺寸要求决定。当蜗杆螺旋部分的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。2011年6月第3节蜗杆和蜗轮的常用材料和结构2011年6月第4节蜗杆传动的受力分析和强度计算1蜗杆传动的受力分析和计算载荷

轮齿在受到法向载荷Fn的情况下，可分解出径向载荷Fr、周向载荷Ft、轴向载荷Fa。2011年6月第4节蜗杆传动的受力分析和强度计算

Fa2与Ft1大小相等方向相反；

Fa1与Ft2大小相等方向相反；

Fr1与Fr2大小相等方向相反。2011年6月2蜗杆传动的滑动速度和失效形式1、蜗杆传递的滑动速度vs蜗杆传动在节点处啮合，蜗杆的圆周速度为v1，蜗轮的圆周速度为v2，v1与v2成90，而使齿廓之间产生很大的相对滑动。由于vs比蜗杆圆周速度还大，在蜗杆传动齿廓之间产生很大的相对滑动，引起磨损和发热，导致效率较低。第4节蜗杆传动的受力分析和强度计算2011年6月

在蜗杆传动中，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。因此，一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算。蜗杆传动的主要失效形式是蜗轮齿面产生胶合、点蚀及磨损。进行齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的条件性计算设计公式为：第4节蜗杆传动的受力分析和强度计算2011年6月第5节蜗杆传动的润滑、效率和热平衡计算1蜗杆传动的润滑

对开式蜗杆传动，采用粘度较高的润滑油或润滑脂。对闭式蜗杆传动，根据工作条件和滑动速度vs，参考下表选定润滑油和给油方式。滑动速度<1<2.5<55～1010～1515～25>25工作条件重载重载中载－－－－粘度84056033622415011284润滑方式油池润滑油池或喷油润滑用压力喷油0.7232011年6月2蜗杆传动的效率

闭式蜗杆传动的总效率η包括：轮齿的啮合效率η1；轴承摩擦效率η2；浸入油中的零件搅油时的溅油损耗效率η3。

当蜗杆主动时，η1可近似按螺旋副效率计算第5节蜗杆传动的润滑、效率和热平衡计算2011年6月2蜗杆传动的效率蜗杆传动的效率初步估算时，可近似取下列数值：1）闭式传动，当z1＝1时，η＝0.7～0.75；z1＝2时，η＝0.75～0.82；z1＝4时，η＝0.87～0.92；自锁时，η<0.50。2）开式传动，当z1＝1、2时，η＝0.60～0.70。第5节蜗杆传动的润滑、效率和热平衡计算2011年6月第5节蜗杆传动的润滑、效率和热平衡计算3蜗杆传动的热平衡计算系统因摩擦功耗产生的热量为：自然冷却从箱壁散去的热量为：Ks——箱体表面的散热系数A

——箱体的可散热面积t1——润滑油的工作温度t0——环境温度2011年6月在热平衡条件下可得：系统因摩擦功耗产生的热量为：自然冷却从箱壁散去的热量为：Ks