机械设计基础（第5版）课件：蜗杆传动

蜗杆传动

第十一节蜗杆传动一、蜗杆传动的类型和特点

蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，用于传递空间两交错轴间的旋转运动和动力，一般两轴的交错角Σ=90°。

蜗杆传动通常为蜗杆作主动件的减速传动。1．蜗杆传动的类型阿基米德蜗杆法面直廓蜗杆

圆柱蜗杆普通圆柱蜗杆渐开线蜗杆锥面包络蜗杆圆弧圆柱蜗杆环面蜗杆传动

蜗杆沿轴线的形状是以凹圆弧为母线的旋转曲面。啮合时蜗杆包着蜗轮，蜗轮也包着蜗杆，同时啮合齿对多，承载能力高，约为阿基米德蜗杆传动的2~4倍。锥蜗杆传动

蜗杆为截锥体，在节锥上分布有等导程的螺旋齿。同时接触点多，重合度大，承载能力高。侧隙便于控制和调整。可做离合器用。

本章只介绍普通圆柱蜗杆传动。3．蜗杆传动的特点优点：

①

结构紧凑，传动比大（动力传动时i=7～80，分度传动时，i可达1000）；②

传动平稳，噪声低；

③当蜗杆导程角小于啮合面的当量摩擦角时，可实现自锁。缺点：

①

由于蜗杆传动为交错轴传动，其齿面相对滑动速度

大（图9-42），摩擦、磨损大，发热大，传动效率低，不宜用于大功率（一般不超过100kW）长期连续工作的场合；②需要贵重金属（如青铜）来制造蜗轮齿圈，成本高等。

蜗杆传动广泛用于各种机械、冶金、石油、矿山及起重设备中。二、圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算1．蜗杆传动的主要参数

通过蜗杆的轴线作垂直于蜗轮轴线的平面，称为蜗杆传动的中间平面。在中间平面内，蜗杆传动相当于齿轮与齿条啮合传动，故蜗杆传动中间平面的参数为标准值。普通圆柱蜗杆传动a）中间平面图b）中间平面上蜗杆齿形（1）模数、压力角和正确啮合条件（2）蜗杆分度圆直径

d1

为限制加工蜗轮刀具的数量和便于刀具标准化，在标准中规定对于同一模数只有几个对应的蜗杆分度圆直径，见表9-14。（3）蜗杆导程角

γ

导程角小，传动效率低，当γ<ρν时，蜗杆传动具有自锁性能。正确啮合条件（4）传动比i、蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2蜗杆头数z1

z2=iz1。为保证蜗轮轮齿不发生根切、蜗杆传动平稳和有较高效率，z2≥28。z2越大，蜗轮尺寸越大，蜗杆越长，致使蜗杆刚度降低，动力传动，一般限制z2≤82。z1=1、2、4、6注意：传动比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9-16选取。蜗轮齿数z22.几何尺寸计算普通圆柱蜗杆传动的主要几何尺寸计算公式见表9-17。正确啮合条件：传动比中心距三、蜗杆传动的承载能力计算蜗杆传动的滑动速度相对滑动速度vs由于材料、轮齿结构等因素，蜗杆螺旋齿的强度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。1．蜗杆传动的失效形式及设计准则闭式传动中，蜗杆副主要失效为齿面胶合和点蚀。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。开式传动中，蜗杆副主要失效为齿面磨损和轮齿折断。只需按齿根弯曲疲劳强度进行计算。2

．蜗杆传动的材料及其选择

根据蜗杆传动的失效形式，要求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。（1）蜗杆

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，经渗碳淬火至58~63HRC；或者采用45、40Cr等表面淬火至40~55HRC；不太重要的蜗杆，可采用40或45钢等，经调质处理至220~250HBW。蜗轮一般采用青铜或铸铁制造。对滑动速度vs≥3m/s的重要传动，可采用耐磨性好的铸造锡青铜（ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5等；对滑动速度vs≤3m/s的传动，采用耐磨性稍差，价格便宜的铸铝铁青铜（ZCuAl10Fe3）；对于滑动速度vs＜2m/s，要求不高时，可采用灰铸铁（HT150、HT200）。（2）蜗轮4．蜗杆传动的受力分析大小方向圆周力与相反轴向力左右手螺旋径向力指向轮心4．蜗杆传动的强度计算（1）齿面接触疲劳强度计算

将蜗杆传动在中间平面的啮合近似看成斜齿条与斜齿轮的啮合。根据赫兹公式，仿照斜齿轮传动的强度计算并考虑蜗杆传动的特点。钢蜗杆配青铜或铸铁蜗轮时：校核公式：设计公式：

求出m2d1后，由表9-14确定m和d1,应使表中的m2d1大于计算值。m/mm11.251.622.5d1/mm182022.42028(18)22.4(28)35.5(22.4)28(35.5)45m2d1/mm31831.253551.271.687289.6112142140175221.9281m/mm3.1545d1/mm(28)35.5(45)56(31.5)40(50)71(40)50(63)90m2d1/mm3277.8352.2446.555650464080011361000125015752250m/mm6.3810d1/mm(50)63(80)112(63)80(100)140(71)90(112)160m2d1/mm319582500317544454032537664008960710090001120016000m/mm12.51620d1/mm(90)112(140)200(112)140(180)250(140)160(224)315m2d1/mm31406217500218753125028672358404608064000560006400089600126000表9-14蜗杆传动的m、d1与m2d1值

（2）蜗轮齿根的弯曲疲劳强度

蜗轮齿形复杂，难以精确计算其齿根弯曲应力，近似按斜齿圆柱齿轮计算。校核公式：设计公式：参数选择：K—载荷系数，一般取K=1.1~1.3。YF—齿形系数，按蜗轮齿数z2查表9-18。〔σH〕—许用接触应力

根据蜗轮材料、毛坯制造方法、vs及蜗杆齿面硬度由表9-19确定。a.铸锡青铜蜗轮：b.铸铝青铜及铸铁蜗轮：

根据蜗轮和蜗杆材料及齿面相对滑动速度由表9-20确定，但需要先初估

vs。〔σF〕—许用弯曲应力，由表9-21确定。四、蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算1．传动效率—啮合效率，按螺旋副的效率公式计算。当量摩擦角；轴承效率：搅油效率：

蜗杆传动效率较低，进行强度计算时必须计入传动效率η，在设计之初根据蜗杆头数由表9-21先初估效率代入公式计算。设计后再验算效率，当与初估值相差较大时，应修改设计。2．蜗杆传动的润滑（1）目的：降低温升，避免胶合和减少磨损，提高传动的效率、承载能力和寿命（2）润滑方法：取决于Vs和工作条件。蜗杆头数1246总效率0.70.80.90.95滑动速度(m/s)<1至2.5至55~1010~1515~25>25工作条件重重中润滑方法浸油润滑浸油或喷油润滑喷油润滑3．蜗杆传动的热平衡计算

对连续工作的闭式蜗杆传动，为防止温升过高，导致磨擦损耗过大或胶合破坏，需进行热平衡计算。传动时损耗的功率P1—输入功率

在自然通风条件下，由箱体表面所散发热量的折合功率。

热平衡条件：k—散热系数：自然通风良好处,k=14~17.5;

没有循环空气流动处，k=8.7~10.5。A—箱体散热面积A1—内表面能被油浸溅着，外表面又能被空气冷却的箱体表面积。

A2—散热片和凸台的表面面积及装在金属底座上的箱体面积。t1—润滑油温度，一般限制在60~700C,最高不超过900C。t2—环境温度，一般取t2=200C。润滑油的温度

t1冷却措施：当t1>900C时，或有效散热面积不足时，应采取强迫冷却措施，以提高散热能力。强迫冷却方法a）风扇吹风冷却b）蛇形水管冷却c）循环冷却五、蜗杆、蜗轮的结构1．蜗杆结构

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。

铣制蜗杆车制蜗杆车制蜗杆：轴径d=df1－（2～4）mm铣制蜗杆：轴径df1可大于