机械设计基础课件 项目七 蜗杆传动

项目七：蜗杆传动机械设计基础CONTENTS目录任务一蜗杆传动的特点和类型任务二蜗杆传动的基本参数和几何尺寸任务三蜗杆传动设计基础任务四蜗杆传动的强度计算任务五蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算步骤六单级圆柱蜗杆减速器中的蜗杆传动设计3一、蜗杆传动的特点任务一蜗杆传动的特点和类型

蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，通常蜗杆为主动件，是传递空间交错两轴之间运动和动力的一种传动机构，交错角一般为90°。蜗杆传动常用于两轴交错、传动比较大、传递功率不太大或间歇工作的场合。当要求传递功率较大时，为提高传动效率，常取蜗杆z1=2～4。一、蜗杆传动的特点任务一蜗杆传动的特点和类型蜗杆传动的特点：①传动比大、结构紧凑。②传动平稳，噪声小。③具有自锁性。④传动效率低。⑤蜗轮的造价较高，一般多用青铜制造，因此成本较高。二、蜗杆传动的类型任务一蜗杆传动的特点和类型

蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥面蜗杆传动等。圆柱蜗杆传动环面蜗杆传动锥蜗杆传动二、蜗杆传动的类型任务一蜗杆传动的特点和类型任务二蜗杆传动的基本参数和几何尺寸一、蜗杆传动的基本参数及其选择通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面，称为中间平面。在中间平面上，蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合，在蜗杆传动的设计计算中，均以中间平面上的基本参数和几何尺寸为基准。1.模数m和压力角α

蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴向模数mx1与蜗轮的端面模数mt2相等，蜗杆的轴向压力角αx1等于蜗轮端面压力角αt2，均为标准压力角

两轴线交错角为90度时，蜗杆分度圆柱面上的导成角应等于涡轮分度圆柱面上的螺旋角，且两者旋向相同。任务二蜗杆传动的基本参数和几何尺寸一、蜗杆传动的基本参数及其选择mx1=mt2=mαx1=αt2=α=20°任务二蜗杆传动的基本参数和几何尺寸一、蜗杆传动的基本参数及其选择2.蜗杆分度圆直径d1和蜗杆直径系数q

由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，为了限制滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径d1。直径d1与模数m的比值称为蜗杆的直径系数：

q=d1/m

当模数m一定时，q值增大则蜗杆直径d1增大，蜗杆的刚度提高。因此，对于小模数蜗杆，规定了较大的q值，以保证蜗杆有足够的刚度。3.蜗杆头数z1蜗杆头数z1可根据传动比和效率选定，一般为1～4。传动比大时，可取z1=1，即为单头蜗杆传动，但效率较低。如要提高效率，应增加蜗杆的头数，而蜗杆的头数过多又会给加工带来困难。4.蜗杆分度圆柱导程角γ

蜗杆的分度圆直径d1和蜗杆直径系数q选定后，蜗杆分度圆柱上的导程角γ也就确定了。tanγ=z1px1/(πd1)=z1πm/(πd1)=z1m/d1=z1/q任务二蜗杆传动的基本参数和几何尺寸一、蜗杆传动的基本参数及其选择5.蜗轮齿数z2

蜗轮齿数z2主要根据传动比来确定。为了保证传动的平稳性，通常z2大于28，但也不可过大，这是因为当蜗轮直径不变时，z2越大，模数就越小，会使轮齿的弯曲强度降低。当蜗轮模数不变时，z2大，会增加蜗轮尺寸，使相啮合的蜗杆支承间距增大，从而降低蜗杆的弯曲刚度，影响蜗杆传动的啮合精度。所以，z2一般不大于80。任务二蜗杆传动的基本参数和几何尺寸普通圆柱蜗杆传动z1和z2的推荐值传动i=z2/z17～89～1314～2425～2728～40≥40蜗杆头数z143～42～32～31～21蜗轮齿数z228～3227～5228～7250～8128～80≥406.传动比i7.中心距a式中d2——为蜗轮分度圆直径（mm）。任务二蜗杆传动的基本参数和几何尺寸一、蜗杆传动的基本参数及其选择二、普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸任务二蜗杆传动的基本参数和几何尺寸任务三蜗杆传动设计基础一、蜗杆传动的失效形式和设计准则蜗杆传动的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿根折断、磨损。开式蜗杆传动经常发生齿面磨损和齿根折断，要以保证蜗轮轮齿的齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。闭式蜗杆传动经常发生齿面点蚀和齿面磨损，通常按齿面接触疲劳强度进行设计，按齿根弯曲疲劳强度进行校核。由于闭式蜗杆传动散热较为困难，还要进行热平衡计算。二、蜗杆蜗轮的常用材料任务三蜗杆传动设计基础1．蜗杆的材料蜗杆一般用碳素钢或合金钢制造。对于高速重载的蜗杆，可用15Cr，20Cr，20CrMnTi和20MnVB等；对于不太重要的传动及低速中载蜗杆，常用45、40等钢经调质或正火处理。2.蜗轮的材料蜗轮常用锡青铜、无锡青铜或铸铁制造。三、蜗杆蜗轮的结构任务三蜗杆传动设计基础1.蜗杆的结构。蜗杆一般与轴制成一体，称蜗杆轴，可车制，也可铣制。

齿根圆直径小于轴径，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。齿根圆直径大于轴径，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工。三、蜗杆蜗轮的结构任务三蜗杆传动设计基础2.蜗轮的结构可以制成整体的或组合的。组合齿轮的齿冠可以铸在或用过盈配合装在铸铁或铸钢的轮心上，常用的配合是H7/r6。当蜗轮直径较大时，可采用螺栓联接，最好采用受剪螺栓（铰制孔）联接。整体式蜗轮齿圈式蜗轮镶铸式蜗轮螺栓联接式蜗轮任务四蜗杆传动的强度计算1．力的大小一、蜗杆传动的受力分析

Fn分解为三个相互垂直的力：切向力Ft、径向力Fr、轴向力Fa。由于蜗杆与蜗轮轴交角为90°,故蜗杆切向力Ft1与蜗轮轴向力Fa2、蜗轮切向力Ft2与蜗杆轴向力Fa1、蜗杆径向力Fr1与蜗轮径向力Fr2为作用力与反作用力。任务四蜗杆传动的强度计算一、蜗杆传动的受力分析蜗杆上的圆周力的方向与蜗杆齿在啮合点的运动方向相反；蜗轮上的圆周力的方向与蜗轮齿在啮合点的运动方向相同；径向力的方向在蜗杆、蜗轮上都是由啮合点分别指向轴心。当蜗杆的回转方向和螺旋方向已知时，蜗轮的回转方向可根据左右手定则来判定。1．力的方向3.蜗杆按螺旋线方向分左旋蜗杆和右旋蜗杆（a）右旋蜗杆（b）左旋蜗杆任务四蜗杆传动的强度计算一、蜗杆传动的受力分析任务四蜗杆传动的强度计算一、蜗杆传动的受力分析

根据蜗杆的转向和螺旋线的方向来判断蜗轮的回转方向：右旋蜗杆用右手，左旋蜗杆用左手，使四指弯曲的方向与蜗杆转向一致，此时拇指的反方向即为蜗轮啮合线处的速度方向，即为蜗轮的转向。4.蜗轮回转方向的判断（a）右旋蜗杆：右手定则

（b）左旋蜗杆：左手定侧任务五蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算1.蜗杆传动的效率其中溅油损耗和轴承摩擦这两项的功率损失不大，其效率一般为0.95～0.97，因此主要是考虑轮齿啮合齿面间摩擦损失时的效率。当蜗杆主动时，蜗杆传动的总效率η为：

η=(0.95～0.97)tanγ/tan(γ+ρv)

闭式传动z1=1η=0.65～0.75z1=2η=0.75～0.82z1=4，6η=0.82～0.92自锁时η＜0.5开式传动z1=1，2η=0.60～0.70任务五蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算2.蜗杆传动的润滑润滑的主要目的在于减摩与散热提高传动效率，还可以减轻轮齿磨损，防止胶合。具体润滑方法与齿轮传动的润滑相近。开式蜗杆传动常用定期加润滑剂的润滑方法。闭式蜗杆传动的润滑油粘度和润滑方法一般根据齿面间相对滑动速度、载荷类型等进行选择。采用油池润滑时，应有适量的油量，零件的浸油深度不宜过深。蜗杆下置式或蜗杆侧置式的传动，浸油深度为蜗杆的一个齿高；蜗杆上置式时，浸油深度约为蜗轮顶圆直径的1/3。滑动速度vs/（m/s）0～10～2.50～5＞5～10＞10～15＞15～25＞25工作条件重载重载中载————运动粘度ν/cst（40℃）90050035022015010080进油方法油池润滑油池润滑或喷油润滑压力喷油润滑及其压力(MPa)0.723

蜗杆传动的润滑油粘度推荐值及润滑方法任务五蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算2.蜗杆传动的润滑蜗杆传动由于效率低，所以发热量大，在闭式蜗杆传动中，如果散热不好，会因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。因此，要对闭式蜗杆传动进行热平衡计算，以保证油温稳定地处于规定的范围内。蜗杆传动转化为热量所消耗的功率PS为：PS=1000(1-η)P1

经箱体散发热量的相当功率PC为：PC=ksA(t1-t0)当产生热量与散发热量相等时t1=1000(1-η)