蜗杆传动教案

蜗杆传动教案一、教学目标1.知识与技能目标学生能够理解蜗杆传动的工作原理、特点及应用场合。掌握蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算方法。学会运用相关公式进行蜗杆传动的受力分析。2.过程与方法目标通过对蜗杆传动模型的观察与分析，培养学生的观察能力和空间想象能力。引导学生运用类比法学习蜗杆传动，提高学生的学习迁移能力。通过课堂练习和案例分析，锻炼学生运用知识解决实际问题的能力。3.情感态度与价值观目标培养学生对机械传动知识的学习兴趣，激发学生的探索精神。使学生认识到机械传动在工程实际中的重要性，增强学生的工程意识和责任感。

二、教学重难点1.教学重点蜗杆传动的工作原理和特点。蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算。蜗杆传动的受力分析。2.教学难点蜗杆传动的受力分析及各力之间的关系。蜗杆传动效率的影响因素及计算方法。

三、教学方法1.讲授法：讲解蜗杆传动的基本概念、工作原理、主要参数等基础知识。2.直观演示法：通过展示蜗杆传动模型、动画演示等方式，让学生直观地了解蜗杆传动的结构和工作过程。3.讨论法：组织学生讨论蜗杆传动在不同场合的应用及优缺点，培养学生的思维能力和团队合作精神。4.案例分析法：通过实际案例分析，引导学生运用所学知识解决实际问题，提高学生的实践能力。

四、教学过程

（一）课程导入（5分钟）1.提问引导同学们，在之前的学习中，我们已经了解了一些常见的机械传动方式，比如带传动、链传动和齿轮传动。那么，请大家思考一下，这些传动方式在传递动力和运动时，有哪些特点和局限性呢？（学生回答后，教师总结）带传动适用于中心距较大、传动比要求不严格的场合，但传动效率相对较低；链传动能在恶劣环境下工作，且传动比准确，但瞬时传动比不恒定；齿轮传动效率高、传动比准确，但制造成本较高，不适用于中心距较大的场合。2.引入新课在实际工程中，有时候我们需要一种既能实现较大传动比，又能保证传动效率和精度的传动方式。今天，我们就来学习一种新的机械传动蜗杆传动。蜗杆传动在许多机械设备中都有广泛的应用，比如我们常见的机床、减速器、起重设备等。

（二）讲授新课（30分钟）1.蜗杆传动的结构与工作原理（10分钟）展示蜗杆传动模型，介绍蜗杆传动的组成部分：蜗杆和蜗轮。蜗杆是一个具有螺旋齿的圆柱体，其形状类似于螺杆；蜗轮则是一个具有内齿的圆盘，与蜗杆相互啮合。动画演示蜗杆传动的工作过程：当蜗杆转动时，通过蜗杆螺旋齿与蜗轮齿的相互作用，将蜗杆的旋转运动传递给蜗轮，使蜗轮产生圆周运动。同时，由于蜗杆的螺旋升角较小，蜗轮在蜗杆的带动下，会逐渐沿着轴向方向移动，从而实现动力和运动的传递。总结蜗杆传动的工作原理：蜗杆传动是利用蜗杆和蜗轮的啮合来传递动力和运动的，蜗杆的螺旋齿与蜗轮的齿面之间形成线接触，通过蜗杆的螺旋运动带动蜗轮的圆周运动，从而实现减速增矩的目的。2.蜗杆传动的特点（8分钟）传动比大：蜗杆传动可以获得很大的传动比，一般单级传动比可达880，在某些情况下甚至可以达到100以上。这使得蜗杆传动在需要大传动比的场合具有明显的优势。结构紧凑：由于蜗杆传动能在较小的空间内实现较大的传动比，所以其结构相对紧凑，占用空间小。传动平稳：蜗杆传动的啮合过程是连续的，且齿面之间的相对滑动速度较大，这使得蜗杆传动在工作时噪声小、振动小，传动平稳。具有自锁性：当蜗杆的螺旋升角小于某一值时，蜗杆传动具有自锁性，即只能由蜗杆带动蜗轮转动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。这种自锁性在一些需要防止逆转的场合非常有用，比如起重设备。效率较低：蜗杆传动中，由于蜗杆和蜗轮齿面之间存在较大的相对滑动，会产生较大的摩擦损失，导致传动效率较低。一般单级蜗杆传动的效率为70%80%。发热量大：由于效率低，蜗杆传动在工作过程中会产生较多的热量，如果不及时散热，会影响传动部件的寿命和性能。3.蜗杆传动的主要参数（12分钟）模数m：与齿轮传动中的模数类似，模数是蜗杆传动的一个重要参数，它决定了蜗杆和蜗轮的齿形大小。模数越大，齿厚越大，承载能力越强。蜗杆分度圆直径d1：蜗杆的分度圆直径是一个重要的设计参数，它与模数一起决定了蜗杆的几何尺寸。蜗杆头数z1：蜗杆头数的多少直接影响蜗杆传动的传动比和效率。蜗杆头数越少，传动比越大，但效率越低；蜗杆头数越多，效率越高，但传动比越小。蜗轮齿数z2：蜗轮齿数与蜗杆头数共同决定了蜗杆传动的传动比，传动比i=z2/z1。螺旋升角γ：螺旋升角是蜗杆螺旋齿的切线与蜗杆轴线之间的夹角，它对蜗杆传动的效率和自锁性有重要影响。螺旋升角越大，效率越高，但自锁性越差；螺旋升角越小，自锁性越好，但效率越低。齿宽b：齿宽是指蜗轮的齿宽尺寸，它对蜗轮的承载能力和传动平稳性有一定影响。

（三）课堂练习（15分钟）1.布置练习题目已知蜗杆传动的模数m=4mm，蜗杆头数z1=2，蜗轮齿数z2=40，求该蜗杆传动的传动比i和蜗杆分度圆直径d1。某蜗杆传动，蜗杆分度圆直径d1=50mm，模数m=5mm，求蜗杆的螺旋升角γ。2.学生练习，教师巡视指导让学生在课堂上独立完成练习题目，教师巡视学生的做题情况，及时发现学生存在的问题并给予指导。3.讲解练习答案传动比i=z2/z1=40/2=20根据公式d1=mz1，可得d1=4×2=8mm螺旋升角γ的计算公式为tanγ=mz1/d1，将d1=50mm，m=5mm，z1=1（假设蜗杆头数为1）代入公式可得：tanγ=5×1/50=0.1，通过查三角函数表可得γ≈5.71°

（四）蜗杆传动的受力分析（20分钟）1.受力分析的目的和方法讲解受力分析的目的：了解蜗杆传动中各力的大小、方向和作用点，为蜗杆传动的强度计算和设计提供依据。介绍受力分析的方法：采用平面受力分析方法，将蜗杆传动简化为平面机构进行分析。2.蜗杆传动的受力分析过程以蜗杆为主动件，蜗轮为从动件为例进行受力分析。蜗杆的受力：蜗杆受到圆周力Ft1、轴向力Fa1和径向力Fr1。圆周力Ft1的方向与蜗杆的转向相反，轴向力Fa1的方向根据螺旋方向和蜗杆的转向确定，径向力Fr1的方向指向蜗杆的轴心。蜗轮的受力：蜗轮受到圆周力Ft2、轴向力Fa2和径向力Fr2。圆周力Ft2的方向与蜗轮的转向相同，轴向力Fa2的方向与蜗杆的轴向力Fa1大小相等、方向相反，径向力Fr2的方向指向蜗轮的轴心。各力之间的关系：根据作用力与反作用力的原理，蜗杆的轴向力Fa1与蜗轮的轴向力Fa2大小相等、方向相反；蜗杆的圆周力Ft1与蜗轮的圆周力Ft2大小相等、方向相反；蜗杆的径向力Fr1与蜗轮的径向力Fr2大小相等、方向相反。通过动画演示和受力分析图，进一步帮助学生理解各力之间的关系。

（五）案例分析（15分钟）1.引入案例展示一个机床进给系统中蜗杆传动的应用案例，介绍该案例的工作要求和技术参数。已知该蜗杆传动的传动比i=20，蜗杆头数z1=1，蜗轮齿数z2=20，模数m=5mm，蜗杆分度圆直径d1=50mm，蜗轮分度圆直径d2=100mm，蜗杆转速n1=1440r/min，传递功率P=5kW。2.案例分析过程计算蜗轮转速n2：根据传动比公式i=n1/n2，可得n2=n1/i=1440/20=72r/min。计算蜗杆传动的效率η：假设该蜗杆传动的螺旋升角γ=5°，通过查蜗杆传动效率表可得效率η≈75%。计算蜗杆传动的输入转矩T1和输出转矩T2：输入功率P=5kW，蜗杆转速n1=1440r/min，根据公式T1=9550P/n1，可得T1=9550×5/1440≈33.16N·m。输出转矩T2=T1×i×η=33.16×20×0.75≈497.4N·m。对蜗杆传动进行受力分析：计算蜗杆的圆周力Ft1、轴向力Fa1和径向力Fr1：Ft1=2T1/d1=2×33.16/0.05=1326.4NFa1=Ft1tanγ=1326.4×tan5°≈116.3NFr1=Ft1/cosγ=1326.4/cos5°≈1331.7N计算蜗轮的圆周力Ft2、轴向力Fa2和径向力Fr2：Ft2=2T2/d2=2×497.4/0.1=9948NFa2=Fa1=116.3NFr2=Ft2/cosγ=9948/cos5°≈10002.6N根据受力分析结果，讨论该蜗杆传动在工作过程中可能出现的问题及解决措施：由于蜗杆传动效率较低，发热量大，可能会导致油温升高，影响传动部件的寿命。解决措施是加强散热措施，如增加散热片、采用冷却装置等。蜗轮所受的圆周力较大，可能会导致蜗轮齿面磨损。解决措施是适当增加蜗轮的齿宽，提高齿面接触强度；选用合适的材料和热处理工艺，提高齿面硬度和耐磨性。

（六）课堂小结（5分钟）1.回顾本节课的主要内容教师引导学生回顾蜗杆传动的工作原理、特点、主要参数、受力分析以及案例分析等内容。2.强调重点和难点重点强调蜗杆传动的工作原理、主要参数及受力分析方法，提醒学生注意各参数之间的关系和受力分析中各力的方向确定。指出蜗杆传动受力分析和效率计算是本节课的难点，希望学生课后进一步复习和理解。

（七）布置作业（5分钟）1.书面作业已知蜗杆传动的模数m=6mm，蜗杆头数z1=2，蜗轮齿数z2=30，求该蜗杆传动的传动比i、蜗杆分度圆直径d1和蜗轮分度圆直径d2。某蜗杆传动，蜗杆分度圆直径d1=40mm，模数m=4mm，蜗杆转速n1=1500r/min，传递功率P=3kW，求蜗杆传动的输入转矩T1和输出转矩T2（假设效率η=70%）。2.思考作业蜗杆传动的自锁性有什么优缺点？在实际应用中如何合理利用自锁性？如何提高蜗杆传动的效率？请举例说明。

五、教学资源1.蜗杆传动模型2.多媒体课件，包含蜗杆传动的动画演示、受力分析图等3.相关教材和参考资料

六、教学反思通过本节课的教学，学生对蜗杆传动的工作原理、特点、主要参数及受力分析等知识有了较为系统的了解。在教学过程中，采用了多种教学方法相结合的方式，如讲授法、直观演示法、讨论法和案例分析法等，使学生能够通过多种途径获取知识，提高了学习效果。同时，通过课堂练习和案例分