机械设计CH6蜗杆传动

1、基本要求、重点和难点6.1蜗杆传动的特点和类型6.2圆柱蜗杆传动的主要参数6.3失效模式、材料和结构6.4圆柱蜗杆传动的受力分析6.5普通圆柱蜗杆传动的强度计算6.6蜗杆的刚度计算6.7效率、润滑和热平衡计算圆柱蜗杆传动6.4小时规划期：生产厂家：项基本要求： 1)掌握蜗杆传动的特点和类型。2)掌握蜗杆传动的主要参数。3)掌握蜗杆传动的受力分析和强度计算。4)掌握蜗杆传动的润滑和热平衡。要点：1)蜗杆传动的特点。2)圆柱蜗杆传动的主要参数。3)蜗杆传动的受力分析。4)蜗杆传动的强度计算和热平衡计算。难点：1)蜗杆传动的受力分析。2)蜗杆传动的强度计算。作业：课本2:6-2；6-4；重大任务6-

2、13。6.1、蜗杆传动的特点和类型，蜗杆传动由一个带螺纹的蜗杆和一个带齿的蜗轮组成，用于在两个交错轴之间传递旋转运动和动力，通常交错角为90。在传动中，蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。6.1.1蜗杆传动部件，中间平面穿过蜗杆轴线，平面垂直于蜗杆轴线。6.1.2蜗杆传动的优缺点，1。主要优点，1)蜗杆传动的单级传动比大，具有大减速、大增加扭矩的效果。在动力传动中，一级传动的传动比通常为8 100；在分度机构中，第一级变速器的传动比可高达1000。2)结构紧凑简单。3)由于蜗轮齿是连续的螺旋齿，逐渐与蜗轮齿啮合，逐渐脱离啮合，传动平稳，噪音低。4)当蜗杆的超前角小于等效摩擦角时，可以实现反向自锁，即自

3、锁。主要缺点：1)由于传动时啮合齿面间相对滑动速度大，摩擦损失大，效率低，自锁蜗杆传动效率低于50%。因此，在变速器设计中应考虑散热。蜗杆传动不适合大功率传动(一般不超过100千瓦)。2)为了减少齿面的磨损和防止胶合，蜗轮通常由昂贵的减摩材料制成，因此成本高。3)对制造和安装误差敏感，安装时要求中心距的尺寸精度高。6.1.3蜗杆传动类型，1。根据螺旋方向，蜗杆分为左旋和右旋，常用的是右旋蜗杆。根据蠕虫头部的数量，蠕虫分为单头蠕虫和多头蠕虫。单头蜗杆主要用于传动比大的场合。单头蜗杆必须用于需要自锁的蜗杆传动。多头蜗杆主要用于传动比小、效率高的场合。根据蜗杆的形状，蜗杆传动分为圆柱蜗杆传动、环面蜗

4、杆传动和圆锥蜗杆传动。1)圆柱蜗杆传动，分为普通圆柱蜗杆传动和圆柱蜗杆传动。(1)普通圆柱蜗杆传动根据齿形曲线的形状可分为阿基米德蜗杆(ZA蜗杆)、渐开线蜗杆(ZI蜗杆)、普通直蜗杆(ZN蜗杆)和锥面包络蜗杆(ZK蜗杆)。ZA蜗杆，加工简单，类似梯形螺纹，可采用车刀或螺旋刀片加工，加工时刀刃顶面应穿过蜗杆轴。蜗杆在轴向截面-处具有梯形齿条形直齿廓，在法向截面N-N处具有外凸齿廓，在垂直于轴线的端面处具有阿基米德螺旋线。难以研磨，所以精度低。由于其加工和测量方便，广泛用于小导程角(一般为15)和非磨削加工。常用于中小负荷、中小速度和间歇工作。ZI蜗杆，制造精度高，适合大批量生产和多头蜗杆传动，具

5、有高功率、高速度和精度要求。但是，磨削需要专用机床，应用范围不如阿基米德蜗杆传动广泛。在处理蠕虫时，最上面的su蜗杆可以用滚磨机(蜗杆可以看作是一种渐开线斜齿圆柱齿轮，齿数少，螺旋角大)或平面砂轮进行铣削。ZN蜗杆，车削蜗杆时，车刀的刃口置于垂直螺旋线的法向面n-n，蜗杆法向面的齿廓为直梯形，端面的齿廓为延伸渐开线。蜗杆可以用直母线砂轮磨削。加工简单，可采用直母线砂轮磨齿，常用于机床多头精密蜗杆传动。ZK蜗杆是将直母线双锥面圆盘铣刀或砂轮放入蜗轮齿槽中加工而成。在加工过程中，盘形铣刀或砂轮在蜗杆的法平面内绕其轴线作旋转运动，蜗杆作螺旋运动。此时，铣刀或砂轮的旋转曲面的包络面就是蜗杆的螺旋齿面。

6、在蜗杆的任意截面I-I和n-n中，蜗杆的齿廓都是曲线。易于磨削，加工精度高，但齿形复杂，难以设计和测量。对于中速、中等负载的动力蜗杆传动。(2)圆柱蜗杆(ZC型)。这种蜗杆齿廓的螺旋面是用一种有凸弧边的工具加工的。加工方法和刀具安装方法与车削加工的ZA蜗杆相同。同时，蜗杆可以用圆弧轴向截面的砂轮进行精磨。在中间平面，蜗杆的齿廓为凹弧，蜗轮的齿廓为凸弧。蜗轮是用生成的方法制造的。在中间平面，蜗杆的齿廓为凹弧，蜗轮的齿廓为凸弧，这有利于工作时油膜的形成。因此，在相同的基本条件下，圆柱蜗杆传动的承载能力比普通圆柱蜗杆传动高50% 150%。当蠕虫活跃时，效率可达95%以上。在传递相同功率时，蜗杆传动

7、体积小，结构紧凑。其缺点是传动中心距难以调整，对中心距误差敏感。这种传动广泛用于冶金、矿山、化工、建筑和重型设备等机械设备的减速机构。(2)环形蜗杆是以蜗杆轴为旋转中心，以凹弧为轴线方向母线的旋转体。环面蜗杆传动的蜗轮节圆与蜗杆的节弧重合，同时啮合的齿数大，轮齿的接触线大致垂直于蜗轮齿的运动方向，提高了轮齿的受力，同时轮齿具有良好的油膜形成条件，抗粘连能力强，环面蜗杆传动承载能力大，效率高。普通环面蜗杆传动的承载能力是普通圆柱蜗杆传动的2-4倍，效率为85%-90%。然而，为了保证沙漏蜗杆的良好啮合，沙漏蜗杆传动的制造和安装精度要求很高。(3)锥形蜗杆。锥形蜗杆是由螺距锥上具有相同导程角的螺旋

8、形成的。与蜗杆啮合的蜗轮在形状上类似于弧齿锥齿轮，所有这些都被称为锥蜗杆传动。锥形蜗杆传动的特点是传动比范围大，一般为10 60；同时，啮合点数多，重合度大，承载能力高。润滑条件好，效率高；侧隙便于控制、调节和离合。结构紧凑，蜗轮可由淬硬钢制成，可节省有色金属。制造安装简便，工艺性好。在普通圆柱蜗杆传动中，ZA蜗杆具有代表性，应用广泛。本章主要介绍了ZA阿基米德圆柱蜗杆传动的设计及设计中应注意的问题。6.1.4蜗轮齿的形成，=20，6.1.5蜗杆传动的工作原理，蜗轮是由与蜗杆形状相似的滚刀制成，根据生成原理切削而成，这相当于齿轮和齿条在中间平面上的啮合。这是理论基础和6.2圆柱蜗杆传动的主要参

9、数和尺寸的计算，6.2.1圆柱蜗杆传动的主要参数，并且中间平面3354穿过蜗杆轴线并且垂直于蜗轮轴线。1。模数和压力角，正确的啮合条件，模数是标准值；标准压力角为20。2.传动比，蜗杆头数和蜗轮数，传动比，通常蜗杆头数z1=1，2，4。当z1=1时，可以获得大的传动比，但是传动效率低。当传输功率大时，为了提高效率，可以使用多头蜗杆，z1=2、4或6。为了避免蜗轮齿的咬边，z2不应小于17，但当z230时，两对以上的齿可以保持啮合；然而，如果z2太多，结构的尺寸将太大，并且蜗杆的长度将增加，导致蜗杆的刚度和啮合精度降低。因此，z2不应大于80。3。蜗杆直径系数、导程角和传动效率。蜗杆分度圆直径d

10、1齿厚等于齿宽的圆柱直径d1称为蜗杆分度圆直径。用于切割蜗轮的滚刀必须具有与与蜗轮啮合的蜗杆相同的形状。因此，对于每个模块具有分度圆直径的蜗杆，需要用于切割蜗轮的滚刀，因此刀具类型的数量太大。为了减少工具数量并促进标准化，为每个标准模块指定了一个特定的d1值标准系列。蜗杆直径系数q，普通圆柱蜗杆的基本参数及其与蜗轮参数的匹配(摘自GB100851988)，蜗杆分度圆柱的螺旋导程角，啮合效率，4。齿面间的滑动速度s和滑动速度的大小对齿面润滑状况、齿面失效模式、加热和传动效率等有很大影响。蜗杆传动的等效摩擦系数和等效摩擦角，5。6.2.2标准传动的中心距，6 . 2 . 2圆柱蜗杆传动的几何尺寸计

11、算，6.2.3蜗杆传动的位移特性，位移蜗杆传动主要用于匹配中心距或改变传动比使其符合推荐值，强度考虑是次要的。蜗杆传动的位移方法类似于齿轮传动，即利用刀具相对于蜗轮毛坯的径向位移来实现位移，而不改变刀具尺寸。然而，在蜗杆传动中，由于蜗杆齿廓的形状和尺寸与用于加工蜗轮的滚刀相同，为了保持刀具的尺寸不变，蜗杆的尺寸不能改变，因此只能移动蜗轮。其位移特征是位移前后蜗杆的顶圆、根圆、分度圆和齿厚不变，位移后分度圆和节圆不重合。蜗轮变位前后的节圆和分度圆总是重合的，其他尺寸也会发生变化。1。在不改变传动比的情况下调节中心距离。蜗轮的齿数在位移前后保持不变，即传动的中心距发生变化，即位移后蜗杆和蜗轮的节径

12、分别为，位移后的中心距为，这样，到时候，中心距变大，由于蜗轮的齿数保持不变，其齿数变粗，强度增加；当中心距变小时，齿轮齿变薄，强度降低。为了提高蜗轮齿的强度，最好采用正位移。蜗轮变位系数的一般范围是，根据这一范围可以得出变位系数为，2。在不改变中心距离的情况下调整传动比。这种修改前后的中心距离保持不变，即蜗轮的齿数改变，即蜗轮的齿数通常增加或减少一个或两个齿。此时，传动的啮合节点发生变化，中心距可表示为，因此修改后的齿数为，修改系数可据此求出。因此，当齿数减少时，轮的齿数变得更厚，强度增加；当牙齿的数量在封闭传动中，蜗杆传动通常由于胶合或点蚀而失效。设计准则是根据蜗轮齿面接触疲劳强度进行设计，

13、并校核齿根弯曲疲劳强度。另外，当闭式蜗杆传动的散热不好时，会降低蜗杆传动的承载能力，加速失效，因此需要进行热平衡计算。当蜗杆轴细长且轴承跨度大时，也应进行蜗杆轴的刚度计算。分体式变速器。蜗轮常受齿面磨损和断齿的影响，因此应保证蜗轮齿根的弯曲疲劳强度作为分体式蜗杆传动的设计准则。设计标准：6.3.2常用材料的要求：蜗轮材料不仅要求足够的强度，更重要的是良好的磨合性能、减摩性和耐磨性，特别是高抗擦伤能力。因此，青铜经常被用作蜗轮的齿圈，以匹配硬化和研磨的钢蜗杆。1.蜗杆常用材料一般由碳钢或合金钢制成：高速重载传动，通常用15Gr、20Gr和20GrMnTi渗碳淬火，硬度为56-62 HRC；40，

14、45，40 40Gr，42SiMn表面淬火，硬度为45-55 HRC，并研磨。(2)低速和中等负荷传动，碳钢如40和45通常淬火和回火，硬度为220 300HBS。(3)低速轻载或手动传动时，蜗杆不能热处理，甚至可以使用铸铁。2.蜗轮常用材料：铸造锡青铜耐磨性最好，抗胶合能力强，易于加工。它用于重要的传输。允许的滑动速度可以达到25米/秒，但价格昂贵。常用的是ZcuSn10P1和ZcuSnPb5Zn5。后者通常用于S12m/s传输。(2)铸铝青铜的强度比锡青铜高，但价格比锡青铜低，其他性能比锡青铜稍差。一般用于S4M/斯传动，与之匹配的蜗杆硬度不低于45HRC。常用的有ZcuAl10Fe3、Z

15、cuAl10Fe3Mn2等。(3)灰铸铁在各种性能上远远不如前两种材料，但价格便宜。适用于S2M/上海低速低效率的通用变速器。6.3.3蜗杆和蜗轮的结构，1。蜗杆传动的精度选择和侧隙规定，GB100891988规定了蜗杆、蜗轮和蜗杆传动的12个精度等级，从1级到12级，从高到低。蜗杆传动是机械制造中最常用的79级传动；当蜗轮分度圆周速度大于5 m/s或运动精度高时，常用的精度等级为56级。普通圆柱蜗杆传动的常用精度等级及应用，有八种齿隙，分别代表蜗杆传动的最小法向齿隙，依次递减，H为最小零。齿隙的类型与精度等级无关，可根据传动的应用场合进行选择。选择齿隙后，可通过检查机械设计手册获得蜗杆和蜗轮

16、的齿厚公差。2.蜗杆的结构，其中大部分是与轴做成一个整体，这就是所谓的蜗杆轴。1)铣削只能在加工无卸荷槽结构的螺旋零件时使用；2)具有卸荷槽结构螺旋零件可以车削或铣削，结构刚性差。2.蜗轮的结构，可以做成一个整体。然而，为了节约贵重的有色金属，大型蜗轮通常采用组合结构，即齿圈由有色金属制成，而轮芯由钢或铸铁制成。采用组合结构时，齿圈与齿轮芯之间可采用过盈连接，为了工作可靠，沿接合面圆周安装4-8个螺钉。为了便于钻孔，螺纹中心线应偏移材料较硬一侧23毫米。这种结构用于体积小、工作温度变化小的地方。轮辋和轮芯也可以用螺栓铰接。由于拆装方便，经常用于大尺寸或磨损后需要更换齿圈的场合。对于大量生产的蜗轮，青铜齿圈通常铸造在铸铁齿芯上。6.4圆柱蜗杆传动的受力分析，1。力的大小，齿面上的法向力可以被分开2.力的方向，1)圆周力的方向与蜗杆的运