机械设计基础第7章.ppt

1、第7章 蜗 杆 传 动,蜗杆传动主要是由蜗杆和蜗轮组成的。蜗杆类似于螺杆，蜗轮类似于一个具有凹形轮缘的斜齿轮，通常蜗杆与蜗轮的轴线在空间交错成90、属于空间机构，如图7.1所示。一般情况下，传动中蜗杆为主动件，蜗轮是从动件。蜗杆传动广泛用于各种机器和仪表中的减速装置。,7.1 蜗杆传动的特点和类型,7.1.1 蜗杆传动的特点、应用 蜗杆传动与齿轮传动相比，具有以下特点。 （1） 传动比大。在动力传动中，单级蜗杆传动比i=580；在传递运动时，如机床的分度机构，传动比i可达1000。由于传动比大，因而结构很紧凑。 （2） 传动平稳。由于蜗杆传动属于啮合传动，蜗杆齿是连续的螺旋齿，与蜗轮逐渐进入和

2、退出啮合，且同时啮合的齿数对较多，故传动平稳、噪声低。 （3） 可制成具有自锁性的蜗杆。所谓“自锁性”，即蜗杆为主动件时能驱动蜗轮，反过来蜗轮不能驱动蜗杆。自锁性的蜗杆常用于需要反向自锁的起重设备，以保证安全生产。,（4） 传动效率低。蜗杆传动的摩擦损失大，所以其传动效率较低，一般为0.70.9；对具有自锁性的蜗杆传动，效率低于0.5。 （5） 制造成本较高。为了减摩耐磨，蜗轮齿圈常用贵重的铜合金制造，蜗杆则多采取淬硬后磨削工艺，因此制造成本较高。 （6） 不能实现互换。由于蜗轮是用与其匹配的蜗杆滚刀加工的，因此，仅模数和压力角相同的蜗杆与蜗轮是不能任意互换的。 蜗杆传动适用于传动比大、传递功

3、率不大且不作长期连续运转的场合。,7.1.2 蜗杆传动的类型,按蜗杆分度曲面形状的不同，蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动（如图7.2（a）所示）和环面蜗杆传动（如图7.2（b）所示）。圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动。 按普通圆柱蜗杆螺旋面的形状可分为阿基米德蜗杆和渐开线蜗杆。,7.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸,如图7.3所示，蜗杆轴线和连心线（蜗杆轴线与蜗轮轴线的公垂线）构成的平面，称为中间平面。蜗杆传动在中间平面上，就相当于齿条与齿轮的啮合传动。因此，在设计蜗杆传动时，规定中间平面上的参数（如模数、压力角等）和尺寸（如齿顶圆、分度圆等）为基准，并沿用齿轮传动的计算关系。

4、,图7.3 普通圆柱蜗杆传动,7.2.1 蜗杆传动的主要参数及其选择,蜗杆传动的主要参数有模数m、压力角、蜗杆分度圆直径d1、蜗杆头数z1、蜗杆分度圆导程角等。进行蜗杆传动的设计时，首先就要正确地选择这些主要参数。,7.2.2 蜗杆传动的几何尺寸,普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸及其计算公式如图7.4所示,图7.4 阿基米德蜗杆传动的几何尺寸,7.2.3 蜗杆和蜗轮的结构,1. 蜗杆的结构 蜗杆一般与轴做成一体，称为蜗杆轴，如图7.5所示。按蜗杆螺旋部分加工方法的不同，蜗杆可分为车制蜗杆和铣制蜗杆。图7.5.（a）所示为车制蜗杆，车削螺旋部分要有退刀槽，因而削弱了蜗杆轴的刚度。图7.5（b）所示为铣

5、制蜗杆，在轴上直接铣出螺旋部分，无退刀槽，因而蜗杆轴的刚度好。当蜗杆螺旋部分的直径较大时，可以将蜗杆与轴分开制作。,2.蜗轮的结构 蜗轮可制成整体式或装配式，对于尺寸较大的蜗轮，为了节省价格较贵的有色金属，大多数蜗轮做成装配式，常见的蜗轮结构形式有以下几种。 1）齿圈压配式 2）螺栓连接式 3）整体浇铸式 4）拼铸式,7.3 蜗杆传动的设计,7.3.1 齿面间的滑动速度 如图7.6所示，蜗杆和蜗轮啮合时，齿面间有较大的相对滑动。相对滑动速度的大小及方向取决于蜗杆与蜗轮的圆周速度v1及v2，其大小为,7.3.2 蜗杆传动的失效形式,在蜗杆传动中，由于蜗杆为连续的螺旋齿，且所选材料的强度比蜗轮高得

6、多，因此失效总是发生在强度较低的蜗轮上。蜗杆传动的失效形式和齿轮传动相类似，有胶合、磨损、点蚀几种情况，有时也出现蜗轮轮齿齿根折断的情况。由于蜗杆传动轮齿齿间滑动的速度较大，摩擦发热量大，使润滑油的粘度降低，所以更容易出现的失效形式是胶合和磨损。 闭式蜗杆传动多因齿面胶合或点蚀而失效；开式蜗杆传动多因齿面磨损和轮齿折断而失效。,7.3.3 蜗杆传动的设计准则,由于目前对胶合和磨损的计算尚无成熟的方法，故仍按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度进行条件性计算，只在许用应力数值中适当考虑胶合和磨损的影响。 对于闭式蜗杆传动,应按齿面接触疲劳强度进行设计，按齿根弯曲疲劳强度校核并进行热平衡验算。对于开

7、式蜗杆传动于只按齿根弯曲疲劳强度进行设计。 蜗杆通常为细长轴，过大的弯曲变形将导致啮合区接触不良，因此，当蜗杆轴支承跨距较大时，还应进行蜗杆轴的刚度计算。,7.3.4 蜗杆传动的材料,1.蜗杆的材料 蜗杆一般采用碳素钢或合金钢制造。高速重载且载荷变化较大的条件下常用20Cr、20CrMnTi等，经渗碳淬火，5863HRC；高速重载且载荷稳定的条件下常用45、40Cr等，经表面淬火，4555HRC；对于不重要的传动及低速中载的蜗杆，可采用45钢调质，220250HBS。,2.蜗轮的材料 蜗轮的常用材料为青铜和铸铁。锡青铜，如 ZCuSn10Pbl，它的抗胶合和耐磨性能好，允许的滑动速度可达25m

8、/s，易于切削加工，但价格较贵。当滑动速度小于12m/s时，可采用含锡量较低的锡青铜ZCuSn5Pb5Zn5。铝铁青铜，如ZCuAll0Fe3，其抗胶合性能比锡青铜差，但强度较高，价格便宜，一般用于vs4m/s的传动。在低速轻载（vs2ms）时，蜗轮可采用灰铸铁制造，如HT200、HT150。,7.3.5 蜗杆传动的受力分析,1.蜗轮旋转方向的判定 当已知蜗杆的旋向和转动方向时，可根据螺旋副的运动规律，用“左、右手定则“来确定蜗轮的转动方向。 2.蜗杆传动的受力分析 蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮传动相似。图7.7所示为一下置蜗杆传动，蜗杆为主动件，且为右旋，转向如图中箭头所示。,7.3.6

9、 蜗杆传动的强度计算,1.蜗轮齿面接触疲劳强度的计算 蜗轮齿面接触疲劳强度的计算可以参照斜齿轮的计算方法进行。以赫兹公式为基础，按节点处的啮合条件计算齿面的接触应力，可以推导出蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式为,2.蜗轮轮齿弯曲疲劳强度的计算 验算公式 设计公式,7.3.7 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,1.蜗杆传动的效率 在闭式蜗杆传动中，功率损失一般包括3部分：轮齿啮合的摩擦损失、轴承中的摩擦损失和搅动箱体内润滑油的油阻损失。其中最主要是轮齿啮合齿面相对滑动而引起的啮合损失，其大小可近似地用螺旋传动的效率公式计算。后两项功率损失不大，其效率一般为0.950.97，因此当蜗杆主动时，蜗杆传

10、动的总效率为,2.蜗杆传动的润滑 蜗杆传动的润滑是个值得注意的问题，如果润滑不良，传动效率将会显著降低，并且会使轮齿早期发生胶合磨损。 3.蜗杆传动的热平衡 由于蜗杆传动的效率低、发热量大，若不及时散热，会引起箱体内油温升高、润滑失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合而导致传动失效。因此，对连续工作的闭式蜗杆传动，需进行热平衡计算。,7.3.8 普通圆柱蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,1.精度选择 蜗杆可以在车床上切制，也可以在特种铣床上用圆盘铣刀或指形铣刀铣制。由于蜗杆传动的轴间距离必须与切制蜗轮时的轴间定位距离相等才能得到正确的啮合，所以蜗轮要用与它相啮合的蜗杆同样大小的滚刀来切制。,2 蜗杆传动的安装与维护 1) 蜗杆、蜗轮的安装调整 在蜗杆传动中，蜗杆中心线位于中间平面上，蜗杆与蜗轮的中心距应准确，在装配时，应仔细调整蜗轮的轴向位置，否则难以正确啮合，齿面会在短时间内严重磨损。对于单向运转的蜗杆传动，可调整蜗轮的位置，使蜗杆和蜗轮在偏于啮出（蜗杆旋出的方向）一侧接触，以利于在啮合入口处造成油楔，易于形成油膜润滑。,2) 蜗杆传动的跑合和试运转 蜗杆传动装配后，须经跑合，以使齿面接触良好。跑合时采