第06章 蜗杆传动设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 蜗杆传动设计,一蜗杆传动组成,由蜗轮和蜗杆组成,蜗轮,蜗杆,a,）,蜗杆下置,b,）,蜗杆上置,二蜗杆传动的应用,蜗杆传动用于传递空间两交错轴之间的运动和转矩，两轴,线之间交错的夹角可以是任意的，但最常用的是两轴在空,间相互垂直，轴交角为,90,。,三本章,主要内容,蜗杆,传动,类型、特点，几何尺寸计算,主要参数及其选择，轮齿受力分析,重点,蜗杆传动承载能力计算,蜗轮轮齿强度、蜗杆刚,度计算,蜗杆传动热平衡计算,控制温升，防止胶合破坏,1.,结构紧凑，传动比大,(,动力传动中，,一般单级传动比,i,=8,80,，,在分度传,动中，可达,1000),，,2.,传动平稳，振动、冲击和噪声均很,小，在一定的条件下具有,自锁性,等,传动缺点,在制造精度和传动比相同的情况下，蜗杆传动的摩擦发热大，效率比齿轮传动低，只宜用于中、小功率的场合,一蜗杆传动的特点,蜗杆传动优点,6-1,蜗杆传动概述,二、蜗杆传动的分类,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动,锥面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,n,1,n,2,圆柱蜗杆传动,n,1,n,2,环面蜗杆传动,n,1,n,2,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆的齿,面一般是在车床上用直,线刀刃的车刀车制的,(,zK,型,蜗杆除外,),。车刀,安装,位置,的不同，所加工出,的蜗杆齿面在不同截面,中的,齿廓曲线,也不同,。,一）普通圆柱蜗杆传动,2,0,阿基米德螺旋线,直廓,2,0,凸廓,N-N,I-I,1.,阿基米德蜗杆（,ZA,）,一）普通圆柱,蜗杆传动,蜗杆齿廓特点：,垂直于轴线的剖面,上齿廓为阿基米德,螺旋线；,通过蜗杆轴线的剖,面上为直线齿廓；,不便加工，且难于磨削，不易保证精度，用于低速、轻载或不太重要的传动。,蜗轮齿廓及,蜗杆蜗轮传动,特点：,蜗轮齿廓,在中间平面上（,通过蜗杆轴线且垂直于蜗轮轴线,的平面,）,蜗轮齿廓为渐开线,蜗杆蜗轮传动,特点,在中间平面上蜗杆蜗轮的啮合如齿轮、齿,条的啮合关系,阿基米德圆柱蜗杆传动,A,A,中间平面,2.,渐开线蜗杆（,ZI,）,蜗杆齿廓特点：,蜗杆齿面为渐开螺旋面，端面齿廓为渐开线,一）普通圆柱,蜗杆传动,蜗杆可以磨削，易保证加工精度，用于头数较多、转速较高和较精密的传动。,d,b,渐开线,I-I,凸廓,0,直廓,凸廓,0,I,I,蜗杆可用两把直,线刀刃的车刀在车床,上车制。加工时，两,把车刀的刀刃平面一,上一下与基圆相切，,被切出的蜗杆齿面是,渐开线螺旋面，端面,的齿廓为渐开线。,3.,法向直廓蜗杆（,ZN,）,蜗杆齿廓特点：,蜗杆法面齿廓为直线，端面齿廓为延伸渐开线,一）普通圆柱,蜗杆传动,蜗杆加工简单，可以磨削，用于头数、精密的蜗杆传动。,N,N,I,I,I-I,凸廓,2,0,直廓,N-N,d,0,延伸渐开线,车制时刀刃顶面置于螺旋线的法面上，蜗杆在法向剖面上具有直线齿廓，在端面上为延伸渐开线齿廓。,二,),圆弧圆柱,蜗杆传动,圆弧圆柱,蜗杆的齿,形分为,圆弧圆柱,蜗杆轴向剖面为,圆弧形齿廓，用车刀车削,用轴向剖面为,圆弧的环面砂轮，装在,蜗杆螺旋线的,法面上，,阿基米德螺旋线,I,I,I-I,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,N-N,N,N,圆弧圆柱,蜗杆,与普通圆柱,蜗杆的区别：,1,）在主剖面上蜗杆齿廓为凹弧形，与之配合的蜗轮齿廓,为凸弧形；,2,）凹凸弧齿廓啮合传动，也是线接触的啮合传动，接触,处的综合曲率半径大，承载能力高，比,普通圆柱,蜗杆,高,50,%150%,；,3,）瞬时接触线与滑动速度交角大，有利于啮合面间油膜,形成，摩擦小，效率高，蜗杆可磨削，精度高，用于,冶金、矿山、化工、起重运输机械。,接触线,v,s,v,t,6-2,普通圆柱蜗杆传动基本参数及几何尺寸计算,一,普通圆柱蜗杆传动的基本参数,及其选择,b,1,2,d,2,d,f1,d,1,d,a1,p,z,d,f2,d,a2,R,1,R,2,b,2,B,阿基米德蜗杆在主剖面内相当于齿轮与齿条的啮合传动。,主要参数有：模数,m,、,压力角,、,蜗杆头数,Z,1,、,蜗轮齿数,Z,2,、,蜗杆直径系数,q,、,蜗杆分度圆柱导程角,等。,一）,模数,m,和压力角,蜗杆轴面压力角,x1,=,蜗轮端面压力角,t2,=,标准压力角,=20,A,A,蜗杆轴向模数,m,x1,=,蜗轮端面模数,m,t2,=,标准模数,m,中间平面,二）蜗杆分度圆直径,(,又称中圆直径,),d,1,和直径系数,q,蜗杆传动中，为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，常用与,蜗杆具有同样参,数的蜗轮滚刀来加工与其配对的蜗轮。这样，只要有一种尺寸的蜗杆，就必须有一种对应的蜗轮滚刀。为了减少蜗轮滚刀的数目，为便于蜗轮滚刀的标准化，,规定,蜗杆直径,d,1,为标准值，且与,m,搭配。,d,1,与,m,的比值称为蜗杆直径系数，用,q,表示，即：,q=d,1,/m,。,注意：,由于,d,1,与,m,均为标准值，故,q,是,d,1,、,m,两个参数的导出值，不一定是整数，,d,1,、,m,、,q,之间关系见表,6-1,。,因此，蜗杆分度圆直径,:,蜗杆分度圆,导程角,蜗杆轮齿的切线与其端面之间的夹角,导,程,（,同一条螺旋线上相邻两齿同侧齿廓之间的轴向距离）,：,p,z,=z,1,p,x,蜗杆轴向齿距,（相邻两齿同侧齿廓之间的轴向距离）,：,p,x,=,m,，,效率高，,330,的蜗杆具有自锁性。,d,1,导程,p,z,p,x,d,1,d,1,导程角与导程的关系,导程角：,p,x,tan,=,p,z,d,1,z,1,p,x,d,1,z,1,m,d,1,z,1,m,qm,z,1,q,三）,蜗杆分度圆柱导程角,三）传动比,i,、,蜗杆头数,Z,1,及蜗轮齿数,Z,2,2,蜗杆头数,Z,1,蜗杆螺旋线数,对结构尺寸：,i,一定时，,Z,1,则,Z,2,尺寸，且加工困难,对效率,Z,1,时，,其效率,啮,=tan/tan,（,+,v,）,对自锁,Z,1,时，,自锁性好,Z,1,影响,考虑传动比,i,则,Z,1,，,i,时,Z,1,见表,6-2,考虑用途,对,反行程,有自锁要求的传动取,Z,1,=1,考虑效率要求,要求,啮,时宜选,Z,1,一般取,1,4,Z,1,选,择原则,通常蜗杆传动是以蜗杆为主动的减速装,置，故传动比与齿数比相等，即：,1,传动比,i,注意：,i,=,n,2,z,1,n,1,z,2,d,1,d,2,i,=,n,2,z,1,n,1,z,2,=u,d,1,=,qm,Z,1,m,3.,蜗轮齿数,Z,2,具体选择时，还应考虑,i,、,z,1,、,z,2,匹配关系,对蜗杆刚度,M,不变时，,Z,2,则,d,2,，,蜗杆轴跨距，刚度,对蜗轮加工,Z,2,蜗轮轮齿发生根切,影响,避免产生根切，与单头蜗杆啮合的蜗轮，其齿数,17,增大啮合区提高平稳性，通常规定,28,（保持两对齿啮合）,为,防止,蜗轮尺寸过大造成蜗杆轴跨距大,降低蜗杆的弯曲刚度,Z,2max,80,。,Z,2,选,择,蜗杆头数与蜗轮齿敷的荐用值,4,传动比,蜗杆头数,蜗轮齿数,28,40,14,27,9,13,7,8,28,32,27,52,28,81,28,80,3,4,2,3,1,2,40,1,40,二,.,蜗杆传动的正确啮合条件,当两轴线交错角,=90,时，导程角,应与蜗轮分度圆柱螺旋角,等值且方向相同。,1,=,2,蜗杆传动的正,确啮合条件,O,1,O,1,1,1,O,2,1,=,2,O,1,O,1,O,2,O,2,1,2,三,.,普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算,一）普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸,b,1,2,d,f1,d,1,d,a1,p,z,R,1,R,2,B,d,2,d,f2,d,a2,b,2,中间平面,普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算公式见表,-2,注意：,1.,蜗杆分度圆直径：,d,1,=qm,Z,1,m,2.,蜗杆传动的中心距：,a,=0.5,（,d,1,+d,2,）,=0.5m,（,q+Z,2,）,0.5m,（,Z,1,+Z,2,）,分度圆直径,d,2,顶圆直径,d,a,2,根圆直径,d,f2,3.,蜗轮的,指,蜗轮中间,平面上的值,中间平面,d,2,d,f2,d,a,2,一蜗杆、蜗轮配对材料选择,6-,3,蜗杆传动的,材料选择,、失效形式及设计准则,特点,结构细而长易变形，一般为主动件，,n,1,应力,循环次数,N,1,，,且连续运转；,要求,材料的抗变形能力强（,E,）；,轮齿强度要高,（,B,S,）；,冲击大,20Cr,、,20CrMnTi,、,12CrNi3A,表,面渗碳淬火,(,齿面硬度,56,62HRC,）,冲击小,40,、,45,钢和,40Cr,、,40CrNi,、,42SiMn,表面淬火,(,齿面硬度,4,5,55HRC,）,不太重要的低速中载蜗杆,用,45,、,40,等碳素钢调,质处理（,硬度为,220,300HBS,）,。,蜗杆,常用,材料,高速重,载蜗杆,一）蜗杆材料选择,:,二）蜗轮的材料选择,强度足够,减摩性好（,f,V,）：,f,V,钢,-,青铜,f,V,钢,-,铸铁,f,V,钢,-,钢,对材料,要求,常用,材料,锡青铜,ZCuSn10PI,等,耐磨性最好，但价格,较高,用于高速或重要传动,铝铁青铜,ZcuAl10Fe3Mn2,耐磨性较好，但,价格便宜，用于中速，较重要传动,灰铸铁,(HTl50,或,HT200),用于低速轻载,V,S,3m,s,选锡青铜,作蜗轮的齿圈,V,S,2,3m,s,选铝青铜,V,S,2m,s,选灰铸铁,选择方法,:,初估滑动速度,V,S,=,（,0.02,0.03,）,青铜,蜗轮,二蜗杆传动的失效形式及计算准则,一）蜗杆传动的失效形式,蜗杆传动的失效特点,由于材料和结构上的原因，在一般情况下，失,效多发生在蜗轮上。,闭式蜗杆传动主要失效形式：,蜗,轮,齿面点蚀,齿面接触应力,H,循环作用引起,当,z,2,80,时也会出现轮齿的弯曲折断,d,1,d,2,2,1,1,v,1,v,s,v,2,开式蜗杆传动的主要失效形式,蜗轮轮齿的磨损。,齿面胶合,由于蜗杆蜗轮齿面间的相对滑,动速度较大（,）,，,效率低发热量大，使润滑油粘度因温度升,高而下降，润滑条件变坏，容易发生胶合。,开式蜗杆传动,主要是控制因磨损而引起的蜗轮轮齿的,折断,，按,齿根,弯曲,疲劳强度,条件,设计,计算,或校核,计算,。,二）计算准则,闭式蜗杆传动,按齿面接触强度设计，校核齿根弯曲强,度，连续工作的闭式传动，摩擦发热大，效率低，温,度升高，散热不好，引起润滑条件恶化而产生胶合，,还需进行传动效率和热平衡计算以控制温升。,假定作用在蜗杆齿面上的法向力,Fn,集中在点,C,一蜗杆传动的受力分析,6-,4,蜗杆传动的,的受力分析和强度计算,径向分力,F,r1,Fn,分,解为,切向分,力,F,圆周力,F,t1,轴向力,Fa1,2,o,2,o,2,o,1,o,1,圆周力,F,t1,径向力,F,r1,蜗杆齿面上,的法向力,F,n,轴向力,Fa1,切向力,F,C,n,1,T,1,n,1,T,1,F,t2,F,a1,蜗杆上的径向力与蜗轮上的径向力，大小相等而方向相反,。,F,a2,F,t1,F,r2,F,r1,一）各力相互之间的关系,蜗杆上的轴向力与蜗轮上的圆,周力大小相等而方向相反,。,蜗杆上的圆周力,与蜗轮上的轴向力大小相等而方向相反,。,即：,即：,即：,二）各力的大小,蜗杆分度圆柱导程角。,式中：,T,1,、,T,2,蜗杆、蜗轮上的工作转矩,(T,2,=T,1,i,，,i,为传动,比，,为传动效率,),；,d,1,、,d,2,蜗杆、蜗轮的分度圆直径；,n,、,蜗杆法面压力角,、,标准压力角，,n,=,=20,；,F,a1,F,r1,F,t1,n,1,F,a2,F,r2,F,t2,n,2,三）各力方向判定,F,t1,（,蜗杆）,蜗杆为主动件,受的是,阻力，与力的作用点速度方向相反,径向力,沿各轮半径指向轴心；,F,a1,（,蜗杆）,方向由左（右）手,定则来确定。,右旋用右手，四指弯,曲方向表示转向，大拇指指向,。,蜗轮旋转方向,n,2,根据螺旋传动方法判断,四）各力在蜗杆传动简图上表示,力在传动简图上表示,n,2,n,1,o,1,o,1,O,2,F,t2,F,a,1,F,r1,F,t1,F,r2,F,a,2,圆周力,F,a2,（,蜗轮）,与,F,t1,方向相反,F,t,2,（,蜗轮）,蜗轮为从动件,受的,是推力，故,F,t,2,与力的作用点速度方,向相同,轴向力,位于纸面内的力：用画箭头方法表示,垂直于纸,面的力,背离读者时：用 表示,指向读者时：用 表示,2,轮齿的强度计算只计算蜗轮齿面接触疲劳强度,因一,般情况下，蜗轮轮齿很少发生弯曲疲劳折断，只有当蜗轮,齿数,80,100,或开式传动时，才进行弯曲疲劳强度计算。,二,.,蜗杆传动的强度计算,一）蜗杆传动的强度计算特点,1,只进行蜗轮轮齿的强度计算,因蜗杆传动的失效一般发,生在蜗轮上,蜗杆的强度可按轴的强度计算方法进行，必要时,还要进行蜗杆的刚度校核。,二）蜗轮齿面接触疲劳强度计算方法,由于阿基米德圆柱蜗杆传动可近似地看作齿条和斜齿圆柱齿轮的啮合传动。因此,蜗轮齿面的接触疲劳强度计算与斜齿圆柱齿轮传动相似。,仍以赫兹公式为原始公式，并按节点啮合的条件进行计算。,三）蜗轮齿面接触疲劳强度计算,省略,式中,:,V,当量摩擦角，,V,=,arctanf,V,，,f,V,当量摩擦系数,轮齿啮合损耗功率的效率：,6-5,蜗杆传动的润滑、效率及热平衡计算,二、蜗杆传动的效率,一、蜗杆传动的润滑,自学,闭式蜗杆传,动效率包括,轴承摩擦损耗功率的效率：,2,=0.98,0.99,；,浸人油中零件的搅油损耗功率的效率,3,=0.97,0.99,故其总效率为,:,=,1,2,3,=(0.95,0.96),导程角,：,则,，,=,arctan,（,Z,1,/q,），,q,一定时，,Z,1,V,则,V,则,当量摩,擦角,V,影响效,率因素,设计之初，为求出蜗轮轴上的转矩，可根据蜗杆头数对,效率作如下估取：,当,Z,1,=1,时，,=0.7,0.75,；,Z,1,=2,时,=0.75,0.82,；,Z,1,=3,时,=0.82,0.85,；,Z,1,=4,时,=0.85,0.92,。,三、蜗杆传动的热平衡计算,热平衡,单位时间内的发热量,=,单位时间内的散热量,1,单位时间内的发热量,H,1,2,单位时间内的散热量,H,2,热量从箱体外壁散发到周围空气中,式中：,K,t,箱体的散热系数，,K,t,=10,17 W/,（,m,2,），,大值,用于通风条件良好的环境；,式中：,P,1,蜗杆传递的功率，,蜗杆传动的总效率。,t,0,环境温度，在常温下可取,=20,；,t,达到热平衡时的油温，。,由摩擦损耗的功率,产生,W,W,初步计算时，对箱体有较好散热肋片的，可用下式估算其,散热面积：,（,a,中心距，,mm,）,A,散热面积,m,2,，,即,箱体内表面被油浸着或油能溅到且外表面,又被空气所冷却的箱体表面积,，凸缘及散热片面积按,50,计算；,2,1,1),增大散热面积,A,在箱体外壁增,加散热片，加散热片时，还应注意散,热片配置的方向要有利于热传导；,2),增大散热系数,K,t,在蜗杆轴端,设置风扇进行人工通风，此时,K,t,20,28W,(m,2,),；,t,最高不超过,90,若超过允许值，,应采取措施提高传动的散热能力,.,提高传动的散热能力措施,:,60,80,加散热片,散热片,风扇冷却,3,热平衡的条件：,由此可求得达到热平衡时的油温为,:,60,70,采用压力喷油循环润滑。,在箱体油池中装设蛇形冷却管；,3),加快,冷,却速度,蛇形水管冷却,冷却水,压力喷油循环润滑,例,6-1,图示蜗杆传动中，蜗杆主动，试标出未注明的蜗杆（或,蜗轮）的螺旋线方向及转向，并在图中绘出蜗杆、蜗轮啮合点处,作用力的方向（用三个分力：圆周力,F,t,、,径向力,F,r,、,轴向力,F,表,示）。,n,1,a,）,蜗杆下置,b,）,蜗杆上置,n,1,n,1,C)蜗杆侧置,蜗杆传动受力分析实例,a,）,因蜗轮是右旋，故蜗杆为右旋,a）,n,2,n,2,b,）,因蜗杆是左旋，故蜗轮为左旋,b）,n,1,n,2,F,a,1,F,r1,F,t1,F,t2,F,r2,F,a,2,c,）,因蜗杆是右旋，故,蜗轮为右旋,C),n,2,解答：,1.,根据,蜗杆传动正确啮合条件,=,，,确定未注明的蜗杆（或,蜗轮）的螺旋线方向,3.,根据螺旋副的运动规律,，确定未注明的蜗杆（或蜗,轮）的转向。,2.,蜗杆、蜗轮啮合点处作,用力的方向,:,因蜗杆为主动件，,圆周力,F,t,1,与,其转向相反；,径向力,F,r,1,指向轮心,O,1,；,轴向力,F,a,1,可用右手定则判定,蜗轮所受各力根据蜗杆、蜗轮,各力之间的关系来确定。,n,1,n,1,n,1,F,t2,F,r1,F,t1,F,a,1,F,r2,F,a,2,F,a,2,F,r2,F,t2,F,r1,F,t1,F,a,1,F,r1,F,r2,F,t2,F,t1,F,a,1,F,a,2,本章内容小结,类型、特点，,轮齿受力分析,重点,二,.,蜗杆传动承载能力计算,蜗轮轮齿强度、蜗杆刚度计算,三,.,蜗杆传动热平衡计算,控制温升，防止胶合破坏,蜗杆,传动,一,.,几何尺寸计算,主要参数及其选择,重点,作业,:6-9,6-9,图,6-13,所示蜗杆传动中，已知,:,蜗杆为左旋，转向如图示,.,试决定：,1,蜗轮轮齿螺旋线方向,;,2,蜗轮转向,2,3,蜗杆,、,蜗轮啮合点处各力,(F,t,、,F,r,、,F,a,),的方向,.,结束,b,1,2,d,f1,d,1,d,a1,p,z,R,1,R,2,B,d,2,d,f2,d,a2,b,2,中间平面,1,=,2,O,1,O,1,1,1,O,2,1,=,2,O,1,O,1,O,2,O,2,1,2,c,F,n,n,F,F,a,1,F,t1,F,r1,O,2,O,2,（b）,O,1,O,1,F,a,1,F,r1,F,t1,F,a1,F,r1,F,t1,C,F,n,F,n,n,1,