华中科技大学机械设计4蜗杆.pptx

机械设计机械设计蜗杆蜗杆蜗蜗轮轮普通圆柱蜗杆传动：普通圆柱蜗杆传动：阿基米德蜗杆传动（阿基米德蜗杆传动（ZA）渐开线蜗杆传动（渐开线蜗杆传动（ZI）法向直廓蜗杆传动（法向直廓蜗杆传动（ZN）第四章第四章 蜗杆传动主要参数蜗杆传动主要参数按蜗杆形状分按蜗杆形状分按蜗杆形状分按蜗杆形状分圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动蜗杆传动的类型：蜗杆传动的类型：环面蜗杆传动环面蜗杆传动锥蜗杆传动锥蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动机械设计机械设计第四章第四章 蜗杆传动主要参数蜗杆传动主要参数蜗杆传动类型的选择：蜗杆传动类型的选择：1 1）载荷较小、精度较低、要求自锁、低速、不重要的场合）载荷较小、精度较低、要求自锁、低速、不重要的场合）载荷较小、精度较低、要求自锁、低速、不重要的场合）载荷较小、精度较低、要求自锁、低速、不重要的场合 可选阿基米德蜗杆传动可选阿基米德蜗杆传动可选阿基米德蜗杆传动可选阿基米德蜗杆传动2 2）载荷大、精度高、速度高的重要场合）载荷大、精度高、速度高的重要场合）载荷大、精度高、速度高的重要场合）载荷大、精度高、速度高的重要场合 可选圆弧圆柱蜗杆传动可选圆弧圆柱蜗杆传动可选圆弧圆柱蜗杆传动可选圆弧圆柱蜗杆传动3 3）精度较高、速度较大、蜗杆头数较多、加工工艺简单）精度较高、速度较大、蜗杆头数较多、加工工艺简单）精度较高、速度较大、蜗杆头数较多、加工工艺简单）精度较高、速度较大、蜗杆头数较多、加工工艺简单 可选渐开线、法向直廓蜗杆可选渐开线、法向直廓蜗杆可选渐开线、法向直廓蜗杆可选渐开线、法向直廓蜗杆4 4）要求传动效率高、蜗杆不磨削的大功率传动）要求传动效率高、蜗杆不磨削的大功率传动）要求传动效率高、蜗杆不磨削的大功率传动）要求传动效率高、蜗杆不磨削的大功率传动 可选环面蜗杆传动可选环面蜗杆传动可选环面蜗杆传动可选环面蜗杆传动本章主要讨论阿基米德蜗杆传动的设计本章主要讨论阿基米德蜗杆传动的设计机械设计机械设计4-2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算一、主要参数一、主要参数 模数模数 m 和压力角和压力角中间平面中间平面 包含蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面包含蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面蜗轮加工蜗轮加工 滚刀滚制，滚刀几何参数同相配蜗杆滚刀滚制，滚刀几何参数同相配蜗杆在中间平面内相当于齿条与齿轮的啮合在中间平面内相当于齿条与齿轮的啮合在中间平面内相当于齿条与齿轮的啮合在中间平面内相当于齿条与齿轮的啮合正确啮合条件：正确啮合条件：在中间平面内在中间平面内mx1=mt 2=mx1=t 2=20蜗杆轴面蜗杆轴面模数模数蜗轮端面蜗轮端面模数模数标准模数标准模数蜗杆轴面蜗杆轴面压力角压力角蜗轮端面蜗轮端面压力角压力角第四章第四章 蜗杆传动主要参数蜗杆传动主要参数对于蜗杆：中间平面是轴面对于蜗杆：中间平面是轴面对于蜗轮：中间平面是端面对于蜗轮：中间平面是端面机械设计机械设计 蜗杆导程角蜗杆导程角与蜗轮螺旋角与蜗轮螺旋角之关系之关系=90 时：时：=且旋向相同且旋向相同 蜗杆分度圆直径蜗杆分度圆直径 d1 及直径系数及直径系数 q d1 标准系列值标准系列值 限制蜗轮滚刀数量，便于刀具标准化限制蜗轮滚刀数量，便于刀具标准化 蜗杆直径系数：蜗杆直径系数：q =d1/m d1=m qq 与导程角与导程角之关系：之关系：第四章第四章 蜗杆传动主要参数蜗杆传动主要参数蜗杆导程蜗杆导程 pz蜗杆头数蜗杆头数轴向齿距轴向齿距px1 m 而而 d2=m z2 d1 1 1 机械设计机械设计小小大，走刀快大，走刀快大大根据根据 i 查表查表49 d2/d1 mz2/(mq)z2/qz1=1 6 蜗杆头数蜗杆头数 z1、蜗轮齿数、蜗轮齿数 z2 及传动比及传动比 ii=n1/n2=z2/z1=d2/d1?d d2 2/d d1 1 z1 少，则少，则小，效率低小，效率低重载时取重载时取 z1 1 要求自锁要求自锁 z1=1 z1 过多过多,则则大，制造困难大，制造困难z2=i z1=28 80常取常取 z2=32 63第四章第四章 蜗杆传动主要参数蜗杆传动主要参数n1起起吊吊装装置置要要求求反反行行程程自自锁锁机械设计机械设计 齿面间相对滑动速度齿面间相对滑动速度 vs由此可见，由此可见，vs v1、v2所以蜗杆传动摩擦损失大，所以蜗杆传动摩擦损失大，效率低。效率低。第四章第四章 蜗杆传动主要参数蜗杆传动主要参数v v1 1v v2 2v vs s机械设计机械设计啮合线的方啮合线的方向不会改变向不会改变CC圆圆柱柱齿齿轮轮传传动动蜗蜗杆杆传传动动二、蜗杆传动的变位二、蜗杆传动的变位目的：凑中心距目的：凑中心距 或或 凑传动比。凑传动比。特点：只对蜗轮进行变位，而蜗杆不变位。特点：只对蜗轮进行变位，而蜗杆不变位。蜗轮的分度圆仍与节圆重合，即蜗轮的分度圆仍与节圆重合，即d2d2=mz2；变位后变位后:若只改变中心距：若只改变中心距：（凑中心距）（凑中心距）蜗杆的分度圆与节圆分离，即蜗杆的分度圆与节圆分离，即d1d1。例：例：蜗轮变位蜗轮变位系数系数变位后的变位后的中心距中心距变位前的变位前的中心距中心距若只改变蜗轮齿数：若只改变蜗轮齿数：（凑传动比）（凑传动比）中心距不变中心距不变变位前的变位前的齿数齿数变位后的变位后的齿数齿数例：例：第四章第四章 蜗杆传动变位蜗杆传动变位几种变位情况几种变位情况x2可取可取11，故，故 z2 最多只能改变两个齿。最多只能改变两个齿。或或=mz2机械设计机械设计三、几何尺寸计算三、几何尺寸计算中心距中心距 a=(d1+d2)/2+x2m=m(q+z2)/2x2m 其他尺寸计算见表其他尺寸计算见表4-3和和4-4普通圆柱蜗杆传动与齿轮传动的区别：普通圆柱蜗杆传动与齿轮传动的区别：普通圆柱蜗杆传动与齿轮传动的区别：普通圆柱蜗杆传动与齿轮传动的区别：传动比传动比 i 齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动 i=d2/d1 i d2/d1 m、法面为标准值法面为标准值中间平面为标准值中间平面为标准值 1=2=,旋向相同旋向相同 d1 d1=mnz1/cosd1=mq,且为标准值且为标准值 第四章第四章 蜗杆传动几何尺寸计算蜗杆传动几何尺寸计算机械设计机械设计4-3 蜗杆传动的失效形式、材料及结构蜗杆传动的失效形式、材料及结构第四章第四章 蜗杆传动材料及结构蜗杆传动材料及结构一、失效形式及设计准则一、失效形式及设计准则齿面点蚀齿面点蚀 蜗轮材料为铸锡青铜时，蜗轮材料为铸锡青铜时，此种材料强度稍低此种材料强度稍低齿面胶合齿面胶合 蜗轮材料为铸铝青铜或铸铁时蜗轮材料为铸铝青铜或铸铁时齿面磨损齿面磨损 开式传动或润滑不良开式传动或润滑不良轮齿折断轮齿折断 蜗轮齿数过多或强烈冲击载荷蜗轮齿数过多或强烈冲击载荷由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上对于大多数闭式蜗杆传动，其承载能力主要取决于接触强度对于大多数闭式蜗杆传动，其承载能力主要取决于接触强度设计准则：设计准则：闭式蜗杆传动，按齿面接触疲劳强度设计，闭式蜗杆传动，按齿面接触疲劳强度设计，并进行热平衡计算；并进行热平衡计算；z2 80或强烈冲击载荷时校核弯曲强度或强烈冲击载荷时校核弯曲强度机械设计机械设计材料要求：减摩性好、耐摩、抗胶合、足够的强度材料要求：减摩性好、耐摩、抗胶合、足够的强度碳碳 钢钢 45钢钢 调质或淬火调质或淬火蜗蜗 杆杆合金钢合金钢 20Cr、20CrMnTi、40Cr铸锡青铜铸锡青铜 ZCuSn10P1 适合高速适合高速蜗蜗 轮轮铸铝青铜铸铝青铜 ZCuAl 9Fe3 中速重载中速重载灰铸铁灰铸铁 HT200 低速轻载低速轻载减摩性好减摩性好蜗杆结构蜗杆结构蜗轮结构蜗轮结构第四章第四章 蜗杆传动材料及结构蜗杆传动材料及结构渗碳淬火渗碳淬火表面淬火表面淬火二、蜗杆、蜗轮的材料及结构二、蜗杆、蜗轮的材料及结构机械设计机械设计第四章第四章 蜗杆传动材料及结构蜗杆传动材料及结构三、许用应力三、许用应力1 1、许用接触应力、许用接触应力、许用接触应力、许用接触应力 HPHP主要失效形式是点蚀主要失效形式是点蚀 蜗轮为铸锡青铜时蜗轮为铸锡青铜时寿命系数寿命系数 应力循环次数应力循环次数 主要失效形式是胶合主要失效形式是胶合 蜗轮为铝青铜或铸铁时蜗轮为铝青铜或铸铁时 与材料组合及与材料组合及 有关有关 应保证蜗轮的抗胶合能力应保证蜗轮的抗胶合能力 承载能力取决于承载能力取决于蜗轮的接触强度蜗轮的接触强度 基本许用应力基本许用应力基本许用应力基本许用应力机械设计机械设计第四章第四章 蜗杆传动材料及结构蜗杆传动材料及结构2 2、许用弯曲应力、许用弯曲应力、许用弯曲应力、许用弯曲应力 FPFP寿命系数寿命系数 若若N 25107，则取则取N 25107齿根弯曲齿根弯曲应力视为应力视为脉动循环脉动循环齿根弯曲齿根弯曲应力视为应力视为对称循环对称循环机械设计机械设计蜗轮的转动方向与蜗蜗轮的转动方向与蜗杆的轴向力方向相反杆的轴向力方向相反各力关系：各力关系：各力方向：各力方向：一、受力分析一、受力分析一、受力分析一、受力分析Ft、Fr 同斜齿轮同斜齿轮Fa用主动轮左、右用主动轮左、右手定则判断，通常，手定则判断，通常，蜗杆是主动轮。蜗杆是主动轮。各力大小：各力大小：第四章第四章 蜗杆传动受力分析蜗杆传动受力分析例例14-4 蜗杆传动的强度计算蜗杆传动的强度计算例例2机械设计机械设计1 1）强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）2 2）中间平面内相当于齿条与齿轮啮合，）中间平面内相当于齿条与齿轮啮合，）中间平面内相当于齿条与齿轮啮合，）中间平面内相当于齿条与齿轮啮合，蜗轮类似于斜齿轮蜗轮类似于斜齿轮蜗轮类似于斜齿轮蜗轮类似于斜齿轮计算载荷：计算载荷：则则 T2=i T1K T2=i K T1 K=1.01.3载荷平稳、载荷平稳、vs3m/s时时取小值取小值二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算特点：特点：因此，因此，蜗轮轮齿的强度计算与斜齿轮相似，蜗轮轮齿的强度计算与斜齿轮相似，其强度公式可仿照斜齿轮的计算方法推导其强度公式可仿照斜齿轮的计算方法推导第四章第四章 蜗杆传动受力分析蜗杆传动受力分析蜗杆传动蜗杆传动的效率的效率P1 蜗杆功率蜗杆功率P2 蜗轮功率蜗轮功率机械设计机械设计蜗轮齿面接触蜗轮齿面接触疲劳强度条件疲劳强度条件设计式设计式 说明：说明：计算蜗轮齿面强度，且效率低，故用蜗轮转矩，计算蜗轮齿面强度，且效率低，故用蜗轮转矩，计算蜗轮齿面强度，且效率低，故用蜗轮转矩，计算蜗轮齿面强度，且效率低，故用蜗轮转矩，T T2 2=i T i T1 1设计出设计出设计出设计出mm2 2d d1 1值后，查值后，查值后，查值后，查表表表表4 41 1选定标准的选定标准的选定标准的选定标准的 mm、d d1 1第四章第四章 蜗杆传动接触强度计算蜗杆传动接触强度计算ZE 弹性系数，青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆弹性系数，青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆 ZE 160为保证安全，表中查得的值应大于计算值为保证安全，表中查得的值应大于计算值为保证安全，表中查得的值应大于计算值为保证安全，表中查得的值应大于计算值如：计算值如：计算值 m2d14350；则查得；则查得 m2d15120；相应的相应的 m8、d1 80 机械设计机械设计(1)齿形系数齿形系数YFa按按 查表查表47；三、蜗轮轮齿弯曲疲劳强度计算三、蜗轮轮齿弯曲疲劳强度计算三、蜗轮轮齿弯曲疲劳强度计算三、蜗轮轮齿弯曲疲劳强度计算第四章第四章 蜗杆传动弯曲强度计算蜗杆传动弯曲强度计算借用斜齿轮弯曲强度公式、考虑蜗杆传动特点借用斜齿轮弯曲强度公式、考虑蜗杆传动特点借用斜齿轮弯曲强度公式、考虑蜗杆传动特点借用斜齿轮弯曲强度公式、考虑蜗杆传动特点 校核式：校核式：校核式：校核式：设计式：设计式：设计式：设计式：齿形系数齿形系数螺旋角系数螺旋角系数 注注注注 (2)螺旋角系数螺旋角系数(3)蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大得多，所以只是在受蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大得多，所以只是在受蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大得多，所以只是在受蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大得多，所以只是在受强烈冲击、强烈冲击、强烈冲击、强烈冲击、z z2 2 特多或开式传动中计算弯曲强度才有意义，特多或开式传动中计算弯曲强度才有意义，特多或开式传动中计算弯曲强度才有意义，特多或开式传动中计算弯曲强度才有意义，一般情况下，不用计算蜗轮的弯曲疲劳强度。一般情况下，不用计算蜗轮的弯曲疲劳强度。机械设计机械设计4-5 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算一、效率一、效率=1 2 3 与齿轮传动相同：与齿轮传动相同：与齿轮传动相同：与齿轮传动相同：啮合效率类似于螺旋副啮合效率类似于螺旋副啮合效率类似于螺旋副啮合效率类似于螺旋副230.950.97故：故：故：故：当量摩擦系数当量摩擦系数第四章第四章 蜗杆传动效率计算蜗杆传动效率计算提高效率的途径：提高效率的途径：提高效率的途径：提高效率的途径：蜗杆制造困难蜗杆制造困难 故故采用减摩性好的材料，如青铜；采用减摩性好的材料，如青铜；保证良好的润滑状态，保证良好的润滑状态，vs 较大时啮合齿面间易于形成油膜。较大时啮合齿面间易于形成油膜。自锁条件：自锁条件：自锁条件：自锁条件：轴承效率轴承效率轴承效率轴承效率搅油效率搅油效率搅油效率搅油效率啮合效率啮合效率啮合效率啮合效率当量摩擦角当量摩擦角（表（表48）机械设计机械设计设计之初，设计之初，未知未知z1=1 时，时，=0.70.75 z1=2 时，时，=0.750.82 z1=3 时，时，=0.820.87 自锁蜗杆，自锁蜗杆，4 m/s时蜗杆上置时蜗杆上置有利于润滑有利于润滑 避免过大的搅油损失避免过大的搅油损失 三、蜗杆传动的热平衡计算三、蜗杆传动的热平衡计算对象对象 连续工作的闭式蜗杆传动连续工作的闭式蜗杆传动连续工作的闭式蜗杆传动连续工作的闭式蜗杆传动t1油温油温时间时间t1 热平衡时的油温热平衡时的油温目的目的 控制油温，防止胶合失效控制油温，防止胶合失效控制油温，防止胶合失效控制油温，防止胶合失效应使应使 t1 许用油温许用油温第四章第四章 蜗杆传动润滑蜗杆传动润滑机械设计机械设计通风不好通风不好 Kt=8.710.5H1=P1 P2单位时间内的发热量：单位时间内的发热量：单位时间内的散热量：单位时间内的散热量：H2=Kt A（t1 t 0）=Kt A t WKt 散热系数，散热系数，W/(m2.)自然方式冷却时：自然方式冷却时：A 箱体散热面积箱体散热面积 箱体暴露在空气中的部分箱体暴露在空气中的部分 近似计算：近似计算：蜗杆传动蜗杆传动中心距中心距 t 0 环境温度环境温度 常取常取 t 0=20 t 温温 升升 第四章第四章 蜗杆传动热平衡计算蜗杆传动热平衡计算=P1 P1(kW)=1000P1（1 ）W通风良好通风良好 Kt=1417.5热平衡时，单位时间内：发热量热平衡时，单位时间内：发热量=散热量散热量机械设计机械设计热平衡时：热平衡时：1000P1（1-）=Kt A（t1 t 0）则热平衡计算式：则热平衡计算式：若若 t1 tp，则采取措施提高散热能力：则采取措施提高散热能力：在箱壳外表面加铸散热片在箱壳外表面加铸散热片在箱壳外表面加铸散热片在箱壳外表面加铸散热片蜗杆轴端装风扇加速空气流通蜗杆轴端装风扇加速空气流通蜗杆轴端装风扇加速空气流通蜗杆轴端装风扇加速空气流通同时沿气流方向配置散热片同时沿气流方向配置散热片同时沿气流方向配置散热片同时沿气流方向配置散热片箱体油池内放置蛇形冷却水管箱体油池内放置蛇形冷却水管箱体油池内放置蛇形冷却水管箱体油池内放置蛇形冷却水管喷油润滑循环冷却喷油润滑循环冷却喷油润滑循环冷却喷油润滑循环冷却自自然然通通风风时时竖竖直直布布置置第四章第四章 蜗杆传动热平衡计算蜗杆传动热平衡计算增加散热面积增加散热面积增加散热面积增加散热面积 A A，按，按，按，按5050计算计算计算计算增大散热系数增大散热系数增大散热系数增大散热系数 Kt t 2028 2028 许用油温许用油温机械设计机械设计第四章第四章 蜗杆传动小结蜗杆传动小结本本本本 章章章章 小小小小 结结结结 蜗杆传动的主要参数及其选择蜗杆传动的主要参数及其选择主要讨论普通圆柱蜗杆传动；与斜齿圆柱齿轮传动主要讨论普通圆柱蜗杆传动；与斜齿圆柱齿轮传动的区别和联系；蜗杆分度圆直径为标准值，蜗杆、的区别和联系；蜗杆分度圆直径为标准值，蜗杆、蜗轮螺旋角旋向相同但大小不等；蜗杆头数与传动蜗轮螺旋角旋向相同但大小不等；蜗杆头数与传动效率的关系；效率的关系；变位的目的变位的目的?材料、失效形式材料、失效形式为减小摩擦磨损，钢蜗杆与青铜蜗轮配对；为减小摩擦磨损，钢蜗杆与青铜蜗轮配对；失效主要发生在蜗轮上失效主要发生在蜗轮上 受力分析受力分析各分力的对应关系及方向的判断，与斜齿圆柱齿轮各分力的对应关系及方向的判断，与斜齿圆柱齿轮的区别；蜗轮或蜗杆转动方向的判断的区别；蜗轮或蜗杆转动方向的判断机械设计机械设计第四章第四章 蜗杆传动小结蜗杆传动小结 强度条件强度条件强度计算针对蜗轮轮齿；强度计算针对蜗轮轮齿；热平衡计算热平衡计算蜗杆传动效率低，发热量大，容易产生胶合，故要蜗杆传动效率低，发热量大，容易产生胶合，故要控制热平衡时的油温；控制热平衡时的油温；在中间平面上蜗杆传动类似于齿条齿轮传动，故强在中间平面上蜗杆传动类似于齿条齿轮传动，故强度计算公式按斜齿轮推导；度计算公式按斜齿轮推导；一般不用校核齿根弯曲强度一般不用校核齿根弯曲强度油温过高应采取相应措施油温过高应采取相应措施机械设计机械设计作业：作业：41、45说明：说明：45 题不要求自锁题不要求自锁