学习情境7蜗杆传动.doc

机械设计基础教案
学习情境7 蜗杆传动
主讲教师
吴明清
指导教师

授课日期

授课班级
12模具
学习情境
任务9设计机床中的蜗杆传动
学时
4
能力目标
设计蜗杆传动的能力
训练项目
掌握蜗杆、涡轮的材料及参数的选择；蜗杆的强度计算
知识点
设计蜗杆参数的步骤和方法
教学重点与难点
设计蜗杆参数的步骤和方法
教学方法
任务驱动教学与典型案例讲解相结合
教学准备
课件，黑板，多媒体设备等。
检测与评价
教师评价与学生自评与互评相结合；职业能力(占70%)、职业素质(30%)；评价成绩采用百分制。
教案设计
教学过程
教学内容
课前组织
（5min）
1． 清点学生人数；
2． 检查授课环境；
3． 链接多媒体课件。
任务导入
（5min）
蜗杆传动机构由蜗轮和蜗杆组成，如图8-1所示，用于传递空间两交错轴之间的运动和动力，通常是两轴在空间相互垂直，轴交错角Σ =90°，一般蜗杆为主动件，作减速运动。根据已知条件设计蜗杆。

图8-1 蜗杆传动

资讯
（45min）
1.蜗杆传动的类型
⑴按蜗杆的外形不同，蜗杆传动可分为圆柱面蜗杆传动、如图8-2(a)所示，圆弧面蜗杆传动、如图8-2(b)所示，锥面蜗杆传动，如图8-2(c)所示；圆弧面蜗杆和锥面蜗杆的制造较困难，安装要求较高，故不如圆柱蜗杆应用广泛。
⑵按螺旋面形状的不同，圆柱面蜗杆又可分为阿基米德蜗杆（ZA型，图8-3）和渐开线蜗杆（ZI型，图8-4）等。渐开线蜗杆端面齿廓为渐开线，加工时刀具的切削刃与基圆相切，两把刀分别车出左右螺旋面。阿基米德蜗杆端面齿廓是阿基米德螺旋线，轴向齿廓是直线，加工方法与加工普通梯形螺纹相似，刀刃的顶平面通过蜗杆轴线，车削容易，测量方便，应用最广，但难以磨削，不易得到较高精度。本任务仅介绍应用最广的阿基米德圆柱蜗杆传动。
2.蜗杆传动的正确啮合条件
如图8-5所示，通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面，称为中间平面。在中间平面上，蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。因此，设计蜗杆传动时，其参数和尺寸均在中间平面内确定，并沿用渐开线圆柱齿轮传动的计算公式。
沿用渐开线圆柱齿轮传动的计算公式，从而可得蜗杆传动的正确啮合条件为：
⑴在中间平面内，蜗杆的轴向模数ma1与蜗轮的端面模数mt2必须相等。
⑵蜗杆的轴向压力角aa1与蜗轮的端面压力角at2必须相等。
⑶两轴线交错角为90°时，蜗杆分度圆柱上的导程角g应等于蜗轮分度圆柱上的螺旋角b，且两者的旋向相同。
3.普通圆柱蜗杆传动的主要参数
⑴模数m和压力角a
为了方便加工，规定蜗杆的轴向模数为标准模数。蜗轮的端面模数等于蜗杆的轴向模数，因此蜗轮端面模数也应为标准模数。
计划与决策
（5min）

1、选出蜗杆涡轮的材料和精度等级
2、选出涡轮的结构；
3、选择蜗杆涡轮的参数
4、进行齿面接触疲劳强度的计算。
5、结构设计
6、写出计算说明书
实施
（65min）

2.1失效形式
和齿轮传动一样，蜗杆传动的失效形式主要有：胶合、磨损、疲劳点蚀和轮齿折断等。由于蜗杆传动啮合面间的相对滑动速度较大，效率低，发热量大，再加上有时润滑和散热不良，胶合和磨损为最主要的失效形式。
2.2蜗杆传动的计算准则
目前对胶合与磨损的计算还缺乏适当的方法和数据，因而通常只是仿照圆柱齿轮进行齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的条件性计算，并在选取许用应力时，适当考虑胶合和磨损失效因素的影响。实践证明，在一般情况下蜗轮轮齿因弯曲疲劳强度不足而失效的情况较少，一般可不考虑弯曲强度的计算，只有在动力传动中并且是蜗轮齿数很多(如z2＞80)或开式传动才需要考虑弯曲强度的计算，需要计算时可参阅有关书籍。对于闭式传动，通常进行蜗轮齿面接触强度计算。
2.3蜗杆传动的材料
由蜗杆传动的失效形式可知，蜗杆、蜗轮的材料不仅要求具有足够的强度，更重要的是应有良好的减摩性、耐磨性和抗胶合能力。为此常采用青铜做蜗轮齿圈与淬硬磨削的钢制蜗杆相配。
蜗杆一般用碳钢或合金钢制造，要求表面粗糙度值小并具有较高的硬度。蜗杆常用材料如表8-4所示。
2.4蜗杆与蜗轮结构
由于蜗杆的直径较小，通常和轴做成一个整体，如图8-6所示。螺旋部分常用车削加工，也可用铣削加工。车削加工时需有退刀槽，因此刚性较差。蜗轮的结构可做成整体式或组合式。

图8-6 蜗杆轴
⑴整体式蜗轮
整体式蜗轮主要用于铸铁蜗轮或直径小于100mm的青铜蜗轮，如图8-7(a)所示。
⑵组合式蜗轮
为了节约贵重金属，直径较大的蜗轮常采用组合式结构，齿圈用青铜材料制造，而轮芯用铸铁或铸钢制造。其组合形式有以下三种:
①齿圈压配式 如图8-7(b)所示，它是将齿圈紧套在轮芯上，两者采用H7/r6的过盈配合。为增加联接的可靠性，通常在接缝处加装4～6个直径为（1.2～1.5）m的紧定螺钉，m为蜗轮模数。为了便于钻孔，应将螺孔中心线向材料较硬的一边偏移2～3mm。这种结构用于尺寸不太大而且工作温度变化较小的场合。
②螺栓联接式 如图8-7(c)所示，齿圈与轮芯用普通螺栓或铰制孔螺栓联接，由于装拆方便，常用于尺寸较大或磨损后需更换蜗轮齿圈的场合。
③镶铸式蜗轮 如图8-7(d)所示,将青铜轮缘铸在铸铁轮芯上，轮芯上制出榫槽，以防轴向滑动。仅用于成批生产的蜗轮。de2de2

（a） （b） （c） （d）
图8-7 蜗轮结构

2.5蜗杆传动的受力分析
在进行受力分析时，与斜齿轮传动一样，首先要分清主动件和从动件(一般蜗杆主动)螺旋线是右旋还是左旋(一般为右旋)，旋转方向是顺时针还是逆时针。
如图8-8所示，为右旋蜗杆逆时针方向转动时的蜗轮蜗杆传动的受力情况。作用在工作面节点C处的法向力Fn1，可分解为三个相互垂直的分力:圆周力Ft1、径向力Fr1和轴向力Fa1 。由于蜗杆和蜗轮的轴线相互垂直交错，根据力的作用原理，可得：

（8-3）

Fa2与Ft1大小相等方向相反；Fa1与Ft2大小相等方向相反；Fr1与Fr2大小相等方向相反。若令cos αn ≈cos α 则
（8-4）
式中, T1、T2—蜗杆及蜗轮上的工作转矩(T2 = T1 i η)（N·mm）；
d1、d2—蜗杆及蜗轮的分度圆直径（mm）；
αn 、α —蜗杆法面压力角及标准压力角，αn≈α =20º；
γ—蜗杆分度圆柱导程角；
i—传动比；
η—蜗杆传动的效率。
在进行蜗轮蜗杆传动受力分析时，应特别注意其受力方向的判定。一般先确定蜗杆受力的方向。因蜗杆是主动件，故其所受的圆周力Ft1的方向总是与它的旋转方向相反；径向力Fr1的方向总是沿半径指向轴心；轴向力Fa1的方向，分析方法同斜齿圆柱齿轮传动，用主动蜗杆左(右)手法则判定。蜗轮所受的三个力的方向，可由图8-8所示关系确定。

2.6蜗轮蜗杆传动的计算载荷
与齿轮传动相似，在作强度计算时也应考虑载荷系数K，则计算法向力Fnc为
（8-5）
一般取K=l～1.4，当载荷平稳，滑动速度vs≤3m/s时取小值，否则取大值。
在设计时，若已知蜗杆所需传递的功率P1(kw)及转速n1(r/min)，则蜗轮
的名义转矩为 （8-6）
式中，T2—蜗轮上的工作转矩(N·m)；
η—蜗杆传动的效率；
P2—蜗轮传递的功率(kw)；
n2—蜗轮转速n2 = n1/i (r/min)；
i—传动比。
上式中引入载荷系数K，则名义转矩变成计算转矩。
2.7蜗轮齿面接触强度计算
如前所述，圆柱蜗杆传动可以近似看作齿条与斜齿轮传动，故蜗轮齿面接触强度计算的原则也和斜齿轮相似，也是以节点啮合处的相应参数代入赫兹公式，并作一些假定(如一般γ =5º～25º，取中间值，α =20º等)，代入蜗杆传动的有关参数，引入载荷系数K，对于青铜蜗轮或铸铁蜗轮与钢蜗杆配对时，得蜗轮齿面接触强度的校核公式为
（8-7）
而设计公式为
（8-8）
式中, T2—蜗轮上的工作转矩（N·mm）；
[σH] —蜗轮材料的许用接触应力（MPa），见表8-6。
按式(8-8)算出 m2d1 值后，可按表8-1确定相应的 m 和 d1 后选取标准值。最后按表8-2计算出蜗杆和蜗轮的主要尺寸和中心距等。
2.4蜗杆传动的润滑
为了提高蜗杆传动的效率，降低齿面工作温度，避免胶合和减少磨损，对蜗杆传动进行润滑显得十分重要。通常采用粘度较大的润滑油，以防止金属直接接触，有利于形成动压油膜，从而减小磨损、缓和冲击，使传动平稳，提高传动效率和蜗杆传动的寿命。
润滑油粘度和给油方法，一般根据蜗轮蜗杆的相对滑动速度及载荷类型来选择。对闭式蜗杆传动，可参考表8-7来选取。
对闭式蜗杆传动采用油池润滑时，在搅油损失不致过大的情况下，应使油池保持适当的油量，以利于蜗杆传动的散热。一般情况下，上置式蜗杆传动的浸油深度约为蜗轮外径的1/3，下置式蜗杆传动的浸油深度为蜗杆的一个齿高。

检查与评价
（15min）
评价有教师评价与学生自评与互评相结合。
评定形式
比例
评定内容
评定标准
得分
自我评定
20%
1.学习工作态度 5分
2.完成任务情况 5分
3.出勤情况 5分
4.独立工作能力 5分
积极【5】；一般【3】；不积极【0】
全部【5】；一半【3】；没有【1】
全勤【5】；缺两次【3】；30%【0】
强【5】；一般【3】；不强【1】

小组评定
30%
1.学习工作责任意识 5分
2.收集材料、调研能力 5分
3.汇报、交流、沟通能力 10分
4.团队协作精神 10分
强【5】；一般【3】；不强【0】
强【5】；一般【3】；不强【1】
强【10】；一般【6】；不强【2】
强【10】；一般【6】；不强【2】

教师评定
50%
1.集体学习工作过程状态 10分
2.计划制定、执行情况 10分
3.任务完成情况 15分
4.项目学习、实训报告 15分
积极【10】；一般【6】；较差【2】
好【10】；一般【6】；较差【2】
好【15】；一般【10】；较差【5】
【0】-【15】