第8章、蜗杆传动.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械工程学院机械设计系,2026年4月8日,第,8,章 蜗杆传动,第,11,章 蜗杆传动,8-1,蜗杆传动的特点,8-2,普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,8-4,普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,8-3,蜗杆传动的失效形式和材料选择,8-5,普通圆柱蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,8-6,蜗杆、蜗轮的结构设计,一工作特点,1,传动比大，结构紧凑（,i=580,最大,i=1000,）,2,传动平稳，噪音小,3,反行程易自锁：,v,4,效率低，发热量大，选减摩材料,二蜗杆传动类型,2,环面蜗杆传动,1,圆柱蜗杆传动,（,1,）普通圆柱蜗杆传动,（,2,）圆弧圆柱蜗杆传动,(ZC),8-1,蜗杆传动的特点,主要是刀具的,加工时的位置、装夹角度、刀具形状、刀具的种类等不同而形成了不同类型的蜗杆传动。,3,锥蜗杆传动（略）,a,阿基米德蜗杆,(ZA),最常用,蜗杆齿廓,横截面：阿基米德螺旋线,纵截面：直齿齿条,蜗轮齿廓,中间截面：渐开线,中间平面，蜗杆传动 如同直齿,齿条与渐开线齿轮,啮合,（,1,）普通圆柱蜗杆传动,1,圆柱蜗杆传动,结论,b,法向直廓蜗杆,(ZN),蜗杆齿廓,横截面：延伸渐开线,法截面：直廓,N,c,渐开线蜗杆,(ZI),蜗杆齿廓：横截面：渐开线,=8,o,45,o,d,锥面包络圆柱蜗杆,(ZK),是一种非线性螺旋齿面蜗杆。不能在车床上加工，只能在铣削或磨削，加工时工件作螺旋运动，刀具作旋转运动。,（,2,）圆弧圆柱蜗杆传动,(ZC),中间平面中,蜗杆齿廓：凹圆弧,蜗轮齿廓：凸圆弧,2,环面蜗杆传动,中间平面中：,蜗杆、蜗轮为直线齿廓,环面蜗杆传动特点：,1,）,传动效率高，一般可达,8590%,；,2,）,承载能力高，约为,阿基米德蜗杆,的,24,倍；,3,）,要求制造和安装精度高。,2,、环面蜗杆传动,锥蜗杆,锥蜗杆传动中，蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋形成的，而蜗轮在外观上就像一个曲线锥齿轮，它是用与锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机加工而成的。,3,、锥蜗杆传动,一主要参数,1,模数,m,和压力角,：,m,a,1,=m,t2,=m,(,标准值,),a1,=,t2,=,(,标准值,20,o,),8-2,普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,2,蜗杆分度圆直径,d,1,和,直径系数,q,d,1,=m q,直径系数,模数,分度圆直径,注意：,d,1,m z,1,3,蜗杆导程角,引入直径系数,q,的目的？,限制滚刀数目及便于滚刀的标准化。,问题,分析,：,z,1,(q),旋向相同：蜗杆左,(,右,),蜗轮 左,(,右,),=,4,蜗杆头数,z,1,和蜗轮齿数,z,2,z,1,少,i,增加,z,1,多,增加,加工困难,一般,z,1,=1,2,4,6,z,2,少 产生根切 ,z2,17,传动平稳性不佳,z,2,28,z,2,多,d,2,(=m z,2,),增加 蜗杆跨距增加,刚度降低,z,2,80,28 z,2,80,分析,1,分析,2,d,2,大,d,2,小,5,传动比,i,和齿数比,u,蜗杆主动,蜗轮主动,注意,6,中心距,a,7,变位系数,x,变位目的,配凑中心距,配凑传动比,提高传动能力或效率,变位特点,蜗杆尺寸不变，只对蜗轮变位,原因,避免滚刀尺寸变化,注意,变位后蜗轮的分度圆与节圆仍旧重合,d2=d,2,=m*z,2,或,d2=d,2,=m*z,2,，,但蜗杆在中间平面上的节线有所改变，不再与分度线重合,d,1,=m*,（,q+2x,2,）（及当,x,2,0,时,d,1,d,1,）,。,(,1),若凑中心距,：变位前后齿数不变，即,(2),若凑传动比,：变位前后中心距不变，即,二几何尺寸计算,(,见课本,p254,表,8-3,）,具体见,P242,表,8-2,蜗杆基本参数及蜗轮参数匹配,一失效形式和设计准则,失效形式,：,齿面点蚀，轮齿折断，齿面胶合，齿面磨损,滑动速度,v,s,8-3,蜗杆传动的失效形式和材料选择,设计准则,开式,闭式,热平衡计算,（由于闭式蜗杆传动散热较难，温度升高，易,导致 胶合）,蜗杆轴刚度计算,（由于蜗杆受力变形，影响轮齿正确啮合）,由于蜗杆与蜗轮间有较大的相对滑动，滑动速度较大，,润滑、散热不良时,，,温升较高，从而增加了胶合与磨损的可能性，蜗杆传动的承载能力往往受到抗胶合能力的限制。要进行,热平衡计算,。,但,充分润滑时,：有利于油膜的形成，滑动速度越大，摩擦系数越小，提高了传动效率。,二材料选择,对材料的要求,：足够强度，良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性,蜗杆,碳钢 如：,40 45,合金钢如：,40Cr,20Cr,20CrMnTi,蜗轮,较软（多选青铜）进行时效处理,v,s,3m/s,重要场合：铸锡青铜如：,ZCuSn10P1,ZCuSn5Pb5Zn5,v,s,4m/s,较重要场合：铝铁青铜如：,ZCuAl10Fe3,v,s,2m/s,一般场合：灰铸铁 如：,HT200,对,蜗杆,要进行必要的合理的,热处理,措施，以提高其耐磨性及抗胶合的能力。,由于蜗杆轮齿的强度高于蜗轮轮齿的强度，失效经常发生在蜗轮轮齿上，一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算。,一受力分析（不计入摩擦力）,8-4,普通圆柱蜗杆传动承载能力计算,潘存云教授研制,四、,圆柱蜗杆传动的受力分析,F,t2,F,r2,F,a2,F,t1,F,r1,F,a1,2,法向力可分解为三个分力：,圆周力：,F,t,轴向力：,F,a,径向力：,F,r,且有如下关系：,F,t1,=F,a2,F,r1,=F,r2,F,a1,=F,t2,=2T,1,/,d,1,=2T,2,/,d,2,=F,t2,tg,式中：,T,1,、,T,1,分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩。,T,2,=T,1,i,1,判断轴向力时：左右手法则只适用于,主动件。,判断蜗轮转向时，先判断蜗杆的轴向力,F,a1,，然后确定蜗轮的圆周力,F,t2,，,F,a1,=,F,t2,，,蜗轮转向与,F,t2,方向相同。,F,t,F,r,同直齿轮,Fa,主动轮,F,a1,左右手法则,从动轮,F,a2,2,力的方向,注意,作用力与反作用力的关系：,已知：,蜗杆右旋及转向,1,，蜗杆主动,要求：,确定蜗轮旋向，转向及各分力方向,例题,1,2,Fr,1,Fr,2,Fa,1,Ft,2,Ft,1,Fa,2,1,Ft,1,Fa,2,二、,圆柱蜗杆传动的强度计算,齿面接触强度校核公式：,由上式可得设计公式：,式中,K,为载荷系数，取：,K,=,K,A,K,v,K,蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，仍以赫兹公式为基础。以蜗轮蜗杆的节点处啮合相应参数代入即可。,赫兹公式,:,H,-,许用接触应力按下表选取。,1,）接触强度,使用系数,K,A,工作类型,I II III,载荷性质 均匀、无冲击 不均匀、小冲击 不均匀、大冲击,每小时启动次数,50,起动载荷 小 较 大 大,K,A,1 1.15 1.2,动载系数,K,v,，当,V,2,3 m/s,K,v,=1,1.1,当,V,2,3 m/s,K,v,=1.1,1.2,齿向载荷分布系数,K,，当载荷平稳时,取,K,=1,当载荷变化时,取,K,1.1,1.3,潘存云教授研制,2,）蜗轮齿根弯曲强度 计算,校核计算：,设计公式：,F,-,许用弯曲应力；,蜗轮的许用弯曲应力,F,蜗轮材料 铸造方法,铸锡青铜 砂铸模型,40 29,ZCuSn10P1,金属模铸造,56 40,铸锡锌青铜 砂铸模型,26 22,ZCuSn5Pb5Zn5,金属模铸造,32 26,铸铝铁青铜 砂铸模型,80 57,ZCuAl10Fe3,金属模铸造,90 64,HT150,砂铸模型,40 28,HT200,砂模铸造,48 34,灰铸铁,单侧工作 双侧工作,0F,-1F,2,）蜗轮齿根弯曲强度 计算,校核计算：,设计公式：,Y,Fa2,-,为蜗轮齿形系数，按当量齿数以及蜗轮,变位系数选取,详见下页线图。,Y,-,为螺旋角影响系数，,Y,=1-,/140,F,-,许用弯曲应力；,潘存云教授研制,潘存云教授研制,3.7,3.6,3.5,3.4,3.3,3.2,3.1,3.0,2.9,2.8,2.7,2.6,2.5,2.4,2.3,2.2,2.1,2.0,1.9,1.8,1.7,3.7,3.6,3.5,3.4,3.3,3.2,3.1,3.0,2.9,2.8,2.7,2.6,2.5,2.4,2.3,2.2,2.1,2.0,1.9,1.8,1.7,10 11 12 13 14 15 16 18 20 25 30 40 50 80 100 400,Z,v,蜗轮的齿形系数,Y,Fa2,x,2,=,-,0.5,-0.3,-0.2,0.3,0.2,0.1,0.4,0.5,0.7,0.8,0.9,0.6,-,0.3,-,0.4,x=1,x,2,=0,理论根切极限,齿顶变尖极限,为什么蜗杆传动的强度计算仅对蜗轮进行？,三蜗杆刚度计算（略）,问题,一、,蜗杆传动的效率,功率损耗：,啮合损耗、轴承摩擦损耗、搅油损耗。,=,（,0.950.96,）,tg(,+,v,),tg,蜗杆主动时，总效率计算公式为：,式中,:,为蜗杆导程角,;,v,称为当量摩擦角，,v,=arctg,f,v,f,v,为当量摩擦系数，,8-5,蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,Z,1,效率与蜗杆头数的大致关系为：,蜗杆头数,Z,1,总 效 率,0.70,0.80,0.90,0.95,tg,1,=,Z,1,/q,v,，,f,v,取值见下页表,潘存云教授研制,3.00 0.028 1,36 0.035 2,0.045 2,35,4.00 0.024 1,22 0.031 1,47 0.04 2,17,5.00 0.022 1,16,0.029 1,40,0.035 2,8.00 0.018 1,02,0.026 1,29,0.03 1,43,10.0 0.016 0,55,0.024 1,22,15.0 0.014 0,48,0.020 1,09,24.0 0.013 0,45,当量摩擦系数和当量摩擦角,蜗轮材料 锡青铜 无锡青铜 灰铸铁,蜗杆齿面硬度,HRC45,其他情况,HRC45 HRC45,其他,滑动速度,f,v,v,f,v,v,f,v,v,f,v,v,f,v,v,0.01 0.11 6,17 0.12 6,51 0.18 10,12 0.18 10,12 0.19 10,45,0.10 0.08 4,34,0.09 5,43 0.13 7,24,0.14 7,58 0.16 9,05,0.50 0.055 3,09,0.065 3,43,0.09 5,09,0.09 5,09 0.1 5,43,1.00 0.045 2,35,0.055 3,09,0.07 4,0.07 4,0.09 5,09,2.00 0.035 2,0.045 2,35,0.055 3,09,0.07 4,v,s,m/s,为什么随,V,s,增加,v,下降,?,（,V,s,增加，油带入多）,问题,蜗杆加工困难,过大,当,28,时，效率,增加很少。,当,v,时，蜗杆具有自锁性，但效率,很低。,510 1015 1525 25,载荷类型 重 重 中 （不限）（不限）（不限）（不限）,900 500 350 220 150 100 80,运动粘度,v/cSt,（,40,）,蜗杆传动的相对滑动速度,v,s,/(m/s),给油方法 油池润滑,喷油润滑,或,油池润滑,喷油压力,MPa,0.7 2 3,表,8-21,蜗杆传动的润滑油粘度荐用值及给油方法,当,v,s,510,m/s,时，采用油池浸油润滑。为了减少搅油损失，下置式蜗杆不宜浸油过深，约为一个齿高。,当,v,s,1015 m/s,时，采用压力喷油润滑。,当,v,1,4 m/s,时，采用蜗杆在上的结构。,r,a,/3,一个齿高,三、,蜗杆传动的热平衡计算,由于蜗杆传动效率低，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。因此，对连续工作的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算,由热平衡条件：,H,1,=H,2,得：,t,a,=,t,a,+,d,S,1000P,1,(1-),其中：,P,1,-,蜗杆传递的功率；,d,-,表面散热系数；一般取：,d,=8.1517.45 W/(m,2,),S,-,散热面积,m,2,指箱体外壁与空气接触而内壁被油飞溅到的箱壳面积。对于箱体上的散热片，其散热面积按,50%,计算。,摩擦损耗产生的热量,:,H,1,=1000P,1,(1-),箱璧散发的热量,:,H,2,=,d,S(t,0,-t,a,),-,蜗杆传递的效率；,t,0,-,工作油温，一般取：,6070,t,a,-,工作环境温度，一般取：,20,保持工作温度所需散热面积：,S,=m,2,d,(,t,0,-,t,a,),1000P,1,(1-),潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,当工作油温：,t,0,80,或散热面积不足时，应采取散热措施：,1,）增加散热面积,-,加散热片；,2,）提高表面传热系数,-,加风扇、冷却水管、循环油冷却。,油泵,冷却器,冷却水,一蜗杆：整体式（可车可铣）,二蜗轮,齿圈式：,青铜齿圈与铸铁轮芯配合,H7/r6,而成，加装紧定螺钉,用于尺寸不太大，工作温度变化较小的场合,螺栓联接式：,用于尺寸较大或容易磨损的蜗轮，,可用普通螺栓也可用铰制孔用螺栓进行联接,整体绕铸式：,主要用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮,拼铸式：,在铸铁轮芯上加铸青铜齿圈，然后切齿，,只用于成批制造的蜗轮,8-6,蜗杆、蜗轮的结构设计,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,蜗轮齿宽角,90130,轮圈厚度,C 1.6m+1.5 mm,轮缘宽度,B 0.75d,a,0.67 d,a,蜗轮顶圆直径,d,e2,d,a2,+2m,d,a2,+1.5m,d,a2,+2m,蜗杆头数,Z,1,1 2 4,蜗轮的常用结构：,整体式,组合式,过盈配合,d,e2,d,e2,d,e2,d,e2,B,B,B,B,c,c,c,组合式,螺栓联接,组合式铸造,骑缝螺钉,48,个，孔心向硬边偏移,=23mm,本章结束,谢,谢,大,家,！,谢,谢,大,家,！,