蜗轮和蜗杆设计详解.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,11.1,蜗杆传动的类型和特点,11.2,蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,11.3,蜗杆传动的失效形式和计算,11.4,蜗杆传动的材料和结构,11.5,蜗杆传动的强度计算,11.6,蜗杆传动的效率、润滑及热平衡,11.7,普通圆柱蜗杆传动的精度等级,11.8,常用各类齿轮传动的选择,第,11,章 祥解蜗轮蜗杆传动设计,11.1,蜗杆传动的类型和特点,其齿面一般是在车床上用直线刀刃的,车刀切制而成，车刀安装位置不同，,加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同。,阿基米德蜗杆渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆锥面包络圆柱蜗杆,圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,其蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形,的车刀切制而成的。,其蜗杆体在轴向的外形是以凹弧面为母线所形成的旋转曲面，这种蜗杆同时啮合齿数多，传动平稳；齿面利于润滑油膜形成，传动效率较高；,11.1.1,蜗杆传动的类型,同时啮合齿数多，重合度大；传动比范围大,(10360),；承载能力和效率较高；可节约有色金属。,11.1,蜗杆传动的类型和特点,11.1.2,蜗轮传动的特点,蜗杆传动的最大特点是结构紧凑、传动比大。,传动平稳、噪声小。,可制成具有自锁性的蜗杆。,蜗杆传动的主要缺点是效率较低。,蜗轮的造价较高。,11.2,蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,垂直于蜗轮轴线且通过蜗杆轴线的平面，称为中间平面。在中间平面内蜗杆与蜗轮的啮合就相当于渐开线齿条与齿轮的啮合。在蜗杆传动的设计计算中，均以中间平面上的基本参数和几何尺寸为基准。,11.2,蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,11.2.1,蜗杆传动的主要参数及其选择,1.,蜗杆的头数,z,1,、,蜗轮齿数,z,2,和传动比,i,较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效,率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通,常蜗杆头数取为,1,、,2,、,4,、,6,。,蜗轮齿数主要取决于传动比，即,z,2,=,i,z,1,。,z,2,不宜太小如,z,2,26),，否则将使传动平稳性变差。,z,2,也不宜太大，否则在模数一定时，蜗轮直径将增大，从而使相啮合的蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的弯曲刚度。,传动比,i,11.2,蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,2.,模数,m,和压力角,a,蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴面模数、压力角应与蜗轮的端面模数、,压力角相等，即,m,a1,=,m,t2,=,m,a,a1,=,a,t2,=20,0,3.,导程角,l,在,m,和,d,1,为标准值时，,z,1,l,正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且,l,b,11.2,蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,4.,蜗杆分度圆直径,d,1,和蜗杆直径系数,q,由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，为了限制,滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆,直径,d,1,。,直径,d,1,与模数,m,的比值称为蜗杆的直径系数。,当模数,m,一定时，,q,值增大则蜗杆直径,d,1,增大，蜗杆的刚度提高。因此，对于小模数蜗杆，规定了较大的,q,值，以保证蜗杆有足够的刚度。,11.2,蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,5.,中心距,11.2,蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,11.2.2,蜗杆传动的几何尺寸计算,标准中心距,径向间隙,蜗轮螺旋角,蜗杆导程角,齿根圆直径,齿顶圆直径,齿根高,齿顶高,分度圆直径,蜗轮,蜗杆,计算公式,符号,名称,11.3,蜗杆传动的失效形式和计算准则,11.3.1,蜗杆传动的失效形式,1.,齿面见相对滑动速度,v,；,蜗杆传动的主要问题是摩擦磨损严重，这是设计中要解决的主要问题。,蜗轮磨损、系统过热、蜗杆刚度不足是主要的失效形式。,2,.,齿轮的失效形式；,11.3,蜗杆传动的失效形式和计算准则,11.3.2,蜗杆传动的计算准则,对于闭式,蜗,轮传动，通常按齿面接触疲劳强度来设计，并校核齿根弯曲疲劳强度。,对于开式,蜗,轮传动，或传动时载荷变动较大，或蜗轮齿数,z,2,大于,90,时，通常只须按齿根弯曲疲劳强度进行设计。,由于蜗杆传动时摩擦严重、发热大、效率低，对闭式蜗杆传动还必须作热平衡计算，以免发生胶合失效。,11.4,蜗杆传动的材料和结构,11.4.1,蜗杆传动的材料,为了减摩，通常蜗杆用钢材，蜗轮用有色金属（铜合金、铝合金）。,高速重载的蜗杆常用,15Cr,、,20Cr,渗碳淬火，或,45,钢、,40Cr,淬火。,低速中轻载的蜗杆可用,45,钢调质。,蜗轮常用材料有：铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。,11.4,蜗杆传动的材料和结构,11.4.2,蜗杆、蜗轮的结构,1.,蜗杆的结构,蜗杆螺旋部分的直径不大，所以常和轴做成一个整体。当蜗杆螺旋,部分的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。,无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工但该结构的刚度,较前一种差。,2,.,蜗轮的结构,为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下：,11.4,蜗杆传动的材料和结构,整体式蜗轮,齿圈式蜗轮,镶铸式蜗轮,螺栓联接式蜗轮,观看涡轮照片,11.5,蜗杆传动的强度计算,普通蜗杆传动的承载能力计算,2,11.5.1,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相似，轮齿在受到法向载荷,F,n,的情况下，可分解出径向载荷,F,r,、周向载荷,F,t,、轴向载荷,F,a,。,蜗杆传动受力方向判断,在不计摩擦力时，有以下关系：,11.5蜗杆传动的强度计算,11.5.2,蜗轮齿面接触疲劳强度计算,蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式为,：,适用于钢制蜗杆对青铜或铸铁蜗轮,涡轮齿面接触疲劳强度的设计公式为,11.5,蜗杆传动的强度计算,11.5.3,蜗轮齿轮的齿根弯曲疲劳强度计算,涡轮齿根弯曲强度的校核公式为：,设计公式为：,11.5,蜗杆传动的强度计算,11.5.4,蜗杆材料的许用应力,1,.,蜗轮材料的许用应力,s,H,蜗轮材料的许用应力,s,H,由材料的抗失效能力决定。其计算公式为,2,.,蜗轮的许用弯曲应力,s,F,11.6,蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,11.6.1,蜗杆传动效率,h,1,计及啮合摩擦损耗的效率；,h,2,计及轴承摩擦损耗的效率；,h,3,计及溅油损耗的效率；,h,1,是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：,所以,Z,1,效率与蜗杆头数的大致关系为：,闭式传动,Z,1,总 效 率,0.7 0.75 0.750.82,0.820.92,式中：,l,蜗杆的导程角；,v,当量摩擦角。,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡,2,11.6.2,蜗杆传动的润滑,润滑的主要目的在于减摩与散热。具体润滑方法与齿轮传动的润滑相近。,润滑油,润滑油粘度及给油方式,润滑油量,润滑油的种类很多，需根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件选用。,一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。给油方法包括：油池润,滑、喷油润滑等，若采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端，而且要控,制一定的油压。,润滑油量的选择既要考虑充分的润滑，又不致产生过大的搅油损耗。对于下置蜗杆或侧置蜗杆传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的,1/3,。,11.6,蜗杆传动的强度计算,11.6,蜗杆传动的强度计算,11.6.3,蜗杆传动的热平衡计算,由于传动效率较低，对于长期运转的蜗杆传动，会产生较大的热量。,如果产生的热量不能及时散去，则系统的热平衡温度将过高，就会破坏润,滑状态，从而导致系统进一步恶化。,系统因摩擦功耗产生的热量为：,自然冷却从箱壁散去的热量为：,K,s,箱体表面的散热系数，可取,K,s,(8.151745)W/(m,2,),；,A,箱体的可散热面积,(m,2,),；,t,1,润滑油的工作温度,(),；,t,0,环境温度,(),。,在热平衡条件下可得：,可用于系统热平衡验算，一般,t,1,7090,可用于结构设计,11.6,蜗杆传动的强度计算,11.7,蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,蜗杆传动的精度选择,GB 10089-88,对普通圆柱蜗杆传动规定了,112,个精度等级,1,级精度最高，其余等级依次降低，,12,级为最低，,69,级精度应用最多,6,级精度传动一般用于中等精度的机床传动机构，圆周速度,v,2,5m/s,7,级精度用于中等精度的运输机或高速传递动力场合,速度,v,2,75m/s,8,级精度一般用于一般的动力传动中，圆周速度,v,2,3m/s,9,级精度一般用于不重要的低速传动机构或手动机构,蜗杆传动安装,蜗杆传动安装要求精度高。应使蜗轮的中间平面通过蜗杆的轴线。如右图所示。,为保证传动的正确啮合，工作时蜗轮的中间平面不允许有轴向移动，因此蜗轮轴支撑应采用两端固定的方式。,蜗杆传动的维护很重要，又注意周围的通风散热情况。,例题,11.1,设计一运输机的闭式蜗杆传动。蜗杆输入功率,蜗杆的转速,，传动比,，载荷平稳，单向回转，,，通风良好。,预期使用寿命,15000h,，估计散热面积,解：,（,1,）选择材料并确定许用应力,蜗杆：由于功率不大，采用,45,钢表面淬火，硬度,45HRC,。,蜗轮：因转速较高，采用抗胶合性能好的铸锡青铜，,ZcuSn10P1,，砂,模铸造。,查表,11.6,，蜗轮材料的基本许用接触应力为,查表,11.8,，蜗轮材料的基本许用弯曲应力为,11.7,蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,计算应力循环次数,N,（蜗轮转速 ）,计算寿命系数,计算许用应力：,11.7,蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,（,2,）确定蜗杆头数和蜗轮齿数,由表,11.1,，根据传动比,i,值取,（,3,）计算蜗轮转矩,取,（,4,）按齿面接触疲劳强度计算,取载荷系数,由式（,11.10,）得,11.7,蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,查表,11.2,，,按,选取,得,m=8,，,q=10,查表,11.5,，得,由式（,11.11,）得,齿根的弯曲疲劳强度校核合格。,11.7,蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,（,5,）验算传动效率,蜗杆分度圆速度为,查表,11.9,得,与原估计,相近。,11.7,蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,（,6,）热平衡计算,取室温,取散热系数,符合要求。,（,7,）中心距,a,及各部分尺寸,各部分尺寸计算略。,11.7,蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,（,8,）精度选择,由,v,2,选择精度等级。精度等级选择参考,GB10089-88,。,故选,8,级精度。,（,9,）绘制蜗杆、蜗轮零件工作图,117,蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,11.8,常用各类齿轮传动的选择,11.8.1,各类齿轮传动性能的比较,11.8,常用各类齿轮传动的选择,11.8.2,传动类型的选择,在选择传动类型时应考虑以下几个方面,传递大功率时，一般均采用圆柱齿轮。,在联合使用圆柱、圆锥齿轮时，应将圆锥齿轮放在高速级,圆柱齿轮和谐齿轮相比，一般斜齿轮的强度比直齿轮高，且传动平稳，所以用于高速场合。直齿轮用于低速场合,直齿圆锥齿轮仅用于,V,5m/s,的场合，高速时可采用曲面齿等。,由工作条件确定选用开式传动或闭式传动。,蜗杆的圆周速度,v4m/s,时采用上置式蜗杆传动。,联合使用齿轮、蜗杆传动时，有齿轮传动在高速级和蜗杆传动在高速级两种布置形势。前者结构紧凑，后者传动效率较高。,